高技术垂直鱼菜共生系统用于葡萄番茄和虹鳟鱼生产的生命周期评估

《Journal of Cleaner Production》：Life cycle assessment of high-tech vertical aquaponics for grape tomato and rainbow trout production

　　

设计了一种用于葡萄番茄和虹鳟鱼生产的双层级系统。生命周期评估（LCA）考察了三种施肥方案下的16个影响类别。在几乎所有类别中，电力贡献了超过70%的总影响。由于更高的生产力，拥有更多鱼类的方案减少了大多数影响类别。可再生能源和优化配置是改善可持续性的关键杠杆。

## 论文解读：高技术垂直鱼菜共生系统生产葡萄番茄和虹鳟鱼的生命周期评估

### 研究背景与问题
全球食品生产系统面临双重挑战：既要为快速增长的人口提供高质量、安全的食品，又要减少环境足迹。传统农业导致土地退化、温室气体排放和资源枯竭，迫切需要可持续、资源高效的栽培方法。鱼菜共生系统（aquaponics）通过整合水产养殖和水培（hydroponics），将鱼类养殖产生的富营养废水作为植物肥料，形成闭环生产，已在叶菜类作物（如生菜、菠菜）中显示出潜力。然而，对于高营养需求的水果蔬菜，如葡萄番茄（grape tomato），其生长需要较高浓度的钾和磷，而水产养殖废水通常难以满足这些需求，因此需要评估是否可以仅依靠水产养殖废水实现高产并保持低环境足迹，或者是否需要额外补充肥料。此外，现有研究多集中于小规模或模拟系统，缺乏对垂直整合、大规模实际运行条件下系统环境性能的评估。为此，研究人员在希腊ELGO-DIMITRA的SASRER实验室，设计了双层级垂直鱼菜共生系统，旨在量化葡萄番茄和虹鳟鱼（rainbow trout）联合生产的环境影响，并识别改进途径。该论文发表在《Journal of Cleaner Production》。

### 主要关键技术方法
研究人员采用归因生命周期评估（LCA）方法，遵循ISO 14040/14044标准，功能单位为1kg葡萄番茄和1kg虹鳟鱼，通过质量分配处理多产品。系统边界为摇篮到农场大门，数据来自2022年10月至2023年6月实际运行（253天或217天）。使用SimaPro v.9.4.0.2软件和EF 3.0方法评估16个中点影响类别，背景数据库包括Ecoinvent v3.9、USLCI和Industry data 2.0。通过蒙特卡洛模拟（1000次迭代）评估不确定性，并进行了敏感性分析（±10%）。设计了两个替代情景：扩大鱼产量（5个鱼缸，总计80kg鱼生物量）并采用光伏发电，以及比较使用自来水和非垂直布局的影响。

### 研究结果
#### 3.1 水果和鱼产量结果
通过实际运行记录，研究人员发现：纯水培处理（HT）的葡萄番茄产量最高（36.40kg，12.13kg m^-2，253天）；补加矿物肥料的鱼菜共生处理（CAT）次之（29.60kg，9.87kg m^-2，253天）；仅鱼菜共生处理（AT）最低（7.19kg，2.40kg m^-2，217天）。同时，CAT鱼产量为32.0kg，AT为27.4kg。这表明完全依赖鱼类营养液会限制番茄产量，但补充矿物肥料可部分缩小差距。

#### 3.2 LCA结果
生命周期影响评估（LCIA）结果显示，在所有处理中，电力消耗是主要环境热点，贡献了超过70%的总影响。在HT中，温室供暖电力占主导地位，对气候变化（CC）贡献76.7%，对臭氧消耗（OD）贡献77.3%，对淡水富营养化（FE）贡献80.2%。在CAT中，水产养殖水循环泵是最大贡献者（CC的27.4%），其次是水循环、增氧和空调。在AT中，鱼饲料和电力共同主导，鱼饲料对土地占用（LU，56.7%）和水资源使用（WU，31.8%）贡献显著，电力（水循环和增氧）占约40%。基础设施和肥料贡献相对较小。

#### 3.2.1 情景分析：扩大鱼产量与光伏发电
研究人员模拟了扩大鱼产量（5个鱼缸，鱼生物量80kg）并采用光伏发电的情景。蒙特卡洛结果显示，该情景在所有能源相关指标（CC、OD、IR、POF、PM、AF、RUf）上均优于基线，概率达100%，表明光伏替代电网电力是显著改善环境性能的关键杠杆。敏感性分析确认电力是最敏感参数（±10%变化导致±6-9%影响），鱼饲料次之（±4-7%），塑料材料影响最小（±2-3%）。

#### 3.2.2 比较情景：自来水与非垂直布局
将原系统的雨水收集和垂直整合布局替换为自来水和外部非垂直布局后，研究人员发现土地占用（LU）从70.0 Pt增至153.0 Pt，水资源使用（WU）从15.2 m³ deprivation增至19.9 m³ deprivation，而其他指标（如CC）变化不大。这表明垂直整合和雨水收集主要针对土地和水资源效率，而非普遍降低所有环境指标。

### 讨论与结论
讨论部分指出，该研究基于实际运行数据，采用归因LCA框架，通过质量分配处理多产品，并考虑了营养物排放估算和基础设施摊销等假设。研究局限性包括未考虑固体废物最终处理的全生命周期影响，以及数据不确定性通过敏感性分析探索。结论部分翻译如下：本研究应用符合ISO标准的归因LCA评估了垂直整合的葡萄番茄-虹鳟鱼鱼菜共生系统，在三种施肥方案下：纯水培（HT）、补加鱼菜共生（CAT）和仅鱼菜共生（AT）。结果表明，HT在大多数中点类别中每kg番茄环境影响最低，主要由于番茄产量高且无水产养殖输入。然而，在鱼菜共生配置中，CAT是最可行的方案，因为它维持了较高的番茄产量，并部分替代了合成肥料。AT则因番茄产量低，导致单位功能的环境影响升高，尽管没有矿物施肥。针对初始研究问题，这些发现表明，水产养殖衍生营养液确实可以支持葡萄番茄生产，但其环境表现高度依赖于作物产量、营养平衡和系统设计。在所有处理中，电力消耗是主要环境热点，尤其对于供暖、水循环、增氧和水产养殖操作。鱼饲料也是鱼菜共生处理的重要贡献者，尤其对土地和水资源使用指标。与运营能源需求相比，基础设施材料和肥料作用较小。扩大鱼产量并采用光伏发电的情景显示，用现场可再生能源替代电网电力可显著改善能源相关影响类别，证实能源脱碳是此类系统最有效的改进途径。比较自来水和非垂直布局的情景进一步表明，用自来水替代雨水收集并将水产养殖单元移出温室足迹，主要增加了水资源使用和土地占用，而其他大多数影响类别变化不大。这证实了原系统设计主要贡献于土地和水资源效率，而非统一降低所有环境指标，也强调了使用完整LCA框架的重要性，因为单一指标如碳足迹可能会忽略水和土地占用的权衡。综上所述，研究表明，只要保持产量并降低能源需求，补加型鱼菜共生（CAT）可代表一种实用且更平衡的鱼菜共生策略，适用于水果蔬菜。未来优化应优先考虑可再生能源整合、改进热管理、高效泵操作、饲料优化和营养平衡。所提出的方法为评估实际运行条件下循环鱼菜共生系统以及测试设计改进提供了可重复的框架。