《Resources Environment and Sustainability》：Resource use and environmental impacts of net cage tilapia and land-based pond catfish intensive aquaculture production systems: A life cycle assessment
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全球人口增长以及食品再分配效率低下，推动了对水产食品需求的显著增加。全球水产动物食品消费量在近几十年持续增长，2021年达到1.625亿吨，人均年消费量从1961年的9.1公斤增至2022年的20.7公斤（FAO, 2024）。这一持续需求促进了水产养殖系统的
全球人口增长以及食品再分配效率低下，推动了对水产食品需求的显著增加。全球水产动物食品消费量在近几十年持续增长，2021年达到1.625亿吨，人均年消费量从1961年的9.1公斤增至2022年的20.7公斤（FAO, 2024）。这一持续需求促进了水产养殖系统的快速扩张，以保障全球膳食需求的稳定供应。2022年全球渔业和水产养殖总产量达到2.232亿吨，其中水产养殖产量达1.309亿吨，占水产动物总产量的51%以上，首次在历史上超越捕捞渔业。尽管水产养殖对全球食品生产具有重要贡献，但其相关实践也带来了不利的环境影响。富含氮（N）和磷（P）的营养盐废水排放会导致藻华和富营养化（eutrophication），化学品排放进一步加剧水污染、栖息地退化和水生生态毒性。饲料配方过程是全球变暖、富营养化和酸化潜势的主要贡献者，而养殖池塘的土地利用及自然生态系统转化则加剧了生物多样性丧失。在众多贡献因素中，饲料投入是主要的环境热点。鱼粉（fish meal, FM）生产与过度捕捞及有限海洋资源压力相关，其环境负担因原料质量差异而进一步复杂化。黑水虻幼虫（black soldier fly larvae, BSF）虫粉已成为水产饲料配方中具有前景的替代蛋白源，但多数研究主要关注生长性能结果，对BSF虫粉作为饲料原料的环境性能关注相对较少。在撒哈拉以南非洲地区，尼日利亚是主要的养殖鱼类生产国，2022年水产养殖产量约259,106吨，其中非洲鲶鱼产量达140,000吨，为全球最大生产国。网箱和混凝土池塘设计是尼日利亚两种主要的商业化养殖配置。然而，尼日利亚两种水产养殖系统（网箱尼罗罗非鱼和陆基池塘非洲鲶鱼）的结构性和运营性资源利用及环境性能在LCA文献中受到的关注有限。本研究通过LCA框架评估了尼日利亚两种集约化水产养殖系统的局部和全球环境影响，具体目标包括：（i）量化两种生产系统的资源利用和运营特征；（ii）识别十个影响类别中沿生命周期生产链的主要环境热点；（iii）评估生命周期影响对关键生产参数（基础设施寿命、放养密度和经济饲料转化率）及国家电网脱碳情景的敏感性；（iv）检验BSF虫粉替代作为减少饲料相关环境负担策略的环境权衡。该研究为尼日利亚水产养殖系统建立了首个系统特异性的环境证据基础，揭示了不同养殖实践设计之间的资源利用权衡和环境后果，对水产养殖生产系统设计、饲料优化和全球环境政策具有直接相关性。
一、研究背景与问题提出
全球人口持续增长以及食品再分配效率低下，推动了对水产食品需求的显著增加。全球水产动物食品消费量从1961年的人均9.1公斤增至2022年的20.7公斤，2021年总消费量达到1.625亿吨。2022年全球渔业和水产养殖总产量达2.232亿吨，其中水产养殖产量达1.309亿吨，占水产动物总产量的51%以上，首次在历史上超越捕捞渔业。尽管水产养殖对全球食品生产贡献重大，但其相关实践也带来了不利的环境影响，包括富含氮磷的营养盐废水排放导致藻华和富营养化、化学品排放加剧水污染和生态毒性、饲料配方过程对全球变暖和酸化潜势的贡献，以及养殖池塘土地利用对生物多样性的负面影响。
在众多影响因素中，饲料投入是主要的环境热点。鱼粉生产与过度捕捞和海洋资源压力相关，且其生产为能源密集型过程。黑水虻幼虫虫粉作为替代蛋白源虽已显示出应用前景，但多数研究集中于生长性能，对其环境性能关注不足。已有研究表明BSF生产相比鱼粉具有较低的生态足迹，但这一结论高度依赖具体情境，且现有LCA比较研究主要在欧美语境下开展，对撒哈拉以南非洲生产系统的关注极为有限。
在撒哈拉以南非洲，尼日利亚是主要的水产养殖生产国，2022年产量约259,106吨，其中非洲鲶鱼产量达140,000吨，为全球最大生产国。网箱和混凝土池塘是尼日利亚两种主要的商业化养殖配置。然而，Isah等（2025）的系统综述发现，2010至2023年间尼日利亚所有30项LCA研究均未涉及水产养殖。这一空白不仅限于环境影响的量化，还涉及系统层面的运营分析缺失——网箱和陆基池塘在基础设施投入、能源需求、饲料投入和废水产生方面存在显著差异。缺乏此类比较数据，就无法确定哪种系统施加更大的环境负担、负担在何种条件下转移，以及哪些针对性干预措施能在水产养殖部门产生更好的可持续性收益。
二、研究内容与主要结论
本研究采用生命周期评价框架，以1吨活体重鱼类为功能单位，系统边界为从摇篮到养殖场大门，评估了尼日利亚网箱尼罗罗非鱼和混凝土池塘非洲鲶鱼两种集约化养殖系统的环境性能。研究使用CML-IA Baseline 2002影响评价方法和SimaPro v.9.3.0.2软件，评估了十个环境影响类别，并进行了敏感性分析、情景分析和蒙特卡洛不确定性分析。研究论文发表于《Resources Environment and Sustainability》。
三、关键技术与方法
研究人员采用的主要技术方法包括：生命周期评价框架（依据ISO 14040和ISO 14044标准）；CML-IA Baseline 2002中点影响评价方法，结合SimaPro v.9.3.0.2软件进行数据编译和影响计算；基于Cho和Kaushik（1990）营养平衡模型估算氮磷排放；采用两阶段实地调查收集一手数据（第一阶段对二十个养殖场进行随机抽样调查，第二阶段从初始样本中选取七个养殖场进行详细访谈验证）；使用Ecoinvent? v3.4和Agribalyse 3.1数据库获取背景数据；采用蒙特卡洛模拟（10,000次迭代）进行不确定性分析；通过敏感性分析和情景分析评估关键参数（基础设施寿命、放养密度、经济饲料转化率eFCR、BSF虫粉替代）和电网脱碳情景的影响。样本数据来源于尼日利亚拉各斯州Badagry水域的网箱养殖场和Sejiro水产养殖研究所的混凝土池塘养殖场。
四、研究结果
4.1 生命周期清单（LCI）
生命周期清单揭示了两种养殖系统之间明显的结构和运营差异。罗非鱼网箱系统以漂浮和围护材料为主，而鲶鱼池塘系统以固定土木和水力基础设施为主。饲料生产投入方面，鲶鱼在所有资源流上均高于罗非鱼：柴油消耗和电力使用分别高出30.5%和13.2%。在养殖阶段，鲶鱼池塘系统以1.39 kg/m3的放养密度运营，高于罗非鱼网箱系统的0.19 kg/m3。罗非鱼死亡率较高（12%），单笼产量686公斤；鲶鱼死亡率较低（5%），单塘产量1,900公斤。饲料效率方面，鲶鱼FCR为2.42，罗非鱼为1.65，鲶鱼每吨鱼饲料消耗量高出约47%。鲶鱼系统电力需求显著，主要用于持续增氧（357.95 kWh/吨）和抽水（514.65 kWh/吨），而罗非鱼系统完全依赖自然水流和溶解氧动态。鲶鱼系统所有实测废水参数均高于罗非鱼，总悬浮固体（TSS）高出44.0%，总氮和总磷排放分别高出约55%和91%。
4.2 特征化得分
特征化结果显示，鲶鱼全球变暖潜势（GWP）为6.36E+03 kg CO? eq，是罗非鱼（2.83E+03 kg CO? eq）的两倍以上，主要由饲料生产的高能耗和养殖作业的燃料消耗驱动。鲶鱼在酸化潜势（AP）、富营养化潜势（EP）、淡水生态毒性（FWE）、人体毒性潜势（HTP）和陆地生态毒性（TEP）方面均高于罗非鱼。唯一例外是海洋生态毒性（MET），罗非鱼（7,050 kg 1,4-DB eq）超过鲶鱼（4,070 kg 1,4-DB eq）。饲料生产是两种系统中所有环境影响类别的主导生命周期阶段，在酸化潜势、富营养化潜势、全球变暖潜势、人体毒性潜势、淡水生态毒性、光化学氧化形成和陆地生态毒性类别中贡献约35%至70%以上。基础设施投入在罗非鱼网箱系统中更为突出，尤其在非生物耗竭（AD）（48%）和人体毒性潜势（57%）方面。
4.3 归一化结果
归一化结果显示，鲶鱼在所有中点影响类别中均表现出比罗非鱼更高的归一化影响得分。陆地生态毒性是两种系统的主导影响类别，鲶鱼为1.18E-09，罗非鱼为5.87E-10。非生物耗竭得分最低。饲料生产是两种系统总环境影响的最大贡献者。
4.4 生命周期过程对环境影响贡献
在基础设施方面，罗非鱼网箱系统中镀锌钢框架和尼龙网是多数影响类别的主要贡献者，钢框架对臭氧层消耗（OLD）（51%）和淡水生态毒性（49%）贡献最大；尼龙网在酸化潜势（43%）和富营养化潜势（42%）中占比较高；高密度聚乙烯（HDPE）在人体毒性潜势（47%）和海洋生态毒性（38%）中显著。鲶鱼系统中，钢筋是AD（65%）、TEP（38%）、HTP（37%）和MET（35%）的主要贡献者，水泥生产在AP（55%）、GWP（50%）和EP（48%）中占主导。
在饲料原料方面，鱼粉、大豆和鱼油是两种系统的主要影响驱动因素。罗非鱼饲料中鱼粉对AD（30%）和MET（30%）贡献最大，大豆在GWP（28%）、EP（23%）和HTP（28%）中突出。鲶鱼饲料中大豆是最具影响力的原料，主导HTP（36%）、FWE（34%）、EP（28%）、GWP（30%）和TEP（35%）。
在能源使用方面，罗非鱼系统中饲料生产的柴油是全部十个影响类别的主导贡献者，养殖作业柴油（摩托化船只）位居第二。鲶鱼系统中饲料生产柴油仍是AD（76.9%）、OLD（72.3%）、HTP（52.8%）和POF（48.2%）的主导贡献者，但抽水电力在GWP（33.0%）、EP（30.0%）、AP（27.2%）等类别中成为共同主导贡献者。
4.5 敏感性和情景分析
敏感性分析表明，基础设施寿命缩短至10年使罗非鱼系统AD和HTP分别增加24.0%和28.5%，鲶鱼系统AD增加27.0%。提高放养密度可减少多数类别的影响，但对TEP影响甚微。改善eFCR对TEP和AP的减排效果最为显著。BSF虫粉替代情景显示明确的环境权衡：20%替代水平下罗非鱼GWP、MET和TEP分别降低15.4%、21.5%和17.2%，但AP和HTP分别增加4.2%和5.7%；35%替代水平下GWP降低24.7%、MET降低36.5%，而AP和HTP分别增加9.9%和13.75%。鲶鱼系统中BSF替代的效应更强，35%替代使GWP降低32.9%、MET降低40.3%，但AP增加27.2%。电网脱碳情景下，罗非鱼系统GWP降低约9.6%，鲶鱼系统降低25%至33%，两种系统间的GWP差距从约2.25倍缩小至1.8倍。
五、讨论与结论
讨论部分指出，网箱罗非鱼系统依赖开放水域的自然水动力条件和溶解氧动态，而混凝土池塘鲶鱼系统需要对封闭的陆基生产环境进行更大的机械控制。饲料转化效率被广泛认为是水产养殖环境性能的主要杠杆，鲶鱼系统的FCR比罗非鱼高约47%。FCR并非固定的生物学参数，而是受饲料质量、投喂频率、水温、放养密度和鱼类健康影响的管理变量。研究结论部分强调，饲料生产是两种系统所有环境影响类别的主导热点，改善饲料效率和优化饲料配方是减少环境影响的最有效途径。BSF虫粉替代虽能降低全球变暖潜势和海洋生态毒性，但会以酸化潜势和人体毒性潜势上升为代价，这种权衡在尼日利亚以化石燃料为主的电网背景下尤为明显。该研究为尼日利亚水产养殖系统提供了首个系统特异性的环境证据基础，对养殖系统设计、饲料优化和全球环境政策具有直接参考价值。
