基于海洋藻类的水产养殖 - 海洋农业可行性研究成果

南极棉 · 发表于海洋技术发展 2026-1-21 21:53:54

文章摘要

到本世纪中叶，社会将需要大大加强其粮食生产系统的产出，同时减少该系统对气候、土地利用、淡水资源和生物多样性的有害影响。这就需要找到碳排放密集型农业的替代品，而碳排放密集型农业是当今全球粮食生产体系的支柱。在这里，我们探讨的假设，基于海洋藻类的水产养殖可以帮助缩小社会未来营养需求的预测差距，同时提高环境的可持续性。基于海洋藻类的水产养殖的粮食生产有可能超过2050年预计的全球蛋白质总需求，其范围从2.638亿吨/年到2.865亿吨/年。相对于陆地农业，它还提供了重要的营养和环境可持续性优势。相对于陆生植物，海藻可以提供更好的优质营养蛋白质、必需氨基酸和其他微量营养素的来源。此外，由于海藻不需要土壤、灌溉和肥料的露天施用，它们的种植不需要与农业竞争耕地和淡水，也不会导致肥料流失和下游富营养化。此外，通过减少农业对耕地和淡水的需求，基于海洋藻类的水产养殖可以减少毁林的压力，从而有可能在全球范围内显著减少碳排放和生物多样性的丧失。

夏威夷大岛科纳海岸的微藻培养设施。图片由Cyanotech公司提供。

全文

介绍

到2050年，世界人口预计将接近100亿。预计全球粮食产量将需要增加56%，以满足日益增长和日益富裕的人口的营养需求（图1；Godfray等人，2010年；世界资源研究所，2019年）。然而，即使是今天的粮食生产也是不可持续和不足的。在陆地上，农业是全球粮食生产体系的支柱；然而，其效益是以牺牲对土地利用和碳排放（图1）以及淡水资源和生物多样性的负面影响为代价的（Foley等人，2005年，2011年；Tilman等人，2011年；Conforti，2011年；Springmann等人，2016年；Ritchie和Roser，2019年；世界资源研究所，2019年；Zurek等人，2022年）。如果我们从海洋中寻找营养来源，大多数野生捕捞渔业已经被充分开发或过度开发，而目前的海洋水产养殖实践还不够发达，无法缩小与野生捕捞渔业之间的差距。。。

图1所示。2010年至2050年全球人口增长预测，以及农业粮食生产、土地使用和减缓气候变化方面的相应预测缺口。所有预测均基于世界资源研究所（2019）报告中报告的数据。(a)预计人口增长30亿，增长43%。(b)假设一切如常，并以直接用于人类消费的所有农作物、动物饲料、工业用途、种子和生物燃料所需的能量来衡量，预计的农业粮食缺口为7.4万亿千卡，增加了56%。(c)假设一切照旧，并以支持所有农业粮食生产所需的土地面积计算，预计农业土地缺口为4亿公顷牧场和2亿公顷农田，共增加12%。注意此面板中的非零基线。(d)预测的农业气候减缓差距是指2050年预测的温室气体排放水平与实现政府间气候变化专门委员会稳定的升温目标为1.5°C和2.0°C。温室气体排放量的预测增加，假设一切照旧的情景，并以CO2为计量单位食品生产过程本身和土地利用变化排放的当量为3 Gt CO2E，增加了25%。

目前，据估计，世界上有四分之一的人口营养不良，20亿人的饮食缺乏微量营养素，超过8亿人无法获得足够的热量来满足其最低的每日能量需求（Moomaw et al., 2017；世界饥饿和贫困事实与统计, 2018; Willett et al., 2019）。粮食分配和浪费是当今问题的一个重要组成部分；然而，即使到2050年这些领域有所改善，也不足以养活另外30亿人，其中大多数是发展中国家的人口（世界资源研究所，2019年）。为了在21世纪下半叶确保充足的粮食供应，社会将需要大大加强其粮食生产系统的产出，同时减少其对全球环境的有害影响。

鉴于增加农业产出受到限制，人们正在探索许多替代粮食选择，以评估社会如何可持续地加强其粮食生产系统（Parodi et al., 2018; Duff et al., 2020）。在海洋“蓝色食物”选项中，水产养殖备受关注，主要是因为野生捕捞渔业的扩张将无法跟上不断增长的需求（Cai and Leung，2017；Costello et al.，2020）。然而，目前海洋水产养殖业的扩大也有有限的限制。Belton et al. (2020)认为，通过海洋贝类和有鳍鱼类水产养殖来加强全球粮食生产的潜力比其倡导者所宣称的要有限得多。这些作者的结论是，水产养殖的未来是在淡水有鳍鱼，社会的期望值从海洋水产养殖源的产量应降低。

同时Belton et al. (2020) 强调几个重要问题，我们不同意它们关于海洋水产养殖限制的主要结论。Naylor et al. (2021)最近的一篇评论。证实了淡水鳍鱼生产在全球水产养殖市场中的主导地位：2017年，淡水鳍鱼产量在112公吨活重产量中占75%。然而，在过去的20年内，由Naylor et al. (2000)进行了一次审查。以海藻为基础的水产养殖发展迅速，2017年生产了32公吨，与1997年所有水产养殖部门的产量相当(34Mt；Naylor et al., 2021)。这种快速增长，主要以大型藻类的形式，突出了海洋藻类为基础的水产养殖的巨大潜力，以进一步扩大。此外，虽然微藻在小规模的营养食品市场和利基食品市场上有一些商业发展，但对食品、动物饲料和水产饲料商品市场的渗透有限。根据最近的研究(Gerber et al., 2016; Walsh et al., 2016; Moomaw et al., 2017; Beal et al., 2018a; Shah et al., 2018; Lei, 2021)，我们认为，在发展以微藻为基础的营养商品市场方面有很大的增长空间。在此，我们探讨了一个假设，即以海藻为基础的水产养殖有可能缩小人类未来营养需求方面的预期差距，并且可以做到这一点，同时减少当前粮食生产系统的不利气候和其他环境影响。

循环经济方法

2020年10月，海洋愿景联盟成立了海洋循环生物经济（MCB）专责小组（https://oceanvisions.org/our-programs/marine-circular-bioeconomy/），探讨海洋水产养殖业在可持续地加强全球粮食生产方面的潜力。MCB工作组采用循环经济方法（de Wit et al.，2020），强调减少新的资源开采，增加终端处理和回收。与“取而代之”的线性模型相比，循环经济模型是设计再生的，旨在将经济发展与有限资源开采脱钩。

应用于海洋养殖业（图2），循环经济的方法允许跟踪和量化的能源投入和流动，回收和再利用的材料。它使人们能够直观地看到减少新资源消耗的机会，并通过回收和再利用，减少废弃产品的生产。它还使以新的和更有效的方式组合过程的机会，以提高粮食和能源的共同生产，以及二氧化碳的捕获，存储和利用可视化。

图2海洋循环生物经济概念应用于海洋水产养殖。直接空气捕获。BECCS=具有碳捕获和存储功能的生物能源。

二十一世纪的挑战：扩大蓝炭的空间利用范围

海洋目前约占地球每年全球初级生产量的一半，约50GT C年–1（字段和1998年加入；博伊德2014年，美国与陆地初级生产相反，这种自养蓝碳很少进入人类的食物生产系统。大部分海洋初级生产是由开阔洋的小型浮游藻类进行的，单位面积的生产力相对较低，食物链相对较长（Ryther，1969年）。这两个因素都限制了公海生态系统对人类营养的潜在贡献。

与开阔洋相比，沿海海洋生态系统单位面积的初级生产力要高得多，食物链要短得多，特别是在上升流区。雷瑟，1969年。这些因素占沿海海洋生态系统提供了世界上绝大多数的野生捕捞渔业收获。此外，沿海海洋是底栖大型藻类床和海带森林以及红树林、盐沼和海草蓝碳生态系统的家园。尽管这些大型藻类和蓝碳生态系统单位面积的生产力很高，碳储存量也很大，但它们只占地球表面积的不到1%（图3). 因此，尽管它们在近岸沿海环境中贡献了很大一部分的初级生产（Macreadie etAl.，2019），这些生态系统对海洋年初级生产总量和碳固存的贡献相对较小（Nellemann et2009年，斯科特-布希勒和格林出版社，2019年。

图3。地球表面积的组成。>高分辨率图形

在未来几十年中，海洋藻类水产养殖面临的主要挑战是增加进入人类食物生产系统的自养蓝碳的数量。目前，大多数海水养殖仅限于沿海海域。因为沿海海洋只占地球表面积的大约11%（图3），这就从根本上限制了当今海洋水产养殖对人类营养的潜在贡献。这一潜在贡献还受到沿海海洋中许多其他人类活动的限制，这些活动减少了可用于海洋水产养殖的空间面积。

应对这一挑战的一个解决方案是增加以海藻为基础的水产养殖的空间范围。这可以通过扩大陆上和海上水产养殖设施的足迹来实现。与陆上微型和大型藻类养殖相比，离岸更远、进入更深的海洋水域的水产养殖设施的技术发展不太成熟（巴克和兰根，2017；巴克和格罗特，2018；阿劳霍等人，2021年）。建造这类设施的主要挑战是需要新技术，既能承受海洋环境更大的流体动力，又不会产生极其昂贵的资本和业务费用。无论是全球大型海藻养殖业的领导者中国，还是欧盟，都没有在这一领域进行重大的研发投资。美国通过ARPA-E大型藻类研究激励新能源计划（MARINER）取得了最新进展（https://arpa-e.energy.gov/technologies/programs/mariner). 尽管如此，持续的研究和发展，包括对潜在环境影响的评估（Boyd et#）。将需要使近海海洋水产养殖具有商业可行性和全球可扩展性。

海洋微藻养殖的营养和可持续性优势

与近海海洋水产养殖相比，发展陆上淡水和海洋微藻养殖设施已有50年的丰富历史（Benemann，2013；DOE，2016a，b；Khan et al.，2018）。虽然以微藻为基础的水产养殖的重点最初是生产生物燃料和营养食品，但这一领域的研究最近已发展到调查微藻在生产动物和水产饲料以及人类直接消费的食品方面的潜力（Moomaw等人#年）。2017年；雷，2021年；王等，2021）。

与陆地农业相比，利用陆上水产养殖设施培育的海洋微藻生产食品在营养和环境可持续性方面具有若干优势。作为一个多系群组成的数千种不同的，大多是未知的物种，海洋微藻代表了一个潜在的大的，未开发的高品质营养蛋白质来源。虽然范围很大，但许多物种的蛋白质含量大于40%的干质量。（王等所有人，2021年）。此外，相对于陆地植物，海洋微藻提供了更好的必需氨基酸和其他微量营养素，如维生素、抗氧化剂、ω-3多不饱和脂肪酸和矿物质（Moomaw等人#年）。2017年；雷，2021年；王等，2021）。

就直接的环境可持续性优势而言，微藻表现出的初级生产率通常比最高产的陆地作物高出一个数量级以上（Huntley和Redalje，2007年）。因此，在土地使用方面，在陆上水产养殖设施中种植海洋微藻有可能用不到十分之一的土地面积生产等量的食物。此外，由于海洋微藻不需要土壤和灌溉，它们的种植不需要与农业和其他利益相关者争夺耕地和淡水（图4Greene等人，2016年；Walsh等人，2016年；Moomaw等人，2017年)。最后，由于海洋微藻的养殖在利用营养方面非常有效，只有失去在所需产品中收获的养分，才能尽量减少与过量肥料径流和随后水生和海洋生态系统富营养化有关的问题。以下是一些简单计算的结果。方框1A将这些直接的环境可持续性优势定量地纳入视野。

图4从各种营养来源生产必需氨基酸的土地和淡水足迹。所有估计均基于Moomaw等人报告的数据。(2017). 土地足迹以每公吨产品的公顷为单位。淡水足迹以每公吨产品的淡水立方米为单位。>高分辨率图形

还应注意到不太直接的环境可持续性优势的潜力。通过减少农业对耕地的需求，海洋微藻的养殖有可能显著减少温室气体排放和生物多样性的丧失。例如，在过去50年中，亚马孙河流域约有五分之一的雨林遭到砍伐，其中大部分被用作畜牧场和大豆田。（Krogh,2020年出版）这种森林砍伐是如此广泛，以致亚马逊河流域最近已从全球重要的碳汇转变为净碳源（Gatti et#）。所有人，2021年）。此外，人们日益关切的是，砍伐森林和气候变化之间的进一步相互作用可能迫使亚马孙雨林跨过一个临界点，危及储存在其地上和地下生物量中的超过#亿吨的碳（Boulton et#年）。年，2022年）以及其显著的生物多样性。从几个简单的计算结果在方框1B为了证明海洋微藻的潜力，以减少压力，清除亚马逊雨林牛牧场和大豆田。

方框1海洋微藻养殖的环境可持续性优势*

A.环境可持续性的直接优势实例

2020年全球大豆产量为353万吨/年，可收获耕地面积为130万平方公里2（粮农组织，2021年）。假设湿重生物质中蛋白质含量为13%（美国农业部，2018年），这将转换为2020年全球大豆蛋白产量为46Mt/yr。假设藻类蛋白生产力值为3.36×10–3公吨/公里2/年（Huntley等美国，2015年；美国能源部，2016b；王等Al.,2021），微藻养殖面积需要生产类似数量的蛋白质约为13,700公里。2，节省了95倍的农田。

假设全球大豆生产的平均蓝水灌溉需求量为123,000米3/公里2每年节约淡水约1600亿立方米。这相当于美国目前对所有作物的年度蓝水灌溉需求（粮农组织，2022年）。

假设大豆产量需要5.5吨/公里2如果每年施用磷肥并有2.3%的磷肥流失（Alexander等人，2008），那么每年从磷肥流失中节约的磷肥量将达到约164,000t. 这相当于北美磷肥年需求量的3.2%（FAO,2019）。

B.不太直接的环境可持续性优势实例

2020年巴西大豆产量为128万吨/年，可收割面积为372,000公里2（粮农组织，2021年）。假设湿重生物质中蛋白质含量为13%（美国农业部，2018年），这将转换为巴西大豆蛋白产量16.6 Mt/yr。假设藻类蛋白生产力值为3.36×10–3公吨/公里2/yr，生产类似数量蛋白质所需的微藻养殖面积约为4940km2，提供了一个潜在的节省75倍的耕地。

巴西的平均牛肉产量（相当于胴体重）在2018-2020年为1000吨/年，放牧面积为165万公里2（粮农组织，2021年）。假设在同等胴体重量中蛋白质含量为15%，这将转换为巴西牛肉蛋白质产量为1.5 Mt/yr。假设藻类蛋白生产力值为3.36×10–3公吨/公里2/yr，微藻养殖面积约为446公里，生产类似数量的蛋白质所需2，提供了一个潜在的节省3700倍的牧场。

请注意，完全取代巴西大豆和牛肉蛋白与海洋微藻蛋白是不太可能的，并不建议在这里。另一方面，亚马逊的生物多样性占地球上所有陆地动物和植物物种的四分之一以上（Dirzo和Raven，2003年），最近的一项研究由Allan等人。（2022）确定49.3%的巴西4206,016公里2需要一定程度的保护。通过减少巴西对农田和牧场的需求，海洋微藻的养殖可对保护亚马孙生物多样性产生重大影响。巴西在其海岸线上拥有足够多的合适土地来生产全球数量可观的海洋微藻蛋白（图5）。

*请参阅在线补充资料，了解此处提供的产量和需求计算。

海洋微藻水产养殖的可持续性挑战

虽然海洋微藻水产养殖的潜在环境可持续性优势很大，但在全球范围内扩大其规模的挑战也很大。尽管在热带和亚热带地区有大面积的具有适当地形和日照的适宜土地可供利用，但栽培设施必须足够靠近海水或微咸水的来源，以避免过多的运输费用（图5).

图5。(a)根据每年传入的太阳辐射数据和经过验证的增长模型绘制的潜在陆上海洋微藻生物量全球分布图。(b)全球陆上海洋微藻蛋白质生产潜力图，受地形和进入海水等其他环境标准的限制（见补充材料）。>高分辨率图形

比寻找合适的土地更具挑战性的是对二氧化碳的需求。当微藻快速生长时，它吸收二氧化碳的速度比它在开放式养殖池塘的空气-水界面上扩散的速度要快。必须向池塘中添加二氧化碳，供应这种气体的成本，无论是能源成本还是财务成本，都必须保持在较低水平。理想情况下，二氧化碳应在现场由非化石碳源产生。一些作者认为，这可以通过将微藻培养设施与直接空气捕获相结合来实现（DAC；Greene et et）。2016年和2017年威尔考克斯等人Al.，2017年）或具有碳捕获和存储的生物能源（BECCS; 比尔和美国，2018b）技术目前的DAC方法对于这一目的来说过于昂贵；但是，将DAC与聚光太阳能发电或其他新兴的可再生能源技术相结合，可以为同时发电和捕获二氧化碳提供一种成本效益高的方法（Greene et#年）。2017年；贝克等人Al公司，2020年）。

为在全球范围内培养海洋微藻提供营养也是一项艰巨的挑战，特别是在磷方面。科学界花了十多年的时间试图预测全球农业何时会受到“磷峰值”的限制（Cordell等人，2009年），而微藻的种植也不会幸免于这种限制。事实上，微藻的化学计量营养需求放大了这种磷的挑战（Lenton，2014）。幸运的是，前面提到的养分利用效率（即没有化肥流失）与通过基于藻类的废水处理进行养分回收的潜力相结合，使挑战不那么令人生畏。从废物流中回收和再利用磷是循环经济方法能够很好地应对的挑战（Ullmann和Grimm，2021）。

精神食粮

对适合海洋微藻水产养殖的沿海地区的全球分析表明，即使按照保守的假设，这一全球粮食生产系统中尚未开发的部门有潜力在2050年提供超过100%的全球蛋白质需求（见补充材料）。然而，就培育海洋微藻（图5). 我们的分析表明，这一部门的潜力很大程度上在于全球南方。1虽然欧亚大陆和北美大陆的广大地区传统上被视为社会的全球粮仓，海洋微藻水产养殖提供了一个机会，以更好地平衡这两个社会经济半球之间的粮食生产。

地球物理方面的考虑是必要的，但不足以确保在全球南方扩大以海洋微藻为基础的水产养殖。还必须权衡财政方面的因素。幸运的是，在全球南方，土地和劳动力成本相对较低，它们将为发展提供进一步的激励。然而，也许最重要的财政激励是绿色气候基金。绿色气候基金于2011年在南非德班举行的联合国气候变化会议(缔约方会议第十七届会议)期间正式通过，最初设想为较富裕的国家提供一个机制，协助发展中国家努力减轻和适应气候变化的影响。绿色气候基金的实施一直困难重重，因为对较富裕国家捐款的激励力度不大，特别是在适应措施方面。然而，以海洋微藻为基础的水产养殖可以为富国和发展中国家提供互利的投资机会，办法是缓解气候变化，同时加强全球粮食和水的安全。

致谢

本文作者感谢美国能源部的研究支持。DE-EE000791、DE-EE0008518和DE-EE0009278向杜克大学和美国能源部授予杜克海藻产业化联盟（MAGIC）和美国农业部/国家食品和农业研究所/阿肯色大学和康奈尔大学获得2019-69012-29905号可持续农业系统奖。海洋循环生物经济研讨会得到了华盛顿大学星期五港实验室的ARPA-E奖编号DE-AR0001520的支持。CSB通过国家海洋和大气管理局的Knauss奖学金和海洋远景联合会的实习获得了额外的支持。AH通过在Impossible Foods的实习获得了额外的支持。

引用

格林，C.H.，C.M.斯科特-比克勒，