摘要
自2000年《自然》雜誌發表了一篇關於水產養殖業對世界魚類供應的淨貢獻的綜述以來，水產養殖業的可持續性一直受到激烈的討論。本文回顧了1997年至2017年全球水產養殖業的發展，整合了所有行業分部門，並強調了水產養殖業在全球糧食系統中的整合。內陸水產業——尤其是在亞洲——對全球產量和糧食安全的貢獻最大。在水產養殖飼料效率和魚類營養方面也取得了重大進展，降低了所有飼養物種的魚與野生捕獲魚之間的比率，儘管對海洋成分的依賴仍然存在，對陸地成分的依賴有所增加。軟體動物和海藻的養殖因其生態系統服務而日益得到認可;然而，這些服務的量化、估值和市場開發仍然很少。軟體動物和海藻支援全球營養安全的潛力尚未得到充分利用。病原體、寄生蟲和害蟲的管理仍然是整個行業的一個可持續性挑戰，氣候變化對水產養殖的影響仍然是不確定因素，而且難以驗證。水產養殖業在這20年期間採取綜合可持續措施的壓力，在許多情況下改善了治理、技術、選址和管理。
正文
20年前，《自然》雜誌發表了一篇綜述，認為水產養殖是一種可能的解決方案，也是導致全球漁業儲量下降的一個因素。當時，商業水產養殖部門蓬勃發展，而捕撈漁業的生產卻停滯不前。魚類和貝類的養殖(活重)產量幾乎增加了兩倍，從1987年的1000萬噸(公噸)增加到1997年的2900萬噸，全世界大約有300種動物、植物和藻類被培育2。該檔案更加強調被餵養的海洋物種，而不是淡水和軟體動物物種，並警告說，除非該部門減少野生魚類的飼料使用及其對環境的影響，否則水產養殖對世界魚類供應的淨積極貢獻是無法持續的。
這篇綜述涵蓋了過去20年的全球水產養殖趨勢，並引用了一些最相關的論文(補充資訊中列出了其他綜述文章)。2017年，水產養殖供應魚類和貝類超過80萬噸，海藻萬32噸，養殖品種約425種。水產養殖發展的三種主要模式是該部門成熟的特點:淡水養殖的數量和價值鏈持續增長;魚類營養、遺傳學和減少野生魚在水產飼料配方中的使用的替代飼料型別的進展;以及擴大雙殼類和海藻的培養，有潛力提供廣泛的食物、工業和生態系統服務。
這些趨勢表明陸地和海洋之間的聯絡越來越緊密。在過去20年裡，以主要由陸生和一些海洋成分製成的複合飼料餵養的淡水魚的比例不斷增加，延續了長期的內陸生產歷史。與此同時，水產飼料中植物性成分的增加，從陸生和海洋食物系統中過濾營養物質的提取性物種(軟體動物和海藻)的產量也在增加。因此，隨著生產的快速增長以及飼料配料、生產技術、農場管理和價值鏈的重大轉變，水產養殖已更加融入全球糧食系統。透過水產養殖的增長，從低收入國家到高收入國家的消費者都受益於全年可獲得的富含微蛋白質和微量營養素的水產食品4、5、6、7。該部門生產的直接供人類食用的魚類、貝類和藻類遠遠超過魚類、貝類和藻類。它還生產用於食品加工、飼料、燃料、化妝品、保健品、藥品和各種其他工業產品的產品，它還為一系列生態系統服務做出了貢獻。
儘管取得了令人矚目的成就，水產養殖業仍然面臨著嚴峻的挑戰，在某些情況下，這些挑戰削弱了水產養殖業取得可持續成果的能力。該部門普遍接受對環境和社會無害做法的商業和社會期望。全球交易的有鰭魚和甲殼類系統正在逐步改善其環境績效，無論是獨立的還是響應政府監管、私營和公共部門標準以及市場激勵措施。然而，許多水產養殖系統仍然缺乏達到可持續性標準的動力，因為它們的目標市場並沒有透過提高價格或准入來獎勵生產者。同時，軟體動物、濾食性鰭魚和海藻具有可持續發展的特性，特別是因為它們不依賴水產飼料，而是從水柱中去除營養物質。總之，隨著全球產業的不斷擴張，其對經濟、社會和環境績效的貢獻因水產養殖系統的多樣性而異。
全球擴張
全球水產養殖產量從1997年的3400萬噸增加到2017年的11200萬噸，增長了兩倍多（圖1）。2017年佔水產養殖產量前75%的主要物種包括海藻、鯉魚、雙殼類、羅非魚和鯰魚。儘管在這一時期，海洋魚類和雙棲魚類及甲殼類的產量也迅速增長，但與海洋雙殼類和海藻的活重體積以及淡水水產養殖的產量相比，卻相形見絀。淡水魚佔全球可食水產養殖量的75%，反映出它們從活重到可食重的有利轉化，而軟體動物和甲殼類動物具有較高的殼重9。由於先前的綜述側重於生產高營養性海洋和重寄生物種的海洋來源飼料，淡水系統的主導作用僅被輕描淡寫1。淡水系統的作用得到了關注，部分原因是飼料技術和養殖的進步，特別是鮭魚和蝦的養殖，正在解決早先人們對水產養殖對野生捕撈漁業影響的關切。
圖1：全球活重水產養殖產量的組成和增長。
a, 1997年和2017年的物種組成。綠色、植物和藻類;藍色,淡水魚;粉紅、貝類;橙色,有扇狀葉脈的魚。b, c,顯示從1997年到2017年增長為以下產品類別(b):總,淡水魚類、藻類、軟體動物和CDMM,包括甲殼類動物,有扇狀葉脈的魚,海洋魚類和其他物種和擴大在c。藻類組成99%以上的生產的藻類和水生植物的重量在2017年。資料來自FAO2。國家資料是根據ASFIS物種名錄(http://www.fao.org/fishery/collection/asfis/en)報告的。NEI，不包括其他地方的物種鑑定問題。
源資料
今天的水產養殖更加多樣化，在全球範圍內，有40%以上的魚類、貝類、水生植物和藻類在各種各樣的海洋、半鹹水和淡水系統中養殖10。然而，全球生產仍然集中，2017年養殖的425個物種群中只有22個（5%）佔全球活重生產的75%以上（擴充套件資料圖1）2。在“水生植物和藻類”類別(~3200萬噸)中，有一小部分是水生植物(1639噸)，在2017年2。糧農組織（FAO）將水生植物列在“水生植物NEI”項下，由於家庭和當地消費的非正規收成性質，因此少報。
亞洲仍然是最大的水產養殖生產國，在2017年佔動物和海藻活重的92%2。亞洲的水產養殖在生產系統和養殖物種方面也比其他地區更加多樣化11。在水產養殖物種多樣性排名前十位的國家中，有九個在亞洲，而中國則遙遙領先。例如，2017年，中國在各種生產系統中培育了86種不同的水生生物，而挪威則培育了13種不同的水生生物，主要是在海洋網箱系統中10。
中國在幾乎所有水產養殖生產領域都扮演著巨大的角色。自2000年以來，該國一直是全球最大的魚類、甲殼類動物和軟體動物生產、加工和貿易國，由於收入和國內海鮮需求的快速增長，該國已成為主要消費國12、13、14。2017年，僅中國一個國家的水產養殖總量和價值就分別佔全球水產養殖總量和價值的58%和59%（擴充套件資料表1）。
儘管有中國的作用，水產養殖業已經變得越來越全球化，在過去20年中，南美洲和非洲的增長率超過了亞洲（儘管生產基地要小得多），南亞和東南亞的增長速度比東亞3,15,16更快。亞洲以外最大的水產養殖生產國各佔全球產量的1-2%，其中包括挪威和智利，主要生產大西洋鮭魚（Salmo salar），以及埃及，生產尼羅羅非魚（Oreochromis niloticus）17。西半球的水產養殖主要圍繞單一或雙重物種和單一生產系統發展（例如，網箱中的大西洋鮭魚、池塘中的尼羅羅非魚和斑點叉尾鯰）。這些系統和物種受益於有針對性的基因和營養進步，但仍然容易受到與市場波動、極端氣候事件和COVID-1910,17,18等流行病有關的衝擊。
全球貿易的擴張、野生魚類供應量的下降、具有競爭力的產品定價、收入的增加和城市化都推動了水產養殖的增長，所有這些都導致全球人均海產品消費量的增加11,19。然而，全球魚類貿易仍然限於數量相對較少的物種和國家：鮭魚、蝦、鯰魚和羅非魚合計約佔國際貿易海產品價值的三分之一，但僅佔全球海產品產量的8%。全球化程序本身是動態的，近十年來，全球南方的收入和市場擴張速度比全球北方更快20。國內市場，特別是亞洲市場日益重要，這意味著89%以上的水產養殖產量沒有進入國際市場21。
淡水水產養殖
儘管淡水養殖對水產食品供應和營養安全的主要貢獻，但自2000年以來，淡水養殖在全球環境和糧食系統相互作用的大量文獻中代表性不足21,22。在2000年至2020年發表的11625篇標題為海洋或淡水養殖(或農業)的英文文章中(在知識網路(https://apps.webofknowledge.com/)索引)，有四分之三集中在海水養殖，68%集中在高價值的海水養殖。這些指標不包括在亞洲發表的大量文獻，特別是在淡水養殖有著悠久而充滿活力的傳統的中國。
淡水養殖業由多種多樣的系統組成，包括物理和經濟規模、基礎設施配置、物種、所有權和價值鏈。它主要由家庭管理的池塘和生產供當地和區域消費的多種鯉魚和其他魚類的中小型商業企業組成。淡水養殖是公認的生產羅非魚和條紋鯰魚(Pangasianodon hypophthalmus)，主要生產在土池塘出口和國民消費。它還包括淡水和半鹹水甲殼類動物的養殖，集中在單一養殖(例如，白腿蝦(凡納濱對蝦))或混合養殖系統(例如，黑虎蝦(斑節對蝦))與各種各樣的其他魚類、軟體動物和水生植物。城市化使人們對魚類的需求越來越多地從自給自足轉向了市場銷售。
過去20年淡水水產養殖增長的一個關鍵特徵是價值鏈在南亞和東南亞國家及其各國的擴散，例如在印度的安德拉普德什、孟加拉國、緬甸、泰國和越南。中國仍然是最大的淡水魚的出口和國內生產商consumption-accounting全球產出的56%在2017年(擴充套件資料表1)。在亞洲的擴張淡水水產養殖(佔全球總產量的93%)主要由城市需求和野生內陸漁業的下降,以前農村生計和糧食security支援30。
在經濟發展、農村轉型和城市化的推動下，支撐亞洲淡水養殖的多種價值鏈在政府有限的支援下應運而生。這些加工提高了購買力，刺激了對淡水魚的需求，為私營部門投資的擴大鋪平了道路。南亞和東南亞中小商業企業水產養殖的發展，透過給消費者和其他價值鏈參與者帶來直接利益，以及對鄰近產業的勞動力和生計帶來更廣泛的“溢位效應”利益，幫助減輕了農村貧困。類似的淡水水產養殖發展程序目前正在撒哈拉以南非洲部分地區發生15，儘管受到不同的生產社會和經濟限制、價值鏈結構和消費者需求16、34、35的影響。
考慮到淡水養殖系統的異質性，許多最近的文獻關注系統多樣性、營養安全和價值鏈，特別是在亞洲背景下。關於淡水生產實踐、資源枯竭和環境約束的概括是有限的，但有三個教訓浮出水面。
首先，過度集約化，特別是網箱養殖，已經造成了養分汙染和與病原體相關的產量下降的問題，在無限制增長的地區，如菲律賓的塔爾湖(Lake Taal)。深湖和水庫的網箱養殖可能由於突然缺氧而導致週轉和相關死亡37。在淡水資源枯竭、營養汙染、疾病問題和公共用水的其他限制出現的區域，往往會出現工業合併，迫使貧窮的生產者離開該部門29、38、39。在中國，在一些省份，水產養殖汙染佔淡水環境養分輸入總量的20%以上40，導致許多對飲用水和其他重要生態系統服務必不可少的公共水體被禁止使用41。在其他地區，為了提高飼料利用效率和固體廢物的清除(例如，槽溝鯰魚、鯉魚和羅非魚)，池塘內迴旋系統得到了推廣，但由於資本成本高而受到限制42。
第二，與生產集約化相關，淡水系統中的複合飼料使用量穩步增加，這是由當地和國際公司以及在一系列生產系統和國家運作的認證倡議推動的。據估計，92%的羅非魚、81%的鯰魚和57%的中國鯉魚依賴某種商業配製的顆粒飼料和養殖場生產的飼料型別的組合，以補充養殖系統中產生的自然營養素。施肥，結合補充飼料，仍然是生產低成本羅非魚、鯰魚和鯉魚的半密集型系統的關鍵方法，並支撐了亞洲商業生產的增長。
第三，透過不同形式的集體管理，相對低投入產出的養殖漁業穩步出現和擴散，使人們能夠獲得和控制水生動物(例如洪泛平原、水庫和季節性水體)44。實地研究表明，在低投入的系統中，非餵養的、通常是外來的鯉魚通常可以獲得生產力的提高，同時維持或提高了本地物種的營養平衡和生物多樣性45。
這三個趨勢導致了一個透過飼料、營養迴圈和價值鏈緊密整合到陸地食物系統的部門。關於淡水養殖和當地資源利用的科學知識是廣泛的，特別是在亞洲的情況下。然而，與海洋生產相比，淡水養殖對全球環境的影響仍未得到充分研究。具體來說，淡水系統的強化趨勢越來越多地與全球採購的飼料原料聯絡在一起，這些飼料原料是水產養殖部門整體環境影響的一個關鍵領域46。
魚類飼料和野生漁業
之前的水產養殖綜述1的一個主要重點是，每年用於水產養殖飼料的魚粉和魚油產量的比例不斷增加，以及由此產生的未來對野生草料魚類登陸和種群以及海洋生態系統的潛在影響。總的來說，草料魚的全球捕撈量呈下降趨勢(擴充套件資料圖2)，這充分反映了過度捕撈和為防止捕撈量超過最高可持續產量水平而採取的收割限制(例如秘魯)。
過去20年，水產養殖部門在提高海洋資源利用效率方面取得了相當大的進展。2000年至2017年3，全球飼料魚產量增加了兩倍，而用於生產魚粉和魚油的飼料魚的年捕撈量從2300萬噸下降到1600萬噸(參考文獻)。47,48)(擴充套件資料圖3)。同一時期，全球魚粉產量和捕撈量從660萬噸下降到480萬噸(參考文獻17)。魚油產量從150噸左右下降到100萬噸左右，在過去的10年裡一直穩定在100萬噸左右49,50,51。
魚粉和魚油的價格在2000年代增加了一倍多,自2012年以來一直持續高於植物性產品的(擴充套件資料圖。4)。對此,水產養殖生產者減少魚粉和魚油在飼料配方的使用,和這些努力已經強化了整個供應鏈可持續發展目標。魚粉和魚油仍然是魚飼料的重要成分，為維持仔魚和魚苗的生產效能和生存提供必要的營養物質，但現在在生長、仔魚和育成飼料中使用的比例較低。儘管如此，水產養殖業使用的全球魚粉份額(相對於牲畜和非食品用途)從2000年的33%上升到2016年的69%，水產養殖業使用的全球魚油份額從55%上升到75%(參考文獻。50,52)。如果這一趨勢繼續下去，可能會推高魚粉和魚油價格，進一步激勵水產養殖飼料創新。
自2000年以來，水產養殖供應鏈上的四項重大發展幫助減少了對野生魚類資源的依賴:雜食性物種生產的快速增長;提高所有飼料品種的飼料轉化率;在飼料中增加蛋白質和油脂替代成分的使用;以及從魚類加工廢棄物和副漁獲物中增加魚粉和魚油的生產和使用。此外，在過去幾十年裡，加工技術的改進使鳳尾魚和其他遠洋魚類的魚粉回收率從22.5%提高到24% 53。鳳尾魚的魚油回收率保持在5%左右，鯡魚、毛鱗魚和沙鰻等脂肪魚的魚油回收率保持在10%左右，這些魚在歐洲被廣泛用於魚油生產。
在1997年至2017年之間,體積和淡水魚生產複合飼料,如美聯儲鯉魚、羅非魚,鯰魚,大幅增加,但貨代也改善(擴充套件資料表2)。與此同時,魚粉對這些物種包含利率下降1 - 2%,和幾乎沒有魚油大多數型別的淡水aquafeed。海洋和鹹淡水的鰭魚和甲殼類動物的複合飼料型別在魚粉和魚油中仍然較高，但它們的魚粉和魚油的包含率在這段時間內下降了一半到三分之二。對於蝦類，全球生產已從黑虎蝦轉向更為雜食性的白腿蝦。鮭魚和鱒魚的養殖策略以及飼料成分質量和配方的改進，允許在飼料中新增更多的植物蛋白濃縮物54。
自2000年以來，魚粉生產中越來越多地使用切屑，特別是對價值較低的淡水物種，對減少野生魚在飼料中的使用也起到了關鍵作用（表1）。據估計，羅非魚和鯰魚的魚粉中使用的切屑是野生魚的三倍。即使是高價值的海洋和半鹹水物種，如鮭魚和蝦，在飼料中使用相同比例的魚粉從切屑和野生魚。野生漁業（例如，泰國的金槍魚）和水產養殖（例如，挪威的鮭魚、越南的pangasius）的切屑目前約佔全球魚粉產量的三分之一，歐洲魚粉產量的一半3,8,47。據記載，魚粉中更多地使用輔料，特別是在諾威55的鮭魚生產飼料配方和泰國44的蝦和鯰魚生產飼料配方中。
表1野生魚類用於水產養殖飼料為11種常用養殖餵養的魚類和貝類
表4中的Tacon3的類別。其他雙生和淡水魚。作者的計算基於以下資料來源:產量、產量份額和FCR來自FAO2和Tacon3;魚粉和魚油的資料來自國家資源委員會關於魚和蝦營養需求的報告54,Naylor等59,Ytrestøyl等55;對綠(海魚)47和鉛魚44魚粉中的魚屑進行了分析。我們保守估計野生魚類的魚粉回收率為24%，魚油回收率為10%。bFCR定義為估計的平均種組經濟FCR(總飼料飼餵量/總種組生物量增量)。經濟FCR(也稱為EFCR)3,55,59定義為飼料總飼餵量/總物種組生物量的增加，包括廢棄物、逸出物和其他非攝食飼料55。cFIFO，野生魚投入到餵養魚的輸出。
FCR的提高、魚粉和魚油包合率的降低以及魚粉使用量的增加，降低了野生魚投入量與養殖魚產出量的比率（魚入：魚出比率（FIFO））（擴充套件資料表2、3）。在全球範圍內，2017年依賴飼料的主要水產養殖物種組的FIFO為0.28（表1）。蝦、鮭魚、鱒魚和鰻魚的FIFO超過1.0，但仍遠低於20年前計算的FIFO。先前出版的《水產養殖和世界魚類供應評論》1利用1997年的資料計算出，餵養的水產養殖物種的全球FIFO為1.9（按物種組劃分，蝦的FIFO為2.81，海魚的FIFO為5.16，鮭魚的FIFO為3.16，鱒魚的FIFO為2.46，鰻魚的FIFO為4.69，所有淡水魚的FIFO均低於1.0）。表1中的計算包括不同物種群飼料中魚粉和魚油的剩餘可用性，可用於全球水產養殖飼料生產，從而解決與早期FIFO計算有關的爭議點8,47,56。
儘管削減對全球魚粉生產做出了積極貢獻，但亞洲的水產養殖生產——特別是中國、泰國和越南——仍然依賴非目標漁場的低價值飼料級魚類(包括準目標副漁獲物)作為飼料投入57。2017年，亞洲水產養殖系統消耗了超過660萬噸的低價值魚類作為直接或間接飼料投入17。大約三分之一的中國國內捕撈的魚是低價值的魚(89%的幼魚)，主要用於水產養殖飼料57。這種以飼料級為重點的漁業可透過捕獲幼魚和喪失生物多樣性而對野生魚類種群和海洋生態系統產生重大影響12,57。
從陸地和海洋中取食
儘管海洋資源在水產飼料中繼續發揮著重要作用，但植物原料的使用一直在穩步增加，在陸地和海洋之間建立了更緊密的聯絡。水產飼料行業越來越依賴陸生系統的傳統動物飼料原料，這些原料在國際市場上廣泛交易(圖2)。
圖2:海陸之間的相互作用。
藍色箭頭顯示的是來自淡水和海洋系統的水產品的流動，包括用作動物飼料的魚粉和魚油的野生魚類。綠色箭頭表示陸生飼料產品的流動。飼料中使用的陸生和水生加工副產品用虛線箭頭表示。來自水產養殖來源的活重和可食用產量分別用黑色和紅色數字表示。還顯示了魚粉(FM)和魚油(FO)在水產養殖和牲畜生產中使用的份額。水產飼料包括大部分來自農業的原料，而陸生和水生食品加工的副產品被用作魚類飼料的原料。資料來源:食用轉化資料9和生產資料a2,49,50,51,204,205。溫室氣體,溫室氣體。
三個因素促進了陸生食物系統在全球水產養殖中日益擴大的作用:為魚類量身定製的飼料配料;根據準確的營養需求配制飼料;以及促進魚類生長、飼料效率和動物健康的育種。穀物和油籽的飼料成分是牲畜飼養的基礎，但肉食性魚類很難消化這些成分中的澱粉、不溶性碳水化合物或纖維。它們對植物蛋白成分中的抗營養物質和毒素也比牲畜更敏感58。為了增加魚類的植物和陸地動物濃縮蛋白的營養價值，還引入了額外的加工步驟。油的替代來源，包括菜籽油、棕櫚油和家禽脂肪，現在都是部分魚油的常用替代品。儘管人工養殖的鮭魚仍然是omega-3脂肪酸的良好來源，但用陸地油代替魚油可以降低魚片中的omega-3含量。使用來自藻類或轉基因油籽的高omega-3油可以減少鮭魚飼料中魚油的使用，同時保持消費者的健康利益，但這在經濟上仍然是低效的，而且在一些市場上，後者受到消費者接受度較低的限制59 64。
用植物源產品替代飼料中的魚粉和魚油，透過改變微生物組、改變腸道形態、改變免疫功能、干擾內分泌系統的正常功能和成熟過程，影響魚類養殖物種的健康。向這些物種的完全植物性飲食發展會增加疾病的風險。新工具，包括高通量技術(代謝組學和蛋白質組學)、RNA測序、聚合酶鏈反應(PCR)和全基因組測序，自2000年以來已被用於檢測和緩解這些問題67。傳統育種和標記輔助選擇也被用於改善魚類的生長和健康，陸生動物育種特別是家禽育種的經驗教訓已被用於推進魚類68、69的育種戰略。例如，基因選擇的鱒魚，每代在全植物蛋白飼料中體重增加10-15%[70]，能夠以與魚粉相似的時間模式消化植物蛋白中的氨基酸，並且在飼餵高大豆飼料時不會發生遠端腸炎[71]。到目前為止，這些工具只應用於少數高價值的水產養殖品種。
植物性成分在海水養殖飼料型別中所佔比例的增加，加上淡水養殖飼料使用的穩步增長，導致了圍繞資源利用和水生作物生產的環境影響的一系列新的爭議。生命週期分析表明，飼料佔飼料水產養殖生產對環境影響的90%以上。在蝦74和鮭魚中模擬用植物蛋白(例如大豆蛋白濃縮物)替代魚粉的研究顯示，化肥和殺蟲劑的使用可能增加生態毒性，淡水和土地資源的壓力增加，森林砍伐造成的碳排放增加和生物多樣性喪失——特別是在巴西。
因此，尋求銷售可持續產品的水產養殖業生產者面臨著其飼養做法帶來的意想不到的環境和社會後果。例如，2000年至2016年，挪威鮭魚養殖業將飼料中海洋蛋白份額從33.5%削減至14.5%，海洋油份額從31.1%削減至10.4%，植物蛋白份額從22.2%增加至40.3%，陸地油份額從0增加至20.2%76。儘管它的成功與植物性產品的替代魚粉和魚油,包括葡萄糖轉基因大豆,該行業一直處於壓力之下尋找新提要源來消除環境破壞與森林相關的轉換在Brazil77作物生產,和部分行業已經禁止使用在aquafeed巴西大豆。
儘管水產養殖業的某些部分，如鮭魚，面臨著陸上飼料來源的可持續性挑戰，但全球動物飼料用作水飼料的份額很小——估計為4%(相比之下，家禽約為40%，豬約為30%，反芻動物約為25%)43。水產養殖的許多陸生飼料成分是副產品，例如從食品加工過程中提取的油籽蛋白濃縮物，或從牲畜和海鮮(包括水產養殖)加工過程中回收的蛋白餐和油。回收加工過的副產品和食品廢料為高蛋白飼料成分有助於全球可持續的食品生產，但需要生命週期分析來衡量淨環境影響。
儘管如此，隨著淡水和海洋系統中鰭類和甲殼類動物產量的擴大，陸地作物對水產飼料的需求預計將在未來上升43,74。不斷增長的需求可能會給自然資源和飼料價格帶來壓力。對新飼料原料的研究最近激增了59、74、78、79、80、81，並將繼續擴大。單細胞蛋白、昆蟲粉和微藻代表了早期技術，具有在水產養殖飼料中替代魚粉和魚油的潛力。
萃取物種
自2000年以來，軟體動物和藻類的採掘性物種的數量增加了一倍(圖1b)，代表了水產養殖發展的第三個領域。20172年採食濾食雙殼類和藻類佔養殖總活重的43%。然而，在可食用重量的基礎上，軟體動物和藻類分別只佔水產養殖總產出的6%和7.6%。這些群體還提供各種生態系統服務和非糧食產品。
軟體動物
軟體動物水產養殖包括約65種，主要是雙殼類(蛤蜊、牡蠣、扇貝和貽貝)。例如，蛤蜊、日本小頸貝(地毯殼、菲律賓Venerupis philippinarum)和太平洋杯狀牡蠣(長牡蠣)佔總數的三分之二。雙殼貝類不需要飼料投入，這使得它們成為可持續海產品擴張的有吸引力的候選者——這一點在之前的回顧中已經提出，並且已經爭論了30多年。一些高價值的養殖軟體動物，如鮑魚和海螺，是草食性的，依賴於飼料，但它們僅佔養殖軟體動物產量的2.4%。
2000 - 2017年，全球養殖軟體動物產量年增長率為3.5%，低於養殖魚類(5.7%)和甲殼類(9.9%)的年增長率。然而，在中國，雙殼類動物的文化隨著消費者需求的增長而大幅擴張。從2005年到2014年，扇貝、蛤蚌、牡蠣和貽貝分別增加了80.4%、40.8%、30%和19%。中國是世界上最大的軟體動物消費國和生產國，佔2017年全球軟體動物養殖總量的84%。
除了海產品外，軟體動物水產養殖的產出還用於各種工業產品，如肥料、建築材料、家禽砂礫、藥品和營養品。雙殼類還具有重要的底棲和沿海生態系統功能。透過過濾浮游植物並積累氮和磷，它們在收穫時從周圍環境中除去營養物質。此外，軟體動物養殖可以為濱水社群提供棲息地結構、穩定海岸線和當地收入。然而，目前尚不清楚雙殼類動物作為碳匯或碳源的作用，旨在測量這些系統的碳匯和系統性能的研究正在進行中。
軟體動物水產養殖最廣泛認可的生態系統服務是吸收人類活動(例如農業、水產養殖和汙水排放)中過量的營養物質。雙殼類每天過濾大量的水，它們的能力和影響是物種和地區特有的。營養提取有兩種方式:收穫和去除雙殼類，以及在野生或養殖雙殼類密集種群附近增加反硝化作用。要使雙殼類能夠完全緩解沿海富營養化，就需要大規模生產，而且在大多數情況下還需要在源頭大量減少營養物質93。已經作出努力，為產生非點源汙染抵銷信用額的雙殼類開闢新市場，但這些市場尚未在第84、94、95級發展。
雖然雙殼類能提高水的淨化和清晰度，但它們也能吸收周圍環境中的病毒、細菌、有毒藻類和被汙染的有機顆粒。因此，在汙染環境中養殖的軟體動物存在較高的食品安全風險。此外,引入大密度濾食雙殼類的棲息地,無論是在暫停或底部文化,有可能傳授-水質和底棲生態系統的變化(例如,損耗的浮游植物和懸浮物,區域性增加沉降率透過bio-deposition)並能呈現嚴重的疾病risks96, 97。雙殼貝類生產的大多數負面影響是地點和物種特異性的，而且不常見。如中國的某些情況所示，如果水產養殖系統過度儲存、選址不當或管理不善，可能會對環境造成負面影響。評估雙殼類養殖業對周圍環境的影響可能是一個複雜的過程。然而，在許多水產養殖系統中，承載能力模型(101,102,103,104)的應用和常規改進的最佳管理實踐(105)不斷提高了軟體動物養殖的可持續性。
藻類
自2000年以來，海藻(以大型海藻或海藻為主)在改善營養、工業用途和生態系統服務方面得到了越來越多的重視，甚至在中國、日本、韓國和南美部分地區之外的地區，海藻在幾個世紀以來一直被用作食物。全球水生植物和藻類的產量從2000年的1000萬噸增加到2017年的3200萬噸以上，其中水產養殖對當前量的貢獻超過97%17，106。3200萬噸的培養藻類- 99%的生產在31%和38%之間亞洲直接消耗的食物(擴充套件資料表4)。絕大多數食品工業部門使用多糖新增劑和功能性食品配料,和非食品部門水狀膠質產品營養食品,藥品和化妝品,以及在較小程度上肥料、飼料成分,生物燃料,生物塑膠和其他工業outputs106,108,109。
最近幾十年的研究探索潛在的海藻來代替陸地農作物和動物生產蛋白質、脂肪(ω- 3)和能量intake-alleviating淡水壓力和土地資源和生物多樣性,但迄今為止幾乎沒有證據表明,海藻可以大大有助於人類大量營養素intake110。很多研究都強調了micronutritional和海藻供人類直接的感官屬性consumption111或功能性foods112,但好處是難以量化的,因為跨物種的變異,季節,和沿海環境和缺乏明確的科學證據關於營養生物利用度和代謝過程與藻consumption110有關。研究考察了在水產養殖飼料中使用微藻生物量作為具有成本競爭力的魚粉替代品，以及在奶牛和牛飼料中使用大型藻類以減少甲烷排放113，但這些型別的飼料尚未進行大規模商業開發。
與軟體動物水產養殖一樣，海藻養殖因其生態系統服務價值而被廣泛認可，其價值不僅限於提供食物和飼料，但生產者未能從經濟回報中獲得這種價值114。生物修復是目前研究的主要生態服務功能。例如，在低營養的沿海地區，一些海藻系統接受額外的肥料，儘管施肥在日本和韓國受到管制115。正在進行的研究也在調查海藻培養在減緩海洋酸化、封存碳和增強生物多樣性方面的作用116,117,118。在中國，研究表明，大規模海藻養殖可以有效降低氮水平，控制浮游植物的繁殖，並限制有毒藻類繁殖的頻率119,120。然而，在不同養殖系統、季節和規模的海藻生態系統服務的潛在提供方面存在著相當大的差異。
海藻養殖業在養殖、病原體管理和最佳化生產系統以適應養分、光照和溫度條件方面落後於其他食品部門83。在集約養殖的海藻系統中，細菌和病毒爆發尤其嚴重，在那裡，疾病管理可佔到農場可變成本的50%(106，121)。需要具有更高產量潛力、抗病性、營養品質和消費者屬性的新海藻品種，以確保產量增長和增加行業價值108,122。
總的來說，最近幾十年海藻行業的研發進展沒有達到預期108。少數主要的例外包括中國成功培育了海藻(Saccharina japonica，又稱海帶)和擴大了瓊脂海藻養殖(江蘺)的規模。在亞洲以外地區(主要是中國和印度尼西亞)，該行業仍然分散，競爭性的定價限制了淨收入和創新激勵108。海藻工業的價值可以透過採用“生物煉製”的加工方法來提高，在這種方法中，從海藻生物量中依次提取最有價值的產品，把剩餘的材料留作商品用途，並儘量減少浪費、能源投入和環境危害。這種方法在陸生農業的各個部門都取得了成功。新的全球倡議促進海藻生產和使用124將需要解決關鍵的社會、經濟和監管限制，包括不道德的供應鏈活動125、食品安全考慮和有限的消費者需求83,106,126。
持續的挑戰
在過去的20年裡，水產養殖的生產和環境效能的趨勢是積極的。自2000年以來127,128，破壞性的生境轉換，特別是在前一篇綜述中提到的紅樹林生態系統中養殖蝦類的情況，已經顯著減少。然而，該行業面臨的挑戰依然存在，包括病原體、寄生蟲和害蟲(PPP)、汙染、有害藻華和氣候變化的影響。由於水產養殖業的迅速擴張、對周圍環境的依賴以及所有食品系統運作的不斷變化的世界，水產養殖業已變得越來越容易受到這些壓力因素的影響。
病原體、寄生蟲和害蟲
病原體、寄生蟲和害蟲（PPP）是水產養殖業的長期風險，自2000年以來，生產的集約化和貿易與供應鏈整合的增加加劇了這些風險130。水產養殖物種的防禦能力各不相同，儘管無脊椎動物缺乏鰭魚的適應性免疫，但它們的天然免疫系統肯定不是簡單或同質的，尚未完全瞭解131，132，133。腸道是芬魚免疫系統的重要組成部分，它允許飲食和微生物組的改變影響芬魚對疾病的敏感性和潛在抵抗力，而外部微生物群落對無脊椎動物的健康狀況至關重要134。對於大多數高價值和廣泛交易的物種，在過去20年中，PPP的鑑定、診斷和治療取得了實質性進展，部分源自農業和人類醫藥的創新131，132，134，135。由於缺乏產品開發和高昂的成本，許多低價值水產養殖物種和低收入地區基本上無法採用這種以科學為主導的疾病管理辦法。世界動物衛生組織等全球網路已經出現，以促進科學知識的轉讓。
近幾十年來，水產養殖業透過各種方法應對購買力平價壓力。採用最佳管理實踐（例如，選址和系統選擇、放養密度、物種輪換、種畜和飼料質量、過濾、池塘和網箱清潔、寄生蟲監測和清除、撲殺、分割槽和監督）是最大限度地降低所有生產型別的PPP風險的最重要手段系統25，134。一旦病原體、寄生蟲或有害生物在特定的系統中被廣泛識別，透過生物安全來避免是大多數水產養殖生產商可用的主要管理措施136。在一些動物流行病導致繁榮和蕭條週期的系統中，只要存在可行的市場137，就引入了抗藥性物種。例如，泰國的水產養殖業從黑虎蝦過渡到白腿蝦，主要是因為傳染病的問題，特別是白斑病和斑節對蝦緩慢生長綜合徵138，139。
使用治療劑用於預防和治療病原體（包括抗菌劑）的化學物質已成為許多水產養殖系統的普遍做法140。在大多數水產養殖部門，沒有關於治療性使用的性質和程度的綜合資料，全世界都有好的和壞的做法141，142，143，144。儘管不當使用治療劑會對消費者、工人、養殖生物和周圍生態系統（尤其是在開放生產系統中）的健康構成風險96，142，但在水產養殖中濫用抗菌劑尤其成問題，因為它會導致抗微生物基因和細菌的出現和轉移140。
作為另一種選擇，在某些水產養殖物種的抗病性選擇性育種方面進行了大量投資，但這一途徑成本高昂，而且不容易在物種間複製145。有效的多價疫苗也已用於一些高價值的物種，如鮭魚和鱒魚，如果能夠開發出高效和經濟有效的輸送系統(例如，口服或浸泡)，就有希望在海洋物種水產養殖中複製147。在挪威、英國、愛爾蘭和加拿大，為養殖鮭魚開發的疫苗已經使抗生素的使用減少了高達95%，但在智利，抗生素的使用仍然很高。下一節將討論透過迴圈水養殖系統進行的高階水管理是控制PPP148的另一項重要但相對昂貴的技術。此外，在飼料中新增營養品、植物提取物、益生菌和益生菌可促進魚類生長和免疫，並作為抗生素的一種有前景的替代品——主要用於高價值生產系統，但也越來越多地用於東南亞的低價值淡水系統[142]。
即使在在PPP的檢測、避免和處理方面已經取得重大投資和進展的部門，也經常出現新的威脅。例如,鮭魚水產養殖業已經成功控制某些疾病,如感染性胰腺壞死病毒和傳染性鮭魚貧血,但其他疾病和寄生蟲(例如鮭魚立克次體綜合症和海蝨)保持昂貴許多生產者和損害野生鮭魚治療選項不可用或目標生物已成為耐treatment131,143,149,150。同樣,儘管從黑虎蝦轉向股白腫蝦、白斑等新興疾病疾病,急性電鏡壞死病,蝦血細胞的病毒,和microsporidian寄生蟲(Enterocytozoon hepatopenaei)導致了大量的生產損失和蝦industry136,151,152,153持續的經濟成本。
隨著水產養殖生產擴充套件到新的地區，PPP爆發和治療管理方法對人類健康的風險可能會增加，特別是在低收入地區。研究還預測，由於全球變暖，與疾病管理相關的水產養殖疾病發病率和抗菌素耐藥性風險增加154 155 160。然而，由於國家和國際疾病監測和治療條例之間的差異以及缺乏大多數水產養殖物種和生產區域的資料，PPP趨勢的量化變得複雜157。在缺乏可靠資料的情況下，全球水產養殖業PPP的發生率和管理仍將高度不可預測。
有害藻華和氣候變化
在全球範圍內，有害藻華的發生頻率、規模、持續時間、地理範圍和物種組成都在增加，而且主要是由人類活動造成的。它們發生在世界各地的水產養殖地區，它們對生產的影響差別很大，取決於物種特異性效應98,158。集約和管理不善的鰭類和甲殼類動物系統會導致有害藻華的出現，貝類、海膽和海參是有毒微藻的常見載體98。有毒水華對監控和管理無效的部分行業來說是一筆巨大的經濟成本。2016年，智利南部Pseudochattonella和Karenia的大規模爆發導致4萬噸鮭魚死亡，由於食品安全風險，幾家鮭魚、貽貝和鮑魚養殖場需要關閉2年，造成約8億美元的經濟損失98，159。
氣候導致的水產養殖生產力和生計損失主要來自以下方面:生長溫度過低、海平面上升(鹽水入侵)、基礎設施破壞、乾旱和淡水短缺，以及與作物產量下降和飼料魚登陸相關的飼料成本上升156,160。水產養殖基礎設施面臨的風險往往促使投資流向受保護的地區和系統。此外，海洋酸化影響貝類的生產，主要是在幼體生命階段，並透過調整孵卵區內的pH值進行管理。鑑於已記錄的物種特異性反應、資料稀少、試驗不均勻且有問題，以及物種受到影響的途徑的複雜性，該文獻不支援對海洋酸化對貝類水產養殖造成損害的概括。氣候變化也增加了PPP和水產養殖中有害藻華的不確定性，預測仍不確定。總的來說，關於氣候-水產養殖相互作用的科學研究是基於基於實驗室的容忍資料，並對商業水產養殖進行建模，但未得到驗證，因此仍然是推測性的。目前還沒有關於區域或全球範圍內氣候驅動的水產養殖生產和經濟損失的全面資料，其結果取決於適應反應129。
應對挑戰
加大了對基於生態系統的管理、系統設計、新形式的私營和公共部門治理的關注，以管理生物和氣候風險，鼓勵可持續的水產養殖生產86,169,170。綜合多營養水產養殖在中國已經顯示出了高的生物修復能力，但在全球範圍內的商業成功有限，儘管有大量的研究興趣。迴圈水養殖系統和近海水產養殖具有良好的發展潛力。
再迴圈水產養殖系統
迴圈水養殖系統旨在透過持續過濾、處理和再利用水來控制生產過程中的所有環境因素，從而提高運營效率，降低PPP和氣候變化帶來的風險。與傳統養殖相比，迴圈水養殖系統對土地和水的直接需求更低，能夠實現更高的飼養密度174，但受到能源需求大、生產成本高、廢物處理挑戰和災難性疾病失敗風險的限制78 175,176。
海洋水產養殖
深海和開放海域的近海水產養殖旨在生產大量魚類，同時最大限度地減少陸地和淡水限制以及沿海環境影響，如營養汙染和海蝨感染78,180。然而，為了避免與其他海洋用途發生衝突，並確保廢物的有效稀釋，特別是對於大型系統，選址必須謹慎。挪威和中國在海上魚類養殖方面處於領先地位，引進了大型潛水籠182,183,184。由於資本成本大，風險回報比高，其他國家的近海水產養殖主要限於小規模的試點作業，培育高價值的食肉物種。海上環境帶來了一系列的操作挑戰(例如，水深、強洋流、海浪和風暴)，這導致了幾種新的設計方法180。政府法規限制了近海水產養殖的商業發展，特別是在美國和歐洲聯盟，因為公眾對其與海洋環境的相互作用、潛在的生態破壞以及海洋和自然資源的競爭性使用存在爭議185,186。
治理
改善水產養殖做法和技術的環境和社會績效的願望導致了公私管理、守則和標準的新結合187;然而，這些管理手段的應用一直難以與水產養殖系統擴充套件的地理、數量和多樣性相匹配188。政府管制執行的不平衡導致了生產、增長和制度設計的地區差異。在許多亞洲國家、挪威和智利，政府促進了水產養殖的擴張，而在其他地區——包括歐盟和美國——政府則限制了水產養殖的增長。很少有國家，比如挪威，有嚴格的環境監管，允許透過協調管理機構支援有計劃的水產養殖增長來擴大該部門。不平衡的監管導致了投資和貿易的不平衡，只有少數幾個出口國向美國和歐盟等主要的淨海鮮進口市場銷售。
為了應對公共監管的過度和不足，出現了幾種型別的私人治理安排，目的是塑造對可持續的、“公平的”和有機水產養殖生產的需求。例如，非政府組織和私營公司已經實施了30-50個自願標籤、認證和評級計劃。
農場級認證正在為全球可持續水產養殖制定新的規範191，但認證的作用仍然受到生產者合規水平較低(但仍在增長)的限制。最大的兩個認證集團——水產養殖管理委員會(ASC)和全球水產養殖聯盟最好的水產養殖實踐(GAA-BAP) standards-account全球水產養殖產量的3%(擴充套件資料圖。5)。低水平的合規歸因於財政不足,對認證產品的需求低,可憐的識字水平,監測和reporting192,193所需和管理能力不足,以及生產者無法控制的環境生產風險。消費者指南，如美國海產品觀察(US Seafood Watch)，對全球53%的海產品進行了評級(擴充套件資料圖5)。這些評級是非自願的，基於行業或地區層面的廣泛評估。
認證和額定生產向主要出口品種傾斜。總體而言，57%的鮭魚和鱒魚、17%的蝦和對蝦、17%的泛鰻和11%的羅非魚獲得了認證(擴充套件資料圖6)，在垂直整合供應鏈比例較高的國家，觀察到較高的合規水平(38,195,196)。受食品安全問題的驅動，亞洲海產品市場對可持續產品的國內需求似乎在增加。但是，要使水產養殖認證和評級體系在全球有效，可持續海產品的國內需求需要顯著增長187。
國家可以透過提供能力、資源和最低限度的監管來支援改進農業實踐，從而提高私人治理安排的成功。認證和消費者指南現在都開始轉向“混合”形式的管理，將私人評估工具整合到與買家和州合作管理的空間管理單元中。這些“超越農場”的管理形式旨在促進在特定管轄範圍內更大程度地包容大、小農戶，以最大限度地減少PPP、氣候和其他生態風險169。它們還日益旨在避免空間衝突，促進生物衍生品貿易，並建立新的生態系統和氣候服務市場199,200,201,202。它們還可以提高發展中國家出口的水產養殖產品的透明度和信任度，併為90%不面向出口市場的水產養殖產出創造包容性改善途徑。
前景
在過去20年裡，水產養殖部門已從一個相對次要的角色演變為在全球糧食系統中發揮主流作用。水產養殖文獻反映了對食品系統結果的日益關注，消費者、價值鏈和可持續性標準逐步塑造了行業的方向。該部門的持續增長對實現聯合國可持續發展目標具有重要影響。
在這篇綜述中出現了三個關鍵模式。首先，淡水魚在全球生產中發揮著核心作用，在過去20年裡，淡水魚對總量(活的和可食用的)、農村生計和糧食安全的貢獻超過了任何其他水產養殖分部門。然而，由於大多數養殖淡水魚都沒有進入全球市場，目前生產者幾乎沒有動力從事具有公認評級或認證的可持續做法。第二，所有被餵養物種的海洋資源利用效率和魚類營養領域均有顯著改善。對食肉物種來說，在這些領域取得進一步進展可能更加困難，成本也更高，但與海洋資源限制有關的魚粉和魚油成本的增加將繼續激勵創新。第三，水產養殖系統的精心選址是該行業在商業和環境方面取得成功的基礎。幾乎所有淡水和海洋養殖系統都與周圍的水環境相互作用，都受益於周圍環境，並因此向周圍環境提供環境服務。謹慎的選址和規模對於最大化利用人工採掘物種提供的生態系統服務，緩解PPP、沿海汙染和氣候變化等行業面臨的嚴峻挑戰至關重要。
跨物種、地理、生產者和消費者的水產養殖系統的廣泛多樣性，阻礙了為實現可持續和健康產品制定單一戰略。治理系統需要以清晰的、科學的目標來設計，但不需要為實現這些目標而制定過度禁止的標準和規定。這種靈活性是需要的，以支援行業、政府和非政府組織的創新能力，同時仍為監測、報告、透明度和問責制提供明確的終點和要求。水產養殖部門在未來將繼續面臨巨大的不確定性，包括氣候變化、不斷演變的購買力平價壓力、大流行病、市場中斷和更廣泛的糧食系統變化。
展望未來，特別是在水產養殖系統規模擴大和生產加強的情況下，對水產養殖場所進行有效的空間規劃和調控將對實現積極的環境結果至關重要。該行業正在研究迴圈和海上技術，以減少其對水生環境的影響;但是，這些系統需要創新的財務和環境管理才能有機會獲得廣泛的成功。此外，認識到PPP問題出現後的處理基本上是徒勞的，需要在水產養殖不同子部門的一系列PPP預防戰略中進行投資。最後，促進水產養殖的未來政策和規劃將需要一種食品系統方法，在陸地和海洋上檢查營養、公平、正義以及環境結果和權衡。需要改進和部署諸如生命週期分析等工具，以確保在營養價值和全球環境結果的基礎上，陸生家畜和水產養殖生產之間具有可比性。隨著包括正在進行的藍色食品評估203在內的新研究的推進，這些研究無疑將在未來20年的回顧回顧中被記錄下來。可以設計和實施高度可持續的水產養殖系統。人的方面既有機遇也有挑戰。