HK1026341B - 通过施肥提高贫瘠海洋食用水产品产量的方法 - Google Patents

Description

通过施肥提高贫瘠海洋食用水产品产量的方法

                      发明背景

本发明领域属于海产品的生产。

最早的人类历史向我们显示猎人-采集者，他们占领了为了自身生息的土地。这些猎人-采集者只是自然景象的一部分，而不是有目的的自然景象的改造者。大约在7000-8000年前的中东，这一景象随着驯养野生动物，如乳牛、猪、山羊、绵羊和狗而发生了变化。在那一点上，我们的祖先开始随季节和条件的变化把家庭的动物放牧到最好的牧场上。我们的祖先持续不断地打猎和采集食物，发现放牧能多产。这种倾向由于西亚干旱地区驯养马而得以持续。

大约5500年以前，一种新的创造力猛力推动了之后变得开化的世界。这一创造力是木板模制犁，它把农民的生产能力提高了大约7倍。还改变了我们照料土地的方式，从被动的接受到积极的介入。这一变化导致特别喜爱的谷类种植，而不接受早已在那里所种植的别的植物。我们的祖先还开始往土壤里加水和营养物，为的是进一步提高生产能力。

这些变迁并不总是平稳的或没有争论的。许多年来，美国西部各州就存在着自由放牧区。那时，一些人为反对围栏、道路、房子、农场和铁路激烈地辩论过。他们争辩紧随城市之后是侵占自由放牧区，并且认为他们是正确的。

尽管这种变迁已在最终使产量提高大约两千倍的土地上取得显著的进步，但他们在覆盖地球表面几乎四分之三的海洋上几乎没有开始。提高海洋的生产能力方面通过同样的变化会取得同样的回报。

多少年来，世界上的男女捕鱼人都知道海洋和其它水体的不同区域生产量存在着巨大的变化。近来，这一变化的程度已得到了测量而其原因也得到了确定。现已知海洋中全部生物大约60％是由2％的海洋表面产生的。因此，可以认为海洋是浩瀚的贫瘠沙漠，仅有一点生物丰富的青翠区。这些青翠区易于点缀。对于大多海洋表面来说，当你看墨西哥湾流时，你能透过水看到约150-300英尺的深度(约46-91米)。相反，在海洋的富饶区内，由于水中有生命物质是如此的密集，所以你仅能看穿水数英尺。这就是秘鲁沿海天然涌升流的情况。

从这些富饶区采样，也从海洋其它区域采样。测量两者的差别。海洋富饶区富铁、磷、氮和痕量的矿物质，而海洋贫瘠部分则缺少这些元素中的一种或多种。为了从指定的海洋区域获得最大产量的水产品，这些养料元素是必须的。存在于海洋表面不同区域内的营养物有着相当大的差异，为了弄清楚获得秘鲁涌升流生产量所必须的营养物精确含量，必须采样加以分析。

海洋不同于陆地有若干理由：(1)海洋中决不含有干旱时期；(2)海洋在流动；和(3)海洋在竖直和水平两个方向上混合。第一个差别指的是为了达到改进生产量的目的，海洋仅需较少的成分。第二个差别指的是施肥是在距收获水产品的地点有相当距离的地方进行。第三个差别指的是施肥必须在大范围内进行，或者不可能发现施肥的结果。

                      发明概述

已实现了在开放海洋区改进水产品产量的方法，是通过(1)为了确定缺少或过低浓度的营养物必须检验海洋表面的海水，(2)使用能不时地释放适当量的所述营养物和以保持浮游植物可得到的形式(例如，由于沉淀至任何实质性的程度使营养物不该离开透光区)的肥料给海洋施肥，(3)在施过肥的海洋播种有利的浮游植物和鱼以及(4)收获通过施肥所生产的水产品。为了弄清海水中缺少到显著程度的营养物，可借助于所属技术领域的一般技术人员知晓的大量方法中的任一种方法完成检测。如果水产品的产量由于海水中的营养物含量而降低到显著的程度，则营养物就缺少到显著程度。缺少营养物的适当量是提高海洋表面营养物浓度以便水产品的产量不再因营养物的浓度而下降到显著程度的量。

为提高食用水产品产量向贫瘠海洋施肥可采用含一种或多种肥料的肥料体系。若海水缺少硝酸盐，则肥料应含固氮的微生物群体，如兰绿藻和能在开放海洋内固氮的浮游植物(如束毛藻属(Trichodesmium))以及足够能引起这些微生物群体菌绒的营养物，假若这些微生物群体是缺少的或在过低浓度下。所加入的铁是引起兰绿藻和浮游植物(如束毛藻属)的菌绒和固氮所必须的唯一营养物，而且铁必须以能保护铁免于与海水反应的形式加入，以便铁不沉淀并保留在透光区内，在那里铁给海洋植物生物施肥。做到这一点最好是通过加入螯合剂形式的铁。如需要，螯合剂以缓慢释放小球形式加入，小球缓慢地向海水释放铁。

肥料体系应能提供海水缺少的其它(非硝酸盐和非铁)营养物。由于这些营养物，主要是磷酸盐，在海水中的磷酸盐和铁螯合剂浓度都高时，会与铁螯合剂起反应，所以上述其它的营养物优选以缓慢释放小球的形式加到海水中，或在磷酸的情况下时，使用稀溶液。这些缓慢释放的小球应能以不沉淀的形式向透光区释放各自的肥料元素，否则将从透光区除去这些元素。做到这点可通过与其它营养物肥料分离开地施加磷酸盐和/或铁的肥料，例如从大船的相反侧面，或从附属小船上施加。

肥料小球组合后所达到的密度要低于海水，以便它能浮起，在海洋表面或其附近释放其肥料元素。做到这一点可通过肥料元素附着在漂浮材料上，如玻璃或陶瓷泡沫和塑料泡沫，或者在制造过程中把气泡引入肥料小球中。肥料小球还可含有粘合剂，如塑料、蜡、高分子量淀粉或其组合物，它们能向海水提供即时释放的肥料元素。

有许多适合用本发明的方法提高水产品产量的海洋区域，不具备由所产生的繁殖植物而收益的本地鱼群体。因此，在施过肥料的海洋中放养选择过的鱼类如能吃生产的浮游植物和浮游生物的滤食动物是有效的。为施肥区域所吸引的这些放养鱼类和其它洋面上和回游鱼可在施加肥料体系的地点收获，但在晚些时间，或卷入洋流时，收获则应在施肥的下游地点，和进行任何放养的下游进行。

                     发明的详细描述

按本发明的海洋施肥可极大地提高海洋食用水产品的生产能力。(术语“海洋”还包括海、海湾和其它的大型水体)。例如，沿着美国大西洋和太平洋海岸进行海洋施肥，能把这些海岸的生产能力一直提高到秘鲁沿海天然存在的水平。这一点能把沿着美国大西洋和太平洋海岸的水产品生产量提高30或更多倍，而且借此能提供数千个新的工作和使在美国的一些地区正处于衰退状态下的捕鱼业获得新生，同时为国内消费和出口生产高质量的蛋白食品。海洋施肥还能以同样的益处提高其它国家沿海的捕鱼量。

海洋施肥可在领水的范围内进行，由此保证提高水产品产量的利益有助于从事海洋施肥国家的捕鱼业的利益。例如，美国在200海里(大约323公里)范围内进行全部施肥，致使基本上所有的效果都在美国的海域内。

海洋施肥的基本参数是大约1磅(约0.45公斤)的肥料在海洋中可产生大约2-10吨(约1.8-9.1公吨)的生物量。保守估量是1吨(约0.9公吨)在海洋中将会产生约4000吨(约3600公吨)的生物量。

施过肥料的海洋区单位表面面积的生产量对比施过肥的土地要高些。目前甘蔗栽培每年每英亩大约产40吨(每0.4公顷约36公吨)。在海洋施肥中如果能达到相同的生产率，则每年每平方海里约产25,000吨(每平方公里约23,300公吨)。

在陆地上，施肥总是伴随着种植。而在海洋中，施肥则与引入藻类、卵丸和其它微生物群落，包括来自鱼类孵卵处的幼体鱼相结合。这样做可进一步提高海洋水产品的产量。

在陆地上，种植和施肥通常是在春季进行，而收获通常是在秋季进行。在海洋上务农，施肥和收获之间的时间长度取决于许多因素。当施肥的元素有效时，热带海洋中的浮游植物每天增加2-4倍。浮游生物放牧在浮游植物上，饵鱼吃浮游生物和浮游植物，继续不断直到大哺乳动物和鱼的食物链。美国的沿海，最重要的洋流是墨西哥湾流和日本海流。其中每种洋流每小时流动约4海里(每小时约6.4公里)。因此，在两种中任一种洋流的过程中，于洋面上的一地点施肥，会产生在下游另一地点收获的结果。在每小时约4海里(每小时约6.4公里)时若延迟约4天则为约400海里(约645公里)。对于墨西哥湾流来说，这意味着在基韦斯特港、佛罗里达沿海施肥，结果是改进了北佛罗里达沿海的捕鱼，而在佐治亚、南卡罗米钠、北卡罗米纳以及弗吉尼亚各州沿海开始大批的鱼。依据施肥进行的方式改进捕鱼可绵延墨西哥湾流许多海里。

甚至在更早的一些时间就用试验的方法确定了在墨西哥湾流中进行海洋施肥，如在佛罗里达的西海岸，为的是能在墨西哥湾流环绕基韦斯特港、佛罗里达流动时浮游植物菌绒正在使用。这样就允许有更多的时间在美国领水(national waters)东方墨西哥湾流改变风向前捕获更多的鱼。

在墨西哥湾流中，为了使营养物含量多达秘鲁涌上流的水平，认为肥料应主要由铁与一些磷酸盐以及一些固氮微生物群体组成。由于墨西哥湾流因漩涡而紊乱且沿海岸起漩涡，并且还有风暴、潮汐以及偶然发生的飓风影响，所以海洋施肥必须通过检验进行监测。然而，海洋施肥的效果几乎必定在于浮游植物生长，随后休眠。

海洋施肥仅在海洋的上表面是有效的，因此优选海洋的上部约100英尺(约30米)。此外，海洋施肥的优选方法是生产肥料小球，小球因密度低于海水而浮起，且密度优选为海水的0.9倍。完成这一点可通过使用如蜡一类的配方的低密度材料，通过把肥料封闭到漂浮材料，如玻璃或陶瓷泡沫和塑料泡沫中，或者优选通过以陶瓷球的形式包含气泡或在肥料小球的塑料基体中包含气泡。当混合层是浅水层时，有可能分散可溶性的肥料如磷酸直接进入船的尾流中，而且肥料仍保持在透光区内。

肥料优选以数日内或多数长达两周内溶解在水体表面中的形式存在。此外，优选海洋施肥的方法还包含肥料与粘合剂的混合物，如高分子量淀粉、蜡或塑料基体如醋酸纤维素，以便在海水中能产生缓慢释放肥料元素的肥料小球。这样将会使肥料元素浓度保持低水平，彼此或与海水不致于发生反应，形成沉淀而离开透光区。

尤其重要的是在施铁肥的情况下。要以螯合剂的形式加到海洋中，免于铁与海水发生反应。螯合剂包括乙二胺四乙酸(EDTA)、木质素和许多其它螯合剂。在海水中，在铁和磷各自浓度均大于约2ppm(MAP 16ppm和铁木质素为18ppm)时，铁木质素与磷酸单铵盐(MAP)能形成沉淀。只要这两种肥料元素分开分散，如从一条船的两反侧分散，或互相隔开的几条船上分散，上述浓度不成问题。优选螯合剂包括木质素磺酸(lignin acid sulfonate)。

肥料元素约在20天内在嫩绿海水中耗尽。因此，为了保持预定的海洋生产量要求连续添加肥料。

在如此施加过肥料的海洋放养合乎需要的鱼，包括滤食动物，如秘鲁鳀鱼(anchoveta)、油鲱和金色小沙丁鱼。在晚些时间除了大量得到饵鱼外还包括特殊的鼓励，增加了高值的鱼如青甘金枪鱼、箭鱼和海豚。

加到海洋中的铁、磷和其它肥料元素的量取决于对提高水产品产量的要求。海洋施肥的初始方法应被设计成使部分海洋表面和秘鲁涌升流中的海洋表面营养物组分有关，因为那里的水产品产量是已知的。海洋施肥方法优选包括附加的检测方法和施肥条件下水产品生长动力学的研究，以便进一步修正和改进肥料的组成以及所完成的海洋施肥方法。

大约53000平方海里(约140,000平方公里)以二氧化碳(CO₂)去除率约1,340百万吨(约1,220百万公吨)的海洋施肥，开始每年需要约350,000(约322,000公吨)的肥料。这相当于每年350天每天约1000吨(约900公吨)。如果施于海洋的肥料价格每吨(约0.9公吨)为400美元时，则每年的费用约140 000 000美元。海洋施肥的费用还优选包括监测、检验和报告的费用，以便优化海洋施肥的方法，包括优化肥料的组成、施加速度和施加的地点。

改进水产品生产的本发明方法具有显著的效果。若水产品的价格平均每磅(0.45公斤)为0.40美元，仅只美国的一个海岸每年的附加水产品产量为50,000,000吨(约45,000,000公吨),这会产生40,000,000,000美元的工业。如果一份工作每年销售额为50,000美元，则会产生800,000个新的工作岗位。

上述描述基于靠近美国人口最大最集中的墨西哥湾流，并且具有现存的捕鱼工业，因为这些数据是很容易获得的。然而，改进水产品生产的本发明方法能更好地应用于其它区域。方法的改进要求依据地点。例如，本发明方法也可用于赤道太平洋岛国。这些国家在他们能被利用为此目的的专属经济区内有着很大的海洋区域。

因此，本发明方法允许变更，包括在肥料的组成、地点、以及肥料施用种类诸方面的变更，这都取决于被利用的海洋面积。

海洋施肥的本发明方法可利用船，它可在海上持续约120天，并且具有运载约120,000吨(约110,000公吨)肥料的能力。船里安装肥料与海水混合的泵，并把该混合物分散到海洋中。每条船安装有3台各为2,500匹马力的泵，为的是在船尾喷洒90％的海水和10％的肥料的混合物。各船必须具备约600,000桶(约90,000千升)的容量，这属中等大小的油船。

用于生产水产品的本发明方法的肥料有着许多的技术要求，如向海水施放肥料元素的速度、保证海洋植物生物(浮游植物)持续得到肥料元素的化学形式和进入单个小球的肥料元素的分离，小球能被引入相隔一段距离的海洋。所述小球的密度低于海水，以便小球在海洋表面上或靠近海洋表面逐渐地施放其肥料元素。

生产水产品的本发明方法的播种最好包括在肥料小球被撒播流中播种固氮的浮游植物。放养所希望的鱼也是重要的，因为滤食动物鱼类一般在贫瘠的开放海水中施肥前是不存在的。为了把来自创立新企业的经济回报提高到最大程度，放养其它高价值的鱼也是可行的。

所属领域一般技术人员可预见本发明的变更方案并且本发明仅受所附的权利要求书的限定。

Claims (20)

1.一种提高公海食用水产品产量的方法，包括下列步骤：

(1)检验公海表面区域，以确定缺少到显著程度的第一营养物和缺少到显著程度的第二营养物；和

(2)分开施加含所述第一缺少营养物的第一肥料和含所述第二缺少营养物的第二肥料，以便以合适量的所述第一缺少营养物和合适量的所述第二缺少营养物向公海表面的所述区域施肥，其中所述第一肥料含有铁螯合剂，并且所述第一肥料以不致沉淀到任何显著程度的形式释放所述第一缺少营养物；和

(3)收获至少部分由所述开放海洋的所述施肥产生的提高产量的食用水产品。

2.权利要求1所述的方法，其中所述螯合剂包含木质素。

3.权利要求2所述的方法，其中所述螯合剂包含木质素磺酸。

4.权利要求1所述的方法，其中所述第二肥料以不致沉淀到任何显著程度的形式释放所述第二缺少营养物。

5.权利要求4所述的方法，其中至少一种固氮的微生物群体与至少一种所述肥料一起施加。

6.权利要求1所述方法，其中所述公海表面的所述区域，是在贫瘠的公海内。

7.权利要求1所述方法，其中所述步骤(3)之前进行在海洋表面上放养至少一种鱼苗的步骤。

8.权利要求4所述方法，其中所述第二肥料包含磷酸盐。

9.权利要求4所述方法，其中所述第二肥料包含痕量的矿物质。

10.权利要求4所述的方法，其中所述第二肥料以小球的形式存在，且所述小球包含选自气泡或低密度材料的漂浮材料，和所述小球进一步包含选自塑料、蜡、高分子量淀粉或其组合物的粘合剂。

11.一种公海施肥的方法，  包括下列步骤：分开向施肥的公海表面施加具有第一营养物的第一肥料和向施肥的公海表面施加具有第二营养物的第二肥料，其中所述第一肥料含有铁螯合剂，和所述第一肥料以不致沉淀到任何显著程度的形式释放所述铁。

12.权利要求11所述的方法，其中所述螯合剂含木质素。

13.权利要求12所述的方法，其中所述螯合剂包含木质素磺酸。

14.权利要求11所述的方法，其中所述第二肥料以不致沉淀到任何显著程度的形式释放所述第二营养物。

15.权利要求14所述的方法，其中至少一种固定氮的微生物群体与至少一种所述肥料一起施加。

16.权利要求11所述的方法，其中公海所述表面是在贫瘠的公海内。

17.权利要求11所述的方法，还包括在海洋表面放养至少一种鱼苗的步骤。

18.权利要求14所述的方法，其中所述第二肥料包含磷酸盐。

19.权利要求14所述的方法，其中所述第二肥料包含痕量矿物质。

20.权利要求14所述的方法，其中所述第二肥料以小球的形式存在，且所述小球包含选自气泡或低密度材料的漂浮材料，和所述小球进一步包含选自塑料、蜡、高分子量淀粉或其组合物的粘合剂。