碳匯/  貝藻養(yǎng)殖

圖1.南麂島貝藻養(yǎng)殖基地（圖源百度）

近些年來(lái)，由于溫室氣體排放引起的全球氣候變化是當(dāng)今人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。中國(guó)是二氧化碳（CO2）的排放大國(guó)，積極應(yīng)對(duì)氣候變化、碳減排增匯已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)“碳中和”的主要渠道之一。人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2約有30%被海洋吸收，海洋是全球碳循環(huán)系統(tǒng)重要的“碳匯”，其中，近海生態(tài)系統(tǒng)僅占全球海洋面積的7%~8%，但卻貢獻(xiàn)了全球25%以上的初級(jí)生產(chǎn)力，吸收了相當(dāng)于開(kāi)闊大洋的20%以上的CO2，有機(jī)碳埋藏占整個(gè)海洋碳埋藏量的90%，至少有50%的顆粒碳無(wú)機(jī)碳沉積，特別是近海海洋環(huán)境受人文活動(dòng)影響嚴(yán)重，因此其在全球碳循環(huán)中的作用不容小覷。

全球每年通過(guò)光合作用捕獲的碳即“綠碳”中，有55%被海洋生態(tài)系統(tǒng)捕獲，這部分碳匯被稱為“藍(lán)色碳匯”（簡(jiǎn)稱為藍(lán)碳），藍(lán)碳在沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)降低大氣CO2水平方面發(fā)揮了重要作用。我國(guó)開(kāi)展海洋藍(lán)碳增匯技術(shù)研發(fā)具有十分廣闊的前景。中國(guó)在藍(lán)碳的研究和應(yīng)用起步較晚，早期認(rèn)識(shí)到的是全球沿海紅樹(shù)林、鹽沼和海草床等生境中的植被被認(rèn)為是重要的海岸帶藍(lán)色碳匯。2008年以來(lái)，焦念志等提出了“海洋微型生物碳泵（Microbial Carbon Pump, MCP）”概念讓國(guó)內(nèi)外同行對(duì)海洋碳匯機(jī)制有了更加深入的認(rèn)識(shí)。美國(guó)Science雜志評(píng)論MCP為“巨大碳庫(kù)的幕后推手”，自此，更多研究關(guān)注于以往被忽略的看不見(jiàn)的微型生物（粒徑小于20μm，主要包括浮游植物、細(xì)菌、古菌、病毒、大部分的原生動(dòng)物），其占海洋生物量的90%以上，是藍(lán)碳的主要組分。

淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中的漁業(yè)碳匯也被稱為“可產(chǎn)業(yè)化的藍(lán)碳”和“可移出的碳匯”。中國(guó)是世界上海水養(yǎng)殖規(guī)模最大的國(guó)家，實(shí)施生物固碳/儲(chǔ)碳戰(zhàn)略，大力發(fā)展碳匯漁業(yè)，在應(yīng)對(duì)氣候變化，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)中具有重要作用。2010年，唐啟升等率先提出“漁業(yè)碳匯”的概念，目的在于通過(guò)貝藻養(yǎng)殖、捕撈漁業(yè)和海洋牧場(chǎng)等漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)促進(jìn)水生生物吸收水體中的CO2，并通過(guò)收獲把這些已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生物產(chǎn)品的碳移出水體的過(guò)程和機(jī)制，這種屬于可移出的碳匯。隨著近些年來(lái)，研究不斷深入，對(duì)碳匯漁業(yè)有了更加深入的認(rèn)識(shí)。從可移出的碳匯的研究，到微生物驅(qū)動(dòng)形成的海水溶解有機(jī)碳庫(kù)、惰性溶解有機(jī)碳庫(kù)以及碳的沉積等都是漁業(yè)碳匯的重要組成部分。對(duì)海水養(yǎng)殖的固碳過(guò)程以及儲(chǔ)碳機(jī)制是科學(xué)研究面臨的首要任務(wù)。

海洋固碳關(guān)鍵過(guò)程和儲(chǔ)碳機(jī)制

海洋吸收大氣中CO2的已知機(jī)制主要包括“溶解度泵”、“碳酸鹽泵”和“生物驅(qū)動(dòng)的碳泵”。溶解度泵的原理在于CO2在海水中化學(xué)平衡以及物理輸運(yùn)。尤其是低溫和高鹽造成的高密度海水在重力作用下攜帶通過(guò)海氣交換所吸收的CO2輸入到深海，進(jìn)入千年尺度的碳循環(huán)，構(gòu)成了海洋儲(chǔ)碳。碳酸鹽泵主要基于海水CO2體系平衡和碳酸鹽析出及沉降，碳酸鹽析出會(huì)放出等當(dāng)量的CO2，只有碳酸鹽沉積才能構(gòu)成儲(chǔ)碳。由于溶解度泵和碳酸鹽泵主要受自然過(guò)程影響，通過(guò)人為調(diào)控實(shí)現(xiàn)增匯的空間非常有限?！吧矧?qū)動(dòng)中碳泵”目前已知的兩種重要的生物儲(chǔ)碳機(jī)制分別為生物泵（biological carbon pump，BP）和MCP。BP和MCP概念互補(bǔ)，涵蓋了“沉降”和“非沉降”過(guò)程，形成了關(guān)于海洋儲(chǔ)碳的生物學(xué)機(jī)制較全面系統(tǒng)的理論。

BP是基于浮游植物初級(jí)生產(chǎn)、消費(fèi)、傳遞、沉降和分解等一系列生物學(xué)過(guò)程構(gòu)成的顆粒有機(jī)碳（POC）從表層向深層的轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存過(guò)程。生物固碳速率除受控于初級(jí)生產(chǎn)力水平外，還主要取決于生源顆粒物向真光層之外的傳輸，即海洋生物泵的強(qiáng)度和效率。一種生物泵為以真核微藻和藍(lán)細(xì)菌等光合自養(yǎng)的浮游植物進(jìn)行光合固碳形成有機(jī)物質(zhì)，另一種為以POC形式輸入到海水深層。大多數(shù)輸入的有機(jī)物質(zhì)在海水次表層被礦化為無(wú)機(jī)碳，只有一小部分被埋藏到沉積物中，這就是有機(jī)碳泵（海洋生物碳匯）。生物泵與海氣CO2分壓差驅(qū)動(dòng)海水吸收CO2、初級(jí)生產(chǎn)者固定CO2生產(chǎn)有機(jī)碳與碳酸鹽體系相互制約。特別是鈣質(zhì)浮游植物顆石藻等外殼碳酸鈣的沉降增加海水表層穩(wěn)態(tài)CO2濃度從而促進(jìn)CO2向大氣釋放，這就是“碳酸鹽泵”（海洋生物碳源）。

海洋中DOC碳庫(kù)比POC碳庫(kù)大得多，占海洋總有機(jī)碳庫(kù)的90%以上。按照生物可利用性可將DOC分為三類：很容易被降解的活性DOC（LDOC）、可被緩慢降解的半活性DOC（SLDOC），以及難以被生物降解的惰性DOC（RDOC）。MCP是一種不依賴于顆粒碳沉降的儲(chǔ)碳機(jī)制，通過(guò)微型生物新陳代謝活動(dòng)將LDOC轉(zhuǎn)化為RDOC，以溶解態(tài)的形式長(zhǎng)久地將碳封存于海洋中，RDOC在海水中儲(chǔ)存可以長(zhǎng)達(dá)4000~6000年。與經(jīng)典的BP依賴于POC的沉降這種機(jī)制不同，基于RDOC的泵不依賴于沉降過(guò)程，為非沉降型生物泵，其涵蓋了細(xì)菌、古菌和病毒等微型生物類群的生態(tài)過(guò)程。MCP理論指出：固碳不等同于儲(chǔ)碳，初級(jí)生產(chǎn)力高不等于儲(chǔ)碳量多，特別是在河口區(qū)及浮游植物大量繁殖的富營(yíng)養(yǎng)海區(qū)，初級(jí)生產(chǎn)力量值很高，但所形成的有機(jī)碳主要是LDOC，對(duì)儲(chǔ)碳的貢獻(xiàn)較小。

中國(guó)近海貝藻類海水養(yǎng)殖和碳匯現(xiàn)狀

中國(guó)是漁業(yè)養(yǎng)殖大國(guó)，中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量呈逐年上升的趨勢(shì)（圖2），1991~2019年中國(guó)漁業(yè)養(yǎng)殖總產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的62%（51%~69%）。2021年，全國(guó)海水養(yǎng)殖面積達(dá)2.03×104 km2，海水養(yǎng)殖產(chǎn)量約2.21×107 t，同比增長(zhǎng)3.55%。中國(guó)海水養(yǎng)殖種類以貝、藻類為主，2021年中國(guó)貝、藻類養(yǎng)殖總產(chǎn)量為1.80×107 t，2003~2021年中國(guó)貝、藻類養(yǎng)殖總產(chǎn)量總體呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，并占中國(guó)海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的85%（81%~90%）（圖2）。海水養(yǎng)殖中養(yǎng)殖方式、養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖規(guī)模、使用的餌料性質(zhì)及成分、投餌量及餌料利用率等都會(huì)影響近岸海域的碳循環(huán)和收支。海水養(yǎng)殖活動(dòng)固碳主要有可移出碳、留存在海水中的碳和埋藏在沉積物中的碳等形式存在，其中：可移出碳為固定在海洋養(yǎng)殖動(dòng)植物體內(nèi)，可從海水中收獲移出的碳；留存在海水中的碳以顆粒有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳等形式存在；埋藏在沉積物中的碳主要為未被利用的顆粒有機(jī)碳（包括微生物或藻類殘?bào)w、碎屑、魚(yú)蝦貝死亡后的尸體等）沉降到沉積物。

圖2 1980年~2021年中國(guó)海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量及貝藻類產(chǎn)量

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，貝、藻類被認(rèn)為是漁業(yè)碳匯中最重要的養(yǎng)殖物種。大型藻類可以通過(guò)光合作用吸收海水中的溶解無(wú)機(jī)碳和CO2轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳，并可以吸收海水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高海水的堿度，降低海水中CO2分壓，促進(jìn)海水吸收CO2，實(shí)現(xiàn)海洋碳匯功能。貝類通過(guò)攝食活動(dòng)去除海水中的顆粒有機(jī)碳，并形成以碳酸鈣為主要成分的貝殼，同樣也在海洋碳循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用。目前對(duì)海水養(yǎng)殖碳匯潛力的測(cè)算和評(píng)估主要側(cè)重于貝藻的可移出碳匯，而忽略了除了可移出碳匯以外，養(yǎng)殖活動(dòng)中微生物作用下驅(qū)動(dòng)形成的海水溶解有機(jī)碳庫(kù)、惰性溶解有機(jī)碳庫(kù)以及碳的沉積等都是海洋碳匯的重要部分。

根據(jù)《中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》所統(tǒng)計(jì)的中國(guó)人工大型經(jīng)濟(jì)海藻和貝類產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并利用參考文獻(xiàn)的估算結(jié)果并根據(jù)估算方法對(duì)貝、藻類產(chǎn)生的碳匯進(jìn)行估算， 2003年~2021年我國(guó)大型藻類年碳匯量為8.0萬(wàn)~15.6萬(wàn)t，貝類年碳匯量為76萬(wàn)~114萬(wàn)t，19年間貝藻類總碳匯量為1967萬(wàn)t，且呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì)（圖3）。如果被吸收的碳全部從大氣中獲得，則中國(guó)僅貝藻類養(yǎng)殖每年就可多從大氣中吸收約100萬(wàn)t以上的碳；如果我國(guó)貝海藻養(yǎng)殖產(chǎn)量每年按現(xiàn)有速度增加，那么貝藻類養(yǎng)殖將對(duì)增加大氣CO2的匯具有重要意義。2008~2015年我國(guó)各沿海省份（不包括臺(tái)灣和港澳地區(qū)）貝藻類碳匯總量表現(xiàn)出山東省最高，其次是福建省和遼寧省，各沿海省份貝類碳匯量趨勢(shì)與貝藻類碳匯總量一致，藻類碳匯量為福建省最高，其次是山東省和遼寧??；廣西省和河北省的碳匯轉(zhuǎn)化比最高；同時(shí)我國(guó)四個(gè)海域海水養(yǎng)殖業(yè)碳匯總量為黃海>東海>渤海、南海，但南海的碳匯轉(zhuǎn)化比最高。

圖3 1980年~2021年中國(guó)海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量及貝藻類產(chǎn)量及碳匯量

存在的爭(zhēng)議問(wèn)題

（1）貝類養(yǎng)殖是否可以被視為碳匯存在爭(zhēng)議。最早提出貝類養(yǎng)殖碳匯的觀點(diǎn)認(rèn)為：在貝類養(yǎng)殖過(guò)程中，CO2從大氣單向流向海洋，轉(zhuǎn)化成溶解無(wú)機(jī)碳（DIC），并以固體CaCO3形式形成了貝類貝殼，通過(guò)這種方式將CO2進(jìn)行長(zhǎng)期封存，通過(guò)收集貝類又可以從海水中去除DIC和有機(jī)碳。而后有研究建議將貝殼固碳公式進(jìn)行修正，貝類吸收海水中的碳酸氫根（HCO3-）形成CaCO3（貝類貝殼成分），其方程為：Ca2++2 HCO3-=CaCO3+CO2+H2O，在這個(gè)過(guò)程中形成1 mol的CaCO3，會(huì)同時(shí)釋放1 mol的CO2，但會(huì)吸收2 mol的HCO3-，因此，貝殼的形成相當(dāng)于從海水中不穩(wěn)定的無(wú)機(jī)碳庫(kù)中去除1 mol的碳，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的碳。在這種情況下，貝類既是碳匯，也是大氣中CO2的來(lái)源。釋放的CO2基本上與從大氣中捕獲的CO2具有相同的效果。部分學(xué)者認(rèn)為貝類養(yǎng)殖是CO2的來(lái)源，因?yàn)橥ㄟ^(guò)鈣化和分解代謝機(jī)制釋放的碳量比貝殼中的碳量要大。僅從個(gè)體的角度來(lái)看，雙殼類生物是CO2的凈來(lái)源是有道理的，但卻忽略了貝類養(yǎng)殖的生態(tài)系統(tǒng)功能。貝類養(yǎng)殖對(duì)浮游植物種群、懸浮顆粒有機(jī)碳和DIC都會(huì)產(chǎn)生作用并影響海洋中的碳循環(huán)。貝類養(yǎng)殖的整個(gè)生命周期中，貝類通過(guò)過(guò)濾水中的顆粒有機(jī)碳來(lái)促進(jìn)貝類軟組織的生長(zhǎng)，貝類軟組織形成過(guò)程中會(huì)發(fā)生碳排放量。貝類的呼吸作用、貝殼形成都會(huì)產(chǎn)生CO2，貝類的糞便和偽糞便沉積物的沉積可以加速碳的垂直運(yùn)輸，促進(jìn)沉積碳庫(kù)的形成，貝類的貝殼可以固定碳，貝類的軟組織收獲后的處理方式也可以從某種程度減少其碳排放。沿海地區(qū)海水貝類養(yǎng)殖對(duì)海洋碳收支具有重要的影響，貝類養(yǎng)殖具有能源投入低、成本低、技術(shù)可行等特點(diǎn)，可能是捕獲和去除海洋中碳的有效方法。長(zhǎng)期以來(lái)，一直有大量的研究對(duì)貝類養(yǎng)殖的固碳功能和碳足跡進(jìn)行研究。

（2）近海的大型海藻養(yǎng)殖的碳匯功能一直存在爭(zhēng)議。大型養(yǎng)殖海藻一般都屬于一年生的海藻。聯(lián)合國(guó)并未將一年生的植物列入碳匯清單。在傳統(tǒng)意義上認(rèn)為的養(yǎng)殖海藻的藍(lán)碳主要是指收獲的藻類生物量或“可移出的碳”的部分，主要爭(zhēng)議點(diǎn)是這部分可移出碳的儲(chǔ)存周期問(wèn)題。實(shí)際上對(duì)于養(yǎng)殖藻類可移出碳而言，所收獲藻類的不同處理或加工方式對(duì)可移出碳的儲(chǔ)存周期具有重要影響。若用于食用，會(huì)很快重新轉(zhuǎn)化為CO2釋放到大氣，無(wú)法構(gòu)成長(zhǎng)時(shí)間尺度上的碳匯。但若用于生產(chǎn)燃料，則可一定程度上減少化石燃料燃燒引起的碳排放，是另一種形式的“減排”。


參考文獻(xiàn)

孫康，崔茜茜，蘇子曉，王雁楠. 2020. 中國(guó)海水養(yǎng)殖碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值時(shí)空演化及影響因素分析，地理研究， 39（11）：2508-2519

紀(jì)建悅，王萍萍. 2015. 我國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)碳匯能力測(cè)度及其影響因素分解研究. 海洋環(huán)境科學(xué)， 34： 871-878

邵桂蘭，劉冰，李晨．2019. 我國(guó)主要海域海水養(yǎng)殖碳匯能力評(píng)估及其影響效應(yīng)———基于我國(guó)9 個(gè)沿海省份面板數(shù)據(jù)．生態(tài)學(xué)報(bào)， 39(7):2614-2625．

Zhang Y Y, Zhang J H, Liang Y T, Li H M, Li G, Chen X, Zhao P, Jiang Z J, Zou D H, Liu X Y, Liu J H. 2017. Carbon sequestration processes and mechanisms in coastal mariculture environments in China. Science China Earth Sciences, 60: 2097–2107.

Jiao N Z, Zhang C L, Chen F, et al. Frontiers and technological advances in microbial processes and carbon cycling in the ocean. In: Mertens L P, ed. Biological Oceanography Research Trends. New York: NOVA Science Publishers Inc, 2008. 217–267

Jiao N Z, Herndl G J, Hansell D A, et al. Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter: Long-term carbon storage in the global ocean. Nat Rev Microbiol, 2010, 8: 593–599

Jiao N Z. Carbon fixation and sequestration in the ocean, with special reference to the microbial carbon pump (in Chinese). Sci Sin Terrae, 2012, 42: 1473–1486

Longhurst A R, Glen Harrison W. 1989. The biological pump: Profiles of plankton production and consumption in the upper ocean. Prog Oceanogr, 22: 47–123

Elderfield H. Climate change: Carbonate mysteries. Science, 2002, 296: 1618–1621

Raven J, Falkowski P. Oceanic sinks for atmospheric CO2. Plant Cell Environ, 1999, 22: 741–755

Volk T, Hoffert M I. Ocean carbon pumps: Analysis of relative strengths and efficiencies in ocean-driven atmospheric CO2 changes. In: Sundquist E T, Broecker W S, eds. The Carbon Cycle and Atmospheric CO2 Natural Variations Archean to Present. Washington DC: AGU, 1985. 99–110

來(lái)源：水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖與裝備工程研究中心