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文章導(dǎo)讀

藍(lán)碳(Blue Carbon, BC)這一術(shù)語是十年前首次提出的，用于描述沿海有植被的生態(tài)系統(tǒng)在全球碳儲存中的不成比例的貢獻(xiàn)。如今，藍(lán)碳(BC)在氣候變化減緩和適應(yīng)中的作用已經(jīng)受到國際關(guān)注。為了幫助確定未來研究的重點，本文匯集了該領(lǐng)域的領(lǐng)先專家，達(dá)成了藍(lán)碳科學(xué)領(lǐng)域前十個待解決問題的共識。了解氣候變化如何影響藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)中的碳積累以及在其恢復(fù)過程中的情況成為了重點問題。有爭議的問題包括碳酸鹽和大型藻類在藍(lán)碳循環(huán)中的作用，以及在受干擾的藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體釋放的程度。全球科學(xué)家們正致力于尋求提高藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)的范圍精確度；確定藍(lán)碳來源的技術(shù)；理解影響藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)中碳封存的因素，以及藍(lán)碳的相應(yīng)價值；以及有效提高這一價值的管理行動?？偟膩碚f，這一概述為未來幾十年藍(lán)碳科學(xué)研究提供了全面的路線圖。

藍(lán)碳的概念與來源

藍(lán)碳（BC）是指海洋和沿海生態(tài)系統(tǒng)，特別是有植被的沿海生態(tài)系統(tǒng)，如海草床、潮汐濕地和紅樹林所捕獲和儲存的有機碳。BC引起了全球關(guān)注，因為它有望減輕氣候變化，同時實現(xiàn)沿海保護和漁業(yè)增強等多重好處。除科學(xué)界外，保護和私營部門組織、政府以及致力于海洋保護和氣候變化減緩與適應(yīng)的政府間組織等各方對BC也表現(xiàn)出濃厚興趣。這些努力激勵了科學(xué)界，推動他們填補知識空白，解決不確定性，為政策和管理行動提供必要信息。

BC的概念最初是一個比喻，旨在強調(diào)沿海生態(tài)系統(tǒng)與陸地森林一樣，對有機碳封存有顯著貢獻(xiàn)。這個比喻演變?yōu)橥ㄟ^保護和恢復(fù)有植被的沿海生態(tài)系統(tǒng)來減輕和適應(yīng)氣候變化的戰(zhàn)略。雖然BC科學(xué)已經(jīng)成為一種范式，但仍然存在一些爭議，例如碳酸鹽生產(chǎn)在BC中的角色和海藻是否貢獻(xiàn)于BC等問題。因此，提出了開放性討論，以重新聚焦研究議程，協(xié)調(diào)新觀點與批評，并將這些發(fā)現(xiàn)整合到更強大的科學(xué)框架中。這將滿足對有植被的沿海生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化減緩和適應(yīng)中角色的緊迫需求。

因此，有必要建立一個全面的BC科學(xué)研究計劃，以解決當(dāng)前的研究空白，同時繼續(xù)滿足即時的政策和管理需求。這個研究計劃可以根據(jù)新知識制定政策方向，從而在制定管理議程而不僅僅是回應(yīng)它方面發(fā)揮作用。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們通過廣泛協(xié)作，由藍(lán)碳科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)先研究學(xué)者提供了關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)的清單。我們通過三個主要步驟來實現(xiàn)這一目標(biāo)，首先總結(jié)了BC科學(xué)的基本元素，然后通過科學(xué)界的調(diào)查確定了關(guān)鍵科學(xué)問題，最后將這些問題整合到共同主題中，以制定研究目標(biāo)和議程，并提供如何將這些問題最好地表達(dá)為新的研究議程的指導(dǎo)。這將有助于鞏固BC科學(xué)的進展并為當(dāng)前辯論提供信息。

研究結(jié)果與討論

藍(lán)碳科學(xué)領(lǐng)域的10大科學(xué)問題：

Q1. 氣候變化如何影響藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)及其在恢復(fù)過程中的碳積累？

氣候變化對BC生態(tài)系統(tǒng)的影響受多種因素制約，包括海平面上升、海洋熱浪、CO2升高、淡水可用性的改變、強烈的風(fēng)暴等。這些因素的頻率和強度因地區(qū)而異，導(dǎo)致地理差異較大。

具體來說，海平面上升對BC生態(tài)系統(tǒng)是一個主要影響因素。它可能導(dǎo)致碳排放的增加，增加沉積物和碳庫的垂直積聚，并可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的損失和面積的變化。地理位置對氣候變化的響應(yīng)產(chǎn)生了很大的差異。不同地區(qū)的海平面上升和地面沉降速率不同，氣候變化的影響也各不相同。不同BC生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用也影響了它們對氣候變化的響應(yīng)。鄰近生態(tài)系統(tǒng)的退化或變化可能會影響B(tài)C生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和碳儲量。此外，沿海地區(qū)的人類活動，如水質(zhì)惡化、筑壩、河流改變等，也可能影響B(tài)C生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和響應(yīng)。

Q2. 干擾如何影響藍(lán)碳的埋藏？

此問題探討了人為干擾對藍(lán)碳生產(chǎn)和儲存的影響。目前，人們越來越關(guān)注干擾對BC的生產(chǎn)和儲存的影響。BC研究人員正在解決三個關(guān)鍵問題：(1) 干擾對土壤剖面深度的傳播程度，(2) 受干擾系統(tǒng)中碳以CO2形式損失的比例，(3) 干擾的持續(xù)時間。

首次的全球估算中估計了BC生態(tài)系統(tǒng)受人為干擾造成的CO2年排放量為0.45 Pg CO2。然而，這些估計仍依賴于廣義假設(shè)，需要更多的具體研究以提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。此外，人為干擾的類型和持續(xù)時間是影響B(tài)C再礦化的重要因素。不同類型的干擾，如土壤擾動和棲息地改變，可能對BC儲存產(chǎn)生不同的影響。目前已經(jīng)初步了解到自然和人為干擾如何改變BC的化學(xué)成分和相關(guān)的微生物組合，從而影響碳分解過程。這對于建立排放因子模型至關(guān)重要。未來的研究還需要更明確地關(guān)注氣候變化和人為干擾之間的相互作用，以更好地理解BC系統(tǒng)的響應(yīng)

Q3. 作為藍(lán)碳匯/捐助者，大型藻類（包括鈣化藻類）的全球重要性是什么？

此問題關(guān)注大型藻類在藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)中的作用。大型藻類是全球最大的沿海植被生態(tài)系統(tǒng)，具有高生產(chǎn)力。但它們通常沒有被充分納入BC評估中。這是因為它們生長在沒有或只有有限碳埋藏潛力的堅硬或沙質(zhì)基質(zhì)上。最近的研究表明，生長在軟沉積物中的大型藻類有相當(dāng)高的全球碳埋藏率。

大型藻類可以充當(dāng)碳供體，其有機碳通過水流運輸并沉積在其他生態(tài)系統(tǒng)的碳匯中。一些估算表明，大型藻類可能支持比海草床、潮汐沼澤和紅樹林加起來更高的全球碳埋藏率。這強調(diào)了將大型藻類系統(tǒng)納入BC評估中的必要性。此外，鈣化藻類也是這些生態(tài)系統(tǒng)的一部分，但它們的碳封存角色存在爭議。雖然它們可以釋放CO2，但同時也有機碳和無機碳的共沉積作用，可能影響碳封存的凈效應(yīng)。

因此，了解大型藻類對碳儲量的貢獻(xiàn)以及它們是否作為碳匯或碳源是重要的，以更好地理解它們對全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)。

Q4. BC生態(tài)系統(tǒng)的全球范圍和時間分布是怎樣的？

此問題重點關(guān)注紅樹林、潮汐沼澤、海草床等生態(tài)系統(tǒng)的全球時空分布和演變規(guī)律。

紅樹林主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，面積估計存在不確定性。全球?qū)t樹林空間范圍及其時間變化的了解相對較好，但估計仍有差異。紅樹林總面積在20世紀(jì)下半葉以1-3%的速度下降，主要受到水產(chǎn)養(yǎng)殖、土地利用變化和土地開墾的影響。潮汐沼澤廣泛分布在北極沿岸的河口、溫帶和亞熱帶地區(qū)，但有關(guān)其全球范圍的了解有限。只有少數(shù)國家對潮汐沼澤面積進行了詳細(xì)記錄，估計全球潮汐沼澤范圍為38萬km2。由于土地利用變化和土地開墾，潮汐沼澤正面臨不斷減少的風(fēng)險。

目前，對全球海草床面積的估計存在較大差異，主要反映了數(shù)據(jù)不足和地區(qū)研究不平衡。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球海草床總面積自1879年以來已減少約29%，其中氣候變化、人為壓力和自然原因都發(fā)揮了作用。準(zhǔn)確估計BC生態(tài)系統(tǒng)的全球分布對于評估其對全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)至關(guān)重要，尤其是考慮到它們的退化速度。廣泛的測繪和結(jié)合遙感技術(shù)的地面實況監(jiān)測被認(rèn)為是提高這些估計的有效方法。

Q5. 有機和無機碳循環(huán)如何影響凈CO2通量？

盡管BC生態(tài)系統(tǒng)是重要的有機碳庫，但它們可能通過空氣-水-CO2交換成為大氣中CO2的凈排放源。在水下BC生態(tài)系統(tǒng)中，如海草床，Corg的存儲與大氣CO2去除之間沒有直接聯(lián)系，因為水體隔離了大氣和底棲系統(tǒng)。BC科學(xué)需要關(guān)注水體內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜無機和有機生物地球化學(xué)過程，這些過程影響CO2封存功能。

由于溶解的無機碳(DIC)被納入Corg，光合作用降低了地表水中的CO2濃度，而呼吸和再礦化增加了CO2濃度。凈自養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)會減少地表水CO2濃度并成為大氣CO2的直接匯。

如果異源Corg和DIC輸入較低，有助于減少地表水CO2濃度。無機碳(Cinorg)循環(huán)的反應(yīng)也可以改變地表水中的CO2濃度，從而影響CO2與大氣的凈交換。碳酸鈣礦物的形成增加了水柱中的CO2，而碳酸鹽礦物的溶解降低了CO2。盡管最近的研究開始解決BC生態(tài)系統(tǒng)中Cinorg的豐度和埋藏率，但對于空氣-水-CO2通量的關(guān)鍵過程，如淺海沿海水域和沉積物中的碳酸鹽化學(xué)和Corg動力學(xué)，仍存在研究不足。特別是對于BC生態(tài)系統(tǒng)，碳酸鹽化學(xué)與Corg和Cinorg通量以及空氣-水-CO2通量的整體時空動態(tài)之間的關(guān)系仍然不確定。

圖1 空氣-水-CO2交互的碳生物地球化學(xué)過程概念圖。藍(lán)線表示大氣CO2吸收的過程，紅線表示CO2排放到大氣中的過程。地表水中的CO2濃度主要決定通量的方向。地表水CO2濃度由溶解無機碳(DIC)中的碳酸鹽平衡決定，并受生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)（光合作用、呼吸和再礦化的平衡）影響，直接調(diào)節(jié)DIC、外來顆粒物和溶解有機碳(Corg)、顆粒無機碳(Cinorg)以及來自陸地系統(tǒng)和沿海海洋的DIC輸入、凈Cinorg生產(chǎn)（鈣化和溶解的平衡），直接調(diào)節(jié) DIC 和總堿度(TA)和溫度（CO2溶解度）。鈣化作用產(chǎn)生的 CO2在正常海水中的比例（釋放的CO2/沉淀的 Cinorg）約為 0.6 。

Q6. 如何估算BC沉積物中的有機質(zhì)來源？

沿海生態(tài)系統(tǒng)，如紅樹林、海草床和潮汐沼澤，接收來自陸地和海洋的有機質(zhì)輸入。然而，確定這些有機物的來源（本地或外來）和量化它們的輸入仍然是一個挑戰(zhàn)。了解Corg來源對于藍(lán)碳項目的管理和認(rèn)證至關(guān)重要，以確保正確計算“碳信貸”。目前研究者使用穩(wěn)定同位素（如13C、15N和34S）的自然豐度來跟蹤和量化異地和本地有機物來源。這是一種有效的方法，但由于有機質(zhì)輸入的多樣性，它可能無法提供源解析。

為了提高分辨能力，一些研究采用化合物特異性同位素，用于分離不同來源的有機物。木質(zhì)素、脂質(zhì)、烷烴和氨基酸等生物標(biāo)志物可以用于分離多源輸入。未來研究者需要進一步改進穩(wěn)定同位素分析方法，并探索使用化合物特異性同位素和環(huán)境DNA（eDNA）等新技術(shù)來更準(zhǔn)確地識別和量化有機物來源。

Q7. 哪些因素影響B(tài)C（藍(lán)碳）埋藏率？

這個問題涉及到了BC生態(tài)系統(tǒng)中碳的埋藏過程。目前尚不清楚初級生產(chǎn)者多樣性和性狀如何影響藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量。大型植物和動物群也可能通過自上而下的控制過程影響有機碳的生產(chǎn)、積累或保存。微生物分解者群落的功能多樣性和活性對于決定Corg進入藍(lán)碳土壤的過程可能比其生產(chǎn)和沉積過程更重要。然而，這方面的研究還處于初步階段。

水動力過程影響顆粒的捕獲和沉積，進而影響有機碳的積累速率。不同的生態(tài)系統(tǒng)的植被特征（如紅樹林密度和冠層結(jié)構(gòu)）對波浪衰減產(chǎn)生不同的影響，但這些相互作用需要更好地理解。此外，對于哪些因素控制著藍(lán)碳土壤中存儲的Corg含量以及其穩(wěn)定性尚不清楚。厭氧特性對Corg的分解和再礦化速率具有重要控制作用，但氧氣暴露時間也影響Corg的性質(zhì)?？傊?，影響藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)碳埋藏的因素之間存在復(fù)雜的相互作用，如溫度、水動力、地貌、水文因素等，對Corg儲量的影響不容易預(yù)測。

Q8. 藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的溫室氣體凈通量是多少？

BC生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體排放和吸收的重要來源或匯。全球紅樹林吸收大約700TgCyr-1的碳，但75%的這些碳以CO2的形式被呼吸釋放到大氣中。然而，由于與CO2釋放相關(guān)的礦化途徑存在較大的不確定性，因此對紅樹林的碳估算存在挑戰(zhàn)。對于其他BC生態(tài)系統(tǒng)，由于缺乏代表性的生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，特別是CH4和N2O排放，也缺乏穩(wěn)健的全球碳估算過程。

因此，有必要更好地量化匯/源平衡，包括初級生產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)退化和不同呼吸過程溫室氣體排放之間的凈平衡。我們還需要了解這些源/匯動態(tài)如何隨時間變化以及環(huán)境參數(shù)來影響溫室氣體通量，以便估計BC生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放閾值。全球估計表明，CH4排放可以抵消紅樹林中碳埋藏的20%。一些紅樹林可能是N2O的匯，從而提高了其作為氣候變化緩解措施的價值。

Q9. 如何減少藍(lán)碳估值的不確定性？

BC生態(tài)系統(tǒng)在碳封存方面存在差異，這些差異可能導(dǎo)致其價值的變化。目前，一些國家正在考慮以BC為重點來制定氣候變化緩解計劃，以提供經(jīng)濟激勵。盡管如此，國際范圍內(nèi)，BC生態(tài)系統(tǒng)此前并未一致納入氣候變化減緩框架，可能因為缺乏足夠的信息將其納入其中。不同BC估值方法的差異性，包括社會成本、邊際減排成本和市場價格也是用BC來標(biāo)準(zhǔn)化表征系統(tǒng)價值的難點。要減少不確定性，需要跨學(xué)科研究，結(jié)合生態(tài)和經(jīng)濟學(xué)科，以制定標(biāo)準(zhǔn)化方法。開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化方法，結(jié)合生態(tài)和經(jīng)濟學(xué)科，以提高BC估值的可信度。此外，需要考慮BC生態(tài)系統(tǒng)的附加價值，如漁業(yè)、養(yǎng)分循環(huán)、沿海社區(qū)支持等，以提高其在政策和管理中的應(yīng)用。

Q10. 哪些管理措施最能維持和促進藍(lán)碳封存？

研究已經(jīng)改進了對不同空間尺度上碳動力學(xué)的估計，這有助于模擬生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為其他用途中可能導(dǎo)致的潛在碳排放。然而，政策制定、管理行動和BC生態(tài)系統(tǒng)效益的展示仍在初步階段。目前，加強BC生態(tài)系統(tǒng)的碳減排有三種主要管理方法：保護、恢復(fù)和創(chuàng)造生態(tài)系統(tǒng)。保護生態(tài)系統(tǒng)可以防止歷史上封存的碳重新釋放，同時也需要維護未來的系統(tǒng)碳封存能力?；謴?fù)涉及一系列活動，旨在改善生態(tài)系統(tǒng)的生物物理和地球化學(xué)過程以及碳封存能力。管理調(diào)整是創(chuàng)造或恢復(fù)潮汐沼澤等生態(tài)系統(tǒng)的特殊選擇。

在自愿碳市場下，存在用于BC濕地保護、恢復(fù)和創(chuàng)建的碳付款機制。這些框架已被一些小規(guī)模項目采用，以產(chǎn)生“碳信用額”。盡管已經(jīng)有了一些地方舉措，但要實現(xiàn)更大的影響仍然存在技術(shù)、財務(wù)和政策障礙，例如數(shù)據(jù)覆蓋范圍有限、成本較高等。盡管需要進一步示范、監(jiān)測和報告來解決現(xiàn)存的知識差距，但研究者已經(jīng)可以證明將BC生態(tài)系統(tǒng)的保護、恢復(fù)和創(chuàng)建納入碳緩解機制是合理的。

圖2 每公頃藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟價值估算

未來的挑戰(zhàn)

制定沿海植被生態(tài)系統(tǒng)對減緩和適應(yīng)氣候變化的研究議程這一領(lǐng)域存在許多挑戰(zhàn)，但也存在一些未得到可靠觀察和實驗支持的新問題，如估算異源碳對BC的貢獻(xiàn)和溫室氣體排放的凈平衡。此外，現(xiàn)有BC科學(xué)研究的核心問題，包括氣候變化對碳積累的作用、提高BC生態(tài)系統(tǒng)全球估計精度的努力、影響B(tài)C生態(tài)系統(tǒng)固存的因素以及相應(yīng)的BC價值。但是依然存在三個長期性且有爭議的問題。包括干擾對生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的影響、大型藻類是否可以被視為BC，以及BC生態(tài)系統(tǒng)中碳酸鹽的積累是否使其成為潛在的碳匯。這些爭議需要更多的科學(xué)研究和實驗來解決。

來源：海洋與淡水生態(tài)圈