中國近海貝藻類養(yǎng)殖碳匯現(xiàn)狀
發(fā)表時間：2023-09-04
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，由于溫室氣體排放引起的全球氣候變化是當(dāng)今人類社會可持續(xù)發(fā)展的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。中國是二氧化碳（CO2）的排放大國，積極應(yīng)對氣候變化、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%以上的初級生產(chǎn)力，吸收了相當(dāng)于開闊大洋的20%以上的CO2，有機(jī)碳埋藏占整個海洋碳埋藏量的90%，至少有50%的顆粒碳無機(jī)碳沉積，特別是近海海洋環(huán)境受人文活動影響嚴(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。我國開展海洋藍(lán)碳增匯技術(shù)研發(fā)具有十分廣闊的前景。中國在藍(lán)碳的研究和應(yīng)用起步較晚，早期認(rèn)識到的是全球沿海紅樹林、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，焦念志等提出了“海洋微型生物碳泵（Microbial Carbon Pump, MCP）”概念讓國內(nèi)外同行對海洋碳匯機(jī)制有了更加深入的認(rèn)識。美國Science雜志評論MCP為“巨大碳庫的幕后推手”，自此，更多研究關(guān)注于以往被忽略的看不見的微型生物（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”。中國是世界上海水養(yǎng)殖規(guī)模最大的國家，實(shí)施生物固碳/儲碳戰(zhàn)略，大力發(fā)展碳匯漁業(yè)，在應(yīng)對氣候變化，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，目的在于通過貝藻養(yǎng)殖、捕撈漁業(yè)和海洋牧場等漁業(yè)生產(chǎn)活動促進(jìn)水生生物吸收水體中的CO2，并通過收獲把這些已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生物產(chǎn)品的碳移出水體的過程和機(jī)制，這種屬于可移出的碳匯。隨著近些年來，研究不斷深入，對碳匯漁業(yè)有了更加深入的認(rèn)識。從可移出的碳匯的研究，到微生物驅(qū)動形成的海水溶解有機(jī)碳庫、惰性溶解有機(jī)碳庫以及碳的沉積等都是漁業(yè)碳匯的重要組成部分。對海水養(yǎng)殖的固碳過程以及儲碳機(jī)制是科學(xué)研究面臨的首要任務(wù)。
海洋固碳關(guān)鍵過程和儲碳機(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，碳酸鹽析出會放出等當(dāng)量的CO2，只有碳酸鹽沉積才能構(gòu)成儲碳。由于溶解度泵和碳酸鹽泵主要受自然過程影響，通過人為調(diào)控實(shí)現(xiàn)增匯的空間非常有限。“生物驅(qū)動中碳泵”目前已知的兩種重要的生物儲碳機(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”過程，形成了關(guān)于海洋儲碳的生物學(xué)機(jī)制較全面系統(tǒng)的理論。
BP是基于浮游植物初級生產(chǎn)、消費(fèi)、傳遞、沉降和分解等一系列生物學(xué)過程構(gòu)成的顆粒有機(jī)碳（POC）從表層向深層的轉(zhuǎn)移和儲存過程。生物固碳速率除受控于初級生產(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)動海水吸收CO2、初級生產(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碳庫比POC碳庫大得多，占海洋總有機(jī)碳庫的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碳機(jī)制，通過微型生物新陳代謝活動將LDOC轉(zhuǎn)化為RDOC，以溶解態(tài)的形式長久地將碳封存于海洋中，RDOC在海水中儲存可以長達(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)過程。MCP理論指出：固碳不等同于儲碳，初級生產(chǎn)力高不等于儲碳量多，特別是在河口區(qū)及浮游植物大量繁殖的富營養(yǎng)海區(qū)，初級生產(chǎn)力量值很高，但所形成的有機(jī)碳主要是LDOC，對儲碳的貢獻(xiàn)較小。
中國近海貝藻類海水養(yǎng)殖和碳匯現(xiàn)狀
中國是漁業(yè)養(yǎng)殖大國，中國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量呈逐年上升的趨勢（圖2），1991~2019年中國漁業(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3.55%。中國海水養(yǎng)殖種類以貝、藻類為主，2021年中國貝、藻類養(yǎng)殖總產(chǎn)量為1.80×107 t，2003~2021年中國貝、藻類養(yǎng)殖總產(chǎn)量總體呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，并占中國海水養(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影響近岸海域的碳循環(huán)和收支。海水養(yǎng)殖活動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、魚蝦貝死亡后的尸體等）沉降到沉積物。
圖2 1980年~2021年中國海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量及貝藻類產(chǎn)量
國內(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。大型藻類可以通過光合作用吸收海水中的溶解無機(jī)碳和CO2轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳，并可以吸收海水中的營養(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。貝類通過攝食活動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。目前對海水養(yǎng)殖碳匯潛力的測算和評估主要側(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)殖活動中微生物作用下驅(qū)動形成的海水溶解有機(jī)碳庫、惰性溶解有機(jī)碳庫以及碳的沉積等都是海洋碳匯的重要部分。
根據(jù)《中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》所統(tǒng)計(jì)的中國人工大型經(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)估算方法對貝、藻類產(chǎn)生的碳匯進(jìn)行估算， 2003年~2021年我國大型藻類年碳匯量為8.0萬~15.6萬t，貝類年碳匯量為76萬~114萬t，19年間貝藻類總碳匯量為1967萬t，且呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢（圖3）。如果被吸收的碳全部從大氣中獲得，則中國僅貝藻類養(yǎng)殖每年就可多從大氣中吸收約100萬t以上的碳；如果我國貝海藻養(yǎng)殖產(chǎn)量每年按現(xiàn)有速度增加，那么貝藻類養(yǎng)殖將對增加大氣CO2的匯具有重要意義。2008~2015年我國各沿海省份（不包括臺灣和港澳地區(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省；廣西省和河北省的碳匯轉(zhuǎn)化比最高；同時我國四個海域海水養(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年中國海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量及貝藻類產(chǎn)量及碳匯量
存在的爭議問題
（1）貝類養(yǎng)殖是否可以被視為碳匯存在爭議。最早提出貝類養(yǎng)殖碳匯的觀點(diǎn)認(rèn)為：在貝類養(yǎng)殖過程中，CO2從大氣單向流向海洋，轉(zhuǎn)化成溶解無機(jī)碳（DIC），并以固體CaCO3形式形成了貝類貝殼，通過這種方式將CO2進(jìn)行長期封存，通過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，在這個過程中形成1 mol的CaCO3，會同時釋放1 mol的CO2，但會吸收2 mol的HCO3-，因此，貝殼的形成相當(dāng)于從海水中不穩(wěn)定的無機(jī)碳庫中去除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的來源，因?yàn)橥ㄟ^鈣化和分解代謝機(jī)制釋放的碳量比貝殼中的碳量要大。僅從個體的角度來看，雙殼類生物是CO2的凈來源是有道理的，但卻忽略了貝類養(yǎng)殖的生態(tài)系統(tǒng)功能。貝類養(yǎng)殖對浮游植物種群、懸浮顆粒有機(jī)碳和DIC都會產(chǎn)生作用并影響海洋中的碳循環(huán)。貝類養(yǎng)殖的整個生命周期中，貝類通過過濾水中的顆粒有機(jī)碳來促進(jìn)貝類軟組織的生長，貝類軟組織形成過程中會發(fā)生碳排放量。貝類的呼吸作用、貝殼形成都會產(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。長期以來，一直有大量的研究對貝類養(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議。大型養(yǎng)殖海藻一般都屬于一年生的海藻。聯(lián)合國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，主要爭議點(diǎn)是這部分可移出碳的儲存周期問題。實(shí)際上對于養(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可移出碳的儲存周期具有重要影響。若用于食用，會很快重新轉(zhuǎn)化為CO2釋放到大氣，無法構(gòu)成長時間尺度上的碳匯。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. 中國海水養(yǎng)殖碳匯經(jīng)濟(jì)價值時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. 我國海水養(yǎng)殖業(yè)碳匯能力測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. 我國主要海域海水養(yǎng)殖碳匯能力評估及其影響效應(yīng)———基于我國9 個沿海省份面板數(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