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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(jī)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(hù)和漁業(yè)增強(qiáng)等多重好處。除科學(xué)界外，保護(hù)和私營部門組織、政府以及致力于海洋保護(hù)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(qiáng)調(diào)沿海生態(tài)系統(tǒng)與陸地森林一樣，對有機(jī)碳封存有顯著貢獻(xiàn)。這個比喻演變?yōu)橥ㄟ^保護(hù)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)烈的風(fēng)暴等。這些因素的頻率和強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(jī)碳和無機(jī)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(jìn)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(jī)和無機(jī)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(jī)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(jī)和有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)碳(Corg)、顆粒無機(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)輸入。然而，確定這些有機(jī)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(jī)物來源。這是一種有效的方法，但由于有機(jī)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(jī)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(jìn)一步改進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)而影響有機(jī)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)。總之，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(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)藍(lán)碳封存？

研究已經(jīng)改進(jìn)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(qiáng)BC生態(tài)系統(tǒng)的碳減排有三種主要管理方法：保護(hù)、恢復(fù)和創(chuàng)造生態(tài)系統(tǒng)。保護(hù)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(hù)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(hù)、恢復(fù)和創(chuàng)建的碳付款機(jī)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(jìn)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(hù)、恢復(fù)和創(chuàng)建納入碳緩解機(jī)制是合理的。

圖2 每公頃藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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