雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量及年度碳儲(chǔ)量估算
——以河北昌黎黃金海岸國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)海域?yàn)槔?/h1>
2021-02-16 08:33:06楊悅王妍朱浩然劉憲斌
海洋通報(bào) 2021年6期
楊悅，王妍，朱浩然，劉憲斌
（1.天津科技大學(xué)，天津 300457；2.天津市海洋環(huán)境保護(hù)與修復(fù)技術(shù)工程中心，天津 300457；3.天津市綠色發(fā)展決策行為分析實(shí)驗(yàn)室，天津 300457；4.海洋資源化學(xué)與食品技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457）
伴隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的加快，化石能源燃燒等人類活動(dòng)加劇，造成了全球氣候變暖等一系列難題，這主要是由于原先全球各碳庫(kù)維系的平衡受到擾動(dòng)并發(fā)生了變化。以CO2為首的主要溫室氣體濃度上升，對(duì)氣溫升高的貢獻(xiàn)率達(dá)到70%，同時(shí)也是導(dǎo)致全球變暖的主要因素（陳瀛洲等，2014）。因此，亟須控制CO2的排放量或者降低其在大氣中的含量，這個(gè)過(guò)程僅僅依靠陸地植物的光合作用和微生物的新陳代謝作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就需要開(kāi)發(fā)海洋中的“藍(lán)碳”（劉芳明等，2019）。海洋中的碳匯普遍存在于海洋生態(tài)系統(tǒng)中，是最為經(jīng)濟(jì)且污染程度幾乎為零的固碳方式，十分契合當(dāng)今的低碳發(fā)展理念（彭巨光等，2014）。海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物的固碳方式是通過(guò)光合作用將海水中溶解的無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳（何培民等，2015），濾食性雙殼綱軟體動(dòng)物通過(guò)攝食浮游植物或有機(jī)顆粒物將碳轉(zhuǎn)化為自身的軟體組織，并以鈣化的方式形成外殼部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳的固定和封存（Chauvaud et al，2003）。同時(shí)，伴隨著雙殼綱軟體動(dòng)物被捕獲，大量的碳能夠直接從海水中去除，脫離海洋碳循環(huán)，從而對(duì)海洋生物固碳產(chǎn)生重要的積極作用（于佐安等，2020）。目前對(duì)于雙殼綱軟體動(dòng)物的含碳量計(jì)算主要有兩種方式，一是測(cè)定攝食碳、排泄碳、呼吸碳和排糞碳求得生物固碳，計(jì)算公式為：生物固碳=攝食碳-排泄碳-呼吸碳-排糞碳（方磊等，2011）。二是利用儀器分別測(cè)定軟體動(dòng)物外殼與軟體組織的含碳量，進(jìn)而通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估算的方式獲得總體含碳量。Branes（2017）通過(guò)對(duì)極地海域浮游植物的每日監(jiān)測(cè)情況，根據(jù)碳通量及生物碳泵求得了底棲動(dòng)物整體的固碳量；Rueda 等（2005）基于雙殼綱軟體動(dòng)物生物固碳原理，構(gòu)建了碳分配模型，求得了在不同攝食率等條件下的固碳效率。第一種方法的計(jì)算結(jié)果雖然準(zhǔn)確，但是卻需要大量的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐，所花費(fèi)的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本較高；而第二種方法能根據(jù)對(duì)不同年齡雙殼綱軟體動(dòng)物的含碳量進(jìn)行估算，對(duì)于大面積海域或者大量樣品的估算有較大優(yōu)勢(shì)。基于第二種方法，Tang等（2011）首次估算了1999—2008 年中國(guó)海水養(yǎng)殖貝類和藻類的平均固碳量（3.76 伊106t）。此后有學(xué)者對(duì)中國(guó)沿海養(yǎng)殖貝類固碳量進(jìn)行了估算，如劉慧等（2011）研究了黃海沿岸三省的養(yǎng)殖貝類碳儲(chǔ)量；梁君等（2015）調(diào)查了東極海洋牧場(chǎng)貝類筏式養(yǎng)殖區(qū)的碳匯能力。但是，對(duì)于海洋保護(hù)區(qū)雙殼綱軟體動(dòng)物的含碳量目前還鮮有報(bào)道。
昌黎黃金海岸國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱昌黎自然保護(hù)區(qū)）位于河北省秦皇島市昌黎縣，總面積208.5 km2，其中核心區(qū)70.50 km2，緩沖區(qū)138 km2。該保護(hù)區(qū)也是國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物青島文昌魚(yú)的重要棲息地，水質(zhì)與沉積環(huán)境良好。本文基于2019 年海域生態(tài)環(huán)境調(diào)查結(jié)果，對(duì)昌黎自然保護(hù)區(qū)雙殼綱軟體動(dòng)物的含碳量進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)該保護(hù)區(qū)碳匯能力及前景進(jìn)行了初步探討，以期為提高海洋碳匯潛力、探索海洋“藍(lán)碳”遷移轉(zhuǎn)化途徑以及其他海域保護(hù)區(qū)碳儲(chǔ)量估算提供參考依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法
于2019 年春、夏兩季分別對(duì)昌黎自然保護(hù)區(qū)海域進(jìn)行兩個(gè)航次的海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，共設(shè)置14 個(gè)監(jiān)測(cè)站位（圖1）。樣品采集過(guò)程嚴(yán)格按照《海洋調(diào)查規(guī)范》 （GB/T 12763—2007）執(zhí)行。使用0.09 m2的抓斗式采泥器采集大型底棲動(dòng)物樣品，每個(gè)監(jiān)測(cè)站位采集4 個(gè)平行樣品。樣品用5%甲醛固定，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定、稱量、計(jì)數(shù)等。
圖1 昌黎自然保護(hù)區(qū)海域監(jiān)測(cè)站位示意圖
1.2. 雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量估算方法
不同種類的雙殼綱軟體動(dòng)物，其含碳量也有所不同，根據(jù)文獻(xiàn)（Hawkins et al，1985）一般采用以下方法進(jìn)行估算。
式中，CA代表雙殼綱軟體動(dòng)物總含碳量；PM代表軟體部分產(chǎn)量；RM代表軟體部分含碳率；PB代表外殼部分產(chǎn)量；RB代表外殼部分含碳率；不同物種的干濕比和軟體部分與外殼部分含碳量不同（徐海龍等，2016）。本文選取干濕比和含碳量的平均值，同時(shí)按照雙殼綱軟體動(dòng)物濕重的1/5 折算為干重（于子山等，2001），或按照已經(jīng)報(bào)道的同科的生物干濕比進(jìn)行轉(zhuǎn)換。軟體部分干重占全部濕重的4.31%，外殼干重占全部濕重的60.20%。含碳量按照軟體部分占個(gè)體總干重的42.21%～45.98%折算，外殼部分占個(gè)體總干重的11.44% ～ 12.01%折算（李昂等，2013）。
2 結(jié)果
2.1. 昌黎自然保護(hù)區(qū)海域雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量估算
在2019 年春、夏兩季的調(diào)查中共采集到雙殼綱軟體動(dòng)物9 種，屬于4 目7 科（表1），其攝食方式均為濾食性。調(diào)查結(jié)果表明，春、夏兩季平均棲息密度為23.31 依5.46 ind./m2。基于對(duì)該區(qū)域監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，2017 年和2018 年春、夏兩季雙殼綱軟體動(dòng)物平均棲息密度分為33.33 依2.02 ind./m2和25.92 依2.69 ind./m2?？梢?jiàn)該區(qū)域的雙殼綱軟體動(dòng)物棲息密度年際變化較小，維持在30 ind./m2左右。同時(shí)根據(jù)漁業(yè)資源利用與補(bǔ)充理論模式方程：當(dāng)（砸垣鄖）躍（C+M）時(shí)，資源補(bǔ)充量有剩余；當(dāng)（砸垣鄖）躍（C+M）時(shí)，資源補(bǔ)充量與捕撈和死亡持平。式中R 為補(bǔ)充群體初期生長(zhǎng)量，G 為中后期生長(zhǎng)量，C為捕撈力量，M 為自然死亡量（吳耀泉 等，1998）。由于研究區(qū)域?yàn)閲?guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，所以捕撈等人為活動(dòng)幾乎為零，因此從連續(xù)的調(diào)查結(jié)果來(lái)看，應(yīng)為資源補(bǔ)充量和死亡持平狀態(tài)，所以雙殼綱軟體動(dòng)物的年際含碳量變化可以忽略。
表1 昌黎自然保護(hù)區(qū)2019 年雙殼綱軟體動(dòng)物平均密度
依照昌黎自然保護(hù)區(qū)海域面積（208.5 km2）來(lái)估算全部區(qū)域雙殼綱軟體動(dòng)物的碳含量（表2）。結(jié)果表明，2019 年昌黎自然保護(hù)區(qū)雙殼綱軟體動(dòng)物碳含量約為391.79～414.54 t，其中蝦夷盤扇貝碳含量占比最大，為71.50%。有資料表明，雙殼綱軟體動(dòng)物每固定1 g 碳吸收的CO2量約為3.67 g（趙述華等，2019），故2019 年昌黎自然保護(hù)區(qū)海域雙殼綱軟體動(dòng)物吸收的CO2總量為1436.57 ～1520.00 t。
表2 昌黎自然保護(hù)區(qū)2019 年雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量
2.2. 昌黎自然保護(hù)區(qū)海域雙殼綱軟體動(dòng)物碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估
海洋碳匯價(jià)值可理解為“吸收、固定、儲(chǔ)存CO2的海洋生物、非生物和其他海洋活動(dòng)的總價(jià)值” （劉芳明等，2019）。按照海洋碳匯“五分類”模型，海洋碳匯總經(jīng)濟(jì)價(jià)值應(yīng)包含使用價(jià)值（直接使用價(jià)值、間接使用價(jià)值、選擇價(jià)值）和非使用價(jià)值（遺產(chǎn)價(jià)值、存在價(jià)值）。在本研究中主要考慮間接使用價(jià)值，即氣候調(diào)節(jié)價(jià)值（碳稅法與人工造林法）。
（1） 碳稅法。排放單位CO2征收的稅額作為CO2的價(jià)格，計(jì)算公式為：
Q 代表海洋生物固定CO2的物理量；r 為核算期半年內(nèi)的碳稅平均值。
（2） 人工造林法。人工造林吸收單位CO2所耗費(fèi)的成本，計(jì)算公式為：
Q 代表海洋生物固定CO2的物理量；C 代表人工造林吸收單位CO2所消耗成本。
為了使核算更加精確，取這兩種方法核算價(jià)格的平均值，作為最終海洋碳匯的氣候調(diào)節(jié)價(jià)值。
值得說(shuō)明的是，在碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值核算中還應(yīng)該考慮食用價(jià)值，即可食用海洋生物的年產(chǎn)量按照該生物市場(chǎng)批發(fā)價(jià)計(jì)算金額。但該區(qū)域?qū)儆诒Ｗo(hù)區(qū)，禁止人工捕撈活動(dòng)，所以此項(xiàng)可忽略不計(jì)。
根據(jù)表3、表4 中的數(shù)據(jù)，可以推算出2019年昌黎自然保護(hù)區(qū)雙殼綱軟體動(dòng)物實(shí)現(xiàn)的碳匯量相當(dāng)于21.80～23.07 ha 的天然林地或23.47～24.83 ha的人工林地。同時(shí)，結(jié)合2019 年碳交易價(jià)格（寸永護(hù)等，2020），按照碳稅法和人工造林法來(lái)核算2019 年該區(qū)域雙殼綱軟體動(dòng)物在氣候調(diào)節(jié)方面產(chǎn)生的碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值為146 677.6～155 179.6 元/a。
表3 2019 年全國(guó)碳排放交易試點(diǎn)成交情況
表4 天然林地與人工林地碳匯情況
3 討論
3.1 昌黎自然保護(hù)區(qū)海域與其他海域碳儲(chǔ)量比較
目前報(bào)道的軟體動(dòng)物含碳量資料主要以海水養(yǎng)殖區(qū)域的貝類為主要研究對(duì)象，且在海水養(yǎng)殖的范疇中貝類除包括雙殼綱軟體動(dòng)物外，還包括腹足綱軟體動(dòng)物，如脈紅螺（Rapana venosa）、香螺（Neptunea cumingi Crosse） 等。根據(jù)資料報(bào)道，2002年全國(guó)海水養(yǎng)殖貝類的含碳量約為8.57 伊105t（方磊等，2011）。深圳近岸海域2014—2018 年貝類產(chǎn)量均值為1800 t/a，固碳量約為477.22 t/a（趙述華等，2019）。河北省2010 年海水養(yǎng)殖的貝類總含碳量約為2.74伊104t（李昂等，2013），約是本文核算的66 倍。溫州市海水養(yǎng)殖貝類2004—2014年年均固碳為5732.57 t（柯愛(ài)英等，2016），同樣遠(yuǎn)超于本文的核算結(jié)果。其主要原因是資料中貝類均處于養(yǎng)殖區(qū)，產(chǎn)量大，且包括腹足綱軟體動(dòng)物，而昌黎自然保護(hù)區(qū)海域的主要優(yōu)勢(shì)種是青島文昌魚(yú)，雙殼綱軟體動(dòng)物棲息密度較低，且在估算中沒(méi)有包括腹足綱軟體動(dòng)物。雖然昌黎自然保護(hù)區(qū)海域周邊遍布貝類養(yǎng)殖區(qū)，但貝類移動(dòng)范圍小，且該保護(hù)區(qū)地處近岸海域，無(wú)大型環(huán)流作用，因此外部輸入的貝類規(guī)模微乎其微，因而導(dǎo)致估算結(jié)果相比其他報(bào)道較低。另外在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的幾種雙殼綱軟體動(dòng)物除中國(guó)蛤蜊、蝦夷盤扇貝外均為體積較小的物種，且中國(guó)蛤蜊與蝦夷盤扇貝均為幼體，導(dǎo)致估算含碳量時(shí)占比較小（Zhang et al，2005）。除此之外，在2017—2019 年的調(diào)查中，雙殼綱軟體動(dòng)物的平均生物量均小于50 ind./m2，也反映出該區(qū)域雙殼綱軟體動(dòng)物的存量較少（郭興然等，2019），導(dǎo)致其含碳量較低。在碳源的貢獻(xiàn)方面，硅藻是浮游植物中固碳能力較強(qiáng)的生物（孫軍，2011），且硅藻是該海域的主要優(yōu)勢(shì)種，豐度最高值可以達(dá)到1.3伊107cells/m3（孫富強(qiáng) 等，2017），有效保障了碳源的供給，也說(shuō)明了研究區(qū)域雙殼綱軟體動(dòng)物棲息密度較小是導(dǎo)致含碳量較低的主要原因。另一方面，按照生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)原理，雙殼綱浮游植物能直接獲取硅藻等浮游植物的能量，在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中獲得的碳源較多，因此在碳儲(chǔ)量方面具有優(yōu)勢(shì)。
3.2 雙殼綱軟體動(dòng)物碳匯能力提升途徑及前景
雙殼綱軟體動(dòng)物碳匯的途徑主要有三方面：一是鈣化作用（Calcification），利用海水中的碳酸氫根離子（HCO3-） 和鈣離子（Ca2+） 形成碳酸鈣（CaCO3）；二是生物同化作用（Assimilation），通過(guò)濾食海水的有機(jī)顆粒物和浮游植物，把相當(dāng)部分的有機(jī)碳同化到其軟體組織中（Yang et al，2005）；三是生物沉積作用（Biodeposition），通過(guò)其自有的生活方式，將海水中的懸浮顆粒物以假糞便的形式輸入水體的底層，加快生物沉積過(guò)程，把部分有機(jī)碳或者無(wú)機(jī)碳封存在沉積物中（沈新強(qiáng) 等，2011）。從雙殼綱軟體動(dòng)物的碳匯途徑可以看出，加快其攝食率可以提升其固碳量。目前，已經(jīng)有許多學(xué)者研究了溫度、鹽度、pH 對(duì)于雙殼綱軟體動(dòng)物攝食率的影響。資料表明，鹽度為20，pH=8.7時(shí)，文蛤等雙殼綱軟體動(dòng)物的濾水率和攝食率最大（楊杰青 等，2016）；水溫在16～28 益時(shí)濾水率和攝食率隨溫度升高而逐漸升高，同時(shí)體積質(zhì)量與其濾水率和攝食率呈正相關(guān)關(guān)系（黃洋等，2013）。但在實(shí)際的海水中，pH 與鹽度在小范圍內(nèi)變化不大，溫度則是隨季節(jié)變化和水深變化而變化，因此，需要在雙殼綱軟體動(dòng)物濾水率和攝食率較高的夏季保證海水中浮游植物和有機(jī)顆粒物能充分滿足其需求，從而提高其固碳能力。
雙殼綱軟體動(dòng)物在死亡或被其他生物捕食后，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，其外殼會(huì)沉降到海底或隨著潮汐作用被搬運(yùn)到沙灘上，但外殼部分所固定的碳則不會(huì)很快進(jìn)入地球化學(xué)循環(huán)中。據(jù)此可推測(cè)該區(qū)域的碳儲(chǔ)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于某一時(shí)期或現(xiàn)存的雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量，主要是因?yàn)樵谠摵Ｓ虻牡撞坑兄罅康碾p殼綱軟體動(dòng)物外殼。同時(shí)，雙殼綱軟體動(dòng)物不僅可以有效地凈化水體，而且也是人們喜食的主要海產(chǎn)品，具有十分廣闊的生態(tài)環(huán)境價(jià)值和食用價(jià)值。它們一般生活在海底沉積物中，其棲埋深度一般與水體溫度有關(guān)，溫度高，棲埋淺；溫度低，棲埋深（Zhang et al，2009）。雙殼綱軟體動(dòng)物很少移動(dòng)，特別是幼苗基本不會(huì)主動(dòng)移動(dòng)，因此，對(duì)于定量估算某個(gè)海區(qū)的產(chǎn)量比較容易。同時(shí)，由于其有較強(qiáng)的固碳能力，能夠通過(guò)捕撈等方式較為直觀地“看到”其固碳量，因此，雙殼綱軟體動(dòng)物在碳匯以及碳交易中占據(jù)著一定地位。
4 展望與不確定性分析
海洋系統(tǒng)是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，其生物群落與海洋環(huán)境共同形成了地球上最大的碳匯——“藍(lán)碳”。有資料表明，藍(lán)碳的總碳匯量高達(dá)3.9 萬(wàn)億噸，占全球總碳匯量的93%，約是大氣的50 多倍，人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2中大約有30%被海洋所吸收（Chen et al，2009）。作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國(guó)，中國(guó)已經(jīng)向世界宣布要在2030 年達(dá)到CO2排放峰值，2060 年時(shí)實(shí)現(xiàn)“碳中和”。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須要充分利用我國(guó)300 多萬(wàn)平方千米的海洋國(guó)土（徐敬俊等，2018）。在海洋中，從初級(jí)生產(chǎn)者到頂級(jí)消費(fèi)者的復(fù)雜食物網(wǎng)，使得海洋中碳的遷移、轉(zhuǎn)化途徑異常復(fù)雜。但食物網(wǎng)的每一層級(jí)中都存在有較強(qiáng)固碳能力的物種。例如，德國(guó)萊布尼茨海洋學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)，大型底棲動(dòng)物棘皮動(dòng)物門中海星、海膽、蛇尾等，能夠直接從海水中吸收碳形成外骨骼，將碳封存在骨骼中，死后封存在碳骨骼中的碳會(huì)沉降到海底，脫離海洋地球碳循環(huán)，具有較強(qiáng)的碳匯作用（Giles et al，2006）。因此，碳在海洋生態(tài)系統(tǒng)的遷移轉(zhuǎn)化將成為今后的熱門研究方向，從而能夠利用特殊層級(jí)的物種有針對(duì)性地提升碳在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的固定效果。同時(shí)，建立海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳匯模型也是十分必要的。在獲得大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)考慮海洋環(huán)流、水質(zhì)、周邊環(huán)境等影響生物固碳的因素，進(jìn)而擬合碳匯模型，既可以達(dá)到自然條件下預(yù)測(cè)碳儲(chǔ)量的目的，又可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行人工干預(yù)從而獲得指定數(shù)量的碳匯。當(dāng)然，這還需要進(jìn)行大量的研究工作。
本研究在樣品采集過(guò)程中雖然嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并在專家的指導(dǎo)下進(jìn)行，但是仍存在不確定性因素。如本研究在雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量的估算中，由于監(jiān)測(cè)站位較少，且缺乏冬季與秋季的采樣結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差；另外，雖然在樣品采集時(shí)設(shè)置了平行樣品，但在分析中缺少時(shí)間上的縱向結(jié)果對(duì)比，也可能會(huì)產(chǎn)生誤差；同時(shí)，在估算模型中沒(méi)有考慮到雙殼綱軟體動(dòng)物糞便沉降所固定的碳。因此，在今后的調(diào)查研究中，應(yīng)設(shè)置更多的監(jiān)測(cè)站位，并且在季節(jié)上要有連續(xù)性，從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。
致謝：感謝昌黎黃金海岸國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處對(duì)樣品采集提供的幫助，感謝課題組同學(xué)及老師對(duì)數(shù)據(jù)處理與資料查找提供的幫助。
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楊悅，王妍，朱浩然，劉憲斌
（1.天津科技大學(xué)，天津 300457；2.天津市海洋環(huán)境保護(hù)與修復(fù)技術(shù)工程中心，天津 300457；3.天津市綠色發(fā)展決策行為分析實(shí)驗(yàn)室，天津 300457；4.海洋資源化學(xué)與食品技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457）
伴隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的加快，化石能源燃燒等人類活動(dòng)加劇，造成了全球氣候變暖等一系列難題，這主要是由于原先全球各碳庫(kù)維系的平衡受到擾動(dòng)并發(fā)生了變化。以CO2為首的主要溫室氣體濃度上升，對(duì)氣溫升高的貢獻(xiàn)率達(dá)到70%，同時(shí)也是導(dǎo)致全球變暖的主要因素（陳瀛洲等，2014）。因此，亟須控制CO2的排放量或者降低其在大氣中的含量，這個(gè)過(guò)程僅僅依靠陸地植物的光合作用和微生物的新陳代謝作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就需要開(kāi)發(fā)海洋中的“藍(lán)碳”（劉芳明等，2019）。海洋中的碳匯普遍存在于海洋生態(tài)系統(tǒng)中，是最為經(jīng)濟(jì)且污染程度幾乎為零的固碳方式，十分契合當(dāng)今的低碳發(fā)展理念（彭巨光等，2014）。海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物的固碳方式是通過(guò)光合作用將海水中溶解的無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳（何培民等，2015），濾食性雙殼綱軟體動(dòng)物通過(guò)攝食浮游植物或有機(jī)顆粒物將碳轉(zhuǎn)化為自身的軟體組織，并以鈣化的方式形成外殼部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳的固定和封存（Chauvaud et al，2003）。同時(shí)，伴隨著雙殼綱軟體動(dòng)物被捕獲，大量的碳能夠直接從海水中去除，脫離海洋碳循環(huán)，從而對(duì)海洋生物固碳產(chǎn)生重要的積極作用（于佐安等，2020）。目前對(duì)于雙殼綱軟體動(dòng)物的含碳量計(jì)算主要有兩種方式，一是測(cè)定攝食碳、排泄碳、呼吸碳和排糞碳求得生物固碳，計(jì)算公式為：生物固碳=攝食碳-排泄碳-呼吸碳-排糞碳（方磊等，2011）。二是利用儀器分別測(cè)定軟體動(dòng)物外殼與軟體組織的含碳量，進(jìn)而通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估算的方式獲得總體含碳量。Branes（2017）通過(guò)對(duì)極地海域浮游植物的每日監(jiān)測(cè)情況，根據(jù)碳通量及生物碳泵求得了底棲動(dòng)物整體的固碳量；Rueda 等（2005）基于雙殼綱軟體動(dòng)物生物固碳原理，構(gòu)建了碳分配模型，求得了在不同攝食率等條件下的固碳效率。第一種方法的計(jì)算結(jié)果雖然準(zhǔn)確，但是卻需要大量的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐，所花費(fèi)的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本較高；而第二種方法能根據(jù)對(duì)不同年齡雙殼綱軟體動(dòng)物的含碳量進(jìn)行估算，對(duì)于大面積海域或者大量樣品的估算有較大優(yōu)勢(shì)。基于第二種方法，Tang等（2011）首次估算了1999—2008 年中國(guó)海水養(yǎng)殖貝類和藻類的平均固碳量（3.76 伊106t）。此后有學(xué)者對(duì)中國(guó)沿海養(yǎng)殖貝類固碳量進(jìn)行了估算，如劉慧等（2011）研究了黃海沿岸三省的養(yǎng)殖貝類碳儲(chǔ)量；梁君等（2015）調(diào)查了東極海洋牧場(chǎng)貝類筏式養(yǎng)殖區(qū)的碳匯能力。但是，對(duì)于海洋保護(hù)區(qū)雙殼綱軟體動(dòng)物的含碳量目前還鮮有報(bào)道。
昌黎黃金海岸國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱昌黎自然保護(hù)區(qū)）位于河北省秦皇島市昌黎縣，總面積208.5 km2，其中核心區(qū)70.50 km2，緩沖區(qū)138 km2。該保護(hù)區(qū)也是國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物青島文昌魚(yú)的重要棲息地，水質(zhì)與沉積環(huán)境良好。本文基于2019 年海域生態(tài)環(huán)境調(diào)查結(jié)果，對(duì)昌黎自然保護(hù)區(qū)雙殼綱軟體動(dòng)物的含碳量進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)該保護(hù)區(qū)碳匯能力及前景進(jìn)行了初步探討，以期為提高海洋碳匯潛力、探索海洋“藍(lán)碳”遷移轉(zhuǎn)化途徑以及其他海域保護(hù)區(qū)碳儲(chǔ)量估算提供參考依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法
于2019 年春、夏兩季分別對(duì)昌黎自然保護(hù)區(qū)海域進(jìn)行兩個(gè)航次的海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，共設(shè)置14 個(gè)監(jiān)測(cè)站位（圖1）。樣品采集過(guò)程嚴(yán)格按照《海洋調(diào)查規(guī)范》 （GB/T 12763—2007）執(zhí)行。使用0.09 m2的抓斗式采泥器采集大型底棲動(dòng)物樣品，每個(gè)監(jiān)測(cè)站位采集4 個(gè)平行樣品。樣品用5%甲醛固定，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定、稱量、計(jì)數(shù)等。
圖1 昌黎自然保護(hù)區(qū)海域監(jiān)測(cè)站位示意圖
1.2. 雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量估算方法
不同種類的雙殼綱軟體動(dòng)物，其含碳量也有所不同，根據(jù)文獻(xiàn)（Hawkins et al，1985）一般采用以下方法進(jìn)行估算。
式中，CA代表雙殼綱軟體動(dòng)物總含碳量；PM代表軟體部分產(chǎn)量；RM代表軟體部分含碳率；PB代表外殼部分產(chǎn)量；RB代表外殼部分含碳率；不同物種的干濕比和軟體部分與外殼部分含碳量不同（徐海龍等，2016）。本文選取干濕比和含碳量的平均值，同時(shí)按照雙殼綱軟體動(dòng)物濕重的1/5 折算為干重（于子山等，2001），或按照已經(jīng)報(bào)道的同科的生物干濕比進(jìn)行轉(zhuǎn)換。軟體部分干重占全部濕重的4.31%，外殼干重占全部濕重的60.20%。含碳量按照軟體部分占個(gè)體總干重的42.21%～45.98%折算，外殼部分占個(gè)體總干重的11.44% ～ 12.01%折算（李昂等，2013）。
2 結(jié)果
2.1. 昌黎自然保護(hù)區(qū)海域雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量估算
在2019 年春、夏兩季的調(diào)查中共采集到雙殼綱軟體動(dòng)物9 種，屬于4 目7 科（表1），其攝食方式均為濾食性。調(diào)查結(jié)果表明，春、夏兩季平均棲息密度為23.31 依5.46 ind./m2。基于對(duì)該區(qū)域監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，2017 年和2018 年春、夏兩季雙殼綱軟體動(dòng)物平均棲息密度分為33.33 依2.02 ind./m2和25.92 依2.69 ind./m2?？梢?jiàn)該區(qū)域的雙殼綱軟體動(dòng)物棲息密度年際變化較小，維持在30 ind./m2左右。同時(shí)根據(jù)漁業(yè)資源利用與補(bǔ)充理論模式方程：當(dāng)（砸垣鄖）躍（C+M）時(shí)，資源補(bǔ)充量有剩余；當(dāng)（砸垣鄖）躍（C+M）時(shí)，資源補(bǔ)充量與捕撈和死亡持平。式中R 為補(bǔ)充群體初期生長(zhǎng)量，G 為中后期生長(zhǎng)量，C為捕撈力量，M 為自然死亡量（吳耀泉 等，1998）。由于研究區(qū)域?yàn)閲?guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，所以捕撈等人為活動(dòng)幾乎為零，因此從連續(xù)的調(diào)查結(jié)果來(lái)看，應(yīng)為資源補(bǔ)充量和死亡持平狀態(tài)，所以雙殼綱軟體動(dòng)物的年際含碳量變化可以忽略。
表1 昌黎自然保護(hù)區(qū)2019 年雙殼綱軟體動(dòng)物平均密度
依照昌黎自然保護(hù)區(qū)海域面積（208.5 km2）來(lái)估算全部區(qū)域雙殼綱軟體動(dòng)物的碳含量（表2）。結(jié)果表明，2019 年昌黎自然保護(hù)區(qū)雙殼綱軟體動(dòng)物碳含量約為391.79～414.54 t，其中蝦夷盤扇貝碳含量占比最大，為71.50%。有資料表明，雙殼綱軟體動(dòng)物每固定1 g 碳吸收的CO2量約為3.67 g（趙述華等，2019），故2019 年昌黎自然保護(hù)區(qū)海域雙殼綱軟體動(dòng)物吸收的CO2總量為1436.57 ～1520.00 t。
表2 昌黎自然保護(hù)區(qū)2019 年雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量
2.2. 昌黎自然保護(hù)區(qū)海域雙殼綱軟體動(dòng)物碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估
海洋碳匯價(jià)值可理解為“吸收、固定、儲(chǔ)存CO2的海洋生物、非生物和其他海洋活動(dòng)的總價(jià)值” （劉芳明等，2019）。按照海洋碳匯“五分類”模型，海洋碳匯總經(jīng)濟(jì)價(jià)值應(yīng)包含使用價(jià)值（直接使用價(jià)值、間接使用價(jià)值、選擇價(jià)值）和非使用價(jià)值（遺產(chǎn)價(jià)值、存在價(jià)值）。在本研究中主要考慮間接使用價(jià)值，即氣候調(diào)節(jié)價(jià)值（碳稅法與人工造林法）。
（1） 碳稅法。排放單位CO2征收的稅額作為CO2的價(jià)格，計(jì)算公式為：
Q 代表海洋生物固定CO2的物理量；r 為核算期半年內(nèi)的碳稅平均值。
（2） 人工造林法。人工造林吸收單位CO2所耗費(fèi)的成本，計(jì)算公式為：
Q 代表海洋生物固定CO2的物理量；C 代表人工造林吸收單位CO2所消耗成本。
為了使核算更加精確，取這兩種方法核算價(jià)格的平均值，作為最終海洋碳匯的氣候調(diào)節(jié)價(jià)值。
值得說(shuō)明的是，在碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值核算中還應(yīng)該考慮食用價(jià)值，即可食用海洋生物的年產(chǎn)量按照該生物市場(chǎng)批發(fā)價(jià)計(jì)算金額。但該區(qū)域?qū)儆诒Ｗo(hù)區(qū)，禁止人工捕撈活動(dòng)，所以此項(xiàng)可忽略不計(jì)。
根據(jù)表3、表4 中的數(shù)據(jù)，可以推算出2019年昌黎自然保護(hù)區(qū)雙殼綱軟體動(dòng)物實(shí)現(xiàn)的碳匯量相當(dāng)于21.80～23.07 ha 的天然林地或23.47～24.83 ha的人工林地。同時(shí)，結(jié)合2019 年碳交易價(jià)格（寸永護(hù)等，2020），按照碳稅法和人工造林法來(lái)核算2019 年該區(qū)域雙殼綱軟體動(dòng)物在氣候調(diào)節(jié)方面產(chǎn)生的碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值為146 677.6～155 179.6 元/a。
表3 2019 年全國(guó)碳排放交易試點(diǎn)成交情況
表4 天然林地與人工林地碳匯情況
3 討論
3.1 昌黎自然保護(hù)區(qū)海域與其他海域碳儲(chǔ)量比較
目前報(bào)道的軟體動(dòng)物含碳量資料主要以海水養(yǎng)殖區(qū)域的貝類為主要研究對(duì)象，且在海水養(yǎng)殖的范疇中貝類除包括雙殼綱軟體動(dòng)物外，還包括腹足綱軟體動(dòng)物，如脈紅螺（Rapana venosa）、香螺（Neptunea cumingi Crosse） 等。根據(jù)資料報(bào)道，2002年全國(guó)海水養(yǎng)殖貝類的含碳量約為8.57 伊105t（方磊等，2011）。深圳近岸海域2014—2018 年貝類產(chǎn)量均值為1800 t/a，固碳量約為477.22 t/a（趙述華等，2019）。河北省2010 年海水養(yǎng)殖的貝類總含碳量約為2.74伊104t（李昂等，2013），約是本文核算的66 倍。溫州市海水養(yǎng)殖貝類2004—2014年年均固碳為5732.57 t（柯愛(ài)英等，2016），同樣遠(yuǎn)超于本文的核算結(jié)果。其主要原因是資料中貝類均處于養(yǎng)殖區(qū)，產(chǎn)量大，且包括腹足綱軟體動(dòng)物，而昌黎自然保護(hù)區(qū)海域的主要優(yōu)勢(shì)種是青島文昌魚(yú)，雙殼綱軟體動(dòng)物棲息密度較低，且在估算中沒(méi)有包括腹足綱軟體動(dòng)物。雖然昌黎自然保護(hù)區(qū)海域周邊遍布貝類養(yǎng)殖區(qū)，但貝類移動(dòng)范圍小，且該保護(hù)區(qū)地處近岸海域，無(wú)大型環(huán)流作用，因此外部輸入的貝類規(guī)模微乎其微，因而導(dǎo)致估算結(jié)果相比其他報(bào)道較低。另外在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的幾種雙殼綱軟體動(dòng)物除中國(guó)蛤蜊、蝦夷盤扇貝外均為體積較小的物種，且中國(guó)蛤蜊與蝦夷盤扇貝均為幼體，導(dǎo)致估算含碳量時(shí)占比較小（Zhang et al，2005）。除此之外，在2017—2019 年的調(diào)查中，雙殼綱軟體動(dòng)物的平均生物量均小于50 ind./m2，也反映出該區(qū)域雙殼綱軟體動(dòng)物的存量較少（郭興然等，2019），導(dǎo)致其含碳量較低。在碳源的貢獻(xiàn)方面，硅藻是浮游植物中固碳能力較強(qiáng)的生物（孫軍，2011），且硅藻是該海域的主要優(yōu)勢(shì)種，豐度最高值可以達(dá)到1.3伊107cells/m3（孫富強(qiáng) 等，2017），有效保障了碳源的供給，也說(shuō)明了研究區(qū)域雙殼綱軟體動(dòng)物棲息密度較小是導(dǎo)致含碳量較低的主要原因。另一方面，按照生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)原理，雙殼綱浮游植物能直接獲取硅藻等浮游植物的能量，在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中獲得的碳源較多，因此在碳儲(chǔ)量方面具有優(yōu)勢(shì)。
3.2 雙殼綱軟體動(dòng)物碳匯能力提升途徑及前景
雙殼綱軟體動(dòng)物碳匯的途徑主要有三方面：一是鈣化作用（Calcification），利用海水中的碳酸氫根離子（HCO3-） 和鈣離子（Ca2+） 形成碳酸鈣（CaCO3）；二是生物同化作用（Assimilation），通過(guò)濾食海水的有機(jī)顆粒物和浮游植物，把相當(dāng)部分的有機(jī)碳同化到其軟體組織中（Yang et al，2005）；三是生物沉積作用（Biodeposition），通過(guò)其自有的生活方式，將海水中的懸浮顆粒物以假糞便的形式輸入水體的底層，加快生物沉積過(guò)程，把部分有機(jī)碳或者無(wú)機(jī)碳封存在沉積物中（沈新強(qiáng) 等，2011）。從雙殼綱軟體動(dòng)物的碳匯途徑可以看出，加快其攝食率可以提升其固碳量。目前，已經(jīng)有許多學(xué)者研究了溫度、鹽度、pH 對(duì)于雙殼綱軟體動(dòng)物攝食率的影響。資料表明，鹽度為20，pH=8.7時(shí)，文蛤等雙殼綱軟體動(dòng)物的濾水率和攝食率最大（楊杰青 等，2016）；水溫在16～28 益時(shí)濾水率和攝食率隨溫度升高而逐漸升高，同時(shí)體積質(zhì)量與其濾水率和攝食率呈正相關(guān)關(guān)系（黃洋等，2013）。但在實(shí)際的海水中，pH 與鹽度在小范圍內(nèi)變化不大，溫度則是隨季節(jié)變化和水深變化而變化，因此，需要在雙殼綱軟體動(dòng)物濾水率和攝食率較高的夏季保證海水中浮游植物和有機(jī)顆粒物能充分滿足其需求，從而提高其固碳能力。
雙殼綱軟體動(dòng)物在死亡或被其他生物捕食后，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，其外殼會(huì)沉降到海底或隨著潮汐作用被搬運(yùn)到沙灘上，但外殼部分所固定的碳則不會(huì)很快進(jìn)入地球化學(xué)循環(huán)中。據(jù)此可推測(cè)該區(qū)域的碳儲(chǔ)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于某一時(shí)期或現(xiàn)存的雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量，主要是因?yàn)樵谠摵Ｓ虻牡撞坑兄罅康碾p殼綱軟體動(dòng)物外殼。同時(shí)，雙殼綱軟體動(dòng)物不僅可以有效地凈化水體，而且也是人們喜食的主要海產(chǎn)品，具有十分廣闊的生態(tài)環(huán)境價(jià)值和食用價(jià)值。它們一般生活在海底沉積物中，其棲埋深度一般與水體溫度有關(guān)，溫度高，棲埋淺；溫度低，棲埋深（Zhang et al，2009）。雙殼綱軟體動(dòng)物很少移動(dòng)，特別是幼苗基本不會(huì)主動(dòng)移動(dòng)，因此，對(duì)于定量估算某個(gè)海區(qū)的產(chǎn)量比較容易。同時(shí)，由于其有較強(qiáng)的固碳能力，能夠通過(guò)捕撈等方式較為直觀地“看到”其固碳量，因此，雙殼綱軟體動(dòng)物在碳匯以及碳交易中占據(jù)著一定地位。
4 展望與不確定性分析
海洋系統(tǒng)是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，其生物群落與海洋環(huán)境共同形成了地球上最大的碳匯——“藍(lán)碳”。有資料表明，藍(lán)碳的總碳匯量高達(dá)3.9 萬(wàn)億噸，占全球總碳匯量的93%，約是大氣的50 多倍，人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2中大約有30%被海洋所吸收（Chen et al，2009）。作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國(guó)，中國(guó)已經(jīng)向世界宣布要在2030 年達(dá)到CO2排放峰值，2060 年時(shí)實(shí)現(xiàn)“碳中和”。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須要充分利用我國(guó)300 多萬(wàn)平方千米的海洋國(guó)土（徐敬俊等，2018）。在海洋中，從初級(jí)生產(chǎn)者到頂級(jí)消費(fèi)者的復(fù)雜食物網(wǎng)，使得海洋中碳的遷移、轉(zhuǎn)化途徑異常復(fù)雜。但食物網(wǎng)的每一層級(jí)中都存在有較強(qiáng)固碳能力的物種。例如，德國(guó)萊布尼茨海洋學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)，大型底棲動(dòng)物棘皮動(dòng)物門中海星、海膽、蛇尾等，能夠直接從海水中吸收碳形成外骨骼，將碳封存在骨骼中，死后封存在碳骨骼中的碳會(huì)沉降到海底，脫離海洋地球碳循環(huán)，具有較強(qiáng)的碳匯作用（Giles et al，2006）。因此，碳在海洋生態(tài)系統(tǒng)的遷移轉(zhuǎn)化將成為今后的熱門研究方向，從而能夠利用特殊層級(jí)的物種有針對(duì)性地提升碳在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的固定效果。同時(shí)，建立海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳匯模型也是十分必要的。在獲得大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)考慮海洋環(huán)流、水質(zhì)、周邊環(huán)境等影響生物固碳的因素，進(jìn)而擬合碳匯模型，既可以達(dá)到自然條件下預(yù)測(cè)碳儲(chǔ)量的目的，又可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行人工干預(yù)從而獲得指定數(shù)量的碳匯。當(dāng)然，這還需要進(jìn)行大量的研究工作。
本研究在樣品采集過(guò)程中雖然嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并在專家的指導(dǎo)下進(jìn)行，但是仍存在不確定性因素。如本研究在雙殼綱軟體動(dòng)物含碳量的估算中，由于監(jiān)測(cè)站位較少，且缺乏冬季與秋季的采樣結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差；另外，雖然在樣品采集時(shí)設(shè)置了平行樣品，但在分析中缺少時(shí)間上的縱向結(jié)果對(duì)比，也可能會(huì)產(chǎn)生誤差；同時(shí)，在估算模型中沒(méi)有考慮到雙殼綱軟體動(dòng)物糞便沉降所固定的碳。因此，在今后的調(diào)查研究中，應(yīng)設(shè)置更多的監(jiān)測(cè)站位，并且在季節(jié)上要有連續(xù)性，從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。
致謝：感謝昌黎黃金海岸國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處對(duì)樣品采集提供的幫助，感謝課題組同學(xué)及老師對(duì)數(shù)據(jù)處理與資料查找提供的幫助。
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