沈宏琛劉紀(jì)化

(1.山東大學(xué)海洋研究院 青島 266237;2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海) 珠海 519000)

0 引言

中國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家,應(yīng)對(duì)氣候變化相關(guān)問(wèn)題成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。依托中國(guó)科技優(yōu)勢(shì)和資源稟賦,努力探求“增匯”與“減排”齊驅(qū)并進(jìn),大力推動(dòng)綠色低碳循環(huán)發(fā)展,將對(duì)雙碳目標(biāo)形成重要支撐。海洋作為地球上最大的碳庫(kù),儲(chǔ)碳量約為39 000億t,是大氣碳庫(kù)的50倍、陸地碳庫(kù)的10倍,增匯潛力巨大[1]。因此,在梳理現(xiàn)有碳匯過(guò)程機(jī)制的基礎(chǔ)上,探尋和發(fā)展海洋增匯新技術(shù),提升海洋生態(tài)系統(tǒng)綜合碳匯能力,將為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供新思路。

海洋碳匯,也稱藍(lán)碳(blue carbon),是指海洋吸收大氣中的CO2,并將其固定在海洋中的過(guò)程、活動(dòng)和機(jī)制[2]。中國(guó)是海洋大國(guó),有包括渤海、黃海、東海、南海在內(nèi)的四大海域,主張管轄海域面積300萬(wàn)km2余,大陸海岸線長(zhǎng)達(dá)1.8萬(wàn)km[3]。我國(guó)海洋生態(tài)系統(tǒng)類型豐富,同時(shí)擁有紅樹林、濱海鹽沼和海草床3種典型海岸帶藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)。值得指出的是,在資源方面,中國(guó)一直是全球最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國(guó);在海洋碳匯過(guò)程和機(jī)制研究方面,中國(guó)科學(xué)家提出的微型生物碳泵理論揭開了海洋中惰性溶解有機(jī)碳來(lái)源的世紀(jì)之謎。

目前,國(guó)際上針對(duì)海洋碳匯研究較多的是海岸帶藍(lán)碳,包括鹽沼濕地、紅樹林以及海草床等海洋生態(tài)系統(tǒng),但因其面積有限,形成的碳匯總量不高[4]。海水養(yǎng)殖作為中國(guó)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì),面積廣闊且資源豐富。利用海水養(yǎng)殖環(huán)境,研發(fā)國(guó)際認(rèn)可的海洋碳匯模式,對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本研究從海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯入手,針對(duì)近海海水養(yǎng)殖現(xiàn)狀、碳匯機(jī)制及研究狀況進(jìn)行概述,闡述了養(yǎng)殖環(huán)境中包括養(yǎng)殖生物體碳匯、微型生物介導(dǎo)的水體碳匯和沉積物碳匯等主要碳匯資源的形成過(guò)程與相互關(guān)系,對(duì)各類機(jī)制耦合增匯研究的必要性提出展望。

1 海洋儲(chǔ)碳機(jī)制

海洋儲(chǔ)碳機(jī)制主要包括溶解度泵(Solubility Pump,SP)、碳酸鹽泵(Carbonate Pump,CP)、生物碳泵(Biological Carbon Pump,BP)和微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)[5]。溶解度泵受海水中CO2的化學(xué)平衡和物理運(yùn)輸控制,易受海洋環(huán)流的影響,在北大西洋、南大洋及南極等高緯度海洋中發(fā)揮著重要作用。碳酸鹽泵受海水中CO2的平衡體系控制,在碳酸鹽沉積過(guò)程中,由于碳酸鹽泵會(huì)釋放等量的CO2,也被稱為“碳酸鹽反泵”[6]。其中,兩種密切相關(guān)的生物儲(chǔ)碳機(jī)制BP和MCP有著截然不同的生物地球化學(xué)機(jī)制。BP依賴于浮游植物的一系列生物過(guò)程將顆粒有機(jī)碳(Particulate organic carbon,POC)從海表輸送到深海沉積,其通量隨著深度的增加而急劇減少[7]。MCP不依賴于POC沉降,因此與水深無(wú)關(guān),它通過(guò)微型生物的代謝活動(dòng),將活性有機(jī)碳(Labile dissolved organic carbon,LDOC)轉(zhuǎn)化為惰性有機(jī)碳(Refractory dissolved organic carbon,RDOC),并可以在海水中儲(chǔ)存長(zhǎng)達(dá)4000~6000年,被稱為海洋中“巨大碳庫(kù)的幕后推手”[8-9]。2019年,聯(lián)合國(guó)氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)將海洋碳匯納入《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報(bào)告》,“微型生物碳泵”理論和海水養(yǎng)殖區(qū)人工上升流等增匯路徑同被納入其中[4]。

2 國(guó)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)況

我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖歷史悠久,早在4000多年前就有魚類養(yǎng)殖的記載[10]。但一直以來(lái),水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)并不作為重要的食物供應(yīng)產(chǎn)業(yè)。直到20世紀(jì)90年代,人們逐漸意識(shí)到魚類等作為便宜優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)來(lái)源比紅肉更有利于健康,世界海產(chǎn)品消費(fèi)量才大幅上升[11]。2018年全球水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量達(dá)到8 210萬(wàn)t,其中78.66%來(lái)自中國(guó)[12]。

中國(guó)作為世界最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)國(guó),漁業(yè)資源十分豐富,主要養(yǎng)殖生物是不需投餌的大型藻類及濾食性貝類,占我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量的85%以上,具有營(yíng)養(yǎng)級(jí)低、養(yǎng)殖規(guī)模大、種類多、多樣性高、產(chǎn)量高和生態(tài)效率高等特點(diǎn)[12]。豐富的海洋漁業(yè)資源和穩(wěn)定的養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)在保障國(guó)家食品安全,多元化居民膳食營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu),增加漁民收入的同時(shí),也為減排增匯提供了新思路。2010年,唐啟升等[13]率先提出“漁業(yè)碳匯”的概念,旨在通過(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。近年來(lái),面對(duì)全球氣候變化與世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新挑戰(zhàn),我國(guó)不斷探索將海洋碳匯與水產(chǎn)養(yǎng)殖相結(jié)合的新發(fā)展途徑,充分挖掘養(yǎng)殖環(huán)境碳匯潛力。

3 養(yǎng)殖環(huán)境碳匯機(jī)制

基于國(guó)內(nèi)廣闊的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境,充分利用漁業(yè)資源,大力發(fā)展養(yǎng)殖環(huán)境碳匯,對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)有著重要意義。隨著對(duì)海水養(yǎng)殖區(qū)碳循環(huán)的深入研究,對(duì)于養(yǎng)殖環(huán)境碳匯途徑有了更加全面的認(rèn)識(shí),主要包括:隨著貝藻等養(yǎng)殖生物收獲從海水中移除的碳;在海洋微型生物作用下參與形成的水體溶解有機(jī)碳(Dissolved organic carbon,DOC)、顆粒有機(jī)碳(Particulate organic carbon,POC)、惰性溶解有機(jī)碳(Refractory dissolved organic carbon,RDOC)和沉積物有機(jī)碳(Sedimentary organic carbon,SOC)(圖1)。由于水體和沉積碳匯機(jī)制復(fù)雜,影響因素較多,研究難度較大,通常會(huì)在計(jì)量海洋碳匯過(guò)程中被疏漏。隨著海洋碳匯研究的不斷深入,越來(lái)越多的專家學(xué)者揭示這部分遺漏的碳匯占據(jù)了相當(dāng)高的比例。紀(jì)建悅等[14]運(yùn)用物質(zhì)量評(píng)估法估算出我國(guó)海水養(yǎng)殖生物體的年均碳匯能力超過(guò)100萬(wàn)t,且呈不斷上升趨勢(shì)。權(quán)偉等[15]研究表明,1999—2012年我國(guó)近海大規(guī)模栽培的大型海藻年均固碳量逐年遞增,約為41.85萬(wàn)t/a。因此,系統(tǒng)揭示近海養(yǎng)殖環(huán)境碳循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程與機(jī)制,建立合理的養(yǎng)殖區(qū)碳匯評(píng)估方法和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),完善養(yǎng)殖增匯模式,是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和近海養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的雙贏途徑。

圖1 微型生物介導(dǎo)的大型藻類養(yǎng)殖環(huán)境碳匯機(jī)制

3.1 大型藻類養(yǎng)殖環(huán)境的碳匯機(jī)制

大型藻類和濾食性貝類是我國(guó)海水養(yǎng)殖的主要物種。長(zhǎng)期以來(lái),大型海藻栽培產(chǎn)量和面積穩(wěn)居世界首位,鮮重產(chǎn)量達(dá)到1 700萬(wàn)t,已記錄種類超過(guò)1 200種,規(guī)模巨大[16]。

生物體大型海藻作為高效固碳生物,通過(guò)光合作用可將海水中的CO2和溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)轉(zhuǎn)化為溶解有機(jī)碳(DOC)和顆粒有機(jī)碳(POC),再通過(guò)生物泵(BP)和微型生物碳泵(MCP)等機(jī)制發(fā)揮碳匯功能[17-18];同時(shí),藻類在養(yǎng)殖過(guò)程中吸收溶解在海水中的硝酸鹽和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使得海水堿度不斷提高,降低海水中CO2分壓,進(jìn)而促進(jìn)海水對(duì)空氣中CO2的吸收,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)海洋負(fù)排放[19-20];另外,藻類養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)物碎屑可通過(guò)沉降作用形成海底沉積或輸送至深海。全球范圍內(nèi),大型藻類通過(guò)沉積作用和海底峽谷濁流輸送到深海的碳匯量約為17.3億t,占海藻產(chǎn)量的11.4%,是沉積碳匯和深海固碳的重要來(lái)源[21-22]。

值得指出的是,通過(guò)合理比例的貝藻綜合養(yǎng)殖體系,如多營(yíng)養(yǎng)層次綜合水產(chǎn)養(yǎng)殖法(Integrated Multi-Trophic Aquaculture,IMTA),即在同一養(yǎng)殖空間內(nèi)共同養(yǎng)殖多種不同營(yíng)養(yǎng)水平的物種,充分利用生物間的協(xié)同互利關(guān)系,實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán),能夠在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)提升經(jīng)濟(jì)收益[23]。藻類可吸收貝類釋放的CO2及氮、磷等生源要素;而貝類可吸收藻類產(chǎn)生的碎屑顆粒有機(jī)碳(POC),貝藻間相互促進(jìn),進(jìn)一步增強(qiáng)了養(yǎng)殖系統(tǒng)的碳匯功能[24]。

3.2 微型生物介導(dǎo)的養(yǎng)殖水體碳匯機(jī)制

海洋微型生物指?jìng)€(gè)體小于20μm的微型浮游生物和小于2μm的超微型浮游生物,包括各類自養(yǎng)、異養(yǎng)的真核和原核單細(xì)胞生物等[25]。微型生物作為海洋元素循環(huán)和能量流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)者和承擔(dān)者,盡管體積小,但是豐度大、分布廣。據(jù)估算,其總量占海洋中現(xiàn)存生物量的比例高達(dá)90%[26],并貢獻(xiàn)全球海洋總初級(jí)生產(chǎn)力的60%以上[27]。

海洋微型生物在養(yǎng)殖水體碳匯中的作用不容忽視,其與養(yǎng)殖貝類和藻類生長(zhǎng)代謝關(guān)系密切。海水養(yǎng)殖過(guò)程中會(huì)有大量DOC和POC釋放到海水當(dāng)中。研究表明,近海漁業(yè)養(yǎng)殖水體中有機(jī)質(zhì)的含量顯著高于自然水體,其在養(yǎng)殖環(huán)境的能量代謝和物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[28]。

一部分有機(jī)碳可以通過(guò)浮游植物光合作用或微生物細(xì)胞代謝等快速利用合成為自身生源物質(zhì),并通過(guò)微食物環(huán)和食物鏈向更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞,成為魚蝦貝類等的天然餌料,最終成為可移出碳匯的一部分;另一部分未被利用的POC(包括微型生物、藻類及魚蝦貝類死亡殘?bào)w、碎屑等)可沉降到海底,構(gòu)成養(yǎng)殖環(huán)境沉積碳庫(kù)的重要組成部分。如,在海藻養(yǎng)殖過(guò)程中,通過(guò)細(xì)菌攝取可將一半以上的生物可利用DOC輸出至養(yǎng)殖區(qū)以外,理論上能夠擴(kuò)展支持更長(zhǎng)的食物鏈[29];同時(shí),微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)鹽和微量元素還會(huì)促進(jìn)大型藻類的生長(zhǎng)以及光合固碳作用。此外,海水養(yǎng)殖過(guò)程中釋放的大量活性有機(jī)碳在微生物作用下通過(guò)MCP機(jī)制轉(zhuǎn)化產(chǎn)生具有較強(qiáng)生物惰性的RDOC,可在海水中長(zhǎng)久儲(chǔ)存,構(gòu)成養(yǎng)殖碳匯中穩(wěn)定的惰性溶解碳庫(kù)[30-31]。據(jù)初步估算,在養(yǎng)殖海藻碳匯中,MCP驅(qū)動(dòng)形成的RDOC與海藻可移出的碳匯量相當(dāng),超過(guò)60萬(wàn)t/a[24]。因此,微型生物生長(zhǎng)代謝驅(qū)動(dòng)不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)和不同區(qū)域的物質(zhì)代謝與能量循環(huán)中,貫穿整個(gè)養(yǎng)殖環(huán)境碳匯體系,是養(yǎng)殖環(huán)境碳匯庫(kù)的重要貢獻(xiàn)者。

3.3 養(yǎng)殖環(huán)境中的沉積碳匯機(jī)制

隨著養(yǎng)殖環(huán)境碳匯研究的逐漸深入,越來(lái)越多的專家學(xué)者認(rèn)識(shí)到沉積物碳匯也是其中的重要部分,貝藻的生物沉積為養(yǎng)殖區(qū)碳埋藏貢獻(xiàn)巨大。Yang等[32]對(duì)我國(guó)典型海水養(yǎng)殖區(qū)——桑溝灣海水養(yǎng)殖區(qū)近150年來(lái)沉積物的碳埋藏通量變化趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估,發(fā)現(xiàn)自1980年大規(guī)模養(yǎng)殖以來(lái),海洋有機(jī)碳(marine organic carbon,OCM)埋藏通量大幅增加,達(dá)到了大規(guī)模養(yǎng)殖之前的16.0~16.5倍;桑溝灣養(yǎng)殖海域每年可新增沉積物厚度約0.6~2.1 cm,每畝*養(yǎng)殖海域的沉積物碳匯約為170 kg/a,約為鄰近黃海中部非養(yǎng)殖區(qū)的7倍。Sui等[33]對(duì)桑溝灣不同養(yǎng)殖環(huán)境和季節(jié)表層沉積物的組成和分布進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)貝類單一養(yǎng)殖區(qū)和貝類-海帶混養(yǎng)區(qū)的沉積物總有機(jī)碳(TOC)和總有機(jī)氮(TN)含量高于其他海水養(yǎng)殖區(qū),這可能與顆粒大小組成和海水養(yǎng)殖品種有關(guān);另外,桑溝灣表層沉積物以海水養(yǎng)殖來(lái)源的有機(jī)碳為主,占總有機(jī)碳的60.4%。Pan等[34]選取中國(guó)愛(ài)蓮灣海水養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行沉積物研究,結(jié)果表明海水養(yǎng)殖活動(dòng)顯著影響沉積物有機(jī)碳(Sedimentary organic carbon,SOC)的來(lái)源、分布和保存,表層沉積物以海洋源性有機(jī)碳為主,有機(jī)碳主要來(lái)源于貝藻生物沉積。

因此,海水養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)碳沉積影響巨大,通過(guò)對(duì)海水養(yǎng)殖區(qū)SOC的沉積和埋藏通量進(jìn)一步研究,可以量化水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)近海碳循環(huán)的影響。

4 總結(jié)

中國(guó)在海洋碳匯理論研究領(lǐng)域占據(jù)國(guó)際前沿,水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境增匯潛力巨大,系統(tǒng)開發(fā)養(yǎng)殖環(huán)境的水體碳匯和沉積碳匯,對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要支撐作用。目前,對(duì)于主要養(yǎng)殖生物的碳匯功能已有較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),也對(duì)其碳匯量進(jìn)行了一系列評(píng)估[35-38]。但是,對(duì)于容易被忽視的“看不見、摸不到”的碳匯途徑研究較少,包括在養(yǎng)殖生物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的由微型生物介導(dǎo)的MCP碳匯機(jī)制、生物沉積碳匯機(jī)制等。因此,在未來(lái)的研究中,系統(tǒng)探索海水養(yǎng)殖過(guò)程中的固碳/儲(chǔ)碳機(jī)制,查明各途徑的耦合關(guān)系及增匯機(jī)理,建立科學(xué)統(tǒng)一的碳匯量評(píng)估方法,形成可持續(xù)發(fā)展的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式,是推動(dòng)養(yǎng)殖環(huán)境碳匯發(fā)展,開拓海洋藍(lán)碳途徑,加快實(shí)現(xiàn)海洋支撐“雙碳”目標(biāo)的可行之路。