中国近海贝藻类养殖碳汇现状

碳汇/  贝藻养殖

图1.南麂岛贝藻养殖基地（图源百度）

近些年来，由于温室气体排放引起的全球气候变化是当今人类社会可持续发展的最严峻的挑战。中国是二氧化碳（CO2）的排放大国，积极应对气候变化、碳减排增汇已经成为实现“碳中和”的主要渠道之一。人类活动产生的CO2约有30%被海洋吸收，海洋是全球碳循环系统重要的“碳汇”，其中，近海生态系统仅占全球海洋面积的7%~8%，但却贡献了全球25%以上的初级生产力，吸收了相当于开阔大洋的20%以上的CO2，有机碳埋藏占整个海洋碳埋藏量的90%，至少有50%的颗粒碳无机碳沉积，特别是近海海洋环境受人文活动影响严重，因此其在全球碳循环中的作用不容小觑。

全球每年通过光合作用捕获的碳即“绿碳”中，有55%被海洋生态系统捕获，这部分碳汇被称为“蓝色碳汇”（简称为蓝碳），蓝碳在沿海海洋生态系统降低大气CO2水平方面发挥了重要作用。我国开展海洋蓝碳增汇技术研发具有十分广阔的前景。中国在蓝碳的研究和应用起步较晚，早期认识到的是全球沿海红树林、盐沼和海草床等生境中的植被被认为是重要的海岸带蓝色碳汇。2008年以来，焦念志等提出了“海洋微型生物碳泵（Microbial Carbon Pump, MCP）”概念让国内外同行对海洋碳汇机制有了更加深入的认识。美国Science杂志评论MCP为“巨大碳库的幕后推手”，自此，更多研究关注于以往被忽略的看不见的微型生物（粒径小于20µm，主要包括浮游植物、细菌、古菌、病毒、大部分的原生动物），其占海洋生物量的90%以上，是蓝碳的主要组分。

淡水和海洋生态系统中的渔业碳汇也被称为“可产业化的蓝碳”和“可移出的碳汇”。中国是世界上海水养殖规模最大的国家，实施生物固碳/储碳战略，大力发展碳汇渔业，在应对气候变化，发展低碳经济中具有重要作用。2010年，唐启升等率先提出“渔业碳汇”的概念，目的在于通过贝藻养殖、捕捞渔业和海洋牧场等渔业生产活动促进水生生物吸收水体中的CO2，并通过收获把这些已经转化为生物产品的碳移出水体的过程和机制，这种属于可移出的碳汇。随着近些年来，研究不断深入，对碳汇渔业有了更加深入的认识。从可移出的碳汇的研究，到微生物驱动形成的海水溶解有机碳库、惰性溶解有机碳库以及碳的沉积等都是渔业碳汇的重要组成部分。对海水养殖的固碳过程以及储碳机制是科学研究面临的首要任务。

海洋固碳关键过程和储碳机制

海洋吸收大气中CO2的已知机制主要包括“溶解度泵”、“碳酸盐泵”和“生物驱动的碳泵”。溶解度泵的原理在于CO2在海水中化学平衡以及物理输运。尤其是低温和高盐造成的高密度海水在重力作用下携带通过海气交换所吸收的CO2输入到深海，进入千年尺度的碳循环，构成了海洋储碳。碳酸盐泵主要基于海水CO2体系平衡和碳酸盐析出及沉降，碳酸盐析出会放出等当量的CO2，只有碳酸盐沉积才能构成储碳。由于溶解度泵和碳酸盐泵主要受自然过程影响，通过人为调控实现增汇的空间非常有限。“生物驱动中碳泵”目前已知的两种重要的生物储碳机制分别为生物泵（biological carbon pump，BP）和MCP。BP和MCP概念互补，涵盖了“沉降”和“非沉降”过程，形成了关于海洋储碳的生物学机制较全面系统的理论。

BP是基于浮游植物初级生产、消费、传递、沉降和分解等一系列生物学过程构成的颗粒有机碳（POC）从表层向深层的转移和储存过程。生物固碳速率除受控于初级生产力水平外，还主要取决于生源颗粒物向真光层之外的传输，即海洋生物泵的强度和效率。一种生物泵为以真核微藻和蓝细菌等光合自养的浮游植物进行光合固碳形成有机物质，另一种为以POC形式输入到海水深层。大多数输入的有机物质在海水次表层被矿化为无机碳，只有一小部分被埋藏到沉积物中，这就是有机碳泵（海洋生物碳汇）。生物泵与海气CO2分压差驱动海水吸收CO2、初级生产者固定CO2生产有机碳与碳酸盐体系相互制约。特别是钙质浮游植物颗石藻等外壳碳酸钙的沉降增加海水表层稳态CO2浓度从而促进CO2向大气释放，这就是“碳酸盐泵”（海洋生物碳源）。

海洋中DOC碳库比POC碳库大得多，占海洋总有机碳库的90%以上。按照生物可利用性可将DOC分为三类：很容易被降解的活性DOC（LDOC）、可被缓慢降解的半活性DOC（SLDOC），以及难以被生物降解的惰性DOC（RDOC）。MCP是一种不依赖于颗粒碳沉降的储碳机制，通过微型生物新陈代谢活动将LDOC转化为RDOC，以溶解态的形式长久地将碳封存于海洋中，RDOC在海水中储存可以长达4000~6000年。与经典的BP依赖于POC的沉降这种机制不同，基于RDOC的泵不依赖于沉降过程，为非沉降型生物泵，其涵盖了细菌、古菌和病毒等微型生物类群的生态过程。MCP理论指出：固碳不等同于储碳，初级生产力高不等于储碳量多，特别是在河口区及浮游植物大量繁殖的富营养海区，初级生产力量值很高，但所形成的有机碳主要是LDOC，对储碳的贡献较小。

中国近海贝藻类海水养殖和碳汇现状

中国是渔业养殖大国，中国水产养殖产量呈逐年上升的趋势（图2），1991~2019年中国渔业养殖总产量占世界总产量的62%（51%~69%）。2021年，全国海水养殖面积达2.03×104 km2，海水养殖产量约2.21×107 t，同比增长3.55%。中国海水养殖种类以贝、藻类为主，2021年中国贝、藻类养殖总产量为1.80×107 t，2003~2021年中国贝、藻类养殖总产量总体呈现逐年上升的趋势，并占中国海水养殖总产量的85%（81%~90%）（图2）。海水养殖中养殖方式、养殖密度、养殖规模、使用的饵料性质及成分、投饵量及饵料利用率等都会影响近岸海域的碳循环和收支。海水养殖活动固碳主要有可移出碳、留存在海水中的碳和埋藏在沉积物中的碳等形式存在，其中：可移出碳为固定在海洋养殖动植物体内，可从海水中收获移出的碳；留存在海水中的碳以颗粒有机碳和可溶性有机碳等形式存在；埋藏在沉积物中的碳主要为未被利用的颗粒有机碳（包括微生物或藻类残体、碎屑、鱼虾贝死亡后的尸体等）沉降到沉积物。

图2 1980年~2021年中国海水养殖总产量及贝藻类产量

国内外学者研究表明，贝、藻类被认为是渔业碳汇中最重要的养殖物种。大型藻类可以通过光合作用吸收海水中的溶解无机碳和CO2转化成有机碳，并可以吸收海水中的营养物质，提高海水的碱度，降低海水中CO2分压，促进海水吸收CO2，实现海洋碳汇功能。贝类通过摄食活动去除海水中的颗粒有机碳，并形成以碳酸钙为主要成分的贝壳，同样也在海洋碳循环方面发挥着重要作用。目前对海水养殖碳汇潜力的测算和评估主要侧重于贝藻的可移出碳汇，而忽略了除了可移出碳汇以外，养殖活动中微生物作用下驱动形成的海水溶解有机碳库、惰性溶解有机碳库以及碳的沉积等都是海洋碳汇的重要部分。

根据《中国渔业统计年鉴》所统计的中国人工大型经济海藻和贝类产量数据，并利用参考文献的估算结果并根据估算方法对贝、藻类产生的碳汇进行估算， 2003年~2021年我国大型藻类年碳汇量为8.0万~15.6万t，贝类年碳汇量为76万~114万t，19年间贝藻类总碳汇量为1967万t，且呈现出逐年上升的趋势（图3）。如果被吸收的碳全部从大气中获得，则中国仅贝藻类养殖每年就可多从大气中吸收约100万t以上的碳；如果我国贝海藻养殖产量每年按现有速度增加，那么贝藻类养殖将对增加大气CO2的汇具有重要意义。2008~2015年我国各沿海省份（不包括台湾和港澳地区）贝藻类碳汇总量表现出山东省最高，其次是福建省和辽宁省，各沿海省份贝类碳汇量趋势与贝藻类碳汇总量一致，藻类碳汇量为福建省最高，其次是山东省和辽宁省；广西省和河北省的碳汇转化比最高；同时我国四个海域海水养殖业碳汇总量为黄海>东海>渤海、南海，但南海的碳汇转化比最高。

图3 1980年~2021年中国海水养殖总产量及贝藻类产量及碳汇量

存在的争议问题

（1）贝类养殖是否可以被视为碳汇存在争议。最早提出贝类养殖碳汇的观点认为：在贝类养殖过程中，CO2从大气单向流向海洋，转化成溶解无机碳（DIC），并以固体CaCO3形式形成了贝类贝壳，通过这种方式将CO2进行长期封存，通过收集贝类又可以从海水中去除DIC和有机碳。而后有研究建议将贝壳固碳公式进行修正，贝类吸收海水中的碳酸氢根（HCO3-）形成CaCO3（贝类贝壳成分），其方程为：Ca2++2 HCO3-=CaCO3+CO2+H2O，在这个过程中形成1 mol的CaCO3，会同时释放1 mol的CO2，但会吸收2 mol的HCO3-，因此，贝壳的形成相当于从海水中不稳定的无机碳库中去除1 mol的碳，将其转化为稳定的碳。在这种情况下，贝类既是碳汇，也是大气中CO2的来源。释放的CO2基本上与从大气中捕获的CO2具有相同的效果。部分学者认为贝类养殖是CO2的来源，因为通过钙化和分解代谢机制释放的碳量比贝壳中的碳量要大。仅从个体的角度来看，双壳类生物是CO2的净来源是有道理的，但却忽略了贝类养殖的生态系统功能。贝类养殖对浮游植物种群、悬浮颗粒有机碳和DIC都会产生作用并影响海洋中的碳循环。贝类养殖的整个生命周期中，贝类通过过滤水中的颗粒有机碳来促进贝类软组织的生长，贝类软组织形成过程中会发生碳排放量。贝类的呼吸作用、贝壳形成都会产生CO2，贝类的粪便和伪粪便沉积物的沉积可以加速碳的垂直运输，促进沉积碳库的形成，贝类的贝壳可以固定碳，贝类的软组织收获后的处理方式也可以从某种程度减少其碳排放。沿海地区海水贝类养殖对海洋碳收支具有重要的影响，贝类养殖具有能源投入低、成本低、技术可行等特点，可能是捕获和去除海洋中碳的有效方法。长期以来，一直有大量的研究对贝类养殖的固碳功能和碳足迹进行研究。

（2）近海的大型海藻养殖的碳汇功能一直存在争议。大型养殖海藻一般都属于一年生的海藻。联合国并未将一年生的植物列入碳汇清单。在传统意义上认为的养殖海藻的蓝碳主要是指收获的藻类生物量或“可移出的碳”的部分，主要争议点是这部分可移出碳的储存周期问题。实际上对于养殖藻类可移出碳而言，所收获藻类的不同处理或加工方式对可移出碳的储存周期具有重要影响。若用于食用，会很快重新转化为CO2释放到大气，无法构成长时间尺度上的碳汇。但若用于生产燃料，则可一定程度上减少化石燃料燃烧引起的碳排放，是另一种形式的“减排”。


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来源：水产设施养殖与装备工程研究中心