Nature Communications文献全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-11693-w

文章导读

蓝碳(Blue Carbon, BC)这一术语是十年前首次提出的，用于描述沿海有植被的生态系统在全球碳储存中的不成比例的贡献。如今，蓝碳(BC)在气候变化减缓和适应中的作用已经受到国际关注。为了帮助确定未来研究的重点，本文汇集了该领域的领先专家，达成了蓝碳科学领域前十个待解决问题的共识。了解气候变化如何影响蓝碳生态系统中的碳积累以及在其恢复过程中的情况成为了重点问题。有争议的问题包括碳酸盐和大型藻类在蓝碳循环中的作用，以及在受干扰的蓝碳生态系统中温室气体释放的程度。全球科学家们正致力于寻求提高蓝碳生态系统的范围精确度；确定蓝碳来源的技术；理解影响蓝碳生态系统中碳封存的因素，以及蓝碳的相应价值；以及有效提高这一价值的管理行动。总的来说，这一概述为未来几十年蓝碳科学研究提供了全面的路线图。

蓝碳的概念与来源

蓝碳（BC）是指海洋和沿海生态系统，特别是有植被的沿海生态系统，如海草床、潮汐湿地和红树林所捕获和储存的有机碳。BC引起了全球关注，因为它有望减轻气候变化，同时实现沿海保护和渔业增强等多重好处。除科学界外，保护和私营部门组织、政府以及致力于海洋保护和气候变化减缓与适应的政府间组织等各方对BC也表现出浓厚兴趣。这些努力激励了科学界，推动他们填补知识空白，解决不确定性，为政策和管理行动提供必要信息。

BC的概念最初是一个比喻，旨在强调沿海生态系统与陆地森林一样，对有机碳封存有显著贡献。这个比喻演变为通过保护和恢复有植被的沿海生态系统来减轻和适应气候变化的战略。虽然BC科学已经成为一种范式，但仍然存在一些争议，例如碳酸盐生产在BC中的角色和海藻是否贡献于BC等问题。因此，提出了开放性讨论，以重新聚焦研究议程，协调新观点与批评，并将这些发现整合到更强大的科学框架中。这将满足对有植被的沿海生态系统在气候变化减缓和适应中角色的紧迫需求。

因此，有必要建立一个全面的BC科学研究计划，以解决当前的研究空白，同时继续满足即时的政策和管理需求。这个研究计划可以根据新知识制定政策方向，从而在制定管理议程而不仅仅是回应它方面发挥作用。为了实现这一目标，我们通过广泛协作，由蓝碳科学领域的领先研究学者提供了关键问题和挑战的清单。我们通过三个主要步骤来实现这一目标，首先总结了BC科学的基本元素，然后通过科学界的调查确定了关键科学问题，最后将这些问题整合到共同主题中，以制定研究目标和议程，并提供如何将这些问题最好地表达为新的研究议程的指导。这将有助于巩固BC科学的进展并为当前辩论提供信息。

研究结果与讨论

蓝碳科学领域的10大科学问题：

Q1. 气候变化如何影响蓝碳生态系统及其在恢复过程中的碳积累？

气候变化对BC生态系统的影响受多种因素制约，包括海平面上升、海洋热浪、CO2升高、淡水可用性的改变、强烈的风暴等。这些因素的频率和强度因地区而异，导致地理差异较大。

具体来说，海平面上升对BC生态系统是一个主要影响因素。它可能导致碳排放的增加，增加沉积物和碳库的垂直积聚，并可能导致生态系统的损失和面积的变化。地理位置对气候变化的响应产生了很大的差异。不同地区的海平面上升和地面沉降速率不同，气候变化的影响也各不相同。不同BC生态系统之间的相互作用也影响了它们对气候变化的响应。邻近生态系统的退化或变化可能会影响BC生态系统的稳定性和碳储量。此外，沿海地区的人类活动，如水质恶化、筑坝、河流改变等，也可能影响BC生态系统的敏感性和响应。

Q2. 干扰如何影响蓝碳的埋藏？

此问题探讨了人为干扰对蓝碳生产和储存的影响。目前，人们越来越关注干扰对BC的生产和储存的影响。BC研究人员正在解决三个关键问题：(1) 干扰对土壤剖面深度的传播程度，(2) 受干扰系统中碳以CO2形式损失的比例，(3) 干扰的持续时间。

首次的全球估算中估计了BC生态系统受人为干扰造成的CO2年排放量为0.45 Pg CO2。然而，这些估计仍依赖于广义假设，需要更多的具体研究以提供更准确的数据。此外，人为干扰的类型和持续时间是影响BC再矿化的重要因素。不同类型的干扰，如土壤扰动和栖息地改变，可能对BC储存产生不同的影响。目前已经初步了解到自然和人为干扰如何改变BC的化学成分和相关的微生物组合，从而影响碳分解过程。这对于建立排放因子模型至关重要。未来的研究还需要更明确地关注气候变化和人为干扰之间的相互作用，以更好地理解BC系统的响应

Q3. 作为蓝碳汇/捐助者，大型藻类（包括钙化藻类）的全球重要性是什么？

此问题关注大型藻类在蓝碳生态系统中的作用。大型藻类是全球最大的沿海植被生态系统，具有高生产力。但它们通常没有被充分纳入BC评估中。这是因为它们生长在没有或只有有限碳埋藏潜力的坚硬或沙质基质上。最近的研究表明，生长在软沉积物中的大型藻类有相当高的全球碳埋藏率。

大型藻类可以充当碳供体，其有机碳通过水流运输并沉积在其他生态系统的碳汇中。一些估算表明，大型藻类可能支持比海草床、潮汐沼泽和红树林加起来更高的全球碳埋藏率。这强调了将大型藻类系统纳入BC评估中的必要性。此外，钙化藻类也是这些生态系统的一部分，但它们的碳封存角色存在争议。虽然它们可以释放CO2，但同时也有机碳和无机碳的共沉积作用，可能影响碳封存的净效应。

因此，了解大型藻类对碳储量的贡献以及它们是否作为碳汇或碳源是重要的，以更好地理解它们对全球碳循环的贡献。

Q4. BC生态系统的全球范围和时间分布是怎样的？

此问题重点关注红树林、潮汐沼泽、海草床等生态系统的全球时空分布和演变规律。

红树林主要分布在热带和亚热带地区，面积估计存在不确定性。全球对红树林空间范围及其时间变化的了解相对较好，但估计仍有差异。红树林总面积在20世纪下半叶以1-3%的速度下降，主要受到水产养殖、土地利用变化和土地开垦的影响。潮汐沼泽广泛分布在北极沿岸的河口、温带和亚热带地区，但有关其全球范围的了解有限。只有少数国家对潮汐沼泽面积进行了详细记录，估计全球潮汐沼泽范围为38万km²。由于土地利用变化和土地开垦，潮汐沼泽正面临不断减少的风险。

目前，对全球海草床面积的估计存在较大差异，主要反映了数据不足和地区研究不平衡。据不完全统计，全球海草床总面积自1879年以来已减少约29%，其中气候变化、人为压力和自然原因都发挥了作用。准确估计BC生态系统的全球分布对于评估其对全球碳循环的贡献至关重要，尤其是考虑到它们的退化速度。广泛的测绘和结合遥感技术的地面实况监测被认为是提高这些估计的有效方法。

Q5. 有机和无机碳循环如何影响净CO2通量？

尽管BC生态系统是重要的有机碳库，但它们可能通过空气-水-CO2交换成为大气中CO2的净排放源。在水下BC生态系统中，如海草床，Corg的存储与大气CO2去除之间没有直接联系，因为水体隔离了大气和底栖系统。BC科学需要关注水体内发生的复杂无机和有机生物地球化学过程，这些过程影响CO2封存功能。

由于溶解的无机碳(DIC)被纳入Corg，光合作用降低了地表水中的CO2浓度，而呼吸和再矿化增加了CO2浓度。净自养生态系统会减少地表水CO2浓度并成为大气CO2的直接汇。

如果异源Corg和DIC输入较低，有助于减少地表水CO2浓度。无机碳(Cinorg)循环的反应也可以改变地表水中的CO2浓度，从而影响CO2与大气的净交换。碳酸钙矿物的形成增加了水柱中的CO2，而碳酸盐矿物的溶解降低了CO2。尽管最近的研究开始解决BC生态系统中Cinorg的丰度和埋藏率，但对于空气-水-CO2通量的关键过程，如浅海沿海水域和沉积物中的碳酸盐化学和Corg动力学，仍存在研究不足。特别是对于BC生态系统，碳酸盐化学与Corg和Cinorg通量以及空气-水-CO2通量的整体时空动态之间的关系仍然不确定。

图1 空气-水-CO2交互的碳生物地球化学过程概念图。蓝线表示大气CO2吸收的过程，红线表示CO2排放到大气中的过程。地表水中的CO2浓度主要决定通量的方向。地表水CO2浓度由溶解无机碳(DIC)中的碳酸盐平衡决定，并受生态系统净生产（光合作用、呼吸和再矿化的平衡）影响，直接调节DIC、外来颗粒物和溶解有机碳(Corg)、颗粒无机碳(Cinorg)以及来自陆地系统和沿海海洋的DIC输入、净Cinorg生产（钙化和溶解的平衡），直接调节 DIC 和总碱度(TA)和温度（CO2溶解度）。钙化作用产生的 CO2在正常海水中的比例（释放的CO2/沉淀的 Cinorg）约为 0.6 。

Q6. 如何估算BC沉积物中的有机质来源？

沿海生态系统，如红树林、海草床和潮汐沼泽，接收来自陆地和海洋的有机质输入。然而，确定这些有机物的来源（本地或外来）和量化它们的输入仍然是一个挑战。了解Corg来源对于蓝碳项目的管理和认证至关重要，以确保正确计算“碳信贷”。目前研究者使用稳定同位素（如13C、15N和34S）的自然丰度来跟踪和量化异地和本地有机物来源。这是一种有效的方法，但由于有机质输入的多样性，它可能无法提供源解析。

为了提高分辨能力，一些研究采用化合物特异性同位素，用于分离不同来源的有机物。木质素、脂质、烷烃和氨基酸等生物标志物可以用于分离多源输入。未来研究者需要进一步改进稳定同位素分析方法，并探索使用化合物特异性同位素和环境DNA（eDNA）等新技术来更准确地识别和量化有机物来源。

Q7. 哪些因素影响BC（蓝碳）埋藏率？

这个问题涉及到了BC生态系统中碳的埋藏过程。目前尚不清楚初级生产者多样性和性状如何影响蓝碳生态系统的碳储量。大型植物和动物群也可能通过自上而下的控制过程影响有机碳的生产、积累或保存。微生物分解者群落的功能多样性和活性对于决定Corg进入蓝碳土壤的过程可能比其生产和沉积过程更重要。然而，这方面的研究还处于初步阶段。

水动力过程影响颗粒的捕获和沉积，进而影响有机碳的积累速率。不同的生态系统的植被特征（如红树林密度和冠层结构）对波浪衰减产生不同的影响，但这些相互作用需要更好地理解。此外，对于哪些因素控制着蓝碳土壤中存储的Corg含量以及其稳定性尚不清楚。厌氧特性对Corg的分解和再矿化速率具有重要控制作用，但氧气暴露时间也影响Corg的性质。总之，影响蓝碳生态系统碳埋藏的因素之间存在复杂的相互作用，如温度、水动力、地貌、水文因素等，对Corg储量的影响不容易预测。

Q8. 蓝碳生态系统与大气之间的温室气体净通量是多少？

BC生态系统是温室气体排放和吸收的重要来源或汇。全球红树林吸收大约700TgCyr-1的碳，但75%的这些碳以CO2的形式被呼吸释放到大气中。然而，由于与CO2释放相关的矿化途径存在较大的不确定性，因此对红树林的碳估算存在挑战。对于其他BC生态系统，由于缺乏代表性的生态系统数据，特别是CH4和N2O排放，也缺乏稳健的全球碳估算过程。

因此，有必要更好地量化汇/源平衡，包括初级生产、生态系统退化和不同呼吸过程温室气体排放之间的净平衡。我们还需要了解这些源/汇动态如何随时间变化以及环境参数来影响温室气体通量，以便估计BC生态系统的温室气体排放阈值。全球估计表明，CH4排放可以抵消红树林中碳埋藏的20%。一些红树林可能是N2O的汇，从而提高了其作为气候变化缓解措施的价值。

Q9. 如何减少蓝碳估值的不确定性？

BC生态系统在碳封存方面存在差异，这些差异可能导致其价值的变化。目前，一些国家正在考虑以BC为重点来制定气候变化缓解计划，以提供经济激励。尽管如此，国际范围内，BC生态系统此前并未一致纳入气候变化减缓框架，可能因为缺乏足够的信息将其纳入其中。不同BC估值方法的差异性，包括社会成本、边际减排成本和市场价格也是用BC来标准化表征系统价值的难点。要减少不确定性，需要跨学科研究，结合生态和经济学科，以制定标准化方法。开发标准化方法，结合生态和经济学科，以提高BC估值的可信度。此外，需要考虑BC生态系统的附加价值，如渔业、养分循环、沿海社区支持等，以提高其在政策和管理中的应用。

Q10. 哪些管理措施最能维持和促进蓝碳封存？

研究已经改进了对不同空间尺度上碳动力学的估计，这有助于模拟生态系统转化为其他用途中可能导致的潜在碳排放。然而，政策制定、管理行动和BC生态系统效益的展示仍在初步阶段。目前，加强BC生态系统的碳减排有三种主要管理方法：保护、恢复和创造生态系统。保护生态系统可以防止历史上封存的碳重新释放，同时也需要维护未来的系统碳封存能力。恢复涉及一系列活动，旨在改善生态系统的生物物理和地球化学过程以及碳封存能力。管理调整是创造或恢复潮汐沼泽等生态系统的特殊选择。

在自愿碳市场下，存在用于BC湿地保护、恢复和创建的碳付款机制。这些框架已被一些小规模项目采用，以产生“碳信用额”。尽管已经有了一些地方举措，但要实现更大的影响仍然存在技术、财务和政策障碍，例如数据覆盖范围有限、成本较高等。尽管需要进一步示范、监测和报告来解决现存的知识差距，但研究者已经可以证明将BC生态系统的保护、恢复和创建纳入碳缓解机制是合理的。

图2 每公顷蓝碳生态系统的经济价值估算

未来的挑战

制定沿海植被生态系统对减缓和适应气候变化的研究议程这一领域存在许多挑战，但也存在一些未得到可靠观察和实验支持的新问题，如估算异源碳对BC的贡献和温室气体排放的净平衡。此外，现有BC科学研究的核心问题，包括气候变化对碳积累的作用、提高BC生态系统全球估计精度的努力、影响BC生态系统固存的因素以及相应的BC价值。但是依然存在三个长期性且有争议的问题。包括干扰对生态系统温室气体排放的影响、大型藻类是否可以被视为BC，以及BC生态系统中碳酸盐的积累是否使其成为潜在的碳汇。这些争议需要更多的科学研究和实验来解决。

来源：海洋与淡水生态圈