海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯機制分析

沈宏琛劉紀化

(1.山東大學海洋研究院 青島 266237;2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海) 珠海 519000)

0 引言

中國是世界上人口最多的國家,應對氣候變化相關問題成為我國實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化的嚴峻挑戰(zhàn)。依托中國科技優(yōu)勢和資源稟賦,努力探求“增匯”與“減排”齊驅(qū)并進,大力推動綠色低碳循環(huán)發(fā)展,將對雙碳目標形成重要支撐。海洋作為地球上最大的碳庫,儲碳量約為39 000億t,是大氣碳庫的50倍、陸地碳庫的10倍,增匯潛力巨大[1]。因此,在梳理現(xiàn)有碳匯過程機制的基礎上,探尋和發(fā)展海洋增匯新技術,提升海洋生態(tài)系統(tǒng)綜合碳匯能力,將為實現(xiàn)“雙碳”目標提供新思路。

海洋碳匯,也稱藍碳(blue carbon),是指海洋吸收大氣中的CO2,并將其固定在海洋中的過程、活動和機制[2]。中國是海洋大國,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km2余,大陸海岸線長達1.8萬km[3]。我國海洋生態(tài)系統(tǒng)類型豐富,同時擁有紅樹林、濱海鹽沼和海草床3種典型海岸帶藍碳生態(tài)系統(tǒng)。值得指出的是,在資源方面,中國一直是全球最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國;在海洋碳匯過程和機制研究方面,中國科學家提出的微型生物碳泵理論揭開了海洋中惰性溶解有機碳來源的世紀之謎。

目前,國際上針對海洋碳匯研究較多的是海岸帶藍碳,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)殖作為中國的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟,面積廣闊且資源豐富。利用海水養(yǎng)殖環(huán)境,研發(fā)國際認可的海洋碳匯模式,對于我國實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本研究從海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯入手,針對近海海水養(yǎng)殖現(xiàn)狀、碳匯機制及研究狀況進行概述,闡述了養(yǎng)殖環(huán)境中包括養(yǎng)殖生物體碳匯、微型生物介導的水體碳匯和沉積物碳匯等主要碳匯資源的形成過程與相互關系,對各類機制耦合增匯研究的必要性提出展望。

1 海洋儲碳機制

海洋儲碳機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的化學平衡和物理運輸控制,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,在碳酸鹽沉積過程中,由于碳酸鹽泵會釋放等量的CO2,也被稱為“碳酸鹽反泵”[6]。其中,兩種密切相關的生物儲碳機制BP和MCP有著截然不同的生物地球化學機制。BP依賴于浮游植物的一系列生物過程將顆粒有機碳(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,因此與水深無關,它通過微型生物的代謝活動,將活性有機碳(Labile dissolved organic carbon,LDOC)轉化為惰性有機碳(Refractory dissolved organic carbon,RDOC),并可以在海水中儲存長達4000~6000年,被稱為海洋中“巨大碳庫的幕后推手”[8-9]。2019年,聯(lián)合國氣候變化專門委員會(IPCC)將海洋碳匯納入《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》,“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 國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)況

我國水產(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,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)并不作為重要的食物供應產(chǎn)業(yè)。直到20世紀90年代,人們逐漸意識到魚類等作為便宜優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)來源比紅肉更有利于健康,世界海產(chǎn)品消費量才大幅上升[11]。2018年全球水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量達到8 210萬t,其中78.66%來自中國[12]。

中國作為世界最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)國,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,占我國水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量的85%以上,具有營養(yǎng)級低、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[12]。豐富的海洋漁業(yè)資源和穩(wěn)定的養(yǎng)殖結構在保障國家食品安全,多元化居民膳食營養(yǎng)結構,增加漁民收入的同時,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,旨在通過貝藻養(yǎng)殖、捕撈漁業(yè)和海洋牧場等漁業(yè)生產(chǎn)活動促進水生生物吸收水體中的CO2,并通過收獲把這些已經(jīng)轉化為生物產(chǎn)品的碳移出水體。近年來,面對全球氣候變化與世界經(jīng)濟發(fā)展的新挑戰(zhàn),我國不斷探索將海洋碳匯與水產(chǎn)養(yǎng)殖相結合的新發(fā)展途徑,充分挖掘養(yǎng)殖環(huán)境碳匯潛力。

3 養(yǎng)殖環(huán)境碳匯機制

基于國內(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,對實現(xiàn)雙碳目標,發(fā)展低碳經(jīng)濟有著重要意義。隨著對海水養(yǎng)殖區(qū)碳循環(huán)的深入研究,對于養(yǎng)殖環(huán)境碳匯途徑有了更加全面的認識,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碳(Dissolved organic carbon,DOC)、顆粒有機碳(Particulate organic carbon,POC)、惰性溶解有機碳(Refractory dissolved organic carbon,RDOC)和沉積物有機碳(Sedimentary organic carbon,SOC)(圖1)。由于水體和沉積碳匯機制復雜,影響因素較多,研究難度較大,通常會在計量海洋碳匯過程中被疏漏。隨著海洋碳匯研究的不斷深入,越來越多的專家學者揭示這部分遺漏的碳匯占據(jù)了相當高的比例。紀建悅等[14]運用物質(zhì)量評估法估算出我國海水養(yǎng)殖生物體的年均碳匯能力超過100萬t,且呈不斷上升趨勢。權偉等[15]研究表明,1999—2012年我國近海大規(guī)模栽培的大型海藻年均固碳量逐年遞增,約為41.85萬t/a。因此,系統(tǒng)揭示近海養(yǎng)殖環(huán)境碳循環(huán)關鍵過程與機制,建立合理的養(yǎng)殖區(qū)碳匯評估方法和計量標準,完善養(yǎng)殖增匯模式,是實現(xiàn)“雙碳”目標和近海養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的雙贏途徑。

圖1 微型生物介導的大型藻類養(yǎng)殖環(huán)境碳匯機制

3.1 大型藻類養(yǎng)殖環(huán)境的碳匯機制

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

生物體大型海藻作為高效固碳生物,通過光合作用可將海水中的CO2和溶解無機碳(DIC)轉化為溶解有機碳(DOC)和顆粒有機碳(POC),再通過生物泵(BP)和微型生物碳泵(MCP)等機制發(fā)揮碳匯功能[17-18];同時,藻類在養(yǎng)殖過程中吸收溶解在海水中的硝酸鹽和磷酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì),使得海水堿度不斷提高,降低海水中CO2分壓,進而促進海水對空氣中CO2的吸收,進一步實現(xiàn)海洋負排放[19-20];另外,藻類養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的有機物碎屑可通過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源[21-22]。

值得指出的是,通過合理比例的貝藻綜合養(yǎng)殖體系,如多營養(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)殖多種不同營養(yǎng)水平的物種,充分利用生物間的協(xié)同互利關系,實現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán),能夠在保護環(huán)境的同時提升經(jīng)濟收益[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)生的碎屑顆粒有機碳(POC),貝藻間相互促進,進一步增強了養(yǎng)殖系統(tǒng)的碳匯功能[24]。

3.2 微型生物介導的養(yǎng)殖水體碳匯機制

海洋微型生物指個體小于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)的真核和原核單細胞生物等[25]。微型生物作為海洋元素循環(huán)和能量流動的主要驅(qū)動者和承擔者,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90%[26],并貢獻全球海洋總初級生產(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)殖貝類和藻類生長代謝關系密切。海水養(yǎng)殖過程中會有大量DOC和POC釋放到海水當中。研究表明,近海漁業(yè)養(yǎng)殖水體中有機質(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]。

一部分有機碳可以通過浮游植物光合作用或微生物細胞代謝等快速利用合成為自身生源物質(zhì),并通過微食物環(huán)和食物鏈向更高營養(yǎng)級傳遞,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體、碎屑等)可沉降到海底,構成養(yǎng)殖環(huán)境沉積碳庫的重要組成部分。如,在海藻養(yǎng)殖過程中,通過細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,理論上能夠擴展支持更長的食物鏈[29];同時,微生物生長代謝過程中產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽和微量元素還會促進大型藻類的生長以及光合固碳作用。此外,海水養(yǎng)殖過程中釋放的大量活性有機碳在微生物作用下通過MCP機制轉化產(chǎn)生具有較強生物惰性的RDOC,可在海水中長久儲存,構成養(yǎng)殖碳匯中穩(wěn)定的惰性溶解碳庫[30-31]。據(jù)初步估算,在養(yǎng)殖海藻碳匯中,MCP驅(qū)動形成的RDOC與海藻可移出的碳匯量相當,超過60萬t/a[24]。因此,微型生物生長代謝驅(qū)動不同營養(yǎng)級和不同區(qū)域的物質(zhì)代謝與能量循環(huán)中,貫穿整個養(yǎng)殖環(huán)境碳匯體系,是養(yǎng)殖環(huán)境碳匯庫的重要貢獻者。

3.3 養(yǎng)殖環(huán)境中的沉積碳匯機制

隨著養(yǎng)殖環(huán)境碳匯研究的逐漸深入,越來越多的專家學者認識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)碳埋藏貢獻巨大。Yang等[32]對我國典型海水養(yǎng)殖區(qū)——桑溝灣海水養(yǎng)殖區(qū)近150年來沉積物的碳埋藏通量變化趨勢進行評估,發(fā)現(xiàn)自1980年大規(guī)模養(yǎng)殖以來,海洋有機碳(marine organic carbon,OCM)埋藏通量大幅增加,達到了大規(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)的沉積物總有機碳(TOC)和總有機氮(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;另外,桑溝灣表層沉積物以海水養(yǎng)殖來源的有機碳為主,占總有機碳的60.4%。Pan等[34]選取中國愛蓮灣海水養(yǎng)殖區(qū)進行沉積物研究,結果表明海水養(yǎng)殖活動顯著影響沉積物有機碳(Sedimentary organic carbon,SOC)的來源、分布和保存,表層沉積物以海洋源性有機碳為主,有機碳主要來源于貝藻生物沉積。

因此,海水養(yǎng)殖活動對碳沉積影響巨大,通過對海水養(yǎng)殖區(qū)SOC的沉積和埋藏通量進一步研究,可以量化水產(chǎn)養(yǎng)殖活動對近海碳循環(huán)的影響。

4 總結

中國在海洋碳匯理論研究領域占據(jù)國際前沿,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,對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要支撐作用。目前,對于主要養(yǎng)殖生物的碳匯功能已有較為統(tǒng)一的認識,也對其碳匯量進行了一系列評估[35-38]。但是,對于容易被忽視的“看不見、摸不到”的碳匯途徑研究較少,包括在養(yǎng)殖生物生長過程中產(chǎn)生的由微型生物介導的MCP碳匯機制、生物沉積碳匯機制等。因此,在未來的研究中,系統(tǒng)探索海水養(yǎng)殖過程中的固碳/儲碳機制,查明各途徑的耦合關系及增匯機理,建立科學統(tǒng)一的碳匯量評估方法,形成可持續(xù)發(fā)展的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式,是推動養(yǎng)殖環(huán)境碳匯發(fā)展,開拓海洋藍碳途徑,加快實現(xiàn)海洋支撐“雙碳”目標的可行之路。