海水養殖環境碳匯機制分析

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社會主義現代化的嚴峻挑戰。依托中國科技優勢和資源稟賦,努力探求“增匯”與“減排”齊驅并進,大力推動綠色低碳循環發展,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,在梳理現有碳匯過程機制的基礎上,探尋和發展海洋增匯新技術,提升海洋生態系統綜合碳匯能力,將為實現“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]。我國海洋生態系統類型豐富,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系統。值得指出的是,在資源方面,中國一直是全球最大的水產養殖國;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系統,但因其面積有限,形成的碳匯總量不高[4]。海水養殖作為中國的產業經濟,面積廣闊且資源豐富。利用海水養殖環境,研發國際認可的海洋碳匯模式,對于我國實現“雙碳”目標具有重要的理論和現實意義。本研究從海水養殖環境碳匯入手,針對近海海水養殖現狀、碳匯機制及研究狀況進行概述,闡述了養殖環境中包括養殖生物體碳匯、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,易受海洋環流的影響,在北大西洋、南大洋及南極等高緯度海洋中發揮著重要作用。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”理論和海水養殖區人工上升流等增匯路徑同被納入其中[4]。

2 國內水產養殖現況

我國水產養殖歷史悠久,早在4000多年前就有魚類養殖的記載[10]。但一直以來,水產養殖業并不作為重要的食物供應產業。直到20世紀90年代,人們逐漸意識到魚類等作為便宜優質的蛋白質來源比紅肉更有利于健康,世界海產品消費量才大幅上升[11]。2018年全球水產養殖總產量達到8 210萬t,其中78.66%來自中國[12]。

中國作為世界最大的水產養殖生產國,漁業資源十分豐富,主要養殖生物是不需投餌的大型藻類及濾食性貝類,占我國水產養殖總產量的85%以上,具有營養級低、養殖規模大、種類多、多樣性高、產量高和生態效率高等特點[12]。豐富的海洋漁業資源和穩定的養殖結構在保障國家食品安全,多元化居民膳食營養結構,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“漁業碳匯”的概念,旨在通過貝藻養殖、捕撈漁業和海洋牧場等漁業生產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轉化為生物產品的碳移出水體。近年來,面對全球氣候變化與世界經濟發展的新挑戰,我國不斷探索將海洋碳匯與水產養殖相結合的新發展途徑,充分挖掘養殖環境碳匯潛力。

3 養殖環境碳匯機制

基于國內廣闊的水產養殖環境,充分利用漁業資源,大力發展養殖環境碳匯,對實現雙碳目標,發展低碳經濟有著重要意義。隨著對海水養殖區碳循環的深入研究,對于養殖環境碳匯途徑有了更加全面的認識,主要包括:隨著貝藻等養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了相當高的比例。紀建悅等[14]運用物質量評估法估算出我國海水養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,系統揭示近海養殖環境碳循環關鍵過程與機制,建立合理的養殖區碳匯評估方法和計量標準,完善養殖增匯模式,是實現“雙碳”目標和近海養殖業可持續發展的雙贏途徑。

圖1 微型生物介導的大型藻類養殖環境碳匯機制

3.1 大型藻類養殖環境的碳匯機制

大型藻類和濾食性貝類是我國海水養殖的主要物種。長期以來,大型海藻栽培產量和面積穩居世界首位,鮮重產量達到1 700萬t,已記錄種類超過1 200種,規模巨大[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)等機制發揮碳匯功能[17-18];同時,藻類在養殖過程中吸收溶解在海水中的硝酸鹽和磷酸鹽等營養物質,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,進一步實現海洋負排放[19-20];另外,藻類養殖過程中產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,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殖體系,如多營養層次綜合水產養殖法(Integrated Multi-Trophic Aquaculture,IMTA),即在同一養殖空間內共同養殖多種不同營養水平的物種,充分利用生物間的協同互利關系,實現養分循環,能夠在保護環境的同時提升經濟收益[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生的碎屑顆粒有機碳(POC),貝藻間相互促進,進一步增強了養殖系統的碳匯功能[24]。

3.2 微型生物介導的養殖水體碳匯機制

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、異養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和能量流動的主要驅動者和承擔者,盡管體積小,但是豐度大、分布廣。據估算,其總量占海洋中現存生物量的比例高達90%[26],并貢獻全球海洋總初級生產力的60%以上[27]。

海洋微型生物在養殖水體碳匯中的作用不容忽視,其與養殖貝類和藻類生長代謝關系密切。海水養殖過程中會有大量DOC和POC釋放到海水當中。研究表明,近海漁業養殖水體中有機質的含量顯著高于自然水體,其在養殖環境的能量代謝和物質循環中發揮著重要作用[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,并通過微食物環和食物鏈向更高營養級傳遞,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,構成養殖環境沉積碳庫的重要組成部分。如,在海藻養殖過程中,通過細菌攝取可將一半以上的生物可利用DOC輸出至養殖區以外,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生的營養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機制轉化產生具有較強生物惰性的RDOC,可在海水中長久儲存,構成養殖碳匯中穩定的惰性溶解碳庫[30-31]。據初步估算,在養殖海藻碳匯中,MCP驅動形成的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動不同營養級和不同區域的物質代謝與能量循環中,貫穿整個養殖環境碳匯體系,是養殖環境碳匯庫的重要貢獻者。

3.3 養殖環境中的沉積碳匯機制

隨著養殖環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殖區碳埋藏貢獻巨大。Yang等[32]對我國典型海水養殖區——桑溝灣海水養殖區近150年來沉積物的碳埋藏通量變化趨勢進行評估,發現自1980年大規模養殖以來,海洋有機碳(marine organic carbon,OCM)埋藏通量大幅增加,達到了大規模養殖之前的16.0~16.5倍;桑溝灣養殖海域每年可新增沉積物厚度約0.6~2.1 cm,每畝*養殖海域的沉積物碳匯約為170 kg/a,約為鄰近黃海中部非養殖區的7倍。Sui等[33]對桑溝灣不同養殖環境和季節表層沉積物的組成和分布進行研究,發現貝類單一養殖區和貝類-海帶混養區的沉積物總有機碳(TOC)和總有機氮(TN)含量高于其他海水養殖區,這可能與顆粒大小組成和海水養殖品種有關;另外,桑溝灣表層沉積物以海水養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殖區進行沉積物研究,結果表明海水養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,海水養殖活動對碳沉積影響巨大,通過對海水養殖區SOC的沉積和埋藏通量進一步研究,可以量化水產養殖活動對近海碳循環的影響。

4 總結

中國在海洋碳匯理論研究領域占據國際前沿,水產養殖環境增匯潛力巨大,系統開發養殖環境的水體碳匯和沉積碳匯,對實現“雙碳”目標具有重要支撐作用。目前,對于主要養殖生物的碳匯功能已有較為統一的認識,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,包括在養殖生物生長過程中產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,系統探索海水養殖過程中的固碳/儲碳機制,查明各途徑的耦合關系及增匯機理,建立科學統一的碳匯量評估方法,形成可持續發展的水產養殖模式,是推動養殖環境碳匯發展,開拓海洋藍碳途徑,加快實現海洋支撐“雙碳”目標的可行之路。