海水养殖环境碳汇机制分析

沈宏琛刘纪化

(1.山东大学海洋研究院 青岛 266237;2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海 519000)

0 引言

中国是世界上人口最多的国家,应对气候变化相关问题成为我国实现社会主义现代化的严峻挑战。依托中国科技优势和资源禀赋,努力探求“增汇”与“减排”齐驱并进,大力推动绿色低碳循环发展,将对双碳目标形成重要支撑。海洋作为地球上最大的碳库,储碳量约为39 000亿t,是大气碳库的50倍、陆地碳库的10倍,增汇潜力巨大[1]。因此,在梳理现有碳汇过程机制的基础上,探寻和发展海洋增汇新技术,提升海洋生态系统综合碳汇能力,将为实现“双碳”目标提供新思路。

海洋碳汇,也称蓝碳(blue carbon),是指海洋吸收大气中的CO2,并将其固定在海洋中的过程、活动和机制[2]。中国是海洋大国,有包括渤海、黄海、东海、南海在内的四大海域,主张管辖海域面积300万km2余,大陆海岸线长达1.8万km[3]。我国海洋生态系统类型丰富,同时拥有红树林、滨海盐沼和海草床3种典型海岸带蓝碳生态系统。值得指出的是,在资源方面,中国一直是全球最大的水产养殖国;在海洋碳汇过程和机制研究方面,中国科学家提出的微型生物碳泵理论揭开了海洋中惰性溶解有机碳来源的世纪之谜。

目前,国际上针对海洋碳汇研究较多的是海岸带蓝碳,包括盐沼湿地、红树林以及海草床等海洋生态系统,但因其面积有限,形成的碳汇总量不高[4]。海水养殖作为中国的产业经济,面积广阔且资源丰富。利用海水养殖环境,研发国际认可的海洋碳汇模式,对于我国实现“双碳”目标具有重要的理论和现实意义。本研究从海水养殖环境碳汇入手,针对近海海水养殖现状、碳汇机制及研究状况进行概述,阐述了养殖环境中包括养殖生物体碳汇、微型生物介导的水体碳汇和沉积物碳汇等主要碳汇资源的形成过程与相互关系,对各类机制耦合增汇研究的必要性提出展望。

1 海洋储碳机制

海洋储碳机制主要包括溶解度泵(Solubility Pump,SP)、碳酸盐泵(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的化学平衡和物理运输控制,易受海洋环流的影响,在北大西洋、南大洋及南极等高纬度海洋中发挥着重要作用。碳酸盐泵受海水中CO2的平衡体系控制,在碳酸盐沉积过程中,由于碳酸盐泵会释放等量的CO2,也被称为“碳酸盐反泵”[6]。其中,两种密切相关的生物储碳机制BP和MCP有着截然不同的生物地球化学机制。BP依赖于浮游植物的一系列生物过程将颗粒有机碳(Particulate organic carbon,POC)从海表输送到深海沉积,其通量随着深度的增加而急剧减少[7]。MCP不依赖于POC沉降,因此与水深无关,它通过微型生物的代谢活动,将活性有机碳(Labile dissolved organic carbon,LDOC)转化为惰性有机碳(Refractory dissolved organic carbon,RDOC),并可以在海水中储存长达4000~6000年,被称为海洋中“巨大碳库的幕后推手”[8-9]。2019年,联合国气候变化专门委员会(IPCC)将海洋碳汇纳入《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》,“微型生物碳泵”理论和海水养殖区人工上升流等增汇路径同被纳入其中[4]。

2 国内水产养殖现况

我国水产养殖历史悠久,早在4000多年前就有鱼类养殖的记载[10]。但一直以来,水产养殖业并不作为重要的食物供应产业。直到20世纪90年代,人们逐渐意识到鱼类等作为便宜优质的蛋白质来源比红肉更有利于健康,世界海产品消费量才大幅上升[11]。2018年全球水产养殖总产量达到8 210万t,其中78.66%来自中国[12]。

中国作为世界最大的水产养殖生产国,渔业资源十分丰富,主要养殖生物是不需投饵的大型藻类及滤食性贝类,占我国水产养殖总产量的85%以上,具有营养级低、养殖规模大、种类多、多样性高、产量高和生态效率高等特点[12]。丰富的海洋渔业资源和稳定的养殖结构在保障国家食品安全,多元化居民膳食营养结构,增加渔民收入的同时,也为减排增汇提供了新思路。2010年,唐启升等[13]率先提出“渔业碳汇”的概念,旨在通过贝藻养殖、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。近年来,面对全球气候变化与世界经济发展的新挑战,我国不断探索将海洋碳汇与水产养殖相结合的新发展途径,充分挖掘养殖环境碳汇潜力。

3 养殖环境碳汇机制

基于国内广阔的水产养殖环境,充分利用渔业资源,大力发展养殖环境碳汇,对实现双碳目标,发展低碳经济有着重要意义。随着对海水养殖区碳循环的深入研究,对于养殖环境碳汇途径有了更加全面的认识,主要包括:随着贝藻等养殖生物收获从海水中移除的碳;在海洋微型生物作用下参与形成的水体溶解有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)、颗粒有机碳(Particulate organic carbon,POC)、惰性溶解有机碳(Refractory dissolved organic carbon,RDOC)和沉积物有机碳(Sedimentary organic carbon,SOC)(图1)。由于水体和沉积碳汇机制复杂,影响因素较多,研究难度较大,通常会在计量海洋碳汇过程中被疏漏。随着海洋碳汇研究的不断深入,越来越多的专家学者揭示这部分遗漏的碳汇占据了相当高的比例。纪建悦等[14]运用物质量评估法估算出我国海水养殖生物体的年均碳汇能力超过100万t,且呈不断上升趋势。权伟等[15]研究表明,1999—2012年我国近海大规模栽培的大型海藻年均固碳量逐年递增,约为41.85万t/a。因此,系统揭示近海养殖环境碳循环关键过程与机制,建立合理的养殖区碳汇评估方法和计量标准,完善养殖增汇模式,是实现“双碳”目标和近海养殖业可持续发展的双赢途径。

图1 微型生物介导的大型藻类养殖环境碳汇机制

3.1 大型藻类养殖环境的碳汇机制

大型藻类和滤食性贝类是我国海水养殖的主要物种。长期以来,大型海藻栽培产量和面积稳居世界首位,鲜重产量达到1 700万t,已记录种类超过1 200种,规模巨大[16]。

生物体大型海藻作为高效固碳生物,通过光合作用可将海水中的CO2和溶解无机碳(DIC)转化为溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC),再通过生物泵(BP)和微型生物碳泵(MCP)等机制发挥碳汇功能[17-18];同时,藻类在养殖过程中吸收溶解在海水中的硝酸盐和磷酸盐等营养物质,使得海水碱度不断提高,降低海水中CO2分压,进而促进海水对空气中CO2的吸收,进一步实现海洋负排放[19-20];另外,藻类养殖过程中产生的有机物碎屑可通过沉降作用形成海底沉积或输送至深海。全球范围内,大型藻类通过沉积作用和海底峡谷浊流输送到深海的碳汇量约为17.3亿t,占海藻产量的11.4%,是沉积碳汇和深海固碳的重要来源[21-22]。

值得指出的是,通过合理比例的贝藻综合养殖体系,如多营养层次综合水产养殖法(Integrated Multi-Trophic Aquaculture,IMTA),即在同一养殖空间内共同养殖多种不同营养水平的物种,充分利用生物间的协同互利关系,实现养分循环,能够在保护环境的同时提升经济收益[23]。藻类可吸收贝类释放的CO2及氮、磷等生源要素;而贝类可吸收藻类产生的碎屑颗粒有机碳(POC),贝藻间相互促进,进一步增强了养殖系统的碳汇功能[24]。

3.2 微型生物介导的养殖水体碳汇机制

海洋微型生物指个体小于20μm的微型浮游生物和小于2μm的超微型浮游生物,包括各类自养、异养的真核和原核单细胞生物等[25]。微型生物作为海洋元素循环和能量流动的主要驱动者和承担者,尽管体积小,但是丰度大、分布广。据估算,其总量占海洋中现存生物量的比例高达90%[26],并贡献全球海洋总初级生产力的60%以上[27]。

海洋微型生物在养殖水体碳汇中的作用不容忽视,其与养殖贝类和藻类生长代谢关系密切。海水养殖过程中会有大量DOC和POC释放到海水当中。研究表明,近海渔业养殖水体中有机质的含量显著高于自然水体,其在养殖环境的能量代谢和物质循环中发挥着重要作用[28]。

一部分有机碳可以通过浮游植物光合作用或微生物细胞代谢等快速利用合成为自身生源物质,并通过微食物环和食物链向更高营养级传递,成为鱼虾贝类等的天然饵料,最终成为可移出碳汇的一部分;另一部分未被利用的POC(包括微型生物、藻类及鱼虾贝类死亡残体、碎屑等)可沉降到海底,构成养殖环境沉积碳库的重要组成部分。如,在海藻养殖过程中,通过细菌摄取可将一半以上的生物可利用DOC输出至养殖区以外,理论上能够扩展支持更长的食物链[29];同时,微生物生长代谢过程中产生的营养盐和微量元素还会促进大型藻类的生长以及光合固碳作用。此外,海水养殖过程中释放的大量活性有机碳在微生物作用下通过MCP机制转化产生具有较强生物惰性的RDOC,可在海水中长久储存,构成养殖碳汇中稳定的惰性溶解碳库[30-31]。据初步估算,在养殖海藻碳汇中,MCP驱动形成的RDOC与海藻可移出的碳汇量相当,超过60万t/a[24]。因此,微型生物生长代谢驱动不同营养级和不同区域的物质代谢与能量循环中,贯穿整个养殖环境碳汇体系,是养殖环境碳汇库的重要贡献者。

3.3 养殖环境中的沉积碳汇机制

随着养殖环境碳汇研究的逐渐深入,越来越多的专家学者认识到沉积物碳汇也是其中的重要部分,贝藻的生物沉积为养殖区碳埋藏贡献巨大。Yang等[32]对我国典型海水养殖区——桑沟湾海水养殖区近150年来沉积物的碳埋藏通量变化趋势进行评估,发现自1980年大规模养殖以来,海洋有机碳(marine organic carbon,OCM)埋藏通量大幅增加,达到了大规模养殖之前的16.0~16.5倍;桑沟湾养殖海域每年可新增沉积物厚度约0.6~2.1 cm,每亩*养殖海域的沉积物碳汇约为170 kg/a,约为邻近黄海中部非养殖区的7倍。Sui等[33]对桑沟湾不同养殖环境和季节表层沉积物的组成和分布进行研究,发现贝类单一养殖区和贝类-海带混养区的沉积物总有机碳(TOC)和总有机氮(TN)含量高于其他海水养殖区,这可能与颗粒大小组成和海水养殖品种有关;另外,桑沟湾表层沉积物以海水养殖来源的有机碳为主,占总有机碳的60.4%。Pan等[34]选取中国爱莲湾海水养殖区进行沉积物研究,结果表明海水养殖活动显著影响沉积物有机碳(Sedimentary organic carbon,SOC)的来源、分布和保存,表层沉积物以海洋源性有机碳为主,有机碳主要来源于贝藻生物沉积。

因此,海水养殖活动对碳沉积影响巨大,通过对海水养殖区SOC的沉积和埋藏通量进一步研究,可以量化水产养殖活动对近海碳循环的影响。

4 总结

中国在海洋碳汇理论研究领域占据国际前沿,水产养殖环境增汇潜力巨大,系统开发养殖环境的水体碳汇和沉积碳汇,对实现“双碳”目标具有重要支撑作用。目前,对于主要养殖生物的碳汇功能已有较为统一的认识,也对其碳汇量进行了一系列评估[35-38]。但是,对于容易被忽视的“看不见、摸不到”的碳汇途径研究较少,包括在养殖生物生长过程中产生的由微型生物介导的MCP碳汇机制、生物沉积碳汇机制等。因此,在未来的研究中,系统探索海水养殖过程中的固碳/储碳机制,查明各途径的耦合关系及增汇机理,建立科学统一的碳汇量评估方法,形成可持续发展的水产养殖模式,是推动养殖环境碳汇发展,开拓海洋蓝碳途径,加快实现海洋支撑“双碳”目标的可行之路。