碳匯/  貝藻養殖

圖1.南麂島貝藻養殖基地（圖源百度）

近些年來，由于溫室氣體排放引起的全球氣候變化是當今人類社會可持續發展的最嚴峻的挑戰。中國是二氧化碳（CO2）的排放大國，積極應對氣候變化、碳減排增匯已經成為實現“碳中和”的主要渠道之一。人類活動產生的CO2約有30%被海洋吸收，海洋是全球碳循環系統重要的“碳匯”，其中，近海生態系統僅占全球海洋面積的7%~8%，但卻貢獻了全球25%以上的初級生產力，吸收了相當于開闊大洋的20%以上的CO2，有機碳埋藏占整個海洋碳埋藏量的90%，至少有50%的顆粒碳無機碳沉積，特別是近海海洋環境受人文活動影響嚴重，因此其在全球碳循環中的作用不容小覷。

全球每年通過光合作用捕獲的碳即“綠碳”中，有55%被海洋生態系統捕獲，這部分碳匯被稱為“藍色碳匯”（簡稱為藍碳），藍碳在沿海海洋生態系統降低大氣CO2水平方面發揮了重要作用。我國開展海洋藍碳增匯技術研發具有十分廣闊的前景。中國在藍碳的研究和應用起步較晚，早期認識到的是全球沿海紅樹林、鹽沼和海草床等生境中的植被被認為是重要的海岸帶藍色碳匯。2008年以來，焦念志等提出了“海洋微型生物碳泵（Microbial Carbon Pump, MCP）”概念讓國內外同行對海洋碳匯機制有了更加深入的認識。美國Science雜志評論MCP為“巨大碳庫的幕后推手”，自此，更多研究關注于以往被忽略的看不見的微型生物（粒徑小于20μm，主要包括浮游植物、細菌、古菌、病毒、大部分的原生動物），其占海洋生物量的90%以上，是藍碳的主要組分。

淡水和海洋生態系統中的漁業碳匯也被稱為“可產業化的藍碳”和“可移出的碳匯”。中國是世界上海水養殖規模最大的國家，實施生物固碳/儲碳戰略，大力發展碳匯漁業，在應對氣候變化，發展低碳經濟中具有重要作用。2010年，唐啟升等率先提出“漁業碳匯”的概念，目的在于通過貝藻養殖、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的過程和機制，這種屬于可移出的碳匯。隨著近些年來，研究不斷深入，對碳匯漁業有了更加深入的認識。從可移出的碳匯的研究，到微生物驅動形成的海水溶解有機碳庫、惰性溶解有機碳庫以及碳的沉積等都是漁業碳匯的重要組成部分。對海水養殖的固碳過程以及儲碳機制是科學研究面臨的首要任務。

海洋固碳關鍵過程和儲碳機制

海洋吸收大氣中CO2的已知機制主要包括“溶解度泵”、“碳酸鹽泵”和“生物驅動的碳泵”。溶解度泵的原理在于CO2在海水中化學平衡以及物理輸運。尤其是低溫和高鹽造成的高密度海水在重力作用下攜帶通過海氣交換所吸收的CO2輸入到深海，進入千年尺度的碳循環，構成了海洋儲碳。碳酸鹽泵主要基于海水CO2體系平衡和碳酸鹽析出及沉降，碳酸鹽析出會放出等當量的CO2，只有碳酸鹽沉積才能構成儲碳。由于溶解度泵和碳酸鹽泵主要受自然過程影響，通過人為調控實現增匯的空間非常有限。“生物驅動中碳泵”目前已知的兩種重要的生物儲碳機制分別為生物泵（biological carbon pump，BP）和MCP。BP和MCP概念互補，涵蓋了“沉降”和“非沉降”過程，形成了關于海洋儲碳的生物學機制較全面系統的理論。

BP是基于浮游植物初級生產、消費、傳遞、沉降和分解等一系列生物學過程構成的顆粒有機碳（POC）從表層向深層的轉移和儲存過程。生物固碳速率除受控于初級生產力水平外，還主要取決于生源顆粒物向真光層之外的傳輸，即海洋生物泵的強度和效率。一種生物泵為以真核微藻和藍細菌等光合自養的浮游植物進行光合固碳形成有機物質，另一種為以POC形式輸入到海水深層。大多數輸入的有機物質在海水次表層被礦化為無機碳，只有一小部分被埋藏到沉積物中，這就是有機碳泵（海洋生物碳匯）。生物泵與海氣CO2分壓差驅動海水吸收CO2、初級生產者固定CO2生產有機碳與碳酸鹽體系相互制約。特別是鈣質浮游植物顆石藻等外殼碳酸鈣的沉降增加海水表層穩態CO2濃度從而促進CO2向大氣釋放，這就是“碳酸鹽泵”（海洋生物碳源）。

海洋中DOC碳庫比POC碳庫大得多，占海洋總有機碳庫的90%以上。按照生物可利用性可將DOC分為三類：很容易被降解的活性DOC（LDOC）、可被緩慢降解的半活性DOC（SLDOC），以及難以被生物降解的惰性DOC（RDOC）。MCP是一種不依賴于顆粒碳沉降的儲碳機制，通過微型生物新陳代謝活動將LDOC轉化為RDOC，以溶解態的形式長久地將碳封存于海洋中，RDOC在海水中儲存可以長達4000~6000年。與經典的BP依賴于POC的沉降這種機制不同，基于RDOC的泵不依賴于沉降過程，為非沉降型生物泵，其涵蓋了細菌、古菌和病毒等微型生物類群的生態過程。MCP理論指出：固碳不等同于儲碳，初級生產力高不等于儲碳量多，特別是在河口區及浮游植物大量繁殖的富營養海區，初級生產力量值很高，但所形成的有機碳主要是LDOC，對儲碳的貢獻較小。

中國近海貝藻類海水養殖和碳匯現狀

中國是漁業養殖大國，中國水產養殖產量呈逐年上升的趨勢（圖2），1991~2019年中國漁業養殖總產量占世界總產量的62%（51%~69%）。2021年，全國海水養殖面積達2.03×104 km2，海水養殖產量約2.21×107 t，同比增長3.55%。中國海水養殖種類以貝、藻類為主，2021年中國貝、藻類養殖總產量為1.80×107 t，2003~2021年中國貝、藻類養殖總產量總體呈現逐年上升的趨勢，并占中國海水養殖總產量的85%（81%~90%）（圖2）。海水養殖中養殖方式、養殖密度、養殖規模、使用的餌料性質及成分、投餌量及餌料利用率等都會影響近岸海域的碳循環和收支。海水養殖活動固碳主要有可移出碳、留存在海水中的碳和埋藏在沉積物中的碳等形式存在，其中：可移出碳為固定在海洋養殖動植物體內，可從海水中收獲移出的碳；留存在海水中的碳以顆粒有機碳和可溶性有機碳等形式存在；埋藏在沉積物中的碳主要為未被利用的顆粒有機碳（包括微生物或藻類殘體、碎屑、魚蝦貝死亡后的尸體等）沉降到沉積物。

圖2 1980年~2021年中國海水養殖總產量及貝藻類產量

國內外學者研究表明，貝、藻類被認為是漁業碳匯中最重要的養殖物種。大型藻類可以通過光合作用吸收海水中的溶解無機碳和CO2轉化成有機碳，并可以吸收海水中的營養物質，提高海水的堿度，降低海水中CO2分壓，促進海水吸收CO2，實現海洋碳匯功能。貝類通過攝食活動去除海水中的顆粒有機碳，并形成以碳酸鈣為主要成分的貝殼，同樣也在海洋碳循環方面發揮著重要作用。目前對海水養殖碳匯潛力的測算和評估主要側重于貝藻的可移出碳匯，而忽略了除了可移出碳匯以外，養殖活動中微生物作用下驅動形成的海水溶解有機碳庫、惰性溶解有機碳庫以及碳的沉積等都是海洋碳匯的重要部分。

根據《中國漁業統計年鑒》所統計的中國人工大型經濟海藻和貝類產量數據，并利用參考文獻的估算結果并根據估算方法對貝、藻類產生的碳匯進行估算， 2003年~2021年我國大型藻類年碳匯量為8.0萬~15.6萬t，貝類年碳匯量為76萬~114萬t，19年間貝藻類總碳匯量為1967萬t，且呈現出逐年上升的趨勢（圖3）。如果被吸收的碳全部從大氣中獲得，則中國僅貝藻類養殖每年就可多從大氣中吸收約100萬t以上的碳；如果我國貝海藻養殖產量每年按現有速度增加，那么貝藻類養殖將對增加大氣CO2的匯具有重要意義。2008~2015年我國各沿海省份（不包括臺灣和港澳地區）貝藻類碳匯總量表現出山東省最高，其次是福建省和遼寧省，各沿海省份貝類碳匯量趨勢與貝藻類碳匯總量一致，藻類碳匯量為福建省最高，其次是山東省和遼寧省；廣西省和河北省的碳匯轉化比最高；同時我國四個海域海水養殖業碳匯總量為黃海>東海>渤海、南海，但南海的碳匯轉化比最高。

圖3 1980年~2021年中國海水養殖總產量及貝藻類產量及碳匯量

存在的爭議問題

（1）貝類養殖是否可以被視為碳匯存在爭議。最早提出貝類養殖碳匯的觀點認為：在貝類養殖過程中，CO2從大氣單向流向海洋，轉化成溶解無機碳（DIC），并以固體CaCO3形式形成了貝類貝殼，通過這種方式將CO2進行長期封存，通過收集貝類又可以從海水中去除DIC和有機碳。而后有研究建議將貝殼固碳公式進行修正，貝類吸收海水中的碳酸氫根（HCO3-）形成CaCO3（貝類貝殼成分），其方程為：Ca2++2 HCO3-=CaCO3+CO2+H2O，在這個過程中形成1 mol的CaCO3，會同時釋放1 mol的CO2，但會吸收2 mol的HCO3-，因此，貝殼的形成相當于從海水中不穩定的無機碳庫中去除1 mol的碳，將其轉化為穩定的碳。在這種情況下，貝類既是碳匯，也是大氣中CO2的來源。釋放的CO2基本上與從大氣中捕獲的CO2具有相同的效果。部分學者認為貝類養殖是CO2的來源，因為通過鈣化和分解代謝機制釋放的碳量比貝殼中的碳量要大。僅從個體的角度來看，雙殼類生物是CO2的凈來源是有道理的，但卻忽略了貝類養殖的生態系統功能。貝類養殖對浮游植物種群、懸浮顆粒有機碳和DIC都會產生作用并影響海洋中的碳循環。貝類養殖的整個生命周期中，貝類通過過濾水中的顆粒有機碳來促進貝類軟組織的生長，貝類軟組織形成過程中會發生碳排放量。貝類的呼吸作用、貝殼形成都會產生CO2，貝類的糞便和偽糞便沉積物的沉積可以加速碳的垂直運輸，促進沉積碳庫的形成，貝類的貝殼可以固定碳，貝類的軟組織收獲后的處理方式也可以從某種程度減少其碳排放。沿海地區海水貝類養殖對海洋碳收支具有重要的影響，貝類養殖具有能源投入低、成本低、技術可行等特點，可能是捕獲和去除海洋中碳的有效方法。長期以來，一直有大量的研究對貝類養殖的固碳功能和碳足跡進行研究。

（2）近海的大型海藻養殖的碳匯功能一直存在爭議。大型養殖海藻一般都屬于一年生的海藻。聯合國并未將一年生的植物列入碳匯清單。在傳統意義上認為的養殖海藻的藍碳主要是指收獲的藻類生物量或“可移出的碳”的部分，主要爭議點是這部分可移出碳的儲存周期問題。實際上對于養殖藻類可移出碳而言，所收獲藻類的不同處理或加工方式對可移出碳的儲存周期具有重要影響。若用于食用，會很快重新轉化為CO2釋放到大氣，無法構成長時間尺度上的碳匯。但若用于生產燃料，則可一定程度上減少化石燃料燃燒引起的碳排放，是另一種形式的“減排”。


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來源：水產設施養殖與裝備工程研究中心