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中国沿海海水养殖环境中的碳固存过程与机制

通过海水养殖活动增加海洋碳固存(也称为蓝碳)是缓解气候变化和促进低碳经济发展的一种有希望的方法。海水养殖中的蓝碳也被认为是中国“海洋粮仓”的重要组成部分。本文分析了海水养殖环境碳汇的意义和综述了海水养殖…


通过海水养殖活动增加海洋碳固存(也称为蓝碳)是缓解气候变化和促进低碳经济发展的一种有希望的方法。海水养殖中的蓝碳也被认为是中国“海洋粮仓”的重要组成部分。本文分析了海水养殖环境碳汇的意义和综述了海水养殖环境碳汇形成过程和机理的研究进展。

中国沿海海水养殖环境中的碳固存过程与机制

一、海水养殖蓝碳发展的意义

中国国家海洋局和国家发展改革委于2017年6月联合发布《中国海洋科学与技术》第二期《一带一路海洋合作倡议》《海洋合作与气候变化的巨大潜力》等,强调了增加海洋碳汇和实现未来绿色发展的目标,并强调了加强应对气候变化的合作和加强国际蓝碳合作。为应对当前形势和世界经济发展的新挑战,将海水养殖碳汇与海洋粮仓建设相结合是近年来新探索的科学发展途径。增加沿海碳封存和促进低碳经济发展是一项双赢战略,具体实施途径包括:改善沿海海水养殖环境水质,恢复和提高藻类的碳捕获能力,例如恢复海草床,调整海水养殖模式,提高碳汇能力,鼓励建设海藻养殖场等生态牧场。海水养殖蓝碳开发是中国政府应对和缓解气候变化的一项重要实践。促进海洋生态文明和渔业经济的可持续发展也势在必行。未来,蓝碳有望成为一种有价值的可贸易商品在国内外碳市场上,探索海水养殖环境中的碳固存机制和蓝碳评价对未来碳市场的发展具有重要的理论和技术支持意义,海水养殖蓝碳的发展有望成为一种新经济。

二、沿海海水养殖环境中碳固存的过程和机制

海水养殖蓝碳的形成过程非常复杂,需要跨学科研究,包括物理海洋学、生物海洋学、大气科学等。除此之外,海水养殖环境中的碳固存过程还涉及多个方面,包括海气界面的CO2交换通量、微生物的碳转化、溶解有机物(DOC)和活性颗粒有机物(POC)碳泵的形成以及碳沉降(图1)。这不仅包括碳的固定和储存,还包括碳的释放。

中国沿海海水养殖环境中的碳固存过程与机制

图 1 大型海藻海水养殖环境中的碳固存和运输途径图

(一)大型海藻和贝类养殖环境中的可去除碳

贝类在海洋中储存碳有两种方式。一种是吸收海水中的HCO3-(碳酸氢盐)形成CaCO3(贝壳成分),其方程式为:Ca2++2HCO3-=CaCO3+CO2+H2O。虽然当每1mol碳酸钙形成时,会释放1mol二氧化碳,但2mol碳酸氢可以从海水中吸收。另一种方法是通过过滤水中的颗粒有机碳(包括浮游植物和颗粒有机碎屑),促进贝类软组织的生长。贝类软组织形成过程中的碳排放量以及采后软组织的不同处理和加工是评估碳封存功能的重要参数。同时,贝类寿命期间形成的粪便和伪粪便沉积物的沉积可以加速碳的垂直运输,并促进沉积碳池的形成。

(二)海―气CO2交换通量

一个海域被视为碳源或碳汇通常受到地表水中二氧化碳分压动态的影响,并涉及物理、化学和生物因素,如水动力学过程、水温、pH值和生物活性等。准确估算海-气CO2交换通量对于评估海洋碳源沉降函数非常重要。近年来,随着碳汇渔业的发展,生态海水养殖环境中的CO2交换引起了人们的关注。例如,一种典型的大型海藻在海鱼养殖区年净无机碳吸收量达到13.9万t。

(三)海水养殖环境中的DOC泵

DOC和POC是海水中有机碳的两种主要存在形式。大型藻类能通过光合作用有效吸收海水中的CO2,合成自身物质,并释放大量DOC,这推动了碳从大气向海水的输送。同时,微生物可通过MCP机制产生惰性溶解有机物(RDOC)并将其释放到海水中,从而在海洋中长期储存碳。与活性颗粒有机物相比,RDOC是海洋养殖环境中“无形碳”的重要组成部分。

(四)微生物驱动的碳固存

海洋微生物主要有纳米浮游生物和微浮游生物。它们包括各种真核生物和原核单细胞生物。这些微生物被认为是海洋元素循环和能量流动的主要驱动力。例如,利用海洋微生物碳泵(MCP)理论,系统阐述了微生物碳转化效应,解释了海洋中巨大的RDOC来源。MCP理论丰富了我们对生物驱动的碳固存机制的理解。基于此,渔业碳汇一直被认为是浮游植物驱动碳汇的一个重要分支,在海水养殖环境中,细菌等微生物则是海水“清道夫”,可以降解和去除石油、农药和除草剂等污染物,有利于海洋渔业资源的保护和可持续利用。更重要的是,微生物本身是海洋固碳功能的主要驱动力。虽然它们很微小,但它们是海洋中数量最多、分布最广的生物。微生物总生物量占海洋总生物量的90%,占海洋总初级生产力的60%以上。即使在我国大陆架水域和河口,微生物对总初级生产力的贡献也超过50%。

总结

发展沿海海水养殖蓝碳已成为我国农业现代化建设的一部分。深入研究海水养殖环境中的碳固存过程和机制对于实现这一目标非常重要。目前,人们认识到并评估了海洋养殖活动对加强沿海碳固存的重要性;同时,提出了一些增加碳汇的重要策略,如促进海藻种植为主的生态牧场建设,加快海草床生态系统的生态恢复。事实上,海水养殖环境中的碳储存不仅包括可移动的碳生物量,还包括不可见的碳,如RDOC、沉积碳以及输送到深海的碳。

参考文献
Zhang Y Y,Zhang J H, Liang Y T, et al. Carbon sequestration processes and mechanisms incoastal mariculture environments in China[J]. Science China Earth Sciences,2017, 60(12): 2097-2107.

DOI号:10.1007/s11430-017-9148-7

来源:水生动物健康评估

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