叶旺旺,张麋鸣,孙 恒,高众勇,张介霞,李玉红,颜金培, 徐长安,赵淑惠,吴 曼,许苏清,詹力扬 *
(1.自然资源部海洋大气化学全球变化重点实验室，自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005；
2.自然资源部海洋生物资源开发利用工程技术创新中心，自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005)
大气二氧化碳(CO2)浓度已从工业革命前的280 μmol/mol增加到2021年2月的417 μmol/mol[1]，由此引起全球变暖等气候和环境问题。目前人类活动造成全球气温已经较工业化前升高约1.0 ℃。为应对在全球范围内气候变化带来的挑战，政府间气候变化专门委员会(lntergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在2018年的特别报告中指出，为了将全球变暖限制在1.5 ℃内，2050年时工业排放的CO2要比2010年降低65 %～90 %，而且在“减排”的同时，需要使CO2移除1 000亿至10 000亿吨[2]。近年来，我国积极实施应对气候变化国家战略，郑重提出了2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，彰显了我国推进构建人类命运共同体和世界可持续发展的大国担当。碳达峰、碳中和工作已经被列为我国“十四五”期间的重点任务之一，也纳入到了生态文明建设的整体布局中。为了达成碳达峰、碳中和的宏伟目标，在推进绿色低碳经济实现高质量发展和尽量减排的同时，需要大力发展CO2移除或者增加CO2固存的技术方法以补偿残余碳排放，从而实现真正的碳中和。
海洋是重要的碳汇，吸收大气中约55 %的CO2，成为全球“蓝碳”系统重要的组成部分[3]。随着人们对气候变化和海洋科学认知的深入，“蓝碳”研究成为一个多学科交叉的研究领域，涵盖生物、化学、经济、政策和法律等内容。“蓝碳”的研究工作之所以受到全面的关注和重视是由于其所具有的碳汇作用与国家应对气候变化和国际履约等重大事务息息相关。目前，“蓝碳”的界定也比原来的生物过程吸收碳量这一定义更为严格和细致，其关键指标之一为某一海洋生态系统吸收碳量的贮存时间。据此，并非所有生物/非生物通过吸收大气CO2所产生的碳保存都可以称为有效“蓝碳”。此外，由甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等为代表的非CO2温室气体排放可能会抵消生态系统的“蓝碳”潜力。因此，为准确量化海洋的碳汇能力，需考虑多种温室气体排放引起的温室效应，即进行综合温室潜力评估。
渔业碳汇是指通过渔业生产活动促进水生生物吸收水体中的CO2，并通过收获把这些碳移出水体的过程和机制，也被称为“可移出的碳汇”[4]。通过这个过程和机制，可以更好地发挥渔业生物的碳汇功能、提高水体吸收大气CO2的能力。渔业碳汇不仅包括藻类和贝类等养殖生物通过光合作用和大量滤食浮游植物从海水中吸收碳元素的过程和生产活动，还包括以浮游生物、贝类和大型藻类为食的鱼类、头足类、甲壳类和棘皮动物等生物资源种类通过食物网机制和生长活动所使用的碳。虽然这些较高营养级的生物可能同时又是碳源，但其以海洋中的天然饵料为食，在食物链的较低层次大量消耗和捕食了浮游植物。当对它们进行捕捞和收获时，实质上是从海洋中净移出了相当量的碳。
中国是世界上最大的海水养殖国家，渔业碳汇的研究已经在中国开展了十多年[5-6]。许多研究者从环境、经济、养殖方式、养殖品种等各个角度对碳汇渔业进行了分析论证[7-8]。另外，微型生物碳泵可能是重要的还未被发掘的碳汇[9-10]，具有较大的应用前景来实现海洋碳汇功能。通过实施养护、拓展和强化等管理措施，并与养护、恢复和提升自然海域蓝色固碳能力相结合，大力发展健康、生态、可持续的碳汇渔业新生产模式，中国的海洋渔业和水产养殖业有望实现4.6亿t/a的蓝色固碳量，约相当于每年10 %的碳减排量[11]。然而，渔业碳汇的过程机制、计量标准等研究目前依然欠缺。鉴于海水养殖具有“海洋负排放”的巨大潜力，可在近海形成产业化的海洋碳汇，因此，探索发展新时代、新技术条件下的特色渔业养殖碳汇研究，是发展低碳经济、解决区域海洋环境问题及实现碳中和的有效途径。
贝、藻类养殖是中国海水养殖的主要组成部分，占全国海水养殖产量的90 %以上。据统计，20世纪80年代初中国贝、藻养殖每年固碳量为3.8×106t，其中有1.2×106t的碳从近岸生态系统中通过捕食，消耗等方式被移除[7]，表明近海养殖的贝类可以通过滤食，藻类通过光合作用等吸收海岸带大量的碳，使之成为有效碳汇，本文主要讨论贝、藻类养殖碳汇的情况。
1.1 大型藻类养殖与碳汇
随着养殖产量的提升，大型藻类养殖的种类也在逐渐增多，从早先的海带(Laminariajaponica)、紫菜(Porphyra)和裙带菜(Undariapinnatifida)增加到当前的江蓠(Gracilaria)和麒麟菜(Eucheumadenti-culatum)等十多个品种，不仅带动了当地经济发展，还提升了其他工业的发展价值(如获取琼脂、生物燃料等)。大型藻类的固碳能力也会因种类有所不同，例如通过室内培养的方式发现麒麟菜的固碳速率为16～68 t/(hm2·a)[12]，而海带、紫菜和龙须菜固碳量分别为7.0、0.2和6.5 t/(hm2·a)[13]。同时，藻类的固碳能力与现场环境也有较大的关系，例如日本大型藻类的平均固碳量为1.3 t/(hm2·a)[14]，澳大利亚海岸带大型海藻所固定的碳为0.4 t/(hm2·a)[15]。我国海岸带的大型藻类碳汇能力也因区域有所差别。以2014年为例，东海藻类的碳汇量分别是渤海、黄海和南海的2.4、1.2和8.2倍[16]。通过对不同海藻养殖的比对研究，于琰(2018)[13]还发现海带是最具有生态修复潜力的大型养殖海藻，其对海洋酸化的生态修复作用要明显强于龙须菜(Asparagusschoberioides)和紫菜。同时，海藻养殖过程中直接观测的碳汇通量也值得关注。例如薛峰等(2019)[17]通过现场观测发现秋冬季紫菜养殖海域表现出强烈的碳汇效应，海气CO2通量为-1.45 μmol/(m2·s)。
1.2 贝类养殖与碳汇
1.3 贝、藻混养养殖与碳汇
2002年，中国海水养殖贝、藻类混养共固定3.0×106t(碳)，其中从海水中共移除1.2×106t(碳)[5]。2015—2017年，辽宁省贝、藻类混养下移除碳量约为2.8×104t[25]。爱莲湾贝类和藻类养殖的生物沉积作用对悬浮颗粒物的贡献分别为4 %和5 %，桑沟湾中长牡蛎对沉积物有机物的贡献可达4 %～28 %[22]。此外，在舟山东极岛进行的围隔实验表明贝、藻混养模式下移除CO2的效果要显著优于贝、藻单独培养时的去除效果[26]。在黄海桑沟湾构建的多营养级综合养殖模式(包括海带-鲍综合养殖和海带-鲍-海参综合养殖等)发现综合养殖固定和移除的碳量比单一养殖高数倍，即可增加经济效益又可高效除碳[27]。这些研究结果均表明贝、藻混养有更好的碳汇移除效率和对生态环境的保护作用。
2.1 养殖碳汇和碳源
狭义上，沿海的“蓝碳”主要包括红树林、海草床和盐沼(滨海湿地)等生态系统所固定的碳。然而，近年来随着越来越多的证据表明海水养殖生态系统(特别是贝、藻养殖)在海洋碳固定中起着重要作用，也被纳入到了广义的“蓝碳”范畴。海水养殖中有效的固定碳，主要包括固定在水产养殖生物体内，可从海水中收获移出的碳(可移出的碳汇)，以颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)、可溶性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)和惰性溶解有机碳(refractory dissolved organic carbon,RDOC)等形式储存在本地或者输运到深海中的碳，以及埋藏在沉积物中的碳[28]。然而并非所有水产养殖都可以成为碳汇，有些反而是碳源。海水养殖生态系统是否属于蓝碳生态系统，取决于其固定的碳是否能长期储存下来，其净结果(如扣除呼吸过程产生的碳和由于扰动作用释放的其他温室气体)是属于碳汇还是碳源。
2.2 养殖碳汇边界定义及其不确定性
较为成熟的“蓝碳”系统，例如海草床、盐碱地和红树林每年固碳总量约为5.3×106t(全球)，其中固碳量最大的为海草床(49 %)，其次为红树林(30 %)和盐碱地(21 %)[29]。与这些生态系统相比，海水养殖类的固碳量则有较大的不确定性。例如大型海藻养殖固定的碳并没有直接进入到底部沉积物中被永久埋藏，而是主要用于自身的生长，这使得这些碳不具备“蓝碳”的属性——即长时间的封存。这些海藻大部分将会通过捕捞的方式移除出水体，进入更加复杂的生态系统循环中：人类摄食、分解、排泄等，进而重新释放到大气中，被称为从海洋中“移除的碳汇”。这部分碳从大气被固定下来再循环回到大气的周期难以被准确测算，因而其碳汇作用和碳汇效率难以被准确的评估。另外，海藻在生长的过程中，也伴随着呼吸作用，这部分由于自身消耗而产生的碳源应当在测算总体碳汇时被考虑。在大型海藻养殖过程中被认为具有唯一“蓝碳”属性的是那部分沉积到海水底部的难以被再矿化的碳。尽管这部分碳所占的比重较低(如野生海藻碳的埋藏率约为1.3 %[30])，但它能够较长时间的埋藏不被分解，从而形成长期的有效碳汇。由此可以看出，大型海藻类养殖的碳汇从移除途径可以大致分为①海水移除碳汇和②海底沉积(包括深海输送)碳汇。他们的价值取决于对有效碳汇循环周期的定义。
贝类海水养殖与藻类类似，一部分碳通过捕捞、收获从海水中移除。这部分碳又分为贝壳和软体组织。其中软体组织中的碳会通过复杂的生态系统循环重新回到大气中，而贝壳可以通过工艺品加工、填埋等方式，将其中的碳较为长时间的封存起来，达到有效碳汇的标准。另一分部是在贝类生长过程中，经过摄食分解后回到水体，最后沉降到沉积物中被埋藏的碳。可以看出，贝类被认为具有比藻类更加成熟的固碳机制因为贝壳是更加稳定的碳汇。但是同时，贝类生长过程中呼吸作用所释放的碳量也存在一定的争议，例如Morris等(2019)[23]指出，贝类形成过程的呼吸作用和钙化过程虽然吸收了溶解无机碳，但是同时也降低了碱度，且降低碱度对海水CO2分压(pCO2)的影响程度要高于减小周边海水溶解无机碳的影响程度，由此造成了海水净的pCO2，即增加了碳源(向大气的排放)。因此，钙化过程的碳酸系统变化过程应该获得现场更加详细的数据和进行更加系统性的研究以准确的界定贝类的碳汇作用和能力。
值得注意的是，不同种类的贝、藻养殖过程，对碳的移除、储存、输运和呼吸排放作用等不尽相同，因此其碳汇边界的界定对碳汇的计算至关重要。例如，若以海水移除碳汇的标准来计算有效碳汇，则显然藻类比贝类更加具有碳汇优势。若以碳封存的较长周期(如≥2 a)为边界定义碳汇，则贝类养殖要明显强于藻类养殖。同时，不同的品种在生长过程中的固碳作用、呼吸作用也需要逐步考虑在碳汇的测算过程中，以增加海水养殖碳汇能力评估的精度和准确度。另外，海水养殖过程中所造成的其他气候相关效应也应该统筹考虑到碳汇的有效性中，以评估该养殖方式的合理性。例如近年来越来越多的学者对“蓝碳”生态系统的净温室潜力进行了重新评估，发现尽管这些生态系统对CO2具有较好的吸收能力，但是同时释放的CH4和N2O却在很大程度上抵消了它们的碳汇能力[31-32]，特别是考虑CH4和N2O在百年尺度上具有比CO2高约25和300倍的温室潜力[33]。在海水养殖方面，研究发现养殖虾类能够显著提高CH4和N2O排放量[34]，降低碳汇能力，但是对于大型藻类、贝类养殖过程中温室气体的测算还比较少见，对于养殖水体净的温室潜力评估还不成熟。因此，在今后的碳汇测算过程中，应同时关注这些温室气体的通量变化，以真正达到碳汇评估的目的。
2.3 养殖碳汇测算方法
目前国内外对于渔业碳汇的测算方法还处于摸索的阶段，因此对于碳汇能力还有待进一步评估。养殖碳汇的估算主要包括贝类和藻类养殖产生的碳汇，其他养殖类型为投饵类型养殖，不能纳入碳汇计算范畴。
①称重法。该方法是最常用、操作最简便的方法。具体手段为将特定养殖海水区域中生长的藻类、贝类通过捕捞、计数、干燥、称重等方式获得其干质量和含碳量，再通过养殖海域的面积、养殖的密度，产品月/季产量等参数估算出通过养殖-捕捞从海水中移除的碳汇。例如贝、藻类养殖碳汇的估算方法已有相关研究报道[5,35-38]，通过养殖的渔获量来计算碳汇[6]。大型藻类的碳汇估算公式如下：
A=3.67×Wcw×ΣM
(1)
式(1)中：A表示养殖藻类的CO2吸收量(g)，Wcw表示不同藻类干重状态下藻体的碳含量(%)，M表示藻类养殖品种的干质量(g)(表1)，3.67为转换系数，取44(CO2的分子量)/12(C的分子量)。
表1 不同藻类干重状态下藻体的碳含量Tab.1 Carbon contents of dried marine seaweeds
养殖贝类碳汇计算方法参考Tang等(2011)[7]，其计算公式如下：
CB=CST+CS
(2)
CST=P·RST·WC
(3)
CS=P·RS·WCs
(4)
式(2)至(4)中：CB表示贝类固定的碳(g)，CST表示软体组织固碳量(g)，CS表示贝壳固碳量(g)，P表示贝类产量(g)，RST表示软体组织干质量比例(%)，WC表示软体组织碳含量(%)，RS表示贝壳干质量比例(%)，WCs表示贝壳碳含量(%)。不同贝类软体组织、贝壳的干质量比例及其碳含量如表2所示。
表2 不同贝类软体组织、贝壳的干质量比例及其碳含量Tab.2 Carbon contents,carbon compositions in dried tissue and shell of shellfishes
然而，这种贝、藻类养殖碳汇估算方法依旧不足，例如未将养殖过程中因使用肥料、船舶燃料动力及电力消耗等潜在的碳排放因素纳入计算范畴。另外，养殖水体也会产生大量的生物碎屑，并在下沉过程中因矿化及再次利用被部分消耗，剩余的碎屑可能在养殖区海水底部沉积物进行埋藏，形成潜在的碳汇。同时养殖水体也会产生大量的溶解有机碳(DOC)，其中部分DOC因难以被微生物利用，形成惰性的溶解有机碳(RDOC)，并往深远海输送及储藏[7]。这样的计算方式估算的是整个养殖过程中能够移除出水体中的净碳含量，对于评估目标养殖海域的碳汇能力具有一定的参考价值。然而，该方法将碳汇渔业的过程简单的处理为投苗-生长-收获，忽视了生长过程中贝、藻类的呼吸作用所释放的碳量以及由于扰动等原因释放的非CO2温室气体(如CH4和N2O)或对气候效应有影响的其他非温室气体(如二甲基硫)的量，因而对养殖体系的净碳汇量或净碳汇能力的估算并不准确。
②室内培养法。该方法是将特定种类的贝和藻置于室内培养池中进行特征性分析的方法，具有较强的针对性。例如Jiang等(2017)[44]利用箱式培养对贝类的摄食、排泄和呼吸过程进行了追踪，并通过测算整个箱体里面元素的变化(包含碳)来细化特征贝类的滤食、排泄和呼吸等过程对碳的移除和释放作用。这种方法的优点在于能够较全面的评估养殖生物的固碳能力，但缺点是无法准确模拟现场复杂的生态系统环境，使得由培养结果推演到现场整体碳汇测算时具有较大的误差。
③海-气界面CO2通量估算法。该方法通常采用静态箱式模型，测量一定时间范围内养殖水体上方密闭箱体中的CO2浓度，再通过截面积、时间梯度变化等估算单位时间单位面积内养殖水体吸收CO2的程度。这种直接测量的方法简单，性价比高，但获得的数据分辨率较低，只能以点代面来表示整个养殖区域，因此误差较大。此外，该通量的测算可能受温度、光照、浮游植物固碳和呼吸作用时间差等因素的影响，且该方法只考虑海-气界面的过程，对于水体生物化学过程(如呼吸、降解、埋藏等)无法追踪，因此仅从海-气通量推导出的碳源、汇结果具有较大的误差。
④碳指纹法。利用生物标志物、碳稳定同位素等特征指示沉积物中被埋藏的碳的组成和含量，从而推导出养殖环境碳埋藏速率。该方法可以较好的指示水体中无机碳的转化过程、有机碳的沉降过程和再矿化过程，能较为准确的估算出最终埋藏在沉积物中的有效碳汇的量。如果同时结合同位素示踪技术和黑白瓶培养则可以估算出净初级生产力，对碳的收支会有更加清晰的认识。但是该方法的成本较高，采样数据点也需要较强的代表性。综合上述方法可以看出，养殖碳汇的测算目前还没有较为统一的方法，且各自的方法均有一定的局限性。要想准确的评估养殖碳汇的能力，未来的测算需要统筹不同方法的优势，形成一套较为成熟的观测体系，才能在实际情况中减少误差，实现精准溯源示踪。
2.4 养殖碳汇未来发展方向
根据上述的争议和问题，要想在海水养殖净碳汇上获得长足的认识，需要有更加合理的减排增汇方案。一方面需增加现场实验并获得高质量的碳汇测算数据，另一方面需根据这些数据来优化养殖方案。目前，由于海水养殖中碳汇边界的定义较为模糊，因此其碳汇的测算依然没有相关标准[7]，这导致目前海水养殖碳汇的测算不够准确。例如大部分的研究选择称重的方式来计算从海水中“移除的碳汇”。然而，在贝、藻类生长过程中(贝类可达4～6个月)，其呼吸作用和其他温室气体排放引起的对碳汇的抵消作用并没有考虑在内，养殖过程中埋藏到沉积物底部或输送到深海的碳汇也没有进行核算，因此这样计算的“移除的碳汇”并不能准确反应该海水养殖中的真实固碳量。定义边界和建立统一的测汇标准将是接下来研发海水养殖“负排放”的关键。
首先，在海水养殖碳汇边界的定义上，建议区分使用长、短周期碳汇。长周期碳汇指通过养殖过程固定或埋藏在沉积物底部、进入深层海水在较长时间周期内(≥2 a)无法进行生态系统再循环(再矿化)的碳，包括通过收获进行工业加工后成为艺术品等长期持有的碳；
短周期碳汇指通过海水养殖获得的具有较短周转时间(<2 a)的碳。这部分碳主要是用于食品、肥料等方面，在从海水养殖过程中固定后较快的进入生态系统再循环。区分长、短周期碳汇能够帮助决策者挖掘养殖碳汇在不同时间尺度下的碳汇潜力，也易于与其他生态系统的碳汇能力进行比较，从而更加科学的纳入到现有的“蓝碳”生态系统体系。
在养殖碳汇测算方面，建议统筹考虑多种温室气体的“碳汇”效应和养殖过程中源对汇的抵消作用。非CO2温室气体(CH4和N2O等)的碳汇抵消/增强作用可以依据IPCC发布的一定时间周期内的(如百年尺度)非CO2温室气体温室潜力与CO2的关系，换算成等当量的CO2排放量，从而估算养殖过程中长、短周期的真实碳汇量(即统筹考虑多种温室气体的综合温室潜力)。同时，碳源的抵消作用应当在进行碳汇核算时予以扣除，而不能以单一的收获量来衡量整个养殖过程的固碳量。因此，在进行养殖碳汇测算时碳汇关系如下：
CNet=CNL+CNS
(5)
CT=CL+CS±Cx-CR
(6)
式(5)、(6)中：CNet表示净固碳量(g)，CNL表示长周期净碳汇量(g)，CNS表示短周期净碳汇量(g)，CT表示总固碳量(g)，CL表示长周期碳汇量(g)，CS表示短周期固碳量(含呼吸及其他由养殖造成的碳源，g)，Cx表示非CO2温室气体等当量CO2的碳汇(+)或源(-)量(g)，CR表示碳源量(g)。可以看出，进行科学的碳汇测算需要多学科交叉进行，而非传统的单一学科。因此，未来海水养殖碳汇测算工作可能会形成新的综合学科类型，以满足国家碳中和、碳达峰的远景目标。
另外，海水养殖结构的优化(如多营养级综合养殖模式)将会有效的提升海水养殖碳汇能力[5]。例如贝、藻类混养模式是否可以增加碳汇潜力可能是目前值得探索的海水养殖增汇方案之一。藻类是海水中较大的有机碳储库，它们在生长过程中产生的碎屑可以被用来供给贝类的摄食活动，从而转化为贝壳和软体组织中的碳，且贝、藻类混养模式下CO2的移除效果要优于贝、藻类单独养殖[23]。在贝、藻类混养中，不同种类的混养和不同比例的混养可能对碳汇的吸收能力也会有所不同。因此，优化海水养殖结构，调整贝、藻类比例，构建不同养殖种类的综合养殖新模式可能是增加未来海水养殖碳汇的有效途径之一。
目前，海水养殖有望在短期内实现较大的碳汇移除量。然而，其碳汇边界的定义、碳汇监测的手段、养殖碳汇的评估方法等尚未达成统一的标准，使得不同养殖环境的碳汇潜力无法与其他生态系统(如滨海湿地、盐碱地和海草床等)进行比较并纳入有效碳汇范畴。因此，亟需统一碳汇评估标准和海水养殖碳汇监测规程，建立新的较为完善的评估手段，形成全国海水养殖碳汇评价网络。
海水养殖，特别是贝、藻类养殖碳汇的前沿问题依然需要深入的探索。例如目前对贝类呼吸作用所占碳汇的比例、不同养殖类型贝类的固碳能力、养殖过程中由于扰动造成的其他温室气体(如CH4、N2O)和非温室气体(如二甲基硫)的排放等问题认识还不清楚。因此未来在对养殖碳汇进行测算评估时需要同时考虑其他温室气体所造成的综合温室效应，以更准确的评估其养殖模式的碳汇能力。
海水养殖可能是未来实现碳达峰和碳中和目标的有效途径之一。通过建立合理的养殖模式，优化养殖结构，建立有效监测技术，完善现有碳汇评估标准，可以实现“蓝色粮仓”、“绿色生态”和循环经济的平衡发展。
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