本文即將刊載於《中國科學院院刊》2021年第3期專題“服務碳中和目標的海洋負排放技術路徑與戰略思考”
張繼紅1 劉紀化2 張永雨3 李 剛4
1 中國水產科學研究院黃海水產研究所
2 山東大學海洋研究院
3 中國科學院青島生物能源與過程研究所
4 中國科學院南海海洋研究所
作為負責任的大國，2020 年中國作出了 2030 年碳達峰和 2060 年碳中和的承諾。然而，由於中國經濟正處於高速增長階段，這使得我國目前已成為全球 CO2 排放總量最多的國家，僅靠減少排放量難以實現控制 CO2 排放的目標。因此，在減排的同時加強增匯是實現碳中和目標的必然途徑。
藍碳（blue carbon），也稱海洋碳匯，是利用海洋活動及海洋生物吸收大氣中的 CO2，並將其固定在海洋中的過程、活動和機制。海岸帶的紅樹林、濱海沼澤、海草床等海洋生態系統及浮游植物是海岸帶藍碳的主力軍，近海（含海水養殖區）、開闊大洋及深海中可長久儲存的碳具有更大的藍碳儲量。
海洋作為地球上最大的碳庫，碳儲量約為 3.9×105 億噸，每年約吸收排放到大氣中 CO2 的 30%。海洋的巨大負排放潛力，成為國際研究熱點，同時促進了藍碳研究的發展。保護國際（CI）、世界自然保護聯盟（IUCN）、政府間海洋學委員會（IOC）和聯合國教科文組織（UNESCO）等國際組織通過與各級政府的合作，在全球範圍推廣藍碳的政策與科學研究。
隨著海洋藍碳逐漸進入人們的視野，漁業生物的碳匯功能也受到關注。“碳匯漁業”正是在這種背景下提出的發展漁業經濟的新理念。
中國是世界上最大的海水養殖國家，養殖貝類、藻類等帶來的漁業碳匯的研究已經在中國開展了十幾年。雖然從藍碳的廣義概念上，我國將養殖貝藻類列入藍碳範疇，“海洋微生物碳泵”（MCP）理論及養殖區增匯的潛在路徑於 2019 年納入了聯合國氣候變化專門委員會（IPCC）《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》的負排放方案。但是，關於貝藻類養殖的負排放的科學原理、過程機制、計量方法及增匯途徑等研究目前依然欠缺。
2020 年 12 月召開的中央經濟工作會議將“做好碳達峰、碳中和”工作列入 2021 年要抓好的 8 大重點任務之一。做好碳達峰、碳中和工作，對我國實現經濟行穩致遠，全面建設社會主義現代化國傢俱有深遠意義。基於此，本文試從海水養殖在“海洋負排放”中的戰略地位作用為視角，闡釋漁業碳匯的研究進展、存在問題和可能影響，提出踐行“海洋負排放”的技術途徑和對策建議。希望能為我國踐行碳中和承諾、積極參與全球碳排放治理提供參考和借鑑。
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海水養殖在“海洋負排放”中的戰略地位和作用
以非投餌型的貝藻為主是中國海水養殖的特點
中國是海水養殖大國，養殖生物以不投餌、低營養級的大型藻類和濾食性貝類為主，養殖結構相對穩定。與世界上其他國家相比，中國的海水養殖具有養殖產量高、規模大、養殖種類繁多、多樣性豐富、營養級低、生態效率高的特點。
例如，2019 年中國海水養殖的產量為 2065 萬噸，以非投餌型的大型藻類（254 萬噸淡幹）和濾食性貝類（1439 萬噸）為主 ，非投餌率佔海水養殖總產量的 80% 左右；並且，養殖生物的營養級範圍為 2.24—2.27，遠低於世界發達國家（如歐洲國家）和其他發展中國家（如東南亞國家）。
聯合國糧食及農業組織（FAO）2020 年公佈的數據彙編顯示，2018 年我國的海水貝類、藻類養殖總量和總產值均居世界首位。中國水產養殖結構特點符合現代發展的需求，不僅提供了優質蛋白，還解決了居民吃魚難的問題，更為農民增收和漁業結構調整作出了重要貢獻。同時，這種養殖結構也對減排 CO2、緩解海域富營養化發揮積極作用。
“海洋可移除的碳匯”：海水養殖貝藻生物量碳
海洋初級生產是海洋光合生物利用光能將 CO2 同化為有機物的過程。作為初級生產者，大型藻類是海洋碳循環過程的起始環節和關鍵部分。大型藻類通過光合作用將海水中的無機碳轉化為有機碳，同時吸收營養鹽以構建自身的結構物質。
海藻對溶解 CO2 的吸收可以降低 CO2 分壓，打破水體的碳化學平衡，加速大氣 CO2 向海水溶入；再者，海藻生長過程對營養鹽的吸收可以提高養殖海區表層海水 pH 值，進一步降低 CO2 分壓，促進並加速了大氣 CO2 通過碳酸鹽平衡體系向海水中擴散，二者均起到了積極的碳匯作用。
濾食性貝類可通過鈣化和攝食生長利用海洋中的碳，增加生物體中的碳含量；但是，考慮到碳的儲存週期，這部分生物體中的碳無法長久封存。據統計，我國每年通過收穫貝類可以從海水中移除近 200 萬噸的碳，相當於義務造林約 50 萬公頃。
“可產業化的藍碳”：我國未來發展海洋漁業碳匯潛力巨大
我國作為海洋大國和海水養殖第一大國，發展海洋漁業碳匯潛力巨大。
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海洋自然條件優越，空間資源優渥
我國有近 300 萬平方公里的主張管轄海域，15 米等深線以內的淺海灘塗面積約 1240 萬公頃，20—40 米水深的海域面積約 3700 萬公頃，而目前我國海水養殖面積僅為 204 萬公頃，未來海水養殖的空間潛力巨大。
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海洋生物資源豐富
我國海水養殖種類豐富、營養層次多樣，而且隨著良種培育技術的提高，每年不斷有新品種問世，這使得篩選高效固碳養殖品種、建立多種形式的增匯模式（如輪養、間養、空間立體養殖、多營養層次綜合養殖）成為可能。
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海水養殖技術成熟
目前，我國海水養殖產業已形成了新品種培育—苗種繁育—增養殖技術—收穫加工整個產業鏈。海水養殖既可提供大量優質藍色海洋食物，又能著力於“海洋負排放”，是雙贏的人類生產活動，未來有望成為發展潛力巨大的“可產業化的藍碳”。
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海水養殖的碳匯效應研究進展與問題
養殖生態系統的碳匯效應
海洋貝類通過濾食、呼吸、鈣化、生物性沉積等過程對浮游植物、顆粒有機碎屑、海水碳酸鹽體系、沉積埋藏等碳的生物地化過程影響很大。
養殖貝類主要可通過兩種途徑利用海洋中的碳：一種方式是通過鈣化直接將海水中的碳酸氫根（HCO3-）轉化形成碳酸鈣（CaCO3）貝殼，另一種方式是通過濾食水體中的顆粒有機碳（包括浮游植物、微型浮游動物、有機碎屑、微生物等）合成自身物質，增加生物體中的碳含量。
而未被利用的有機碳則通過糞粒和假糞粒的形式沉降到海底，加速了有機碳向海底輸送。因此，我們不僅可以通過收穫養殖貝類從海水中移除碳，還可以通過養殖貝類的“生物泵”和“鹽酸鹽泵”從海水中移除碳。
但是，超負荷的貝類養殖會對浮游植物產生下行控制作用，影響初級生產力；而且，貝類鈣化是個雙向的複雜過程。因此，關於養殖貝類的碳匯效應需要從整個生態系統來考量，有待進一步研究以提供充分的科學證據。
漁業碳匯機理研究亟待加強，以科學考量漁業碳匯效應
碳足跡（carbon footprint）研究亟待加強，以科學考量漁業碳匯效應。例如，大型藻類光合作用具有很強的吸收固碳能力，但如果不及時收穫，成熟的藻類將會很快腐爛分解，固定的碳又返回海水中，在微生物的進一步作用下甚至重新返回大氣。因此，大型藻類在收穫後可以作為食品、餌料、飼料及工業原料，延長碳的釋放過程；並且可以作為低碳強度的產品替代高碳強度的產品或者生物質能源。
藻類的養殖有可能成為長期的碳匯。在藻類生長過程中產生的碎屑有機碳，可以通過傳統食物鏈成為其他生物的食物來源，或者通過直接的沉降作用最終沉積埋藏於海底或被輸運到深海中。另外，大型藻類在生長過程中釋放的溶解有機碳（DOC）和顆粒有機碳（POC），可以在微食物環作用下，進入食物網或形成惰性有機碳（RDOC）而長期駐留在海水中。
當前，基於營養鹽調控的人工上升流已被納入IPCC報告。可見，以養殖貝藻為主的漁業碳匯的形成機制，已經涉及傳統的“溶解度泵”“碳酸鹽泵”“生物泵”（BP）及近年提出的“微生物碳泵”，是一個極為複雜的過程。
養殖貝藻帶來的漁業碳匯從最初的“可移除碳匯”到 POC 的沉積埋藏和水體 RDOC 形成等研究的不斷深入（圖 1），使人們認識到只有弄清漁業碳匯機理、量化過程，才能最終給出科學的計量方法，從而推動漁業碳匯的碳補償、碳交易、碳市場。
圖1 通過養殖大型藻類和貝藻綜合養殖進行“海洋負排放”的示意圖
全球氣候變化對海水養殖的影響
海水養殖具有“海洋負排放”的巨大潛力，同時，全球氣候變化也反作用於海水養殖產業。全球氣候變化對海水養殖影響的研究依然存在諸多的未知量和不確定性，表現出 2 個顯著的特徵：
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全球變暖和極端天氣的頻率和程度增加
全球變暖導致的升溫會改變養殖貝藻生物的代謝過程（如生長、呼吸等），在改變其體內物質淨累積的同時也改變其品質，最終影響其對碳的固定與存儲，以及碳匯功能，而極端天氣（如颱風）對海水養殖的破壞效應更是難以估計。
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海洋酸化
海洋酸化可以影響初級生產者體內的生物大分子（如脂肪酸）、次級代謝產物（如苯酚類）、生源要素（如碘）等生化組分的含量和比例，也可以改變初級生產者的群落結構和生物組成，從而影響海洋食物網中物質和能量從初級到次級生產者及更高營養級的傳遞，引發食物鏈效應。
這種上行效應會影響海產品的品質，甚至危及人類健康。淨現值估價法分析結果顯示，海洋酸化對中國貝類產業經濟的潛在影響巨大，未來 100 年內中國貝類產業經濟將可能面臨 142 億—11500 億美元的現值損失，損失程度與海洋酸化程度相關。
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踐行“海洋負排放”的技術途徑
養殖環境的碳匯途徑主要包括通過生物泵過程形成的 POC 在養殖區沉積環境中的埋藏、通過微生物泵過程形成的 RDOC，以及輸入深海的碳封存。在加強養殖固碳機理、計量方法和碳足跡研究的基礎上，增強生物泵和微生物泵的活動，如人工上升流、貝藻綜合養殖、海洋牧場等，將提高近海及河口養殖區固碳增匯的能力，促進“海洋負排放”。
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拓展養殖空間，提高養殖單產
養殖貝藻的可移除碳量與單位面積養殖貝藻的產量和單位生物體內的碳含量呈正相關，因此提高單位面積的產量和篩選個體碳含量更高的貝藻是提高碳匯量的途徑。通過篩選高固碳率的養殖品種、改進養殖技術和養殖模式等方式，合理高效利用養殖海域，可提高單位面積的產量，進而提高單位面積的可移除碳量。同時，突破貝藻常規生長環境（如適溫範圍等），選育適溫範圍更廣的品系、拓寬特定物種的生長空間、增加養殖面積，是實現養殖增匯的另一有效途徑。
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完善養殖容量管理制度，促進海水養殖綠色發展
基於養殖生態容量進行標準化養殖，以保障貝藻養殖的穩產和高產。過去海水養殖規模盲目擴增，超負荷養殖，嚴重破壞了養殖水環境，使得病蟲害加劇、赤潮等災害事件頻發。因此，這不能增加養殖產量，還嚴重危及了養殖業的可持續發展。基於養殖容量管理制度，形成結構優化、密度適宜、功能高效的養殖生態系統，才能實現海水養殖的綠色發展。
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推廣多營養層次綜合養殖模式
多營養層次綜合養殖模式（IMTA）不僅實現了碳的有效循環利用，加速了生物泵的運轉，使各個營養層級生物的碳匯能力得到充分發揮，進一步提升了養殖系統對 CO2 的吸收利用能力；此外，通過 IMTA 可以減輕甚至消除養殖過程對環境的壓力，有利於養殖系統穩定地可持續地產出。
在比例合理的貝藻混養體系中，藻類不僅能夠吸收貝類代謝所釋放的氮、磷等營養物質，還可以吸收貝類呼吸釋放出的 CO2；貝類生長過程中則可以通過濾食浮游植物及藻類碎屑和凋落物等，一方面可以淨化水質、增加水體光照，為藻類生長提供更多的能量；另一方面可以防止浮游植物與藻類競爭營養鹽，有利於養殖藻類的生長和碳累積。在貝藻相互作用的過程中，整個綜合養殖系統中的碳匯功能相比單品種養殖實現了很大程度的提高。
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實施人工藍碳“藍碳牧業”（海洋牧場）工程
通過人工魚礁等工程技術，復建原有種群和群落，推動傳統漁場、海洋牧場資源恢復。以“蠣礁藻林”工程為例：以人工塊體為附著基恢復淺海活牡蠣礁群，建立以活牡蠣礁為基底的野生海藻場，形成野生貝藻生態系統，拓展藍碳富集區，同時為海洋生物提供棲息地，建立穩定長效的生態系統碳匯區。
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實施海洋人工上升流增匯工程
在大型海藻高密度養殖區，養殖密度過大會造成上層水體內營養鹽極度缺乏，無法滿足海藻快速生長的需求，甚至會引發海藻在春季的大量死亡；與此同時，在養殖區海藻無法生長的底層水體中氮、磷較為豐富，卻得不到有效利用。
通過施用人工上升流技術將深層水體中過剩的營養鹽輸送到上層水體，可以充分滿足海藻等光合固碳、生長對營養鹽的需求。適宜的營養鹽濃度不僅可提高海藻產量，還可提高生物泵與微型生物碳泵的綜合效應，從而增加近海碳匯。人工上升流作為一種地球工程系統，可以持續地將真光層以下的深層高營養鹽海水帶至真光層。這個過程不僅會提升總的上層營養鹽濃度，也會調整因生物生長利用、釋放所引起的氮、磷、硅、鐵等比例的失衡，有利於藻類及浮游植物光合作用，增大漁獲量和養殖碳匯，還可以增加生物泵效率的方式增加向深海輸出的有機碳量。
中國的人工上升流系統研製處於國際先進水平，已設計並製備了一種利用自給能量、通過注入壓縮空氣來提升海洋深層水到真光層的人工上升流系統，並取得了較好的海試效果。
張繼紅 中國水產科學研究院黃海水產研究所研究員。中國水產學會理事，農業農村部海洋牧場建設專家諮詢委員會委員。全國農業傑出人才及創新團隊負責人。主要從事海水養殖生態、容量評估、多營養層次綜合養殖理論與技術、漁業碳匯等方面的研究。主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金等科研項目，發表學術論文 100 餘篇，授權專利 20 餘項。
