海洋占据了地球表面积的70%，从海洋中获取食物，发展海洋经济，是缓解粮食短缺这一世界性问题的重要手段之一。工业革命之后，由于人类使用化石燃料无节的制排放和对树木的乱砍乱伐，导致大气CO₂浓度增加，所引起的“温室效应”是目前人类最为急切解决的问题之一。全球碳循环是国际地圈–生物圈计划(IGBP)的核心问题之一。人类通过燃烧的方式利用化石燃料，并向大气中排放CO₂，人类活动每年向大气中排放约为6 Gt的碳，这些碳被海洋吸收了约1/3，被吸收的碳量为2.2 Gt/a(Baliño et al, 2001)。海洋在吸收CO₂、调节全球气候，缓解“温室效应”对全球气候带来的变化做出了巨大贡献。碳是主要的生命元素，CO₂在海–气界面转移的生物化学过程是关键的海洋碳循环过程，研究海–气界面CO₂交换通量是认识CO₂在海水中转移与归宿的基础(李宁等, 2005)。我国在世界海水水产养殖产量和养殖规模上都稳居第一，人类的养殖活动可能成为减排增汇的有效手段(Tang et al, 2011)。我国学者在2010年左右率先提出“碳汇渔业”的概念，近年来的不断探索在世界范围内引起了广泛关注，并逐渐被人们接受。目前，有关海–气界面CO₂交换通量的研究主要集中在开阔海域，对人类活动集中的陆架边缘海中不同养殖区的研究鲜见报道。目前，对养殖区与非养殖区之间的不同变化影响研究(蒋增杰等, 2013)较少，随着“碳汇渔业”研究的不断深入，研究不同养殖模式对海–气界面CO₂交换通量的影响就显得尤为重要。

桑沟湾是我国典型的多营养层次综合养殖海域之一，同时也是我国北方重要的藻类养殖基地，养殖总面积达135 km²。湾内共划分4个养殖区，分别是网箱养殖区、贝类养殖区、贝藻混养区以及藻类养殖区。本研究在2014年5月20–24日，通过对桑沟湾表层海水pCO₂等参数的大面调查，以及不同养殖区的昼夜变化监测。分析了该海域不同养殖模式的CO₂交换通量及其影响机制。

桑沟湾位于山东半岛的最东端，是半岛东侧最开阔的海湾，海湾面积约为150 km²。桑沟湾内分4类养殖区，湾内为贝类养殖区，靠近湾口为藻类养殖区，中间是贝藻混养区，网箱养殖区位于湾内的西南角。桑沟湾养殖海区分布情况以及本研究的调查站位见图 1，共设置14个调查站位，于2014年5月20日高潮时，分别由两条调查船沿海流方向同时出发，调查两条断面(断面1包括18、15、10、6、3、1、21站位; 断面2包括19、14、11、5、4、22站位)。另外，于5月21–24日分别在贝类养殖区、藻类养殖区、网箱养殖区进行24 h的连续观测。

图 1(Fig. 1)

图 1 桑沟湾调查站位 Figure 1 Sampling stations in Sanggou Bay A、B、C分别为贝类养殖区、藻类养殖区、网箱养殖区的连续监测站 A, B and C refer to continuous observation stations in bivalves area, seaweed area and net-cage area, respectively

所有取得的样品均按《海洋监测规范》(GB17378.3-2007)中规定的方法采集、处理和保存。现场使用美国YSI-EXO2型水质分析仪直接测定和读取溶解氧(DO)、水温(T)、pH(相对精度±0.01)及盐度(S)等海洋监测指标。利用水样采集器采集表层水样并迅速导入2.5 L加仑桶，现场用GF/F膜及醋酸纤维素膜抽滤，将GF/F膜抽滤后的水样移入提前经过马弗炉450℃ 4 h灼烧过的30 ml广口瓶中，用于溶解无机碳(DIC)的检测。醋酸纤维素膜和抽滤后的水样于4℃保存，用于叶绿素a (Chl-a)以及总碱度(TA)的分析。TA采用自动电位滴定法测定(自动滴定仪848Titrino plus, Metrohm公司, 瑞士)，测量精度±0.01 μmol/L。DIC采用德国耶拿Multi N/C总有机碳分析仪直接测得，表层水CO₂分压(pCO₂)由德国SubCtech公司的OceanPack走航仪进行测定。

目前，关于海气界面CO₂交换通量的计算模式较多，其中，以Wanninkhof(1999)提出的模式应用比较广泛(Rehder et al, 2001; Ternon, 2000)，海–气界面CO₂交换通量采用以下公式进行估算：

式中，F为海–气界面CO₂交换通量(mmol/m²·d)，F值为CO₂交换通量即大气CO₂源汇的强度，正负代表源汇的方向。当海水从大气中吸收CO₂，表现为汇时F为负值; 当海水向大气中释放CO₂时，表现为源F为正值。k为海–气界面气体传输速度(cm/h); α_s为CO₂在海水中的溶解度系数(mol/kg·atm)，是与温度和盐度相关的函数，参照Weiss(1974)公式计算得到; ∆pCO₂是海水与大气中pCO₂的差值。本研究中，大气pCO₂取值为397 μatm(World Meteorological Organization, 2014)，海气界面气体传输速度k取大陆架海区的平均值10.3(Tsunogai et al, 1999)。

等值线的绘制采用Surfer 8.0软件; 差异显著性及相关性分析采用SPSS 17.0软件，P < 0.05为差异显著。

由于桑沟湾内水位较浅，受光照影响近岸升温较快，水温的变化趋势由湾内向湾外递减。水温的最高值为16.89℃(19站位)，最低值为11.47℃(1站位)，相差5.42℃。盐度集中在30.20–30.94之间，变化较小。Chl-a的浓度介于0.14–1.40 μg/L之间，平均值为(0.67±0.39) μg/L，平面分布从湾内向湾外逐渐升高(图 2-a)。TA的平面分布趋势是从湾内向湾外递增(图 2-b)，变化幅度为2251.93–2849.68 μmol/L。DIC的浓度范围为2120.74–2284.13 μmol/L，平均值为(2213.91±43.05) μmol/L，平面分布的趋势是由湾内向湾外递减，并在外海空白区有一个明显升高的趋势(图 2-c)。由于数据丢失，DO只有一条断面的数据得以保留，通过对剩余数据的分析，DO的变化也大体呈现由湾内向湾外递增的趋势。pH值的变化范围为7.44–8.27，最低值出现在贝类养殖区，最高值出现在藻类养殖区，平面分布也是由湾内向湾外递增。

图 1(Fig. 1)

图 2 桑沟湾春季表层水中叶绿素a、总碱度、溶解无机碳浓度和CO2分压的空间分布 Figure 2 Spatial distribution of Chl-a, TA, DIC and pCO2 of surface water in Sanggou Bay in spring

调查海区表层海水中pCO₂的平面分布见图 2-d。从图 2-d可以看出，在桑沟湾养殖海域表层海水的pCO₂平面分布呈现从湾内到湾外逐渐降低的趋势，最高值出现在网箱养殖区，为402.56 μatm。且不同养殖区之间的pCO₂差异显著(P < 0.05)。

表层海水中pCO₂的变化范围在323.42–402.56 μatm之间。按照不同养殖海区划分各站位的CO₂交换通量值F见表 1。空白区、藻类区、贝藻混养区、贝类区、网箱区的CO₂通量分别为(–3.30±0.35)、(–15.40±1.28)、(–4.32±1.41)、(–1.02±0.83)、8.14 mmol/(m²·d)。除网箱区外，其他各区都表现为汇区。其中，藻类区的F值最大，其次是贝藻混养区，贝类区最小。各区之间的差异性显著(P < 0.05)。

表 1(Tab. 1)

表 1 桑沟湾不同养殖区的CO2通量F Table 1 Flux of CO2 in different areas of Sanggou Bay 养殖区 Culture area 站位 Station CO2交换通量F (mmol/m2·d) 空白 Control 21 –3.68 1 –3.23 22 –3.00 平均值 Mean –3.30±0.35 藻类 Seaweed 3 –14.50 4 –16.31 平均值 Mean –15.40±1.28 贝藻 Bivalves and seaweed 5 –6.22 6 –4.43 10 –3.70 11 –2.93 平均值 Mean –4.32±1.41 贝类 Bivalves 14 –0.68 15 –2.08 18 –1.21 19 –0.12 平均值 Mean –1.02±0.83 网箱 Cage 13 8.14

表 1 桑沟湾不同养殖区的CO2通量F Table 1 Flux of CO2 in different areas of Sanggou Bay

藻类、贝类、网箱养殖区24 h连续监测的结果见图 3–图 5(贝类养殖区的DO和温度数据丢失)。从图 3–图 5可以看出，藻类区的温度明显低于贝类区及网箱区，与走航调查的结果一致。各监测点之间以及每个监测点的盐度昼夜变化都不大。贝类区的pH显著低于藻类区和网箱区(P < 0.05)。藻类区的平均DO浓度为(9.37±0.35) mg/L，显著高于网箱区(P < 0.05)(贝类区溶氧数据丢失无法比较)。藻类区的Chl-a浓度最高，平均值为(1.56± 0.54) μg/L，网箱区最低，平均值为(1.18±0.20) μg/L。藻类区、贝类区、网箱区pCO₂的24 h平均值分别为(320±14)、(330±10)、(413±37) μatm。相互间关系为藻类区 < 贝类区 < 网箱区，与走航调查的结果相一致。藻类区的pCO₂变化范围为298–340 μatm，最大值与最小值相差42 μatm，贝类区pCO₂变化范围为313–344 μatm，最大值与最小值相差31 μatm，网箱区pCO₂变化范围为324– 467 μatm，最大值与最小值相差143 μatm。藻类区与贝类区的pCO₂与Chl-a浓度显著负相关，同时，藻类区Chl-a与DO显著正相关(R=0.97, P < 0.01)。

图 1(Fig. 1)

图 3 藻类养殖区环境参数的昼夜变化 Figure 3 Daily changes of environmental parameters in seaweed area

图 1(Fig. 1)

图 4 贝类养殖区环境参数的昼夜变化 Figure 4 Daily changes of environmental parameters in bivalves area

图 1(Fig. 1)

图 5 网箱养殖区环境参数的昼夜变化 Figure 5 Daily changes of environmental parameters in cage culture area

通过连续24 h观测，网箱养殖区始终是CO₂的源区，Chl-a、pH值等相关参数的变化幅度较小，且网箱养殖区更靠近陆地，受陆源以及人为因素的影响较大，导致网箱养殖区各时间点参数均无明显的相关性，但从总体分析来看，网箱区较其他区的低Chl-a浓度，低pH值仍然可以解释此区域的高pCO₂。

走航作业中，DIC最低值出现在藻类养殖区3站位，最高值出现在贝类养殖区15站位，DIC含量的最高值与最低值相差约164 μmol/L。由于调查海区筏架较多，且盐度相差较小，可以排除海流对DIC分布的影响作用，但是整个桑沟湾内表层海水温差较大，湾内贝类养殖区温度比湾外藻类养殖区温度高5℃左右，通过CO₂ SYS软件对温度差进行校正发现，当温度升高5℃时，会促使DIC降低27 μmol/L。扣除温度的影响，藻类养殖区的DIC含量仍然低于贝类养殖区，可见大型藻类对DIC的大量消耗，所以，DIC的浓度差异是大型藻类的光合作用消耗的结果。各站位pH差别较大，最低值出现在贝类养殖区，最高值出现在藻类养殖区。贝类自身的呼吸排泄导致贝类养殖区pH降低，而大型藻类的光合作用可以提高水体pH值，有效改善水体环境(Tang et al, 2011)。所以，从pH的差别可以推断，不同养殖模式对水质的变化也有直接影响。

表层海水pCO₂会受到物理、化学、生物的各种影响，水温和盐度是重要的影响因素之一(Weiss, 1974)。温带表层海水pCO₂和水温之间存在显著的正相关关系(宋金明, 2004)。本研究结果并未与这种普遍规律相一致。可能的原因是养殖生物的生理活动对表层海水pCO₂变化的影响强度大于温度对海水pCO₂变化的影响，且桑沟湾内水温差形成的主要原因是湾内筏架较多，水体交换不明显，湾内水深较浅，受光照影响升温较快。在本次调查中由于仪器原因，丢失了其中一条断面的DO数据，导致数据不完整，无法准确分析相关参数的相关性。通过对剩余一条断面DO的分析，整体分布趋势是由湾内向湾外递增，且DO浓度与本条断面的Chl-a浓度呈现正相关(R=0.89, P < 0.05)，与表层水pCO₂呈负相关(R=0.90, P < 0.05)。可以推断，在春季桑沟湾养殖海区影响表层海水pCO₂的主要因素是大型藻类的光合作用，即光合作用越强，吸收的CO₂越多，释放的O₂越多，海水中的pCO₂越低。

春季是藻类的生长旺季，大型藻类在生长过程中可以通过光合作用吸收水体中的DIC，从而降低水体中DIC的浓度和表层水的pCO₂，提高水体pH值，有效改善水体环境(韩婷婷, 2013)¹⁾。DIC浓度的高低，也会成为影响大型藻类生长的限制因子(Zou et al, 2004)。走航调查和定点连续监测的结果都显示，DIC和pCO₂浓度最低值出现在藻类养殖区，与上述大型藻类的光合作用功能相一致，由于DIC的消耗在一定程度上也会促使海洋吸收大气中的CO₂，从而使pCO₂下降(Tang et al, 2011)。藻类区的高Chl-a浓度以及高DO可以推断，藻类的光合作用在海–气界面CO₂交换通量的变化中起到主导作用。因此，藻类养殖区表现为CO₂的汇区。

1) Han TT. Photosynthetic physiological responses of macroalgae to different CO₂ concentrations and their ecological effects. Doctoral Dissertation of Chinese Academy of Sciences, 2013 [韩婷婷.大型海藻对不同CO₂浓度的光合生理响应及其生态效应.中国科学院研究生院博士研究生学位论文, 2013]

春季的藻类和贝类生长活动旺盛，桑沟湾的碳酸盐体系受藻类和贝类生长活动的影响，以及他们之间的相互作用，造成了这一体系的异常复杂。研究何种养殖活动对pCO₂的影响占据主导地位，对研究桑沟湾海区海–气界面CO₂交换通量起着至关重要的作用。通过相关性分析显示，pCO₂与Chl-a成显著负相关(R=0.87, P < 0.01)，可以推断，光合作用对影响表层水pCO₂起到决定性作用。Chauvaud等(2003)和Martin等(2006)在研究野生贝类群落对海洋碳循环影响的过程中认为，贝类会在生长过程中呼吸和钙化释放出CO₂，从而认为贝类群落应该是碳源。在本次调查中没有发现贝类养殖区的pCO₂高于空气中的pCO₂。虽然贝类养殖区的CO₂交换通量F最低，但是仍然表现为CO₂的汇区。通过分析发现，贝类自身旺盛的呼吸代谢作用提高了该区域表层海水中CO₂的含量，这也是导致了贝类养殖区pH值较低的原因。虽然贝类养殖区的Chl-a浓度较其他养殖区域略低，但是整个桑沟湾海区的营养盐浓度水平较高，浮游植物可以大量繁殖，贝类的滤食作用又可以促进浮游植物的生长。浮游植物的光合作用会降低水体中的pCO₂ (张龙军等, 2008)，说明贝类养殖区浮游植物的光合作用可以抵消部分贝类的呼吸和钙化作用，从而使得海水中的pCO₂仍然低于大气。所以对浮游植物等的固碳作用也应有充分的认识。同时作者也认为，若养殖密度过大，贝类养殖区将对环境造成一定的负面影响。pH降低过多会严重影响贝类的钙化和呼吸活动，不利于贝类的生长。Zhang等(2011)研究表明，pH值为7.3时，栉孔扇贝(Chlamys farreri)的钙化率接近于0，将不能合成贝壳。所以，如何在保证经济利益的同时科学养殖贝类是我们面临的一大问题。

网箱养殖区表现为CO₂的源区，可能是春季(5月)气温升高，正是鱼类繁殖与生长的季节，鱼类的呼吸作用占据了主导地位，从而影响了CO₂交换通量，使网箱养殖区成为CO₂的源区。不同的养殖活动对海–气界面的CO₂交换通量有不同的影响结果。但本研究所得到的不同养殖区CO₂交换通量的变化趋势与邱爽等(2013)对桑沟湾2012年春季pCO₂分布的研究结论不同。可能的原因是，本研究海区水体环境情况良好，而张继红等(2013)在调查中遇到赤潮发生，而浮游藻类大量繁殖造成的赤潮可能会导致调查结果的偏差。最后，根据近年来对大气中CO₂含量的检测，发现空气中pCO₂有时会超过400 μatm，本研究仍采用世界气象组织2014年温室气体公报中的CO₂平均值，可能会与实际情况存在差别，进而会造成实验误差。

在本研究中，通过对藻类和贝类养殖区的24 h连续监测，更好地验证了走航调查中所得出的相关推论。同时，根据昼夜变化的数据分析可以推断，养殖生物的生理活动对表层海水pCO₂的变化也有影响。在藻类养殖区，夜间藻类进行呼吸作用，光合作用减弱，表层海水pCO₂升高，pH值降低，同时，由于光合作用的减弱，藻类对DIC的利用也会减弱，夜间DIC浓度高于日间DIC浓度。在贝类养殖区，表层海水中pCO₂与Chl-a、pH呈负相关关系，与DIC、TA成正相关关系(李宁等, 2005)。同时，贝类养殖区的DIC最高、pH值最低也证明了不同养殖活动对水体环境的不同影响。

本次调查中，春季桑沟湾养殖海区除网箱养殖区外都表现为大气CO₂的汇区。其中，CO₂交换通量表现为藻类养殖区 > 贝藻混养养殖区 > 空白海区 > 贝类养殖区，说明在一定条件下，贝类养殖区仍然可以表现为大气CO₂的汇。不同养殖模式对CO₂交换通量的影响差异显著。此次调查中，Chl-a是影响海–气界面CO₂交换通量F的主要因素之一，DO、pH和DIC是表层海水中pCO₂的影响因子。藻类对DIC的吸收和利用会在一定程度上影响碳酸盐体系的平衡，促使平衡向着CO₂溶解的方向进行，同时提高水体pH，有效地改善水体环境。而贝类的呼吸排泄导致水体中pH降低，过度养殖贝类将会对环境有一定负面影响，并且可以预见若贝类养殖密度过大，贝类养殖区可能会出现CO₂的源，所以适当的贝藻混养可以有效地保护水域环境、提高作物产量。