2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所 农业农村部海洋渔业与可持续发展重点实验室 山东 青岛 266071
2. Key Laboratory of Marine Fisheries and Sustainable Development, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071, China
在全球碳循环中包含“源”和“汇”两个重要的环节。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)定义“碳汇”是指从大气中移走CO2、甲烷等温室气体、气溶胶或它们初期形式的任何过程、活动和机制;“碳源”是指向大气释放CO2、甲烷等温室气体、气溶胶或它们初期形式的任何过程、活动和机制。唐启升等(2022)根据IPCC关于碳汇和碳源的解释和水生植物固碳特点,将渔业碳汇最新定义为通过渔业生产活动促进水生生物吸收或使用水体中CO2等温室气体,并通过收获把这些已经转化为生物产品的碳移出水体或通过生物沉积作用将其沉降于水底的过程和机制。贝藻养殖业作为我国海水养殖业中最重要的一种模式,也是主要的碳汇渔业产业。
滤食性贝类(如牡蛎、蛤、扇贝等双壳贝类)在生长期间,大量滤食浮游植物和有机物碎屑等颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC),并利用可溶性无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)形成贝壳壳体,以CaCO3的固态形式被长期封存,实现了碳的长期、稳定储存或作为建筑材料的再利用(Humphreys et al, 2018; Feng et al, 2023),从而间接发挥碳汇能力。在养殖贝类的滤食过程中,一方面大量利用了以浮游植物为主的POC,另一方面又促进了浮游植物的增殖与再生长,增加了对CO2的吸收和利用,形成新的碳汇产物。以浮游生物、贝藻以及其他较低营养层次种类为食的鱼类、甲壳类、头足类及贝类等生物资源种类,通过食物网机制和摄食生长,在不同的营养层级使用碳产品,间接促进了碳汇功能发挥。POC在重力作用下从海洋表层向深层输运,其中,一部分POC可以到达海底进入沉积物来实现长时间尺度的碳储存(Ahn, 1993; Hayakawa et al, 2001; Mitchell, 2006),另外,高营养层生物的摄食行为大量消耗了处于食物链较底层的以浮游植物为主的POC,随着高营养层生物的捕捞作为渔获产品被移出水体,实质相当于从水域中移出了相当量的碳,增加了碳汇。唐启升等(2022)的研究结果已证实,在无饵料投加的条件下,不论从贝类对碳的利用还是能量平衡的角度,贝类养殖均发挥了重要的增汇作用,极大地提高了水域生态系统的碳吸收和储存的能力。
海水养殖藻类的固碳能力主要取决于碳在其体内的累积,藻类在光合作用下将无机碳转变为有机碳,并通过收获达到移出水体的目的,直接发挥碳汇功能,增加碳汇(Gao et al, 1994)。同时,在藻类初级生产过程中,需要从海水中吸取硝酸盐、磷酸盐等营养物质,从而使得表层水碱性增加,CO2分压下降,进而加速CO2向海洋的扩散(张继红等, 2005)。藻类养殖不仅可控性好,而且具有产量高的优势,此外,藻类还可加工成琼胶、饲料,也可用作医药、食品等原材料(张继红等, 2005)。
目前,国内外关于贝藻类养殖碳汇的研究渐趋深入。Alvera-Azcárate等(2003)估算,葡萄牙Tagus河口的藻类年固碳量超过1.35×104 t,说明大型海藻具有很好的固碳能力。张继红等(2005)推算,2002年中国海水养殖的贝类和藻类利用碳300余万t,通过对其进行收获可以从海中移出碳120余万t。岳冬冬等(2012)评估了2006—2010年间我国海水养殖贝类年均形成碳汇能力约92.90万t。齐占会等(2012)估算,广东省2009年海水养殖的贝类和藻类可以从海水中移出碳约11.00×104 t,相当于39.60×104 t CO2,基于贝藻养殖的碳汇渔业具有巨大的经济效益、生态效益和社会效益。贺加贝等(2022)评价得出,2010—2019年山东省烟台市贝藻养殖碳汇总物质量达116.36万t,相当于减排CO2 426.65万t,折合碳汇经济量达2.67亿元。苏兆军等(2022)估算,2016—2019年海水养殖碳汇总量始终维持在200万t以上。尹钰文等(2022)研究表明,辽宁省近10年海水养殖贝类与藻类的碳汇总量约为267.74万t。李昂(2014)从价值量和物质量2个方面对河北省2003—2012年海水养殖贝类碳汇进行了评估,结果显示,这10年间河北省通过收获海水养殖贝类移出的碳量约为22.37万t,相当于减排CO2约82.02万t,折合人民币约4.90亿元。由此可见,贝藻养殖在我国渔业碳汇中具有广阔的应用前景。
大连市岸线总长2 211 km,约占全国1/10,拥有得天独厚的深水岸线和渔业资源,近海生物资源丰富,有经济种类120多种。2022年大连市海水养殖产量达208万t,渔业经济总产值766亿元,海水养殖业产量在全国同类城市中处于领先地位(曹智等, 2023)。目前尚未见有关大连市贝藻养殖碳汇能力评估的报道,因此,本研究选取2022年大连市主要养殖贝藻类品种(牡蛎、贻贝、扇贝、蛤、蚶、海带和裙带菜)为研究对象,开展了碳汇能力核算,旨在为大连市贝藻养殖业的碳汇贡献和碳汇能力提供科学依据,为辽宁省大力发展碳汇渔业提供理论基础及技术支撑。
1 材料与方法 1.1 数据来源2022年大连市海水贝藻养殖产量来自《2022年大连市渔业统计年鉴》(由大连市海洋与渔业局提供,未出版),辽宁省海水贝藻养殖产量来自《2022年中国渔业统计年鉴》(农业农村部渔业渔政管理局等, 2022)。
1.2 总碳汇量评估方法根据唐启升等(2022),使用碳是贝类个体通过滤食大量使用以浮游植物为主的颗粒有机碳以及贝壳形成过程中使用的碳,亦可称之为总碳汇;移出碳和储存碳合称为移出储存碳,相当于使用碳中一部分碳与呼吸等代谢产物和贝壳钙化产生的碳相抵消达到碳中和之后的净碳汇。贝类各分量碳按照唐启升等(2022)的数量比例进行换算,由于该文中未提及蚶的数量比例,故采用文中的加权平均值。移出碳的评估方法参考以往的相关研究(张继红等, 2005; Tang et al, 2011; 齐占会等, 2012; 李昂等, 2013)。扇贝、牡蛎、蛤和贻贝的湿重与干重转换系数、软体干质量和贝壳干质量占比均参考张继红等(2005)和Tang等(2011)提供的数据。蚶的相关参数参考周毅等(2002)和Tang等(2011)的数据,具体参数详见表 1。
养殖贝类碳汇物质量公式如下:
$ {C_B} = \mathop \sum \limits_1^n {C_i} $ | (1) |
$ {C_i} = CB_i^{sh} + CZ_i^{sh} $ | (2) |
$ CB_i^{sh} = P_i^{sh} \times R_i^{sh1} \times CF_i^{sh1} $ | (3) |
$ CZ_i^{sh} = P_i^{sh} \times R_i^{sh2} \times CF_i^{sh2} $ | (4) |
式中,CB为养殖贝类碳汇总物质量;n为大连市养殖贝类种类总数;Ci为第i种养殖贝类的碳汇物质量;CBish为贝类干重贝壳内的碳含量;CZish为贝类干重软组织内的碳含量;Pish为第i种贝类的生物量(g/a);Riish1为第i种贝类干重状态下的贝壳干质量占比;CF iish1为第i种贝类干质量下的含碳率;Rish2为第i种贝类干重状态下的软组织干质量占比;CF ish2为第i种软组织干质量下的含碳率。
海洋藻类的总碳汇为藻类通过光合作用固定的碳,其中的一部分碳以呼吸作用释放掉,剩余的为最终被固定下来的海藻生物量碳,即海藻净碳汇。大型海藻净碳汇量按照物质量评估法进行计算,即净碳汇量=重量(Pima)×碳含量(CFima)。裙带菜的含碳量参考张晓雯等(2022)和权伟等(2014)的计算数据,海带的含碳量参考张继红等(2005)的数据。藻类总碳汇量根据净碳汇/0.75估算(姚海芹等, 2016; Xu et al, 2017; 张晓雯等, 2022; 唐启升等, 2022)。
养殖藻类碳汇物质量公式如下:
$ {C_{{\text{ma}}}} = \mathop \sum \limits_1^n (P_i^{{\text{ma}}} \times CF_i^{{\text{ma}}}) $ | (5) |
式中,Cma为养殖藻类碳汇总物质量;n为大连市养殖藻类种类总数;Pima为第i种藻类的生物量(g/a);CFima为第i种藻类干质量下的含碳率。
1.3 碳汇价值量评估方法碳汇价值量按照贝藻类净碳汇贡献的直接经济价值计算,具体公式为:
$ {V_C} = {V_1} \times C $ | (6) |
$ C = {C_B} + {C'_B} $ | (7) |
式中,VC为养殖贝藻类碳汇所创价值量;V1为单位碳减排经济成本;C为养殖贝藻类碳汇总量。
2 结果 2.1 大连市2022年贝藻养殖产量2022年,大连市地方渔业海水养殖面积为45.70万hm2,比上年增长7.50%;海水养殖产量达208.4万t,比上年增长6.5%。其中,大连市海水贝藻养殖总面积为30.01万hm2,总产量为192.34万t。贝类主要养殖种类为扇贝、牡蛎、蛤、蚶和贻贝5种滤食性贝类,占贝藻养殖产量的75.88%,蛤和牡蛎是大连市的主要养殖贝类,其产量分别占全市海水养殖贝藻类产量的31.14%和26.57%。藻类主要养殖种类为海带和裙带菜,仅占贝藻养殖量的24.12%。与上一年相比,牡蛎和贻贝的产量大幅增加,分别增长28.32%和38.90%,而扇贝、海带和裙带菜的产量则呈现不同程度的降低。数据来源为《2022年中国渔业统计年鉴》(农业农村部渔业渔政管理局等, 2022),具体产量详见表 2。
根据上述方法及转换系数对2022年大连市贝藻养殖碳汇量进行计算,结果如表 3所示。2022年大连市养殖贝类使用碳(以下称为总碳汇)达82.69万t,移出储存碳(以下称为净碳汇)达53.84万t,其中,藻类总碳汇量为18.53万t,净碳汇量为13.89万t,养殖贝类总碳汇量达64.16万t,净碳汇量达39.95万t。与藻类相比,大连市养殖贝类品种多,产量大,在贝藻碳汇中的总碳汇及净碳汇量占比较高,分别为77.59%和74.20%。养殖藻类的总碳汇及净碳汇贡献率较低,仅占比为22.41%和25.80%。贝类碳汇中,蛤的总碳汇及净碳汇最高,分别达37.95万t和22.55万t,在全市养殖贝类碳汇量的贡献率大于40%;藻类碳汇中海带总碳汇和净碳汇最高,分别达12.94万t和9.70万t,占全市养殖藻类碳汇量的15%以上。
2022年大连市贝藻养殖碳汇价值量依照净碳汇量进行评估,大连市贝藻养殖的净碳汇量约53.84万t,根据单位物质的量CO2所含碳的质量分数(27.27%)换算得到共减排CO2 197.43万t。根据曹庆仁等(2019)提供的数据可知,辽宁省每减排1 t的CO2就需要花费40.24元。根据1.3中公式计算得出,2022年大连市养殖贝藻的碳汇总价值为7 944.71万元。养殖贝类的碳汇总价值为5 895.08万元,其中,蛤的碳汇总价值最高,占贝藻养殖碳汇总价值量的41.88%。养殖藻类的碳汇总价值达2 049.63万元,其中,海带的碳汇总价值最高,占贝藻养殖碳汇总价值量的25.80%。具体贝藻养殖种类的总碳汇量及价值量见表 4。
2022年,辽宁省养殖贝藻碳汇量如表 5所示,养殖贝藻类净碳汇总量为86.55万t,其中,养殖贝类的净碳汇量达71.88万t,藻类净碳汇量达14.67万t。基于上述数据计算得,2022年辽宁省贝藻养殖相当于移出317.36万t CO2。由于辽宁省每减排1 t的CO2就需要花费40.24元(曹庆仁等, 2019),根据1.3中公式计算得,2022年辽宁省养殖贝藻的碳汇总价值为12 770.57万元。养殖贝类的碳汇总价值为10 606.06万元,养殖藻类的碳汇总价值达2 164.51万元。大连市贝类养殖产量约占当年全省贝类产量的64.48%,碳汇贡献率达55.58%;藻类养殖产量约占当年全省藻类产量的94.75%,碳汇贡献率高达94.68%。
辽宁省作为我国海洋大省,贝类和藻类是水产养殖的主要种类。大连市作为辽宁省的海水养殖中心城市,2022年贝藻产量达192.34万t,占辽宁省的69.87%。其中,贝类产量占整个辽宁省的64.48%,其碳汇量占整个辽宁省贝类总碳汇量的64.00%。辽宁省藻类养殖主要以大连市为主,2022年大连市藻类产量和净碳汇量在全省的占比均达94.70%以上。大连市贝类养殖因其多品种、高产量成为全市碳汇量的主要品种。贝类的碳汇功能是通过形成CaCO3壳体来实现长期稳定储碳(张继红等, 2005),在数百万年后脱离地球的碳循环(Thomas et al, 2004)是极其优质的碳汇途径;大连市藻类产量较高且藻类碳含量高于贝类软体组织及贝壳,通过藻类养殖收获移除碳的能力高于贝类,碳汇能力较强。与2010—2019年烟台市各年的贝藻养殖碳汇数据相比,2022年大连市贝藻总碳汇量明显较高(贺加贝等, 2022)。
2022年大连市5个不同的贝类产量由高到低依次为蛤、牡蛎、扇贝、蚶和贻贝,其碳汇能力由大到小排序依次为蛤、牡蛎、扇贝、蚶和贻贝。藻类主要养殖品种为海带和裙带菜,海带产量和碳汇能力均高于裙带菜。养殖贝藻碳汇量与贝藻含碳率有关,虽然蛤的产量最高,但由于其含碳率较低,对贝藻碳汇总量的贡献率略小于牡蛎。2022年大连市养殖藻类产量占贝藻养殖总量的比例较小,且与上一年相比,藻类产量明显下降,但因其含碳率较高,使其总碳汇量在贝藻养殖碳汇总量中占较大优势。2022年大连市扇贝产量与上一年相比降低明显,贻贝和牡蛎产量则大幅增加。对于所有大连市养殖贝类品种,贻贝的总体含碳率最高,从碳汇渔业的角度来看,贻贝是更适宜开展大量养殖的贝类品种。但因其在大连市的养殖面积小、产量低,对于碳汇量的贡献率较低,仅有0.72%,大力开展贻贝养殖是增加渔业碳汇的有效途径。
辽宁省94.69%藻类碳汇价值量来自于大连市,由此可见,藻类养殖是辽宁省和大连市不可忽视的海洋碳汇途径。大连市大型藻类养殖具备一定的产量基础,建议有关部门进行综合协调,合理调整贝藻与海藻的相对规模,结合当地实际情况,在确保大连市贝藻养殖业健康发展的基础上,必要增加高碳汇贡献率的牡蛎和藻类的养殖量,使贝藻养殖业的碳汇功能最大化,实现经济与生态的双赢。
3.2 对大连市海水养殖框架的相关建议大连市海水养殖以贝类和藻类为主,大型海藻和贝类养殖具有低成本、高产出、养殖可控等优点,对发展低碳经济和海洋碳汇、实现碳中和具有重要意义。在这2种资源中贝类的产量占比较大,而贝类作为经济型水产品,蛤和牡蛎的产量和总碳汇量占比较高。而贻贝作为碳含量更高的碳汇渔业贝类,因大连市养殖面积小、产量低等因素,仅贡献了大连市总碳汇量的0.72%,有关部门可以通过实际评估当地各种养殖贝藻碳汇能力及碳汇价值量差异,鼓励部分牡蛎和蛤养殖从业者适宜转型为贻贝类养殖从业者,推动贝类养殖创造更大碳汇价值。从碳汇渔业角度来讲,藻类养殖产业因其高效的固碳作用应当得到高度的重视。海藻床可以为海洋生物提供重要的栖息地和产卵场,海洋生物的自然生长和繁殖同时依赖于海藻提供的营养(权伟等, 2014),有研究表明,我国贝藻养殖规模对我国海域可移动碳汇能力起主导作用(Ren, 2021),扩大海藻养殖是渔业碳汇增汇的主要途径之一。大连市海藻养殖区以大连金州、长海、旅顺口区为主,由于海域环境的原因,多年来的产量一直比较稳定(尹钰文等, 2022)。目前,日本、爱尔兰、英国、南非和新西兰等国家均已建有规模化海藻饲料工场(张晓雯等, 2022),大连市可以对海藻加工的思路进行拓展,鼓励有能力的企业进行藻类产品的研发,对海藻纤维等可以长期保存的藻类产品进行提取,同时,推进养殖和加工工作,将海藻的全产业链进行拓展,使藻类可以发挥出更长的碳汇周期(权伟等, 2014)。若以渔业产品为食,生物体的有机碳会很快以CO2的形式重新返回到大气中,无法形成长期碳汇。发展生物质能源,如工业原料、饲料、化肥、清洁能源等可能是合理利用贝藻产品,提高其固碳持久性的有效途径(张继红等, 2022)。
大连市的渔业养殖产业正处于发展的重要阶段,随着近海鱼类资源的日益枯竭和市场对水产需求的日益增加,大连市的渔业养殖业仍有广阔的发展前景。海水贝藻养殖虽然规模大、范围广,但总体上仍属于生产力水平较低的劳动密集型、数量效益型的粗放型养殖方式,在劳动人口红利逐渐消失、养殖空间日趋紧缩的背景下,亟需应用、推广有助于提升单位面积养殖生产效率的新生产模式。吴杭纬经等(2019)研究表明,贝藻综合养殖碳汇能力明显大于单种贝藻碳汇能力之和,是一种固碳能力较强的高效综合养殖培养方式。多营养层次综合养殖模式(integrated multi-trophic aquaculture, IMTA)在碳循环中发挥着重要作用,有助于缓解海洋酸化和缺氧,既可以提高水体空间利用率和养殖设施利用率,又可以有效维持生态系统中溶解氧、CO2以及氨氮水平的平衡和稳定,降低沉积环境有机负荷,减轻规模化养殖活动对资源、环境的压力,在实现海洋生物碳汇有效扩增的同时提升企业的经济效益及生态效益(Liu et al, 2022)。IMTA可在上层海域养殖海带和裙带菜等大型藻类,进行生态轮养的同时开展贝类筏式育肥养殖。贝类释放的营养物质可以被大型藻类完全吸收和利用,大型藻类产生的氧气以及对海洋酸化的缓冲作用促进了贝类的生存和生长(Xiao et al, 2021),最大限度地发挥养殖水域的空间及饵料资源,增加养殖产量。IMTA是一种经济高效、环境友好的水产养殖方式,通过不同养殖种类之间的生态功能互补来调节水质,恢复海域生态环境,实现可持续生态养殖。值得注意的是,夏季的大规模贝类养殖容量可能会给生态系统带来巨大的压力(Liu et al, 2021)。海带耐高温能力差,夏季收获后,正是贝类生长最为旺盛的时期,活跃状态的细菌导致贝类排泄物快速分解,加剧了缺氧和富营养化环境对于贝类养殖区的影响(Li et al, 2018)。再加上筏式养殖的设施和养殖生物本身也会对水流产生阻力,降低水交换的能力(张继红等, 2008),因此,有必要考虑贝藻养殖的养殖容量控制,确保养殖藻类培养的规模不会过大,以防止营养物质的过度消耗。结合辽宁省近10年的贝藻养殖碳汇数据(尹钰文等, 2022; 于佐安等, 2020)分析可知,贝藻类综合养殖作为高效固碳的一种养殖模式,具有极其可观且稳定的碳汇价值,其不仅对于优化大连市养殖产业结构(养殖品种、空间布局)具有重要作用,还将改变养殖产业碳流通格局,促进蓝碳经济与生态文明协调可持续发展,提升大连市蓝碳产业碳中和的能力,推动大连市水产养殖健康发展。
大连市可以在此基础上继续加大对公众海水养殖碳汇的宣传教育力度,同时,从扩大海水养殖碳汇的战略高度支持海水养殖业的发展,大力发展健康、生态、环保的水产养殖业,降低捕捞强度,从而增加海水养殖碳汇。大力发展海水养殖业的固碳减排工作,既是中国应对全球气候变化的一项重大举措,又是推动我国海洋生态文明与渔业可持续发展的必然需求。大连市作为辽宁省海水养殖中心,对辽宁省海洋碳汇的发展具有不可推卸的重要责任。因此,大连政府需要充分发挥海水养殖的碳汇功能,构建适合我国国情的碳交易市场,实现渔业碳汇发展与环境保护的双赢。
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