中國貝類養殖對海洋碳循環的貢獻評估

李海晏 ,陳 濤張海燕姚志通,葉 瑛夏枚生

(1.浙江大學 海洋科學與工程學系 海洋資源研究所,浙江 杭州 310058;2.浙江大學 舟山海洋研究中心,浙江 舟山 316021;3.杭州電子科技大學 材料與環境工程學院,浙江 杭州 310018)

LI Hai-yan1, 2,CHEN Tao1,ZHANG Hai-yan1,YAO Zhi-tong3,YE Ying1,XIA Mei-sheng1

(1.Department of Ocean Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Zhoushan Ocean Research Institute,Zhejiang university,Zhoushan 316021,China;3.Materials Science and Environmental Engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

自工業革命以來,由于石化燃料的大量燃燒,大氣中溫室氣體增加,溫室效應加劇,導致氣候、生態系統、人類活動受到嚴重影響。在京都議定書生效以后,由 CO2等溫室氣體導致的氣候變化問題引起全球關注,成為國際上外交博弈的工具[1]。因此,如何準確評估生物圈生態系統的碳沉積能力,并探討實現增加碳沉積途徑成為目前亟待解決的課題[1]。

海洋碳儲量約為3.8×105億t,比大氣多50倍,因此,海洋對碳的吸收能力將直接影響到全球碳循環[2]。中國陸架邊緣海域面積約為300萬km2,占全球的12.5%,是世界上最寬、生產力最高的陸架邊緣海之一[2]。其中15 m等深線以內的淺海灘涂面積只有12.4萬km2,占陸架邊緣海的4.1%,但該區域海洋碳循環異常活躍,因為它是自然生產力很高和人類水產養殖活動最集中的區域[1]。養殖貝類可以通過生物礦化作用將海水中的溶解無機碳轉化為 CaCO3貝殼;伴隨著貝殼收獲,大量碳被直接從海水中移出,這將對養殖區及鄰近海域的碳匯有重要影響。因此,對中國淺海貝類養殖碳沉積潛力進行估算,可為爭取國家碳份額的合法權益提供基礎數據。

1 全球暖化與碳循環

1.1 全球暖化

近100年來,全球氣溫平均提高約0.6 ℃± 0.2 ℃[3]。0.6℃的溫差不僅造成平均溫度上升,而且導致炎熱與寒冷的日數分別增加與減少[4]。現在全球暖化速度越來越快,估計 21世紀氣溫每 10年將上升 0.15～0.6 ℃[5],這將造成更加劇烈的氣候變化[6]。

全球暖化是由溫室氣體濃度增加造成的[4]。溫室氣體包括 CO2、CH4、N2O、O3、CFC 等。但在總量上CO2貢獻了約60 %的暖化作用[7],極地溫度與大氣CO2的濃度變化趨勢一致[4],因此CO2是造成全球暖化的主要原因,對地表溫度影響顯著。在工業化以前,地球大氣中CO2濃度維持在280 mg/kg,如今已達380 mg/kg,并以每年2 mg/kg的速度增加[8]。石化燃料的燃燒和森林砍伐是引起大氣中 CO2濃度增加的主要原因[9]。另外,水泥生產和火山噴發也造成大氣中CO2濃度增加[9]。

在地質年代里耗時千萬年的暖化過程,在現今CO2濃度的增加速度下,僅幾個世紀就可完成。這將對人類和各種生物造成嚴重沖擊[10]。全球暖化使表層海水溫度升高,對流層水蒸氣增加,能量傳遞加快,這將導致颶風[11]、熱浪侵襲[12]更加頻繁。表層海水溫度上升約 0.74 oC,冰山熔化,就會使全球平均海平面上升17～20 cm[13]。如果南極和格陵蘭島的冰山全部熔化,將會使海平面上升約7 m[14]。如果溫室氣體持續釋放,在21世紀海平面將上升20～100 cm,這將導致嚴重的生態災難和經濟破壞,以及沿海數千萬人口將被迫遷移[14]。目前每年人為排放的 CO2約 25 %被海洋吸收,與海水作用形成碳酸,造成海洋酸化。自工業化以來海水 pH從 7.8～8.2下降了0.1～0.12[15],并以每年0.0018的速率持續下降[15]。若海水pH在21世紀再下降0.1～0.5,將對海水化學性質、海洋環境造成直接的影響[15]。暖化造成極地海洋冰層覆蓋的面積減少,使得北極熊等生物的棲息地減少,極地的食物鏈與生態改變[16]。海洋酸化使海水碳酸鈣飽和度下降,鈣化速率降低,使珊瑚難以保持其外部的碳酸鈣骨質結構,其生長與存活受到影響。這將威脅到海洋生物的多樣性,超過75 %的珊瑚魚種數量因而減少,其中50 %的魚種數量將降到一半以下[17]。到 21世紀中葉,主要造礁生物,珊瑚與鈣化藻類的鈣化速率將比工業化前減少10%～50%[9]。氣候暖化還可能造成病媒散布、縮短病原發育時間,增加中暑和呼吸系統疾病等負面影響[18]。

1.2 海洋碳循環的格局

全球碳循環是指化學性質活躍的碳在各大碳庫之間遷移和轉換的過程。從全球尺度來看,全球共存在巖石圈、海洋、大氣、陸地生物圈、水生生物圈、化石燃料 6 個主要碳庫。巖石圈是第一大碳庫,海洋是僅次于巖石圈的第二大碳庫。但是巖石圈的碳主要以碳酸鈣結晶的形式存在,性質穩定,只有極少一部分通過風化的作用參與到地球化學循環中去[19];而海洋碳庫中的碳主要以溶解無機碳的形式存在,化學性質活躍;同時,海洋碳庫是大氣碳庫的 50倍,陸地生物圈碳庫的 19 倍,化石燃料碳庫的 9倍,因此海洋是全球第一大活躍碳庫[19]。大氣碳庫雖然較小,卻是調節全球氣候的最關鍵因素。全球暖化的根源就是由于人類對石油、煤炭、天然氣等化石燃料的開發利用,使本該被長期封存在巖石圈中的有機碳被轉換成CO2進入了大氣圈[20]。

自20世紀末,一系列針對海洋碳循環過程的大型國際科研計劃(國際地圈與生物圈計劃(IGBP)核心計劃全球海洋通量聯合研究(JGOFS)、海岸帶陸海相互作用(LOCIZ)、上層海洋與低層大氣研究(SOLAS)、全球海洋生態系統動力學(GLOBEC)、海洋生物地球化學和生態系統綜合研究(IMBER)相繼實施,使人們對海洋碳循環過程有了更深入的了解。生物圈中循環的碳有95% 存在于海洋中,用千年的時間尺度看,海洋決定了大氣 CO2的濃度,在大氣和海洋之間每年流動著900 億t的碳。CO2的海氣交換主要發生在海洋表層,每年都有大量的 CO2從大氣圈進入海洋,其速率除與風力,海洋環流和垂直對流等物理過程有關外,與溫度、CO2分壓等化學和生物過程都有密切關系,通常高緯度的海水溫度低、鹽度高,海水吸收CO2,低緯度海域則相反[21]。海洋碳循環過程主要是在“溶解度泵”、“碳酸鹽泵”、“生物泵”的作用下完成的。在這個 3個泵的作用下,實現了碳在海洋中的遷移和變化,對緩解全球氣候變化做出了巨大貢獻,最終調節了全球氣候[19-20]。

目前,石化燃料燃燒、森林砍伐、水泥生產、以及火山噴發每年直接釋放了約93.3億t碳的CO2進入大氣,扣除海洋、森林、草原與濕地每年吸收掉約46.6億t碳的CO2外,現在大氣每年約增加46.7億t碳的CO2[6]。即約一半人為釋放的CO2被陸地與海洋生態系統吸收[6]。

海洋每年約從大氣中吸收 22億 t碳的 CO2[22],其中浮游植物、珊瑚礁等吸收了約3.84億t碳的CO2,即現在海水中每年約增加18.2億t碳的CO2,迄今已吸收了約 1 400億 t碳的 CO2,相當于石化燃料燃燒CO2釋放量的50 %,或總人為CO2釋放量的30 %[23]。

1.3 貝類養殖在海洋碳循環中的作用

近海是海洋生產力最高的區域,同時還是受人類活動影響最強烈的區域,在近海存在著大量的貝類高密度養殖區[20]。貝類是近海生態系統中物質流和能量流的驅動者。貝類通過兩種促進生長的方式使用海洋碳。一種方式是利用海水中的形成CaCO3軀殼,其反應式如下: Ca2++2= CaCO3+CO2+H2O。雖然每形成 1 mol 的碳酸鈣,會釋放1 mol 的CO2,但是可以吸收2 mol 的碳酸氫根[24]。實際上,形成的 CaCO3貝殼,少量隨有機碳從表面海水垂直輸送到海洋深部,絕大部分通過收獲從海水中移出。另一種方式是通過濾食攝取水體中的懸浮顆粒有機碳(包括浮游植物和顆粒有機碎屑等)促進貝類個體軟組織的生長[2]。貝類的濾食系統十分發達,有著極高的濾水率,能夠利用上覆水中乃至整個水域的浮游植物及顆粒有機物質。大規模的貝類養殖活動對水體中懸浮顆粒有機物質的數量以及組成有一定的控制作用[2]。

貝殼的生長過程是一種生物礦化過程,同時也是一種碳的地球化學循環過程(循環周期長達數百萬年),在這個過程中貝類吸收利用二氧化碳(以碳酸氫根的形式)[20]。大量的貝類養殖對移除、降低空氣中的二氧化碳濃度,緩解溫室效應具有一定的貢獻[2]。

2 中國貝類養殖對海洋碳循環的影響評估

2.1 中國海水養殖狀況

中國海水養殖發達,養殖面積和產量居世界首位[2]。農業部漁業局的統計資料顯示,中國海水養殖業產量1955年僅10萬t,此后逐步提高[25]。在近30年里得到了快速發展,1990年和 2000年分別超過300萬t和1000萬t,2009年和2010年分別上升至1405萬t和1482萬t。中國海水養殖業的快速發展主要得益于淺海貝類和藻類養殖的興起,如在 2009年和2010年的海水養殖產量中貝類產量分別約占總產量的74.94 %、74.76 %,藻類分別約占10.36 %、10.40 %,二者相加約占中國海水養殖產量的 85 %,甲殼類、蝦類和魚類一共約占13 %,其他類別約占2 %[25](圖 1)。可見,中國海水養殖是一個以貝藻養殖為主的水產養殖業,尤其是貝類養殖,獨占約75 %。

2.2 中國貝類養殖產量

圖1 中國海水養殖產量組成Fig.1 Composition of mariculture yields of China

圖2 中國貝類產量構成(按養殖方式和捕撈方式分)Fig.2 Composition of shellfish yields of China (classified by culture methods and fishing methods)

圖3 中國淡水貝類養殖產量構成(按品種分)Fig.3 Composition of freshwater shellfish yields of China(classified by variety)

中國貝類養殖始于20 世紀70 年代初,據農業部漁業局統計,80年代初,年產量約30萬t,90年代初增至100萬t。隨后有了較大發展,自2001年以來的統計資料顯示,近 10年中國貝類總產量穩定在1100萬 t以上,有增加的趨勢,其中 2006年產量最高,達約1261.02萬t(圖2)。2010年,海水養殖貝類總產量已達1108萬t,主要養殖種類為牡蠣、蛤類、扇貝和貽貝等,產量分別達約364、354、141、70萬t,共約占海水養殖貝類產量的83.84 %[25]。淡水養殖貝類最近10年都為20萬t 左右,2009年和2010年分別約為23.4萬t和25萬t。每年捕撈總產量穩定在95萬t左右,2009年和2010年貝類捕撈量分別為95萬t和91萬t[25],以海洋捕撈為主,淡水捕撈只有約30萬t。養殖產量遠高于捕撈產量,海水養殖產量遠高于淡水養殖產量。

中國海水貝類養殖產量和面積呈增長趨勢。牡蠣、蛤、扇貝、貽貝產量較大,2010年分別約為364.28、353.89、140.75、70.21萬 t。蛤、扇貝的養殖產量增長最為顯著,分別從 2001年的 201.44、96.03萬 t增長到 2010年的 353.89、140.75萬 t;而牡蠣產量一直穩定在350萬t左右(圖4)。從2001年到2010年,中國海水貝類養殖面積從79.66萬ha增長到130.80萬ha,增長顯著。其中扇貝養殖面積增長最為明顯,從2001的5.51萬ha增長到2010年的39.97萬ha,而蛤、牡蠣等的養殖面積比較穩定(圖5)。

圖4 中國海水貝類養殖產量構成(按品種分)Fig.4 Composition of mariculture shellfish yields of China(classified by variety)

捕撈貝類產量如同其他漁業一樣,受資源量和捕撈強度的影響。而資源量又受水文和環境污染等因素的影響;捕撈強度則受技術、成本、市場等因素的影響,各種因素間又相互影響。從圖 2可以看出,近 10年來,貝類捕撈量遠小于養殖量,僅為貝類總產量的10 %左右,并有降低的趨勢。貝類捕撈量遠小于市場的需求量,這促進了貝類養殖的持續發展。全球暖化可能增加貝類生產力,而海洋酸化可能降低貝類存活率和生長速度,二者對貝類養殖產量的影響尚無定論,但是即使有影響,也遠低于人為的掌控[6]。

圖5 中國海水貝類養殖面積構成(按品種分)Fig.5 Composition of mariculture shellfish area of China(classified by variety)

2.3 中國貝類養殖的碳沉積潛力

依據農業部漁業局編制的《中國漁業統計年簽》,以2001年(或2003年)到2010年的年平均產量計算捕獲貝類和養殖貝類的碳沉積能力。養殖貝類和捕獲貝類總產量的碳沉積為 58.57萬 t/a,碳沉積能力相當于122.28萬ha的造林,其中淡、海水養殖貝類總產量的碳沉積為 53.30萬 t/a,碳沉積能力相當于111.27萬ha的造林(淡、海水養殖貝類產量的碳沉積量分別為1.08、51.15萬t/a,碳沉積能力分別相當于 2.25、106.78萬 ha的造林);淡、海水捕獲總產量的碳沉積為 5.40萬 t/a,碳沉積能力相當于11.27萬ha的造林(淡、海水捕獲產量的碳沉積分別為1.57、3.83萬t/a,碳沉積能力分別相當于3.28、8.00萬 ha的造林)。海水貝類養殖產量的碳沉積量占貝類總產量碳沉積量的87.33%,其中海水貝類養殖中牡蠣、蛤、扇貝、貽貝產量的碳沉積量分別為19.91、14.23、5.44、3.21萬t/a,碳沉積能力分別相當于 41.57、29.71、11.36、6.70萬 ha的造林(表 1)。以上淡、海水貝類碳沉積能力可減少大氣CO2增加量的0.0125% (目前大氣每年增加約46.7億 t碳的CO2[6])。

2.4 貝類養殖與其他方式碳沉積能力比較

根據農業部漁業局編制的《中國漁業統計年簽》的牡蠣、蛤、扇貝、貽貝的平均養殖產量與養殖面積的統計資料計算得到它們的產量分別為 31.45、7.75、6.02和 20.77 t/(ha·a),碳沉積能力分別為1.573、0.388、0.301 和 1.039 t/(ha·a)(表 2)。

表1 中國養殖貝類和捕撈貝類碳沉積潛力Tab.1 Potential of carbon deposition by shellfish culture and fishing in China

表2 4種貝殼、珊瑚和森林的碳沉積速率Tab.2 Carbon deposition rate of four kinds of shellfishes,coral reef and forest

2.4.1 貝類養殖與森林碳沉積能力比較

如2.3所述,目前中國貝類養殖和捕獲的碳沉積能力約為58.57萬t/a,約相當于122.28萬ha的造林,僅占大氣CO2增加量的0.0125 %,遠低于目前森林19.2億t/a的碳沉積能力[6]。然而森林的碳沉積能力受到森林面積有限的限制,即一定面積下森林僅能成長至其生物質量的極限值,其碳沉積與碳釋放達到平衡后則難以再進行碳沉積作用。但以貝殼來進行碳沉積則可以時間換取空間來進行長期持續的累積,避免了森林受限于單位面積下生物質量生長極限值的限制,并且全球的森林正以 730萬 ha/a的速度在減少[26],其碳沉積能力也將隨著逐漸降低,但以貝類來生產 CaCO3的碳沉積能力,目前仍有成長空間。另外,若以單位面積的碳沉積能力作比較,牡蠣、貽貝的碳沉積能力高于森林(表2)。

2.4.2 貝類養殖與珊瑚碳沉積能力比較

雖然表 2的結果顯示貝類養殖單位面積的碳沉積能力不及珊瑚礁,但是目前的全球暖化與海洋酸化嚴重影響珊瑚礁的存活率和生長。珊瑚礁對海洋酸化顯得敏感脆弱,估計到 21世紀中葉,主要的造礁生物、珊瑚與鈣化藻類的鈣化率將比工業化前下降10%～50 %[27]。但目前的海洋酸化對貝類養殖似乎不會造成什么影響[6]。Waldbusser等[28]指出在pH下降0.5的環境下,東方牡蠣(Crassostrea virginica)的鈣化將顯著減少;而 Havenhand等[29]研究顯示,即使未來海洋酸化導致海水 pH下降 0.35,也不影響太平洋牡蠣(Crassostrea gigas)精子的速度、活力與受精。因此目前的海洋酸化(～ –0.1 pH)對貝類的生長不會造成顯著的影響,凸顯出以貝類養殖進行碳沉積的優越性。

2.4.3 貝類養殖與碳捕捉、封存工程碳沉積能力比較

碳捕捉與封存(carbon capture and storage,CCS)工程是用來降低人類 CO2釋放的重要選擇,CCS工程是將燃燒石化燃料所釋放出的 CO2予以捕捉后,經由運輸并注入深層地底的碳貯槽(如深鹽層、耗盡的油田與天然氣槽)或深海以永久封存來達到碳沉積的效果[30]。將以貝殼掩埋和CCS工程來進行碳封存做比較,貝殼的陸地掩埋并不要求掩埋深度,甚至曝露堆積在地表、或在美國常見的以牡蠣殼來鋪設路面(風化所造成的碳釋放遠低于堆積量),或將貝殼制備成微粉作為功能性填料用于樹脂復合材料中都可達到碳封存的效果;若投置深海,工程上簡單、成本低,對環境幾乎無負面影響。若將捕捉的 CO2直接注入深海,容易造成深海的酸化,并需要直通深海的長管;而地層掩埋需相當的深度使不致釋出,且難以保證長期不對環境造成負面影響,捕捉與注入成本都較高。因此以貝殼的碳沉積效果來進行CCS工程優于直接將CO2捕獲、封存于深海。

2.4.4 貝類養殖與碳權交易

CO2的碳權交易價格最高逾 30歐元/t[6],若以30歐元/t估算,則中國淡、海水貝類養殖產量可分別創造32.4萬歐元/a、1534.5萬歐元/a的碳權商機,分別相當于人民幣268.4萬元/a、12 711.2萬元/a。

3 結論

(1)中國貝類養殖和捕獲總產量的碳沉積為58.57萬t/a,碳沉積能力相當于122.28萬ha的造林,可減少大氣 CO2增加量的 0.0125%。其中海水養殖產量的碳沉積量為51.15萬t/a,相當于106.78萬ha的造林,可減少大氣CO2增加量的0.0109 %。

(2)牡蠣、蛤、扇貝和貽貝單位面積的碳沉積能力分別為 1.573、0.388、0.301、1.039 t/(ha·a),與森林的碳沉積能力0.479 t/(ha·a)相比,并不遜色,尤其是牡蠣和貽貝甚至超過森林的碳沉積能力。貝類的碳沉積能力雖低于珊瑚礁的1.8 t/(ha·a),但在目前全球暖化或海洋酸化,珊瑚礁發育更加困難的情況下,兼之貝類具有食用經濟價值,更顯出以貝類養殖來進行碳沉積的可行性和優勢。

(3)貝類養殖鈣化作用的碳沉積能力具有降低大氣中二氧化碳濃度的作用,所衍生的碳權商機,能吸引投資者主動投入,優于其他高成本的溫室氣體解決方案。

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