中國海岸帶及近海碳循環與藍碳潛力*

王秀君1 章海波 韓廣軒

1 北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院 北京 100875 2 中國科學院煙臺海岸帶研究所 煙臺 264003

中國海岸帶及近海碳循環與藍碳潛力*

王秀君1章海波2韓廣軒2

1 北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院 北京 100875 2 中國科學院煙臺海岸帶研究所 煙臺 264003

中國有很長的海岸線和遼闊的近海海域，生態系統豐富，有巨大的固碳、儲碳潛力。由于自然過程、人類活動多重脅迫，中國海岸帶和近海的碳匯過程具有顯著的復雜性和不確定性。文章以藍碳生態系統及碳匯過程為核心，圍繞海岸帶及近海關鍵碳循環過程，探討碳源和碳匯的變化規律，分析國內外研究現狀及發展趨勢，提出擬解決的科學問題、未來的研究方向及應采取的研究方法和方案。

藍碳，海岸帶，近海，碳循環

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.10.012

“藍碳”（Blue Carbon）是指通過海洋和海岸帶生態系統吸收并固存的碳，其儲存形式主要包括生物碳（Biological Biomass）和沉積物碳。“藍碳”的概念涵蓋了海岸帶、濕地、沼澤、河口、近海、淺海和深海等海洋生境的碳匯。近 10 多年，由于人類對海底生態系統（如海草）和濱海濕地生態系統（如紅樹林、鹽沼）較強碳匯功能的認識，并將其與“失碳匯”（Missing Carbon Sink）相關聯，“藍碳”的研究重心已偏向于海岸帶及陸架海“藍碳”[1]。

中國擁有 1.8 萬公里的大陸海岸線，200 多萬平方公里的大陸架。中國近海總面積達 470多萬平方公里，包括渤海、黃海、東海和南海，其中渤海、黃海為半封閉的陸架淺海，東海是中國陸架最寬的邊緣海，其陸架面積占總面積的 1/3。中國海岸帶分布各類濱海濕地，除了淺海水域、潮下水生層和珊瑚礁，還包括潮間紅樹林沼澤、鹽水沼澤、海岸性咸水湖/淡水湖、河口水域和三角洲濕地等，其面積為 5.94 萬平方公里，占中國濕地面積的 15.4%。

中國海岸帶及其陸架海固碳能力、儲碳潛力遠大于相同氣候帶的陸地生態系統和大洋生態系統。但由于沿海地區人口密集、人類活動強烈，不僅影響海岸帶生物固碳過程，同時對近海碳循環的生物地球化學過程產生多方面的影響。另外，氣候變化效應（如海平面上升、溫度升高和海洋酸化等）會加劇對這些地區藍碳生態系統的影響，直接或間接地影響碳匯過程。本文圍繞海岸帶及近海關鍵碳循環過程，分析國內外研究現狀及發展趨勢，結合中國海岸帶可持續發展，綜合評價陸海統籌下藍碳累積過程及增匯機制，為國家制訂全球變化應對策略與政策提供科學依據。

1 濱海濕地碳匯過程

1.1 紅樹林固碳與儲碳

紅樹林大多生長在熱帶、亞熱帶低能海岸潮間帶上部，受周期性潮水浸淹，是以紅樹植物為主體的常綠灌木或喬木組成的潮灘濕地木本生物群落。紅樹林的生產力較高，占濱海濕地總生產力的 50%[2]；全球紅樹林總面積僅占全球近海面積的 0.5%，但其埋藏在沉積物中的碳占 10%—15%[3]。根據印度洋—太平洋地區 25 個類型的紅樹林濕地的地上、地下碳儲量推算，地上部碳密度平均為159 Mg C ha-1，地下部為地上部的 5 倍以上，其中絕大部分的碳分布于地下 0.5m—3m 深的土壤/沉積物中[4]。就全球平均而言，儲存在紅樹林生態系統的總碳量為 1 000 Mg C ha-1，其中 70% 以上固存在土壤中；而光合作用固定的碳在樹葉、莖干和根系中的分配比例基本各占 1/3[3]。

紅樹林碳循環的關鍵過程除了根系分泌物和凋落物在土壤/沉積物中的儲存，還包括紅樹植物群落與大氣間的垂直交換和各形態碳向鄰近海域的橫向輸運。根據有關數據估算，全球紅樹林每年在沉積物中埋藏的碳達18.4 Tg C，向鄰近海域輸運 24±21 Tg C 的溶解有機碳（DOC）和 21±22 Tg C 的顆粒有機碳（POC）[2]。

我國的紅樹林面積為2.27萬公頃，主要分布在廣東、廣西、福建和海南。中國紅樹林碳儲量為 6.91±0.57 Tg C，其中 82% 存在于表層 1 m 土壤中，18% 來自紅樹林生物量[5]。目前，國內已經在福建、廣東、海南等地建立了紅樹林渦度相關碳通量觀測網絡和紅樹林長期定位研究站，系統探究紅樹林碳循環過程。據初步估算，中國紅樹林每年的平均凈固碳量超過 200 g C m-2，高于全球平均水平174 g C m-2[3]。

1.2 鹽沼濕地碳循環過程

鹽沼濕地一般分布在溫帶海濱，鹽沼植被根冠比可達 1.4—5，有大量的初級生產力所固定的碳被儲存在地下生物量中，通過根系周轉進入土壤碳庫。鹽沼濕地具有很高的固碳能力，全球平均凈固碳量為 218 g C m-2，高于紅樹林每年的平均凈固碳量[3]；其碳的積累速度要遠高于泥炭濕地，比陸地森林生態系統高 40 倍以上[1]。另外，作為陸地和海洋生態系統之間的過渡生態系統類型，潮汐鹽沼濕地土壤有機碳在海洋潮汐和地表徑流的作用下能夠以水溶物形式即溶解有機碳（DOC）進入鄰近水域。DOC 遷移和輸出是鹽沼濕地通過水文過程實現土壤碳輸出的一個主要途徑[6]。

表1 不同區域鹽沼濕地生態系統 CO2凈吸收量NEE、初級生產力 GPP 及其比值

我國鹽沼植被生長在渤海、黃海、東海的海濱濕地，主要包括蘆葦、堿蓬等鹽生植物。我國鹽沼植被初級生產力（GPP）總體上不高，平均不到 1 000 g C m-2a-1，但生態系統 CO2凈吸收量（NEE）相對偏高（表1）。將緯度相近的黃河三角洲與美國圣華金三角洲相比，黃河三角洲鹽沼濕地 GPP 為 585 g C m-2a-1—1 004 g C m-2a-1、NEE 為 164 g C m-2a-1—261 g C m-2a-1，而美國圣華金三角洲 GPP為 1 506 g C m-2a-1— 2 106 g C m-2a-1、NEE為 368 g C m-2a-1— 397 g C m-2a-1，相比之下黃河三角洲的光合利用率明顯高于美國圣華金三角洲。

1.3 海草床固碳

海草床（Seagrass bed）是繼紅樹林、珊瑚礁以外的一個重要、典型的海洋生態系統，其固碳能力略低于紅樹林，全球平均為 138±38 g C m-2a-1[3]，高于幾乎所有其他類型的海洋生態系統[14]。研究表明，海草是底棲藻類固著和繁衍的一個重要生境，已發現附生微藻種類達 150種，其中大部分是硅藻[15]。附生生物群落產生的初級生產力甚至可以占到整個海草床的 20%—60%[16]。

海草床生態系統的固碳、儲碳過程主要體現在幾個方面。首先，海草自身的初級生產力高：海草葉片上，通常附著較多的生物群落，可以進行光合作用因而固碳。海草植物通過光合作用被固定的碳，有一部分會被運輸到地下根狀莖和根部進行存儲。據估算，每年有15%—28% 通過初級生產力固定的碳被長期埋存于海底[17,18]，對海草床中表層沉積物有機碳庫的貢獻率達到了 50% 左右[19]。另外，海草可以截獲大量的有機懸浮顆粒物，并促使它們沉積到海底，長期埋存于沉積物中，是海草固碳的另一條重要途徑[20]。封存于海草床沉積物中的有機碳長期處于厭氧狀態，其分解率比存儲在陸地土壤中的有機碳低，相對穩定。中國海草床分布區主要在南海和黃渤海，現有海草床的總面積約為 8 765 ha[21]。我國這方面的工作剛剛起步，初步研究發現，分布在桑溝灣大葉藻海草床的初級生產力為 543gC m-2a-1[22]。

2 近海碳庫與各界面碳通量

2.1 近海水體有機碳庫時空格局

近海與陸地生態系統發生強烈的物質和能量交換，成為各類陸源物質（包括有機碳及營養鹽）的匯集場所。一方面，陸源有機碳在近海水體中由于缺氧、高鹽等不利于微生物降解的環境而使得其周轉周期變長，其中顆粒性有機碳（POC）下沉并埋藏于海底沉積物中，而 DOC 被輸送到其他海域，變成惰性有機碳，長期存在海水里；另一方面，營養鹽的輸入使得近海具有較高的生產力——浮游植物通過光合作用吸收 CO2，將其同化為有機物質（即生物碳、DOC 和 POC），因而，多數陸架海表現為碳匯。

國內近十幾年在中國近海開展了一些關于水體中有機碳方面研究。現有研究表明，DOC 和 POC 在中國陸架海有明顯的時空變化特征[23]：（1）DOC 濃度為渤海 > 黃海>>東海，距岸越近濃度越高，河口區明顯偏高，高值區有明顯的陸源貢獻。（2）總體上，DOC 濃度在春季高于其他季節，年際變化大于季節變化，季節變化主要是自然過程引起，而年際變化主要是由于人類活動的影響。（3）POC 空間差異和年際變化遠不如 DOC 明顯，但季節性強，春季高于秋季。中國近海 DOC 和 POC 范圍分別為 1.58 mg L-1—3.93 mg L-1、0.21 mg L-1—0.42 mg L-1，明顯高于太平洋其他海域（即 DOC <1 mg L-1、POC <0.2 mg L-1），最近幾年有增加的趨勢，說明海岸帶人類活動在加劇。

2.2 沉積物碳埋藏

近海沉積物是碳循環中重要的源與匯：一方面，大氣 CO2經過一系列生物地球化學過程轉化為顆粒性碳，最后沉降到沉積物中，成為重要的“匯”；另一方面，近海的物理和生物化學改造作用會使得上述過程向反方向進行，成為“源”。因此，近海沉積物在碳循環中的作用不可小覷。影響近海沉積物有機碳埋藏富集的主要因素是海洋生物初級生產力、沉積動力環境和海底物理化學條件[24]。

據國內對黃海、渤海和東海的沉積物有機碳相關研究表明，近海表層沉積物總有機碳（TOC）的分布具有明顯的空間分布規律。沉積物 TOC 含量由北向南有減少的趨勢，在渤海、北黃海、南黃海和東海海域分別為 0.52%—2.09%、0.68%—1.67%、0.21%—0.97% 和0.2%—0.8%[25-27]。沉積物TOC高值區主要分布在河口區和泥質區。沉積物 TOC 在中國各大河口差異明顯：黃河口為 0.1%—0.85%，長江口 0.35%—0.70%，珠江口1.2%—2.2%[27-29]。受人類活動影響較重的河口區表層沉積物 TOC 含量較高。萊州灣近岸 0.1%—0.3%，北黃海近岸 0.76%—1.25%，南黃海近岸 0.28%—0.41%，東海近岸0.32%—0.82%[30,31]。河口區沉積物有機質以陸源為主，近海海域中部地區以水生來源為主，而南黃海及東海北部大部分陸架區域沉積有機質為陸地和海洋混合來源。

2.3 海-氣垂直碳通量

現有的研究認為，陸架邊緣海總體是大氣 CO2的匯，全球陸架邊緣海每年吸收 CO2為 0.21 Pg C—0.45 PgC[32,33]。在季節變化上，多數研究表明春季是大氣CO2的匯，夏季為源[34]；在空間分布上，溫帶海域通常是大氣 CO2的匯，而亞熱帶和熱帶海域通常為大氣 CO2的源[35]。雖然人們對陸架邊緣海碳源匯時空格局有一定認知，但其海氣 CO2交換通量仍存在著很大的不確定性，高達 50%—70%[36]。

我國從 20 世紀 90 年代初才開始有關于近海海-氣界面碳通量的研究。已有的研究結果表明，南海是一個 CO2的弱源，每年向大氣釋放約 18 TgC[37]；東海則是一個強烈的匯，其吸收 CO2的強度為 6.9±4.0 mmol C m-2d-1[38]；黃渤海空間差異很大——純海水區多為 CO2的匯，而大河口淡水-咸淡水混合區均為大氣 CO2的源，一些海灣也表現為大氣 CO2的源[39]。中國近海海-氣 CO2交換有明顯的季節性，在春季表現為大氣 CO2的匯，在其他季節存在一定的不確定性。邊緣海春季碳匯主要是生物固碳的作用，即適宜的海水溫度、營養鹽濃度和光照條件促進了浮游生物的光合作用；另一方面，春季海水CO2的溶解度明顯高于夏季。近海碳循環在其他季節受很多因素的影響，自然過程和人類活動的疊加造成了海-氣 CO2通量的不確定性。

2.4 陸-海水平方向碳交換

海岸帶分布眾多大小河流及濱海濕地，河流和濕地向海洋和河口的輸送是陸-海水平碳輸送的主要途徑。最新估算表明，全球河流每年輸入海洋的總碳量達 0.85 Pg C，其中有機碳 0.45 Pg C、無機碳 0.40 Pg C[36]。此外，潮汐鹽沼濕地土壤有機碳在海洋潮汐和地表徑流的作用下能夠以水溶物形式 DOC 進入鄰近水體，DOC 遷移和輸出是鹽沼濕地通過水文過程實現陸源碳輸出的一個主要途徑[40]。研究顯示，美國濱海濕地輸出到鄰近河口的 DOC 通量每年達 180（±12.6）gCm-2[41]，加拿大 Ontario 泥炭沼澤每年的 DOC 輸出量達 8.3（±3.7）g C m-2[42]。

我國也開展不少相關研究。結果表明：長江在2004—2008年間平均每年向東海輸送溶解無機碳（DIC）1.56×107t[43]，黃海和長江 2009 年向近海輸送的 DOC分別為 3.20×104t 和 1.58×106t，POC 分別 3.89×105t 和1.52×106t[44]。此外，海底地下水（Submarine Groundwater Discharge，SGD）也是陸地向海洋輸送物質的重要通道。研究發現，在南海北部，SGD 雖占珠江徑流量的12%—21%，但其攜帶的 DIC 每年可能高達（1.84_4.16）×106t，相當于珠江 DIC 輸入量的 23%—53%[45]，可見 SGD 對近岸碳收支平衡的潛在影響。

3 人類活動對海岸帶藍碳的影響

近幾十年來，人口迅速增長和經濟快速發展對工農業用地的需求使全球海岸帶地區的土地利用發生著劇烈的變化[46]。作為獲取新生土地資源的重要手段，圍墾是對潮間帶濕地影響最大的人為干擾方式。全球潮間帶濕地的碳匯功能和碳庫儲量在過去一個世紀已顯著降低，并且未來很有可能在圍墾、富營養化等人為干擾下，和海平面上升、氣溫升高等氣候變化要素作用下持續下降[47]。

中國的海岸帶占國土面積的 15%，承載著 40% 以上的人口、55% 的經濟總量和 70% 的大中城市。近年來，人類活動越發頻繁，如圍填海、水產養殖、沿海土地開發、流域建庫筑壩和工業生產等，對海岸帶碳匯功能也造成了很大的影響[48]。海岸帶地區的土地開發活動十分劇烈，造成濱海濕地面積的減小、濕地生態系統（比如紅樹林、海草床、鹽藻）退化甚至喪失，而由此引起的CO2排放每年新增 0.45 Pg C a-1，經濟損失達到 185 億美元[48]。例如，中國紅樹林面積由 40 年前的 4.2×104ha 減少至 1.46×104ha，中國海岸帶地區近 70 年來自然岸線已經下降至40% 左右。在黃海和渤海地區，過去 50 多年，圍填海等活動已經造成 65% 的潮灘濕地面積消失[49]。此外，流域建庫筑壩直接影響入海徑流和泥沙量，從而改變了總碳量及不同碳組分輸入量，輸沙量的減少會導致入海泥沙攜帶的顆粒性碳通量大幅降低。

4 中國藍碳展望

中國大陸海岸線漫長，跨越多個氣候帶，有上千條大小不一的河流入海，分布有河口岸、珊瑚礁岸和紅樹林岸等各種海岸類型，以及紅樹林、蘆葦群落和堿蓬群落等濱海濕地。這些濱海濕地的固碳、儲碳能力很大，而長江、黃河等河口海域既是陸源碳的歸屬地和中轉站，又是利用陸源營養鹽來提高生產力從而降低溶解態CO2的重要場所。另一方面，中國有遼闊的陸架海，與陸地生態系統有強烈的物質和能量交換，初級生產力高于大洋，在藍碳中起到重要作用。

近年來，我國各部門針對海岸帶生態系統采取了多項保護措施。例如，我國在濱海濕地建立了數十個紅樹林保護區、2 個海草床保護區和數個鹽沼濕地保護區[50]。雖然這些措施是以保護生物多樣性為目的，但藍碳生態系統的恢復有助于增匯減排。而近些年中國科學家針對我國“藍色碳匯”，提出更加具體的陸海統籌下的生態工程策略：合理施肥、減少陸源營養鹽輸入，增加近海碳匯[51]。

中國海岸帶、近海藍碳潛力巨大，但我們對其碳匯過程還停留在對各生境的定性認識上，缺乏定量分析、系統研究和宏觀評估。因此，亟需整合國內各領域優勢研究隊伍，開展多學科交叉研究；融合現場觀測—遙感反演—模型模擬等研究手段，系統開展點—面、微觀—宏觀相結合的相關研究；通過構建陸-海統籌的觀測系統和區域碳循環模型，提高對藍碳增匯機制的科學認識和對未來碳匯強度的預測能力，提升我國在碳循環、全球變化研究領域的國際地位，并為國家制訂相關應對策略與政策提供科學依據。

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王秀君北京師范大學教授、高層次海外引進人才，全球變化與地球系統科學研究院首席科學家，亞洲大洋洲地學學會生地學分會主席；獲澳大利亞墨爾本大學土壤化學、塔斯馬尼亞大學海洋生物化學雙博士學位；長期從事海洋、陸地碳氮循環研究，擅長實地觀測、碳循環中同位素技術應用與定量分析和模型模擬等；在國內外主持過多項碳循環方面的科研項目/課題，在海洋和陸地生態系統碳循環過程及其對氣候變化的響應等研究領域取得了創新性研究成果，是我國為數不多的兼具海洋和陸地碳循環研究能力的學者。E-mail: xwang@bnu.edu.cn

Wang Xiujun Professor at Beijing Normal University, a chief scientist at the College of Global Change and Earth System Science. She serves as the president of Biogeosciences Section, Asia Oceania Geosciences Society. She was awarded a Ph.D. in soil chemistry by the University of Melbourne and a Ph.D. in ocean biogeochemistry by the University of Tasmania. She has in-depth knowledge in the global carbon and nitrogen cycles, with skills and experiences in observations, applications of isotopic techniques, and model simulations. She has been a principal investigator for several carbon research projects, and is one of the few scientists doing research in both oceanic and terrestrial carbon cycle in China. E-mail: xwang@bnu.edu.cn

Carbon Cycle and “Blue Carbon” Potential in China’s Coastal Zone

Wang Xiujun1Zhang Haibo2Han Guangxuan2
（1 College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2 Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China）

China has a very long coastal line and vast marginal sea, with variety of ecosystem and great potential for carbon sequestration. Because of the multi-driven forcings caused by natural processes and human activities, the carbon sources/sinks in the China’s coastal zone is complex, with great uncertainties. This paper focuses on major biogeochemical processes associated with the “blue carbon” in the coastal zone. We explore the possible impacts of various regulations on the coastal carbon sources/sinks, analyze the progress of current research in the coastal carbon cycle, and discuss the future research direction and methodologies.

blue carbon, coastal zone, marginal sea, carbon cyclee

*資助項目：國家重點基礎研究發展計劃“973”項目（2013BAC10B01）

修改稿收到日期：2016年9月5日