大型海藻碳匯能力的種間差異

歐官用，王鑫杰，楊安強(qiáng)，柯愛(ài)英，關(guān)萬(wàn)春

(1.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005； 2.溫州醫(yī)科大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院海洋生物技術(shù)系，浙江 溫州 325035)

大型海藻碳匯能力的種間差異

歐官用2，王鑫杰2，楊安強(qiáng)2，柯愛(ài)英1*，關(guān)萬(wàn)春2

(1.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005； 2.溫州醫(yī)科大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院海洋生物技術(shù)系，浙江 溫州 325035)

對(duì)浙南沿岸常見(jiàn)的11種大型海藻(2種綠藻，2種紅藻和7種褐藻)進(jìn)行研究，探討其碳匯能力對(duì)光的響應(yīng)差異，并初步了解該11種大型海藻在漁業(yè)碳匯中的作用。結(jié)果表明，這11種大型海藻的固碳能力對(duì)光響應(yīng)的關(guān)系均符合方程y=Pm×tanh(α×x÷Pm)+Rd，且光合固碳速率存在種間差異，表現(xiàn)為海帶>萱藻>鼠尾藻>珊瑚藻>銅藻>滸苔>瓦氏馬尾藻>蜈蚣藻>石莼>鐵釘菜>羊棲菜。其中，海帶的固碳能力最強(qiáng)，固碳量可達(dá)0.89×10-3t·t-1·h-1，相當(dāng)于可減排的最大CO2量達(dá)3.28×10-3t·t-1·h-1。羊棲菜的固碳能力最低，固碳量為0.28×10-3t·t-1·h-1，可減排的最大CO2量為1.04×10-3t·t-1·h-1，固碳能力僅為海帶減排CO2能力的31.5%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大型經(jīng)濟(jì)海藻海帶對(duì)漁業(yè)碳匯的貢獻(xiàn)最為明顯，碳匯能力所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為0.49～1.97美元·t-1·h-1。雖然其他海藻的固碳能力均低于海帶，但由于其生物量大，分布較廣，對(duì)于漁業(yè)碳匯的貢獻(xiàn)也極其重要。因此，合理養(yǎng)殖大型海藻、保護(hù)大型海藻場(chǎng)及維護(hù)大型海藻的生物多樣性，對(duì)提高漁業(yè)碳匯能力、增加CO2減排量具有重要作用。

大型海藻； 漁業(yè)碳匯； CO2； 光合固碳

人類活動(dòng)使用大量的化石燃料，使大氣中CO2的濃度持續(xù)升高，預(yù)計(jì)2100年大氣中CO2的濃度達(dá)1.96 μg·L-1[1-4]，該數(shù)值是目前大氣中CO2濃度的2.5倍。同時(shí)，伴隨著大氣中CO2濃度的持續(xù)升高，全球變暖的速度也將進(jìn)一步加劇。因此，如何減緩全球變暖的速度以及降低大氣中的CO2濃度，已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。大型海藻，作為海洋初級(jí)生產(chǎn)力中的重要組成部分，一方面可以通過(guò)光合作用調(diào)控和吸收大氣中的CO2，直接影響全球碳循環(huán)；另一方面通過(guò)其自身具有的碳匯功能，吸收了人類排放CO2總量的20%～35%，從而有效降低了大氣中的CO2濃度以及延緩了全球氣候變化的速度[5-7]。大型海藻主要具有氣候調(diào)節(jié)、固碳制氧、緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化、凈化環(huán)境等生態(tài)功能[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 沿海生態(tài)系統(tǒng)是所有生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的生態(tài)系統(tǒng), 每年的生態(tài)服務(wù)價(jià)值已超過(guò)20萬(wàn)億美元, 而這一值僅是一個(gè)偏低的估計(jì)值[9]。因此，以浙南地區(qū)采集的11種大型海藻為研究對(duì)象，探討其固碳能力對(duì)光的響應(yīng)機(jī)制，擬掌握11種大型海藻的碳匯能力和對(duì)漁業(yè)碳匯的貢獻(xiàn)，并分析碳匯能力的種間差異。

1 材料與方法

1.1 材料

供試11種大型海藻均采自浙南地區(qū)。綠藻有石莼(Ulvalactuca)和滸苔(Enteromorphaprolifera)，紅藻有蜈蚣藻(Grateloupiafilicina)和珊瑚藻(Corallinaofficinalis)，褐藻有羊棲菜(Sargassumfusiforme)、鐵釘菜(Ishigeokamurai)、銅藻(S.horneri)、瓦氏馬尾藻(S.vachellianum)、海帶(Laminariajaponica)、萱藻(Scytosiphonlomentarius)和鼠尾藻(S.thunbergii)。選擇健康的藻體，除去表面附著物，放置于培養(yǎng)箱中適應(yīng)培養(yǎng)。適應(yīng)期水溫(20±0.5)℃，鹽度24%，光照強(qiáng)度100 μmol·m-2·s-1，光暗周期為12 L∶12D。

1.2 固碳能力測(cè)定

采用氧電極法(Model 782 with 1302 oxygen electrode, Strathkelvin Instruments, 蘇格蘭)測(cè)定大型海藻固碳能力。由于藻體的光合固碳速率和光合放氧速率為1∶1，因此，藻體每釋放1mol氧氣，就相當(dāng)于固定1mol碳，從而可以通過(guò)測(cè)得的光合放氧速率獲得光合固碳速率。取海藻樣品0.1 g，放于盛有3 mL無(wú)菌海水的氧電極反應(yīng)杯中，通過(guò)水浴(Model:F12, Gesellschaft mit beschr?nkter Haftung,德國(guó))控溫20 ℃。光源為鹵燈(QVF137,Philips,中國(guó))，通過(guò)調(diào)節(jié)光源與氧電極反應(yīng)杯間的距離來(lái)獲得0(關(guān)閉光源，并用黑布遮光)、20、50、100、200和300 μmol·m-2·s-1的6個(gè)光強(qiáng)梯度，并測(cè)定不同光照強(qiáng)度條件下藻體的光合放氧速率(固碳速率)及呼吸速率。光合固碳速率(P)與光的關(guān)系參考P公式進(jìn)行擬合[10]，每噸鮮重每小時(shí)可達(dá)到的最大固碳(碳匯)能力(Cm)采用Cm公式計(jì)算。

PCarbon=POxygen=PmαI/Pm+Rd；

Cm=(Pm+|Rd|)×12/1 000。

式中，I表示光照強(qiáng)度，PCarbon是光照強(qiáng)度為I時(shí)所對(duì)應(yīng)的光合固碳速率，POxygen是光照強(qiáng)度為I時(shí)所對(duì)應(yīng)的光合放氧速率，Pm是最大光合放氧速率，即最大光合固碳速率，Rd為呼吸速率，α為光能利用率，Cm是大型海藻每噸鮮重每小時(shí)可達(dá)到的最大碳匯能力。

α=Pm/Ik。

式中Ik為光飽和參數(shù)。

1.3 大型海藻每噸鮮重每小時(shí)可減排的最大CO2量

Cm×44/12。

1.4 大型海藻碳匯能力所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

依據(jù)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的京都議定書》確定的工業(yè)化國(guó)家減排CO2的開支標(biāo)準(zhǔn)：150～600美元·t-1，即可獲得大型海藻每小時(shí)每噸鮮重藻體可創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而最終得出的數(shù)據(jù)有利于為當(dāng)?shù)貪O業(yè)部門核算大型海藻減排CO2的潛在總經(jīng)濟(jì)價(jià)值提供依據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin8.0和SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合固碳能力與光的關(guān)系

11種大型海藻的固碳能力(y)對(duì)光照強(qiáng)度(x)的響應(yīng)規(guī)律均符合方程y=Pm×tanh(α×x÷Pm)+Rd(圖1)，但光合固碳速率存在較大差異，表現(xiàn)為海帶>萱藻>鼠尾藻>珊瑚藻>銅藻>滸苔>瓦氏馬尾藻>蜈蚣藻>石莼>鐵釘菜>羊棲菜。其中，海帶的固碳速率最大，固碳量可達(dá)0.89×10-3t·t-1·h-1，羊棲菜的固碳速率最小，固碳量為0.28×10-3t·t-1·h-1，約是前者的31.5%。其他海藻固碳能力居兩者之間。

圖1 大型海藻光合固碳能力與光的關(guān)系

2.2 大型海藻間光合固碳能力的比較

2種綠藻對(duì)比，滸苔的固碳能力較高，為29.96 μmol·g-1·h-1，石莼的固碳能力較低，為28.93 μmol·g-1·h-1。2種紅藻對(duì)比，珊瑚藻的固碳能力較高，為34.71 μmol·g-1·h-1，蜈蚣藻固碳能力較低，為23.76 μmol·g-1·h-1。褐藻之間相比較，海帶的固碳能力最高，達(dá)70.58 μmol·g-1·h-1，萱藻、鼠尾藻、銅藻、瓦氏馬尾藻、鐵釘菜、羊棲菜6種藻依次降低，羊棲菜的固碳能力最低，為20.03 μmol·g-1·h-1，僅是海帶的28.4%。比較分析可知，11種大型海藻的固碳能力存在一定差異。大型海藻無(wú)機(jī)碳的利用能力與其所在生態(tài)位相關(guān), 一般認(rèn)為，3 種基本大型海藻無(wú)機(jī)碳利用能力由高到低依次為綠藻、褐藻、紅藻[11]。這與海藻的地理分布區(qū)域也有一定的關(guān)系，分布于潮間帶的海藻對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力略高于潮下帶海藻。在本研究中發(fā)現(xiàn)，在潮間帶的3種大型海藻石莼、滸苔和鐵釘菜中，滸苔的飽和光強(qiáng)最大，為67.23 μmol·m-2·s-1，明顯高于潮下帶的蜈蚣藻和銅藻。從光能利用率α的角度分析，潮間帶中石莼的光能利用率α最大，并且高于潮下帶的大型海藻。這說(shuō)明長(zhǎng)期的生態(tài)環(huán)境適應(yīng)促使潮間帶的大型海藻對(duì)低光的耐受性和利用能力普遍高于潮下帶的大型海藻(表1)。

表1 大型海藻Pm、α及Ik的比較

綠藻、紅藻中固碳能力最高的是滸苔和珊瑚藻，但也僅是褐藻中海帶固碳能力的52%和56%。由此可見(jiàn)，大規(guī)模開展養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)海藻海帶，對(duì)于增加漁業(yè)碳匯能力是至關(guān)重要的。從生態(tài)系統(tǒng)多樣性的角度來(lái)說(shuō)，其他藻類固碳能力雖低于海帶，但也要對(duì)其進(jìn)行合理的保護(hù)，以保證大型海藻的物種多樣性，維持生態(tài)系統(tǒng)平衡。

2.3 大型海藻可減排的最大CO2量和可創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

大型海藻單位鮮重(t)、單位時(shí)間內(nèi)(h)減排的最大CO2量如表2所示。其中，大型海藻可創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值依據(jù)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的京都議定書》確定的工業(yè)化國(guó)家減排CO2的開支標(biāo)準(zhǔn)150～600美元·t-1·h-1進(jìn)行估算。

表2 大型海藻可達(dá)到的最大固碳能力、減排的最大CO2量和減排CO2的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值

在本研究中，發(fā)現(xiàn)供試11種海藻的固碳能力存在顯著的種間差異，固碳能力最高的海帶可減排的最大CO2為3.28×10-3t·t-1·h-1，該減排量可創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為0.49～1.97美元·t-1·h-1。固碳能力最小的羊棲菜減排的最大CO2僅為1.04×10-3t·t-1·h-1，其可創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值僅為0.16～0.64美元·t-1·h-1，其他9種大型海藻的固碳能力居兩者之中。

同時(shí)可依據(jù)當(dāng)?shù)卮笮秃Ｔ宓暮．a(chǎn)養(yǎng)殖面積和產(chǎn)量計(jì)算出大型海藻減排CO2的潛在總經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為當(dāng)?shù)貪O業(yè)估算大型海藻養(yǎng)殖在減排CO2所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面提供理論支撐。

3 討論

光合作用作為大型海藻基礎(chǔ)而復(fù)雜的生理代謝過(guò)程, 光強(qiáng)是影響光合固碳效率的直接因素。大型海藻作為海洋碳匯重要的組成部分,其養(yǎng)殖對(duì)于擴(kuò)增海洋碳匯效應(yīng)具有重要意義, 其固碳量和碳匯潛力都非常驚人。已有研究發(fā)現(xiàn), 長(zhǎng)石莼(U.linza)在25 ℃時(shí)的飽和光強(qiáng)為72 μmol·m-2·s-1, 在光飽和點(diǎn)以下,增加光強(qiáng)可促進(jìn)光合作用, 在光抑制之后, 光合固碳能力隨之下降[12]。海洋植物的總量雖然只有陸生植物總量的0.05%,但是其穩(wěn)定碳總量卻與陸生植物不相上下, 主要是因?yàn)楹Ｑ筇厥獾沫h(huán)境使海洋植物捕集轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存碳的能力和效率增加[13]。Duarte 等[14]的研究表明,海洋大型植物每年為全球埋藏的碳量高達(dá)120～329 Mt。而Chung 等[15]對(duì)于多年生褐藻Ecklonia試點(diǎn)海藻場(chǎng)研究結(jié)果表明, 該試點(diǎn)藻場(chǎng)利用中層水纜繩養(yǎng)殖模式每年可沉降CO2近10 t。由此可見(jiàn), 培養(yǎng)和增殖大型藻類對(duì)擴(kuò)增海洋碳匯具有重要的意義和價(jià)值。

本研究采用氧電極法針對(duì)大型海藻的碳匯能力進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)測(cè)定，大型海藻的碳匯能力受到光照強(qiáng)度的顯著影響，其固碳能力在一定范圍內(nèi)隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，而當(dāng)光照強(qiáng)度增加到其光飽點(diǎn)時(shí)，固碳能力不再增加。大型海藻生活在潮間帶和潮下帶，隨著潮水漲退，其接受的光也存在高低的波動(dòng)，因此，大型海藻的固碳能力受到陽(yáng)光日輻射強(qiáng)度變化和潮水漲退的影響。研究檢測(cè)的11種大型海藻都具有顯著的固碳能力，對(duì)于減排CO2都具有重要作用，其中海帶碳匯能力最強(qiáng)，可創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大。因此，海帶的大規(guī)模養(yǎng)殖對(duì)于漁業(yè)碳匯和生態(tài)保護(hù)具有十分重要的作用，不僅僅可以直接提供產(chǎn)品，還增加了碳匯，創(chuàng)造了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。造成碳匯能力差異的主要原因與藻體本身的差異以及其生長(zhǎng)的環(huán)境有一定的關(guān)系，雖然其他大型海藻的碳匯能力小于海帶，但由于其生物量巨大，分布較廣，它們對(duì)漁業(yè)碳匯的貢獻(xiàn)也十分重要。

生物固碳具有操作成本低、易施行的特點(diǎn)，且可以達(dá)到間接減排的效果，開展碳匯漁業(yè)的研究，關(guān)注大型海藻對(duì)漁業(yè)碳匯的貢獻(xiàn)，在滿足應(yīng)對(duì)全球氣候變暖、大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的同時(shí)，還有利于保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)、保護(hù)大型海藻物種多樣性和凈化近岸水體污染。這有利于改善和修復(fù)在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過(guò)程中給近岸水域環(huán)境造成的污染和破壞。

4 小結(jié)

隨著光照強(qiáng)度的增加，11種大型海藻光合固碳能力都逐漸增大，且當(dāng)光照強(qiáng)度增加到一定值時(shí)趨向飽和，達(dá)到最大固碳能力。大型海藻的碳匯能力存在一定的種間差異，但由于大型海藻生物量巨大，分布較廣，不同的大型海藻對(duì)漁業(yè)碳匯的貢獻(xiàn)都是不可忽視的。因此，意識(shí)到大型海藻對(duì)于漁業(yè)碳匯能力的貢獻(xiàn)，能夠合理地開發(fā)和利用大型海藻資源，對(duì)于生態(tài)修復(fù)和生態(tài)文明建設(shè)是至關(guān)重要的。

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(責(zé)任編輯：吳益?zhèn)?

2017-05-12

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016F50032)

歐官用(1996—)，男，貴州遵義人，本科生，E-mail: ouguanyong1214@163.com。

柯愛(ài)英(1965—)，女，浙江建德人，高級(jí)工程師，從事海水養(yǎng)殖研究工作，E-mail: keaiying8899@126.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170843

Q949.2

A

0528-9017(2017)08-1436-04

文獻(xiàn)著錄格式：歐官用，王鑫杰，楊安強(qiáng)，等. 大型海藻碳匯能力的種間差異[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(8)：1436-1439，1443.