紫菜養殖海域秋冬季海氣界面CO2足跡與通量

薛峰，彭欣，柯愛英

(浙江省海洋水產養殖研究所 浙江省近岸水域生物資源開發和保護重點實驗室，浙江 溫州 325005)

海洋作為地球上最大的碳庫，在全球碳循環中起著極其重要的作用[1]。海洋生物總量只有陸地的0.05%，但卻捕獲地球上55%的生物碳[2]。碳匯指通過植樹造林、森林管理、植被恢復等措施，利用植物光合作用吸收大氣中的CO2，并將其固定在植被和土壤中，從而減少大氣中溫室氣體濃度的過程、活動或機制。近10年來，陸地和海洋的碳匯功能研究比較深入，海陸交界處(受潮汐影響的海岸帶)的碳匯功能研究較少[3]。海岸帶作為海陸交接帶的淺海水域，是中國實施“未來地球計劃”研究的4個關鍵帶之一[4]。廣義上的海岸帶藍碳指鹽沼濕地、紅樹林和海草床等海岸帶高等植物、浮游植物、藻類和貝類生物等，其在自身生長和微生物的共同作用下，將大氣中的CO2吸收、轉化并長期保存到海岸帶底泥中的碳，以及從海岸帶向近海及大洋輸出的有機碳。海岸帶藍碳的定量研究方法主要包括碳收支的監測、模擬實驗和模型研究，而碳收支的監測又分為碳通量和碳庫的觀測，其中碳通量的觀測主要采用密閉箱法和渦度相關法來測量[5]。

據世界糧農組織2016年世界漁業和水產養殖狀況統計數據，中國是世界上最大的海藻養殖國。大型藻類通過光合作用將海水中的溶解無機碳轉化為有機碳，使水中的CO2分壓降低，在其初級生產過程中，從海水中吸收硝酸鹽、磷酸鹽等溶解的營養鹽，使得表層海水堿度升高，進一步降低水體中CO2的分壓，從而促進大氣中CO2向海水中擴散[6]。當前，大規模的人工養殖海藻已經成為海岸帶生態系統的重要初級生產者，其碳匯生態功能也越來越被重視。過去對藻類養殖的碳匯能力評估主要是通過測量藻類的干重及碳含量來估算獲得[7]，而對藻類養殖海域的垂直碳通量的研究則相對較少，所以開展藻類養殖海域與上覆大氣之間的物質和能量交換的定量觀測研究，對由大規模貝藻養殖引起的海洋碳生物地球化學循環變化的全過程的研究十分重要。

本研究利用2014年11月初至2015年2月初在浙江省溫州市洞頭區霓嶼島紫菜養殖海域獲取的渦度相關觀測資料，分析研究并初步揭示紫菜養殖過程中的海氣界面CO2通量的變化特征，既可作為淺海藻類養殖業碳固定能力的測算的參考，也可為全球性碳平衡和海洋碳失匯研究提供局部海域的基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

溫州市洞頭區霓嶼島海域是浙江省重要的紫菜養殖基地，近5年來年均養殖面積超666 hm2。霓嶼島海域紫菜養殖生產活動一般從當年9月中下旬持續到次年1月底，平均歷時約4個月，通常于11月上旬完成頭水紫菜收割。為防止葉狀體老化，頭水紫菜收割后每隔20 d左右再收割1次，即11月底12月初收割第二水紫菜，12月下旬收割第三水紫菜，次年1月中旬收割尾水紫菜。

1.2 觀測點設置

渦度通量觀測平臺位于紫菜養殖區中央，地理位置為121°03′53″E，27°52′34″N(圖1)。觀測平臺距離霓嶼島陸地最近約1 000 m，與海面距離隨著潮汐漲落在2～4 m間波動(通量足跡分析計算時取平均值3 m)，平臺上安裝1套渦度觀測系統，系統由Li-7500A三維超聲風速儀(英國Gill WindMaster公司)、紅外開路式CO2/H2O分析儀(美國LI-COR公司)和相應的數據采集模塊構成，傳感器被安裝在距離平臺2 m的不銹鋼三腳塔架上，系統全部能耗由2塊太陽能充電板(150 W)與1塊膠體電池(12 V，120 HA)供應。傳感器采樣頻率為10 Hz，可連續對三維超聲風速、超聲虛溫、水汽、CO2和大氣壓強等參量進行同步觀測。

1.3 觀測數據采集

數據采集時間為2014年11月5日至2015年2月6日，為方便后續數據處理，原始觀測資料從整點時刻每隔0.5 h被存儲為1個格式數據文件。2015年1月2日至1月10日因能耗系統故障，數據缺失。但是鑒于紫菜養殖生產過程分水收割的特點，本次試驗的觀測數據基本覆蓋了紫菜海上養殖的全過程。

1.4 通量觀測與渦度相關法

雖然微氣象學方法中的梯度法、能量平衡法、質量平衡法等通量觀測方法應用相當廣泛，但渦度相關法被認為是當前較為理想的微氣象學方法，其在原理上不基于任何假設，不需要經驗參數，所需數據全部基于實測，計算方法亦有較為完整的理論論證[8]。

1.5 數據處理

采用Eddypro 6.2.0軟件對觀測資料進行處理。渦度傳感器在實際觀測采樣過程中，受到各種復雜外部因素的影響，高頻的原始數據包含脈沖噪聲。對于原始數據中異常值的處理，參考Vickers等[9]提出的不依賴于統計分布而著重關注儀器故障的湍流時間序列質量控制測試標準：1)若該觀測時段內數據缺失達到4%，則將該數據單元舍棄；2)對于明顯異常或超出物理合理范圍的數據點予以剔除；3)當數據與平均值的差大于3.5倍標準差時，視作野點予以剔除；4)當壞點連續出現個數大于4個時，則不視作野點，數據將被保留。

通量觀測研究中，通量的貢獻區域通常分布在觀測站點盛行風向一側。研究觀測點的通量變化時，首先要分析實際風向的變化特征，以便于宏觀上研究觀測點通量的時空變異。現場實驗過程中，因Li-7500A超聲風速儀是在“儀器坐標系”中測取的三維風速，儀器的傾斜會使傳感器測的水平風速與垂向風速存在交叉，而為了滿足“自然風系統”，剔除儀器傾斜誤差和側風影響湍流通量矢量成分，本研究實際通量計算過程中采用了二次坐標軸旋轉方案[10]，并將30 min平均處理結果繪制成風速、風向玫瑰頻率圖。

考慮到計算協方差使用的瞬時量在理論上是不可能被2臺傳感器同時測量和記錄，因此在通量計算時，需要計算2組信號之間的協方差，給出時滯量來矯正三維風矢量與標量參量(CO2與H2O密度)之間同步性[11]。當用渦度相關技術觀測CO2等微量氣體成分的湍流通量時，傳感器測量的是氣體的密度而非混合比，因此計算通量時還需要考慮因溫度和濕度波動引起的微量氣體的密度波動效應，即WPL校正，最終計算獲取CO2通量、感熱通量、潛熱通量、動量通量及相關的湍流特征參量的結果文件。結果分析時，參照Foken等[12]提出的方法進行嚴格的篩選，對于質量標志等級等于0的計算結果予以保留并討論，標志等級等于1或2的計算結果均予以舍棄。

現場觀測實驗的下墊面是插桿式紫菜養殖海面，海面殘留大量的毛竹插桿破壞了海表的均一性。非均一下墊面給使用渦度相關法觀測帶來一定的困難，這要求我們對觀測的代表性做進一步研究，解決這一問題的關鍵就是要針對觀測結果，做適當的通量足跡分析[13]。足跡定義了傳感器的視場，并且反映了下墊面對所測得的湍流通量的影響。嚴格意義上講，對于一個測點，源面積是包含其有效源及匯的下墊面(絕大部分在上風方向)的一部分[14]。

本文在數據處理過程中分別利用Kljun參數化方案和KM解析模型分析了通量足跡與源區的分布特征。

使用Kljun參數化方案計算時必須滿足以下要求：1)觀測試驗全過程必須要在行星邊界層內進行；2)測量下墊面均勻各向同性；3)大氣穩定度穩定度參數-200<ξ<1；4)摩擦速度U*≥0.2 m·s-1；5)傳感器測量高度Zm>1 m。根據參數化方案，通量貢獻區峰值距離xpeak計算公式如下：

累積通量貢獻率對應的距離xNN%的計算公式如下：

當不滿足Kljun參數化方案計算條件(3)、(4)時，Eddypro會自動選擇采用KM解析模型計算，KM解析模型主要是應用近地面層風速廓線、湍流擴散系數廓線和近地面層的相似理論推導出的通量足跡解析解，驅動KM模型的主要參數包括：觀測時間、摩擦風速、莫寧-奧布霍夫長度、風向等，其通量足跡函數：

式中，x為傳感器的上風向距離，ξ=ξ(z)是通量長度尺度，μ是無量綱模型常數，Γ是伽馬函數。圖1為收集到的2014年12月的航拍遙感圖像，紅色線條勾勒出的區塊均為紫菜養殖網簾范圍。

2 結果與分析

2.1 觀測站點風的特征

圖2給出了整個觀測時間段內30 min平均風速、風向玫瑰頻率圖。無論是秋末還是冬季，觀測站點處的紫菜養殖海面的盛行風向為偏北風，風向變化主要集中在西北偏西(WNW)到東北偏北(NNE)方位范圍內；次盛行風為偏南風，主要集中在西南(SW)到西西南(WSW)這一狹窄方位內。溫州地處亞熱帶季風氣候區，夏季盛行風為從海洋吹來的偏南風，冬季盛行風為從大陸吹來的偏北風。觀測時段為2014年11月至2015年2月，其中12月、1月、2月為氣候學上的冬季，11月、12月為秋冬季過渡期。短期天氣過程頻繁，加之受觀測點南側霓嶼島山地地形及海陸熱力結構差異的影響，印證了風玫瑰圖上的零星偏南風現象，因此上述風的觀測結果總體是可信的。相對于秋末，冬季時段觀測點處的偏北風發生的頻率相對更高，大風現象更為顯著，這對于剔除島嶼地形影響，進行通量足跡分析研究很有意義。

a圖為11月份(秋末)觀測數據繪制的玫瑰風圖，b圖為12月及次年1月、2月份(冬季)觀測數據繪制的風玫瑰圖， c圖為全部觀測時段數據繪制的風玫瑰圖圖2 霓嶼測站風速風向的玫瑰頻率

2.2 通量足跡分析

根據足跡函數計算各平均時段內的通量貢獻的峰值距離，并結合上風向繪制出通量貢獻的峰值距離與上風向的變化圖(圖3)。如圖所示，可明顯看出通量貢獻的區域主要集中在測點的盛行風向一側，且通量貢獻的峰值距離主要集中在測點周邊150 m圓形范圍內，峰值貢獻的最大距離可達600 m。Kljun等[15]的研究發現，超出通量峰值貢獻的最大距離外的通量源對傳感器的信號貢獻呈現一指數值的迅速衰減態勢。結合主導風向，本研究認為，距離測點1 000 m遠的霓嶼島對通量觀測結果沒有影響。

圖3 通量貢獻的峰值距離在上風向的變化

根據計算得到的莫寧-奧布霍夫(Monin-obukhov)穩定度參數zm/L，將觀測時段中大氣層結劃分為穩定與不穩定2種狀態。即當zm/L<0時，大氣以對流行湍流為主，視為層結不穩定；當zm/L>0時，機械湍流收到穩定層結抑制，視為層結穩定。分別將大氣層結穩定及不穩定條件下，90%通量貢獻區上風向距離范圍隨風向的變化的結果分別繪制成圖(圖4)。結果顯示，大氣層結穩定條件下通量貢獻區的范圍要遠遠大于大氣層結不穩定條件下通量貢獻區的范圍。大氣層結穩定，90%通量貢獻的上風距離最大可達10 000 m；大氣沉積不穩定時，90%通量貢獻的上風距離最大為2 600 m。這是因為通常在不穩定大氣環境下，大氣垂直運動非常劇烈，物質垂向輸送很快，物質濃度迅速變化的信號能很快被傳感器捕獲，因此傳感器測得通量來源于上風向上較近的地方。若是大氣處于穩定條件下，湍流活動相對較弱，大氣輸送物質的能力較弱，物質擴散相對緩慢，傳感器捕獲到的濃度變化很可能是從較遠的地方緩慢輸運而來。這合理解釋了上述通量貢獻區在大氣穩定條件下較長，而在不穩定條件下較短的觀測結果[16]。

本實驗主要研究人工大范圍紫菜養殖海區海氣界面的通量變化特征，上述分析結果中，不大于150 m的通量貢獻峰值距離和在大氣層結不穩定條件下2 600 m以小的90%的通量貢獻區范圍這2個特征，表明觀測結果主要刻畫的是測點下墊面人工紫菜養殖海區的海氣界面的通量變化特征。

2.3 CO2通量特征

圖5A為2014年11月22日至11月24日連續3個晴天條件下的CO2通量觀測結果，此時是第二水紫菜收割之后的生長階段，養殖海域內的紫菜的生物量相對較小。圖5B給出了2014年12月11日至12月13日連續3個晴天條件下的CO2通量觀測結果，此時處于第三水紫菜收割前夕，養殖海域內的紫菜生物量達到一個相對豐盈的狀態。不論紫菜是在剛收割后的緩慢生長階段，還是在待收割前的生長成熟階段，養殖海區海氣界面的CO2通量均具有明顯的日變化特征，整個養殖海面在日出前均表現出對CO2弱吸收特征，偶有時段表現為弱碳排放，這可能與養殖海域內漁民養殖的生產活動產生的碳排放有關。上午8時至下午16時之間，由于海區內紫菜及微生物的光合作用，整個養殖海面表現出強烈的CO2吸收效應，且養殖海區內紫菜成熟期的CO2富集效應要相對高于紫菜生長階段；日落后的CO2通量特征與日出前類似。

圖4 不同大氣穩定度條件下90%通量貢獻區范圍隨風向的變化

A為紫菜生長期，B為紫菜成熟期圖5 紫菜生長期、成熟期海氣界面CO2通量日變化

圖6為整個觀測時段CO2通量的時間變化序列，每個十字星散點代表0.5 h平均CO2通量。根據圖中輔助的虛線零軸，可明顯看出大部分時間段內紫菜養殖海區的海氣界面的CO2通量數值為負值，這表明在海氣界面上有凈的向海水側的CO2通量，即紫菜養殖海區對大氣中的CO2有明顯的吸收匯集效應。

從日平均變化曲線可以看出，從11月上旬至11月中下旬，CO2通量日平均值呈現出逐漸變小的趨勢；從11月底至12月初，二水紫菜收割前，CO2通量日平均值又呈現逐漸增加的趨勢；至次年1月中旬尾水紫菜收割完成后，CO2通量日平均值再次呈現出變小的趨勢。這些趨勢變化與觀測海域內紫菜生物量密切相關，即11月上旬第一水紫菜生長成熟，養殖漁民逐步完成收割，養殖海域內的紫菜生物量急劇減少，光合作用的固碳效應減弱，海氣界面CO2通量日均值變小；11月底至12月初，第二水紫菜逐漸生長成熟，光合作用的固碳效應迅速增強，海氣界面表現出較強的CO2吸收匯集效應；同樣的規律體現在次年1月中旬尾水紫菜收割后。鑒于尾水紫菜經濟價值很低，不少養殖漁民放任紫菜在海里生長，這合理說明了次年1月下旬至2月初海氣界面CO2通量的日變化趨勢。

統計計算顯示，在觀測全時段內，洞頭區霓嶼街道紫菜養殖海區單位面積海氣界面CO2通量的平均值為-1.45 μmol·m-2·s-1，是1999年在東海大陸架PN斷面研究結果的15倍[17]，是2009年在長江河口外緣研究結果的24倍[18]，而與Hiscock等[19]提出的河口及海藻區的估算結果相比則要小一個數量級。根據上述計算結果，紫菜養殖海區具有明顯的海洋碳增匯效應。

圖6 CO2通量的時間變化序列

3 討論

為了準確理解紫菜養殖過程中海氣界面CO2通量的時空變化特征，課題組在浙江洞頭霓嶼島海域人工紫菜養殖區搭建了一個觀測平臺，開展了基于渦度相關法的海氣界面CO2通量的觀測研究，獲取到了基本覆蓋紫菜養殖周期時段內的海氣界面通量觀測數據，通過一系列的數據處理步驟統計了風要素特征，計算分析了二氧化碳通量足跡和海氣界面CO2通量。

近4個月的觀測結果表明，秋冬季霓嶼島人工紫菜養殖海域海氣界面CO2通量具有明顯的日變化特征并表現出強烈的碳匯效應，并且海氣界面CO2通量伴隨著紫菜生長與收割的不同階段呈現出規律的變化，即當該海域內每一水紫菜生長臨近成熟，碳匯效應顯著增強，當每一水紫菜收割完成后，碳匯效應有減弱的趨勢；整個觀測時段內的海氣界面CO2通量的平均值為-1.45 μmol·m-2·s-1，每666.67 hm2的紫菜養殖面積，在秋冬季4個月的養殖周期內養殖海面可吸收約1 201 t碳。

已有研究表明，鹽沼平均固碳能力為218 g·m-2·a-1,紅樹林為226 g·m-2·a-1，海草為138 g·m-2·a-1，而陸地森林平均固碳能力只有5 g·m-2·a-1或更少[20]。根據對海洋初級生產力的衛星遙感數據分析估算，海洋年平均初級生產力只有140 g·m-2·a-1[21]。因此，在發展低碳經濟、推行節能減排的大環境下，發展淺海紫菜養殖不失為一種行之有效的固碳增匯舉措[22]。