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标题 海洋碳汇与温室效应
范文 邱潇涵+程传东+刘强+汤易上+赵淑江
摘要：统计数据显示，地球上45%的碳都来自陆地，而剩下的55%则集中在海洋，也就是“蓝碳”。由此可见，海洋作为地球上最大的碳库，在全球的碳循环中发挥举足轻重的作用。并且在海洋储碳中，微型生物发挥的作用不可替代。由焦念志等院士提出的“微型生物碳泵”理论阐释了海洋储碳的一个新机制：微型生物活动把溶解有机碳从活性向惰性转化，从而构成了海洋储碳。舟山附近海域作为东海的典型海域，是海陆交互区和人类活动影响最大的海区之一，营养盐及污染物输入量巨大，具有营养盐的梯度。因此舟山附近海域微型生物丰富，CO2交换作用强烈，是具有典型碳汇动态特征的海域，并且在东海碳汇中的贡献作用显著。
关键词：温室效应 固碳储碳 微型生物泵 碳汇
中图分类号：X- 4 文献标识码：A
1 研究背景
1.1气候变暖
大量的证据表明，十九世纪以来地球表面气候系统出现了明显变暖的趋势，并且陆地区域的变暖速率比海洋要快。
1.2气候变暖的原因-温室效应
对于我们的地球的气候正在不断变暖的事实，存在一部分人认为这是一种周期性的自然现象。但是在日益剧增的化石燃料消耗和砍伐森林的背景情况下，越来越多的证据表明这主要是人为导致的，工业发展产生了温室气体，导致温室效应，进而造成地气系统能量的吸收和释放失衡，系统中的能量持续增多，引起温度的提高，使气候变暖恶化。温室气体又包括哪些呢？其中96.5%为CO2，剩下的3.5%则是N2、SO2等等。由此可见CO2作为最主要的温室气体，已经成为人类社会可持续发展的阻碍之一。
1.3温室效应的生态影响
一旦出现温室效应，森林首当其冲，温度的提高将加速森林地面和树木水分的蒸发，带来更多的火灾隐患，这也是最近几年间森林火灾发生率不断提高的主要原因。并且，温室效应导致温带森林温度提高，以往只能够在热带森林存活的病虫，会传播到温度上升的温带森林中，导致森林结构改变，而这种改变又会加剧气候的变化，由此进入到恶性循环中。久而久之，土地便会荒漠化、石漠化。其次温室效应会使冰山、冰川消融，不但导致北极熊、企鹅等动物失去家园和珍贵的珊瑚出现“白化病”，而且还会引起海平面上升，使沿海地区建筑受损，土地盐渍化。温室效应还会导致更多的CO2融入海水中，导致海水pH值降低，对海洋生物的生存造成影响，以及加速溶解海床，导致严重的后果。英国《自然》杂志曾经刊登一篇文章，文章作者对NASA的卫星数据进行分析，结果发现海洋温度的提高使海洋生物数量有所降低，并且促进了气候变暖的发展，这是因为海洋变暖后，浮游植物的生长速度大幅降低，并且这一趋势还在不断恶化，浮游植物在海洋生物链中基本处于最底端，其数量的降低将会影响到其他生物的食物供应量，进而造成其他物种数量的减少。
1.4我国碳排放情况
随着经济的快速发展，我国的碳排放正在不断增长，并且目前占全球碳排放的30%左右，已经超越美国，如果不加控制，预计在2030年达到美国的2倍。温室效应已经引起全球范围的关注，都在试图减缓这种情况。
2 控制溫室效应的途径
2.1节能减排
控制温室效应的途径可以减少温室气体的排放，例如：能源替代，以天然气替代其他燃料；采用高效率或节电设备；引进再生能源（风力、太阳能等）；评估及增进废弃物再利用；资源物回收；节约用水、废水减量以降低废水处理负荷等等，但人们对经济发展的需求使减少温室效应气体的排放面临巨大压力。
2.2固碳方式
当温室效应已经发生，我们可以通过固碳减少空气中的CO2浓度。固碳的方式很多，例如物理方式，例如CO2的分压作用溶于水或者人为将CO2长期储存在开采过的油气井、煤层和深海里；化学方式，例如用化学药剂反应化合、吸附固定；最值得一提的是生物方式，这种方式不但成本低廉，而且不会造成安全事故，对环境可持续性发展有利，为此越来越多的学者投入到生物固碳和储碳机制的研究中来。
生物固碳又分为陆地生物固碳和海洋生物固碳。前者指的是利用植物天然的光合作用，吸收CO2并将其保存起来，又可称为是“绿碳”（green carbon）。后者指的是海洋植物利用光合作用，吸收 CO2并将其保存起来，那便是“蓝碳”（blue carbon）。
2.3陆地生物固碳
陆地生物固碳是指陆地植物通过光合作用将CO2转化为有机碳贮存在生物体内。目前陆地植被中生物固碳达到500×109t，并且比起人工固碳不需要提纯CO2，进而可以节省分离、捕获、压缩气体的成本。例如植树造林、种草，其成本远低于一些国家采用的能源转换策略减少温室气体排放所需的成本，同时还可以涵养水源、保持水土等等。不但可以带来经济效益，还可以给地球“减压”。
2.4海洋生物固碳
海洋生物固碳包括海洋微生物固定的碳、浮游植物初级生产固定的碳、海岸带植物群落固定的碳、贝类和珊瑚礁通过碳酸钙分泌固定的碳等。浮游植物每年通过光合作用初级生产固定的CO2超过了36.5Pg（C）[1]，渤海、黄海、东海的浮游植物固碳总强度达到了222.0638.0Tg（C）/a，我国近海浮游植物每年基本上都会固定638.0Tg（C）/a的碳，和全球这一数据的比值为5.77%[2]。海岸带的大型藻类高度自养，它们可以和农作物一样被人们所“种植”，并具有高生产力和固碳能力。贝类也具有一定的固碳作用，它能够利用海水含有的碳酸氢根（HCO3-），得到的产物是碳酸钙（CaCO3），具体反应过程是Ca2++2HCO3-=CaCO3+CO2+H2O[3]，由此方程式可以得出每形成1molCaCO3，就能固定1molCO2，所以海区中自然分布的贝类和养殖的贝类以及珊瑚虫的成长也可以起到固碳的作用。
3 固碳不等于储碳
但是，通过生物方式固定下来的碳元素，有可能会参与到其他反应中，进而形成CO2并重新回到环境中，这样对缓解温室效应没有贡献。因为无论是被动物摄食还是自然死亡，最终都会被分解者所分解，这样CO2又被送回大气，因此短时间的固碳并没有意义。举例来说：河口充满了营养物质，对生物生长有利，从而更快、更多地消耗CO2，但事实却是，人们会采取措施阻止河水的富营养化和赤潮现象的发生，原因在于：这样的环境很适合藻类生长，在它们繁殖生长时确实会消耗大量CO2，然而这些生物反应形成的有机物容易参与到其他反应中去，并且随着有机物的堆积，会给细菌的繁衍创造更好的条件，从而通过各种生理作用将氧气转变成二氧化碳，严重时导致局部地区严重缺氧，很多动物会因此死亡，细菌、微生物生长更为旺盛，消耗更多的氧气，释放CO2，以及甲烷、氯化氢等，这些气体和空气中的水蒸气融合在一起，就会形成酸雨。因此，针对施肥、污染物排放等行为，必须进行严格的管控[4]。
因此，固碳并不等于储碳。储碳是不但要把CO2固定下来，还要保存下来。数据表明陆地生态系统捕获和储存的碳仅可保存数年至几十年，最长数百年。陆地上的生物储碳界定年限大约为20年[5]。相比于陆地，海洋储碳时间更长，更具潜力。在碳通量、储量方面，海洋的能力有多强？根据现有的研究成果，红树林、盐沼、海草消耗和存储的CO2超过亚马逊原始森林9、5、1倍，再算上海域、珊瑚礁，海洋在储碳方面的能力是巨大的。
4海洋碳汇（Marine carbon sink）与海洋吸收CO2的机制
这里先加入两个概念：碳源是指将CO2释放到环境中的行为、活动或机制。碳汇指的是降低环境中CO2含量的行为、活动或机制。地球表面积的71%由海洋覆盖，是最大的一块碳汇区。每年海洋会从大气里面吸收22亿吨的碳，工业革命至今，人类活动释放的CO2的48%已被海洋吸收，发挥着全球气候变化缓冲器的作用。海洋主要通过“溶解度泵（Solubility pump）”、“碳酸盐泵（Carbonate pump）”、“生物泵（Biological pump）”和微生物泵（Microbialcarbon pump，MCP）这四种机制吸收大气中的CO2。
微型生物泵的概念是如何产生的？溶解度泵的原理，是CO2在海水里面的化学平衡和物理转移。尤其是在低温、高盐区域，海水的密度更高，受到重力的影响，把海气交换吸收的CO2传递到深海，进入千年尺度的碳循环，这就是海洋储碳的整个过程[7]。和溶解度泵存在联系的碳酸盐泵通过海水CO2体系平衡和碳酸盐析出和沉降[8]。另外，在碳酸盐析出的过程中，会释放等量的CO2，也就是说一个碳酸盐分子的分解释放一个CO2分子，储碳的前提是形成了碳酸盐[9]。生物泵指的是海洋里面有机物形成、消耗、传输等过程，还有因此形成的颗粒有机碳（POC）不断深入到海洋深处的过程 [10，11]。上述过程以浮游植物的光合作用为起点，有机碳在食物链中不断汇集，由此出现POC沉降。比如，浮游动物的粪便“打包效应（Packing Effects）”能够阻碍微生物的降解，加速沉降，让碳能够远离大气，保存在海洋中，达到“海洋储碳”的效果。这一过程由生物进行，通过沉降作用，将碳“泵”到深海区域，由此被叫做生物泵[11]。海洋真光层的浮游植物开展光合作用，每天消耗一亿吨以上的来自大气的CO2[12]，尽管浮游植物能够处理如此巨大的碳，然而其处理后得到的产物颗粒有机碳POC在沉降时会降解，最终沉降的POC不到表面初级生产力的15%，抵达海底部位的POC甚至仅为初级生产力的0.1%[13]。所以，生物泵的效率较低，其能够存储的碳量比不上固碳量，这也是固碳和储碳的主要区别之一。相比之下微型生物泵储碳效率很高。微型生物碳泵，是指海水里面的微型单细胞生物的各种生理活动，将有机碳转变为惰性有机碳RDOC（RDOC指的是：朊蛋白、肽聚糖、聚酯多糖、某些D型氨基酸等等），并长期存在于海水的水体中。RDOC能够长时间保存在海洋中，就如今海洋条件来看，它的周转周期将近5000年，在某些历史时期，更是达到了一万年。海洋积累了非常可观的RDOC，如今海洋中的RDOC一共存儲了6500亿吨碳[14]，和大气里面CO2在量级上基本相当，是巨大的碳汇。简单来说，微型生物泵指的是微型生物参与的将低浓度活性炭库LDOC转变为高浓度惰性碳库RDOC的碳泵功能。
作为RDOC形成的驱动者海洋微型生物，其评判标准是直径不超过20μm的微型浮游生物以及不超过2μm的超微型浮游生物，比如各式各样的单细胞核生物，无细胞结构不过却拥有生态功能的浮游病毒/噬菌体。尽管这些生物的尺寸非常小，不过数量却是无限多的，一升海水中此类微生物的总量和人口总规模基本相当。海洋微型固碳储碳微型生物类群有：聚球藻（Synechococcus）[16]、原绿球藻（Prochlorococcus）[17]、海洋浮游古菌（Archaea）[18]、浮游病毒（Planktonic virus/phages）[19]、好氧不产氧光合异养细菌（Aerobic Anoxygenic Phototrophic Bacteria， AAPB）[20]、含视紫质细菌（PR）[21]、海洋厌氧氨氧化细菌（Anammox bacteria）[22]、深海固碳古菌和细菌[23，24]等等。
5 东海典型海域海洋碳汇特征与碳汇潜力
在大陆和海洋交界处的海-气界面上，存在明显的CO2交换作用，该位置的CO2通量是决定全球海洋CO2吸收能力的关键因素[25，26]。全球该界面吸收的CO2将近3×1014～4×1014g/a，表现为大气CO2的强汇区[27，28，29，30]。该界面上CO2交换十分复杂，不同地区也是不一样的。并且近海生态系统与深海大洋相比，虽然面积较小，但是通常情况下光照基本不受限制（水深小于50m），是微型生物介导的一系列氧化还原反应耦合的重要场所。东海大陆架作为世界上最宽广的大陆架之一，东海受到东亚季风和太平洋黑潮的双重影响，这里的海-气CO2交换通量表现出代表性的陆架边缘海特征[31]。Tsunogai课题组[32]基于以往针对东海的CO2 源汇调查创建了“陆架泵”假说，该理论指出陆架边缘海是大气CO2 的强汇。东海CO2源汇具有明显的季节性特点，冬、春、夏主要是碳汇，秋季主要是碳源，整年整体来看，是大气CO2的净汇。在东海，CO2源汇的空间分布严重不一致，受到长江冲淡水、台湾暖流以及生物分布的共同作用，东海远海区的CO2源汇强度变化相比近岸区不太明显。比如在夏季，东海西部汇区主要来自长江冲淡水区[33，34，35]；然后到了秋季后，长江冲淡水区变成了东海中北部强源区[36]。Kim课题组[37]从2003年开始进行了持续六年的调查，结果显示东海北部春夏季CO2源汇不同年数据波动更明显，夏季的海-气CO2分压差最高为2倍。Chou课题组[38]把东海分成多个水团影响区域，并分开展开调查，以了解东海CO2源汇的变化机制。他们发现长江径流是影响东海CO2源汇的关键因素[39]。在过去的二十多年间，东海海-气界面CO2交换研究成果日益丰富，然而关于海-气界面CO2交换的控制机制以及CO2进入海水后的进一步迁移转化方面的研究比较薄弱。位于东海西部的舟山附近海域具有以下特征：是海陆交互区，人类活动影响最大的海区之一，营养盐及污染物输入量巨大；形成营养盐的梯度；是具有典型碳汇动态特征的海域。要是能够估算出东海典型海域海洋微型生物的丰度，前文提到微生物泵的储碳效率很高，就能借此作为判断东海典型海域的储碳潜力的依据之一。
研究“微生物泵”和碳匯形成机理，获取参数，估算海洋碳汇潜力和形成规模。是因为碳汇在减缓温室效应的同时创造经济效益。《京都议定书》的相关内容指出，市场机制是降低温室气体排放量的减排的新手段，具体来说就是将CO2排放权当做商品来交易流通，这就是所谓的碳交易。形成碳汇标准，进行碳交易。一方面对环境发展有利，另一方面还能促进绿色经济增长，能够形成先进的“蓝碳”理念。
因此对舟山附近海域进行碳汇潜力的研究是非常有意义的，既能够提高对“蓝碳”的理解，还能为受气候影响显得脆弱的中国出一份力，尽一份责任！
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