【《养殖类产品的固碳计量模型案例分析》6600字】

I养殖类产品的固碳计量模型案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u23202养殖类产品的固碳计量模型案例分析 1256811.1养殖环境中的蓝色碳汇机制 1158901.1.1物理泵（溶解度泵） 251411.1.2生物泵 3207791.1.3碳酸盐泵 3250191.2养殖贝类固碳过程 423101.1.1贝壳固碳 4140491.1.2软体固碳 5302181.1.3生物沉积固碳 56541.1.4附着生物固碳 5211131.3养殖贝类固碳计量模型的改进 5184391.3.1养殖贝类固碳基础公式 598221.3.2可移出碳汇计量模型改进 6167701.3.3生物沉积物固碳计量模型 8133291.3.4改进后的养殖贝类总固碳计量模型 10养殖贝类自身的固碳作用与养殖海域的海水固碳作用息息相关，海水通过物理固碳机制直接吸收二氧化碳，养殖贝类固碳通过生物固碳机制，提高了海水的分压能力，促进海气交换界面的物质交换，增强海水对吸收二氧化碳的吸收能力，属于间接吸收二氧化碳过程。物理固碳机制主要通过物理泵吸收二氧化碳，生物固碳机制主要通过生物泵与碳酸盐泵吸收二氧化碳。本章主要从养殖贝类所处养殖环境中的蓝色碳汇形成机制与养殖贝类自身的固碳过程进行介绍。1.1养殖环境中的蓝色碳汇机制要想对养殖贝类固碳机理有系统的认知，需要了解养殖环境中蓝色碳汇的形成原理。养殖环境中蓝色碳汇的形成主要分为两种：一种是海水自身的物理固碳机制，另一种是贝藻类等海洋生物的生物固碳机制。物理固碳机制的原理是大气与海水存在压力差，大气压向海水表层，然后在海水运输作用将大气输送到深层海水中，这个过程主要是物理泵（溶解度泵）。生物固碳机制主要包括生物泵与碳酸盐泵。生物泵是指各类海洋生物通过光合作用或者捕食，利用海水中的无机碳，将其转化为有机碳，以食物链的形式把能量传递出去。一部分有机碳被人类从海水中收获，另一部分则通过生物沉积与生物自身的死亡沉降至海底[43]，最终实现碳埋藏。碳酸盐泵主要是指贝类、珊瑚、有孔虫等利用海水中的离子进行钙化作用的过程。以下将分别详细介绍物理固碳机制的物理泵（溶解度泵）与生物固碳机制的生物泵、碳酸盐泵。图1.1碳循环过程示意图1.1.1物理泵（溶解度泵）海洋与大气之间存在CO2浓度差，受到大气和洋流的复杂作用，实现海洋与大气之间的大量CO2交换，CO2从大气中溶入海水的过程就叫做“溶解度泵”。海洋中溶解度泵作用与海水深度有关，其中海表层的溶解度泵作用最为明显，随着海水深度的加深而减缓。一般来讲，溶解泵主要发生在深度低于100m海水层。虽然溶解度泵的运作过程中有大部分CO2重新回到大气，但还是有一部分被海洋吸收。因此，在一定程度上，溶解度泵对吸收大气中的CO2具有重要作用。不过溶解度泵吸收CO2的作用具有一定局限性，在一定情况下，海洋—大气间的CO2分压差决定了海洋是大气的“碳源”还是“碳汇”。宋金明等通过考察发现，我国渤海、黄海、东海的海洋碳汇强度有显著的季节性差异，其中，春季、冬季时期海洋吸收大气中的CO2，起到“碳汇”作用，在夏季则都向大气中释放CO2，成为大气的“碳源”[44]。溶解度泵在吸收大气CO2方面具有局限性，无法使吸收到海水中的CO2长期固定，而生物泵则可实现CO2在海水中的封存。1.1.2生物泵养殖贝类固碳、藻类固碳、红树林固碳等都属于生物固碳的一种，生物固碳机制是最有效、碳封存效果最好的固碳机制，主要包括生物泵和碳酸盐泵两种类型。生物泵主要利用海水中的有机碳，因此也被称为有机碳泵[45]。海洋中有机碳主要以颗粒有机碳（POC）和溶解性有机碳（DOC）两种形式，生物泵利用的80%都是颗粒有机碳，20%为溶解性有机碳[46]，且绝大部分溶解性有机碳无法被生物利用，只能在海水中被长期封存。生物泵主要通过生产、消费、沉降和分解四个过程利用颗粒有机碳。藻类等浮游植物作为生产者，通过光合作用固定海水中的CO2，养殖贝类这类消费者通过捕食浮游植物，用于自身生长发育将有机碳同化吸收，通过生物沉积作用促进颗粒有机碳沉降至海底。有机颗粒物沉降进入海底后，大部分被再矿化而产生CO2，但产生的CO2重新回到大气中至少需要1000年的时间，在海底埋藏的碳会被封存几百万年，因此生物泵实现了海洋对CO2长期封存效应，对海洋碳循环起到了关键作用[46]。焦念志院士通过多年研究积累，提出微型生物碳泵(microbialcarbonpump,MCP)理论[47]。MCP主要是微型生物通过一系列物理化学作用，将溶解性有机碳转化为无法被绝大数生物利用的惰性的DOC的过程，因此起到长期碳封存作用[48]，MCP对海洋固碳具有重要作用[49-50]。1.1.3碳酸盐泵碳酸盐泵的实质是无机碳泵，碳酸盐泵是指贝类、珊瑚等海洋生物通过生物钙化活动形成CaCO3（碳酸钙）躯壳的过程。养殖贝类贝壳的主要成分是CaCO3。合成CaCO3会吸收水体中的碳，成为“碳汇”；但合成CaCO3的同时也会释放出CO2，成为“碳源”。在贝类钙化作用方程式中，虽然形成1molCaCO3的同时会释放1mol的CO2，但却吸收2mol的HCO3－(碳酸氢根)，最终整体是吸收了1mol的C，因此养殖贝类的钙化作用最终起到了固碳的作用。1.2养殖贝类固碳过程上文详细介绍了养殖贝类固碳的两种机制，养殖贝类一方面通过生物泵利用颗粒有机碳，同化吸收与物理混合、沉降至海底；一方面通过碳酸盐泵进行钙化作用形成贝类的躯壳。在梳理大量文献的基础上，结合养殖贝类总固碳计量模型的原理与补充依据，本小节将详细介绍养殖贝类固碳的四个主要方面，分别为养殖贝类贝壳（钙化）固碳、软体（生物同化）固碳、生物沉积固碳与附着生物固碳。1.1.1贝壳固碳贝壳固碳是指贝类通过钙化作用，将海水中的HCO3－(碳酸氢根)转化成CaCO3(碳酸钙)贝壳的过程，钙化作用的化学反应式是：Ca2++2HCO3－＝CaCO3+CO2+H2O （1.1）由上式可知，虽然在形成1molCaCO3的同时，会释放1mol的CO2，但却吸收2mol的HCO3－，其整体是吸收了1mol的C，因而钙化作用的最终结果是起到了固碳的作用。而钙化过程产生的CO2水解的化学反应式为：CO2+H2O=HCO3－ （1.2）水解反应是可逆的，因此贝壳固碳主要有两方面，一方面是贝类通过钙化作用降低水体中HCO3－浓度，提高了海区对CO2的吸收能力；另一方面贝类通过钙化作用将碳固定于进贝壳中，封存时间可达数百万年，在长时间尺度上，被认为是有效的固碳途径。1.1.2软体固碳软体固碳是指贝类滤食水体中的颗粒有机物，满足生长发育繁殖等需要，将一部分颗粒有机碳吸收同化进软体组织中，最终通过收获从海水中移出。1.1.3生物沉积固碳贝类具有强大的滤食能力，滤食水体中的颗粒悬浮物，形成含碳的粪便与假粪，加快有机颗粒碳的沉降速度。沉降到海底的颗粒有机碳，一部分重新进入食物链，一部分有机碳通过矿化作用被埋置在海底碳库中。张永雨的研究表明，大部分沉降至海底沉积物中的碳会被埋藏，表明生物沉积固碳是海洋碳库的重要组成部分之一，显示了养殖活动对有机碳埋藏的重要贡献[50]；。1.1.4附着生物固碳附着生物与养殖贝类占据相同的生态位，软体动物中双壳类滤食贝类(牡蛎、贻贝等)、脊索动物（海鞘）等，不同养殖海域的附着生物种类与数量不同。贝类养殖笼（挂绳）上的附着生物与养殖贝类一同从海水中收获，从而与养殖贝类共同实现了碳的移出。1.3养殖贝类固碳计量模型的改进通过上文对海水三种固碳机制与养殖贝类三种固碳方式的详细介绍，可知养殖贝类在海水中生长是一个复杂的过程，养殖贝类的养殖环境中的固碳方式不仅包括贝壳与软体固碳，更包含了生物沉积固碳与附着生物固碳这两个重要方面。结合1.4节中分析得到当前学界使用的养殖贝类固碳基础公式存在的不足，本节的主要研究内容是结合理论依据完善固碳计量指标，对学界普遍使用的养殖贝类固碳基础公式进行改进。1.3.1养殖贝类固碳基础公式学界普遍采用碳储量变化法来构建养殖贝类固碳基础公式，虽然基础公式在形态上存在一定区别，但总体计算思路一致，即在一个养殖周期内，养殖贝类收获时的碳储量减去养殖贝类放苗时的碳储量得到养殖贝类一个培育期内的固碳总量[11]，基础公式如下：Tc=αit∙mit式中，Tc代表一个养殖期t内第i种养殖贝类的总固碳量，单位为kg；αit、βit分别代表第i种养殖贝类贝壳和软体组织的含碳比重；αit0、β上述养殖贝类固碳基础公式仅对养殖贝类自身的贝壳与软体部分进行固碳计量，并未将贝类在养殖环境中的三个固碳过程体现出来，实际上在养殖环境中，养殖贝类的固碳过程还包含了生物沉积物固碳与附着生物固碳。未将附着生物与生物沉积物进行固碳计量的原因主要是在碳汇计量的时候，一方面存在疏忽，另一方面是当前没有准确评估的数据计量标准，由于附着生物因海域的不同存在较大差异，品种多样、数量分布不均，对优势附着物种的固碳机理的基础研究不足；而生物沉积物受所在海域的海水动力作用，沉积速率与扩散范围等不易统计，实地计量难；综上，自然因素与人为因素都增加了附着生物与生物沉积物的碳汇计量难度，致使被忽视或遗漏。本文认识到养殖贝类固碳过程与养殖环境的密切相关性，以一个养殖期为时间尺度，参考海洋标准委员会于2017年审定的行业标准—《养殖贝类碳汇计量方法：碳储量变化法》的基本原理，对当前学界普遍使用的养殖贝类固碳基础公式中关于计量指标的不足进行改进，补充了附着生物固碳与生物沉积物固碳两个固碳计量指标，改进过程如下：1.3.2可移出碳汇计量模型改进附着生物与养殖贝类占据相同的生态位，我国养殖海域常见的优势物种一部分为滤食性贝类，如紫贻贝（M.edulis）、褶牡蛎（Alectryonellaplicatula）等，另一部分为海鞘（Pyrosomellaverticilliata）等脊索动物以及其他物种。除了滤食性双壳贝类，目前缺少对其他种类的附着生物固碳机理的基础性研究，本文参考贝类软体部分的固碳计算方法把海鞘纳入附着生物固碳量计算；双壳类附着生物与养殖贝类的碳收支方式大致相同，可借鉴养殖贝类的固碳基础公式进行计算。附着生物的优势物种的种类与数量因海域的不同存在较大区别，需要采用相关学者得到的经验值与经验公式结合所在养殖海域的实际踏勘数据来计算实际平均附着率，以降低数据的不确定性。附着生物的平均附着率计算方法可借鉴齐占会等学者采用的总重量占养殖笼（养殖挂绳）总重量的比值法[51]即：Ari=Pi/Tw （1.式中，Ari代表第i种附着生物的平均附着率；Pi代表附着生物的养殖笼（挂绳）中第i种附着生物总重量；Tw代表养殖笼（挂绳）总重量。本文将养殖贝类固碳与其附着生物固碳统称为养殖贝类可移出碳汇，可移出碳汇的计量模型为：∑𝑆=∑𝑆i+∑Ii （1.5）∑𝑆i=Wi(𝑅𝑠𝑡∙𝜔𝑆𝑠𝑡+𝑅𝑠∙𝜔𝑆𝑡) （1.∑Ii=Ari∙Wi（Fst∙𝜔Fst+Fs∙𝜔Fs） （1.7）式中，∑𝑆为某种养殖贝类可移出碳汇总固碳量；Si为第i种养殖贝类的贝壳与软体组织的总固碳量；Ii为第i种养殖贝类的优势附着生物的贝壳与软体组织的总固碳量；Wi表示第i种养殖贝类的总产量（湿重）；Rst代表养殖贝类软体组织干重比重；Rs为养殖贝类贝壳的干重比重；𝜔𝑆𝑠𝑡与𝜔𝑆𝑡分别代表养殖贝类软体组织含量比重和贝壳含碳比重；Ari代表第i种附着生物的平均附着率；Fst代表附着生物软体组织干重比重；Fs为附着生物贝壳干重比重；𝜔Fst与𝜔Fs分别代表附着生物软体组织和贝壳的含碳比重。注：在对海鞘等脊索动物进行固碳量计算时将海鞘整体视为软体部分进行计算。1.3.3生物沉积物固碳计量模型生物沉积过程由于受到海水动力作用，其扩散范围等沉积通量变化受环境影响较大，因此精确计量难度较大。但研究表明，生物沉积固碳在养殖蓝碳中占据了相当高的比重，对近海陆架沉积物的有机碳埋藏过程具有重要贡献[53]，因此是养殖贝类总固碳计量模型中不可或缺的计算指标。当前学界一些学者估算养殖贝类的生物沉积物固碳的主要思路是：通过测算某养殖贝类的生物沉积物的沉积速率，估算养殖贝类产生的总生物沉积量与测量生物沉积物中的有机碳含量，最后用生物沉积物总量与碳含量的乘积来估算生物沉积固碳量。用此方法忽略了有机碳在沉降过程中的溶失现象，计量得到的生物沉积固碳结果会比实际上偏大，有失精确性。原因是未考虑到生物沉积物在养殖环境中的产生、沉降与扩散是一个复杂的过程，在此过程中一部分会重新进入食物链，还有一部分会产生物质溶失现象，最终到达海底碳埋藏的部分才是真正的固碳。因此本节从有机碳埋置的角度出发，初步建立了生物沉积物固碳计算公式：BCi=FRi∙Ci∙B 或BCi=Vi∙Si∙ti∙B 式（1.8）中，BCi代表第i种养殖贝类（附着生物）的生物沉积总固碳量；FRi代表第i种养殖贝类（附着生物）在一个养殖期内的生物沉积物总干重；Ci代表第i种养殖贝类（附着生物）的生物沉积物有机碳含量；B为生物沉积物沉降到海底的有机碳埋置率。式（1.9）中，Vi代表第i种养殖贝类（附着生物）的有机碳沉积速率，单位为mg/m2上式（1.8）、（1.9）中的有机碳埋置率与有机碳沉积速率是补充指标中的两个重要参数，但参数受到养殖海域环境特征以及人为操作等因素的影响，在不同海域条件下，在数值上会存在很大不确定性，准确度难以评估。目前暂时缺乏可以统一准确评估生物沉积物固碳有关参数的评估标准与计算标准，本文采用相关学者研究得到的经验公式、经验值等降低生物沉积物固碳公式中的参数因自然条件以及人为主观因素导致的不确定性，以提高生物沉积物固碳计量公式的普遍适用程度，参数的计算与获取方法如下：（1）目前可借鉴相关学者使用的经验公式来计算有机碳埋置率[53-54]。B=Vi–MVi 式中，B代表有机碳埋置率（Organiccarbonburialrate）；Vi代表第i种贝类（附着生物）的有机碳沉积速率；M(2)有机碳沉积速率ViVi=Bvi∙Ci 式中，Bvi代表第i种养殖贝类（附着生物）的生物沉积速率；Ci代表第i种养殖贝类（附着生物）的生物沉积物有机碳含量。 =1\*GB3①其中，生物沉积速率（Biodepositionrate，BDR）通过生物沉积物捕集器获得生物沉积物干重并结合公式计算得到，计算公式为[55]：Bvi=D–D0t∗N （式中，D代表实验捕集器中的生物沉积物干质量，单位为mg；D0代表空白对照捕集器中的生物沉积物干质量，单位为mg；t为生物沉积物采集持续的时间，单位为天；N为实验捕集器内的养殖贝类或附着生物数量，单位为个。当前一些学者对生物沉积速率进行了详细的研究，周毅、王俊等通过开展实验得到了扇贝、贻贝、牡蛎等物种的沉积速率与地理位置关系不大、主要与季节、大小规格有关的结论；同一品种、相同规格的养殖贝类年平均沉积速率数值上区别不大，与大小规格成正相关[56-57]。=2\*GB3②有机碳含量的计算方法为单位时间单位面积的有机碳总量（TOC）与单位时间面积内生物沉积物总量（Totalbiologicaldeposit）的比值，即：Ci=TOC/Tbd （式中，TOC代表单位时间单位面积的有机碳总量；Tbd代表单位时间面积内生物沉积物总量。目前有学者对四个季节的生物沉积物中有机碳含量（Ci）与有机碳沉积速率（Vi）进行了测定，得到了12个月份的扇贝、牡蛎、贻贝等养殖贝类生物沉积物有机碳含量数据，且得到了有机碳含量主要与季节相关，呈现明显的季节差异的结论（2）