海洋生物碳汇研究进展【摘要】海洋是地球上最大的碳库。
整个海洋中蓄积的碳总量达到39×1012 t,占全球碳总量的93%,约为大气的53倍。
这些碳或重新进入生物地球化学循环,或被长期储存起来;而其中一部分被永久地储存在海底。
根据联合国《蓝碳》报告,地球上超过一半(55%)的生物碳或是绿色碳捕获是由海洋生物完成的,这些海洋生物包括浮游生物、细菌、海藻、盐沼植物和红树林。
【关键词】碳循环过程；浮游植物；固碳；渔业捕捞与海水养殖碳汇；中国近海碳汇是指从大气中清除温室气体、气溶胶或温室气体前体的任何过程、活动或机制［2］。
碳汇其中一条重要的途径是通过生物碳的产生和传递过程实现的，称其为生物碳汇。
生物体所产生和持有的碳称为生物碳( Biogenic carbon) ，其主体是颗粒有机碳( POC，Particulate organic carbon) 和溶解有机碳( DOC，Dissolvedorganic carbon) ，这两类碳的来源基本上都是通过初级生产过程实现的。
一般认为生物碳是最终可以分解并重新变成CO2的，只不过时间尺度不同，有些过程很快，如光合作用中的光呼吸过程，通常发生在几个毫秒内，而有些生物则通过沉积变成煤和石油，重新燃烧变成CO2，这个过程则要经过几百万年。
由于没有定义碳汇的具体时间尺度，因此广义的来说，生物有机碳形成就是生物碳汇。
但是通常意义上，人们还是认为将生物碳移入并保留在碳库的一段对人类有意义的时间，才是真正的碳汇。
文章对主要的碳源和碳汇以及海洋固碳机制研究进展进行了综述，并探讨了南海碳汇渔业发展的重点研究方向。
POC 一般保留在活的生物体或死亡的生物体和碎屑中，他们最终沉积在海底或地层中，这是狭义的碳汇过程。
海洋底部是地球最主要的生物碳汇区，浮游植物光合作用产生POC，再通过各种食物网过程，最终死亡的生物体或有机碎屑会通过重力作用沉降，一般称为生物泵过程。
这其中主要有几条途径: ①浮游植物死亡沉降，大细胞的、群体的和链状的浮游植物死亡后快速沉降至海底; ②浮游植物通过浮游动物的摄食后，变成浮游动物粪便颗粒，快速沉降至海底; ③浮游植物产生的DOC，通过物理、化学和生物作用形成似胶体的胞外多糖( EPS，extracellular polysaccharide) 最终吸附聚集各种有机或无机颗粒物碎屑形成大的有机颗粒物———海雪沉降至海底; ④浮游植物通过层级的捕食关系———食物链的打包最终变为大的海洋生物体，最终死亡后沉降至海底。
随着2010年哥本哈根气候会议的召开，碳的减排又一次成为世界各国关注的热点。
中国政府也提出到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％的目标，而要实现这一目标不外乎两种手段：一是减少工业CO2排放量，二是增加自然界对人为产生的CO2的吸收。
海水中的碳约为大气中碳的50倍，陆生植物碳库和大气碳库容量基本相当。
虽然海洋初级生产者的含碳量不到陆生植物的1／200，但它们的固碳量基本相当，即陆生植物的净初级生产力约63~10 t(C)／a，海洋初级生产力为(37N45)~10 t(C)／a。
可见，海洋碳库在碳的全球生物地球化学循环中起着重要作用。
国际地圈生物圈计划(IGBP)的核心计划之一“全球海洋通量联合研究”(JGOFS)~过十余年的研究，认为海洋每年大约可从大气吸收人类排放CO2的1／3，近20x10 t碳。
事实上这一结论是对大洋碳通量研究的结果，没有考虑陆架边缘海对海洋碳循环的贡献。
近海生态系统与深海大洋相比，仅占全球海洋面积的7％～8％，其海水中储藏的碳只有3．1×10，不到深海大洋的1％，但其中的初级生产力却占全球海洋系统中的15％～30％，有机碳埋藏更是占整个海洋碳埋藏量的90％，至少有50％的颗粒无机碳也沉积于此。
另外近海海洋环境还受人文活动严重影响，全球大约有40％的人口居住在近岸100 km的范围内，生产活动产生的大量有机质和营养盐通过河流排入并沉积于此。
因此，陆架边缘海域在全球碳循环中的作用不容忽视近海生物固碳主要通过浮游植物的初级生产过程来实现，生物固碳速率除受控于初级生产力水平之外，还主要取决于生源颗粒物向真光层之外的传输，即海洋生物泵的强度和效率。
根据对海一气CO2交换的影响，生物泵分为2类，一种以真核微藻和蓝细菌等光合自养的浮游植物进行光合固碳形成有机物质；另一种以颗粒有机碳(POC)形式输人到海水深层。
大多数输入的有机物质在海水次表层被再矿化为无机碳，只有一小部分被埋藏到沉积物中，这就是有机碳泵(海洋生物碳汇)。
钙化浮游植物如颗石藻(Gephyrocapsa oce—anica)"壳CaCO3的沉降增加海水表层稳态CO2浓度从而促进CO2向大气的释放，这与上述过程正好相反，这就是“碳酸盐泵”(海洋生物碳源)。
这2个过程的相对强度一定程度上决定了由生物调节的海一气CO2通量。
另外，近海养殖大型经济藻类的人为固碳在海洋生物固碳中也起一定作用，近海养殖的海藻可吸收包括碳在内的多种生源要素，海藻(主要为经济海藻)经采收后在陆地上被利用，这样可从海水中“取出”大量的碳。
与海藻养殖前相比较，该海区相对明显缺碳，从而使大气中的CO2向养殖海区转移，养殖海域的储碳能力增加。
近年来的研究表明，大部分陆架海域是大气CO2的汇，也有部分海域是大气CO2的源，但其强度有很大的不确定性。
这主要是因为陆架边缘海受人为影响较大，尤其是在1840年以后，由河流输入海洋的营养物质及颗粒有机碳、溶解有机碳和溶解无机碳等明显增加，而且输入的有机质和营养盐大部分沉积于此；另一方面陆架海域的水深较浅，水动力条件比较复杂，二者的共同作用加剧了陆架边缘海碳循环的复杂性。
中国拥有世界上最宽阔的陆架海域，中国近海(包括渤海、黄海、东海和南海)是中国海洋生产力较高，对中国社会、经济活动影响较大的海域，其碳源汇强度对中国人为产生CO2吸收量的估算起着不可估量的作用。
本文系统总结了近几年来中国近海海一气界面碳通量及控制因素，近海碳循环的关键过程，以及近海生物的固碳强度的研究进展，提出了中国近海渔业碳汇过程研究应关注的主要科学问题，这对深层次开展中国近海碳循环过程研究以及增汇技术措施研发具有重要的价值。
中国近海海一气界面碳通量及控制因素海一气界面碳的迁移过程是海洋碳循环最重要的过程，因为水体中无论是生物固碳(生物泵)还是海水碳的溶解(溶解度泵)过程，最终都要通过海一气界面的碳通量来体现。
中国近海海一气界面碳通量研究的历史仅有20年的时间，20世纪90年代初，东海少数几个站位测定的海水二氧化碳分压，是中国近海最早海一气界面碳通量研究的数据报道。
其后，有一些零星的调查数据。
2004年，宋金明根据表层海水温度相关分析估算了渤黄东海海一气界面碳通量的季节变化与碳源汇强度。
近几年，通过走航式表层海水二氧化碳分压测定仪获得了部分中国近海的海一气界面碳通量，实际有报道的数据海域包括南海北部、长江口、胶州湾、北黄海西北部等。
其中，2009年国家海洋局进行的黄海西北部海一气界面碳通量调查最有代表性，共进行了5个航次的调查，这一海域离岸较近、水深较浅，在年度上这一海域是大气二氧化碳的弱源。
北黄海西北部碳源／汇格局及强度在季节上存在较大差异，3月份表现为大气CO2的汇；5月和7月均表现为大气CO2的弱源；10月由于气温降低、风速较大，其源强显著增大；整体而言2009年北黄海西北部是大气CO2的弱源，其向大气年释放通量为5．78~104t碳。
由于这一海域有黄海暖流和黄海冷水团等多种水团的作用，生物地球化学过程复杂多变。
统计分析表明，夏季与冬季表层海水温度、春季强烈的生物活动、秋季逐步增强的水体垂直混合作用，是控制北黄海西北部海域不同季节表层海水CO2分压及海一气CO2交换通量的主要因素。
生物活动对于海洋碳循环过程的影响意义重大。
浮游植物的初级生产和浮游动物的次级生产将溶解无机碳转化为溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)，而一部分有机碳又通过生物的呼吸作用和细菌的分解作用而消耗掉。
细菌广泛分布于海洋中，细菌在利用有机碳的过程中又被上层营养级的原生动物等滤食，转化为更高阶层可被生物利用的颗粒碳。
Song等_3]的研究表明，在东海陆架区秋季，细菌消耗的有机碳与浮游植物的初级生产相当，初级生产无法供应浮游生物呼吸作用所消耗的有机碳，河流输入和(或)表层沉积物再悬浮是潜在的有机碳补充来源。
对长江冲淡水区细菌生产力的研究表明，该区春季和秋季平均细菌生产力相当于浮游植物初级生产力的23％。
秋季表层细菌生产力在0．22～3．35 mg(C)／(m3"h)，平均为(1．44-I-1．30)mg(C)／(m3．h)；春季表层细菌生产力在0．56～4．41 mg(C)／(m3．h)，平均为(2．43士1．22)mg(C)／(m ．h)。
细菌生产力高值区与初级生产力和叶绿素a高值区相吻合。
在珊瑚礁渴湖中，生物因素控制着POC的循环，其效率很高，90％以上的POC 在进人沉积物之前被释放或重新利用。
中国近海水体中含有丰富的有机碳，这些丰富的有机碳是海洋生物泵过程的基础。
在东海陆架水体中，有机碳中的DOC平均占87．5％，POC 占11％。
可以认为东海陆架水中的碳主要来源于海一气界面CO2交换，然后通过浮游植物的光合作用和浮游动物的次级生产将溶解无机碳转化为DOC和POC。
东海陆架物质的垂直通量随海域的水深不同有明显的差别。
碳在东海陆架垂直转移主要依赖于POC。
POC的垂直分布与水体中的总悬浮颗粒物浓度、陆源沉积物供应和海洋生物作用密切相关。
海洋沉积物是全球碳的重要源与汇，在碳循环中起着重要的作用。
对于东海的研究表明，虽然东海内陆架区沉积物和有机碳的沉积速率较高，但从陆架坡到冲绳海槽只有少部分有机碳被埋藏，大部分被输出或再矿化。
但也有研究表明，冲绳海槽南部是一个重要的有机颗粒物沉积中心，贴近底层的水平输送被认为是物质输出东海陆架的主要过程。
DOC的年输出量几乎相当于POC的4倍，分别为414 Gmol／a和l06 Gmol／a，比河流输入东海DOC量2倍还多。
在东海陆架的南部，有机碳浓度虽然不高，但却具有较高的沉积速率。
底层物质再悬浮对物质通量产生明显影响，再悬浮中由于再矿化率增高、间隙水与上覆水混合，大部分生源要素的浓度一般都会得到提高。
海洋微生物作为海洋食物链的下层，对整个海洋生物具有重要影响。
再悬浮对微生物食物网的影响表现在，通过再悬浮过程中的再矿化及可溶性的营养物和有机颗粒物与水体的混合作用，沉积物转变为更易被藻类和细菌利用的营养形式，以及悬浮颗粒的表面积更利于细菌吸附，因此在再悬浮过程中水体中微微型浮游生物、微型自养生物和异养浮游生物的丰度有明显提高，并与悬浮物的浓度呈正相关，海底硅藻和纤足虫与悬浮物浓度也有类似关系。