温带海藻养殖对沉积物碳汇的有限贡献：来自英国西南部海带-贻贝综合养殖系统的实证研究

《Marine Pollution Bulletin》：Determining the contribution of temperate seaweed farming to local sedimentary carbon stocks and climate change mitigation

本文推荐一项关于温带海藻养殖对气候变化减缓潜力评估的重要研究。为探究海藻养殖能否增强局部沉积碳汇，研究人员在英国西南部一个综合养殖（IMTA）场开展了多技术联用的实证分析。结果表明，在该规模和环境下，海藻养殖对局部沉积有机碳库的贡献有限，碳封存潜力不高，强调了养殖规模、水动力环境及沉积物特性对碳沉降的关键影响。研究为海藻养殖的气候效益评估提供了关键科学依据。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，寻找有效的减缓途径成为科学界和社会的共同目标。海洋作为地球上最大的活跃碳库，其通过“蓝碳”生态系统（如红树林、海草床、盐沼）固碳的潜力已得到广泛认可。然而，对于同样具有高生产力的海藻（特别是大型褐藻如海带）在碳循环中的作用，尤其是人工养殖海藻能否像自然生态系统一样形成有效的碳封存，仍存在争议且缺乏直接的实证证据。海藻栖息地通常被认为是“碳供体”，其产生的大量有机物以碎屑形式释放并可能被输送到其他区域，而非在原地沉积和封存。在这种背景下，规模不断扩大的海藻养殖业是否能够为气候变化减缓做出实质贡献，成为一个亟待解答的关键科学问题。

为了填补这一知识空白，一项发表在《Marine Pollution Bulletin》上的研究，对英国西南部康沃尔郡波萨洛湾（Porthallow Bay）的一个小型温带糖海带（Saccharina latissima）和蓝贻贝（Mytilus edulis）综合养殖（IMTA）场进行了深入调查。该研究旨在采用一种“法证式”的多方法联用策略，精确评估养殖活动对当地沉积物碳储量和碳沉降速率的影响。

研究人员在养殖场下方及不同距离外设置了四个采样站，采集了沉积物柱样。他们运用了一系列先进技术进行分析：首先，利用铅-210（²¹⁰Pb）定年技术建立了沉积物的年代序列，并计算了碳的沉降速率。其次，通过元素分析量化了沉积物中有机碳（C_org）和无机碳（C_inorg）的含量。尤为重要的是，研究引入了环境DNA（eDNA）分析技术，用以追溯沉积物中有机物的生物来源（如海带、贻贝、海草、红藻等），这有助于区分养殖来源的碳和本底碳。此外，还进行了粒度分析（PSA）以表征沉积物物理结构，因为粒度与有机碳的吸附和保存能力密切相关。

主要技术方法概述

本研究的关键技术方法包括：1）沉积物柱样采集与分层处理（按1厘米间隔分割）；2）铅-210（²¹⁰Pb）和铯-137（¹³⁷Cs）放射性定年，以建立沉积年代模型并计算碳积累速率；3）元素分析仪测定总有机碳（TOC）和无机碳（IC）含量；4）环境DNA（eDNA）提取与高通量测序（针对18S rRNA基因V9区），分析特定类群（如Laminariales-海带目、Mytiloida-贻贝目等）的DNA序列，以识别碳来源；5）粒度分析，确定沉积物组成（如粉砂/粘土含量）；6）统计学分析（如PERMANOVA）检验站点和深度对各项参数的显著性影响。样本来源于研究地点现场采集的沉积物岩心。

研究结果

1. 沉积年代与碳积累速率

通过²¹⁰Pb定年确定，沉积物柱样10-11厘米深处可追溯至1985年，而与养殖活动开始（约2010年代中期）相关的沉积物大约位于4-5厘米深度。研究发现，自养殖开始后，所有站位的沉积速率均有增加，但养殖场正下方（1号站）的沉积速率（2022年达0.87 g cm^?2yr^?1）显著高于其他站位。有机碳的沉降速率在养殖场下方（1号站）最浅层（0-1厘米）为0.002 g C_orgcm^?2yr^?1，并随着离养殖场距离增加（至4号站）而升高至0.004 g C_orgcm^?2yr^?1。无机碳（主要来自贻贝壳）的沉降速率则在养殖场下方最高，并随距离增加而降低。

2. 有机碳含量与来源解析

沉积物有机碳含量从养殖场下方（1号站）向远处（4号站）显著增加。eDNA分析结果显示，代表养殖海带的Laminariales（海带目）和养殖贻贝的Mytiloida（贻贝目）的DNA读数在所有站位和深度都相对较低且分布零散，并未显示出养殖活动带来的显著富集。相反，Seagrass（海草）、Florideophycidae（真红藻亚纲，特别是珊瑚藻Corallinophycidae）以及推测的浮游植物是沉积物中有机碳的主要贡献者。这表明养殖海带产生的碎屑可能大部分被水动力条件输运到更远的地方，而非在养殖场下方直接沉积。

3. 沉积环境与碳保存

粒度分析表明，从养殖场（1号站）到最远的站位（4号站），粉砂和粘土（<63 μm）等细颗粒沉积物的比例显著增加。研究还发现，有机碳含量与细颗粒沉积物比例之间存在显著正相关关系（R2 = 0.54），这与细颗粒物具有更强吸附有机质能力的已知规律一致。水动力条件（流速超过0.02 m s^?1的再悬浮阈值）被认为是导致养殖场下方碳保留有限、而更多碳被输送到远端较深、较细沉积物中保存的主要原因。

4. 养殖相关的碳储量估算

将养殖活动影响层（最上层3厘米）的有机碳含量进行放大估算，得到与养殖直接相关的有机碳储量约为1.19 t C ha^?1，其沉降速率约为0.23 t C ha^?1yr^?1。这与整个表层10厘米沉积物的碳储量（4.89 t C ha^?1）和沉降速率（0.18 t C ha^?1yr^?1）相比，增量有限。

研究结论与意义

本研究综合运用沉积学、地球化学和分子生物学技术，揭示了在该特定尺度（小型）和环境（水动力较强）下，温带海带-贻贝综合养殖对局部沉积物碳库的贡献有限。养殖海带更可能扮演“碳供体”的角色，其产生的有机碳被广泛输出而非在养殖场下方就地封存。提升的碳沉降速率和碳储量主要出现在远离养殖场的、具有更细沉积物的深水区。

该研究的重要意义在于强调了评估海藻养殖碳封存潜力时，必须充分考虑养殖场的空间设置（如规模、水深）和局部环境背景（如水动力、沉积物类型）。研究结果提示，对于类似波萨洛湾这样的小型、暴露于较强水动力的养殖场，不应过高估计其通过本地沉积物封存来实现气候减缓的潜力。海藻养殖的气候效益可能更多体现在其替代高碳足迹产品、提供食物等生态系统服务上，而非直接的碳封存。未来的研究应结合水动力模型，追踪养殖海带碳的最终去向，并需要在不同规模和环境条件下的养殖场开展更多实证研究，才能全面、准确地评估海藻养殖对海洋碳汇和气候变化减缓的实际贡献。同时，保护和恢复自然海藻生态系统对于海洋增汇仍至关重要。