2. 中国科学院烟台海岸带研究所 烟台 264003
2. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China
“蓝碳”（Blue Carbon）是指通过海洋和海岸带生态系统吸收并固存的碳，其储存形式主要包括生物碳（Biological Biomass）和沉积物碳。“蓝碳”的概念涵盖了海岸带、湿地、沼泽、河口、近海、浅海和深海等海洋生境的碳汇。近10多年，由于人类对海底生态系统（如海草）和滨海湿地生态系统（如红树林、盐沼）较强碳汇功能的认识，并将其与“失碳汇”（Missing Carbon Sink）相关联，“蓝碳”的研究重心已偏向于海岸带及陆架海“蓝碳” [1]。
中国拥有1.8万公里的大陆海岸线，200多万平方公里的大陆架。中国近海总面积达470多万平方公里，包括渤海、黄海、东海和南海，其中渤海、黄海为半封闭的陆架浅海，东海是中国陆架最宽的边缘海，其陆架面积占总面积的1/3。中国海岸带分布各类滨海湿地，除了浅海水域、潮下水生层和珊瑚礁，还包括潮间红树林沼泽、盐水沼泽、海岸性咸水湖/淡水湖、河口水域和三角洲湿地等，其面积为5.94万平方公里，占中国湿地面积的15.4%。
中国海岸带及其陆架海固碳能力、储碳潜力远大于相同气候带的陆地生态系统和大洋生态系统。但由于沿海地区人口密集、人类活动强烈，不仅影响海岸带生物固碳过程，同时对近海碳循环的生物地球化学过程产生多方面的影响。另外，气候变化效应（如海平面上升、温度升高和海洋酸化等）会加剧对这些地区蓝碳生态系统的影响，直接或间接地影响碳汇过程。本文围绕海岸带及近海关键碳循环过程，分析国内外研究现状及发展趋势，结合中国海岸带可持续发展，综合评价陆海统筹下蓝碳累积过程及增汇机制，为国家制订全球变化应对策略与政策提供科学依据。
1 滨海湿地碳汇过程 1.1 红树林固碳与储碳红树林大多生长在热带、亚热带低能海岸潮间带上部，受周期性潮水浸淹，是以红树植物为主体的常绿灌木或乔木组成的潮滩湿地木本生物群落。红树林的生产力较高，占滨海湿地总生产力的50%[2]；全球红树林总面积仅占全球近海面积的0.5%，但其埋藏在沉积物中的碳占10%—15%[3]。根据印度洋—太平洋地区25个类型的红树林湿地的地上、地下碳储量推算，地上部碳密度平均为159 Mg C ha-1，地下部为地上部的5倍以上，其中绝大部分的碳分布于地下0.5m—3m深的土壤/沉积物中[4]。就全球平均而言，储存在红树林生态系统的总碳量为1 000 Mg C ha-1，其中70%以上固存在土壤中；而光合作用固定的碳在树叶、茎干和根系中的分配比例基本各占1/3 [3]。
红树林碳循环的关键过程除了根系分泌物和凋落物在土壤/沉积物中的储存，还包括红树植物群落与大气间的垂直交换和各形态碳向邻近海域的横向输运。根据有关数据估算，全球红树林每年在沉积物中埋藏的碳达18.4 Tg C，向邻近海域输运24±21 Tg C的溶解有机碳（DOC）和21±22 Tg C的颗粒有机碳（POC）[2]。
我国的红树林面积为2.27万公顷，主要分布在广东、广西、福建和海南。中国红树林碳储量为6.91±0.57 Tg C，其中82%存在于表层1 m土壤中，18%来自红树林生物量[5]。目前，国内已经在福建、广东、海南等地建立了红树林涡度相关碳通量观测网络和红树林长期定位研究站，系统探究红树林碳循环过程。据初步估算，中国红树林每年的平均净固碳量超过200 g C m-2，高于全球平均水平174 g C m-2 [3]。
1.2 盐沼湿地碳循环过程盐沼湿地一般分布在温带海滨，盐沼植被根冠比可达1.4—5，有大量的初级生产力所固定的碳被储存在地下生物量中，通过根系周转进入土壤碳库。盐沼湿地具有很高的固碳能力，全球平均净固碳量为218 g C m-2，高于红树林每年的平均净固碳量[3]；其碳的积累速度要远高于泥炭湿地，比陆地森林生态系统高40倍以上[1]。另外，作为陆地和海洋生态系统之间的过渡生态系统类型，潮汐盐沼湿地土壤有机碳在海洋潮汐和地表径流的作用下能够以水溶物形式即溶解有机碳（DOC）进入邻近水域。DOC迁移和输出是盐沼湿地通过水文过程实现土壤碳输出的一个主要途径[6]。
我国盐沼植被生长在渤海、黄海、东海的海滨湿地，主要包括芦苇、碱蓬等盐生植物。我国盐沼植被初级生产力（GPP）总体上不高，平均不到1 000 g C m-2 a-1，但生态系统CO2净吸收量（NEE）相对偏高（表 1）。将纬度相近的黄河三角洲与美国圣华金三角洲相比，黄河三角洲盐沼湿地GPP为585 g C m-2 a-1—1 004 g C m-2 a-1、NEE为164 g C m-2 a-1—261 g C m-2 a-1，而美国圣华金三角洲GPP为1 506 g C m-2 a-1— 2 106 g C m-2 a-1、NEE为368 g C m-2 a-1— 397 g C m-2 a-1，相比之下黄河三角洲的光合利用率明显高于美国圣华金三角洲。
海草床（Seagrass bed）是继红树林、珊瑚礁以外的一个重要、典型的海洋生态系统，其固碳能力略低于红树林，全球平均为138±38 g C m-2 a-1[3]，高于几乎所有其他类型的海洋生态系统[14]。研究表明，海草是底栖藻类固着和繁衍的一个重要生境，已发现附生微藻种类达150种，其中大部分是硅藻[15]。附生生物群落产生的初级生产力甚至可以占到整个海草床的20%—60%[16]。
海草床生态系统的固碳、储碳过程主要体现在几个方面。首先，海草自身的初级生产力高：海草叶片上，通常附着较多的生物群落，可以进行光合作用因而固碳。海草植物通过光合作用被固定的碳，有一部分会被运输到地下根状茎和根部进行存储。据估算，每年有15%—28%通过初级生产力固定的碳被长期埋存于海底[17, 18]，对海草床中表层沉积物有机碳库的贡献率达到了50%左右[19]。另外，海草可以截获大量的有机悬浮颗粒物，并促使它们沉积到海底，长期埋存于沉积物中，是海草固碳的另一条重要途径[20]。封存于海草床沉积物中的有机碳长期处于厌氧状态，其分解率比存储在陆地土壤中的有机碳低，相对稳定。中国海草床分布区主要在南海和黄渤海，现有海草床的总面积约为8 765 ha[21]。我国这方面的工作刚刚起步，初步研究发现，分布在桑沟湾大叶藻海草床的初级生产力为543gC m-2 a-1[22]。
2 近海碳库与各界面碳通量 2.1 近海水体有机碳库时空格局近海与陆地生态系统发生强烈的物质和能量交换，成为各类陆源物质（包括有机碳及营养盐）的汇集场所。一方面，陆源有机碳在近海水体中由于缺氧、高盐等不利于微生物降解的环境而使得其周转周期变长，其中颗粒性有机碳（POC）下沉并埋藏于海底沉积物中，而DOC被输送到其他海域，变成惰性有机碳，长期存在海水里；另一方面，营养盐的输入使得近海具有较高的生产力——浮游植物通过光合作用吸收CO2，将其同化为有机物质（即生物碳、DOC和POC），因而，多数陆架海表现为碳汇。
国内近十几年在中国近海开展了一些关于水体中有机碳方面研究。现有研究表明，DOC和POC在中国陆架海有明显的时空变化特征[23]：（1）DOC浓度为渤海>黄海>>东海，距岸越近浓度越高，河口区明显偏高，高值区有明显的陆源贡献。（2）总体上，DOC浓度在春季高于其他季节，年际变化大于季节变化，季节变化主要是自然过程引起，而年际变化主要是由于人类活动的影响。（3）POC空间差异和年际变化远不如DOC明显，但季节性强，春季高于秋季。中国近海DOC和POC范围分别为1.58 mg L -1—3.93 mg L -1、0.21 mg L -1—0.42 mg L -1，明显高于太平洋其他海域（即DOC < 1 m g L -1、POC < 0.2 mg L -1），最近几年有增加的趋势，说明海岸带人类活动在加剧。
2.2 沉积物碳埋藏近海沉积物是碳循环中重要的源与汇：一方面，大气CO2经过一系列生物地球化学过程转化为颗粒性碳，最后沉降到沉积物中，成为重要的“汇”；另一方面，近海的物理和生物化学改造作用会使得上述过程向反方向进行，成为“源”。因此，近海沉积物在碳循环中的作用不可小觑。影响近海沉积物有机碳埋藏富集的主要因素是海洋生物初级生产力、沉积动力环境和海底物理化学条件[24]。
据国内对黄海、渤海和东海的沉积物有机碳相关研究表明，近海表层沉积物总有机碳（TOC）的分布具有明显的空间分布规律。沉积物TOC含量由北向南有减少的趋势，在渤海、北黄海、南黄海和东海海域分别为0.52%—2.09%、0.68%—1.67%、0.21%—0.97%和0.2%—0.8%[25-27]。沉积物TOC高值区主要分布在河口区和泥质区。沉积物TOC在中国各大河口差异明显：黄河口为0.1%—0.85%，长江口0.35%—0.70%，珠江口1.2%—2.2%[27-29]。受人类活动影响较重的河口区表层沉积物TOC含量较高。莱州湾近岸0.1%—0.3%，北黄海近岸0.76%—1.25%，南黄海近岸0.28%—0.41%，东海近岸0.32%—0.82%[30, 31]。河口区沉积物有机质以陆源为主，近海海域中部地区以水生来源为主，而南黄海及东海北部大部分陆架区域沉积有机质为陆地和海洋混合来源。
2.3 海-气垂直碳通量现有的研究认为，陆架边缘海总体是大气CO2的汇，全球陆架边缘海每年吸收C O 2为0. 2 1 P g C— 0.45 PgC[32, 33]。在季节变化上，多数研究表明春季是大气CO 2的汇，夏季为源[34]；在空间分布上，温带海域通常是大气CO2的汇，而亚热带和热带海域通常为大气CO2的源[35]。虽然人们对陆架边缘海碳源汇时空格局有一定认知，但其海气CO2交换通量仍存在着很大的不确定性，高达50%—70%[36]。
我国从20世纪90年代初才开始有关于近海海-气界面碳通量的研究。已有的研究结果表明，南海是一个CO2的弱源，每年向大气释放约18 TgC[37]；东海则是一个强烈的汇，其吸收CO2的强度为6.9±4.0 mmol C m -2 d -1 [38]；黄渤海空间差异很大——纯海水区多为CO 2的汇，而大河口淡水-咸淡水混合区均为大气CO2的源，一些海湾也表现为大气CO2的源[39]。中国近海海-气CO2交换有明显的季节性，在春季表现为大气CO2的汇，在其他季节存在一定的不确定性。边缘海春季碳汇主要是生物固碳的作用，即适宜的海水温度、营养盐浓度和光照条件促进了浮游生物的光合作用；另一方面，春季海水CO2的溶解度明显高于夏季。近海碳循环在其他季节受很多因素的影响，自然过程和人类活动的叠加造成了海-气CO2通量的不确定性。
2.4 陆-海水平方向碳交换海岸带分布众多大小河流及滨海湿地，河流和湿地向海洋和河口的输送是陆-海水平碳输送的主要途径。最新估算表明，全球河流每年输入海洋的总碳量达0.85 Pg C，其中有机碳0.45 Pg C、无机碳0.40 Pg C [36]。此外，潮汐盐沼湿地土壤有机碳在海洋潮汐和地表径流的作用下能够以水溶物形式DOC进入邻近水体，DOC迁移和输出是盐沼湿地通过水文过程实现陆源碳输出的一个主要途径[40]。研究显示，美国滨海湿地输出到邻近河口的DOC通量每年达180（±12.6）gCm-2 [41]，加拿大Ontario泥炭沼泽每年的DOC输出量达8.3（±3.7）g C m-2[42]。
我国也开展不少相关研究。结果表明：长江在2004 —2008年间平均每年向东海输送溶解无机碳（DIC）1.56×107 t[43]，黄海和长江2009年向近海输送的DOC分别为3.20×104 t和1.58×106 t，POC分别3.89×105 t和1.52×106 t [44]。此外，海底地下水（Submarine Groundwater Discharge，SGD）也是陆地向海洋输送物质的重要通道。研究发现，在南海北部，SGD虽占珠江径流量的12%—21%，但其携带的DIC每年可能高达（1.84_4.16）×10 6t，相当于珠江DIC输入量的23%—53% [45]，可见SGD对近岸碳收支平衡的潜在影响。
3 人类活动对海岸带蓝碳的影响近几十年来，人口迅速增长和经济快速发展对工农业用地的需求使全球海岸带地区的土地利用发生着剧烈的变化[46]。作为获取新生土地资源的重要手段，围垦是对潮间带湿地影响最大的人为干扰方式。全球潮间带湿地的碳汇功能和碳库储量在过去一个世纪已显著降低，并且未来很有可能在围垦、富营养化等人为干扰下，和海平面上升、气温升高等气候变化要素作用下持续下降[47]。
中国的海岸带占国土面积的15%，承载着40%以上的人口、55%的经济总量和70%的大中城市。近年来，人类活动越发频繁，如围填海、水产养殖、沿海土地开发、流域建库筑坝和工业生产等，对海岸带碳汇功能也造成了很大的影响[48]。海岸带地区的土地开发活动十分剧烈，造成滨海湿地面积的减小、湿地生态系统（比如红树林、海草床、盐藻）退化甚至丧失，而由此引起的CO 2排放每年新增0.45 Pg C a-1，经济损失达到185亿美元[48]。例如，中国红树林面积由40年前的4.2×104 ha减少至1.46×104 ha，中国海岸带地区近70年来自然岸线已经下降至40%左右。在黄海和渤海地区，过去50多年，围填海等活动已经造成65%的潮滩湿地面积消失[49]。此外，流域建库筑坝直接影响入海径流和泥沙量，从而改变了总碳量及不同碳组分输入量，输沙量的减少会导致入海泥沙携带的颗粒性碳通量大幅降低。
4 中国蓝碳展望中国大陆海岸线漫长，跨越多个气候带，有上千条大小不一的河流入海，分布有河口岸、珊瑚礁岸和红树林岸等各种海岸类型，以及红树林、芦苇群落和碱蓬群落等滨海湿地。这些滨海湿地的固碳、储碳能力很大，而长江、黄河等河口海域既是陆源碳的归属地和中转站，又是利用陆源营养盐来提高生产力从而降低溶解态CO 2的重要场所。另一方面，中国有辽阔的陆架海，与陆地生态系统有强烈的物质和能量交换，初级生产力高于大洋，在蓝碳中起到重要作用。
近年来，我国各部门针对海岸带生态系统采取了多项保护措施。例如，我国在滨海湿地建立了数十个红树林保护区、2个海草床保护区和数个盐沼湿地保护区[50]。虽然这些措施是以保护生物多样性为目的，但蓝碳生态系统的恢复有助于增汇减排。而近些年中国科学家针对我国“蓝色碳汇”，提出更加具体的陆海统筹下的生态工程策略：合理施肥、减少陆源营养盐输入，增加近海碳汇[51]。
中国海岸带、近海蓝碳潜力巨大，但我们对其碳汇过程还停留在对各生境的定性认识上，缺乏定量分析、系统研究和宏观评估。因此，亟需整合国内各领域优势研究队伍，开展多学科交叉研究；融合现场观测—遥感反演—模型模拟等研究手段，系统开展点—面、微观—宏观相结合的相关研究；通过构建陆-海统筹的观测系统和区域碳循环模型，提高对蓝碳增汇机制的科学认识和对未来碳汇强度的预测能力，提升我国在碳循环、全球变化研究领域的国际地位，并为国家制订相关应对策略与政策提供科学依据。
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