三沙湾海水养殖固碳潜力评估与空间格局分析

张智　雷灵逸　王飞鹏　李荣茂　李聪　黄亚玲　穆景利

摘要：文章以福建省典型养殖海湾三沙湾为研究区域，对区域内养殖现状开展调查，并对三沙湾养殖固碳量及价值量进行核算。结果显示，2022年三沙湾养殖总产量66.47万t，其中贝藻养殖产量26.67万t;优势经济物种包括大黄鱼、鲍鱼、海带、江蓠和牡蛎。测定不同养殖生物含碳率存在时空差异，其中养殖生物软组织含碳率为23.67%～43.89%，养殖贝类贝壳含碳率为11.12%～15.05%;海带含碳率随生长周期降低，而贝类含碳率在生长过程無显著差异。经核算，2022年三沙湾海水养殖牡蛎、海带、江蓠等不投饵贝藻类养殖可从水体中移出碳约2.91万t，相当于减排二氧化碳10.67万t，可创造经济价值161.74万元，具有良好的固碳潜力与经济效益。鲍鱼、大黄鱼、海参等投饵型养殖生物在养殖过程中引入外来碳源约92.55万t，饵料的投入和养殖结构不合理是导致投饵型养殖碳固存能力弱的重要因素。文章聚焦典型养殖海湾的渔业固碳能力核算，并针对投饵型养殖生物的碳固存能力进行探讨，研究结果能够为该区域养殖规划和水产养殖行业的绿色升级转型提供科学支持。

关键词：渔业碳汇;水产养殖;固碳潜力;空间分布格局;三沙湾

中图分类号：P74;X145;S967 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2024）02-0028-10

0 引言

随着全球气候变化问题日益严峻，减少温室气体排放和发展低碳经济成为应对全球变暖的重要举措，增汇是实现“双碳”目标的必要途径之一[1]。海洋是地球上最大的活性碳库，每年吸收地球近30%的碳排放量，其中有55% 通过海洋生物捕获[2]。焦念志[3]指出实施海洋“负排放”是实现碳中和的重要途径，以海洋生物为核心的生物泵对海洋碳循环贡献的报道也日益增多[4]。因此，服务“双碳”目标以及探寻碳达峰路径，可以向海洋生物寻求碳汇解决方案。

大型藻类和滤食性贝类对海洋碳循环有明显影响[5-6]。藻类是海洋碳循环的初始阶段，通过光合作用将大气中的碳向海底或深海输送，海洋初级生产者贡献世界上至少50%的碳固定以及71% 的碳封存[7];滤食性贝类通过摄食生长与钙化作用，利用海洋中的无机碳形成可移出的碳酸钙，具有极大的固碳潜力，每年可减少大气中约0.012%的大气二氧化碳增量[8]。我国水产养殖产量和面积居世界首位，贝类和大型藻类是我国海水养殖的“主力军”[9]。基于此，唐启升[10]提出渔业碳汇的概念，即通过渔业生产活动促进水生生物吸收或使用水体中的二氧化碳等温室气体，并通过捕获把这些已经转化为生物产品的碳移出水体或通过生物沉积作用将其沉降于水底的过程和机制。据估算，我国贝藻养殖年均可移出碳汇达92.7万t，并呈上升趋势[11]。以海水养殖为主体的碳汇渔业为海洋增汇提供新动能[12-14]。

自渔业碳汇概念提出尤其是“双碳”目标提出后，我国沿海地区相继开展对渔业养殖产品的碳汇能力核算，辽宁[15]、河北[16-17]、山东[18]、江苏[19]、浙江[20]、福建[21]和广东[22]基于渔业统计年鉴的数据及主要养殖品种的含碳率经验系数，初步估算养殖贝藻类可移出的碳汇，贝藻类养殖平均每年可实现固碳量2.75万～200万t。然而上述结果差异较大，且均采用经验系数法对固碳量进行核算，未考虑养殖水域环境差异对生物固碳能力的影响，结果可能存在较大偏差。此外，目前的渔业碳汇核算数据完全来源于渔业统计年鉴，也多以省级行政区为分区进行比较，所反映的结果无法支撑产业升级转型。因此，有必要针对重点养殖水域开展养殖现状调查和含碳率等参数的本地化测定修正，以获取更为精确的渔业碳汇数据，服务地区碳汇渔业发展。

福建是水产养殖大省，海水养殖面积与产量多年居于全国前列[23]。尤其是具有碳汇潜力的贝藻类养殖，福建海带养殖产量超过全国海带养殖总产量的50%，江蓠养殖占比达75%，且贝藻类养殖产量占比逐年提高[21]。三沙湾位于福建东北部，是典型的近封闭型海湾，并有多条水系汇入;海水和淡水在湾内交汇，具有丰富的营养盐与生物多样性，理想的养殖条件使其成为福建最大的海水网箱养殖基地[24-26]。以往研究仅为非投饵型贝藻类养殖碳汇核算，缺少对投饵型养殖碳汇潜力的分析。本研究对三沙湾渔业养殖现状进行调查，获得养殖品种和养殖模式等基础信息;对主要养殖品种进行采样和含碳率分析，获取本地化含碳率参数;结合《养殖大型藻类和双壳贝类碳汇计量方法碳储量变化法》（HY/T0305-2021）和《海洋碳汇核算方法》（HY/T0349-2022）等标准，对三沙湾渔业养殖的固碳能力、碳汇经济价值进行核算，以期为三沙湾优化养殖布局、促进碳汇渔业发展提供科学的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 养殖现状调查

本研究采用定性与定量相结合的方法，于2022年11月至2023年4月对三沙湾渔业养殖现状开展调查。定性方法包括实地调查、走访、收集资料等，获取养殖品种、养殖时序、养殖产量等定性信息;定量方法主要运用地理信息系统和遥感技术方法，获取各调查单元的养殖位置、养殖面积等定量信息。遥感解译结果经当地渔业部门的统计数据相互验证，最终确定养殖面积、养殖产量和空间分布等三沙湾渔业养殖现状。

1.2 含碳率测定

对各养殖品种进行现场调查采样后，带回实验室刷洗去除表面附着物，在55℃下烘干至恒重后研磨成细粉末。称取（100±1）mg待测样品细粉末，放入锡纸包埋，利用VarioMACROcube元素分析仪（Elementar，德国）测定含碳率，具体分析方法参考Westbrook等[27]的研究。对于无法获取的数据，参考张继红等[5]、孙康等[28]整理的生物体相关参数。此外，对于鲍鱼和大黄鱼等投饵型生物，还应测定饵料含碳率。同时，通过走访询问获取投饵频率、投饵量比等信息。

1.3 碳汇物质量和价值量核算

1.3.1 碳汇物质量

对于大型藻类和不投饵贝类养殖碳汇物，其质量核算参考《养殖大型藻类和双壳贝类碳汇计量方法碳储量变化法》（HY/T0305-2021）和主要参考文献[5，21，23，28]，计算公式为：

CSalg =Walg，i ×Kmi ×CFmi

式中：CSalg为第i 种大型藻类的可移出碳汇物质量，以碳计;Walg，i 为第i 种大型藻类的生物量（湿重）;Kmi为第i 種大型藻类湿重与干重之间的转化系数;CFmi为第i 种大型藻类干质量下的含碳率。

CSsh =CSsh1 +CSsh2

CSsh1 =Wsh，j ×Ksh ×Rsh1 ×CFsh1

CSsh2 =Wsh，j ×Ksh ×Rsh2 ×CFsh2

式中：CSsh为第j 种贝类的可移出碳汇物质量，以碳计;CSsh1为第j 种贝类贝壳干质量的可移出碳汇物质量;CSsh2为第j 种贝类软组织干质量的可移出碳汇物质量;Wsh，j 为第j 种贝类的生物量（湿重）;Ksh为第j 种贝类湿重与干重之间的转换系数;Rsh1为第j 种贝类干重状态下的贝壳干质量占比;CFsh1为第j 种贝类贝壳干质量下的含碳率;Rsh2为第j 种贝类干重状态下的软组织干质量占比;CFsh2为第j种贝类软组织干质量下的含碳率。

对于投饵型贝类及鱼类养殖碳汇物质量，由于投饵型贝类及鱼类不属于渔业碳汇生物范畴，为综合评价研究区域的养殖碳汇贡献，采用碳储量变化法中养殖生物体碳汇物质量核算结果减去养殖饵料碳投入量，计算其碳固存能力：

CSaqua =CSsh" +CSfish -Cbait

式中：CSaqua为投饵型贝类和鱼类碳固存量;CSsh"为投饵型贝类碳汇物质量;CSfish为鱼类本身的可移出碳汇物质量;Cbait为投放饵料的含碳率，通过投放比例及含碳率测定结果计算，以碳计。

CSfish =Wfish，i ×Ci ×Cbait

式中：Wfish，i为第i 种鱼类的生物量（湿重）;Ci为第i种鱼类的含碳率。

1.3.2 碳汇价值量

根据2023年7月全国碳市场履约使用中国核证自愿减排量买入价格预期55.56元/t，计算三沙湾养殖碳汇价值量。

2 研究结果

2.1 三沙湾养殖结构与空间分布

2022年三沙湾养殖结构如图1所示。

据调查，2022年三沙湾养殖面积1.14万hm2，占三沙湾海域面积的15.83%。其中以筏式为主，达0.93万hm2;网箱养殖次之，约0.21万hm2。养殖品种方面，江蓠养殖面积占比达60.36%，海带和大黄鱼次之，分别占比17.73%和13.15%，牡蛎、鲍鱼、海参养殖面积占比也较高。2022年三沙湾海水养殖总产量为66.47万t。其中大黄鱼产量最高，达22.85万t，占比34.37%;贝类产量为11.41万t，主要为牡蛎和鲍鱼;大型藻类产量15.26万t，主要为江蓠和海带，分别占比19.32%和3.64%。三沙湾海水养殖产量占2022 年福建海水养殖产量的12.22%，其中贝、藻养殖产量分别占全省贝、藻养殖产量的3.33%和11.99%。

2.2 养殖生物含碳率测定

对养殖生物不同发育阶段的含碳率分析结果显示，不同物种之间存在较大差异。藻类的含碳率为25.53%～33.78%，其中江蓠较高、海带较低;贝类软组织的含碳率为34.95%～41.03%，鲍鱼和牡蛎贝壳的含碳率分别为15.05%和11.12%（表1）。

本研究对三沙湾主要养殖生物在不同养殖阶段的含碳参数进行比较分析。其中，牡蛎等物种在不同生长阶段的含碳率无显著差异，而海带、江蓠、鲍鱼等物种在不同生长阶段的含碳率呈显著差异，具体均表现为藻类成体含碳率显著低于幼体，鲍鱼在不同生长阶段的含碳率波动较大（图2）。

据调查，鲍鱼养殖主要以江蓠为饵料，每产出1kg鲍鱼（湿重），投入江蓠约16kg（湿重）;大黄鱼、鲈鱼养殖主要以鲜杂鱼或复合饲料为饵料，每产出1kg大黄鱼或鲈鱼（湿重），投入鲜杂鱼或复合饲料约8kg，本研究以投入复合饲料计算。经测定，大黄鱼复合饲料含碳率为43.89%±0.22%。

2.3 碳汇物质量和价值量核算

经计算，2022年三沙湾海水养殖牡蛎、海带、江蓠等不投饵型贝藻类养殖可从水体中移出碳约2.91万t，相当于减排二氧化碳10.67万t。其中，牡蛎可移出碳量最高，为2.22万t;江蓠和海带次之，分别为0.62万t和0.07万t。此外，投饵型养殖生物本身同样具有碳汇潜力，可从水体中移出碳约4.75万t。其中，大黄鱼可移出碳量最高，为4.08万t;鲍鱼次之，为0.45万t。然而综合投饵型养殖生物的饵料投入，鲍鱼、大黄鱼、鲈鱼等投饵型养殖生物的碳固存量约为-97.30万t，饵料等外来碳源输入是投饵型养殖生物碳固存能力弱的重要因素。

根据2023年7月全国碳市场履约使用中国核证自愿减排量买入价格预期55.56元/t，2022年不投饵型贝藻类养殖碳汇创造的减排经济价值相当于161.74万元。因此，三沙湾贝藻类养殖具有巨大的经济效益潜力，能够为实现“双碳”目标贡献重要力量。

2.4 固碳潜力的空间分布

三沙湾养殖结构呈现一定的空间分布格局，具体表现为湾东北部的东吾洋多为海带养殖区，湾中部河道两侧以大黄鱼网箱养殖为主，湾西北部盐度较低水域以牡蛎养殖为主，而湾南部近岸则以鲍鱼、海参等网箱养殖为主（图1）。根据上述碳汇物质量核算，结合养殖结构空间分布，三沙湾水产养殖固碳潜力的空间分布如图3所示。其中，东吾洋海域海水养殖的固碳潜力较高，而河道两侧以及湾口近岸海域由于网箱养殖投饵型生物，固碳潜力较低。

3 讨论

3.1 三沙湾养殖结构的时空分布

三沙湾作为福建典型养殖海湾，既是全国闻名的大黄鱼主产区，也是海带、紫菜、鲍鱼的重要产区，其中大型藻类几乎覆盖整个海湾，养殖强度较高（图1）。规模化养殖大型藻类能够吸收氮磷，可有效抑制污染物的扩散[25]，还可加强近岸固碳和储碳的能力[29]，对维持三沙湾高密度养殖且水体营养未达高位做出重要贡献。鱼类网箱养殖面积不大，但贡献极高比例的养殖产量，其养殖过程的外来营养输入仍须加强关注。鱼类养殖饵料投入的氮磷负荷分别为12000t/年和2400t/年，分别占三沙湾人为负荷总量的90%和86%，是三沙湾营养物质和有机物的主要来源[24]。根据水动力分析，三沙湾网箱养殖在一定程度上削弱湾内与湾外的水体交换，进一步加剧水体富营养化的可能[30]。因此，在拓展集约化养殖、合理高效利用资源、改善养殖饵料投入的基础上，应从水动力条件等多个维度调整养殖格局，从而实现三沙湾的绿色发展。

有学者利用Landsat多时相遥感影像提取2003—2018年三沙湾海水养殖区的空间信息，结果显示三沙湾海水养殖区2016年前呈迅速扩张趋势，而2018年后扩张趋势有所放缓[31-32]。从不同养殖方式来看，网箱养殖区由大陆、岛屿沿岸向深水区发展，而藻类养殖区则扩张到整个海域。本研究结果表明三沙湾养殖面积仍在逐步减少，由2016年的160km2减少至如今的132km2，主要原因为管理需求和桥梁建设等涉海工程，但三沙湾养殖密度仍较高（18.49%）。经走访调查，由于近年来鲍鱼饵料等需求旺盛，海带、江蓠收购价格走高，2022年许多清退的养殖区重新出现海带、江蓠养殖。

3.2 监测方法与碳汇系数优化

目前所有报道均根据《养殖大型藻类和双壳贝类碳汇计量方法碳储量变化法》（HY/T0305-2021）和《海洋碳汇核算方法》（HY/T0349-2022）等标准附件中的参考值进行碳汇评价，已有文献也仅限于数项元素分析结果[33-37]。本研究测定采自三沙湾的主要养殖生物，与其他研究相比存在一定差异，如现有标准对于海带等大型藻类的含碳率直接以20%计，而本研究测定的海带和江蓠的含碳率分别为25.53%和33.78%，这就导致根据标准方法可能低估可移出碳汇，且部分生物的含碳率可能由于养殖环境等因素出现环境异质性。此外，海水养殖区的现场监测实验也揭示不同养殖区的碳固存量存在时空差异，其影响因素既包括水温、营养盐，也包括水动力和养殖密度等[38-39]，这也提示在未来评估中应关注含碳参数的属地化测定。

本研究对三沙湾养殖生物不同生长阶段的含碳率进行测定，结果显示海带和鲍鱼软组织在不同发育期的含碳率存在动态变化，因此渔业碳汇监测与计量应在养殖生物的全生命周期开展含碳率的全时段监测。尽管碳储量变化法能够快速计算贝藻类养殖碳汇量，但仍须更多机制的研究，以获取更全面、更准确的结果，从而辅助碳汇量以及价值量的估算和未来的交易。

在完善渔业碳汇监测与评估体系的同时，还应更加重视渔业碳汇概念辨析及其在固碳、储碳过程中的作用机制。渔业活动在海洋碳循环中发挥重要作用，渔业生物通过直接或间接吸收或使用水体中的二氧化碳，促进碳移出和碳储存功能的发挥，提升水域生态系统的碳汇能力[40]。但固碳不等于储碳，如果碳在较短时间内释放则不能称之为碳汇。因此，海水养殖可提供经济支撑和人类所需蛋白质，还可通过监测对环境的压力而发挥稀释二氧化碳而不是释放二氧化碳的作用[3，41]。此外，海水养殖活动能够通过生物泵和微生物泵促进近海碳循环，发挥海洋“负排放”功能。因此，在未来渔业碳汇监测方法优化中，应考虑储碳周期来定义碳汇量，并将海水养殖和陆地经济相结合，从而发挥其碳汇的作用。

3.3 三沙湾渔业碳汇能力比较和碳中和发展路径

三沙湾作为福建的重点养殖海湾，贝藻类养殖极为繁盛，尤其是2022 年大型藻类养殖产量达11.04万t，占当年全国藻类海水养殖产量的5.62%。据估算，2022年三沙湾不投饵型贝藻类养殖可从水体中移出碳约2.97 万t，相当于减排二氧化碳10.67万t，年固碳量达福建贝藻类养殖固碳总量的5.05%[28]。三沙湾贡献较高的养殖碳汇，在未来的碳中和升级之路将带来更多的绿色收入。

根据沉积物总有机碳和总氮的稳定同位素测定结果，藻类养殖区对固碳的贡献重大[29]。因此，应大力发展大型藻类规模化养殖，培育高效固碳物种，加强水体CNP监测，提供优质养殖环境。同时，藻类养殖过程中产生的颗粒有机碳和溶解有机碳能够通过生物泵和微生物泵发挥海洋“负排放”功能[6，42]，未来可进一步通过驱动人工流等手段促进营养盐循环，从而實现增汇[43]。

三沙湾水产养殖全生命周期评价（LCA）结果表明，饲料仍是投饵型养殖生物资源利用的主要贡献者，占养殖过程对环境影响的45%～90%[44]。以食物网为基础营养层级的养殖结构单一，即仅有少数鱼贝藻类养殖，集约化养殖同时影响上行效应，造成营养“瓶颈”，导致湾内生态系统多样性的丧失[45]。因此，应进一步规范海水养殖行为、科学合理布局养殖品种、控制养殖密度，如调整饵料类型以及饵料加工、投放方式[46-47]，以期实现三沙湾海水养殖的绿色低碳发展。此外，渔业碳汇评价方法应趋于多元化：①从单位养殖面积、生产单位蛋白质的碳汇量等角度综合评价不同海水养殖生物的碳汇能力及其与其他农业产品的碳汇潜力比较;②综合碳汇价值量与水产品经济价值、生态服务价值等多角度，构建水产品综合价值评价体系。

4 结论

本研究首次聚焦福建典型养殖海湾———三沙湾，通过养殖现状调查、养殖生物含碳参数测定、养殖生物碳汇物质量和价值量核算，全面了解三沙湾海水养殖状况和固碳潜力空间分布。三沙湾海水养殖总产量66.47 万t，其中贝藻类养殖产量26.67万t。牡蛎、海带、江蓠等不投饵型贝藻类养殖可从水体中移出碳约2.97万t，相当于减排二氧化碳10.67万t，可创造经济价值161.74万元，具有良好的固碳能力与经济效益;鲍鱼、大黄鱼、海参等投饵型养殖的碳固存量约为-97.30万t，饵料投入仍是主要输入碳源。未来应大力发展大型藻类规模化养殖，培育高效固碳物种;加强水体CNP监测，提供优质养殖环境;科学合理布局养殖品种，控制养殖密度和养殖行为。同时，构建全时段监测、属地化计量、多元化方法、多尺度结合的渔业碳汇评估体系，助力海水养殖的绿色低碳发展。

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