大型海藻養殖碳匯研究領域取得新進展

在國家自然科學基金等項目資助下，南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）（以下簡稱廣州海洋實驗室）楊志峰院士團隊攜手汕頭大學、廣東工業大學、廣州大學及中山大學等科研人員，在大型海藻養殖碳匯研究領域取得新進展。近日，相關成果發表于《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）。

紫菜養殖中碳庫動態與主要驅動因子階段依賴性轉變的概念示意圖。研究團隊供圖，下同

論文第一作者、廣州海洋實驗室博士后林佳介紹，除紅樹林、海草床和鹽沼外，大型海藻被認定為第四類海岸帶藍碳來源。大型海藻養殖具備成本低、產量高、養殖可控性強等顯著優勢，是可實現產業化的海岸帶藍碳資源。正因如此，眾多國家積極投身大型海藻養殖，將其作為增加碳匯的有效手段。然而，大型海藻養殖過程中碳匯潛力如何動態變化，以及其對氣候變暖的響應機制，是當前發展大型海藻養殖碳匯亟待攻克的關鍵科學難題。

該研究以廣東汕頭南澳島現代海洋牧場中的紫菜養殖系統為研究對象，開展全面且深入的調查。科研人員對不同養殖階段水體、沉積物、大氣及生物體中的多種碳庫進行綜合分析，精準揭示了各養殖階段碳匯潛力的變化規律及內在機制差異。同時，運用多統計分析方法，成功識別出不同養殖階段碳匯過程的關鍵驅動因子。此外，基于實測數據訓練機器學習模型，進一步預測了多種變暖情景下紫菜養殖的碳封存潛力響應情況。

不同養殖階段碳匯指標的UMAP降維分析及碳相關變量與環境因子的冗余分析結果。

研究結果顯示，紫菜養殖通過顯著增強大氣二氧化碳吸收、促進有機碳埋藏以及持續釋放溶解有機碳并推動惰性溶解有機碳形成，產生了顯著的碳封存效益。聚類分析表明，各養殖階段的碳庫組成呈現出高度異質性。具體而言，在生長早期，碳封存主要由無機碳動態主導；頭水成熟期逐漸轉變為依賴溶解有機碳釋放及頑固性溶解有機碳形成；二水收獲期則主要依靠有機碳的積累和輸送。

通過冗余分析和結構方程模型深入研究發現，驅動碳庫組成變化的主導因子隨養殖進程呈現階段性轉換特征。在養殖初期，主要由水文動力和碳酸鹽平衡體系控制；到了生長后期，則轉變為生物過程與水文動力共同主導。明確這些驅動因素，對于在實踐中實施針對性干預措施以增強凈碳封存至關重要。例如，在生長早期，需維持適度的水體交換和溫度，確保充足的溶解無機碳供應并防止酸化；頭水收獲階段應盡量減少高強度擾動，促進顆粒有機碳沉降，利于溶解有機碳和頑固性溶解有機碳積累；二水收獲階段則要合理管理養殖密度，保持頑固性溶解有機碳占比。

基于隨機森林模型與SSP情景溫升數據驅動的紫菜養殖碳匯指標預測。

機器學習模型預測結果顯示，紫菜養殖的無機碳系統對溫度的敏感性顯著高于有機碳庫。在未來變暖情景下，無機碳庫在1.7-2°C的溫度閾值附近呈現非線性響應，這反映了溫度依賴性生物吸收與溫度控制的碳酸鹽平衡共同作用的結果。將同一隨機森林模型框架外推至中國沿海的紫菜養殖進行分析發現，即使在高排放情景下，紫菜養殖產生的有機碳封存僅輕微減少，下降幅度小于5%。

論文通訊作者、廣州海洋實驗室研究員歐陽曉光表示，該研究結果充分強調，紫菜養殖不僅能產生顯著的碳封存效益，其碳匯功能面對氣候變化還具備較高韌性。這些重要發現為將大型藻類養殖納入藍碳行動計劃和碳抵消倡議提供了堅實的科學依據。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c15527