养殖水域二氧化碳交换通量计算

吴杭纬经 赵泓睿 彭苑媛 桂峰 赵晟

摘要 [目的]探讨海-气界面二氧化碳通量。[方法]采用模型估算法，利用实验室模拟条件来培养贻贝进行计算，并且使用SMARTCHEM仪器监测出碱度后换算出样品中二氧化碳浓度，酸碱滴定法计算出空气中二氧化碳浓度，从而求得气体交换通量。[结果]贻贝数量增加二氧化碳交换通量越多;培养时间越久，二氧化碳交换通量越多。[结论]该研究为渔业碳汇提供科学依据和技术储备。

关键词 交换通量;二氧化碳;模型估算;养殖水域

中图分类号 S931.3文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）14-0055-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.018

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract [Objective] The research aimed to explore the carbon dioxide flux at the seaair interface.[Method]Using the model estimation method， the laboratory simulation conditions were used to culture the mussels for calculation， and the concentration of carbon dioxide in the sample was calculated by using the SMARTCHEM instrument to monitor the alkalinity， and the carbon dioxide concentration in the air was calculated by the acidbase titration method to obtain the gas exchange flux.[Result]The number of mussels increased， and the carbon dioxide exchange flux increased. The longer the culture time， the more carbon dioxide exchange flux.[Conclusion]The study provides scientific evidence and technical reserves for fishery carbon sinks.

Key words Exchange flux;Carbon dioxide;Model estimation;Aquaculture water areas

作者简介 吴杭纬经（1994—），男，浙江湖州人，硕士研究生，研究方向：海洋碳循环。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事海洋生态学究。

收稿日期 2019-02-27;修回日期 2019-03-11

温室气体交换通量估算问题已经成为当今热点问题之一，对交换通量的研究已经不仅仅局限于科学研究，还需要各领域科学知识的共同研究发展。随着时代和科学技术的发展，人类面临的环境问题日趋严重，保护环境和地球迫在眉睫，而温室气体更是全球关注的重点[1-4]。因为温室气体引起的一系列变化对地球破坏严重，例如全球变暖引起海平面升高备受关注。全球变暖是一种“自然现象”。由于人们焚烧化石矿物以产生能量或砍伐森林并将其焚烧所产生的二氧化碳等多种温室气体，这些温室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，能强烈吸收地面辐射中的红外线，也就是常说的“温室效应”，导致全球气候变暖。全球碳的循环过程已成为科学家们眼中共同关注的问题。海洋碳循环作为全球碳循环的一部分，其作用极其重要，是涉及全球变化的一个博大命题，其研究的关键在于碳循环的过程与机制[5]，其关键不仅是物理和化学的层面上，還有生物的层面[6]。被海洋吸收的CO2 经过一系列生物过程（生物泵以及碳酸盐泵的作用）最终以有机物和CaCO3的形式沉降到海洋底，要经过很长的地质时间才能重新进入大气。生物在海洋碳循环中起非常重要的作用，碳在海洋中的迁移和转化几乎都有生物参与。而人类的活动对生物的种群、结构以及系统都有重大影响。因此，海洋固碳和通量研究成为了全球热点[7-10]。

浙江近海面积广阔，是海水养殖大省，其中，贝类产量占海水养殖总产量的70%左右。区别于投饵式水产养殖方式，浙江省海水养殖多以贝藻类综合养殖为主，多营养层次综合养殖不仅能够充分发挥养殖海区的空间应用能力，更能有效地促进各营养层次的养殖生物共同健康生长。而在海洋生物固碳这一方面，更是拥有其独特的优势。因此，笔者选取厚壳贻贝作为研究对象，通过实验室分析，研究温度对厚壳贻贝的影响，分析其对近海碳循环产生的影响，加深人类了解近海碳循环的过程，以期为近海贝藻养殖海域生物固碳能力给出评估，为渔业碳汇提供科学依据和技术储备。

1 材料与方法

1.1 研究区域

浙江省舟山市普陀区东极岛附近海域。

1.2 方案设计

1.2.1 养殖模式。

选取12只体型相似、鲜重相近的新鲜贻贝（200 g左右）进行海-气界面模拟试验。第1天选取6只贻贝，将贻贝分为3组，分别标记B、C、D组。B组为1只贻贝，C组为2只贻贝，D组为3只贻贝。分别放入3个相同大小体积的透明塑料桶中，并用绳子系住，避免贻贝粘住容器壁，同时增加一组空白试验组，标记为A组。放入完毕后，向每个桶中分别加入等量的海水直至没过贻贝（此次试验加入海水为7 L）。随后用保鲜膜将塑料桶密封，试验4 h后进行采样检测。第2天再次选取剩下6只贻贝，将贻贝分为3组，分别标记F、G、H组。同样的F组为1只贻贝，G组为2只贻贝，H组为3只贻贝，同时增加一组空白试验组标记为E组。进行与第1天相同的操作，不同的是培养时间改为8 h，8 h后进行采样检测。

2 结果与分析

2.1 贻贝数量不同的二氧化碳通量

由表3可知，培养4 h后水中pH呈现出先升高后下降的情况，没有贻贝的空白组（样品A）是4组中pH最小的，而培养了1个贻贝（样品B）、2个贻贝（样品C）以及3个贻贝（样品D）的水样的pH先增大后减小。出现pH增加的现象可能是贻贝呼吸作用产生的二氧化碳排放到空气中，而空气中的氧气溶解于水，进行了气体的循环。之后pH又持续降低可能是由于贻贝呼吸作用所产生的二氧化碳气体过多，一部分溶于水，一部分排放到了空气中，造成pH持续降低的现象。而没有贻贝的空白组（样品A），pH最低可能是由于没有发生大量气体交换，只有二氧化碳溶于水，没有消耗氧气以及水中带有的微生物和细菌造成的。而水中二氧化碳气体浓度的变化基本与pH变化相反，样品A中浓度最高，样品B、C、D中是先降低后升高。因为pH的变化多数都是由水中二氧化碳浓度决定的。空气中的二氧化碳浓度与水中的二氧化碳浓度则不一样，从样品A开始，样品B、样品C、样品D不断升高。这是由于随着贻贝数量增加，呼吸作用明显加剧，排放到水中和大气中的二氧化碳越来越多，造成了空气中的二氧化碳浓度随着贻贝数量增加越来越高。整个海-气界面的二氧化碳通量变化也是随着贻贝数量增加越来越多。虽然数值本身是越来越小，可是气体交换是增加的，整个循环也是加剧的。说明贻贝数量越多，二氧化碳交换通量多。

由表3可知，培养8 h后水中的各项指标与培养4 h的还是有略微差别的。从pH角度来说，pH按照样品E、F、G、H是先减小后增大再减小的现象。样品F中pH减小可能是由于时间的累积，呼吸作用所产生的二氧化碳越来越多，溶解于水的部分比到空气中的部分多所造成的。而样品F和G中pH持续走高可能是由于塑料瓶中氧气已经消耗殆尽，无法再进行呼吸作用造成的。水中二氧化碳的濃度也是跟随着pH不断变化，先升高后下降再升高。空气中二氧化碳浓度则是不断升高，原因应该是随着贻贝数量的增加呼吸作用产生的二氧化碳越来越多，也有越来越多的二氧化碳被排放到空气中。海-气界面的二氧化碳通量变化也是随着贻贝数量的增加不断增加，虽然数值本身是在减小，可是从试验角度上来说是增加的。

2.2 贻贝培养时间不同的二氧化碳通量

在没有贻贝时，培养8 h后水样的pH比培养4 h的要高，说明随着时间的积累，样品虽然没有贻贝进行呼吸作用，但是由于一些微生物和细菌的影响，对水体的pH还是有影响的。水体中的二氧化碳浓度也是随着时间的增加而降低的。空气中的二氧化碳浓度随着时间的增加而升高，但是变化不明显，极其微弱。总的二氧化碳通量也是随着时间的积累增加。

在同样培养1个贻贝时，随着时间的增加水体中pH呈现减小的趋势，说明水体中二氧化碳浓度升高。是因为随着时间的积累，贻贝的呼吸作用产生的二氧化碳越来越多，使水体的酸度增加，降低了pH。空气中的二氧化碳浓度也是随着呼吸作用不断升高。最终形成的二氧化碳通量是随时间的增加而增多的。

在同样培养2个贻贝时，培养8 h贻贝的水体中pH为6.30，培养4 h贻贝水体中pH为6.11，pH居然增大。以往如果按照正常呼吸作用的原因来说pH是不可能增大的，时间越久所产生的二氧化碳必定越多，水体的酸度必定越大，pH肯定越低。而造成该现象的原因可能是由于密闭环境中贻贝所需要的氧气已经消耗殆尽。其实随着时间的增加pH是应该越来越小，可是由于密闭环境，氧气的量有限，pH在减小时会由于氧气的消耗完毕，逐渐由于其他因素产生回升，时间越久pH将会越大。而空气中的二氧化碳浓度则不一样，肯定是随着时间的积累越来越高。整体二氧化碳通量也是随着时间的增加而增多。

在培养3个贻贝时，出现的情况其实与2个贻贝大致相同。不同之处是，pH增大的更多，说明在4 h时贻贝的呼吸作用所产生的二氧化碳已经快到达峰值。

总体来说，贻贝的培养时间对于水体pH的影响还是很大的，但是对于空气中二氧化碳浓度和整体的二氧化碳来说影响不大，都是随着时间的增加而增多。

3 讨论与结论

此次试验采用控制贻贝数量和培养时间2个变量进行探讨。其实影响二氧化碳通量的因素还有很多，如水温、气温、辐射以及风速。贻贝数量越多，呼吸作用越明显，所产生的二氧化碳越多，二氧化碳交换通量就越多[7]。培养时间越久，贻贝进行呼吸作用就越久，所产生的为二氧化碳就越多，最终的二氧化碳交换通量也就越多。水温是水体重要的理化参数之一。水温不仅可以影响气体分子的扩散速度及其在水体中的溶解度来直接影响气体交换通量，还可以通过影响微生物的活性来间接影响温室气体产生的地球化学过程。此外，水温还可通过影响水生植物的光合作用及呼吸作用而影响CO2在水-气界面间的扩散[2]。气温会对水体内生物呼吸作用以及光合作用产生影响[14]。而风速将直接影响气体交换以及气体交换速率[15]。如果辐射越多，一般温度也就越高，阳光也就越强烈[16]，可能对于此次试验影响不大，但是会影响诸多植物的光合作用以及其他气体的交换通量。从试验中可以看出，贻贝数量增加，二氧化碳交换通量越多;培养时间越久，二氧化碳交换通量越多。

国内外对于气体交换通量研究以及方法[17-19]已有很多，可是都没有很权威的方法，因为实际气体交换通量与监测结果的定量关系还有待进一步研究。气体的交换通量对于人类乃至整个地球都是有划时代意义的。厚壳贻贝不仅是滤食性贝类的典型代表，而且是浙江省近海重要的养殖品种。因此，在自然养殖海域，渔民多根据市场需求，将搭配开展多营养层次综合养殖，分析其对近海碳循环产生的影响，加深人类了解近海碳循环的过程，可望为近海贝藻养殖海域生物固碳能力给出评估，为渔业碳汇提供科学依据和技术储备。

事实上，世界发达国家也纷纷将战略重点转向海洋[20-21]，海洋产业已成为全球经济新的增长点，海洋生物资源的开发利用，尤其是海水增养殖业已成为发展海洋经济的重要组成部分[22]。就我国渔业发展现状来看，发展低碳经济是势在必行的经济愿景，是一个长期、不断实践创新提高的过程。

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