为了应对全球性气候变化, 我国于2020年9月在第七十五届联合国大会上提出在2020年前做到碳达峰, 2060年做到碳中和。碳达峰是指二氧化碳的排放不再增长, 达到峰值之后逐步降低。碳中和是指企业、团体或个人在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量, 通过植树造林、节能减排等方式加以抵消, 从而实现二氧化碳的“零排放”^[1-2]。为实现减碳, 不仅要减小“碳源”, 增强“碳汇”也是一种有效手段。海洋存储了地球上93%的二氧化碳, 储存着约3.8× 10¹³ t溶解无机碳^[3], 其容量是陆地碳库的20倍、大气碳库的50倍^[4], 是地球上最大的吸碳主体^[1]。Sabine等^[5]认为海洋吸收了过去400 a间人类在生产和生活中所释放的接近一半的碳。海洋渔业作为现代海洋经济的重要组成部分, 是海洋碳库的“源”与“汇”。海洋捕捞渔船的燃油消耗^[3]、不合理的捕鱼作业方式等是海洋渔业的主要“碳源”^[5]。无机碳被海洋生物通过生物作用等转化为有机碳固定在体内或加速沉降, 从而移出海洋的过程称为“碳汇”。2010年唐启升院士首次提出“渔业碳汇”概念以来, 越来越多的研究强调海水养殖在海洋碳汇中的重要作用^{[1, 6]}。通过养殖手段固碳, 不仅技术可行、成本低, 而且可以产生多种效益^[7]。2010年至2020年我国海水养殖产量从1.48×10⁷ t增至2.14×10⁷ t (图 1a), 海水养殖储碳能力不断增强, 逐渐形成了以泛环渤海经济区、泛长三角经济区、泛珠三角经济区三足鼎立的中国海水养殖分布。在综合多种海洋渔业碳排放量评估方法的基础上, 我们评估了环渤海湾地区海水养殖“碳汇”能力^[8], 对建立“渔业碳汇”计算的指标体系、科学发展碳汇渔业具有一定的指导意义。

1 研究内容 1.1 数据来源

参考2010年至2020年《中国渔业统计年鉴》《山东省渔业统计数据》《河北省渔业统计年鉴》《天津市渔业统计年鉴》《海洋生态环境公报》等公开文件, 并通过实地走访, 收集汇总了2010—2020年环渤海湾地区海水养殖的品种、产量、养殖模式、面积等信息。

1.2 计算方法

海洋中的贝类、藻类、硬骨鱼类等利用海洋中的碳进行呼吸、生长和代谢作用, 海蜇、海参摄食和利用水体和底泥中的颗粒有机物, 加快颗粒碳和溶解碳的沉降, 使得碳移出海洋^[9], 可视为“碳汇”过程^[8-10]。目前有很多方法用来计算海洋渔业碳排放量, 如LMDI分解法^[11]、IPCC碳排放评估法^[12]、Laspeyres指数分解法^[13]等, 但这些方法复杂, 数据需求量大、计算量大并可能会引起较大的误差。本文选用海水养殖实地调查和产量估算相结合计算海水养殖碳汇量, 简单直观。

1.2.1 贝藻类

参考孙康等^[6]、于佐安等^[14]、徐敬俊等^[15]人的方法, 贝藻类碳汇量测算方法与核算系数为:

$ 贝类碳汇量=软组织碳汇量+贝壳碳汇量, $

(1)

$ 软组织碳汇量=贝类产量×干湿系数×\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;软组织占比×软组织含碳量, $

(2)

$ 贝壳碳汇量=贝类产量×干湿系数×贝壳占比×\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;贝壳含碳量, $

(3)

$ 藻类碳汇量=藻类产量×干湿系数×含碳量. $

(4)

表 1列出了计算所用的相应的干湿系数、质量占比及相应的碳含量。

1.2.2 鱼类

基于鲈鱼碳收支实验中发现鲈鱼体重对碳收支无显著影响^[16], 各种海洋鱼类成分分析中发现鱼类各组分含量相当, 且鱼类含水率约80%~82%^[17-18], 参考封闭养殖系统中鲆鱼的碳收支测算和鲷鱼能量收支实验^[19]测算数据得到, 海洋硬骨鱼类生长碳约占24%, 排粪碳占比5%, 呼吸及代谢碳大于等于70%, 得出每千克鱼固碳230 g。

1.2.3 虾类

对比对虾不同养殖品种和不同养殖模式, 发现养殖期间对虾含碳率一直保持在43.0%左右^[20], 即每千克对虾固碳430 g。

1.2.4 蟹类

梭子蟹摄食和碳收支实验中, 测算得到幼蟹生长碳占比平均30.38%, 蜕壳碳占比4.47%, 排粪碳占比3.50%, 代谢碳占比61.65%^[21], 利用产量与生长碳占比换算可得蟹类每千克固碳1.26 kg。

1.2.5 海参、海蜇

根据围堰养殖试验^[22]中测算的海参、海蜇养殖产量和总有机碳(TOC)收支情况, 海参的产量为125 kg时, 相当于生产30.52 kg TOC。海蜇获量为1 033 kg, 相当于生产5.86 kg TOC。即每千克海参固碳0.244 kg, 每千克海蜇固碳0.005 67 kg。

1.3 海水养殖固碳量方法对照

由于对贝藻类固碳量研究较多, 鱼、虾、蟹类等养殖固碳计算研究较少, 且缺少历史数据, 无法准确比较, 故参考张继红等^[23]和宋金明^[24]分别对2002年贝类养殖以及我国近海大型经济藻类固碳能力的测度, 对贝藻类碳汇量进行重新估计。以2018— 2020年渤海湾海水养殖产量为例计算, 贝类碳汇转化系数约为0.088 8 t C/t, 藻类碳汇转化系数约为0.341 3 t C/t, 所得数据采用配对样本t检验法(SPSS 17.0)分析, 以评估2种方法的相关性, 结果显示2组结果没有显著性差异(P > 0.05), 可知2种方法皆可以准确估算贝藻类碳汇。对于海水养殖而言, 除贝类(滤食性动物)和藻类外, 其他品种在养殖过程中都会投饵。相关研究表明, 所投入饲料并不能完全被摄食, 其中至少有10%转化为残饵, 饵料系数为1.55~4^[25], 残饵、粪便与残骸等大多沉积到养殖池塘底部^[26], 构成了碳汇的一部分。鉴于现有的研究与数据, 对于鱼类和蟹类, 采用碳收支方法计算, 将排粪碳算入碳汇。由于缺少相应的研究和数据, 贝类、虾类和海参、海蜇则根据生物体本身的含碳量计算其碳汇, 没有算及排粪碳的碳汇部分。鉴于鱼类和蟹类的排粪碳占比均不超过5%, 我们预计采用该方法计算的渔业碳汇误差不会超过10%。

2 结果与讨论 2.1 渤海湾地区海水养殖业现状

渤海湾位于渤海西部, 被唐山市、天津市、沧州市、滨州市、东营市5个城市包围, 日本暖流(黑潮)分支汇入其中, 使得渤海湾经济生物资源丰富, 海洋渔业开发条件优越^[27-28]。据统计, 2010—2020年间, 环渤海湾地区海水养殖产量从5.36×10⁵ t增至8.25×10⁵ t(图 1b), 一直维持在全国海水养殖总产量的4.0%±0.2%左右(图 1c)。由于地理条件不同, 渤海湾沿海各地区养殖模式和养殖品种差异显著。养殖模式主要有工厂化养殖、海水网箱养殖、海水池塘养殖、浅海筏式养殖、浅海底播养殖, 总体以海水池塘养殖为主。养殖品种主要有贝类(牡蛎、螺、蚶、贻贝、扇贝、蛤、蛏)、藻类(海带)、鱼类(鲷鱼、美国红鱼、鲈鱼、鲆鱼、河鲀、石斑鱼、半滑舌鳎、鲽鱼)、虾类(南美白对虾、斑节对虾、中国对虾、日本对虾)、蟹类(梭子蟹、青蟹)、海参和海蜇。

2010—2020年渤海湾海水养殖贝类年均产量59.6×10⁴ t、虾类年均产量8.34×10⁴ t, 均增产趋势显著。渤海湾地区贝类养殖主要分布在山东省东营市、滨州市和河北省唐山市的近海地区。由于山东、河北两省海岸线狭长, 浅海海域与滩涂面积广阔, 为贝类养殖提供了良好的生长环境, 故渤海湾贝类养殖具有种类多、规模大、产量大、产值高、营养级低、生态效率高等特点^[29], 2010—2020年贝类养殖总产量约占海水养殖总产量80%~85%, 与我国海水贝类养殖情况一致^[30]。2010—2020年间贝类养殖以5.0%的增幅稳定增长, 其中蛤类产量增幅最大、增长最快。至2020年贝类年产量达到6.59×10⁵ t, 预计到2030年, 环渤海湾贝类海水养殖产量可达8.00×10⁵ t。虾类养殖中, 南美白对虾因生长速度快、生态位较宽、饵料需求宽松、盐度适应性强等优点使其养殖规模不断递增。参考《2019年全国渔业统计年鉴》, 全国海水养殖南美白对虾产量占海水养殖虾类总产量的79.3%^[31]。据统计, 2010—2020年渤海湾地区南美白对虾产量以年平均12.6%的增幅从3.81×10⁴ t增至1.19×10⁵ t, 从该地区海水养殖虾类总产量的79%增至92%, 预计到2030年渤海湾地区南美白对虾年产量可达2.00×10⁵ t。

渤海湾海水养殖鱼类、蟹类、海蜇、藻类产量低且略有波动。我国海水鱼类一直以传统、粗放、低效能的养殖方式为主, 由于种苗产业链分工和定价随机性强, 鱼卵价格经常性短期波动, 产业技术进步贡献度不足, 海水养殖业资源配置效率较低, 减产风险高, 使得我国海水鱼类养殖地区发展不平衡, 呈现出品种多、产量低、高价值鱼类大量依赖进口的现状^[32]。渤海湾海洋鱼类近10 a养殖总产量在1.25×10⁴ t上下浮动, 并呈波动性逐年下降的趋势。蟹类养殖品种少, 主要以梭子蟹为主, 主产于山东省东营市、滨州市、河北省沧州市, 近十年产量波动小, 平均产量为4 402 t。海蜇具有生长迅速、养殖周期短、成本低、收益高等特点, 自2006年辽宁省养殖成功后向全国推广养殖^[33], 渤海湾地区年平均产量约5 445 t。我国近海海藻养殖以海带、裙带菜、紫菜、江蓠等为主^[34], 其中海带年产量占60.29%以上^[35], 但由于近年来全球气温变化以及水体污染等原因, 年产量大幅度下降, 据统计, 2010—2020年渤海湾地区海带年平均产量约318 t。

2003—2014年全国五大类海水养殖水产品产量比例分别为贝类72.6%~78.6%、藻类10.3%~11.1%、甲壳类5.3%~7.9%、鱼类4.1%~6.6%和其他类0.9%~2.2%^[36], 渤海湾2010—2020年5大类产量比例分别为贝类75.5%~89.9%、藻类0~0.14%、甲壳类7.29%~16.7%、鱼类1.31%~2.59%和其他类1.15%~3.95%, 除藻类外, 其他养殖种类占比相当。渤海湾地区养殖产业总体呈现出养殖产量同比增长的同时, 各养殖模式养殖面积同比下降, 其中天津下降幅度最大, 但单位产量不断增高。这对发展绿色渔业, 提高产业技术, 实现海水养殖的可持续发展, 减少生态环境污染产生了积极意义。

2.2 渤海湾海水养殖固碳量及固碳能力分析

根据国家海洋局的监测报告, 渤海区域的二氧化碳物理化学作用表现为, 冬春季从大气中吸收二氧化碳, 夏秋季节向大气释放二氧化碳, 夏秋季高频率海水养殖渔业活动碳汇对减少海水二氧化碳的释放具有积极作用^[36]。如图 2所示, 2010—2020年渤海湾海水养殖固碳总量呈逐年上升的趋势, 贝类年固碳总量最高, 占41.87%~55.07%, 其次是虾类(32.13%~50.70%)、蟹类(3.82%~9.52%)、海参(1.16%~9.06%)、鱼类(2.25%~5.04%)、海蜇(0.04%)和藻类(0.06%), 这是养殖产量和不同养殖品类碳转化效率(该地区海水养殖产量转化为碳汇的能力, 即海水养殖碳汇量与总产量的比值^[37]双重作用的结果, 而产量占据主导因素。蟹类、虾类、贝类由于贝类贝壳部分、甲壳类硬壳部分相较于软组织干重比大、含碳量高^[38], 故碳转化效率高。加之贝类、虾类产量大, 为渤海湾海水养殖业碳汇贡献率达86%以上, 使得渤海湾近十年海水养殖业平均碳汇转化效率约为12.5%, 比我国海水养殖业平均碳汇转化比(9.2%)略高^[38]。由于贝类壳肉比高, 且为滤食性动物, 不投饵率高(98%~100%)^[39], 这也使得贝类成为我国海水养殖业碳汇能力最强、潜力最大的产业^[38]。

据统计, 2010、2012、2014年渤海海水养殖业碳汇总量分别为216 551 t、255 413 t、289 361 t^[37], 其中渤海湾碳汇总量分别为60 665.7 t、68 559.4 t、94 367.0 t, 分别占渤海总碳汇的28.0%、26.8%、32.6%。2005年到2012年, 环渤海沿海各地市之间低碳经济发展不均衡^[39]。就地区而言, 山东省海水养殖碳汇量较多, 产生的经济价值也大于其他各省(区), 在沿海九省(区)中一直处于领先位置^[40]。2010—2020年间山东省东营、滨州两市海水养殖年固碳量自3.6× 10⁴ t增至7.8×10⁴ t, 共计6.48×10⁵ t, 约占渤海湾海水

养殖固碳总量的65.6%。两市养殖品种多, 产量大, 南美白对虾、蛤为优势养殖品种, 2020年产量分别约为9.20×10⁴ t、4.59×10⁵ t。但东营、滨州两市占山东省海水养殖总碳汇量低, 在2010、2012、2014年仅占7.24%、7.78%、10.63%, 这是由于黄海沿岸的青岛、烟台、日照、威海作为山东省海水养殖主要贡献城市, 年贡献率高达55%以上^[40]。河北省海洋渔业碳汇贡献量次于山东省, 2010—2020年河北省唐山、沧州两市年固碳量从1.82×10⁴ t增至2.85×10⁴ t, 共计2.58×10⁵ t, 约占渤海湾海水养殖固碳总量的26.1%。两市养殖品种和总产量略少于东营、滨州两市, 但鱼虾类产量占比高, 2020年产鮃鱼3 987 t、河鲀2 167 t、对虾2.58×10⁴ t。唐山、沧州两市在2010、2012、2014年分别占河北省海水养殖总碳汇量的31.8%、24.1%、26.5%。天津市海水养殖品种少, 无贝藻类养殖, 且产量低, 减产显著, 南美白对虾养殖产量自2010年11 162 t下降至2020年8 733 t, 海水养殖固碳量自2010年5 118 t下降至2020年3 786 t。由于天津市海岸线曲折, 沿岸多港口、临海工业、旅游基础设施, 渔业用海仅占0.05%^[41], 海水养殖可利用面积小, 使得天津抵消碳汇量后仍产生额外碳排放的可能性增强^[5]。

海水养殖业与海洋捕捞业作为海洋渔业的重要组成部分, 在产生巨大经济价值的同时, 对海洋碳库做出了不同程度的贡献。在整理并计算了2016— 2020年渤海湾海洋捕捞渔业的产量及固碳量后发现, 2016—2020年间, 海洋捕捞业与海水养殖业在品种及产量上相互补充。渤海湾海洋捕捞鱼类、蟹类、海蜇、头足类分别以年均产量181 390.8 t、14 316.6 t、14 171.2 t、1 269.4 t远超海水养殖鱼类、蟹类、海蜇和头足类产量(12 164.8 t、3 802 t、5 506.6 t、0 t), 而海水养殖品类中虾类、海参、贝类、藻类分别以年均产量108 418.6 t、15 774 t、633 368.8 t、596.4 t远超海洋捕捞虾类、海参、贝类、藻类产量(69 630.6 t、0 t、45 803.4 t、0 t)。由于近几年鱼、虾、蟹类捕捞产量均逐年下降, 2016—2020年渤海湾海洋捕捞固碳量自109 343.9 t下降至82 062.2 t。结合海水养殖固碳量可知, 2016—2020年渤海湾海洋渔业固碳量约为2.0×10⁵ t, 其中海水养殖固碳量占比47%~57%。

重视以海水养殖业为主的海洋渔业, 可采用人为干预的方式, 提高碳转化能力强的经济养殖品类的质量和数量, 如加强贝类养殖, 采用虾蟹混养、贝藻比例混养^[10]、鱼藻混养^[42]等, 增强海水中有机碳利用率, 提升综合效益。随着集约化养殖模式的发展, 促进海洋高新技术发展成为海水养殖业的必然趋势, 预计到2030年, 渤海湾海水养殖年产量可超1.055×10⁶ t, 渤海湾养殖年碳汇量可超1.64×10⁵ t。但海洋酸化、近海生态污染等问题使海水养殖在海洋碳循环及碳汇渔业中的地位正受到前所未有的威胁^[31]。

3 结论

本研究估算了2010—2020年渤海湾地区海水养殖渔业固碳量, 发现渤海湾地区贝类、虾类养殖在海洋碳汇中具有突出作用。对比养殖品种、养殖产量、养殖方式、碳转化率等不同因素的影响, 评估了渤海湾地区海水养殖碳汇的发展潜力。研究结果对评估渤海湾碳汇能力生态价值具有一定的指导作用。