養(yǎng)殖水域二氧化碳交換通量計(jì)算

吳杭緯經(jīng) 趙泓睿 彭苑媛 桂峰 趙晟

摘要 [目的]探討海-氣界面二氧化碳通量。[方法]采用模型估算法，利用實(shí)驗(yàn)室模擬條件來培養(yǎng)貽貝進(jìn)行計(jì)算，并且使用SMARTCHEM儀器監(jiān)測(cè)出堿度后換算出樣品中二氧化碳濃度，酸堿滴定法計(jì)算出空氣中二氧化碳濃度，從而求得氣體交換通量。[結(jié)果]貽貝數(shù)量增加二氧化碳交換通量越多;培養(yǎng)時(shí)間越久，二氧化碳交換通量越多。[結(jié)論]該研究為漁業(yè)碳匯提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞 交換通量;二氧化碳;模型估算;養(yǎng)殖水域

中圖分類號(hào) S931.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）14-0055-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.018

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（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

作者簡(jiǎn)介 吳杭緯經(jīng)（1994—），男，浙江湖州人，碩士研究生，研究方向：海洋碳循環(huán)。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事海洋生態(tài)學(xué)究。

收稿日期 2019-02-27;修回日期 2019-03-11

溫室氣體交換通量估算問題已經(jīng)成為當(dāng)今熱點(diǎn)問題之一，對(duì)交換通量的研究已經(jīng)不僅僅局限于科學(xué)研究，還需要各領(lǐng)域科學(xué)知識(shí)的共同研究發(fā)展。隨著時(shí)代和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類面臨的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，保護(hù)環(huán)境和地球迫在眉睫，而溫室氣體更是全球關(guān)注的重點(diǎn)[1-4]。因?yàn)闇厥覛怏w引起的一系列變化對(duì)地球破壞嚴(yán)重，例如全球變暖引起海平面升高備受關(guān)注。全球變暖是一種“自然現(xiàn)象”。由于人們焚燒化石礦物以產(chǎn)生能量或砍伐森林并將其焚燒所產(chǎn)生的二氧化碳等多種溫室氣體，這些溫室氣體對(duì)來自太陽(yáng)輻射的可見光具有高度的透過性，而對(duì)地球反射出來的長(zhǎng)波輻射具有高度的吸收性，能強(qiáng)烈吸收地面輻射中的紅外線，也就是常說的“溫室效應(yīng)”，導(dǎo)致全球氣候變暖。全球碳的循環(huán)過程已成為科學(xué)家們眼中共同關(guān)注的問題。海洋碳循環(huán)作為全球碳循環(huán)的一部分，其作用極其重要，是涉及全球變化的一個(gè)博大命題，其研究的關(guān)鍵在于碳循環(huán)的過程與機(jī)制[5]，其關(guān)鍵不僅是物理和化學(xué)的層面上，還有生物的層面[6]。被海洋吸收的CO2 經(jīng)過一系列生物過程（生物泵以及碳酸鹽泵的作用）最終以有機(jī)物和CaCO3的形式沉降到海洋底，要經(jīng)過很長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間才能重新進(jìn)入大氣。生物在海洋碳循環(huán)中起非常重要的作用，碳在海洋中的遷移和轉(zhuǎn)化幾乎都有生物參與。而人類的活動(dòng)對(duì)生物的種群、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)都有重大影響。因此，海洋固碳和通量研究成為了全球熱點(diǎn)[7-10]。

浙江近海面積廣闊，是海水養(yǎng)殖大省，其中，貝類產(chǎn)量占海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的70%左右。區(qū)別于投餌式水產(chǎn)養(yǎng)殖方式，浙江省海水養(yǎng)殖多以貝藻類綜合養(yǎng)殖為主，多營(yíng)養(yǎng)層次綜合養(yǎng)殖不僅能夠充分發(fā)揮養(yǎng)殖海區(qū)的空間應(yīng)用能力，更能有效地促進(jìn)各營(yíng)養(yǎng)層次的養(yǎng)殖生物共同健康生長(zhǎng)。而在海洋生物固碳這一方面，更是擁有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，筆者選取厚殼貽貝作為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)室分析，研究溫度對(duì)厚殼貽貝的影響，分析其對(duì)近海碳循環(huán)產(chǎn)生的影響，加深人類了解近海碳循環(huán)的過程，以期為近海貝藻養(yǎng)殖海域生物固碳能力給出評(píng)估，為漁業(yè)碳匯提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

浙江省舟山市普陀區(qū)東極島附近海域。

1.2 方案設(shè)計(jì)

1.2.1 養(yǎng)殖模式。

選取12只體型相似、鮮重相近的新鮮貽貝（200 g左右）進(jìn)行海-氣界面模擬試驗(yàn)。第1天選取6只貽貝，將貽貝分為3組，分別標(biāo)記B、C、D組。B組為1只貽貝，C組為2只貽貝，D組為3只貽貝。分別放入3個(gè)相同大小體積的透明塑料桶中，并用繩子系住，避免貽貝粘住容器壁，同時(shí)增加一組空白試驗(yàn)組，標(biāo)記為A組。放入完畢后，向每個(gè)桶中分別加入等量的海水直至沒過貽貝（此次試驗(yàn)加入海水為7 L）。隨后用保鮮膜將塑料桶密封，試驗(yàn)4 h后進(jìn)行采樣檢測(cè)。第2天再次選取剩下6只貽貝，將貽貝分為3組，分別標(biāo)記F、G、H組。同樣的F組為1只貽貝，G組為2只貽貝，H組為3只貽貝，同時(shí)增加一組空白試驗(yàn)組標(biāo)記為E組。進(jìn)行與第1天相同的操作，不同的是培養(yǎng)時(shí)間改為8 h，8 h后進(jìn)行采樣檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 貽貝數(shù)量不同的二氧化碳通量

由表3可知，培養(yǎng)4 h后水中pH呈現(xiàn)出先升高后下降的情況，沒有貽貝的空白組（樣品A）是4組中pH最小的，而培養(yǎng)了1個(gè)貽貝（樣品B）、2個(gè)貽貝（樣品C）以及3個(gè)貽貝（樣品D）的水樣的pH先增大后減小。出現(xiàn)pH增加的現(xiàn)象可能是貽貝呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳排放到空氣中，而空氣中的氧氣溶解于水，進(jìn)行了氣體的循環(huán)。之后pH又持續(xù)降低可能是由于貽貝呼吸作用所產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w過多，一部分溶于水，一部分排放到了空氣中，造成pH持續(xù)降低的現(xiàn)象。而沒有貽貝的空白組（樣品A），pH最低可能是由于沒有發(fā)生大量氣體交換，只有二氧化碳溶于水，沒有消耗氧氣以及水中帶有的微生物和細(xì)菌造成的。而水中二氧化碳?xì)怏w濃度的變化基本與pH變化相反，樣品A中濃度最高，樣品B、C、D中是先降低后升高。因?yàn)閜H的變化多數(shù)都是由水中二氧化碳濃度決定的?？諝庵械亩趸紳舛扰c水中的二氧化碳濃度則不一樣，從樣品A開始，樣品B、樣品C、樣品D不斷升高。這是由于隨著貽貝數(shù)量增加，呼吸作用明顯加劇，排放到水中和大氣中的二氧化碳越來越多，造成了空氣中的二氧化碳濃度隨著貽貝數(shù)量增加越來越高。整個(gè)海-氣界面的二氧化碳通量變化也是隨著貽貝數(shù)量增加越來越多。雖然數(shù)值本身是越來越小，可是氣體交換是增加的，整個(gè)循環(huán)也是加劇的。說明貽貝數(shù)量越多，二氧化碳交換通量多。

由表3可知，培養(yǎng)8 h后水中的各項(xiàng)指標(biāo)與培養(yǎng)4 h的還是有略微差別的。從pH角度來說，pH按照樣品E、F、G、H是先減小后增大再減小的現(xiàn)象。樣品F中pH減小可能是由于時(shí)間的累積，呼吸作用所產(chǎn)生的二氧化碳越來越多，溶解于水的部分比到空氣中的部分多所造成的。而樣品F和G中pH持續(xù)走高可能是由于塑料瓶中氧氣已經(jīng)消耗殆盡，無法再進(jìn)行呼吸作用造成的。水中二氧化碳的濃度也是跟隨著pH不斷變化，先升高后下降再升高?？諝庵卸趸紳舛葎t是不斷升高，原因應(yīng)該是隨著貽貝數(shù)量的增加呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳越來越多，也有越來越多的二氧化碳被排放到空氣中。海-氣界面的二氧化碳通量變化也是隨著貽貝數(shù)量的增加不斷增加，雖然數(shù)值本身是在減小，可是從試驗(yàn)角度上來說是增加的。

2.2 貽貝培養(yǎng)時(shí)間不同的二氧化碳通量

在沒有貽貝時(shí)，培養(yǎng)8 h后水樣的pH比培養(yǎng)4 h的要高，說明隨著時(shí)間的積累，樣品雖然沒有貽貝進(jìn)行呼吸作用，但是由于一些微生物和細(xì)菌的影響，對(duì)水體的pH還是有影響的。水體中的二氧化碳濃度也是隨著時(shí)間的增加而降低的?？諝庵械亩趸紳舛入S著時(shí)間的增加而升高，但是變化不明顯，極其微弱?？偟亩趸纪恳彩请S著時(shí)間的積累增加。

在同樣培養(yǎng)1個(gè)貽貝時(shí)，隨著時(shí)間的增加水體中pH呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說明水體中二氧化碳濃度升高。是因?yàn)殡S著時(shí)間的積累，貽貝的呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳越來越多，使水體的酸度增加，降低了pH?？諝庵械亩趸紳舛纫彩请S著呼吸作用不斷升高。最終形成的二氧化碳通量是隨時(shí)間的增加而增多的。

在同樣培養(yǎng)2個(gè)貽貝時(shí)，培養(yǎng)8 h貽貝的水體中pH為6.30，培養(yǎng)4 h貽貝水體中pH為6.11，pH居然增大。以往如果按照正常呼吸作用的原因來說pH是不可能增大的，時(shí)間越久所產(chǎn)生的二氧化碳必定越多，水體的酸度必定越大，pH肯定越低。而造成該現(xiàn)象的原因可能是由于密閉環(huán)境中貽貝所需要的氧氣已經(jīng)消耗殆盡。其實(shí)隨著時(shí)間的增加pH是應(yīng)該越來越小，可是由于密閉環(huán)境，氧氣的量有限，pH在減小時(shí)會(huì)由于氧氣的消耗完畢，逐漸由于其他因素產(chǎn)生回升，時(shí)間越久pH將會(huì)越大。而空氣中的二氧化碳濃度則不一樣，肯定是隨著時(shí)間的積累越來越高。整體二氧化碳通量也是隨著時(shí)間的增加而增多。

在培養(yǎng)3個(gè)貽貝時(shí)，出現(xiàn)的情況其實(shí)與2個(gè)貽貝大致相同。不同之處是，pH增大的更多，說明在4 h時(shí)貽貝的呼吸作用所產(chǎn)生的二氧化碳已經(jīng)快到達(dá)峰值。

總體來說，貽貝的培養(yǎng)時(shí)間對(duì)于水體pH的影響還是很大的，但是對(duì)于空氣中二氧化碳濃度和整體的二氧化碳來說影響不大，都是隨著時(shí)間的增加而增多。

3 討論與結(jié)論

此次試驗(yàn)采用控制貽貝數(shù)量和培養(yǎng)時(shí)間2個(gè)變量進(jìn)行探討。其實(shí)影響二氧化碳通量的因素還有很多，如水溫、氣溫、輻射以及風(fēng)速。貽貝數(shù)量越多，呼吸作用越明顯，所產(chǎn)生的二氧化碳越多，二氧化碳交換通量就越多[7]。培養(yǎng)時(shí)間越久，貽貝進(jìn)行呼吸作用就越久，所產(chǎn)生的為二氧化碳就越多，最終的二氧化碳交換通量也就越多。水溫是水體重要的理化參數(shù)之一。水溫不僅可以影響氣體分子的擴(kuò)散速度及其在水體中的溶解度來直接影響氣體交換通量，還可以通過影響微生物的活性來間接影響溫室氣體產(chǎn)生的地球化學(xué)過程。此外，水溫還可通過影響水生植物的光合作用及呼吸作用而影響CO2在水-氣界面間的擴(kuò)散[2]。氣溫會(huì)對(duì)水體內(nèi)生物呼吸作用以及光合作用產(chǎn)生影響[14]。而風(fēng)速將直接影響氣體交換以及氣體交換速率[15]。如果輻射越多，一般溫度也就越高，陽(yáng)光也就越強(qiáng)烈[16]，可能對(duì)于此次試驗(yàn)影響不大，但是會(huì)影響諸多植物的光合作用以及其他氣體的交換通量。從試驗(yàn)中可以看出，貽貝數(shù)量增加，二氧化碳交換通量越多;培養(yǎng)時(shí)間越久，二氧化碳交換通量越多。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣體交換通量研究以及方法[17-19]已有很多，可是都沒有很權(quán)威的方法，因?yàn)閷?shí)際氣體交換通量與監(jiān)測(cè)結(jié)果的定量關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。氣體的交換通量對(duì)于人類乃至整個(gè)地球都是有劃時(shí)代意義的。厚殼貽貝不僅是濾食性貝類的典型代表，而且是浙江省近海重要的養(yǎng)殖品種。因此，在自然養(yǎng)殖海域，漁民多根據(jù)市場(chǎng)需求，將搭配開展多營(yíng)養(yǎng)層次綜合養(yǎng)殖，分析其對(duì)近海碳循環(huán)產(chǎn)生的影響，加深人類了解近海碳循環(huán)的過程，可望為近海貝藻養(yǎng)殖海域生物固碳能力給出評(píng)估，為漁業(yè)碳匯提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備。

事實(shí)上，世界發(fā)達(dá)國(guó)家也紛紛將戰(zhàn)略重點(diǎn)轉(zhuǎn)向海洋[20-21]，海洋產(chǎn)業(yè)已成為全球經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，海洋生物資源的開發(fā)利用，尤其是海水增養(yǎng)殖業(yè)已成為發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的重要組成部分[22]。就我國(guó)漁業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是勢(shì)在必行的經(jīng)濟(jì)愿景，是一個(gè)長(zhǎng)期、不斷實(shí)踐創(chuàng)新提高的過程。

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