加拿大底拖网渔业对太平洋与大西洋海域沉积物碳库再矿化风险的扰动评估

本研究系统评估了加拿大太平洋与大西洋海域移动底拖网渔业对海底沉积物有机碳（OC）储量的扰动规模与再矿化风险。通过整合高分辨率碳储量预测、渔业努力量数据及环境参数（如沉积物泥质含量、水温和溶解氧），构建了半定量相对碳风险（RCR）模型。结果显示，年均扰动碳量分别达2.1 Mt（太平洋）和32.0 Mt（大西洋），虾拖网贡献最大风险（68%-74%）。研究强调了基于风险预防的生态系统管理必要性，为气候变化背景下渔业碳足迹评估提供科学依据。

　　

引言

海底沉积物作为全球最大的有机碳（OC）储存库之一，其碳储量约为2300 Gt（以表层1米计），近乎陆地土壤碳储量的两倍。这类"蓝色碳"库在调节全球碳循环及海洋对大气CO₂的吸收中扮演关键角色。然而，人类活动尤其是移动底拖网渔业（包括底拖网和 dredge）对海底沉积物的物理扰动，可能显著改变碳的再矿化过程，进而影响海洋碳汇功能。加拿大作为全球第九大渔业出口国，其底拖网渔业历史悠久，但此类活动对沉积物碳库的潜在影响尚未系统评估。本研究结合高分辨率碳储量预测、渔业努力量数据及环境参数，首次量化了加拿大太平洋与大西洋海域底拖网渔业对沉积物碳的扰动规模，并构建半定量风险模型以识别高敏感区域。

方法

环境数据

研究采用Epstein等（2024年）发布的加拿大大陆架表层30厘米沉积物有机碳密度（kg m^-3）和泥质含量（%）预测数据，空间分辨率为200米。数据覆盖水深1300米以内区域，并排除岩质栖息地（基于Gregr等2021年及Philibert等2022年数据）。同时整合底层水温（Temp, °C）和溶解氧浓度（Oxy, mmol m^-3）数据，后者源自Bio-ORACLE v3.0数据库（2000-2020年均值）。

渔业努力量数据

太平洋区域底拖网努力量数据（2005-2021年均值）基于渔业日志和观察员记录，空间分辨率为0.1°（约7公里）。大西洋区域采用船舶监控系统（VMS）数据，分辨率为1公里，涵盖底层鱼类、虾、扇贝和蛤蜊渔业。数据经隐私筛查处理，排除1300米以深区域及非目标渔业（如海参 dredge）。

扰动体积与碳扰动计算

扰动体积（Dv, m³ year^-1）通过公式计算：

Dv = Hrs × s × 1852 × w × p

其中Hrs为年均作业小时数，s为船速（节，基于Eigaard等2016年全球均值），w为渔具宽度（米，根据船体长度或发动机功率估算），p为沉积物穿透深度（厘米，基于Hiddink等2017年数据）。扫掠体积比（SVR）表示为：

SVR = Dv / (A × d)

A为网格单元面积，d为参考沉积深度（30厘米）。年碳扰动（OCd, t year^-1）计算为：

OCd = SVR × OC × A × d / 1000

相对碳风险模型

构建单位less相对碳风险（RCR）指标，整合环境敏感性参数：

RCR = SVR × OC × Ms × Ts × Os

其中Ms、Ts、Os分别为泥质含量、水温和溶解氧的标度因子（0-1）。Ts和Os的函数关系基于Laufk?tter等（2017年）的颗粒有机碳再矿化模型，Ms采用S型函数模拟泥质含量对风险的非线性影响。通过100次蒙特卡洛模拟进行敏感性分析，评估参数不确定性。

结果

碳扰动规模

加拿大太平洋和大西洋海域年均碳扰动量分别为2.1 Mt（1.4-3.2 Mt）和32.0 Mt（21.0-46.3 Mt），相当于两区域表层30厘米沉积物碳储量的0.8%和1.0%。虾拖网贡献了主要扰动（太平洋55%，大西洋69%），底层鱼类拖网次之（太平洋45%，大西洋19%），扇贝和蛤蜊 dredge 影响较小。单位努力量碳扰动（PUE）在太平洋为177±154 t km^-2，大西洋为246±120 t km^-2， dredge 渔业因穿透深度大而PUE最高。

空间分布与风险热点

高风险区域与高扰动区域基本一致，但受环境因子调制后范围缩小：

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  太平洋：高风险区集中于乔治海峡、吉尔福德岛周边、巴克利湾和查塔姆湾等近岸水域，虾拖网为主要贡献源。

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  大西洋：圣玛丽湾、斯科舍陆架中部、圣劳伦斯河口及纽芬兰-拉布拉多陆架北部为风险热点，虾拖网在北部海域占主导，而斯科舍陆架以底层鱼类拖网和扇贝 dredge 为主。

  敏感性分析显示，上述热点在100次模拟中均稳居风险前5%。

分渔业风险特征

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  虾拖网：在太平洋和大西洋分别贡献68%和74%的总风险，因作业于泥质含量高（平均44%）、碳密度大的栖息地。

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  底层鱼类拖网：风险PUE在大西洋高于 dredge 渔业，因作业水温较高（7.9°C vs. dredge 区域6.3°C）。

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  dredge 渔业：扇贝 dredge 在太平洋风险PUE最高（泥质含量52%+水温9.2°C），但在大西洋因作业于低泥质区（平均10%）风险较低。

讨论

碳扰动的生态与气候意义

底拖网渔业对沉积物碳的扰动规模相当于加拿大全部盐沼和海草床碳储量的三分之一，且扰动具重复性，长期可能显著影响碳汇功能。历史数据显示，大西洋底层鱼类拖网在1960年代高峰期的碳扰动可能远超当前水平，提示历史渔业活动可能已造成未记录的CO₂释放。本研究采用的RCR模型通过引入环境敏感性参数，避免了全球均值降解常数的局限性，但未来需结合区域特异性碳活性数据及生物扰动效应（如底栖动物灌溉与混合作用）以提升精度。

不确定性及改进方向

关键不确定性包括：

1. 1.

   历史扰动遗留效应：长期渔业活动可能已改变沉积物碳库基线特征，当前碳储量数据无法完全排除人类扰动印记。

2. 2.

   重复扰动动态：高频次拖网可能导致沉积物序列侵蚀或碳库稳态变化，需通过三维生物地球化学模型（如Porz等2024年研究）模拟长期效应。

3. 3.

   数据分辨率限制：太平洋渔业努力量数据依赖日志记录，空间分辨率低；VMS数据虽精度高但存在覆盖漏洞。渔具参数（如穿透深度）依赖全球数据，需本地化验证。

渔业管理启示

在生态系统渔业管理框架下，碳风险需与生物多样性、资源可持续性及社会经济因素协同权衡。优先管理策略包括：

1. 1.

   创新渔具设计：减少沉积物接触面积和穿透深度（如Winger等2018年开发的低扰动拖网）。

2. 2.

   空间规划：避让高风险区（如近岸泥质栖息地），但需评估 displacement 效应。

3. 3.

   气候适应性管理：结合物种分布预测（如北极虾北移、大比目鱼种群重组），前瞻性规划渔业活动空域。

   加拿大现有措施（如太平洋底拖网"足迹冻结"政策、近岸小船限制及海洋保护区网络）已部分覆盖高风险区，本研究成果可为政策优化提供基线数据。

结论

海底沉积物碳库的扰动与再矿化风险是连接渔业活动与气候变化的关键环节。本研究通过半定量风险模型揭示了加拿大太平洋与大西洋海域底拖网渔业的碳扰动格局，明确虾拖网为最高风险源，且近岸泥质栖息地为敏感热点。尽管存在参数化不确定性，该框架为全球类似研究提供了可移植范式，支持渔业碳足迹的精细化评估与管理。未来需强化区域实证研究（如沉积物-水柱CO₂通量监测），并将碳考量纳入国际认证体系（如MSC标准），以实现气候智能型渔业转型。