强化紫菜养殖并未显著提升沉积碳的长期埋藏量：来自中国海洲湾的证据

《Marine Environmental Research》：No significant long-term enhancement of sedimentary carbon burial by intensive Porphyra farming: Evidence from Haizhou Bay, China

　　摘要：海藻养殖被广泛视为一种基于自然的蓝碳解决方案，然而其对沉积碳埋藏的长期影响仍知之甚少。在此研究中，我们通过分析中国海州湾一个高密度紫菜养殖区的表层和核心沉积物中的总有机碳（TOC）、总无机碳（TIC）、总氮（TN）以及稳定同位素（δ13C和δ15N）及其相互关系，来评估这一影响。与非养殖区相比，养殖区的表层沉积物中的TOC和TN略有升高，而TIC则表现出相反的趋势，这表明存在短期的有机富集现象。相比之下，沉积物核心样本显示TOC、TIC或TN在养殖区和非养殖区之间没有显著差异，表明这种富集效应并未转化为长期的碳埋藏。δ13C结果表明，沉积物中的有机碳主要来源于海洋。估算的碳埋藏通量在养殖区（TOC：7.2 ± 1.6 g m-2 yr-1，TIC：17.7 ± 3.5 g m-2 yr-1）和非养殖区（TOC：7.0 ± 1.5 g m-2 yr-1，TIC：16.7 ± 3.4 g m-2 yr-1）之间相似。从机制上看，紫菜养殖通过竞争营养物质抑制了浮游植物的生长，从而减少了浮游植物产生的碳输入。此外，紫菜残骸具有高度不稳定性，可能会通过触发作用分解现有的难以分解的有机碳，从而限制了长期的碳埋藏效率。我们的研究结果表明，密集的紫菜养殖并未显著提高沉积物的碳埋藏能力。尽管海藻养殖可能带来蓝碳效益，但认为海藻养殖可以增加沉积碳汇的假设应当基于具体案例进行评估，而不能一概而论。

引言：海洋每年吸收大约三分之一的人为二氧化碳（CO2），在减缓全球气候变化方面发挥着不可或缺的作用（Gruber等人，2019；Régnier等人，2022；Kennedy和Blain，2025）。沿海植被生态系统（如红树林、海草床和盐沼）的蓝碳功能已得到广泛认可，并被纳入碳核算框架（Macreadie等人，2021；Howard等人，2023；Kaviarasan等人，2025）。然而，尽管大型藻类的净初级生产力与这些生态系统相当甚至更高，但其碳汇潜力仍存在争议，主要是由于对藻类产生的有机碳最终归宿的不确定性以及经常忽视与无机碳埋藏相关的CO2释放效应（Gallagher等人，2022；Pessarrodona等人，2023；Xiong等人，2024）。从全球角度来看，海藻养殖业正以每年约7%的速度增长，占总海水养殖产量的大约一半（FAO，2025）。由于其低成本、对环境的综合效益和可扩展性，它已成为最具前景的基于自然的CO2去除解决方案之一（Kim和Kim，2024；Satpati，2025；Wang等人，2025）。在这种情况下，系统地评估大型藻类养殖对沉积碳埋藏的实际影响对于验证其碳汇潜力至关重要。

中国是世界上最大的海藻生产国，大规模种植的紫菜和日本海带带来了显著的经济和生态效益（Li等人，2017；Pessarrodona等人，2023；Chen等人，2025）。在养殖过程中，大型藻类通过侵蚀、破碎、渗出和整株脱落释放大量有机碳（Krumhansl和Scheibling，2012；Pedersen等人，2020；Wang等人，2025）。它们的大部分净初级生产力以溶解有机碳（DOC）或颗粒有机碳（POC）的形式进入水体（Pessarrodona等人，2023；Li等人，2023；Gould等人，2025）。与开阔海洋环境不同，海藻养殖场通常位于避风的湾内软质沉积物上（Coleman等人，2022；Duarte等人，2025），这避免了风暴和波浪的破坏，并提供了一个沉积环境，使从海藻上脱落的碳能够埋藏在养殖场下的沉积物中。因此，大量藻类残渣可以有效地被埋藏在沉积物中，水平运输到深海，或通过微生物碳泵转化为难降解的有机碳，从而被封存（Queirós等人，2019；Feng等人，2022；Li等人，2025）。据估计，海藻养殖场可以封存其净初级生产力的大约11%（Krause-Jensen和Duarte，2016），在相对较高的养殖产量下相当于每年每公顷3.5吨CO2（Duarte等人，2022）。尽管沉积碳埋藏被认为是浅海中最稳定和可量化的碳汇途径，但其保存效率受到碳源、沉积速率和底栖氧化还原条件的限制，并且容易受到微生物降解和物理干扰的影响（Burdige，2007；Yang等人，2025；Arndt和Hülse，2026）。因此，阐明沉积有机碳的组成和稳定性对于准确评估水产养殖区的长期碳储存能力至关重要。

沉积碳以总有机碳（TOC）和总无机碳（TIC）的形式存在。与TOC池相比，TIC池的形成过程和埋藏通量研究不足。在富含钙化生物（如有孔虫、钙质附生藻类和小型双壳类动物）的水产养殖区，TIC的埋藏通量可能达到甚至超过TOC的埋藏速率（Barron等人，2006；Liu等人，2015；Macreadie等人，2017）。然而，每形成1摩尔的CaCO3（TIC的主要成分）会释放约0.6摩尔的CO2（Broecker，2003；Howard等人，2018），这意味着TIC埋藏并不代表净碳汇，但可能会部分抵消有机碳的封存效益。此外，沉淀颗粒表面的微生物活动可能会产生局部酸性微环境，显著加速CaCO3的溶解，其溶解速率受颗粒碳源类型（易降解 vs. 难降解有机碳）和沉积速率的影响（Hu等人，2026）。无机碳的来源（陆地碳酸盐 vs. 自生钙化）及其与有机碳埋藏的耦合在案例研究中尚未得到定量分析（Liu等人，2023；Wu等人，2025），导致当前对海藻养殖系统净碳汇效应的评估存在系统偏差。仅关注有机碳而忽略无机碳可能会高估这些系统的气候效益。

海藻养殖对沉积碳池的影响随养殖阶段、环境条件和水动力过程动态变化（Kennedy和Blain，2025；Lin等人，2026）。例如，在紫菜养殖的幼苗阶段，无机碳吸收和潮汐交换占主导地位，而在收获阶段则表现为光合作用和POC释放等生物过程（Lin等人，2026）；温度升高会加速藻类有机物的降解，降低埋藏效率（Piontek等人，2009；Kennedy和Blain，2025）。沉积碳和氮稳定同位素（δ13C，δ15N）可以有效地追踪有机物的来源，区分海洋和陆地输入（Raven等人，2002；Mackey等人，2015；Velázquez-Ochoa等人，2022）。结合沉积物核心的垂直剖面，δ13C和δ15N的深度相关变化可以揭示养殖强度、有机物降解和埋藏效率的历史趋势。在中国典型海藻养殖区（如艾莲湾、罗源湾）的初步研究表明，养殖产生的有机碳对沉淀POC有显著贡献，而综合多层次养殖有利于有机碳的保存（Wang等人，2023a，b）；例如，海带产生的有机碳贡献可达到25.1%（Pan等人，2019；Wang等人，2018，2023b）。然而，大多数这些研究仅限于单次或季节性表面采样，缺乏十年尺度的连续核心观察，并且未能在统一框架内同时分析有机碳和无机碳，使得难以评估它们的相对贡献和耦合机制。鉴于海藻养殖的净碳汇取决于有机碳封存与无机碳释放之间的平衡，迫切需要系统性的沉积物核心研究，整合有机碳、无机碳和同位素指标。

海州湾是江苏省北部一个重要的温带沿海地区，以高密度的紫菜养殖而闻名，这种养殖模式已长期保持（Ai等人，2023；Chen等人，2025；Li等人，2025，2026）。该海湾接收的大河流输入有限，水动力条件相对封闭，使其成为研究海藻养殖对沉积碳埋藏影响的理想地点。然而，目前尚缺乏对该地区沉积碳（包括有机碳和无机碳）的空间时间分布及其控制因素的系统性研究。与全球大多数海藻养殖场不同，这些养殖场通常以低密度和物种多样性为特征，而海州湾则代表了高密度、单一物种（紫菜）和长期高强度养殖的典型情景。这为检验海藻养殖必然增强沉积碳储量的假设提供了关键案例。为了填补这一知识空白，本研究聚焦这一代表性海藻养殖区，系统地研究了大规模海藻养殖如何影响沉积TOC和TIC池，评估其碳汇潜力和空间时间演变。目的是为海洋蓝碳核算和水产养殖区的可持续管理提供科学依据。

研究区域：海州湾宽约42公里，海岸线延伸87公里，总面积约为876平方公里（图1）。该海湾位于从温暖温带到北亚热带气候带的浅大陆架环境中，经历定期的半日潮汐模式（Su等人，2020；Wang等人，2021；Chen等人，2025）。年平均气温约为14.3°C，年降水量超过920毫米。这些有利的自然条件为海藻养殖提供了适宜的环境。

在紫菜养殖期（11月）和非养殖期（6月），表层水的盐度变化范围在29.49-32.03之间，而其他环境参数（如温度、溶解氧、叶绿素a、DIN和DIP）表现出明显的季节性差异（详见图S1）。6月的水温、溶解氧和叶绿素a显著高于11月（分别为24.40 ± 1.18°C、7.37 ± 0.28 mg L-1和1.73 ± 0.38 μg L-1）。

海州湾沉积环境中TOC和TIC的平均含量分别为0.47 ± 0.10%和1.15 ± 0.23%（表S1）。与其他全球沿海养殖区相比，海州湾的TOC含量明显低于大多数大型藻类养殖沉积环境（如宁德沿海地区（Duarte等人，2025）、艾莲湾（Pan等人，2021）、 zhelin湾（Gu等人，2017）、阿里亚克湾（Duarte等人，2025）和三亚湾（Conclusions）的报道。

比较海州湾高密度紫菜养殖区与非养殖区的十年尺度沉积记录，本研究显示，密集的紫菜养殖并未对沉积碳埋藏产生显著影响。养殖区的表层沉积物表现出短暂的TOC富集，但核心沉积物显示两个区域在TOC、TIC或其埋藏通量方面没有显著差异，也没有随着养殖历史的累积趋势。这一发现与之前的研究结果相反。

作者贡献声明：Qin Li：撰写——审稿与编辑。Zhenjun Kang：撰写——审稿与编辑。Lei Xie：撰写——审稿与编辑、方法学。Lin Yang：调查。Shuo Chen：撰写——初稿、调查、数据管理。Bin Yang：撰写——审稿与编辑、资金获取。Bo Yang：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。Hongyu Wu：撰写——审稿与编辑、调查。Chuancheng Fu：撰写——审稿与编辑。

未引用的参考文献：Chen等人，2025；Li等人，2025；Lian等人，2008；Wang等人，2025a；Wang等人，2025b；Zhang和Feng，2011；Zhang等人，2013a；Zhang等人，2013b。

利益冲突声明：作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢：本研究得到了国家自然科学基金（编号42406039、42166002）和江苏省自然科学基金（编号）的资助。BK20241962）、连云港市华锅山人才项目（LYGSCBS2025016）、江苏省“双创博士”人才计划（JSSCBS20250345）、广西北部湾海洋生态环境观测与研究站科研能力提升项目（项目编号23-026-271），以及肖晨、宾杨、吴洪宇、付传城、杨波、谢雷、林洋、秦莉、康振军的合作成果。