本文即將刊載於《中國科學院院刊》2021年第3期“專題：服務碳中和目標的海洋負排放技術路徑與戰略思考”
楊宇峰1,2* 羅洪添1,2 王 慶1,2 賀志理2,3 龍愛民4
1 暨南大學 生命科學技術學院/廣州區域低碳經濟重點研究基地
2 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）
3 中山大學 環境科學與工程學院
4 中國科學院南海海洋研究所
大型海藻栽培具有成本低、產量高、碳匯可計量、栽培可控性強等優勢；在近海可形成產業化的藍碳，是海洋碳匯值得推崇的可持續發展模式，有望在海洋產業碳中和中起到“排頭兵”和“領頭羊”的作用。
要實現 2060 年前中國碳中和這一宏偉目標，部分產業必須先期達到碳中和。然而，不同行業實現碳中和的產業目標和技術措施不盡相同。大型海藻具有成本低、產量高、碳匯可計量、栽培可控性強等優勢，在近海可形成產業化的藍碳，是海洋碳匯值得推崇的可持續發展模式。大型海藻規模栽培是發展低碳經濟、海洋碳匯漁業、實現碳中和及解決區域海洋環境問題的有效途徑，有望在海洋產業碳中和中起到“排頭兵”和“領頭羊”的作用。
1
大型海藻資源
大型海藻資源包括天然海藻和人工栽培大型海藻。全球主要栽培大型海藻約有 100 種，其中海帶、江蘺、裙帶菜、紫菜、麒麟菜的產量約佔大型海藻栽培總產量的 98%。中國、印度尼西亞和菲律賓三國產量超過了世界大型海藻產量的 90%。我國大型海藻栽培產量和麵積一直穩居世界首位，產量達到 1.7×107 t（鮮重），已記錄的大型海藻種類超過 1 200 種。
2017 年，全球大型海藻年產量（鮮重）為 3.181×107 t，但與陸地植物 16×1011 t 的生物量比較，大型海藻產量還有廣闊的提升空間。研究表明，包括大型海藻在內的“藍碳”植物，其碳封存量是陸地植物的 10 倍。
大型海藻栽培提高了初級生產力，有助於全球碳、氧和養分循環，進而防治富營養化和減少溫室氣體。海洋初級生產者對全球碳的固定作用佔 50% 以上，碳儲存高達 71%，大型海藻是海洋初級生產者的重要組成部分，佔全球生物碳儲存的很大比重，從而成為減少溫室氣體排放的一種有效手段。規模栽培大型海藻在減緩全球升溫和降低大氣 CO2 方面具有巨大潛力。
2
大型海藻碳匯功能
CO2 是全球氣溫升高主要貢獻者。據統計，全球 CO2 排放量大約每年 30 Gt，且每年上升 6 萬噸，這導致全球碳循環不平衡及 CO2 在大氣中累積。預計 2100 年大氣 CO2 濃度數值是目前大氣 CO2 濃度的 2.5 倍。伴隨著大氣 CO2 濃度持續升高，全球變暖速度也將進一步加劇。因此，如何減緩全球變暖速度，以及降低大氣 CO2 濃度，已成為全球關注的熱點。
大型海藻碳匯作用及藍碳戰略
海洋在減緩全球升溫和降低大氣 CO2 方面具有重要作用。根據聯合國《藍碳：健康海洋對碳的固定作用—快速反應評估報告》，海洋碳儲量約為 3.8×1013 t，比大氣多 50 倍，地球上超過一半（55%）生物碳或綠色碳捕獲由海洋生物完成，這些海洋生物包括大型海藻、紅樹林、鹽沼植物、細菌和浮游植物。大型海藻資源豐富，規模栽培大型海藻具有成本低、產量高、碳匯可計量、栽培可控性強等優勢，在近海可形成產業化的藍碳，是海洋碳匯值得推崇的可持續發展模式。
碳中和指人類經濟社會活動所必需的碳排放，通過植樹造林、研發可再生能源、增加溫室氣體吸收、節能減排等“負排放技術”加以捕集、利用或封存形式，以抵消自身產生的 CO2 排放量，實現 CO2“零排放”。
中國是發展中大國，要實現碳中和目標，必須大力減少 CO2 排放並增加 CO2 吸收。2010 年，海洋微型生物碳泵（MCP）儲碳機制理論引領了碳中和與負排放領域研究。
近 10 年來，“中國藍碳計劃”得到大力推進。該計劃中大型海藻處於非常重要的戰略地位：
1. 可有效增加海洋固碳能力，增加海洋負排放，減緩全球變暖；
2. 可防治近海富營養化、海洋酸化、有害藻華等環境問題。大型海藻為大氣 CO2 主要捕獲載體，規模栽培的大型海藻在生長過程中能高效進行光合作用，增加海洋碳匯。收穫的大型海藻還可生產瓊膠和作為魚、鮑等經濟動物餌料。部分大型海藻凋落物形成碎屑或被微型生物分解後形成溶解有機碳（DOC）輸出至附近海域，起到積極的碳匯作用。
在大型海藻碳匯過程中，生物泵（BP）和微型生物碳泵均發揮了重要功能。目前，我國大型海藻栽培海域面積僅佔我國近海海域面積的 0.3%，大型海藻栽培規模還有巨大潛力和發展空間。大型海藻栽培還可通過發展貝藻、鮑藻、魚藻複合養殖提高經濟動物養殖海域的固碳增匯能力。大型海藻規模栽培不僅能直接驅動養殖海域生物地球化學循環，還具有重要的碳中和與負排放作用。
大型海藻碳匯過程和生態修復機理主要包括：
1. 通過光合作用，吸收碳（C）、氮（N）、磷（P），降低海水 N、P 和大氣 CO2 濃度，增加海洋碳匯和水體溶氧；提高 pH 值，防治海洋酸化；高效吸收 N、P，防治海域富營養化。因此，大型海藻規模栽培能有效改善水質和沉積環境，具有良好的生境修復效應。
2. 通過改善水體和沉積環境，提高浮游動物休眠卵的孵化率；部分微生物和浮游生物附著在大型海藻體表，互利共生；微生物參與大型海藻生態過程多個環節，是栽培區大型海藻碳匯和 N、P 生物地球化學過程主要“協助者”。
3. 大型海藻規模栽培對浮游生物群落結構穩定具有重要作用；在抑制有害藻華的同時，提高浮游植物多樣性（圖 1）。
圖1 栽培區大型海藻碳匯過程和生態修復機理
大型海藻固碳能力及效益
大型海藻固碳潛力預測顯示，全球陸架區大型海藻固碳潛力每年可達 0.7 Gt，約佔全球海洋年均淨固碳總量的 35%。權偉等對我國海藻碳匯研究表明，1999—2012 年我國近海大規模栽培的大型海藻年均固碳量分別為：海帶 26.45×104 t、裙帶菜 3.23×104 t、紫菜 2.24×104 t、江蘺 2.01×104 t、其他 7.93×104 t，合計 41.85×104 t。上述時段內，大型海藻栽培年均產生生態價值 609 億元；其中，固定 CO2 生態價值年均為 4.29 億元，釋放氧氣生態價值年均為 6.34 億元，吸收 N、P 元素生態價值年均為 598 億元，佔總價值比例超過 98%。2014 年，中國、韓國、日本、印度尼西亞、印度、馬來西亞、菲律賓、越南等亞太地區栽培大型海藻的國家減排 2.87×106 t CO2，碳市場價值 2880 萬美元。
3
解決近海海洋環境問題的潛力
大型海藻通過光合作用吸收海水 CO2，增加海洋碳匯，促進並加速大氣 CO2 向海水擴散，在增加海洋碳匯方面具有重要的生態環境作用。收穫的大型海藻用作醫藥、化工、食品及動物飼料、農業肥料等原料。此外，大型海藻在解決海洋酸化、低氧、富營養化、有害藻華等一系列生態環境問題方面具有重要的作用。
海洋酸化和低氧
進入到大氣中的 CO2 經過漫長的時期最終會與海洋達到平衡。模擬研究發現，若將 1 095 mol 的 CO2 加到大氣中，1 000 年後大氣 CO2 將會降低至 15 mol，海洋中增加的無機碳（985 mol）大部分以碳酸鹽或碳酸氫鹽等無機碳形態存在。自工業革命以來，人為排放成了大氣 CO2 的主要來源，大氣 CO2 濃度一直穩步上升，近幾十年已達到 0.04%。200 多年間，人類生產活動排放的 CO2 中大約 1/3 被海洋吸收，從而導致海洋環境產生巨大變化。
到 21 世紀末，CO2 排放將使海洋表層平均 pH 值從 8.2 降低到 7.8。日益嚴重的海洋酸化現象正成為嚴峻的全球生態環境問題。據預測，海洋對 CO2 持續吸收將導致未來幾個世紀海洋的 pH 值下降幅度超過過去 3 億年，將對海洋生物產生重大影響。海洋溶解氧（DO）含量將在 100 年內下降 1%—7%，並將在 1 000 年甚至更長時間內進一步下降。低氧區 CO2 更易被海水吸收，這無疑將加劇海洋酸化。增加海區大型海藻栽培面積和產量能提高海水 pH 值和 DO，有效防止海洋酸化，遏制近海低氧。據估算，2015 年全球大型海藻栽培至少向海水中淨釋放了2.42×106 t O2，提高了栽培海域及其鄰近區域 DO，減輕低氧區不利影響，在相當程度上能遏制低氧區擴大。
海水富營養化和有害藻華
人類生產活動加劇所產生的大量 N、P 被輸送到海洋；N、P 等營養鹽在海水中的過度增加，不僅是營養鹽絕對數量上的升高，而且也導致其結構和比例變化，並引發海洋生態系統中有機質增多、低氧區形成、藻華爆發等過程。大型海藻具有良好的營養鹽吸收能力，其規模栽培能緩解近海富營養化。據估算，2015 年中國栽培的大型海藻去除海域中 7.56×104 t N 和0.96×104 t P，封存 5.40×105 t C，吸收 1.98×106 t CO2，釋放 1.44×106 t O2。1 hm2 大型海藻栽培可去除 17.8 hm2 海域的 N 和 126.7 hm2 海域的 P，以此推斷，增加 17 倍或 1.5 倍大型海藻栽培面積就可 100% 去除中國沿海輸入的 N 或 P，能有效解決近海富營養化問題。
有害藻華頻發在全球災害性的影響急劇擴展，其頻繁發生是海洋生態系統受損與退化的警示，且局部海域富營養化問題日益突出。研究發現大型海藻龍鬚菜和浮游植物間存在競爭關係，可通過 N、P 營養競爭和他感作用抑制浮游植物生長。大型海藻栽培能抑制浮游植物生長，不僅因為大型海藻在與浮游植物營養競爭中的優勢，還因其對浮游植物具有較強的化感作用。研究表明龍鬚菜對錐狀斯氏藻、海洋原甲藻、杜氏鹽藻具有很強的抑制作用。大型海藻規模栽培是防治有害藻華髮生的生態環保模式。
中國海水養殖產量多年位居世界第一，經濟魚、貝的比例多年佔 90% 左右。以經濟魚、貝類養殖為主的海水養殖模式在迅猛發展的同時帶來了諸如養殖水域生境退化、富營養化嚴重、有害藻華頻發等一系列環境問題。研究表明以龍鬚菜為代表的大型海藻通過規模栽培及與魚、貝複合養殖，可有效修復養殖環境、優化養殖生態系統結構功能，養護經濟動物等漁業資源，可實現海水養殖的綠色生產（圖 2）。
圖2 基於大型海藻規模栽培的海水養殖綠色生產理論
4
龍鬚菜產業鏈的跨越式發展為大型海藻規模栽培提供了成功範例
2000 年以前，我國近海尚未開展大型海藻龍鬚菜人工栽培。龍鬚菜規模栽培始於汕頭南澳。南澳龍鬚菜栽培面積從 2000 年的 1 畝發展到現在的 2 萬多畝，產量從 2000 年 0.3 t 增長到 2018 年 46700 t（乾重）。到 2018 年，全國以龍鬚菜為主要栽培種類的江蘺栽培面積超過 14 萬畝，總產量超過 3×105 t（乾重），栽培產量居全國大型海藻栽培總產量的第二位（海帶位居第一）。在 20 年內就實現瞭如此之大的歷史性跨越，是我國大型海藻規模栽培從無到有的成功範例。
目前，龍鬚菜栽培已形成了從基礎研究到技術研發、栽培推廣與產品研製的產業鏈。龍鬚菜栽培的經濟效益、環境效益和社會效益顯著。本文以汕頭南澳海域龍鬚菜栽培為例，對南澳 2017—2018 年龍鬚菜的綜合效益進行了分析。
龍鬚菜栽培直接經濟效益分析
根據汕頭市統計年鑑，2017 年和 2018 年南澳龍鬚菜產量（乾重）分別為 47 983 t 和 46 700 t；按平均銷售價格 7 000 元/t（乾重）計算，2017 年和 2018 年龍鬚菜銷售額分別為 3.36 億元和 3.27 億元，總價值為 6.63 億元。
龍鬚菜高值化應用經濟效益
1
瓊膠生產效益
2017—2018 年，汕頭市澄海區瓊膠廠利用龍鬚菜等江蘺屬大型海藻為原料，生產瓊膠產品，2 年新增產值 9476 萬元。大型海藻作為瓊膠生產原料具有良好的經濟效益。
2
大型海藻規模栽培與鮑生態養殖經濟效益
2017—2018 年，汕頭南澳海域開展了大型海藻龍鬚菜、脆江蘺與鮑生態養殖。大型海藻與鮑混養，能有效改善鮑養殖區的生態環境，收穫的大型海藻又可作為鮑的飼料。據不完全統計，南澳海域養殖鮑產量 100 t 以上；按平均銷售價格 12 萬元/t 計算，每年鮑養殖的經濟效益為 1 200 萬元以上。大型海藻-鮑生態養殖海區水質良好，該生態養殖模式具有良好的經濟和環境效益，為漁業資源可持續利用提供了新模式，值得推廣應用。
龍鬚菜環境效益分析
依據汕頭市統計年鑑和相關數據與價值評估方法，對南澳海域 2017—2018 年龍鬚菜環境效益進行了評估。
1
固碳製氧價值
2017 年南澳海域龍鬚菜栽培固碳製氧的總價值為 4 523.49 萬元，2018 年固碳製氧的總價值為 4402.53 萬元，2017—2018 年固碳製氧總價值為 8926.02 萬元。
2
生物棲息地價值
2017—2018 年南澳龍鬚菜年平均栽培面積為 1500 公頃。2017—2018 年南澳龍鬚菜生物棲息地總價值為 638.4 萬元。
3
水質淨化價值
2017 年龍鬚菜水質淨化價值為 362.25 萬元，2018 年龍鬚菜水質淨化價值為 352.45 萬元，2017—2018 年南澳龍鬚菜栽培水質淨化總價值為 714.7 萬元。
社會效益分析
龍鬚菜規模栽培可為當地增加就業崗位。2017—2018 年，每年從事大型海藻產業人員大約為 1000—2000 人；與大型海藻有關的交通、旅遊、銷售等相關人員 1000—2000人。通過龍鬚菜栽培，人們的海洋環境保護意識得到普遍提升，促進了海洋生態文明建設。龍鬚菜栽培的社會效益顯著。
綜上所述，我國龍鬚菜規模栽培在短短 20 年裡實現了從無到有的歷史性跨越，以龍鬚菜為代表的大型海藻栽培業經濟效益、環境效益和社會效益顯著。大型海藻栽培產業值得在沿海大力推廣。
5
對策與建議
開展大型海藻規模栽培示範和推廣，實施養殖海域綜合負排放工程
以往的碳增匯主要靠陸地植樹造林。由於農田稀缺和未來人口增長對糧食的需求矛盾不斷凸顯，單靠陸地植被增匯已無法滿足我國碳中和需求。我國擁有世界上最大的海水養殖產業，是海洋經濟的重要組成部分。
目前，我國近海僅在約 0.3% 的海域面積開展了大型海藻栽培，大型海藻栽培產業還有很大的發展空間。大型海藻與魚、貝類單位價格相比，經濟價值相對較低，影響了漁民發展大規模栽培大型海藻的積極性。
由於大型海藻在海洋碳匯及解決近海環境問題方面的重要生態作用，可採用國家生態補償措施，由國家補償漁民部分資金，以進一步提高大型海藻栽培規模。利用大型海藻在增加海洋碳匯、防治富營養化、低氧、酸化和有害藻華爆發方面的生態功能，發展大型海藻與魚、貝等經濟動物複合養殖，是一種值得推薦的低碳綠色海水養殖模式。基於大型海藻栽培的海水養殖模式會增強海水增養殖的“負碳”效果。
提高大型海藻綜合利用效率，實施大型海藻陸海統籌生態農業工程
陸源營養鹽大量輸入近海，導致近海環境富營養化、引發赤潮等生態災害。在富營養化海區，規模栽培大型海藻，收穫後的大型海藻可飼養牛、羊、豬，發展大型海藻生態農業。
澳大利亞科學家與肉牛養殖企業合作，用大型海藻（Asparagopsis sp.）飼養肉牛，肉牛食用 0.1% 和 0.2%（有機質含量）大型海藻後，能降低奶牛 40% 和 98% 的甲烷氣體排放，實現肉牛養殖業碳中和。
目前，我國大型海藻的規模栽培主要侷限於 20米 以淺海域，栽培模式比較單一。根據大型海藻生態習性，可考慮在灘頭及陸基池塘、海島發展大型海藻栽培產業，以充分發揮大型海藻的生態、社會和經濟效益。
國家要從戰略高度規劃和支持大型海藻栽培業發展，擴增海洋碳匯，為解決全球海洋環境問題提出中國方案。因此，探索陸海統籌大型海藻增匯和資源養護與綜合利用新模式，有益於海洋環境與農業經濟，是海洋經濟的新業態，可支撐海-陸經濟一體化可持續發展。我國是農業大國，可借鑑澳大利亞的經驗，利用大型海藻規模栽培開展陸海統籌減排增匯，這是一項成本低、效益高的碳中和有效途徑。
實施產業鏈生態補償制度，保障大型海藻產業可持續發展
以海帶、紫菜、龍鬚菜為代表的大型海藻，在我國已形成了從基礎研究、技術和產品研發的工廠化育苗、海上規模栽培、機械化或半機械化收穫、產品加工和銷售的產業鏈，環境效益、經濟效益和社會效益顯著。儘管大型海藻綜合效益良好，但在大型海藻產業鏈中還有些技術壁壘有待攻克。
例如，我國大型海藻採收和加工設備的自動化程度不高，少數大型海藻產品（如瓊膠）生產工序還存在排汙不達標等難題。
國家應加強政策引領和技術改造，加大對海藻生產相關設備機械研發的支持力度或通過產業鏈前期大型海藻碳匯購買服務，落實大型海藻產業鏈定量化生態補償。此外，還應通過構建“專家+當地政府+漁業鄉土人才”服務模式，常態化為漁民提供技術指導和服務，打通大型海藻科技成果轉化和技術推廣的“最後一公里”，實現大型海藻產業可持續發展和產業鏈碳中和。
系統研究大型海藻生態系統結構功能，完善大型海藻生態價值評估體系
應借鑑林業碳匯核算理論與方法，在已有的元素測定法、光合反應方程式法中做出科學判斷，構建藻類碳匯核算理論體系，形成大型海藻碳匯核算標準；同時，綜合評估大型海藻生態系統的結構和服務功能。大型海藻除具有重要的海洋碳匯功能外，還對解決海洋酸化、低氧、富營養化、有害藻華防控等海洋環境問題具有獨特的優勢和作用。
此外，大型海藻還具有水質和底棲環境改善、生物資源養護等生態功能。通過大型海藻生態系統結構功能的深入研究，為大型海藻栽培生態價值核算與生態補償機制的建立奠定基礎和提供科學依據。在此基礎上，建立我國大型海藻生態價值指數等信息發佈制度，為政府和企業開展生態補償和發展低碳經濟提供科學依據。
加強涉海領域不同學科的交叉綜合研究，支撐沿海低碳經濟可持續發展
相比陸地碳匯研究的廣度和深度，海洋碳匯的研究尚存在較大差距。目前，我國海洋碳匯監測體系尚未形成。針對這一現狀，應系統開展海洋碳匯核查技術體系研究，解析碳匯構成、溯源碳匯成因，鏈接無機碳與有機碳庫、生命與地球化學過程；查明主要碳匯生物族譜，按照碳匯效應分級建檔，並在此基礎上形成系統的海洋碳匯核查理論、監測指標和評估方法。
中國碳市場是全球配額成交量第二大市場，但海洋碳匯標準體系仍是空白。因此，需要組織與海洋領域相關的海洋科學、生物學、漁業科學、生態環境科學、地質科學、經濟學、管理學等學科的科學家聯合攻關，開展交叉研究，加快海洋碳中和核算機制與方法學研究，建立海洋碳指紋、碳足跡、碳標識相應的方法與技術、CO2 地質封存、計量步驟與操作規範、評價標準，建立健全海洋碳匯交易體系。在此基礎上，基於海洋環境承載力和低碳經濟原理和技術，推廣基於陸海統籌的藻、貝、魚和陸地畜禽複合養殖系統，形成多層次、立體化、低碳生態的海陸複合養殖新模式，保障沿海經濟可持續發展。
加強國際合作，共同應對全球氣候和環境問題
不同國家科技發展水平不同，需解決的環境問題有很大差異。通過國際合作，可以共享節能減排技術，從而促進人類對氣候和環境問題的有效解決。基於大型海藻在 CO2 捕獲過程的高效性及在經濟和碳匯中的重要作用，韓國學者 Ik Kyo Chung 聯合中國、印度、印度尼西亞等學者組建了“亞洲藻類碳匯網絡”（Asian Network for using Algae as a CO2 sink）；通過藻類碳匯國際合作計劃的實施，增加大型海藻栽培面積和新品種，提升了海洋碳匯潛力，為解決全球和區域性碳減排問題和發展低碳經濟提供了典範。
6
結 論
發展大型海藻碳匯，是緩解全球氣候變暖、減少 CO2 等溫室氣體、發展海洋低碳經濟、實現碳中和的重要路徑，值得全球沿海國家協作並推廣應用。大型海藻規模栽培在增加海洋碳匯、環境修復和資源養護方面具有重要作用。推廣基於大型海藻規模栽培的海洋負排放模式，是我國近海實現碳中和目標的有效途徑。
楊宇峰 暨南大學生命科學技術學院教授、博士生導師。主要從事海洋環境和水生生物研究和教學工作。近年來，主持科學技術部、國家自然科學基金重點項目和麵上基金 10 多項。在大型海藻生物修復與浮游生物生態學方面取得了較系統的研究成果，獲國家和省部級科研獎勵 4 次。發表論文 180 篇，出版專著 2 部。
