检索
E-mail
RSS

作者投稿 主编审稿 专家审稿 远程编辑

热带海洋学报 >

2024 , Vol. 43 >Issue 3: 13 - 21

DOI: https://doi.org/10.11978/2023049

综述

珊瑚礁生态系统固碳过程及储碳机制研究进展*

  • 黄晖 , 1, 2, 3, 4, 5, 6 ,
  • 袁翔城 , 1, 2, 3, 5, 6 ,
  • 宋严 1, 2, 3, 4 ,
  • 李颖心 1, 2, 3, 4 ,
  • 周伟华 1, 2, 3 ,
  • 龙爱民 1, 4
展开
  • 1.中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广东省应用海洋生物学重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 2.三亚海洋科学综合(联合)实验室, 海南省热带海洋生物技术重点实验室, 三亚海洋生态环境与工程研究院, 海南 三亚 572000
  • 3. 海南三亚海洋生态系统国家野外科学观测研究站, 中国科学院海南热带海洋生物实验站, 海南 三亚 572000
  • 4.中国科学院大学, 北京 100049
  • 5.中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 510301
  • 6.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
黄晖, email: ;
袁翔城, email:

*感谢珊瑚生物学和珊瑚礁生态学学科组全体人员对本论文的完成提供的帮助。

黄晖(1969—), 女, 江西省分宜县人,研究员, 从事珊瑚生物学与珊瑚礁生态学等方面研究。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2023-04-14

  修回日期: 2023-07-05

  网络出版日期: 2023-08-17

基金资助

海南省重点研发计划项目(ZDYF2023SHFZ131)

国家重点研发计划项目(2021YFF0502800)

收起

Carbon sequestration process and carbon storage mechanism of reef ecosystem in South China Sea*

  • HUANG Hui , 1, 2, 3, 4, 5, 6 ,
  • YUAN Xiangcheng , 1, 2, 3, 5, 6 ,
  • SONG Yan 1, 2, 3, 4 ,
  • LI Yingxin 1, 2, 3, 4 ,
  • ZHOU Weihua 1, 2, 3 ,
  • LONG Aimin 1, 4
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Marine Biology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. CAS-HKUST Sanya Joint Laboratory of Marine Science Research, Key Laboratory of Tropical Marine Biotechnology of Hainan Province, Sanya 572000, China
  • 3. Sanya National Marine Ecosystem Research Station; Tropical Marine Biological Research Station in Hainan, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China
  • 4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 5. Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 6. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
HUANG Hui. email: ;
YUAN Xiangcheng. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2023-04-14

  Revised date: 2023-07-05

  Online published: 2023-08-17

Supported by

Key Research and Development Project of Hainan Province, China(ZDYF2023SHFZ131)

National Key Research and Development Program of China(2021YFF0502800)

Fold

摘要

珊瑚礁生态系统在全球碳循环和气候变化中发挥着重要作用。珊瑚礁生态系统是潜在的蓝色碳汇, 我国珊瑚礁总面积约占全球的11%, 每年的固碳量大约在3.5×106~4.5×106t之间。珊瑚礁生态系统的总储碳量非常巨大, 同时珊瑚礁生态系统作为碳库在碳交易中具有非常大的潜在应用价值。文章综述了珊瑚礁生态系统中的固碳过程及储碳机制, 包括碳酸盐泵、生物泵和微型生物碳泵, 阐述了三种碳泵的研究进展。同时, 针对目前研究存在的不足和问题, 提出未来研究方向, 以期为南海岛礁珊瑚礁生态系统的保护和管理提供科学依据。

关键词： 珊瑚礁; 生态系统; 固碳; 碳酸盐泵; 生物泵; 微型生物碳泵

本文引用格式

黄晖 , 袁翔城 , 宋严 , 李颖心 , 周伟华 , 龙爱民 . 珊瑚礁生态系统固碳过程及储碳机制研究进展*[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(3) : 13 -21 . DOI: 10.11978/2023049

Abstract

Coral reef ecosystems play a crucial role in global carbon cycling and climate change. They serve as potential blue carbon sinks, with coral reefs in China covering approximately 11% of the global area. The annual carbon sequestration of these reefs is estimated to be 3.5×106~4.5×106 t. The total carbon storage capacity of coral reef ecosystems is immense, and they have significant potential value as carbon reservoirs in carbon trading. This article provides a review of carbon sequestration processes and storage mechanisms in coral reef ecosystems, including carbonate pumping, biological pumping, and microbially-mediated carbon pumping. The research progress on these three carbon pumps is discussed. Additionally, the article highlights the limitations and challenges in current research and proposes future research directions, aiming to provide scientific basis for the conservation and management of coral reef ecosystems in the South China Sea.

Key words： coral reef; ecosystem; carbon sequestration; carbonate pumps; biological pumps; microbial carbon pumps

随着全球气候变化问题的日益紧迫, 人们对地球生态系统中的碳循环研究越发重视。作为地球上生物多样性最丰富的生态系统之一, 珊瑚礁生态系统具有高度的初级生产力和物种多样性等特征, 被视为潜在的蓝色碳汇, 有助于减缓气候变化的影响(石拓 等, 2021; 焦念志 等, 2021)。此外, 珊瑚礁也是维持岛礁可持续性的关键组成部分。造礁珊瑚的钙化历史可以追溯到5亿年前的晚寒武纪时期(Steele et al, 2011)。相比其他生物产生的固碳产物容易分解降解(Yan et al, 2018), 珊瑚礁能够长期储存其以文石形式存在的固碳产物, 并与其他造礁类生物共同形成珊瑚礁这一碳储存库。全球许多热带和亚热带岛礁(Veron et al, 2016), 包括我国三沙海域的岛礁, 几乎都是通过珊瑚等造礁类生物的碳酸钙沉积而形成的。据统计, 我国珊瑚礁总面积约占全球的11%, 每年固碳量在3.5×109~ 4.5×109t之间。然而, 长期以来, 对南海珊瑚礁生态系统中的碳固定过程和储存机制的研究相对不足, 尚未形成完整的理论体系, 这对南海珊瑚礁生态系统的保护和管理带来了一定的限制。
全球的珊瑚礁总面积约为284300km2 (Spalding et al, 2001), 而全球每年珊瑚礁固定的碳量大约在70×106 ~90×106t之间(Frankignoulle et al, 1993)。尽管珊瑚礁生态系统在全球碳循环中具有重要的地位, 但目前它们尚未被纳入国际蓝碳清单。IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)在2019年9月的《气候变化中的海洋与冰冻圈特别报告》中强调了蓝碳在海洋自然系统中缓解气候变化的重要作用(IPCC, 2019)。该报告将红树林、海草床、滨海盐沼和大型海藻列为四个主要的海岸带蓝碳生态系统。因此, 我们需要进一步了解珊瑚礁生态系统的碳固存及储存相关过程、机理和总量评估等方面。目前珊瑚礁生态系统尚未被纳入蓝碳清单的主要原因如下。
1) 碳储存量的估算方法尚不明确。珊瑚礁生态系统中的碳固存过程非常复杂多样, 涉及到光合作用、钙化作用、生物沉积作用等多种途径, 科学界对于珊瑚礁的碳源和碳汇作用存在着很大的争议(Macreadie et al, 2019); 目前针对珊瑚礁生态系统的碳储存量估算方法尚不完善, 缺乏统一和权威的标准。
2) 碳储存的动态性问题。珊瑚礁生态系统的碳储存过程具有一定的动态性, 受全球气候环境变化和人类活动等因素的影响, 珊瑚礁生态系统的结构和功能可能发生变化, 导致其碳储存能力的波动, 在过去的30年中, 全球珊瑚礁已经退化了50%(Eddy et al, 2021); 此外, 由于底栖生物的不均匀分布和珊瑚礁碳循环的时空可变性, 调查数据很难准确描述珊瑚礁的碳固存过程和储存机制 (Watanabe et al, 2019), 因此需要利用生物地球化学模型和水动力模型来分析复杂的珊瑚礁碳固存过程和储存机制(Falter et al, 2013); 这种动态性给珊瑚礁生态系统的碳储存量估算和管理带来了挑战。
3) 珊瑚礁生态系统的脆弱性。珊瑚礁生态系统非常脆弱, 容易受到全球气候变化、海洋酸化和过度捕捞等因素的影响, 这使得珊瑚礁生态系统在碳储存过程中存在较大的不确定性, 对其纳入蓝碳清单产生了一定的制约。
尽管面临上述多个挑战, 将珊瑚礁生态系统纳入蓝色碳汇清单对于提高对碳汇的认知、推动科研发展、保护生态系统、提升经济效益以及应对气候变化具有重要意义。已有许多学者呼吁将珊瑚礁生态系统纳入蓝色碳汇清单 (Lovelock et al, 2019)。这将对以下几个方面产生积极影响。
1) 应对气候变化: 珊瑚礁生态系统具有较高的碳储存能力, 纳入蓝色碳汇清单将有助于充分发挥珊瑚礁生态系统在全球碳循环和气候变化中的调节作用, 为减缓全球气候变化作出更大的贡献;
2) 提升经济效益: 纳入蓝色碳汇清单意味着珊瑚礁生态系统的碳储存服务将具有更高的经济价值, 这将有助于提高珊瑚礁生态系统保护的经济效益, 进而吸引更多资金投入到珊瑚礁生态系统的保护和管理中;
3) 提高碳汇认知: 将珊瑚礁生态系统纳入蓝色碳汇清单有助于提高社会各界对珊瑚礁作为潜在碳汇的认识, 进而促进对珊瑚礁生态系统保护和恢复的关注度。
综上所述, 尽管珊瑚礁生态系统尚未被纳入蓝色碳汇清单, 但随着科学研究的深入和保护措施的加强, 未来有望将珊瑚礁生态系统纳入蓝色碳汇清单。因此, 有必要对当前对珊瑚礁生态系统固碳过程及储碳机制的研究进展进行总结, 为珊瑚礁生态系统纳入蓝色碳汇清单提供理论支持。本综述主要关注以下方面: (1)珊瑚礁生态系统蓝色碳的定义; (2)珊瑚礁生态系统的固碳过程及储碳机制; (3)我国在珊瑚礁生态系统固碳方面的研究进展和未来研究方向。

1 珊瑚礁生态系统蓝碳的概念

Nelleman等 (2009) 给出了一个非常广泛的蓝碳定义, 即“在全球捕获的所有生物碳(或绿色碳)中, 超过一半(55%) 由海洋生物捕获, 而不是陆地上的生物完成, 因此被称为蓝碳”, 因此由海洋捕获的CO2都可成为蓝碳。唐剑武 等 (2018) 也提出了一个广义的蓝碳定义: 红树林、盐沼、海草、浮游植物、藻类和贝类等生物将大气中的二氧化碳转化并长期储存在沉积物中, 或者将其输送到大洋中的碳。蓝碳也有狭义的定义: 盐沼、湿地、红树林和海草床等生态系统中海岸带植物固定的碳(唐剑武 等, 2018; 杜明卉 等, 2023)。
钙化生物(如珊瑚和牡蛎)的钙化过程不符合纳入蓝碳框架的关键标准, 主要原因是钙化生物每沉积1个CaCO3会释放大约0.6个CO2 (Ware et al, 1992; Frankignoulle et al, 1993; Macreadie et al, 2019)。因此, 关于释放出的CO2的最终去向存在较大争议。如果这部分CO2释放到大气中, 可被视为CO2的源; 但如果珊瑚共生的虫黄藻、周边浮游植物和底栖植物CO2固定量超过珊瑚钙化释放量, 可被视为CO2的汇。鉴于珊瑚礁每年大量的碳净储存量, 我们认为不能仅仅以海气界面CO2通量来界定珊瑚礁生态系统蓝碳, 因为很多珊瑚礁生态系统的附近开阔海域本身就是CO2的源, 如我国南海大部分海域(Li et al, 2020)。可能只有当珊瑚释放出的CO2的最终去向有明确的测量标准和珊瑚礁生态系统蓝碳有明确定义的时候, 珊瑚礁生态系统才可能被视为蓝碳生态系统 (Christianson et al, 2022)。另外, 由于珊瑚退化可能导致珊瑚骨骼溶解速率大于钙化速率, 这时珊瑚生态系统的CaCO3溶解会吸收CO2, 我们预计CaCO3溶解吸收的CO2会随着气候变化增加。因此, 珊瑚礁生态系统蓝碳不仅包括珊瑚的钙化固碳, 还包括珊瑚骨骼溶解以及珊瑚礁生态系统中其他生物通过净光合作用捕获的二氧化碳。

2 珊瑚礁生态系统的固碳过程及储碳机制

珊瑚礁生态系统碳储存量估算方法不明确, 主要是因为其中复杂的碳循环过程(Macreadie et al, 2019)。在珊瑚礁生态系统的整体碳循环中, 钙化作用与其他碳循环过程共同发挥作用, 共同维持碳平衡。这也意味着珊瑚礁生态系统对大气二氧化碳的影响是复杂的, 需要综合考虑各个过程的相互作用。焦念志 等(2022)将海洋储碳机制归纳为: 溶解泵、碳酸盐泵、生物泵和微型生物碳泵(Longhurst et al, 1989; 焦念志 等, 2022)(图1)。我们认为, 珊瑚礁生态系统中也可以用这个体系分析。珊瑚礁生态系统一般不考虑涉及大尺度海洋环流的溶解泵, 因此固碳过程研究动态以碳酸盐泵、生物泵和微型生物碳泵分别予以论述。这些泵最终的储碳(stock)以无机和有机碳的形式埋藏在珊瑚礁生态系统内, 也有可能运输到外海(Watanabe et al, 2019)。
图1 珊瑚礁生态系统中的碳酸盐泵、生物泵、微型生物泵和储碳

Fig. 1 Carbonate pumps (CCPs), biological pumps (BCPs), microbial pumps (MCPs), and carbon storage in coral reef ecosystems

2.1 碳酸盐泵

珊瑚礁生态系统的碳酸盐泵包括两个方面: (1) 碳酸盐体系通过海气界面CO2的释放和吸收, 减缓pH的降低; (2) 海水中碳酸盐沉淀(生物钙化固碳)的形成会释放CO2, 碳酸盐溶解会从大气吸收CO2(焦念志 等, 2022)。珊瑚礁生态系统中的生物, 如珊瑚和有孔虫等, 通过生物矿化作用, 将溶解在海水中的碳酸盐离子固定为碳酸盐矿物, 如方解石和文石。钙化作用在固定碳酸盐的同时, 会产生CO2 (Gattuso et al, 1999)。尽管钙化作用会产生CO2, 但珊瑚礁生态系统中其他过程, 如光合作用和生物泵, 可以固定CO2, 从而维持系统内的碳平衡(Watanabe et al, 2019)。其中, 珊瑚可分为造礁石珊瑚(Scleractinia)和非造礁珊瑚(如软珊瑚等)。其中非造礁珊瑚(如软珊瑚Alcyonacea)不具备钙化功能。造礁石珊瑚 (Scleractinia)主要有滨珊瑚(Porites) 和鹿角珊瑚 (Acropora)等, 它们不仅可以通过共生藻类固碳, 还可以通过固定海水碳酸盐, 形成方解石和文石等(图2)。不同种类造礁石珊瑚的固碳效率值得进一步研究。
图2 造礁石珊瑚光合作用碳循环过程示意图

Z为“zooxanthellae”(虫黄藻)的缩写

Fig. 2 Conceptual model of carbon cycling in Scleractinia.

Z denotes the abbreviation of zooxanthellae

研究比较多的是珊瑚礁生态系统海气界面的CO2通量, 造礁石珊瑚在海水中释放CO2与钙化固碳的比率估计为0.6, 释放CO2 < 沉淀CaCO3 (Ware et al, 1992; Frankignoulle et al, 1993)。Gattuso等(1993)认为大多数珊瑚礁是CO2的源(Gattuso et al, 1993), 而Kayanne等(1995)认为珊瑚礁是CO2的汇, 而他们的研究地点分别是堡礁礁坪(barrier reef)和边缘珊瑚礁(fringing reef) (Kayanne et al, 1995)。边缘珊瑚礁有利于海草或大型藻类的生长, 当净初级产量超过钙化, 系统整体成为CO2汇(Watanabe et al, 2019)。然而, 随着气候环境的变化和珊瑚礁生态系统的急剧退化, 珊瑚礁的钙化作用变小, 碳酸钙溶解速度变大, 导致很多珊瑚礁转变成海气界面CO2的汇(Cornwall et al, 2021)。我国珊瑚礁的碳酸钙溶解是否有增加趋势, 海气界面是否有转变成CO2汇的趋势, 这些发展动态需要及时更新。

2.2 生物泵

植物、藻类和某些微生物通过太阳能将大气中的二氧化碳转化为有机碳(Gest, 2002)。生物泵指的是浮游植物吸收海水中的游离CO2和$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$进行光合作用, 将无机碳转化为有机碳(焦念志 等, 2022); 在珊瑚礁生态系统中, 藻类(如珊瑚共生藻)、硅藻和蓝藻等光合生物在光合作用中起到关键作用, 有助于固定碳并将其储存在生物体内 (Haas et al, 2011; Van der Heijden et al, 2015)。珊瑚礁生态系统中的生物, 如藻类、珊瑚和鱼类等, 通过光合作用或者食物链将大气中的CO2转化为有机碳。这一过程有助于固定碳并将其储存在生物体内。珊瑚礁生态系统中生物泵除了浮游植物, 底栖初级生产者也应该考虑, 底栖初级生产者主要包括珊瑚共生的虫黄藻、底栖微藻、大型藻类和海草等(Cardini et al, 2016)。研究表明浮游植物输入和来自洋流的有机碳只占系统初级生产的一小部分, 估计为0.3%~13%(Cardini et al, 2016; Akhand et al, 2021)。
钙化与总初级生产力的比值相对恒定, 健康珊瑚礁的钙化与总初级生产力一般比值约为0.20(Yates et al, 2006)。珊瑚礁生态系统中, 初级生产力可以达到1000~2000mmmol·m-2·d-1, 与其他水生环境相比, 其生物地球化学反应更快(Atkinson, 2011)。珊瑚礁的高生产力维持着高生物多样性(Rix et al, 2015)。珊瑚礁有机碳沉降速率远远小于无机固碳速率, 另外, 约6%~100%初级生产力会被海流输出到珊瑚礁的外海(Watanabe et al, 2019)。珊瑚礁生态系统生物泵最终有多少有机/无机碳、通过什么途径储存在沉积物中或输出到大洋, 对估算蓝碳有重要意义, 需要进一步研究。

2.3 微型生物泵

微型生物泵是指微型生物把有机碳从可降解的活性态碳转化为不易被降解的惰性溶解有机碳的储碳机制。微生物, 包括细菌、古细菌和病毒, 在珊瑚礁的生产力和碳流中起着重要作用。珊瑚礁生态系统的底栖生物以黏液的形式释放出10%~50%的总有机产物, 从而刺激水体中的异养微生物代谢。珊瑚礁生态系统中的微生物(如光合细菌、硝化细菌和蓝藻等)活动: 微生物通过光合作用、硝化作用等生物地球化学过程参与碳循环(Zhang et al, 2015)。另外, 珊瑚礁生态系统中的生物通过消耗、排泄和死亡等生命活动, 将有机碳从水柱带入海底沉积物, 有助于将生物体内的碳储存到海底沉积物中, 从而促进长期碳的储存(Zhang et al, 2022), 这一过程有大量微生物参与。珊瑚礁微生物的生长速度可以达到开放海洋微生物群落的50倍(Silveira et al, 2017)。在珊瑚礁中, 细菌占异养浮游生物总生物量碳的37%~73%(Ferrier-Pagès et al, 1998)。微生物在食物网中有着复杂的联系, 可以调节珊瑚礁生态系统中有机物的再循环、再矿化、次级生产力。大多数珊瑚礁表现为净自养生物。当生物泵活跃时, 珊瑚礁表现为净自养系统, 群落总初级生产率为256~ 1696mmmol·cm-2·d-1, 与热带雨林相当(Van Hoytema et al, 2016)。当微生物泵活跃, 珊瑚礁表现为净异养系统, 净产量变化到负值。微生物泵在珊瑚礁生态系统可以快速消耗珊瑚礁生态系统中有机物, 可能导致珊瑚礁生态系统的快速退化。因此, 珊瑚礁生态系统中微型生物泵和生物泵的耦合, 对珊瑚礁高效物质循环和储碳有重要作用。微型生物泵消耗了哪些有机碳库、形成了多少惰性溶解有机碳需要进一步研究。
如果把珊瑚礁生态系统中的生物泵和微生物泵考虑进去, 珊瑚礁生态系统里的不同生物的生长过程也是不断累积有机碳的过程, 所有生物的固碳速率(即群落代谢)可以反映在海水无机碳酸盐的变化中。通过化学法, 可以检测珊瑚礁生态系统群落代谢(初级生产、呼吸和钙化)和海气CO2通量(Meléndez et al, 2022), 珊瑚礁生态系统的群落代谢和钙化指标是监测珊瑚礁碳通量的有用工具(Albright et al, 2016; Platz et al, 2022)。另外, 要分析珊瑚礁的碳储量和不同组成, 还需调查不同生物(如鱼类和底栖生物等)和沉积物的碳储量。如果要进一步摸清我国珊瑚礁固碳的“家底”, 还需要更多持续的监测和研究。

3 我国在珊瑚礁生态系统固碳方面的研究进展

3.1 南海岛礁珊瑚礁储碳和固碳潜力

研究结果显示, 中国大陆和海南岛近岸珊瑚的消失率约为80%(蔡榕硕 等, 2021)。此外, 在南海的近海环礁和群岛上, 活珊瑚覆盖率在2012年之前从平均超过60%下降到了约20%左右。然而, 我国总体珊瑚礁覆盖率数据已经多年没有更新。南海珊瑚礁是我国最重要的地质、地貌和生态特征之一, 其中珊瑚等钙化生物形成的碳酸盐沉积物堆积体, 称为“碳酸盐台地”。南海是中新世以来碳酸盐岩台地发育最重要的地区之一(李银强, 2022)。“南科一井”科学钻孔发现南沙岛礁0~1000m左右的礁石主要由珊瑚等钙化生物的碳酸盐骨骼组成(Li et al, 2023)。考虑到珊瑚礁历史沉积的深度和立体结构, 珊瑚礁生态系统从中新世固碳形成的储碳库应该非常庞大。然而, 我国尚缺乏珊瑚礁储量的定量研究。
全球珊瑚礁生态系统由于钙化作用释放CO2到海水1.86×106t C·a-1 , 同时积累储存CaCO3大约70×106~90×106t C·a-1。根据这一信息, 考虑到释放的CO2和珊瑚骨骼形成和积累过程中储存的CaCO3, 珊瑚礁每年的碳净储存量为68.14×106~88.14×106t C (Frankignoulle et al, 1993; Macreadie et al, 2019)。我国珊瑚礁面积约3×104km2, 约占全球的11%(Hughes et al, 2013), 按照面积比例可估算我国珊瑚礁每年的固碳量大约在3.5×106~4.5×106t之间, 远远大于我国红树林每年~0.05×106t的总固碳量(王法明 等, 2021)。也有论文认为, 全球珊瑚礁的面积从6×105km2减少到1.12×105km2, 根据这个数据, 我国科学家估算了全球珊瑚礁固碳潜力为16.5 ×106t C·a-1 (Gao et al, 2016)。研究还认为中国的珊瑚礁面积仅为 222km2, 仅占全球珊瑚礁总量的0.2%, 估计中国珊瑚礁的固碳潜力为0.3×106t C·a-1 (Gao et al, 2016)。由此可见, 由于我国珊瑚礁面积存在较大争议, 我国珊瑚礁固碳潜力也无法精准确定。

3.2 南海岛礁珊瑚礁生态系统的固碳过程研究进展

我国目前仅有少数关于南海岛礁珊瑚礁生态系统的碳酸盐体系和固碳过程的研究报道。海气界面的CO2通量的研究发现我国珊瑚礁生态系统是一个弱源(Dai et al, 2009; Yan et al, 2016)。我国南海整体是弱源(Zhai et al, 2013), 如果需要分析珊瑚礁生态系统对CO2通量的贡献, 需要对比研究珊瑚礁生态系统和远海的碳酸盐体系。除了研究海气界面的CO2通量, 我国科研人员还利用了碱度(total alkalinity, TA)/溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC) 比值, 研究钙化和光合作用的贡献, 比值越大说明珊瑚礁钙化作用的贡献越大(Yan et al, 2016)。这些研究发现2009年鹿回头TA/DIC不同季度变化范围是0.15~0.51, 西沙群岛珊瑚礁区变化范围是0.1~1.09(张军晓, 2022)。2009—2011春季和夏季鹿回头TA/DIC变化范围是0.6~0.8, 永兴岛和永署礁分别为0.47和1.0 (Yan et al, 2016; 张军晓, 2022)。
目前研究珊瑚钙化固碳的方法主要是采用地质取样方法获得珊瑚骨骼生长率(一般为滨珊瑚)推算钙化速率, 如海南三亚鹿回头岸礁区礁坪的群落钙化速率在礁坪和礁坡分别为(1.16±0.55)kg·m-2·a-1和(3.52± 1.32)kg·m-2·a-1 (施祺 等, 2009)。另外, 也有用化学方法计算海水碱度变化来推算钙化固碳, 如东沙群岛记录到全球最高的群落钙化固碳速率为(390±90)mmol CaCO3·m-2·d-1, 可以换算为106kg·m-2·a-1 (Decarlo et al, 2017)。不同于地质方法, 化学方法监测结果反映的是即时和整个珊瑚礁群落的钙化固碳速率。

3.3 生态修复和珊瑚礁生态系统蓝碳增汇

要纳入蓝碳清单的生态系统要有两个重要特征: (1) 具有高生产力, 即可以高效埋藏的CO2; (2) 具有人工可调控性, 即人类活动可以通过生态修复来增加这类蓝碳(Macreadie et al, 2021)。珊瑚礁生态系统可能已经具备这两个特征。国际上, 澳大利亚、以色列、日本、美国等国已经开展了大量珊瑚礁生态系统的保护修复工作(Rinkevich, 2005)。我国在广东、海南、广西、西沙等地已经开展了一系列的生态修复实践和工程, 取得了较好的修复效果(黄晖 等, 2014, 2020; 郑新庆 等, 2021), 如张浴阳 等(2021)在蜈支洲开展珊瑚礁生态修复实验, 将修复区的造礁珊瑚覆盖率增加了近3倍。
目前我国仅有20万m2的珊瑚礁修复面积, 仅占我国珊瑚礁总面积的0.0007%。因此, 通过珊瑚礁生态系统的保护和修复来增加珊瑚固碳的潜力是非常巨大的。然而, 造礁石珊瑚个体和群落之间的固碳速率差异还需要进一步研究。在未来, 如何利用造礁石珊瑚修复技术来提高珊瑚群落的固碳速率将成为一个重要的研究方向。另外, 建议参考《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035 年)》提出的以“三区四带”为核心6项海岸带生态保护和修复重点工程, 重视珊瑚礁生态系统重大生态保护修复工程中的蓝碳增汇功能, 强调生物多样性原则, 有力推动生态修复与固碳增汇协同增效, 为珊瑚礁生态系统碳增汇提供技术支撑。

4 总结与展望

相较于国际研究, 中国珊瑚礁生态系统固碳研究起步较晚, 研究基础相对薄弱。国际上对珊瑚礁生态系统碳循环研究已有较长时间的积累, 形成了较为完善的理论体系和方法论。在珊瑚礁生态系统固碳研究的技术应用方面, 国际研究采用了多种先进技术, 如遥感、地理信息系统(geographic information system, GIS)、生物地球化学方法等(Maurya et al, 2021; Mallon, 2023)。而在中国, 这些技术在珊瑚礁生态系统固碳研究中的应用相对较少, 技术水平有待提高。国际研究在珊瑚礁生态系统碳储存量估算方法方面有较多创新, 采用了多尺度、多指标评估方法, 并建立了动态模拟模型。相比之下, 中国在这方面的研究方法较为单一, 缺乏综合性和系统性(Xu et al, 2022)。另外, 中国在珊瑚礁生态系统固碳数据方面存在一定的不足, 数据质量和覆盖范围有待提高。我国为了发展先进的珊瑚礁生态系统碳储存量估算方法, 可以采取以下措施: (1) 发展多尺度、多指标评估方法, 结合遥感、现场调查、实验室分析等多种手段, 提高碳储存量估算的准确性; (2) 建立动态模拟模型提高珊瑚礁生态系统碳储存量估算的精度和效率; (3) 国际合作与交流: 加强与国际上相关研究团队的合作与交流, 引进和借鉴先进的研究方法和技术, 共同推动珊瑚礁生态系统碳储存量估算方法的发展; (4) 建立长期监测网络为碳储存量估算提供实时、连续的数据支持; (5) 加强珊瑚礁生态系统的保护和管理, 提高珊瑚礁生态系统的抗逆能力和稳定性。降低碳储存过程中的不确定性, 为珊瑚礁生态系统纳入蓝碳清单创造条件。
深入开展珊瑚礁生态系统蓝碳科学研究将有助于尽快将蓝碳纳入国家和国际的气候变化战略和行动计划中。通过全面了解和充分利用珊瑚礁生态系统的蓝碳潜力, 可以为全球碳减排目标作出贡献, 同时保护和恢复珊瑚礁的生态价值和生物多样性。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
蔡榕硕, 郭海峡, ABD-ELGAWAD A, 等, 2021. 全球变化背景下暖水珊瑚礁生态系统的适应性与修复研究[J]. 应用海洋学学报, 40(1): 12-25.

CAI RONGSHUO, GUO HAIXIA, ABD-ELGAWAD A, et al, 2021. A study on the adaptation and restoration of warm water coral reef ecosystem in the context of global change[J]. Journal of Applied Oceanography, 40(1): 12-25 (in Chinese with English abstract).

[2]
杜明卉, 李昌达, 杨华蕾, 等, 2023. 海岸带蓝碳生态系统碳库规模与投融资机制[J]. 海洋环境科学, 42(2): 294-301.

DU MINGHUI, LI CHANGDA, YANG HUALEI, et al, 2023. Carbon pool and financing mechanism of coastal blue carbon ecosystems[J]. Marine Environmental Science, 42(2): 294-301 (in Chinese with English abstract).

[3]
黄晖, 张浴阳, 黄洁英, 等, 2014. 不同移植方法对多种珊瑚移植效果的影响[C]// 2014水域生态环境修复学术研讨会论文集, 2014, 54-63,

HUANGHUI, ZHANGYUYANG, HUANGJIEYING, et al, 2014. The Effects of different methods toward coral transplantation[C]// Proceedings of the 2014 Symposium on Water Ecological Environment Restoration. 2014: 54-63 (in Chinese).

[4]
黄晖, 张浴阳, 刘骋跃, 2020. 热带岛礁型海洋牧场中珊瑚礁生境与资源的修复[J]. 科技促进发展, 16(2): 225-230.

HUANG HUI, ZHANG YUYANG, LIU CHENGYUE, 2020. Coral reef habitat and resources restoration in tropical island marine ranching[J]. Science and Technology for Development, 16(2): 225-230 (in Chinese with English abstract).

[5]
焦念志, 刘纪化, 石拓, 等, 2021. 实施海洋负排放践行碳中和战略[J]. 中国科学: 地球科学, 51(4): 632-643.

JIAO NIANZHI, LIU JIHUA, SHI TUO, et al, 2021. Deploying ocean negative carbon emissions to implement the carbon neutrality strategy[J]. Science China: Earth Sciences, 51(4): 632-643 (in Chinese with English abstract).

[6]
焦念志, 戴民汉, 翦知湣, 等, 2022. 海洋储碳机制及相关生物地球化学过程研究策略[J]. 科学通报, 67(15): 1600-1606.

JIAO NIANZHI, DAI MINHAN, JIAN ZHIMIN, et al, 2022. Research strategies for ocean carbon storage mechanisms and effects[J]. Chinese Science Bulletin, 67(15): 1600-1606 (in Chinese with English abstract).

[7]
李银强, 2022. 西沙群岛珊瑚藻记录之近2000万年以来的海平面变化和珊瑚礁演化过程[D]. 南宁: 广西大学.

LI YINQIANG, 2022. Sea level changes and coral reef evolutionary processes over the past 20 million years as recorded by coralline algae in the Xisha Islands[D]. Nanning: Guangxi University (in Chinese with English abstract).

[8]
施祺, 赵美霞, 张乔民, 等, 2009. 海南三亚鹿回头造礁石珊瑚碳酸盐生产力的估算[J]. 科学通报, 54(10): 1471-1479.

SHI QI, ZHAO MEIXIA, ZHANG QIAOMIN, et al, 2009. Estimate of carbonate production by scleractinian corals at Luhuitou fringing reef, Sanya, China[J]. Chinese Science Bulletin, 54(4): 696-705.

[9]
石拓, 郑新庆, 张涵, 等, 2021. 珊瑚礁: 减缓气候变化的潜在蓝色碳汇[J]. 中国科学院院刊, 36(3): 270-278.

SHI TUO, ZHENG XINQING, ZHANG HAN, et al, 2021. Coral reefs: potential blue carbon sinks for climate change mitigation[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 36(3): 270-278 (in Chinese with English abstract).

[10]
唐剑武, 叶属峰, 陈雪初, 等, 2018. 海岸带蓝碳的科学概念、研究方法以及在生态恢复中的应用[J]. 中国科学: 地球科学, 48(6): 661-670.

TANG JIANWU, YE SHUFENG, CHEN XUECHU, et al. 2018. Coastal blue carbon: concept, study method, and the application to ecological restoration[J]. Science China: Earth Sciences, 61(6): 637-646.

[11]
王法明, 唐剑武, 叶思源, 等, 2021. 中国滨海湿地的蓝色碳汇功能及碳中和对策[J]. 中国科学院院刊, 36(3): 241-251.

WANG FAMING, TANG JIANWU, YE SIYUAN, et al, 2021. Blue carbon sink function of Chinese coastal wetlands and carbon neutrality strategy[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 36(3): 241-251 (in Chinese with English abstract).

[12]
张军晓, 2022. 南海典型珊瑚礁区碳酸盐体系与钙化率研究[D]. 广州: 中国科学院研究生院(南海海洋研究所).

ZHANG JUNXIAO, 2022. Study on carbonate system and calcification rate of typical coral reef in South China Sea[D]. Guangzhou: Graduate University of the Chinese Academy of Sciences (South China Sea Institute of Oceanology) (in Chinese with English abstract).

[13]
张浴阳, 刘骋跃, 王丰国, 等, 2021. 典型近岸退化珊瑚礁的成功修复案例——蜈支洲珊瑚覆盖率的恢复[J]. 应用海洋学学报, 40(1): 26-33.

ZHANG YUYANG, LIU CHENGYUE, WANG FENGGUO, et al, 2021. Successful restoration of typical degraded coastal coral reefs——a restoration of coral coverage at Wuzhizhou Island[J]. Journal of Applied Oceanography, 40(1): 26-33 (in Chinese with English abstract).

[14]
郑新庆, 张涵, 陈彬, 等, 2021. 珊瑚礁生态修复效果评价指标体系研究进展[J]. 应用海洋学学报, 40(1): 126-141.

ZHENG XINQING, ZHANG HAN, CHEN BIN, et al, 2021. Advance of indicator system for the evaluation of coral reef restoration effectiveness[J]. Journal of Applied Oceanography, 40(1): 126-141 (in Chinese with English abstract).

[15]
AKHAND A, WATANABE K, CHANDA A, et al, 2021. Lateral carbon fluxes and CO2 evasion from a subtropical mangrove-seagrass-coral continuum[J]. Science of the Total Environment, 752: 142190.

[16]
ALBRIGHT R, CALDEIRA L, HOSFELT J, et al, 2016. Reversal of ocean acidification enhances net coral reef calcification[J]. Nature, 531(7594): 362-365.

[17]
ATKINSON M J, 2011. Biogeochemistry of Nutrients[M]// DUBINSKYZ, STAMBLERN, Coral reefs: An ecosystem in transition. Dordrecht: Springer: 199-206.

[18]
CARDINI U, BEDNARZ V N, VAN HOYTEMA N, et al, 2016. Budget of primary production and dinitrogen fixation in a highly seasonal Red Sea coral reef[J]. Ecosystems, 19(5): 771-785.

[19]
CHRISTIANSON A B, CABRÉ A, BERNAL B, et al, 2022. The promise of blue carbon climate solutions: Where the science supports ocean-climate policy[J]. Frontiers in Marine Science, 9: 851448.

[20]
CORNWALL C E, COMEAU S, KORNDER N A, et al, 2021. Global declines in coral reef calcium carbonate production under ocean acidification and warming[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 118(21): e2015265118.

[21]
DAI MINHAN, LU ZHONGMING, ZHAI WEIDONG, et al, 2009. Diurnal variations of surface seawater pCO2 in contrasting coastal environments[J]. Limnology and Oceanography, 54(3): 735-745.

[22]
DECARLO T M, COHEN A L, WONG G T F, et al, 2017. Community production modulates coral reef pH and the sensitivity of ecosystem calcification to ocean acidification[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 122(1): 745-761.

[23]
EDDY T D, LAM V W Y, REYGONDEAU G, et al, 2021. Global decline in capacity of coral reefs to provide ecosystem services[J]. One Earth, 4(9): 1278-1285.

[24]
FALTER J L, LOWE R J, ZHANG ZHENLIN, et al, 2013. Physical and biological controls on the carbonate chemistry of coral reef waters: effects of metabolism, wave forcing, sea level, and geomorphology[J]. PLoS One, 8(1): e53303

[25]
FERRIER-PAGÈS C, GATTUSO J P, 1998. Biomass, production and grazing rates of pico- and nanoplankton in coral reef waters (Miyako Island, Japan)[J]. Microbial Ecology, 35(1): 46-57.

[26]
FRANKIGNOULLE M, GATTUSO J P, 1993. Air-Sea CO2 exchange in coastal ecosystems[M]// WOLLASTR, MACKENZIEF T, CHOULEI.  Interactionsof C, N,P and S biogeochemical cycles and global change. Berlin, Heidelberg: Springer: 233-248.

[27]
GAO YANG, YU GUIRUI, YANG TIANTIAN, et al, 2016. New insight into global blue carbon estimation under human activity in land-sea interaction area: a case study of China[J]. Earth-Science Reviews, 159: 36-46.

[28]
GATTUSO J P, ALLEMAND D, FRANKIGNOULLE M, 1999. Photosynthesis and calcification at cellular, organismal and community levels in coral reefs: A review on interactions and control by carbonate chemistry[J]. American Zoologist, 39(1): 160-183.

[29]
GATTUSO J P, PICHON M, DELESALLE B, et al, 1993. Community metabolism and air-sea CO2 fluxes in a coral reef ecosystem (Moorea, French Polynesia)[J]. Marine Ecology Progress Series, 96(3): 259-267.

[30]
GEST H, 2002. History of the word photosynthesis and evolution of its definition[J]. Photosynthesis Research, 73(1-3): 7-10.

[31]
HAAS A F, NELSON C E, WEGLEY KELLY L, et al, 2011. Effects of coral reef benthic primary producers on dissolved organic carbon and microbial activity[J]. PLoS One, 6(11): e27973.

[32]
HUGHES T P, HUANG HUI, YOUNG M A L, 2013. The wicked problem of China's disappearing coral reefs[J]. Conservation Biology, 27(2): 261-269.

DOI PMID

[33]
IPCC, 2019. Summary for Policymakers[R/OL]. [2023-04-14]. https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/sites/4/2022/11/SRCCL_SPM.pdf

[34]
KAYANNE H, SUZUKI A, SAITO H, 1995. Diurnal changes in the partial pressure of carbon dioxide in coral reef water[J]. Science, 269(5221): 214-216.

PMID

[35]
LI GANG, XU WEIHAI, LUO YUN, et al, 2023. Strontium isotope stratigraphy and LA-ICP-MS U-Pb carbonate age constraints on the Cenozoic tectonic evolution of the southern South China Sea[J]. GSA Bulletin, 135(1-2): 271-285.

[36]
LI QIAN, GUO XIANGHUI, ZHAI WEIDONG, et al, 2020. Partial pressure of CO2 and air-sea CO2fluxes in the South China Sea: synthesis of an 18-year dataset[J]. Progress in Oceanography 182: 102272.

[37]
LONGHURST A R, HARRISON W G, 1989. The biological pump: profiles of plankton production and consumption in the upper ocean[J]. Progress in Oceanography, 22(1): 47-123.

[38]
LOVELOCK C E, DUARTE C M, 2019. Dimensions of blue carbon and emerging perspectives[J]. Biology Letters, 15(3): 20180781.

[39]
MACREADIE P I, ANTON A, RAVEN J A, et al, 2019. The future of blue carbon science[J]. Nature Communications, 10(1): 3998.

DOI PMID

[40]
MACREADIE P I, COSTA M D P, ATWOOD T B, et al, 2021. Blue carbon as a natural climate solution[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2(12): 826-839.

[41]
MALLON J, 2023. Quantifying the benthic metabolism of tropical coral reefs and seagrasses in a changing climate[D]. Scotland: University of Glasgow:2023-83381.

[42]
MAURYA P, DAS A K, KUMARI R, 2021. Managing the blue carbon ecosystem: a remote sensing and GIS approach[M]// PANDEYP C, SHARMAL K, Advances in remote sensing for natural resource monitoring. Hoboken: John Wiley & Sons Ltd. : 247-268.

[43]
MELÉNDEZ M, SALISBURY J, GLEDHILL D, et al, 2022. Net ecosystem dissolution and respiration dominate metabolic rates at two western Atlantic reef sites[J]. Limnology and Oceanography, 67(3): 527-539.

[44]
NELLEMANN C, CORCORAN E, DUARTE C M, et al, 2009. Blue carbon: a rapid response assessment[R]. Nairobi, Kenya: United Nations Environment Programme.

[45]
PLATZ M C, ARIAS M E, BYRNE R H, 2022. Reef metabolism monitoring methods and potential applications for coral restoration[J]. Environmental Management, 69(3): 612-625.

[46]
RIX L, BEDNARZ V N, CARDINI U, et al, 2015. Seasonality in dinitrogen fixation and primary productivity by coral reef framework substrates from the northern Red Sea[J]. Marine Ecology Progress Series, 533: 79-92.

[47]
RINKEVICH B, 2005. Conservation of coral reefs through active restoration measures: Recent approaches and last decade progress[J]. Environmental Science & Technology, 39: 4333-4342.

[48]
SILVEIRA C B, CAVALCANTI G S, WALTER J M, et al, 2017. Microbial processes driving coral reef organic carbon flow[J]. FEMS Microbiology Reviews, 41(4): 575-595.

DOI PMID

[49]
SPALDING M D, RAVILIOUS C, GREEN E P, 2001. World atlas of coral reefs[M]. Berkeley: University of California Press: 1-406.

[50]
STEELE R E, DAVID C N, TECHNAU U, 2011. A genomic view of 500 million years of cnidarian evolution[J]. Trends in Genetics, 27(1): 7-13.

DOI PMID

[51]
VAN DER HEIJDEN L H, KAMENOS N A, 2015. Reviews and syntheses: calculating the global contribution of coralline algae to total carbon burial[J]. Biogeosciences, 12(21): 6429-6441.

[52]
VAN HOYTEMA N, BEDNARZ V N, CARDINI U, et al, 2016. The influence of seasonality on benthic primary production in a Red Sea coral reef[J]. Marine Biology, 163(3): 52.

[53]
VERON J E N, STAFFORD-SMITH M G, TURAK E, et al, 2016. Corals of the world[EB/OL]. [2023-04-14]. http://www.coralsoftheworld.org/page/home/

[54]
WARE J R, SMITH S V, REAKA-KUDLA M L, 1992. Coral reefs: sources or sinks of atmospheric CO2?[J]. Coral Reefs, 11(3): 127-130.

[55]
WATANABE A, NAKAMURA T, 2019. Carbon dynamics in coral reefs[M]// KUWAET, HORIM, Blue carbon in shallow coastal ecosystems. Singapore: Springer: 273-293.

[56]
XU YI, ZHANG JING, HUANG HUI, et al, 2022. Coral symbiosis carbon flow: a numerical model study spanning cellular to ecosystem levels[J]. Frontiers in Marine Science, 9: 749921.

[57]
YAN HONGQIANG, YU KEFU, SHI QI, et al, 2016. Seasonal variations of seawater pCO2 and sea-air CO2 fluxes in a fringing coral reef, northern South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 121(1): 998-1008.

[58]
YAN JIANFANG, WANG LEI, HU YU, et al, 2018. Plant litter composition selects different soil microbial structures and in turn drives different litter decomposition pattern and soil carbon sequestration capability[J]. Geoderma, 319: 194-203.

[59]
YATES K K, HALLEY R B, 2006. $\mathrm{CO}_{3}^{2-}$ concentration and pCO2 thresholds for calcification and dissolution on the Molokai reef flat, Hawaii[J]. Biogeosciences, 3(3): 357-369.

[60]
ZHAI WEIDONG, DAI MINGHAN, CHEN BAOSHAN, et al, 2013. Seasonal variations of sea-air CO2 fluxes in the largest tropical marginal sea (South China Sea) based on multiple-year underway measurements[J]. Biogeosciences, 10(11): 7775-7791.

[61]
ZHANG CHUANLUN, SHI TUO, LIU JIHUA, et al, 2022. Eco-engineering approaches for ocean negative carbon emission[J]. Science Bulletin, 67(24): 2564-2573.

DOI PMID

[62]
ZHANG YANYING, LING JUAN, YANG QINGSONG, et al, 2015. The functional gene composition and metabolic potential of coral-associated microbial communities[J]. Scientific Reports, 5: 16191.

DOI PMID

Options
文章导航

/

〈 〉