海岸帶藍碳增匯：理念、技術與未來建議
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中國網/中國發展門戶網訊 全世界所有生物捕獲的碳，55%由海洋生物捕獲；人類活動排放的二氧化碳（CO2），約25%由海洋吸收，由此可見海洋是地球上巨大的碳庫。其中，海岸帶僅占全球海洋面積的0.2%，但其沉積物中埋藏的碳可占全球海洋沉積物碳儲量的50%；且又以鹽沼、紅樹林和海草床3種生態系統類型為主，能夠捕獲和儲存大量的碳并將其長期埋藏在土壤或沉積物中，故被稱為海岸帶藍碳（coastal blue carbon）。近10年的研究表明，除鹽沼、紅樹林和海草床以上3種由被子植物為基礎的生境，大型海藻的固碳作用可能也是海洋沉積物碳的重要產生途徑，因此大型海藻也常被列為第4類海岸帶藍碳來源。這些海岸帶藍碳生態系統具有高生產力、高捕獲力、良好保存條件、低甲烷（CH4）排放以及長時間尺度不飽和的特性，使得海岸帶土壤碳埋藏速率是陸地生態系統的幾十到上千倍。
海岸帶藍碳的產生過程包括內源碳匯和外源碳匯2部分（圖1）。內源碳匯主要為植物光合碳過程主導的垂向碳儲存，與陸地生態系統相似；外源碳匯是通過徑流和潮流等外部水—沙所攜帶的陸源和海源有機質，在輸入—輸出平衡下沉積的橫向碳儲存。在未來氣候變暖和海平面上升的背景下，一方面，大氣CO2增加、氣溫升高和適度的海平面上升都能提高植物生產力和土壤沉積物厚度，從而進一步提高海平面上升時海岸帶生態系統植被的生存能力，增加內源碳匯；另一方面，加速的海平面上升和氣候變暖導致生產力的增加大于土壤有機質衰減率的幅度，進而促進了土壤沉積物中有機質積累，增加外源碳匯。因此，海岸帶藍碳生態系統可能在未來仍具有較高的碳匯功能和固碳潛力，這將成為緩解全球氣候變化的長期解決方案之一。
鑒于鹽沼、紅樹林、海草床等海岸帶生態系統具有重要的藍碳功能，2018年聯合國氣候變化大會第24次締約方大會把藍碳碳匯列為應對氣候變化六大措施之一。我國在《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》《全國海洋主體功能區規劃》等文件中都對發展藍碳作出部署，并相繼發起“21世紀海上絲綢之路藍碳計劃”“全球藍碳十年倡議”，提倡充分發揮海岸帶藍碳的作用。但是，以往的海岸帶生態保護和修復工程忽視了藍碳固碳增匯技術，亟須建立海岸帶生態保護修復與固碳增匯協同增效的技術體系。本文提出了海岸帶生態系統藍碳的增匯理念，重點圍繞土壤碳減排技術、植物固碳增匯技術、土壤微生物固碳技術、碳沉積埋藏技術4個關鍵技術，探索海岸帶生態系統藍碳增匯技術體系與途徑，并指出海岸帶藍碳增匯技術的未來研究方向，以期為制定海岸帶藍碳增匯方案和提升碳匯功能提供理論和技術支持，在增加生態碳匯能力和實現碳達峰碳中和目標中發揮積極作用。
海岸帶生態系統藍碳減排增匯
全球海岸帶生態系統減排增匯技術主要通過退化生態系統的生態修復來實現，具體包括4方面技術。①土壤碳減排技術。實施水文連通、恢復潮汐作用，以保持淹水條件和厭氧環境，抑制土壤有機碳礦化分解，提高土壤/沉積物碳封存能力。②植物固碳增匯技術。促進植被恢復，構建高生物量、高碳匯型水生生物群落，增加植被光合碳吸收和固定。③微生物固碳技術。通過改善土壤/沉積物和水體環境，提高植被覆被及多樣性，進而影響微生物種群與功能，提高微生物固碳能力。④碳沉積埋藏技術。通過水文連通恢復和植被修復，促進濕地發育、陸源和海源有機碳沉積和累積，提高土壤/沉積物碳沉積埋藏能力（圖2）。
根據計算，全球通過修復和恢復原有生境實現海岸帶生態系統藍碳增匯，到2030年預計每年可額外抵消8億噸CO2氣體排放量，總計約占全球化石燃料年排放量的3%。
土壤碳減排技術
海岸帶土壤碳減排技術，也稱土壤負排放技術，是通過恢復自然生態系統、提升潮汐水文連通性，減少土壤CO2和CH4排放的技術，是實現藍碳減排增匯的重要途徑（圖3）。
土壤碳減排功能
濱海濕地雖然是大氣CH4的排放源之一，但其CH4排放量一般低于淡水濕地，這主要與濱海濕地含有高濃度的硫酸根（SO42-）有關。即在濱海濕地厭氧條件下，硫酸鹽還原菌與產甲烷菌的競爭會抑制CH4的產生；另外，鹽分升高會增加土壤中電子受體的數量，電子受體對產甲烷菌產生一定的毒害作用，并與產甲烷菌競爭底物來源時處于優勢，能夠有效抑制產甲烷菌的活性，所以濱海濕地可在一定程度上減少CH4排放。
濱海濕地等海岸帶生態系統強大的藍碳功能，得益于沉積物在潮汐交替過程中不斷被埋藏到更深的土層，加之長期的厭氧環境，可減緩有機碳礦化。因此，結合水文連通性恢復和微地形改造技術，恢復潮汐水文過程，擴大濱海濕地面積，能夠減少土壤碳排放。
土壤碳減排措施
傳統防波堤的建設，阻礙了潮汐運動通道，造成海岸帶生態系統退化；相比傳統防波堤，新型綠色防波堤通過恢復潮灘鹽沼、紅樹林和貝類礁等自然生態系統，促進潮汐水文連通，擴大濱海濕地面積，抑制土壤CO2和CH4排放。上海鸚鵡洲鹽沼濕地適當的水文連通恢復有助于減少CH4的排放（全球增溫潛勢為_11.23±4.34 kg CO2·m-2·a-1），比退化濕地的碳匯（全球增溫潛勢為_5.04±3.73 kg CO2·m-2·a-1）更強。另外，互花米草入侵導致我國海岸帶生態系統生態服務功能退化，通過建立不同潮灘位的互花米草治理技術體系，可恢復潮溝水文連通性，顯著降低濕地甲烷生產潛力和排放速率。
互花米草防治、新型綠色防波堤修建、水文連通恢復、微地形改造等自然恢復與人工修復相結合的改造方式，是實現海岸帶土壤碳減排的有效手段，可減緩土壤有機碳的分解速率，增加海岸帶土壤固碳能力。
植物固碳增匯技術
植被是海岸帶藍色碳匯的主要貢獻者和維持者，開展海岸帶生態系統植被保護和修復已成為提升海岸帶藍碳功能的重要途徑。通過快速促進植被恢復和增加植被面積、構建高穩定性和高生物量的植被群落等生境和植被恢復措施，篩選高生產力、高碳匯型植被物種等遺傳育種措施（圖4），可以有效提升植物主導的海岸帶藍碳功能。
生境和植被恢復措施
海岸帶土壤種子庫種類豐富并且主要是當地物種，具有易存活、抗逆性強等優點，因此在海岸帶植被修復過程中起到至關重要的作用。通過人工撒播法、物理和化學保護播種法和人工種子（胚軸）萌發法等多種技術手段，可以有效提高種子萌發率和成苗率，在短時間內快速實現海岸帶植被重建和生態恢復。研究表明種子法修復技術具有對海草床干擾小、播種成本低、勞動力需求少等優點，成為當前規模化海草床修復的首選方法。
通過種植幼苗可以快速高效的重建原生植被種群，這也是海岸帶植被恢復工程中最為普遍的技術措施。根據國家林業和草原局調查統計，至2020年，通過胚軸育苗、天然苗等人工造林和人工促進天然林更新的手段，我國新造和修復了超過70km2紅樹林。按照我國已開展實施的“南紅北柳”等海岸帶植被修復生態工程計劃，項目完成后我國海岸帶鹽沼和紅樹林生態系統年新增碳匯量預計超過15萬噸CO2。
群落穩定性與物種多樣性互相支撐保障，提高抗干擾能力和恢復能力，提升海岸帶生態系統碳匯功能。植被群落穩定性是海岸帶植被固碳增匯的重要支撐，而群落物種多樣性又為群落的穩定性提供了一個強有力的保障，一般隨著物種多樣性的升高，群落抵抗外界干擾的能力就會越強，恢復能力也越強。例如，研究表明紅樹林群落物種多樣性與碳匯強度呈顯著正相關關系，所以恢復和提升原生優勢物種主導的紅樹林群落物種多樣性是增匯的重要技術途徑。因此，在開展植被恢復時，應注重利用生物多樣性原理，多選取適宜的本地物種并輔以合理配置，構建多物種的植被群落，提升植被對自然和生物脅迫的抵抗力、恢復力和穩定性，以發揮更大的碳匯功效。
遺傳育種措施
提升植物光合作用效率、培育高效固碳植物和改善生態系統儲碳能力是一個技術攻關熱點。由于對土壤水鹽等特異性環境的長期生態適應，海岸帶許多植被具有非常獨特的遺傳和表觀特性，這可能造成不同生態型的生產力、光合碳分配和固碳能力存在差異。因此，結合分子育種技術，開展優勢基因挖掘和優良品種選育，培育高產、高光效、高抗逆和適應性強的鹽生植物新品種勢在必行。
土壤微生物固碳技術
海岸帶土壤和水體中的微生物在碳的合成、分解、固定、埋藏等過程中起著重要作用，制約整個生態系統的藍碳功能。研究表明，陸地生態系統微生物固碳量甚至可以超過總土壤碳埋藏量的50%。海岸帶生態系統土壤固碳微生物涵蓋細菌、真菌和古菌等多個門類，單獨或與植物共生調控土壤固碳效率。近期研究發現，以微生物主導的微型生物碳泵固碳過程不僅在海洋水體中起重要作用，其在陸地和海岸帶土壤固碳的貢獻亦不可忽視。目前，大量研究致力于基于微生物對海岸帶生態系統土壤碳匯功能維持和應對全球氣候變化的作用而研發土壤微生物碳增匯技術。特定功能微生物菌劑等人為調控手段在強化細菌和共生植物功能以提高藍碳生態系統固碳潛力方面提供了理論基礎。以微生物為核心的土壤固碳增匯技術，通過增加微生物的碳固定，將成為藍碳增匯的新興方向（圖5）。
強化微生物功能
促生菌的篩選和富集為海岸帶生態系統固碳增匯技術提供了可行性，例如紅樹和海草中植物促生菌的分離、培養、菌劑制備及應用提高了藍碳生態系統碳合成和固定潛力。通過篩選溶磷菌和固氮菌，制備單一或者組合的菌液、菌粉和微膠囊等劑型促生菌，在不同組合促生菌對紅樹植物幼苗生長促進作用明顯；同時發現菌劑與肥料的配施是促進紅樹植物生長的最佳模式。
提高生態系統穩定性
通過人為有效干預，如水文連通及植被恢復，提高海岸帶生態系統穩定性，間接調控固碳微生物種類、豐度及功能，同樣是提高生態系統固碳潛力的有效策略。水文連通有利于形成良好的厭氧環境，降低植物源和微生物源碳的礦化分解，利于老碳的積累和保留。另外，淹水過程可激發微生物產生并儲存大量電子，這類還原力可被以沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）為代表的微生物利用，進而完成固碳過程。沿海河口地下生態系統的甲烷和溶解有機碳可支撐化能自養微生物生命活動，在降低水體甲烷排放的同時增加碳的固定。微生物的生命活動也可加強海岸帶及臨近生態系統無機碳的固定，增強CO2的溶解和轉化，使碳以固態或可溶態形式長期存儲于水體和沉積物中。
碳沉積埋藏技術
碳沉積埋藏技術主要以恢復泥沙補給為基礎，通過提高河流或潮流的泥沙輸入量、增加海岸帶生境的泥沙截留量、降低泥沙侵蝕量等技術手段，以維持海岸帶生境的碳沉積埋藏能力（圖6）。通過恢復海岸帶水沙供給，可促進藍碳生境的縱向堆積和橫向延伸，擴展其向陸或向海的生存空間，提高有機碳沉積埋藏速率。
通過重新引入河流水沙或提高河口的泥沙輸入量，可提升河口三角洲的固沙能力，維持藍碳生境健康。4個全球典型河口三角洲生態恢復案例包括：多瑙河三角洲重新創造新的尾閭、密西西比河改道創造新的三角洲并在原三角洲打破河道形成新的沖積扇、阿查法拉亞河流域在湖泊和潟湖中建造新的小型內部三角洲、黃河調水調沙并改道尾閭創造新的三角洲葉瓣。
在河流輸入較弱的區域，可在保持防護作用下將海堤向陸退縮，通過恢復海洋潮流的沉積作用塑造或改變海岸帶藍碳生境類型，提高碳埋藏速率。例如，在澳大利亞鏈谷灣，由于沉降導致的海潮淹沒效應使鹽沼在5—10年內轉變為紅樹林，沉積物捕獲速率是原鹽沼生境的2倍，有機碳埋藏速率提高了4倍。
提高泥沙截留量并降低侵蝕效應還可通過建造沙島、階地等技術措施來實現。在河口近岸海灣區域設置多層沙島可降低河流水沙擴散速度，減弱波—流沖擊并制造泥沙再懸浮效應，實現泥沙截留。階地為多個平行的小型溝—坎組成的土工構筑物，可將近岸海灣分割成多個小型盆地，促進沉積物淤積并抑制波浪侵蝕。在美國密西西比河口濕地，通過建造沙島、階地等措施在濕地小區域內可截獲40%—80%的沉積物。河流輸送的顆粒態有機碳年齡可達上千至上萬年且多為惰性，礦物的化學絡合和物理保護作用也可減緩有機碳礦化，保證高有機碳埋藏速率。同時，恢復水沙輸送可促進鹽沼、紅樹林和海草對營養物質的吸收，進而提高其地下生物量向沉積物中分配和埋藏。
建設生物堤壩也是促進泥沙供給、降低波浪侵蝕的重要技術措施。改造防洪堤、丁字壩等硬質堤壩為咸水植物、牡蠣礁等生物堤壩，不僅可以起到海岸保護作用，還可保證濕地與河口的連通性，為藍碳生境植被的保護和恢復起重要支撐作用。
海岸帶藍碳增匯的對策與建議
中國是世界上少數幾個同時擁有鹽沼、紅樹林、海草床等藍碳生態系統的國家，又是世界上高泥沙入海通量的熱點地區之一，具有發展海岸帶藍碳的生物多樣性資源優勢和埋碳增匯的地質優勢。在中國碳達峰、碳中和目標背景下，通過一系列藍碳增匯技術措施，有望顯著恢復藍碳生境面積、提高土壤藍碳密度，在保持高沉積速率情境下逐漸提升海岸帶藍碳增匯潛力。但是，以往的海岸帶生態保護和修復建設工程忽視了藍碳固碳增匯技術，亟須研發兼顧生態系統保護修復與固碳增匯的協同增效技術途徑，建議未來的研究可從以下4個方向深入。
加快研發和布局前瞻性、顛覆性的海岸帶藍碳增匯技術。海岸帶藍碳增匯技術應兼顧生態保護和社會發展需求，聚焦海岸帶生態系統碳匯格局、過程機制、演化趨勢與潛力評估，構建以研發中心為支撐的創新平臺體系，融合生物學、生態學、化學和物理工程等技術和方法，培育和發展包括土壤負排放、植物固碳增匯、土壤微生物固碳、碳沉積埋藏等技術體系，強化海岸帶藍碳支撐固碳增匯的技術耦合優化與協同增效，建立海岸帶藍碳增匯技術示范區，推動前瞻性、顛覆性增匯技術廣泛推廣實施。
與海岸帶生態系統重大生態保護修復工程相結合，實現生態保護修復與固碳增匯協同增效。《全國重要生態系統保護和修復重大工程總體規劃（2021—2035年）》提出了以“三區四帶”為核心的全國重要生態系統保護和修復重大工程總體布局。其中，“三區四帶”中的一帶是指海岸帶，包括6項海岸帶生態保護和修復重點工程。未來應重視與海岸帶生態系統重大生態保護修復工程相結合，強調水文連通性和生物多樣性原則，完善海岸帶保護修復工程系列標準，有力推動基于自然的、更有韌性的海岸帶生態修復與固碳增匯協同增效的綜合體系建設，為海岸帶生態系統碳增匯提供技術支撐。
加強固碳增匯技術的監測與評估，不斷提升優化固碳增匯技術體系。當前海岸帶藍碳監測技術還沒有統一的規范和標準，碳儲量核算存在較大的爭議，亟待建立融合“衛星遙感觀測—大氣濃度監測—地面定位觀測”為一體的“天—空—地”一體化碳匯觀測體系，實現對海岸帶藍碳精確與高效的監測和評估；同時，基于觀測系統大數據、人工智能、高性能計算等技術，增強固碳過程觀測數據的精細化管理，科學評估不同固碳增匯技術的增匯效果，實現海岸帶生態系統藍碳碳匯的動態評估和科學預測。
建立海岸帶藍碳碳匯發展的長效管理機制，推動藍碳經濟發展，助力我國“雙碳”目標實現。海岸帶藍碳生態系統的生態保護修復與固碳增匯協同提升是一項綜合性工程，必須建立起包括多部門參與的長效管護機制，并逐步建立健全藍碳經濟相關法律法規，以保護和加快推動海岸帶藍碳經濟發展。此外，當前國內外已經建立了一些海岸帶藍碳核算和交易標準體系，但仍存在一些問題，包括核算指標體系不夠完善、指標核算邊界不清晰、評價具有主觀性等。因此，亟須建立編制一套國際認可、全球通用、科學公正的海岸帶藍碳核算體系，使之成為海岸帶固碳增匯目標實現與碳匯交易開展的重要參考依據，同時也為提高我國在國際碳匯核算規制制定中的影響力和話語權提供強有力的支撐。
（作者：韓廣軒、宋維民、李遠肖、雷雷、趙明亮、初小靜、謝寶華，中國科學院、山東省海岸帶環境過程重點實驗室；《中國科學院院刊》供稿）