2022年，中国水产科学研究院黄海水产研究所等单位（Liu 等）在《Frontiers in Marine Science》发表了山东荣成桑沟湾的四季调查结果，比较贝类单养、贝藻混养与大型藻类养殖三种模式（IMTA，多营养层次综合养殖）下海水无机碳、有机碳系统及海气 CO₂ 通量的差异。表层水二氧化碳分压（pCO₂）由 OceanPack（SubCtech，德国基尔）走航式 CO₂ 分压仪测定。结果显示：夏季贝类养殖区溶解氧最低（7.07 ± 0.25 mg/L）、pH 最低（7.73），是唯一的 CO₂ 源；秋冬季全湾则是强 CO₂ 汇。

一、研究背景

海洋是最大的碳汇，约吸收了人类活动排放 CO₂ 的 30%。2018 年人类活动排放约 11.5 ± 0.9 GtC，其中约 2.6 ± 0.6 GtC 被海洋吸收。海水吸收 CO₂ 会改变原有碳酸盐体系平衡，导致海洋酸化，进而影响钙化生物与鱼类的生存。

大型海藻养殖可通过光合作用吸收过量 CO₂、提高周边水体 pH，从而在局地尺度缓解酸化；海藻生长还会释放大量溶解有机碳（DOC），部分可转化为难降解有机碳（RDOC）长期储存在海水中。而贝类养殖的情况更为复杂：其呼吸与钙化过程会向海水释放 CO₂、升高溶解无机碳（DIC）与 pCO₂、降低 pH，纯贝类养殖甚至可能成为海水中额外的 CO₂ 来源。已有的 CO₂ 通量研究多聚焦于大洋或大型藻类养殖，对“贝—藻综合养殖模式”整体碳循环影响的认识仍然不足。桑沟湾是我国北方典型的贝藻综合养殖区，是回答这一问题的理想场所。

二、观测平台与方法

桑沟湾位于山东半岛东侧（37°01′~37°09′N，122°24′~122°35′E），面积约 144 km²，平均水深 7.5 m，主要养殖种类为海带（Saccharina japonica）、太平洋牡蛎（Crassostrea gigas）与栉孔扇贝（Chlamys farreri）。湾内自西向东分为贝类养殖区（湾内）、大型藻类养殖区（湾外）与贝藻混养区（湾中）。

研究于 2019 年 4 月（春）、7 月（夏）、10 月（秋）、次年 1 月（冬）开展 4 次现场调查；每个养殖区布设 4 个站位，湾外对照区亦设 4 个站位。现场使用水质分析仪测定溶解氧、水温、pH、盐度等指标；表层水 pCO₂ 由 OceanPack（SubCtech，德国基尔）二氧化碳分压仪测定。水样用采水器采集后，经 GF/F 膜与醋酸纤维膜现场抽滤：酸化的 GF/F 膜用于元素分析仪测定颗粒有机碳（POC）；滤液经饱和 HgCl₂ 固定后，用总有机碳分析仪测定 DIC 与 DOC；总碱度（TA）以自动电位滴定法测定，测量精度 ± 5 mmol/L。

海气界面 CO₂ 交换通量按 F = k × αs × ΔpCO₂ 计算：F（mmol m^-2 d^-1）为通量，负值代表海水吸收 CO₂（汇），正值代表释放（源）；k 为气体传输速度，取大陆架海区平均值 10.3 cm/h；αs 为 CO₂ 溶解度系数（按 Weiss 1974 公式计算）；大气 pCO₂ 取 410 µatm。研究用方差分析（ANOVA）检验季节与养殖模式的影响。

图1. 德国SubCtech公司 OceanPack 走航式 pCO₂ 观测系统（LI-COR 分析模块内置于碳纤维框架）

三、主要结果

（1）环境参数：夏季贝类区出现低氧与低 pH。 季节与养殖区均显著影响表层溶解氧（季节 F = 5.10，养殖区 F = 4.59，p < 0.05）。夏季贝类养殖区溶解氧显著低于其他区域，最低仅 7.07 ± 0.25 mg/L；pH 在贝类养殖区最低、在大型藻类养殖区最高，夏季贝类区平均 pH 仅 7.73。相比周边海区，夏季贝类养殖区的 pH 低 0.12—0.39 个单位、溶解氧低 0.94—1.06 mg/L；而大型藻类养殖区的 pH 高 0.10—0.34 个单位、溶解氧高 0.03—0.53 mg/L。总碱度在贝类养殖区显著最低，且随温度升高而下降。文献指出，pH 每下降 0.1 个单位，贝类钙化速率下降 13.5%；当 pH 低至 7.3 时贝类将无法合成贝壳。

（2）无机碳与 pCO₂ 的时空变化。 季节与养殖模式显著影响 DIC（季节 F = 325.75，养殖区 F = 7.18）与 pCO₂（季节 F = 38.97，养殖区 F = 11.79，p < 0.05）。表层 DIC 与 pCO₂ 均为夏季最高、冬季最低；空间上 DIC 与 pCO₂ 在贝类养殖区最高、大型藻类养殖区最低。由走航观测绘制的季节分布图可见：夏季表层 pCO₂ 最高，部分海区超过 420 µatm；春季约 330—395 µatm；秋季约 318—345 µatm；冬季最低，约 310—330 µatm。

图2. 桑沟湾表层海水 pCO₂ 的四季水平分布（单位：µatm）（Liu et al., 2022）

（3）有机碳分布。 DOC 在大型藻类养殖区最高、贝类养殖区最低，最低值出现在秋季；POC 夏季最高、在贝类区与藻类区较低、其余区域较高。贝类养殖区夏季 DOC 显著高于其他区域。

（4）海气 CO₂ 通量：夏季贝类区是"源"。 季节（F = 210.43）与养殖模式（F = 44.14）均显著影响 CO₂ 通量。春季贝类养殖区为弱汇；夏季贝类养殖区与贝藻混养区转为大气 CO₂ 的源；秋冬季全湾为强 CO₂ 汇，通量最低可达约 -60 mmol m^-2 d^-1。相关分析显示，全年 CO₂ 通量与 DIC 显著正相关（r = 0.488），秋冬季与 DIC 的相关系数更高（r 分别达 0.959 与 0.994），而与 pH 显著负相关（秋季 r = -0.935，冬季 r = -0.905）；夏季 CO₂ 通量与叶绿素 a 呈强负相关（r = -0.975）。

图3. 桑沟湾不同养殖区四季海气 CO₂ 通量（负值为汇，正值为源）（Liu et al., 2022）

四、结论与科学意义

研究表明，大规模养殖会显著改变近岸碳汇功能，且不同养殖模式的影响存在明显差异。贝类养殖通过呼吸与钙化提高 DIC 与 pCO₂、降低 pH 与 TA，夏季甚至使养殖区由汇转源；而大型藻类养殖则通过吸收无机碳、释放 DOC，提高 pH 并增强碳汇。作者强调，贝类养殖能否表现为碳汇，高度依赖条件（如温度与是否配套大型藻类养殖）；桑沟湾较弱的换水能力放大了贝类养殖区无机碳体系的变化。总体而言，贝藻综合养殖（IMTA）在局地碳循环中扮演重要角色，有助于缓解海洋酸化与低氧，但要实现可持续的碳汇效益，需要科学配置藻类养殖规模。

五、对海洋碳与温室气体观测的启示

桑沟湾研究的一大技术亮点，是把走航式 pCO₂ 观测系统（OceanPack）直接用于近岸养殖区的四季网格调查。相比传统瓶采样，走航式 CO₂ 分压测量能够以更高时空分辨率刻画 pCO₂ 在养殖区与对照区之间的梯度，为通量计算提供关键的海水侧数据。这一案例说明：OceanPack 一类模块化、可快速部署的走航观测系统，不仅适用于大洋与渡轮走航，同样适合海湾、养殖区、河口等复杂近岸环境的碳循环研究；配合溶解氧、pH、叶绿素等传感器，可形成对酸化与低氧的同步监测能力。对于我国规模庞大的海水养殖产业而言，这种“走航 + 多参数”的观测方式，为评估养殖活动的碳源汇效应、优化养殖布局提供了可靠的技术支撑。

参考文献

1. Liu Y, Zhang J, Wu W, Zhong Y, Li H, Wang X, Yang J, Zhang Y. Effects of Shellfish and Macro-Algae IMTA in North China on the Environment, Inorganic Carbon System, Organic Carbon System, and Sea–Air CO₂ Fluxes. Frontiers in Marine Science, 2022, 9: 864306. DOI: 10.3389/fmars.2022.864306

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