关注蓝碳 | 一文读懂海洋环境与碳循环

海洋环境与海洋碳循环系统

海洋环境通常分为海洋水色环境、海洋动力环境、海洋地质环境等。海洋水色环境中的叶绿素、泥沙含量，海洋动力环境中的温度、盐度、海流、海风、海浪、潮汐以及海洋地质环境的海底地形、冻土等直接影响海洋碳循环系统和海洋-大气碳交换，进而影响整个碳循环。
海洋碳循环系统通过海洋碳吸收过程、海洋生物碳交互过程以及陆架上升流碳输入过程，与大气碳循环系统、陆地碳循环系统等共同维护“碳循环圈”的稳定（图1），维持着地球生态平衡。
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图1  海洋碳循环系统
  海洋水色环境与碳循环
% c- K, V, @+ z9 D) C/ i) v+ A7 c海洋水色环境主要包括浮游植物的叶绿素浓度、无机的悬浮物浓度和有机的黄色物质浓度等水色要素。海洋水色环境是海洋生态环境、海洋灾害、海洋资源开发利用的重要影响因素。
6 a) H5 Q, \5 G4 z$ o( l1）海洋水色是海洋生态环境变化的重要观测变量
+ G& |; M, S! F5 X浮游植物的叶绿素a浓度在海洋生物泵（BP）、微型生物碳泵（MCP） 和大洋生态系统碳汇中发挥着重要作用；海洋叶绿素a浓度与光合作用速率和生物量有着直接关系，是海洋生物和海洋化学研究的重要参数；在沿岸生态系统中，滨海湿地在全球海洋碳储存中也发挥着重要作用，红树林、盐沼和海草床湿地每年埋藏并长久保存的有机碳数量，约占海洋沉积物碳埋藏量的50%以上，虽然海草床仅占全球海洋面积的0.1%，但年固碳量却约占海洋总固碳量的18%。所以，直接观测海洋水色就能够反演近岸和海滩环境的变化。
8 v" B+ y; ~5 {9 J/ o, j2）海洋水色环境变化是海洋灾害的直接反映
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( Z- i$ h6 {& N5 B根据《2020年海洋灾害公报》，中国近10年平均每年发生赤潮51次，年平均影响面积约4452 km2（图2），东海海域赤潮次数最多且累计面积最大，4—5月是赤潮次数最多、累计面积最大的月份；近10年来海水环境恶化引发大面积浒苔绿潮，主要集中在4—8月，年均最大分布面积37744.7 km2，年均最大覆盖面积447.9 km2。海洋水色环境本质上是海洋污染、泥沙含量和植被变化等状况的直接反映，是监测海洋污染、灾害的重要手段。

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图2  2011—2020年中国海域赤潮发生次数和
赤潮累计面积
3）海洋水色环境关系到海洋资源的开发和利用
根据《2020年中国海洋经济统计公报》统计结果，2020年全国海洋生产总值80010亿元，其中与海洋水色环境直接相关的海洋渔业全年实现增加值4712亿元、滨海旅游业13924亿元。这些海洋经济活动就是充分开发和利用了与海洋水色环境紧密相关的海洋生物、滨海矿砂、海水化学、滨海旅游等资源。
  海洋动力环境与碳循环
( d: x3 y  B. S" l海洋动力环境主要包括海水温度、海水盐度、海水密度、海面风场、海面高度、海面波浪、海流和潮汐等动力要素。海洋动力环境对碳循环的影响主要体现在产生海洋可再生能源（海洋能）、对海-气CO2通量交互。
) q$ x; I1 O! j8 A1 m# W1）海洋动力环境影响海洋能产生
* m: `. a: U, ^/ m# f" @* D海洋能包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能、盐差能等。中国重视海洋能的开发利用和产业化，并于2017年发布首个海洋能发展规划，即《海洋可再生能源发展“十三五”规划》，明确指出要提高海洋能开发利用能力、推进海洋能技术产业化。海洋能源储量巨大、开发利用发展迅速，全球海洋可再生能源资源的理论储量为年可发电量2.0×1015kW·h；中国的波浪能理论总功率约为7.0×107kW；截至2020年底，中国海上风电累计装机容量约为9.0×106kW；截至2021年底，海上风电装机规模居世界第一；全球有13个国家从事潮流能技术研发，英国和美国的潮流能技术和装置较多，尤其是英国潮流能技术始终处于世界领先地位，潮流能资源年可开发量高达2.1×1010kW·h。全球海洋可再生能源是全球电力消费量的数十倍，而每千瓦海洋能可以减少CO2排放1.667t/a。
2）海洋动力环境影响海-气CO2通量交互
由3个国际全球变化研究计划共同发起的全球碳循环计划将海洋-大气CO2净通量及相互作用列为最重要的研究内容之一，其中“碳酸盐泵”和“物理盐泵”的过程都与海洋动力环境参数密切相关。海-气CO2交换发生在海面表层并划分为5个部分，海洋动力环境参数是重要的驱动因子（图3），例如温度是主要的热力学因子，与CO2浓度呈负相关；而风场是重要的动力因子，与CO2交换速度呈正相关；海流则在海洋内部，在全球尺度上传输并影响CO2的浓度分布。全球尺度上的海洋碳源区和碳汇区相对比较稳定，即赤道海域是全球海洋最大的碳源，特别是赤道太平洋地区每年即向大气输入大量CO2。
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图3  海洋动力环境与CO2的交互原理
1.4  海洋地质环境与碳循环
海洋地质环境主要包括海水淹没的海底地形、海洋沉积物、海底构造和海底资源等地质要素，这些要素与海洋碳循环密切相关。
1）海底地形通过多途径影响碳循环
; ?, K) p4 b- ]. |6 u) M& W4 i9 Z. o海底地形会影响到大洋环流而改变海水中碳的全球输运。水体中的碳随着寒流进入深海或沉降到深海内部，从而形成稳定的碳库。海底地形还会影响到底栖生物群落以及底栖生物残体和排泄物的埋藏程度。
2）海洋沉积物是全球碳循环的重要组成部分
不同海洋区域沉积环境、冻士发育状况、河流/海岸侵蚀作用、海冰覆盖以及“生物泵”强度等差别显著，导致沉积有机碳的源汇过程具有显著的区域性差异。北极圈海岸带受侵蚀影响最大的是美国和加拿大的波弗特海岸，图4为沿北极圈的海岸侵蚀率情况。北冰洋的溶解性陆源有机质约占全球向海洋输入的13%，这些陆源有机质不仅影响到北半球高纬度地区的陆地生态系统碳储量，也会影响到北冰洋的碳收支。
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图4  沿北极圈的海岸侵蚀率
3）海底资源储藏大量丰富的碳
4 Z- l0 n& h! I+ d8 `# A海底资源包括海底矿产资源（滨海砂矿、大洋多金属结核、钴结壳和热液硫化物等）、海底能资源（石油、天然气、天然气水合物和海底热能等）、海水资源、深海生物基因资源、海底空间资源等。海底沉积物中具有丰富的碳资源，海底石油资源量约为1.35×1011 t，海底天然气约为1.4×1014 m3，约占世界油气总资源量45%。海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为1.8×1016 m3。北冰洋大陆架上分布着大面积海底冻土，约存储5.6×1011 t的有机碳以及6.0×1010 t的CH4。

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来源 | 本文节选自《面向碳综合治理的卫星海洋遥感 体系展望》原刊于前瞻科技
5 h+ N- }, C8 x- I* U- g) J; ?作者 | 张庆君 中国空间技术研究院
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