通过亚热带海湾中的初级生产力来量化沿海蓝碳

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Quantifying coastal blue carbon through primary production in a subtropical bay

蓝碳生态系统碳汇机制研究——以台湾毛那么湾为例。通过全年采样，量化了浮游植物介导的生物碳泵（phyto-BCP）、浮游植物相关微生物碳泵（phyto-MCP）和底栖大型藻类输出生产（benthic EP）三大碳汇途径的贡献。结果表明：冬季浮游植物主导（68.3%），夏季底栖藻类贡献率达66.1%；尽管底栖藻类仅占研究区12%面积，但其单位面积碳汇效率（1.77 tCO?e·ha?1·yr?1）是浮游植物的1.32倍。研究揭示了浅海区光营养限制与底质耦合机制，为滨海蓝碳修复提供理论依据。

　　
毛澳湾亚热带海湾碳汇机制与生态价值研究

1. 研究背景与科学问题
全球气候变化背景下，沿海生态系统作为重要的蓝碳汇，其碳固定机制与生态功能评估已成为海洋碳汇研究的热点领域。传统评估体系多聚焦于红树林、盐沼等典型滨海湿地，却忽视了亚热带海湾中浮游植物与底栖宏藻的协同作用。本研究针对台湾东北部毛澳湾这一典型亚热带海湾，创新性地构建了"浮游植物-微生物"与"底栖宏藻"双路径碳汇评估模型，揭示了不同生境碳固定过程的季节性耦合机制。

2. 研究区域与生态系统特征
毛澳湾作为西北太平洋的亚热带海湾，具有独特的地理特征：73公顷的浅水海域（平均深度<30米）、复杂的地形结构（潮间带与近岸礁石区）以及丰富的生物多样性（记录到7种优势底栖藻类和5类重要经济鱼类）。研究区的水动力条件表现为季节性平面混合与冬季深层环流，这显著影响了营养盐的垂直分布与生物可利用性。

3. 多维度碳汇监测方法
研究团队采用整合式观测系统，构建了从分子机制到生态系统尺度的碳通量监测网络：
- 水柱动态监测：通过多深度营养盐（NO3-N、PO4-P等）和叶绿素a的同步测定，发现冬季营养盐浓度较夏季高3-5倍
- 浮游植物生产过程解析：采用14C同位素稀释法结合光-暗瓶实验，精确区分了颗粒有机碳（POC）与溶解有机碳（DOC）的输出路径
- 底栖宏藻功能评估：建立潮间带与近岸底栖区双采样系统，通过生物量测定与光合速率分析，量化了不同生境碳固定效率

4. 碳汇过程的核心发现
（1）季节分异特征
- 浮游植物：冬季（营养盐高）达到年峰值（277 mgC/m2/d），PER值达61%
- 底栖宏藻：近岸礁区夏季（光照强）NPP峰值达4461 mgC/m2/d，潮间带则呈现春-秋双峰结构
- 碳汇总量：冬季（153.4 kgC/d）显著高于其他季节，年总碳汇88.3 kgC/d，折合CO?当量1.62 t/ha·yr

（2）碳通量动态平衡
- 优势碳泵：浮游植物介导的BCP贡献68.3%（年均60.3 kgC/d）
- 辅助机制：底栖宏藻EP贡献17.5%（年均15.4 kgC/d），微生物泵MCP贡献14.2%
- 空间异质性：近岸区BCP贡献率（78%）显著高于离岸区（62%），底质影响碳通量分布

5. 关键机制解析
（1）营养盐调控的浮游植物动态
冬季营养盐输入量（NO3-N达4.82 μM）驱动浮游植物爆发性生长，其碳固定效率（e-ratio）与水温呈负相关（R2=0.82）。通过建立温度-初级生产函数，发现当水温>25℃时，碳泵效率下降40%以上。

（2）光能驱动底栖宏藻生产
近岸底栖藻类在夏季（日均光照>6小时）NPP达到峰值，其碳固定速率（4461 mgC/m2/d）是冬季的15倍。潮间带宏藻因周期性干湿胁迫，光能利用率仅为深水区的63%。

（3）微生物介导的碳转化
浮游植物释放的溶解有机碳（DPP占比达38%）通过微生物泵转化为稳定RDOC，转化效率受环境pH（7.8-8.3）和溶解氧（4-6 mg/L）显著影响，形成稳定的年际波动模式。

6. 生态服务价值评估
（1）碳汇效率比较
- 浮游植物：1.34 tCO?-e/ha·yr（单位面积）
- 底栖宏藻：1.77 tCO?-e/ha·yr（单位面积）
- 生态效率排序：底栖宏藻（1.77）> 浮游植物（1.34）> 潮间带泥滩（0.89）

（2）系统服务价值
- 年碳汇总量：118.5 tCO?-e/yr（当前）
- 潜力提升空间：若宏藻覆盖度从12%提升至50%，年碳汇可增加64.6 tCO?-e/yr
- 碳汇经济价值：按碳交易价50美元/tCO?-e计算，年生态服务价值达5925美元

7. 管理启示与政策建议
（1）生境修复优先级
- 近岸礁区（覆盖率仅15.2%）：优先恢复巨藻（Hizikia okamurai）群落
- 潮间带（覆盖率23.0%）：实施浮动基质种植技术
- 深水区（覆盖率34.4%）：建立人工藻林缓冲带

（2）动态监测体系构建
建议建立"三区五季"监测网络：
- 近岸区（<5m）：每季度监测
- 中湾区（5-15m）：双月监测
- 外海区（>15m）：季度监测
重点参数包括：叶绿素a荧光参数（Fv/Fm）、碳氮比（C/N）、有机质类型（Chi-COC、COC-COC）

（3）政策协同机制
- 将碳汇潜力纳入海洋空间规划（2025-2030年提升20%蓝碳面积）
- 建立基于NPP的碳汇交易机制（参考巴西红树林碳汇市场）
- 制定潮间带生态红线（建议保护面积占比不低于30%）

8. 科学理论突破
（1）揭示亚热带海湾碳泵的耦合机制：冬季BCP与夏季EP形成互补，破解了传统"夏消冬停"的认知误区
（2）建立潮间带宏藻生产力模型：提出"光-温-盐"三参数耦合响应方程（P=0.85×L?.67×T??.32×S?.21）
（3）发现微生物泵的时空分异规律：夏季DPP转化率（5%）是冬季（1.2%）的4.2倍

9. 区域应用价值
（1）气候适应策略：通过宏藻群落构建热浪缓冲带，降低夏季水温波动幅度达1.2-1.8℃
（2）渔业协同发展：宏藻床为底栖生物提供20-30%的食物来源，实施碳汇管理可提升渔业产量15-20%
（3）灾害防控效能：人工藻林可减少30%的近岸波浪能量，降低风暴潮破坏风险

10. 未来研究方向
（1）长期定位观测：建议在毛澳湾建立10年连续观测站
（2）多尺度耦合模型：整合3D水动力模型与生物地球化学模型
（3）社区参与机制：探索原住民在碳汇管理中的角色（如排湾族传统养殖方式）

本研究不仅革新了亚热带海湾碳汇评估方法，更为沿海蓝碳战略提供了科学支撑。通过揭示浮游植物与底栖宏藻的碳汇协同机制，证实了浅海生态系统在碳封存中的不可替代性。研究提出的"季节性碳泵互补"理论，为区域气候适应规划提供了新思路，特别是通过调控宏藻群落结构实现碳汇功能倍增，这对实现碳中和目标具有重要实践价值。