CN108108585A - 一种海洋生物固碳计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋生物固碳计量方法，具体步骤包括将采集的海洋生物样品按不同物种进行分类，并分解为不同组织器官，将不同组织器官烘干处理，计算不同物种不同组织器官的湿质量比和干质量比，测出样品灰化前碳含量，对样品进行灰化处理后，测出样品灰化后碳含量，计算得出灰化前后湿样含碳率，再根据现存生物量估算出海洋生物现存碳储量、海洋生物捕捞移出碳储量、海洋生物沉积碳储量和海洋生物总碳储量。本发明的方法该简单容易操作，能够有效的估算海洋生物的储存碳的情况；同时对不同海洋动物的固碳能力以及海洋动物碳沉积进行研究，筛选出固碳能力较强的物种，为海洋牧场的模块化建设，碳汇估算和经营管理提供科学依据。

Description

一种海洋生物固碳计量方法

技术领域

本发明属于海洋生物研究领域，具体涉及一种海洋生物固碳计量方法。

背景技术

海洋是地球上最大的碳库，地球上超过一半(55％)的生物碳或是绿色碳是由海洋生物捕获的。由于海洋动物的呼吸过程将光合作用固定的碳返回到大气中，从而被认为是减弱了海洋生物泵的效率，但近些年越来越多的研究表明：海洋动物在海洋碳移动和储存上都有显著贡献。海洋动物对海洋碳汇作用主要表现在两个方面：一方面通过自身的生理活动影响海洋中碳的运输和循环，另一方面起着封存碳的作用。值得注意的是，海洋生物固碳不等于生物储碳，海洋中浮游生物和植物通过光合作用将大气中的二氧化碳(CO₂)转化为有机碳，并由食物链将有机碳在海洋中传递的过程，称为生物固碳。而有机碳在生产、消费、沉降等一系列过程中，将一部分碳封存或沉积在海洋中，并长期不再参与大气中CO₂的循环，称之为海洋储碳。海洋生物固碳和储碳对缓解全球气候变暖有非常重要的作用。

发明内容

本发明目的在于提供一种海洋生物固碳计量方法，能够估算海洋生物的碳储存量。

为实现上述目的，本发明法采用的技术方案如下：一种海洋生物固碳计量方法，其包括以下步骤：

步骤S1、将采集的海洋生物样品按不同物种进行分类，并分解为不同组织器官；

步骤S2、将不同组织器官烘干处理，计算不同物种不同组织器官的湿质量比和干质量比；

步骤S3、将烘干后样品进行研磨处理，测出不同物种不同组织器官碳含量；

步骤S4、将研磨后样品进行灰化处理并计算灰分含量和灰分比率；

步骤S5、测出不同物种不同组织器官灰化后的碳含量；

步骤S6、计算灰化前后湿样含碳率；

步骤S7、估算碳储量。

进一步地，所述步骤S1中不同组织器官为肌肉、骨骼/壳、鳍条、鳞片、内脏。

进一步地，所述步骤S2中烘干处理为采用冷冻干燥机冻干。

进一步地，所述步骤S2中计算不同物种不同组织器官的湿质量比和干质量比的公式如下：

r_ij＝w_ij/w_i

R_ij＝d_ij/w_ij

式中，r_ij为i种类j组织器官湿质量比；w_ij为i种类j组织器官的湿质量；w_i为i种类的总湿质量。R_ij为i种类j组织器官的干质量比；d_ij为i种类j组织器官的干质量；w_ij为i种类j组织器官的湿质量。

进一步地，所述步骤S4中灰化处理过程为将研磨后的样品放入坩锅中，用小火加热使样品充分炭化至无烟，然后置于马弗炉中，煅烧至无炭粒，即灰化完全；作为优选，煅烧温度为500～600℃，煅烧时间为3～5h；最优选的，煅烧温度为550℃，煅烧时间为4h。

进一步地，所述步骤S4中计算样品灰分含量与灰分比率，公式如下：

x＝m₁-m₃

f＝x/(m₂-m₃)

式中x为样品中灰分质量；m₁为坩埚和灰分的质量；m₃为坩埚质量。f为灰分比率；m₂为坩埚和样品的质量。

进一步地，所述步骤S6中湿样含碳率是指海洋生物不同组织器官碳含量总和，计算公式如下：

V_i前＝∑(r_ij×R_ij×C_ij前)

V_i后＝∑(r_ij×R_ij×f_ij×C_ij后)

式中，V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；r_ij为i种类j组织器官湿质量比；R_ij为i种类j组织器官的干质量比率；C_ij前为灰化前i种类j组织器官干样C含量；V_i后为灰化后i种类湿样含碳率；r_ij为i种类j组织器官湿质量比；R_ij为i种类j组织器官的干质量比率；f_ij为i种类j组织器官的灰分比率；C_ij后为灰化后i种类j组织器官干样C含量。

进一步地，所述步骤S7中碳储量计算公式如下：

现存生物量估算

B＝c/(q×a)×s

式中B为现存生物量；c为平均每小时拖网渔获量；a为每小时网具取样面积；q为网具捕获率；s为区域面积；

C_现存＝∑(B_i×V_i前)

式中，C_现存为海洋生物现存C储量；B_i为第i种海洋生物现存生物量；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_捕捞＝∑(E_i×V_i前)

式中，C_捕捞为海洋生物捕捞移出C储量；E_i为第i种海洋生物捕捞量；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_沉积＝∑(B_i×M_i×V_i前)

式中，C_沉积为海洋生物沉积C储量；B_i为第i种海洋生物现存生物量；M_i为第i种海洋生物自然死亡率；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_总＝C_现存+C_捕捞+C_沉积

式中，C_总为海洋生物总C储量；

C_实际埋藏＝∑B_i×(1+M_i)×V_i后

式中，C_实际埋藏为海洋生物实际埋藏的碳；B_i为第i种海洋生物现存生物量；M_i为第i种海洋生物自然死亡率；V_i后为灰化后i种类湿样含碳率。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用元素分析法，对海洋生物不同组织器官灰化前后碳质量分数进行测定，在此基础上，估算海洋生物碳质量分数，从而估算海洋生物碳储量，该方法简单，容易操作，能够有效的估算海洋生物的储存碳的情况；

(2)对不同海洋动物的固碳能力以及海洋动物碳沉积进行研究，筛选出固碳能力较强的物种，为海洋牧场的模块化建设，碳汇估算和经营管理提供科学依据。

附图说明

图1为柘林湾调查站位分布图；

图2为实施例中灰化前后含碳率均值变化图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，详细说明本发明的技术方案。

采样区域位于广东省饶平县境内柘林湾海洋牧场示范区，该示范区总面积2.067×10⁴hm²，并分为人工鱼礁区、网箱养殖区、增殖放流区、贝类底播区和海藻养殖区等5个区域。截止2014年底，投放礁体96 823×10⁴空方米，建成贝壳导流堤510m，形成生态型海底构建区示范面积798.67hm²。建立浅水浮式聚鱼构件示范区面积666.67hm²，深水浮式聚鱼构件示范区面积126.67hm²。增殖放流鱼苗720×10⁴尾，虾苗1.4×10⁸尾，资源产出是投入的7倍、回补率19.2％。建立贝床示范面积519.99hm²，贝类平均密度11个·m^-2以上。建立海藻区示范面积333.33hm²，海藻场平均生物量达1 000kg·hm^-2以上。

本实施例海洋生物固碳计量方法，包括以下步骤：

步骤S1将采集的海洋生物样品按不同物种进行分类，并分解为不同组织器官；

在柘林湾海洋牧场示范区海域布设13个站位进行游泳生物调查(图1)。海洋生物的采样和分析均按《海洋监测规范》(GB17378－2007)和《海洋调查规范-海洋生物调查》(GB12763.6－2007)中规定的方法进行。选取柘林湾常见物种，共采集样品18目44科71种(表1)，并分解为肌肉、骨骼/壳、鳍条、鳞片、内脏不同组织器官。

表1柘林湾海洋生物样品种类

Tab.1 The number of marine organism sample in Zhelin Bay

步骤S2、将不同组织器官采用冷冻干燥机冻干，计算不同物种不同组织器官的湿质量比和干质量比，公式如下：

r_ij＝w_ij/w_i

R_ij＝d_ij/w_ij

式中，r_ij为i种类j组织器官湿质量比；w_ij为i种类j组织器官的湿质量；w_i为i种类的总湿质量。R_ij为i种类j组织器官的干质量比；d_ij为i种类j组织器官的干质量；w_ij为i种类j组织器官的湿质量；

步骤S3、将烘干后的样品进行研磨处理，称取5mg(±0.005mg)样品，采用德国Vario EL cube元素分析仪，测出海洋生物不同物种不同组织器官碳含量(百分比含量)；

步骤S4、将样品进行灰化处理并计算灰分含量和灰分比率

将研磨后的样品称取2～3g，放入坩锅中，先以小火加热使样品充分炭化至无烟，然后置于马弗炉中，在550℃高温煅烧4h至无炭粒，即灰化完全。待冷至200℃以下后取出放入干燥器中冷却至室温，称取重量为恒量时的质量，计算样品灰分含量与灰分比率，公式如下：

x＝m₁-m₃

f＝x/(m₂-m₃)

式中x为样品中灰分质量；m₁为坩埚和灰分的质量；m₃为坩埚质量。f为灰分比率；m₂为坩埚和样品的质量；

步骤S5、测出不同物种不同组织器官灰化后的碳含量

将已灰化后的样品，称取5mg(±0.005mg)用锡箔纸将样品包好，用德国Vario ELcube元素分析仪测出样品中C含量(百分比含量)；

步骤S6、计算灰化前后湿样含碳率

湿样含碳率是指海洋生物不同组织器官C含量总和，计算公式如下：

V_i前＝∑(r_ij×R_ij×C_ij前)

V_i后＝∑(r_ij×R_ij×f_ij×C_ij后)

式中，V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；r_ij为i种类j组织器官湿质量比；R_ij为i种类j组织器官的干质量比率；C_ij前为灰化前i种类j组织器官干样C含量；V_i后为灰化后i种类湿样含碳率；r_ij为i种类j组织器官湿质量比；R_ij为i种类j组织器官的干质量比率；f_ij为i种类j组织器官的灰分比率；C_ij后为灰化后i种类j组织器官干样C含量；

步骤S7、计算碳储量

现存生物量估算

B＝c/(q×a)×s

式中B为现存生物量；c为平均每小时拖网渔获量；a为每小时网具取样面积；q为网具捕获率(取0.5)；s为区域面积。

捕捞生物量来源于渔业捕捞数据，自然死亡生物量数据采用1龄鱼类自然死亡率0.09乘以现存生物量估算，主要是由于渔获物中硬骨鱼类生物量占总生物量的70％以上。

碳储量计算公式如下：

C_现存＝∑(B_i×V_i前)

式中，C_现存为海洋生物现存C储量；B_i为第i种海洋生物现存生物量；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_捕捞＝∑(E_i×V_i前)

式中，C_捕捞为海洋生物捕捞移出C储量；E_i为第i种海洋生物捕捞量；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_沉积＝∑(B_i×M_i×V_i前)

式中，C_沉积为海洋生物沉积C储量；B_i为第i种海洋生物现存生物量；M_i为第i种海洋生物自然死亡率；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_总＝C_现存+C_捕捞+C_沉积

式中，C_总为海洋生物总C储量；

C_实际埋藏＝∑B_i×(1+M_i)×V_i后

式中，C_实际埋藏为海洋生物实际埋藏的碳；B_i为第i种海洋生物现存生物量；M_i为第i种海洋生物自然死亡率；V_i后为灰化后i种类湿样含碳率。

采用Excel对数据进行整理和分析，利用SPSS16.0对数据进行单因素方差分析，并结合Duncan法比较不同组织器官的含碳量差异显著性，P<0.01表示极显著差异，0.01<P<0.05表示差异显著，P>0.05表示差异不明显，结果与分析如下。

1、海洋生物各器官C含量

表2灰化前海洋生物各器官C含量均值

Tab.2 The concentration of C in different organs of marine organismbefore ashing％

注：表中数据为平均值±标准误；后表同此

Note：The data in the table isthe same case in the following tables.

表3灰化前海洋生物不同科各器官C含量

Tab.3 The concentration of C in different organs and Family of marineorganism before ashing％

如表2和表3所示，柘林湾海洋牧场海洋生物灰化前主要组织器官肌肉、骨骼/壳、内脏C含量均值变化范围分别为37.72％～47.41％、11.23％～34.91％、27.58％～33.95％，总体而言，海洋生物肌肉组织C含量均高于其他组织器官，其中双壳纲和腹足纲肌肉C含量显著高于骨骼C含量(P<0.05)，说明肌肉组织是海洋生物固碳的重要器官。

如图2所示，根据不同组织器官湿比重和干质量比率，估算出不同种类海洋生物的含碳率。灰化前硬骨鱼纲、甲壳纲(虾)、腹足纲含碳率均值较高，但除头足纲外，总体差别不大。大致为硬骨鱼纲11.48％，甲壳纲(虾)11.05％，甲壳纲(蟹)8.08％，双壳纲9.40％，腹足纲11.36％，头足纲4.02％。说明硬骨鱼纲、甲壳纲(虾)、腹足纲、双壳纲等固碳能力较强。

表4灰化后海洋生物各器官C含量均值

Tab.4 The concentration of C in different organs of marine organismafter ashing％

表5灰化后海洋生物不同科各器官C含量

Tab.5 The concentration of C in different organs and Family of marineorganism after ashing％

由表4和表5所示，灰化后海洋生物主要组织器官中肌肉、骨骼/壳、内脏C含量均值变化范围分别为1.83％～8.28％、1.90％～12.54％、0.62％～8.29％。其中除硬骨鱼纲肌肉C含量显著高于骨骼/壳外(P<0.05)，双壳纲、腹足纲等骨骼/壳C含量都显著高于肌肉C含量(P<0.05)，且腹足纲骨骼/壳C含量最高。说明骨骼/壳中无机碳含量较高，在海洋生物碳沉积中扮演重要角色。

如图2所示，根据估算得出：灰化后，各种类含碳率大致为腹足纲最高8.43％，双壳纲次之4.07％，而硬骨鱼纲(0.14％)，甲壳纲(虾)(0.52％)，甲壳纲(蟹)(0.99％)，头足纲(0.08％)含碳率均值不超过1％。总体来说，腹足纲与双壳纲生物储碳能力较强。

灰化前后除腹足纲外，各种类含碳率变化都较为明显，其中硬骨鱼纲、甲壳纲(虾)和头足纲变化最大。说明在灰化过程中，大部分的有机碳被灼烧，无机碳含量较少；进入碳循环的C较多，而沉积在海底并永久封存的C较少。

2、柘林湾海洋牧场海洋生物碳储量

海洋生物储碳的年限大致为100年，海洋中的有机碳可以通过生物地化作用重新进入碳循环，而无机碳由于进入碳循环的周期较长，可以认为是埋藏在海洋中的碳，不再进入碳循环。在此基础上，将柘林湾海洋牧场海洋生物储C分为3个部分：1)被人类捕获，从而移出海域的C；2)通过海洋生物自然死亡封存的C；3)现存于海域中的C。

表6柘林湾海洋生物C储量

Tab.6 The carbon storage in marine organism in Zhelin bay10⁴t

由表6所示，根据不同种类资源密度，柘林湾海洋牧场的海域面积，捕捞量以及自然死亡率估算出柘林湾海洋牧场的C储量。结果表明：2013年，柘林湾海洋牧场海洋生物储碳约6.728×10⁴t；其中通过人类捕捞移出碳约0.155×10⁴t，占总碳储量的2.31％；封存在海洋内的并不断进入碳循环的C约6.46×10⁴t，占总碳储量的95.98％；通过自然死亡或生物活动埋藏在海底的碳约0.11×10⁴t，占总碳储量的1.7％。

硬骨鱼纲和甲壳纲(虾)现存碳储量较高，达5.435×10⁴t，占碳储量的80.78％，主要由于柘林湾海洋牧场硬骨鱼纲和虾类资源密度和生物量较高，加之硬骨鱼纲和虾类含碳率高。而腹足纲和双壳纲年沉积碳储量较高，则是由于骨骼所占比重大，含碳率高所造成的。

Claims (10)

1.一种海洋生物固碳计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将采集的海洋生物样品按不同物种进行分类，并分解为不同组织器官；

步骤S2、将不同组织器官烘干处理，计算不同物种不同组织器官的湿质量比和干质量比；

步骤S3、将烘干后样品进行研磨处理，测出不同物种不同组织器官碳含量；

步骤S4、将研磨后样品进行灰化处理并计算灰分含量和灰分比率；

步骤S5、测出不同物种不同组织器官灰化后的碳含量；

步骤S6、计算灰化前后湿样含碳率；

步骤S7、估算碳储量。

2.根据权利要求1所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，所述步骤S1中不同组织器官为肌肉、骨骼/壳、鳍条、鳞片、内脏。

3.根据权利要求1所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，所述步骤S2中烘干处理为采用冷冻干燥机冻干。

4.根据权利要求1所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，所述步骤S2中计算不同物种不同组织器官的湿质量比和干质量比率的公式如下：

r_ij＝w_ij/w_i

R_ij＝d_ij/w_ij

式中，r_ij为i种类j组织器官湿质量比；w_ij为i种类j组织器官的湿质量；w_i为i种类的总湿质量。R_ij为i种类j组织器官的干质量比；d_ij为i种类j组织器官的干质量；w_ij为i种类j组织器官的湿质量。

5.根据权利要求1-4任一项所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，所述步骤S4中灰化处理过程为将研磨后的样品放入坩锅中，用小火加热使样品充分炭化至无烟，然后置于马弗炉中，煅烧至无炭粒，即灰化完全。

6.根据权利要求5所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，煅烧温度为500～600℃，煅烧时间为3～5h。

7.根据权利要求6所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，煅烧温度为550℃，煅烧时间为4h。

8.根据权利要求5所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，所述步骤S4中计算样品灰分含量与灰分比率，公式如下：

x＝m₁-m₃

f＝x/(m₂-m₃)

式中x为样品中灰分质量；m₁为坩埚和灰分的质量；m₃为坩埚质量。f为灰分比率；m₂为坩埚和样品的质量。

9.根据权利要求1、2、3、4、8任一项所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，所述步骤S6中湿样含碳率是指海洋生物不同组织器官碳含量总和，计算公式如下：

V_i前＝∑(r_ij×R_ij×C_ij前)

V_i后＝∑(r_ij×R_ij×f_ij×C_ij后)

式中，V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；r_ij为i种类j组织器官湿质量比；R_ij为i种类j组织器官的干质量比率；C_ij前为灰化前i种类j组织器官干样C含量；V_i后为灰化后i种类湿样含碳率；r_ij为i种类j组织器官湿质量比；R_ij为i种类j组织器官的干质量比率；f_ij为i种类j组织器官的灰分比率；C_ij后为灰化后i种类j组织器官干样C含量。

10.根据权利要求9所述的海洋生物固碳计量方法，其特征在于，所述步骤S7中碳储量计算公式如下：

现存生物量估算

B＝c/(q×a)×s

式中B为现存生物量；c为平均每小时拖网渔获量；a为每小时网具取样面积；q为网具捕获率；s为区域面积；

C_现存＝∑(B_i×V_i前)

式中，C_现存为海洋生物现存C储量；B_i为第i种海洋生物现存生物量；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_捕捞＝∑(E_i×V_i前)

式中，C_捕捞为海洋生物捕捞移出C储量；E_i为第i种海洋生物捕捞量；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_沉积＝∑(B_i×M_i×V_i前)

式中，C_沉积为海洋生物沉积C储量；B_i为第i种海洋生物现存生物量；M_i为第i种海洋生物自然死亡率；V_i前为灰化前i种类湿样含碳率；

C_总＝C_现存+C_捕捞+C_沉积

式中，C_总为海洋生物总C储量；

C_实际埋藏＝∑B_i×(1+M_i)×V_i后

式中，C_实际埋藏为海洋生物实际埋藏的碳；B_i为第i种海洋生物现存生物量；M_i为第i种海洋生物自然死亡率；V_i后为灰化后i种类湿样含碳率。