CN117204379B - 基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海水水产养殖技术领域，尤其涉及一种基于牡蛎‑裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法。包括：选取大小和外观相似的健康牡蛎，洗净，均匀铺于培养箱底部；灌入5~15℃海水，在培养箱上部对应的侧壁固定裙带菜绳；在裙带菜绳上夹裙带菜幼苗，进行间隔垂养；牡蛎与裙带菜幼苗的湿重比为6~8:1；将培养箱置于阳光下混养，养殖期间培养箱扣盖、不换水，养殖至牡蛎出肉率≥10%或裙带菜幼苗长度超过100cm后取出牡蛎或裙带菜幼苗，采集海水样品进行水质参数测定，评估碳汇情况；更换新批次的牡蛎或裙带菜幼苗，进行下一轮混合养殖。优点在于：通过本发明混合养殖模式的碳汇增汇方法可移除大量碳。
Description
技术领域
本发明涉及海水水产养殖技术领域，尤其涉及一种基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法。
背景技术
海洋巨大的碳吸收能力对于减少大气中的二氧化碳和减缓全球变暖具有重要作用。碳汇渔业是指促进水生生物通过渔业生产活动吸收水中CO2，通过收获水生生物来去除水中碳或通过生物沉积作用将其沉降于水底的过程和机制。碳汇渔业这一新的低碳、绿色的理念更好的显示了水产养殖的食物供给和生态服务两大功能。多营养层次综合养殖模式（Integrated Multi-Trophic Aquaculture, IMTA）是一种低碳、生态、高效的水产养殖模式，IMTA既可以改善生态环境增加渔民收入又可以人为增加生物碳汇，能够较好的体现出碳汇渔业的新理念，以可持续发展中国低碳经济。
IMTA是在一个系统中养殖来自不同营养层的水产养殖物种的养殖技术，是一种实现环境和经济可持续性的做法。在多营养层次综合养殖系统中有机提取单元（主要为贝类，可过滤颗粒有机物）和无机提取单元（主要为大型海藻，可吸收无机营养盐）可以吸收来自饲饵式鱼虾类的有机和无机颗粒废物，降低养殖对环境的危害。研究显示，IMTA技术增加水产养殖动物和海藻的产量，同时减少其它环境污染物的产生。IMTA不是一个新概念，IMTA的起源可以追溯到数千年前的古代文明我国和埃及，农民实行一种与鱼类养殖相结合的农业形式。世界范围内设立了许多IMTA养殖基地，主要分布在西方国家，同时我国的桑沟湾也是世界上最大的IMTA养殖基地。目前我国海水养殖的 IMTA 模式有贝-藻混养，鱼-虾混养等模式，大量实践证明IMTA养殖模式是在经济效益与生态效益上比单一品种更优的养殖模式。
我国是世界上最大的海水贝类和藻类养殖生产国家，据《中国渔业统计年鉴》的统计数据表明：2021年我国海水贝藻养殖产量为1798万t，约占我国海水养殖产量的81.3 %，约占世界海水养殖产量的1/2在应对气候变化中发挥着重要作用。据研究表明，2018-2020这三年我国贝藻养殖总碳汇量高达659万t，相当于每年义务造林87万hm2，体现出贝藻养殖较强碳汇的功能，并且牡蛎和裙带菜的年均固碳量分别均可排在前三位，具有很大的碳汇潜力。这说明，贝藻多营养层次综合养殖模式能够更好地体现出水产养殖的生态效益，贝藻的碳汇功能起到了一定的作用，是碳汇渔业下水产养殖业代表性发展模式。因此，大力发展海洋碳汇渔业多营养层次综合养殖模式，突破改进海水养殖业的关键技术，解决目前养殖模式中存在的问题，进行贝、藻类等多种生物的人工増养殖，积极拓展改革生态系统养殖模式，对于低碳经济发展和实现“碳中和”目标具有重要意义。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法。
本发明目的在于提供一种基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法，具体包括如下步骤：
S1、选取大小和外观相似的健康牡蛎，去除牡蛎外壳的附着物，洗净，将牡蛎均匀铺于培养箱底部；所述牡蛎湿重为130~140g；
S2、灌入5~15℃海水，在培养箱上部对应的侧壁固定裙带菜绳；所述海水体积为培养箱体积的60~75%；
S3、取外观无损伤的裙带菜幼苗，在裙带菜绳上夹裙带菜幼苗，进行间隔垂养，放置在牡蛎上方；所述牡蛎与所述裙带菜幼苗的湿重比为6~8:1；
S4、将培养箱置于阳光下进行混合养殖，养殖期间培养箱扣盖、不换水，养殖至牡蛎出肉率≥10%或裙带菜幼苗长度超过100cm后取出牡蛎或裙带菜幼苗，采集海水样品进行水质参数测定，评估碳汇情况；所述出肉率=软组织/总重×100%；
S5、更换新批次的牡蛎或裙带菜幼苗，重复S1~S4步骤进行下一轮混合养殖。
优选的，牡蛎为大连湾牡蛎；所述裙带菜幼苗长度为45~55cm。
优选的，海水为砂滤自然海水。
优选的，牡蛎与所述裙带菜幼苗的湿重比为8:1。
优选的，牡蛎壳高3~5cm、壳长9~11cm、壳宽5~6cm。
优选的，水质参数包括盐度、pH、溶解氧、溶解有机碳浓度和/或溶解无机碳浓度。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明非投饵性滤食性贝类在无外界喂食的情况下通过滤食海水中浮游植物及有机物碎屑等颗粒有机碳进行自身及贝壳的生长，并通过收获可移除大量碳，对环境负面影响较低，碳汇效果显著。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的贝藻不同比例混合养殖pH变化结果。
图2是根据本发明实施例提供的贝藻不同比例混合养殖CO2变化结果。
图3是根据本发明实施例提供的贝藻不同比例混合养殖溶解无机碳（DIC）浓度变化结果。
图4是根据本发明实施例提供的贝藻不同比例混合养殖溶解有机碳（DOC）浓度变化结果。
图5是根据本发明实施例提供的贝藻不同比例混合养殖CO2分压（pCO2）变化结果。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明的实验材料如下：
裙带菜（Undaria pinnatifida）、大连湾牡蛎（Ostrea talienwhanensis Crosse）取自于大连市塔河湾养殖场，全程用冷藏车运回至实验室，采回来后用砂滤自然海水冲去表面附着泥沙，暂养于养殖缸中。实验前用滤纸吸干藻体和牡蛎表面可见水滴，用毛刷轻轻刷去牡蛎壳表附着藻类，再将藻体和贝体称重。
本发明提供一种基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法，具体包括如下步骤：
S1、选取大小和外观相似的健康牡蛎，去除牡蛎外壳的附着物，洗净，将牡蛎均匀铺于培养箱底部；所述牡蛎湿重为130~140g、壳高3~5cm、壳长9~11cm、壳宽5~6cm；
S2、灌入5~15℃海水，在培养箱上部对应的侧壁固定裙带菜绳；所述海水体积为培养箱体积的60~75%；海水为砂滤自然海水；
S3、取外观无损伤的裙带菜幼苗，在裙带菜绳上夹裙带菜幼苗，进行间隔垂养，放置在牡蛎上方；所述牡蛎与所述裙带菜幼苗的湿重比为6~8:1；
S4、将培养箱置于阳光下进行混合养殖，养殖期间培养箱扣盖、不换水，养殖至牡蛎出肉率≥10%或裙带菜幼苗长度超过100cm后取出牡蛎或裙带菜幼苗，采集海水样品进行水质参数测定，评估碳汇情况；出肉率计算公式如下：
出肉率=软组织/总重×100%；
S5、更换新批次的牡蛎或裙带菜幼苗，重复S1~S4步骤进行下一轮混合养殖。
在具体实施例中，牡蛎为大连湾牡蛎；所述裙带菜幼苗长度为10~16cm。
在具体实施例中，牡蛎与所述裙带菜幼苗的湿重比为8:1。
在具体实施例中，水质参数包括盐度、pH、溶解氧、溶解有机碳浓度和/或溶解无机碳浓度。
实施例1
本实施例提供一种基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法，具体包括如下步骤：
S1、选取大小和外观相似的健康牡蛎，去除牡蛎外壳的附着物，洗净，将牡蛎均匀铺于30L培养箱底部；所述牡蛎湿重为137.86±13.35g、壳高4.11±0.15cm、壳长10±0.33cm、壳宽5.76±0.18cm；
S2、灌入5~15℃砂滤自然海水20L，在培养箱上部对应的侧壁固定裙带菜绳；
S3、取外观无损伤的裙带菜幼苗，裙带菜幼苗湿重（12.85±1.80）g、长（51.25±3.16）cm、宽（15.04±1.50）cm；在裙带菜绳上夹裙带菜幼苗，进行间隔垂养，放置在牡蛎上方；所述牡蛎与所述裙带菜幼苗的湿重比为6~8:1；
S4、将培养箱置于阳光下进行混合养殖，养殖期间培养箱扣盖、不换水，养殖至牡蛎出肉率（软组织/总重）≥10%或裙带菜幼苗长度超过100cm后取出牡蛎或裙带菜幼苗，采集海水样品进行水质参数测定，评估碳汇情况；
S5、更换新批次的牡蛎或裙带菜幼苗，重复S1~S4步骤进行下一轮混合养殖。
原理：实验培养过程中裙带菜叶片不断脱落，形成有机碎屑为牡蛎提供饵料，牡蛎滤食海水中的单胞藻和有机碎屑，为牡蛎生长提供源源不断的饵料，提高水体透明度有利于裙带菜光合作用和生长，裙带菜吸收二氧化碳进行光合作用产生氧气，而牡蛎消耗氧气，产生二氧化碳，这样的生理机能，使二者在同一环境中相辅相成，相互促进生长。
实施例2
牡蛎与裙带菜幼苗湿重比优化实验，具体如下：
1、设定不同湿重比，设置空白组、实验组（单一贝类、单一藻类、贝藻混养组）；实验组分别为牡蛎与裙带菜湿重比为1:0、0:1、6:1、8:1、12:1、24:1，标记为A~F组；每组三个不同比例下各组实际湿重如下表1：
表1不同湿重比牡蛎和裙带菜的实际湿重（单位：g）
2、采集样品及样品预处理
根据本发明的方法养殖，于养殖第1天17：00采集样品，第2天和第3天的8：00和17：00分别采集样品，每次采集作业持续1h，采样现场用美国YSI 556MPS便携式多参数水质仪对海水水温（Temp）、盐度（Salinity）、pH、溶解氧（DO）、溶解有机碳（DOC）浓度和溶解无机碳（DIC）浓度等水质参数进行测定；采集水样60ml装入60ml的硼硅酸盐棕色瓶子中用来测定DIC，采集水样125ml放入125ml白色聚乙烯瓶子中用来测定总碱度（TA），并用100μL饱和HgCl2处理以抑制任何微生物活性，均在4℃保存直至分析；将40ml水样通过0.22μmGF/F针头式过滤器(Millex-GP)进行过滤并装入40ml的硼硅酸盐棕色瓶子（马弗炉在450℃下预燃5h）用来测定DOC，随后暂存至-20℃。所有采集用瓶子均在2mol/L盐酸中酸洗12h。
3、样品处理与分析
使用AS-ALK2 总碱度分析仪（Apollo SciTech）测定TA，使用AS-D1溶解无机碳分析仪（Apollo SciTech）测定DIC，使用总有机碳分析仪（TOC-L CPH）测定DOC。根据DIC、TA、温度和盐度等数据使用CO2sys_v2.2xls软件计算、/>、CO2和pCO2等碳酸盐体系。
4、数据分析
通过EXCEL 2016进行数据整理，所有实验数据均由平均值±标准误差（Mean±SE，n≥3）表示，使用SPSS 25进行数据分析，组内分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA），采用LSD检验，P＜0.05为显著性差异；采用Origin 2021进行绘图。
5、结果分析
（1）pH：pH变化如图1所示，pH变化趋势呈现出昼高夜低趋势。空白组呈现上下波动趋势，变化不大。单一贝类呈现出逐渐下降的趋势。试验结束时，pH低至7.45，具有显著性差异（p＜0.05）。大型海藻占比越高，pH越大，有利于为减轻海洋酸化作出贡献。试验结束时，贝藻不同配比处理组均呈现出不同程度的增加，最高的为贝藻配比6:1，pH高达9.01，除贝藻配比8:1外，具有显著性差异（p＜0.05）。
（2）CO2浓度：CO2浓度变化如图2所示，单养裙带菜组和各贝藻配比混养组均出现白天CO2浓度降低，夜晚CO2浓度升高趋势，总体呈现出降低的趋势；空白组CO2浓度没有太大的变化；单养牡蛎组则体现出CO2浓度较高的增长的趋势，牡蛎通过自身新陈代谢与贝壳的生长（钙化作用）排放CO2，导致CO2浓度呈现出较高的增长趋势，在3d时CO2浓度高达110.17μmol/kg，具有显著差异性（p＜0.05）。试验结束时，单一藻类、贝藻配比6:1和8:1均呈现出显著降低，碳汇效果明显，三者之间无显著性差异（p＞0.05）。
（3）DIC变化：DIC变化如图3所示，结果显示空白组呈现整体趋于平行的趋势；单一贝类组呈现出日趋上升趋势，在3d 17:00时高达2347.52μmol/kg；单养牡蛎组和各贝藻配比混养组均出现白天DIC降低，夜晚升高趋势，总体呈现出降低的趋势，其中牡蛎和裙带菜配比为6:1和8:1时DIC降低较明显，试验结束时分别为1583.51μmol/kg和1594.10μmol/kg，两者之间无显著性差异（p＞0.05），但与其他组相比具有显著性差异（p＜0.05）。DIC浓度会影响大型藻类光合作用以及自身的生长，当DIC较低时会显著抑制藻类光合作用；在试验结束时，DIC浓度显著降低。
（4）DOC变化：牡蛎和裙带菜混养DOC的变化见图4。结果显示，所有实验组中DOC浓度变化均出现不同程度的增加，空白组呈现上下波动趋势，单养牡蛎组呈现出稳定上升的趋势，从实验初期的DOC浓度1.64mg/L上升至1.94mg/L，排除DOC自身降解外，增长率为18.3%。单养裙带菜组和贝藻配比6:1表现出极高的增长速率，试验结束时，分别高达6.94mg/L和5.98mg/L，具有显著性差异（p＜0.05）。空白组和单养牡蛎组增长速率较低，这可能是牡蛎释放DOC速率较裙带菜低以及DOC自身在水体中存在降解的原因。
（5）pCO2变化：牡蛎和裙带菜混养pCO2的变化见图5，结果显示，pCO2的变化与观察到的CO2浓度变化非常相似。pCO2也表现出昼夜波动，但在这种情况下，它们在夜间增加，在白天减少，总体呈现出降低的趋势。空白组表现出上下持续波动。在牡蛎占比比例较高的处理组中观察到较高的pCO2浓度，单养牡蛎组持续增长，到试验结束时高达1672.59μatm表现出极强的CO2源，具有显著性差异（p＜0.05）。当实验结束时比例为6:1和8:1时观察到显著降低，低至22.49μatm和28.23μatm表现出极强的CO2汇，两者之间无显著性差异（p＜0.05）。总体而言，当裙带菜比例越高时，水体中CO2碳汇越明显。
本实验中pH和CO2浓度变化呈相反趋势，牡蛎昼夜通过呼吸作用产生CO2，降低海水中pH，提升海水中CO2的浓度，大型海藻通过光合作用吸收CO2，降低海水中CO2浓度的含量，增加pH。这解释了pH昼高夜低和CO2浓度昼低夜高的现象。牡蛎通过钙化作用及呼吸作用释放CO2，在试验结束时，单养牡蛎组pH降至7.45，处于生存危险边缘。有研究表明当水体中pH为7.3时，贝类的钙化率接近于0，贝将不能合成贝壳，这对其生存还是碳汇都是不利的。另外单养牡蛎组在D3 8:00的CO2浓度低于在D3 17:00时的CO2浓度这可能是牡蛎为了应对海水pH值变化以及适应海水酸化而作的策略，导致牡蛎呼吸速率降低。由图可知不同比例贝藻混养均引起了pH不同程度的增加，这表明大型海藻在缓解海洋酸化方面具有重要作用，适当贝藻比例可以降低二氧化碳浓度并形成碳汇以抵抗海洋酸化，此外Ricart等研究表明养殖大型海藻可以提高牡蛎贝壳的钙化速率，使牡蛎壳生长速度提高了40%，提高了固碳速率。因此，从理论上讲，大型海藻养殖可以抵消贝类呼吸作用和钙化作用产生的二氧化碳对海洋的pH值和DO的影响。贝藻混养中裙带菜比例越大，吸收CO2效果越明显，这说明裙带菜的光合速率要大于牡蛎的呼吸速率，本实验也验证了这一观点，试验结束时，贝藻混养中比例为6:1和8:1的CO2浓度要显著低于其他组，水体中CO2浓度得到了较好的吸收，具有较好的碳汇效应。
本实验结果显示此过程中牡蛎通过呼吸作用产生的DIC明显大于钙化作用中消耗的DIC，形成总体上DIC的增加，这与Liu等得出的结论相似。因此双壳类动物的呼吸作用可能会导致水体中DIC的积累和释放。有研究显示尽管贝类呼吸作用排放的CO2并不影响海水中的TA，但贝类的钙化过程会导致海水TA下降，从而限制了海水吸收CO2的能力，影响了碳酸盐平衡。本实验中不同配比的贝藻组在试验结束时DIC均得到不同程度的降低，贝藻配比为6:1和8:1时DIC得到了显著降低（p＜0.05），研究显示虽然将藻体养殖在相对低 DIC 浓度的海区可显著促进藻体对DIC的吸收，但是DIC浓度过低会影响藻类的光合速率及生长率。由图可知6:1和8:1的DO释放量相差无几，甚至8:1略高，此外CO2浓度方面也有类似现象其中贝藻比例8:1略低于6:1，这很可能由于实验进行到后期水体中DIC浓度降到了非常低的水平，抑制了藻类的光合作用，使氧气释放速率、二氧化碳吸收率以及藻体生长率降低，本文验证了这一观点，这也与Han等人的研究相似。由于实验水体较少且完全封闭与大规模贝藻养殖存在不可避免的差异，对于不同环境效益存在不同的贝藻比例需求，如果需求一个良好的碳汇效益那么贝藻比例6：1是好的选择，如果要求碳汇效益、经济效益和环境效益同时兼顾，贝藻比例8：1是一个好的选择。
大型藻类与贝类在生长过程中向水中释放DOC，在试验结束时所有处理组均明显高于空白组具有显著性差异（p＜0.05），本文结果显示大型藻类释放的DOC要明显高于贝类释放的DOC。有研究显示贝类养殖释放的DOC可以快速重复利用，因此可能不容易储存在海水中，此外有研究显示水中DOC在释放初期会有大部分将被降解重新回到水中。牡蛎本身是释放的DOC较少，再加上被降解的一部分导致被检测到的DOC含量更少。空白组存在上下波动的趋势，这可能是海水中一些浮游动物以及有机碎屑通过微生物分解将DOC排放入水中。大型藻类与贝类释放的DOC中将通过微生物固碳的方式将不稳定的DOC转化为稳定惰性有机碳（RDOC），并将长期储存在深海中，使贝藻产生的有机碳以溶解的形式发挥碳汇功能。DOC浓度越高转化的RDOC量也就越多。试验结束时，贝藻配比12:1和24:1的DOC浓度明显（p＜0.05）低于6:1和8:1的浓度，故应该排除贝藻配比12:1和24:1。
实施例3
贝藻组合优化实验，具体如下：
在贝类与海藻综合养殖的过程当中，贝藻在呼吸、生长和代谢方面达到了相互促进的同时又各自行使其固碳职能。不管是养殖效率还是环保效率都比单一培养要高。然而，为了在不对环境造成任何负面影响的情况下创造最强的净碳汇，必须确定贝类与海藻的适当比例。本实施例参考本领域的相关论文等参考文献，采用贝类分别为大连湾牡蛎、太平洋牡蛎、栉孔扇贝、厚壳贻贝、葡萄牙牡蛎，藻类选取裙带菜、龙须菜、海带或半叶马尾藻，通过不同湿重比例与不同贝藻组合进行养殖，并测定CO2去除率；通过CO2去除率评估不同比例下碳汇效果；结果如表2所示：
表2 不同贝藻混养模式下碳汇效果对比
结果可以看出，大连湾牡蛎和裙带菜的组合下，当贝藻比例为6:1和8:1时，在pH和DOC方面均呈现出较高的值，能够更好的吸收CO2；在pCO2和CO2浓度方面均呈现出较低的值，碳汇效果显著。比例为8:1时海水中CO2去除率约为91.33%。CO2去除率最高可以达到91.33%。通过观察上述研究数据可以清晰地得出结论，牡蛎裙带菜配比为6:1和8:1时的培养效果最好，对环境负面影响较低，碳汇效果显著。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、选取大小和外观相似的健康牡蛎，去除牡蛎外壳的附着物，洗净，均匀铺于培养箱底部；所述牡蛎湿重为130~140g；所述牡蛎为大连湾牡蛎；
S2、灌入5~15℃海水，在培养箱上部对应的侧壁固定裙带菜绳；所述海水体积为培养箱体积的60~75%；
S3、取外观无损伤的裙带菜幼苗，在裙带菜绳上夹裙带菜幼苗，进行间隔垂养，放置在牡蛎上方；所述牡蛎与所述裙带菜幼苗的湿重比为8:1；
S4、将培养箱置于阳光下进行混合养殖，养殖期间培养箱扣盖、不换水，养殖至牡蛎出肉率≥10%或裙带菜幼苗长度超过100cm后取出牡蛎或裙带菜幼苗，采集海水样品进行水质参数测定，评估碳汇情况；所述出肉率=软组织/总重×100%；
S5、更换新批次的牡蛎或裙带菜幼苗，重复S1~S4步骤进行下一轮混合养殖。
2.根据权利要求1所述的基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法，其特征在于：所述裙带菜幼苗长度为45~55cm。
3.根据权利要求2所述的基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法，其特征在于：所述海水为砂滤自然海水。
4.根据权利要求3所述的基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法，其特征在于：所述牡蛎壳高3~5cm、壳长9~11cm、壳宽5~6cm。
5.根据权利要求4所述的基于牡蛎-裙带菜混合养殖模式的碳汇增汇方法，其特征在于：所述水质参数包括盐度、pH、溶解氧、溶解有机碳浓度和/或溶解无机碳浓度。
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| 牡蛎与裙带菜浅海生态间养模式;谭林涛;于成松;王航宁;徐雯雯;王津果;宋建威;;中国水产(第05期);全文 * |
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