大型海藻养殖对中国三沙湾碳酸盐系统及生物硫动态的影响

时间：2026年2月17日

来源：Marine Pollution Bulletin

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该研究在2022年11月调查了南海三沙湾的Laminaria japonica与Gracilariopsis lemaneiformis轮作藻类养殖区，发现收获后藻类残骸导致溶解有机碳显著释放，使养殖区成为大气CO₂源（日均通量6.48 mmol/m²·d，是非养殖区14-34倍），同时底层DMSP浓度升高，引发表面海水DMS通量增加。与 Mesocosm 实验对比表明，养殖区碳硫循环由残骸输入和有机碳矿化主导，而 Mesocosm 系统以活体藻类光合固碳和硫释放为主。研究成果揭示了藻类收获期对区域碳硫循环的显著影响，强调需优化管理策略评估长期环境影响。

王平|胡正新|辛宇|李冰瀚|韩璐|董书航|刘春英|刘涛|胡静文|龚江琛|杨桂鹏

中国海洋大学化学与化学工程学院，教育部海洋化学理论与技术重点实验室，深海多圈层与地球系统前沿科学中心，青岛，266100，中国

摘要

大型藻类养殖在碳封存和缓解沿海富营养化方面发挥着重要作用，但其对收获过程中碳和硫循环的影响仍知之甚少。本研究考察了2022年11月中国三沙湾“Laminaria japonica”-“Gracilariopsis lemaneiformis”轮养区收获活动对碳酸盐系统和生物硫释放的影响。研究结果表明，收获后溶解有机碳的显著释放与有机碳的再矿化同时发生，使得该养殖区在观测期间成为大气CO₂的净来源。平均海气通量为6.48 mmol m⁻² d⁻¹，是相邻未养殖水域的14.43至34.71倍。同时，沉降的大型藻类碎屑促进了底部层中二甲基磺丙酸（DMSP）的生成，提高了养殖区的生物硫浓度。相比之下，原位中试培养显示新鲜的“G. lemaneiformis”主要以光合作用固定碳和释放硫为主。主要区别在于，中试系统以生产为主，受光合作用固定碳和生物硫释放调控；而野外系统则主要由碎屑输入和有机碳再矿化主导，从而调节碳和硫循环。这些发现突显了大型藻类在收获期间对碳和硫循环的影响，并强调了需要优化管理策略，以更准确地评估大型藻类养殖对水碳和硫循环及其气候变化的长期影响。

引言

包括红树林、盐沼和海草床在内的沿海植被被广泛认为是重要的蓝碳汇（Friess等人，2024年；Macreadie等人，2021年）。在这些生态系统中，大型藻类栖息地代表了地球上最广阔的植被覆盖和生产力最高的沿海区域（Duarte等人，2022年；Krumhansl等人，2025年；Pessarrodona等人，2022年）。先前的研究表明，大型藻类释放的有机碳通过沉积物埋藏和深海传输等机制显著促进了碳封存（Krumhansl等人，2025年），以及通过微生物产生难降解的溶解有机碳（Li等人，2023年）。这些过程共同促进了海洋环境中有机碳的长期储存（Hurd等人，2022年；Krumhansl等人，2025年；Li等人，2023年；Xiong等人，2024年）。尽管关于大型藻类碳封存潜力的研究很多，但大多数研究集中在颗粒有机碳（POC）的命运上（Pessarrodona等人，2023年）。在生长过程中，大型藻类会以POC和溶解有机碳（DOC）的形式释放大量有机碳（Li等人，2022年；Li等人，2023年；Xiong等人，2024年）。这些有机碳大多具有相对较高的活性，可以通过微生物矿化和再矿化转化为溶解无机碳（DIC），并最终可能以CO₂的形式释放到大气中（Xiong等人，2024年）。在浅水及半封闭的养殖系统中，海水碳酸盐系统对大型藻类生物量及相关生物过程非常敏感（Li等人，2021b）。在高密度生物量养殖条件下，呼吸作用增强和有机物再矿化会增加碳酸氢根（HCO₃⁻）和氢离子（H⁺）浓度，同时降低碳酸根离子（CO₃²⁻）浓度，导致pH值下降和CO₂水平升高（Liu等人，2025年）。因此，在某些条件和时期，这些过程可能会削弱甚至暂时逆转养殖区的碳汇功能。因此，大型藻类养殖会显著改变碳酸盐系统，可能在养殖周期内导致局部酸化和缺氧（Xiong等人，2024年）。

除了在碳封存中的重要作用外，藻类还通过释放挥发性有机硫化合物在海洋环境中调节气候。一些大型藻类在生长过程中吸收硫酸盐以合成二甲基磺丙酸（DMSP）。此外，最近的研究还发现某些海洋细菌也能合成DMSP（Wang等人，2024年）。在海洋环境中，DMSP通过细胞裂解、浮游动物捕食和海洋病毒攻击等过程释放到海水中。一旦释放到海水中，DMSP可以通过微生物降解进一步转化为二甲基硫化物（DMS）。当前研究表明，藻类爆发会对海洋来源的硫产品的空间和时间分布产生深远影响，并在调节硫循环中起关键作用（Han等人，2021b）。然而，关于藻类对海水硫循环的影响，尤其是养殖大型藻类生长过程中的生物硫合成和变化的研究仍较少。

最近的研究表明，大型藻类释放的有机碳随生长阶段而变化，在生长后期和衰老期释放速率显著增加（Carlson等人，2024年）。大型藻类以多种形式释放碳，包括完整的生物量、组织碎片、颗粒有机物质（POC）和溶解有机物质（DOC）（Kennedy和Blain，2025年）。收获活动会导致成熟藻体的机械损伤和破碎，直接增加POC并促进受损组织的快速渗出，随后微生物降解进一步增加DOC的输入（Perkins等人，2023年）。这些过程改变了收获期间的有机碳分配及其随后的再矿化途径（Kerrison等人，2025年；Kennedy和Blain，2025年）。在再矿化过程中，微生物群将有机碳氧化为无机碳物种（如CO₂、CH₄、CO₃²⁻、H₂CO₃、HCO₃⁻、CaCO₃），从而改变养殖环境中的CO₂源汇动态。同时，大型藻类在生长过程中积累DMSP，当藻类衰落并沉降后，微生物会分解并利用藻类碎片中的DMSP。通过微生物降解释放到海水中的DMSP可以进一步分解为DMS（Hawthorne等人，2025年）。这一过程改变了海水中生物硫的动态。此外，微生物群还参与硫酸盐（SO₄²⁻）和硝酸盐（NO₃⁻的还原，以及厌氧氨氧化（anammox）过程（Jørgensen等人，2024年），这一过程由过氧化物酶介导的厌氧碳氧化驱动（Chen等人，2025年）。这些相互关联的过程在调节沿海生态系统中的碳-硫循环中起着关键作用。

中国是大型藻类养殖的主要国家，利用离岸养殖技术为减少海洋排放和增强海洋碳汇提供了有前景的解决方案（Jiao等人，2020年）。先前的研究表明，大型藻类养殖中的环境CO₂源汇动态主要由大型藻类和微生物之间的协同作用调节（Xiong等人，2024年）。微生物介导的有机碳再矿化也与涉及生物硫气体（如DMS）的生物地球化学过程密切相关（Perkins等人，2023年）。然而，大多数现有研究是在受控条件下进行的，例如呼吸室或包含海藻、鱼类、贝类的原位封闭系统中，以评估养殖对海洋碳酸盐系统的影响。值得注意的是，收获后有机碳和大型藻类残余物在驱动潜在碳和硫生物地球化学过程中的作用很大程度上被忽视了。

本研究在中国福建省三沙湾的“Laminaria japonica”-“Gracilariopsis lemaneiformis”轮养区进行了野外观察和中试培养实验，当时正处于“G. lemaneiformis”的收获期。我们的主要研究目标是：（1）通过现场观察阐明收获后大型藻类在海水中的潜在生物地球化学过程及其对CO₂和DMS释放的影响；（2）通过原位中试培养明确大型藻类对碳和硫元素的影响。这项工作试图阐明大型藻类捕捞对轮养区碳和硫生物地球化学循环的影响。

研究区域

研究区域（北纬26.48°–26.70°，东经119.81°–119.95°）位于中国东海西北部的三沙湾，是一个半封闭的海湾，具有独特的地形特征，周围有山脉和不规则的海岸线。该区域面积约为720平方公里，最大深度为90米，根据中国标准属于天然港口（Wang等人，2019年）。该地区受到多条河流的影响。

“G. lemaneiformis”收获阶段碳酸盐系统和生物硫的变化

三沙湾的海水温度范围为19.6至21.9°C，平均值为20.7±0.7°C，盐度在31.2至32.6之间，平均值为31.6±0.4（表S1和S2）。值得注意的是，温度和盐度在所有站点都表现出均匀的垂直分布。

在整个研究区域内，碳酸盐系统中的DIC、TA、pH、pCO₂、Ca²⁺和Ω_arag浓度范围分别为2095至2153（平均值：2126±20）μmol kg⁻¹、2264至2350（2290±23）μmol kg⁻¹

收获期间碳酸盐系统动态的潜在控制因素

我们的结果表明，养殖区（J1、J2和J3站点）的DIC和TA浓度升高，从表层到底层呈递增趋势。这一现象可能归因于收获过程中藻类和碎屑释放的有机碳，这些有机碳容易被水中的微生物矿化和分解。如报道所述，有机碳的厌氧降解（例如微生物硫酸盐还原等）也促进了这一过程。

结论

野外观察显示，大型藻类养殖区从潜在的碳汇转变为大气CO₂的净来源，平均通量为6.48 mmol m⁻² d⁻¹，是相邻未养殖海域的14.43至34.71倍。同时，养殖区表层海水中的DMS通量增加，底部层中DMSP大量积累。这些动态变化主要由两个关键因素驱动：

CRediT作者贡献声明

王平：撰写——初稿、调查、数据分析。胡正新：撰写——审阅与编辑、调查、数据管理。辛宇：监督。李冰瀚：撰写——审阅与编辑、监督。韩璐：撰写——审阅与编辑、数据分析。董书航：调查、数据管理。刘春英：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。刘涛：撰写——审阅与编辑、监督。胡静文：数据分析。龚江琛：监督，