工程设计学报杂志投稿格式参考范文：滨海蓝碳增汇：技术、装备前沿与展望

　　引言

　　为了实现《巴黎协定》设定的 “到本世纪末全球平均气温的上升幅度控制在 1.5℃以内” 的目标，必须在 2050 年达到二氧化碳(CO₂)净零排放。固定和储存的碳被称为 “蓝碳”。在全球气候变化的背景下，滨海蓝碳生态系统因其巨大的碳汇潜力而受到广泛关注。滨海蓝碳生态系统主要包括红树林、盐沼、海草床三大传统蓝碳生态系统和海藻场这一新兴蓝碳生态系统。其中三大传统蓝碳生态系统贡献了全球海洋沉积物中超过 60% 的有机碳，而总面积只占海洋生态系统的 0.5%[1]。滨海蓝碳生态系统每年的 CO₂封存量达到 2.2×10⁴Mg/hm²，是陆地森林生态系统的数十倍乃至数百倍 [2]。因此，滨海蓝碳生态系统作为重要的天然碳汇，在全球碳循环和缓解气候变化中发挥着至关重要的作用。

　　全球红树林每年的 CO₂封存量为 (1.7±0.2) Mg/hm²，红树林面积约为 1.5×10⁷hm²，占世界森林总面积的 0.4%;然而，在过去 30 年间，全球红树林面积约减少了 1.0×10⁶hm²，预计到 2100 年末，因红树林减少导致的 CO₂排放量为 2.4×10⁹~3.4×10⁹Mg [3]。全球盐沼的碳储量为 (334.4±3.5) Mg/hm²，盐沼面积约为 5.5×10⁶hm²，占滨海蓝碳生态系统总面积的 4%[4]。2000-2019 年，全球盐沼面积总损失量约为 1.4×10⁵hm²，相当于新加坡面积的 2 倍，这导致每年约增加了 1.6×10⁷Mg 的 CO₂排放量 [5]。全球海草床储存的有机碳约达 2.0×10¹⁰Mg，海草床面积约为 7.9×10⁷hm²，占全球海洋面积的 2%;自 20 世纪以来，全球海草床的年平均损失率为 1.5%，导致每年有 1.1×10⁷~2.3×10⁷Mg 有机碳加速分解 [6]。大型海藻是海岸带的主要初级生产者，其净初级生产力为 1.0×10⁹~2.0×10⁹Mg/a，海藻场面积为 2.8×10⁸~4.3×10⁸hm²[7];在过去 50 年间，由于海洋污染、捕捞、物种入侵、水产养殖以及全球变暖等原因，约 60% 的海藻场已退化 [8]。滨海蓝碳生态系统的退化显著削弱了其碳汇能力，因此，亟须修复滨海蓝碳生态系统，提高其碳汇能力，这对推动 “碳达峰” 和 “碳中和” 进程具有重要意义。

　　通过 Web of Science 网站检索到的关于滨海蓝碳增汇研究的发文情况。由总发文量可知，滨海蓝碳增汇的研究经历了起始阶段、上升阶段和高速发展阶段。2009 年，联合国环境规划署(United Nations Environment Programme, UNEP)、联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)和联合国教育科学文化组织政府间海洋学委员会(United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization-Intergovernmental Oceanographic Commission, UNESCO-IOC)联合发布了《蓝色碳汇：健康海洋固碳作用的评估报告》(Blue Carbon: The Role of Healthy Oceans in Binding Carbon)，首次提出 “蓝碳” 概念，即蓝碳指由海洋生物捕获的碳，滨海蓝碳增汇研究开始萌芽。随着气候变化共识的达成及 2016 年《巴黎协定》正式签署生效，滨海蓝碳增汇研究快速发展，相关发文量陡增。

　　发文量分类显示，关于红树林蓝碳增汇的研究最多，盐沼和海草床次之，关于海藻场蓝碳增汇的研究最少。海藻场作为一种新兴的蓝碳生态系统，其碳汇功能和碳汇能力仍然存在一些争议，但随着越来越多的证据证明海藻场具有强大的碳汇潜力，其研究论文逐步增多。

　　作者的地域分布显示，美国、中国、澳大利亚、印度尼西亚的发文量较多。中国是世界上少数几个同时拥有红树林、盐沼、海草床三大蓝碳生态系统的国家之一，同时中国大型海藻产量占全球 2/3 左右 [9];印度尼西亚拥有全世界最大面积的红树林。

　　研究主题显示，研究主要集中在缓解气候变化、生态系统恢复及沉积物有机碳埋藏等。

　　根据滨海蓝碳生态系统的类别和特征，作者总结了其主要增汇技术和装备。

　　1 红树林增汇技术

　　1.1 红树林造林型增汇技术

　　人口增长、粮食生产、工业和城市发展以及木材砍伐等因素导致红树林遭到大面积破坏，红树林造林型增汇技术则是通过植树造林恢复和扩大红树林面积，以此恢复和提高红树林的蓝碳储量，这是国内外广泛采用的主流的红树林增汇技术。例如：全球红树林品种最丰富的国家 —— 印度尼西亚提出了 “到 2024 年末红树林面积恢复 6.0×10⁵hm²” 的目标，该行动将使其全国土地 CO₂排放量减少 16%[10]。

　　红树林造林型增汇技术的广泛推广和成功应用，对全球红树林的分布格局、增汇格局产生了较大影响。例如：中国历史上红树林生态系统的最北端边界曾位于福建省福鼎市(27°20′N)附近，1957 年以来浙江省温州市(28°20′N)成功引进红树林，实现了红树林北移。到 2020 年，浙江省的红树林面积达到 386.8hm²，北移 3 年后红树林的净碳吸收量达到 1.1Mg/(hm²・a)[11]。Song 等 [12] 预估在 40 年内红树林损失区域进行再造林后，可吸收 6.7×10⁸~6.9×10⁸Mg 的 CO₂，并且相比于光滩造林，重新造林后的蓝碳储量约可增加 60%。

　　红树林造林型增汇技术的关键包括造林位置和物种的选择等，环境因素对红树林的生长有着重要影响。从造林位置来看，随着种植场地海拔的降低，红树植物秋茄(Kandelia obovata)和白骨壤(Avicennia marina)的总生物量分别减少了 48.8% 和 19.7%;从物种来看，白骨壤生态系统的有机碳储量高于秋茄生态系统的有机碳储量 [13]。因此，为了最大限度地提高红树林的固碳效果，可重点考虑在低海拔地区种植白骨壤。不过，红树林造林型增汇具有一定的局限性，例如其不适用于年平均降雨量少、淹水时间长、盐度高的区域。

　　1.2 红树林水文连通型增汇技术

　　填海造田、堤坝水利以及道路建造会阻断海洋与湿地之间的水文连通性，造成红树林退化。红树林水文连通型增汇通常需要修改或者移除水利工程以及直接连通水流，主要方式有降低防潮闸门的高度、拆除堤坝以及开通沟渠等。该增汇技术的原理主要包括：1)水文连通后，潮汐作用恢复，可以在淹水条件下营造厌氧环境，抑制有机质的分解 [14];2)海水中丰富的硫酸盐沉积在湿地中，使得硫酸盐还原菌成为湿地中的优势菌群，这进一步缓解了由 CH₄排放造成的有机碳的损失 [15];3)水文连通后排水功能恢复，使得水位下降且海水淹没时间缩短，红树林幼苗的根系或红树林种子在该水文条件下可以接触到沉积物，减少漂浮时间，保持其发芽和生长活力 [16]。

　　目前，国内外已有较多红树林水文连通型增汇技术的工程应用实例。例如：印度尼西亚苏拉威西岛的废弃池塘恢复水文活动后，促进了红树林再生，该修复区域每年大约减少了 27.6Mg/hm² 的 CO₂排放 [17]。不过，由于后续河流携带的泥沙不断沉淀，主要的渠道容易堵塞，需要经常疏浚，因此增汇管护时在水文修复方面需投入的资金较多。

　　2 盐沼增汇技术

　　2.1 盐沼植被修复型增汇技术

　　受到外来物种入侵、海岸工程建设和海平面上升等因素的影响，盐沼本土植物会大量死亡甚至全部消失。盐沼植被修复型增汇技术主要通过促进盐沼植被恢复和生长来提升由植物主导的内源碳库的固碳功能。其中，生物炭和微生物菌剂具有提供养分(氮、磷和钾等)和改良土壤(优化 pH 值、阳离子交换能力、盐度、容重及减少污染物)等功能，施用后有利于植物根系发育，促进植物生长，并从大气中吸收更多的 CO₂，因此是值得关注的盐沼植被修复新材料。例如：为期 2 年的原位实验表明，添加生物炭后，盐沼土壤有机质增加了 48.5%~139.6%，植物生长量提高了 49.2%~56.7%[18];通过 60d 的盆栽实验发现，施加 1% 的互花米草生物炭后，碱蓬幼苗的生物量约提高了 100%[19];Sood 等 [20] 发现，施加木霉菌(Trichderma)后，叶片中的钾浓度升高，植物根系吸收养分的能力提高;施加 44.9kg/hm² 的木霉菌后，盐沼植物海三棱藨草的植株增长率可达 669%，土壤的脲酶活性和碱性磷酸酶活性显著提高 [21]。

　　此外，生物炭和微生物菌剂在缓解植物受到化感胁迫方面也具有较大的潜力。外来入侵生物互花米草会分泌化感物质如庚烷、棕榈酸、硬脂酸、2,4 - 二叔丁基酚和氢化肉桂酸等 [22]，这些化感物质通过干扰光合作用、阻断三磷酸腺苷的合成和破坏植物的正常代谢来抑制周围盐沼本土植物的生长，即便清除了互花米草，残留的化感物质在短期内也无法完全降解消除，而添加生物炭和微生物菌剂可以有效缓解这些化感物质对盐沼本土植物的胁迫作用。例如：磷酸改性后的生物炭可以去除 40% 以上的酚酸类化感物质 [23]，内生真菌如枫香拟茎点霉(Phomopsis liquidambari)可以有效降解 4 - 羟基苯甲酸和芥子酸 [24]。

　　2.2 盐沼促淤与埋藏型增汇技术

　　泥沙的沉积速率和输入量是决定盐沼碳埋藏和碳储存能力的关键因素。盐沼促淤与埋藏型增汇技术主要通过提高潮汐作用下的泥沙输入量、增加盐沼沉积物的泥沙截留量、降低泥沙侵蚀量来维持盐沼的碳沉积与碳埋藏能力;恢复盐沼的水沙供给，促进生境的纵向堆积和横向延伸，扩展其向陆或向海的生存空间，提高碳沉积与碳埋藏的速率 [14]。主要技术措施有：1)引入临近水域的水沙或提高海岸的泥沙输入量，来提升盐沼的固沙能力。2)在潮流输入较弱的区域，在安全防护下将海堤向陆退缩，通过恢复海洋潮流的沉积作用塑造或改变盐沼生境类型，提高碳埋藏速率 [25]。例如：澳大利亚链谷湾的盐沼在沉降作用下经过 5~10 年转化为红树林湿地，沉积物堆积速率和碳埋藏速率分别提高了 2 倍和 4 倍 [25]。3)通过建造沙岛、阶地等来提高泥沙截留量，并减弱侵蚀效应 [26]。沙岛可通过降低水流速度和减弱海浪冲击促进泥沙悬浮，从而截留泥沙;阶地是由多条平行的沟坎组成的构筑物，它将湿地划分为多个小盆地，可促进泥沙沉积 [14]。4)将防洪堤、丁字坝等硬质堤坝改造为贻贝床、牡蛎礁等生物堤坝，可以促进泥沙供给，减弱海浪侵蚀 [27]。其中，牡蛎礁沉积物的泥沙含量高达 60%，悬浮泥沙的质量浓度为 50~370mg/L [28]。

　　3 海草床增汇技术

　　3.1 海草床植被修复型增汇技术

　　受到水产养殖、船舶运输和有害藻华的影响，海草大面积减少，导致裸露的沉积物中封存的有机碳加速分解。海草床植被修复型增汇技术主要通过提高海草种子萌芽率和海草移植成功率的方式来恢复海草床的碳封存能力。在提高海草种子萌芽率方面，已有多种因地制宜的技术被成功研发。例如：用淡水浸泡种子或在种子表面制造划痕，来有效诱导海草种子发芽 [29];甲壳动物对海草种子的捕食会降低海草床的恢复成功率，因此将海菖蒲(Enhalus acoroides)种子装入网袋且使其埋藏深度为 2cm，以避免生物捕食造成的损失，种子发芽率可高达 96%[30]。

　　在提高海草移植成功率方面，修复海草床植被的常用方法是草皮法、草块法和根状茎法。为了提高海草移植效率，澳大利亚研发了移植海草的专用机械设备 ECOSUB1 和 ECOSUB2 [31-32]，提高了海草移植的机械化水平。另外，海草移植后容易被海浪冲走，因此还需对其进行固定。目前常用的海草移植固定方法有订书钉法、框架法和贝壳法。研究发现 [33]，采用订书钉法把海草两端固定于潮滩底部，4 个月后海草的覆盖率可达到 57.8%。被修复的海草床的固碳能力与天然海草床相近。例如：在澳大利亚西澳大利亚州牡蛎港的海岸移植海草 18 年后，海草床的碳埋藏率达到了 0.3Mg/(hm²・a)[34]。

　　3.2 海草床生境改善型增汇技术

　　船舶螺旋桨转动、船体搁浅及锚泊都会对浅海区海草床沉积物的结构和功能造成破坏，导致沉积物中的养分流失。海草床生境改善型增汇技术则通过施肥、缓解营养限制以及改善生长环境等方式，快速促进海草床植被的生长及其面积的增加，从而提高海草光合固碳量。例如：建立鸟桩(用于积累粪便的鸟类栖息桩)后，由于鸟类粪便中富含的磷等营养物质可以促进海草生长，2 年后浅滩草(Halodule wrightii)的覆盖率接近于天然海草床 [35]。不过，鸟桩也可能会造成对海草床的过营养化，破坏群落演替并且增加附生植物生物量。与在海草床中引入更多鸟类相似，研究人员还研发了人工添加鸟粪石的海草床生境改善技术。该技术的原理是，经过废水处理后回收的鸟粪石不溶于水，而在接触海草根系分泌的有机酸后会快速释放磷。研究发现 [36]，添加鸟粪石后，海草床生物量增加了 10%~60%，相比于常见的控释肥料，采用鸟粪石人工添加技术的生境改善效果更佳，且其释放的氮和磷更少。

　　4 海藻场增汇技术

　　4.1 近岸海藻养殖增汇技术

　　近岸海藻场增汇技术即通过优选藻种和改良养殖技术来缓解海藻场固碳的部分限制作用。例如：选择养殖产量较高的海藻如海带(Laminaria)，其每年的碳固定量超过 30.0Mg/hm²[37]。2010-2020 年，全球的海藻养殖产量约增加了 1.5×10⁷Mg，海藻养殖密度增大，导致海藻营养缺乏，生长受阻。可采用气幕式人工上升流装备将海底富营养盐的海水输送到海面，辅助浮球下的海带生长。目前，已在山东青岛的鳌山湾海域开展国内首个人工上升流增汇示范工程，通过提升上升流的涌升效率，每株海带平均增产 36.1g，CO₂吸收量约增加了 1.6Mg/hm²[38]。

　　日本制铁公司开发了一种由钢铁渣与废木材发酵形成的腐殖土混合而成的肥料，该肥料在 2004 年 10 月施用于北海道试点区域，8 个月后发现试验区的海带生物量比非实验区增加了 100 多倍 [39]。光照限制是海藻养殖的严重瓶颈，特别在浑浊水域，大量的悬浮物会使水下辐照度降低，影响海藻的生长。利用波浪摩擦发电而为海藻提供光照是促进海藻生长和提高其碳汇效能的一种可行方案 [40]。实验室研究表明，利用功率为 90 mW 左右的波浪发电机补光装备为海带补光，可使海带的平均净生物量积累率和线性生长率显著提高，分别提高 10.83±0.16% 和 9.12±0.68%[40]。

　　4.2 深远海海藻养殖增汇技术

　　开发海藻养殖区域同样至关重要。海藻常用养殖装备为浮筏，其适用于风浪较小的近岸浅水区，在深水区浮筏的养殖锚绳会在恶劣海况下断裂。目前，离岸系泊式海藻牧场的构建备受关注，其突破了海藻在 40 m 水深内养殖的限制，扩大了海藻的养殖区域 [41]。在韩国南海郡，研究人员利用中水层绳索培养技术种植多年生褐藻昆布(Ecklonia cava)，将海藻苗绳悬挂在水中，使海藻在水中生长。该技术的优点是可以避免海藻苗被海洋生物捕食，同时种植设备可以与其他装备(如海上风电场和平台)结合使用。该技术的试点农场每年约可以吸收 10.0 Mg/hm² 的 CO₂，有效减少了温室气体的排放 [42]。此外，海藻沉降被认为是可以实现永久碳封存的有效技术手段，如果可以将海藻下沉到海洋深处的无氧区域(水深 > 1000 m)，那么海藻有可能被长时间保存 [37]。因此，开发具有环境感知能力及主动沉降能力的智能化深远海海藻养殖装备是发展海藻碳汇的可行路径。

　　5 区域耦合的滨海蓝碳增汇装备

　　5.1 滨海蓝碳湿地耦合光伏发电装备

　　海上光伏发电是应对光伏开发与土地资源之间矛盾的新能源形式。滨海蓝碳湿地为光伏发电装备的安装提供了海况平稳的低风浪区，而光伏发电装备锚固基底提供了海洋生物栖息地，进而改善海洋环境，恢复生态。2021 年 6 月，总装机容量为 300 MW 的浙江宁波象山长大涂滩涂光伏单元并网发电;2021 年 12 月，位于温州浙南产业集聚区瓯飞围区内滩涂的泰瀚 550 MW 渔光互补光伏单元成功并入国家电网;2024 年 5 月，中核田湾 2000 MW 滩涂光伏项目在江苏连云港正式开工建设，它是目前国内最大的海上光伏项目。大型滩涂渔光互补光伏单元的上层空间用于发电，地面滩涂用于水产养殖，极大提高了海岸滩涂的开发和利用水平。然而，受盐雾和海洋生物附着物的影响，光伏设备面临腐蚀、污损等风险，因此未来还需对装备进行针对性的改良。

　　5.2 红树林耦合核电站温排水装备

　　核电站的换热装置通过循环加热冷却水的方式进行热量交换，并将加热后的冷却水排入邻近海域，致使周围海水的温度升高。该受热的海水称为温排水。红树植物多具有嗜热性，其分布受温度因素(包括气温、水温)的主导影响，因此，利用温排水帮助红树林御寒，已成为一种具有多重效益的碳汇手段。针对广西防城港核电站温排水区域红树林的研究表明 [43]，受温排水影响的红树林在各个温升区均有不同程度的自然生长扩散现象。但是，由于水温升高，温排水的溶解氧含量较低，同时水体中残留的人为添加的除生剂(如氯气)对红树林的生长扩散具有一定的影响，因此需要有智能化的温排水监测、处理及排放装备作保障。

　　5.3 海藻场耦合风电装备

　　海藻场与风电场的结合可以使两者共享运维。研究表明 [44]，海水养殖与风电场相结合，可以使风电场的运维成本降低 10%。风机基座可用于海藻养殖装置的附着固定，风电场为海藻场提供无航区域，使海藻养殖由近岸向开放海域延伸。将海藻场与近海风电场结合的计划早在 2000 年在德国北海提出。考虑到不同于近岸的复杂海况，风电场内海藻养殖装备由长线结构和环形结构发展为可自主下潜的笼状结构，其对风浪和复杂海况的抵御效果逐步得到提升 [44]。在中国，风电场远离海岸，为了使海藻养殖产业与风电产业相结合而产生显著的耦合效果，技术装备需要进一步提升。

　　6 滨海蓝碳增汇效益

　　由相关数据可知：红树林、盐沼、海草床、海藻场的 CO₂吸收率分别为 3.0×10⁸~3.6×10⁸、5.0×10⁷~7.0×10⁷、1.3×10⁸~1.6×10⁸、3.0×10⁸ Mg/a [45];红树林增汇项目的成本约为 23.0~3.7×10⁵美元 /(hm²・a)，主要包括植物及其种植、施工、维护、运输等成本，其具有可观的投资回报，后续的经济效益约为 146.0~5.1×10⁵美元 /(hm²・a)[46];盐沼增汇项目的成本约为 1.2×10⁴~3.3×10⁵美元 /(hm²・a)，后期的经济效益为 1.0×10⁴~3.1×10⁵美元 /(hm²・a)[47];海草床增汇项目的成本为 1.2×10⁴~7.0×10⁵美元 /(hm²・a)，后期的经济效益为 1.9×10³~3.6×10⁵美元 /(hm²・a)[48];海藻场增汇项目的成本为 3.4×10⁴~2.2×10⁵美元 /(hm²・a)，后期的经济效益为 6.4×10⁴~1.4×10⁵美元 /(hm²・a)[49]。滨海蓝碳增汇项目大约需要投入 3~10 年，前期的经济净收益较少，后期项目完成后每年都有较高且稳定的经济效益。

　　重新造林后，红树林湿地的螃蟹、多毛类蠕虫和两栖动物等生物群落的密度增加，此外，红树林水文连通性恢复后，为以潮间带底栖动物为食的迁徙滨鸟和濒危鱼类提供了适宜的生存环境。美国纽约长岛的退化盐沼修复后，盐沼本土植被覆盖率从 48% 增加到 78%，加拿大底鳉(Fundulus heteroclitus)、羊头鲷(Cyprinodon variegatus)、银鳃蟹(Menidia spp.)和蓝蟹(Callinectes sapidus)的丰度显著增加，滨鸟、水禽、雀鸟和猛禽的数量分别增加了 110%、62%、84% 和 220%[50]。美国得克萨斯州海岸移植海草 10 年后，鸟、无脊椎动物、双壳类动物和鱼的种类显著增加 [51]。在加勒比海的海藻养殖区域发现鱼类和无脊椎动物的种类分别增加了 25 倍和 7 倍，其中杜父鱼(Anisotremus sp.)和沙丁鱼(Harengula sp.)的数量分别增加了 4 倍和 2 倍，并且以海藻为食的蝾螺(Turbinidae)和绿宝石蟹(Mithraculus sculptus)等动物大量存在，与周围海域相比，海藻养殖区域的生物多样性更显著 [52]。

　　7 未来研究展望

　　滨海蓝碳增汇技术和装备的总体发展空间巨大，今后应着重考虑在以下几个方面进行突破：

　　1)优化滨海蓝碳生态系统的分布，提高其碳汇、碳储能力，改进温室气体排放格局解析技术，提高分析的准确性。促进卫星和无人机遥感技术在滨海蓝碳生态系统监测中的应用，突破遥感观测海草床等的技术局限，构建海陆空一体化联合观测装备体系，从而在滨海蓝碳增汇的空间规划上实现生态系统层级间的协同和陆海统筹区域间的协同。

　　2)开展滨海蓝碳生态系统物种优选与培育技术以及种植机械化设备的研发，提高生态修复的植物存活率和移植效率。盐度、水淹、水文过程和外来物种入侵等因素均会影响植物的生长状况，因此应针对性地研发新技术来增强植物适应环境的能力。

　　3)推进海藻沉降、无植被滩涂促淤增汇、海岸带加碱增汇等新兴蓝碳生态系统碳封存技术与设备的研发。目前，在该类技术对生态系统的影响方面还存在研究空白，应重点关注其对生态环境的影响。以海藻沉降技术为例，未来应研究海藻强化沉降过程对表层到深海各类型海洋生态系统的影响。

张怡仪;范东阳;左章琦;冯毅雄;肖 溪,浙江大学海洋学院;浙江大学海洋研究院国际蓝碳研究中心;浙江大学农业与生物技术学院;浙江大学机械工程学院,202405