大型藻类碳移除潜力的定量评估：生物质估算与碳移除计算的标准化方案

摘要

本研究提出了一个标准化且可重复的估算大藻类生物量及其碳移除潜力的方案。该工作流程协调抽样、计算和报告，提升跨研究可比性，并在中国南北的代表性海带和马尾藻群落中得到验证。

摘要

大型藻类是蓝碳系统的重要组成部分。然而，由于现场采样设计、生物质估算模型和会计流程存在较大差异，其碳去除潜力在不同研究间仍然难以比较。本研究提出了一个标准化且可重复的方案，用于估算大型藻类生物量并量化碳去除，将大型藻类生物特征、海洋生态调查方法和碳循环核算原则整合为统一工作流程。该方案规定了一致的采样参数、协调的计算步骤以及标准化的数据记录和报告，以提升跨研究的可比性并促进区域综合。我们通过中国北部一个近海海带群落和中国南部一个湾马尾藻群落的代表性案例研究，展示了该方案的适用性，这些案例代表了对比不同的分类单元和典型的浅海沿海栖息地。采用该工作流程，团队内部相对变异保持在10%以下，跨团队相对误差也低于15%，这与既定的变异阈值一致。总体而言，该协议为跨地点和研究团队生成可比的大型蓝碳数据集提供了操作透明的框架，支持资源调查和碳移除评估。

引言

蓝碳指的是被捕获并储存在海洋生态系统中的碳。其特点是长期储存和高封存效率，是全球碳循环的重要组成部分，也是缓解气候变化的关键自然^机制。在蓝碳系统中，大型藻类广泛分布于沿海、潮间带和潮下带，并通过光合作用将大气中的_CO2 固定为有机碳。部分产量可出口至更深或近海水域，可能为更长期的碳储存贡献，另一部分则保留在静态生物质²中。

然而，目前对大型藻类碳去除潜力的评估仍受限于有限的方法学^标准化3.这一限制主要体现在三个方面。首先，不同研究的生物质估计方法存在显著差异。例如，象限大小和采样量差异很大（例如0.25平方米到4平方米），在某些情况下，复制未被实施，导致基于面积的生物质估计出现较大波动。其次，蓝碳（或碳移除）计算工作流程和参数选择常常不一致，即使在类似的生态条件下，也会产生分歧的会计输出。第三，数据记录和报告没有统一的协议，降低了研究结果间的可比性，限制了区域综合性⁴.

由于大型藻类的碳去除途径不同于红树林和海草等有根沿海植物，因此需要采用标准化方法。大型藻类碳移除不再主要依赖生长地的沉积物掩埋，而是与快速的生物质积累和有机物的海上出口密切相关。这一机制，加上高生产率和快速周转，使得在比较各区域遗址和物种时，方法学上的一致性尤为重要⁵.

为弥补这一空白，我们开发了一套完整的标准化协议，将大型藻类生物学特征、海洋生态调查方法和碳循环核算整合为统一工作流程。该方案分为五个模块：（1）设计原则和应用范围，（2）标准化生物质估算，（3）标准化蓝碳计算，（4）质量控制与数据管理，以及（5）方案验证。我们通过来自北部近海海带群落和南部湾马尾藻群落的代表性案例研究验证适用性，展示了物种间的使用情况、生活史和浅海沿海栖息地的应用^情况6。

在本研究中，大型藻类碳的吸收被称为碳去除，而非长期碳封存。由于大型藻类通常生长在坚硬基质上，没有直接埋藏沉积物，因此它们本质上不符合>100年储存标准。只有一小部分大型藻类来源的碳能通过出口和随后掩埋碎屑实现百年尺度的封存。

方案

使用该方案生成不同地点和研究团队间大型藻类生物量和碳清除估计的可比估计值。完整工作流程的概述见 图1。

1. 协议设计基础

1. 设计原则
   1. 将采样和生物量估算与大型藻类生物特征及局部生态环境（如生长形态、群落结构及养分/季节动态）对齐，确保测量反映自然变异性。
   2. 选择与目标大型藻类局部旺盛生长期相匹配的采样窗口，避免在休眠或腐烂期间采样。
   3. 使用经过验证的元素分析方法确定碳含量。记录样品准备、分析设置和校准程序，并在^{所有样品中}一致应用相同方法7.
   4. 使用预定义的计算框架估算碳去除速率。利用当地适当的环境输入（如光照持续时间和水温）及生理数据源（如适用）参数化光合作用相关术语。
   5. 将每一步都写成明确的操作说明，并指定现场和实验室测量的验收标准（质量控制阈值），以确保跨区域和团队的重复性⁸.
   6. 使用常见的实验室和现场设备（如天平、烘干炉、元素分析仪、卷尺）并报告关键规格（如天平分辨率、干燥温度）。
   7. 在不取消质量控制要求的前提下简化流程，并优先考虑对生物质、碳含量和计算结果有实质性影响的步骤。
2. 适用范围
   1. 将该方案应用于附着和漂浮的大型藻类（如海带和马尾藻）。
   2. 此方案不应应用于微藻或浮游藻类。
   3. 将施用限制在浅海沿海水域（如近岸近海、海湾和潮间带），这些区域采样在操作上可行。常规采样作业将目标深度限制设为<20米。
   4. 请勿将本协议应用于采样条件和设备需求超过传统调查能力的深海大型藻类群^落。

2. 标准化的生物量估算流程

1. 前期准备
   1. 根据当地环境条件和物种特有的物候学确定采样周期，而非日历月份。
   2. 根据当地观察或区域证据，将“强力生长期”定义为生物量积累和光合作用活动达到最大阶段。
   3. 在低纬度和高纬度系统中，利用特定地点的物候信息选择采样时间。记录时间选择的依据（例如，地方监测记录或区域研究）¹⁰.
2. 象限设定与采样
   1. 在每个采样点稳定地将象限帧放置在基底上（见图2）。确保画面内的垂直高度差为<5厘米（用尺子或固定参考点验证）。
   2. 选择采样点以反映研究区域内大型藻类群落的空间异质性。潮间带应在退潮后1小时内放置象限，以减少干旱及空气暴露对生物量和碳测量的影响。
   3. 根据栖息地的广度和异质性，每个研究区至少建立3-5个站点（或区块）。每个地点抽样3个重复象限（最低总数：每个研究区9-15个象限）。
   4. 根据物种形态和生长形态设定象限面积（例如，海带主导群落为1平方米;漂浮或稀疏分布的大型藻类为2平方米）¹¹。
   5. 在每个场地使用前三个象限进行初步变异性检查。如果干生物量每单位面积的变异系数（CV）超过10%，则增加四分方位，直到CV降至≤10%。关键的标准化抽样参数和验收阈值总结于 表1。
   6. 采集后立即将采集的样本放在冰上。保持运输温度在5-10°C以减少热降解。
   7. 采集后24小时内将样本送往实验室。如果运输超过24小时，应保持样本在匹配盐度的海水中，并定期监测样本状况。
3. 生物量参数测量
   1. 新鲜重量测量
      1. 取出样品，用去离子水轻轻冲洗2-3次，去除附着的沉积物和盐分。将冲洗时间限制在≤30秒以减少组织水分流失。持续从每个象限采集生物质（包括固定物、菌盖和刀片，除非研究设计另有说明）。
      2. 用吸水纸吸水。更换纸张2-3次，直到样品表面无可见水渍。
      3. 将样本放入预先称重的容器中（例如烧杯或培养皿）。使用电子天平称重，精度为≥0.01克。稳定后记录总质量，并通过减去容器质量计算净新鲜重量（g）。
      4. 连续称重每个样本三次。用平均值作为最终的新鲜重量。如果两个读数相差>2%，检查样品状况（例如滴水或放置不稳），重复称重直到达到标准。
   2. 干重测量
      1. 在新鲜权重测量后，从每个象限样本中随机选择三个具有代表性的子样本。确保每个子样本重量为>10克。60°C下干亚样本。 每次干燥后，将子样品放入干燥器冷却至室温后称重。
      2. 储存剩余材料以进行碳含量分析。如果分析结果在24小时内完成，应在密封且有标签的容器中冷藏，温度为4-10°C，并将样品放在黑暗中。如需更长时间储存，应在−20°C冷冻。
      3. 继续晾干，直到达到恒定重量。将恒定重量定义为两次连续测量间≤0.05 g的差值。记录子样本干重（g）。
      4. 计算每个子样本的干重与鲜鲜比值（R_df），即（干重）/（新鲜重）。如果_Rdf 的CV是≤5%，则使用平均_Rdf 将该象限的总新鲜重量转换为总干重。如果CV超过5%，则将子样本数增加到5，并重新估计R_df。
   3. 植物高度与覆盖测量
      1. 在每个象限随机选取10个代表性个体（孢子体/叶片）。测量从固定附着点到最上部完整活组织（不包括断裂或侵蚀的顶端）的菌体高度（厘米）。记录单个高度并计算象限平均高度（Havg）。
      2. 对于聚集藻类，选择3-5个簇，测量每个簇的平均高度，并计算整体Havg。
      3. 使用网格法测量覆盖率。将四方格区细分为100个相等的网格（10厘米×10厘米）。
      4. 统计目标藻类覆盖率超过50%的网格数量。计算覆盖范围为C （%） = （N/100） ×100，并报告至小数点后²¹。其中 N 是 100 格中的网格数。
4. 生物质计算模型
   1. 单位面积生物量计算：生物量计算工作流中使用的所有方程、变量和报告单位汇总于 表2。
      1. 计算每单位面积新鲜重量（FW_per g/^{m 2}）： （1）
      2. 计算单位面积干重（DW_per g/^{m 2}）： （2）
         其中A为象限面积（^m2），FW_tot 为象限的总新鲜重量（g）。
         注意：如果在一个采样点存在多个复制，计算_{每个复制的}自由量和每个复制的DW，并以平均值报告抽样点值
   2. 种群生物量估计
      1. 确定种群分布面积（S， m²）。如果有遥感图像，将野外调查与遥感图像结合，获取边界坐标，在GIS软件中划定种群边界，并据此计算^S12。如果无法获得遥感图像，请用卷尺测量人口长度和宽度。使用矩形面积公式估计S，并将不规则面积划分为多个矩形进行单独计算，然后加总以得到总S。
      2. 计算总种群生物量（B， t）： （3）
         其中10⁶ 将克转换为公吨。（t;1 t = 10³ kg）。
      3. 如果生物量在不同种群子区域（例如边缘区与核心区）之间存在差异，则分别计算每个划分的_DW ，乘以每个划分的面积，然后将结果相加得到B。
   3. 生物量的动态计算
      1. 计算增长率（r，^第1天）： （4）
         其中，DW_末是 周期结束时单位面积的干重（g/m²），DW_起始 是周期开始时单位面积的干重（g/m²），t 是生长时间（天）。
      2. 计算年度平均生物量（DW_{avg_year，g}/^m²），为一年内所有采样事件中DW_i 的平均值：
         (5)
         其中，n 是每年样本数（无量纲），指一年内独立抽样事件的总数（如季节性或月度调查），i 是表示每年内每次抽样时间的指数，用于计算年平均生物量，DW_i 是第 i 次采样事件单位面积的干重（g/m²）。

3. 蓝碳计算的标准化流程

1. 碳含量的测定
   1. 将已达到恒定重量（即用于碳含量分析的材料）干燥样品放入破碎机，研磨2-3分钟以均质化材料。使用机械研磨机或研钵杵来获得适合碳分析的均匀颗粒。
   2. 通过100网筛筛（孔径大小≈150微米）筛分均质材料。收集筛漏分数，并将其转移到预先编号、预干的小瓶中。
   3. 将预处理样品存放在干燥器中，以减少水分吸收。7天内完成碳含量测定。
   4. 储存期间检查水分吸收情况，必要时进行干质纠正。称重储存的预处理样品的分量，按_之前的m称量，然后在60°C下再次烘干至恒定重量，_再称重m。
   5. 计算水分吸收率（MR，%）为： （6）
      报告碳含量时，应在水分吸收不可忽略的情况下，使用磁共振法以真实干质为基础表达数值。
2. 基准方法：元素分析
   1. 在样品确定前，使用认证的参考材料校准元素分析仪。确保校准误差为<0.5%。
   2. 设定操作条件：燃烧温度为950°C，还原温度为650°C，载气流量为200 mL/min。
   3. 将预处理样品5-10毫克称重到预称重的锡胶囊中，然后折叠并压实胶囊以防止燃烧时泄漏。
   4. 将胶囊装入元素分析仪，使仪器能够自动完成燃烧、还原、分离和检测。
   5. 对每个样本重复三次测定。使用平均值作为最终碳含量（C，%）
      (7)
      其中_， mC是样品中的碳质量（mg），m_样品 是分析样品的总质量（mg）。
   6. 如果三项测量的相对标准差（RSD）百分比超过1%，则重新测量直到接受标准达到。RSD计算公式如下：
      (8)
      其中SD是三种C测量的标准差，C̄是它们的平均值。
3. 替代方法：点火失控燃烧
   1. 只有在元素分析仪不可用时才使用此方法。在报告中明确指出该方法，并应用3.3.5中描述的纠正程序。
   2. 将5-10克预处理的干燥样品放入坩埚中。在60°C干燥至恒定重量，然后在消音炉中以550°C燃烧4-6小时。放进干燥机冷却，称重残留物。
   3. 计算C（%）为： （9）
      其中_m0是燃烧前样品的干质量（mg），m_灰分 是燃烧后残渣的质量（mg）。
   4. 对于每批，利用元素分析确定3-5个代表性样本的C。在燃烧导出的C和元素分析C之间拟合修正方程，并将该修正方程应用于同一批次中所有燃烧导出的结果。

4. 碳去除速率计算

1. 基于生长速率的碳去除率
   1. 计算碳去除率（CR，g C ^{m-2 d-1}）： （10）
      其中，ΔDW为单位面积生物量增长（DW_端−_DW起始，gm⁻²）。C是碳含量（小数点，例如35.2% = 0.352），t是生长时间（天）。
      注意：使用与DW_开始 和_结束 相同的起止节点来定义t，并记录采样日期和区间长度以保证可重复性。
2. 基于初级生产力的碳去除率（明暗瓶法）
   1. 准备成对的孵化瓶（浅色和深色）。用现场海水冲洗瓶子三次，然后装满现场海水，尽量减少头部空间，提前贴标签。
   2. 将代表性的大型藻类材料放入每个瓶子中。使用避免拥挤且让藻类在孵化过程中保持自然定向的生物量。
   3. 根据制造商说明，以空气饱和水为参考，校准溶解氧（DO）仪。确认测量误差为≤0.1毫克L⁻¹。
   4. 测量浅色瓶和暗色瓶的初始溶解氧，记录数值（DO₀、_白色 和DO₀、_黑色、毫克L⁻¹）。
   5. 在采样点，将瓶子在接近自然温度和光照条件下孵育24小时。孵化期间保持瓶子不被扰动，避免因直接阳光或遮蔽而过热。
   6. 测量浅色瓶和深色瓶（DO₁，_白色 和_DO1，_黑色，mg L⁻¹）中的最终溶解氧。
   7. 计算DO变化如下： （11）
      (12)
   8. 计算净氧产量为： （13）
      其中V是海水体积（L）。
   9. 将氧气产生转换为碳固定（碳_固定，mg C）： （14）
      其中 O_净 为净氧气产量（mg O₂），0.375 是系数（1 mg O₂ 对应固定 0.375 mg C）
   10. 根据初级生产率（CR_生产率，g C m⁻² d⁻¹）计算碳去除率，具体如下：
       (15)
       其中1000将mg转换为g，A为样品（预计）面积（m²），t为孵化时间（天）。
       注意：孵化期间，确保藻类保持自然状态，避免物理干扰。记录孵化期间的海水温度和大致光照条件，以报告一致性。
3. 两种方法的整合与修正
   1. 计算平均CR如下： （16）
   2. 计算相对误差（RE）为： （17）
      注意：如果RE的10%<，使用CRavg作为最终CRavg。如果 RE ≥10%，则验证时间节点和操作一致性（例如，生长间隔定义匹配、孵育时间和样本面积估计），并重复导致差异最大的测量或计算步骤。
   3. 计算修正后的CR（CR_corr，g C m⁻² d⁻¹）为： （18）
      其中CR_meas 是测得的碳去除速率（g C m⁻² d⁻¹），T_光 是测得的光时长（h）。T_{light_stand} 是标准的光时长（h）。

5. 碳储存和碳通量的转换

1. 计算碳储存（C_储存，tC）： （19）
   其中B_{avg_year} 为年均种群生物量（t），C为碳含量（十进制）
2. 将年度碳通量（Fc， t C yr-1）定义为修正后的长期碳汇（CS_{long_corr}）：
   (20)
3. 将Fc转换为CO₂ 等价值： （21）
   其中 1 t C = 3.67 t CO₂。本协议中使用的碳储存、碳去除速率、碳汇指标和通量转换之间的关系总结见 图3。

6. 质量控制系统

1. 抽样阶段的质量控制
   1. 为采样人员提供统一培训，确保象限设置、样本采集和参数记录的标准化操作（参见 表1）。
   2. 培训后进行评估。要求四边形布局误差为<5%，新秤测量误差为<2%。只有在人员通过评估后，才允许参与现场采样。
   3. 每次取样前，使用标准配重（例如100克或500克）校准电子天平。将校准结果记录在仪器校准表中。如果采样时天平被移动，请重新校准。
   4. 在采样前，先在已知坐标位置校准GPS定位器。确保定位误差为<5米。如果测量在阴影或信号较差的条件下进行，请在数据处理时记录偏差并正确坐标¹³。
   5. 每天使用标准溶液校准水温计和盐度计。确保水温校准误差为<0.2°C，盐度校准误差为<0.2。
   6. 在采集时测量每个采样点环境海水中的水温和盐度，并在数据库中记录数值。
   7. 为每个采样点设置三个复制象限。如果DW_每方 差的变异系数超过10%，则再加两个重复象方，重复直到变异系数为<10%。
   8. 所有采集的样本应在冷藏条件下保存（5-10°C），直到实验室处理完成，以便在需要时进行进一步的重复测定。
   9. 为每个象限样品设置三个平行测定值，分别测定新鲜重量、干重和碳含量。要求相对标准差为<5%，如果未达标则重复判定。
2. 实验分析阶段的质量控制
   1. 在清洁的实验室环境中进行样品预处理和分析，以减少粉尘和有机试剂的污染。
   2. 每天用酒精擦拭和消毒实验表面，提前干燥/消毒可重复使用的设备¹⁴。
   3. 每次使用前检查元素分析仪的载气压力，确保超过0.5兆帕。只有当燃烧炉温度波动达到<5°C时才开始测量。
   4. 完成每批测量后，炉子冷却至安全工作温度后，清洁燃烧管，以减少交叉样品污染¹⁵。
   5. 使用前零电子余额。测量新鲜重量和干重量三次。要求相对标准差为新鲜重量≤2%，干重量为≤5%。每个样品至少测定三次碳含量，并应用第3节（碳含量确定）中规定的验收标准。
   6. 每个站点至少重复进行初级生产力孵化，超过测量误差阈值时重复孵化。
3. 数据综述
   1. 指派两名评审员审计实验数据。要求第一位审查员检查原始记录的完整性（采样元数据、仪器参数和测量结果）。
   2. 要求第二位审核员检查计算准确性（例如，R_df、DWper、CR及后续转换）。
   3. 记录审计中发现的问题，并在必要时实施重新测量或重新计算。
   4. 记录仪器校准日志、平行判定的相对标准差以及异常数据处理记录作为质量控制证据，并将这些质量控制记录与数据库^中的每个采样批次相关联。

7. 数据管理

1. 在实地工作前建立标准化数据库模板，并在各站点和团队中使用相同模板。
2. 记录抽样信息，包括研究区域名称、区号、采样点GPS坐标、采样日期、采样人员和天气状况。
3. 记录环境参数，包括水温、盐度、水深、光照持续时间（T_光）以及溶解氧浓度（如有）。
4. 记录生物量数据，包括象限面积（A）、象限新鲜重（FW_tot）、象限干重（DW_tot）、干鲜比（R_df）、单位面积生物量（DW_per ）、种群分布面积（S）和总种群生物量（B）。
5. 创纪录的蓝色碳指标，包括碳含量（C）、碳去除率（CR）、短期碳汇（CS_short）、修正后的长期碳汇（CS_{long_corr}）、碳储存（C_存储）和碳通量（Fc）。
6. 记录质量控制数据，包括仪器校准记录、并行测定的相对标准差以及异常数据处理指令¹⁶。
7. 持续记录生长阶段标签（例如，强劲增长期与非强劲增长期），并记录每个抽样活动的月份/年度。

结果

案例 一：评估北方离岸海带种群的碳去除潜力

研究区域及采样时间：在山东省青岛近海海带养殖区进行实地采样（水深：5-8米）。测量数据在高生长期（2022年5月）和非高生长期（2022年11月）期间收集。

采样布局：在水产养殖区内，沿养殖线布置了1米×1米的方格图，以捕捉海带种群的空间异质性。复制象限分布在农业区各处，以确保独立测量和代表性覆盖。抽样区域的地理范围如 图 4所示。

生物质指标： 在强力生长期，单位面积干重为850±42^{克平方米;}非强力期为320±28克^M-2。植株高度和覆盖度显示出相...

讨论

该协议的核心优势在于直接解决现有大型藻类碳去除潜力评估方法学上的差异。实际上，象限规格、测量方法和计算模型的差异可能导致碳汇估计值相差两到三^{倍，即使是}在同一沿海系统内也如此。通过标准化操作序列、参数定义和计算逻辑，该协议提高了跨站点可比性，并限制了报告差异由不一致方法而非真正的生态变异驱动的风险。图5展示了典型进行此类评估的沿海栖息地类型。

应用该方案需要明确对应物种性状和生长动态。大型藻类在生活史和物候上有显著差异，采样设计应反映这些差异以避免系统性偏差。对于像海带这样的一年生类群，区分高生长期和非强生期尤为重要，因为在衰老或腐烂期间采样可能低估常驻生物量，并扭曲后续碳核算^。环境变异还应被视为可控的不确定性来源，而非背景噪音。例如，在河口环境中，异常低的盐度（例如<25）会影响碳含量估计。在这种情况下，将重复判定次数从...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电子天平	梅特勒·托莱多	ML204T	用于称重样品
元素分析仪	赛莫飞舍尔	闪电智能	用于碳含量分析
烤箱	梅默特	联合国55	用于干燥样品
GPS设备	加明	GPSMAP 65	录音地点
溶解氧仪	伊斯科	ProODO	用于测量溶解氧水平