北京大学沈路路课题组与合作者解析了浅海碳氮物理化学循环过程并揭示了海洋农业减少甲烷排放的巨大潜力 - 海洋地球化学循环

北京大学物理学院大气与海洋科学系沈路路助理教授课题组与中国农业大学庄明浩副教授等合作者，以卫星遥感观测到的海洋初级生产力、全球船舶监测到的温室气体通量为基础，利用颗粒物沉降传输算法，解析了不同粒径颗粒物在海洋不同深度的物理沉降分解和生物化学转化过程。结果发现，与淡水环境相比，海洋的高盐度使得有机质产生甲烷(CH4)的效率下降了至少98%。全生命周期分析显示，淡水养殖中水体环境的CH4排放占据了>50%的温室气体排放，而海水养殖环境几乎消除了该部分CH4排放，从而导致海水养殖生产系统的温室气体排放减少了至少40%。相关研究成果以“Marine aquaculture can deliver 40% lower carbon footprints than freshwater aquaculture based on feed, energy and biogeochemical cycles”为题，于2024年6月21日在线发表在《Nature Food》上(https://doi.org/10.1038/s43016-024-01004-y)。

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甲烷(CH4)是继二氧化碳(CO2)之后最重要的温室气体，根据第六次IPCC报告，自工业革命以来的全球平均增温中有0.6°C来自CH4排放。CH4在大气中的生命周期10年左右，因此减少 CH4排放是实现全球 1.5°C 和 2°C 温升目标的最有效措施之一。过去的CH4排放研究（卫星遥感量化、排放通量观测等）主要集中在陆地上，包括人为源排放和自然生态系统的排放；对海洋的了解极其有限，观测成本极高，数据非常缺乏。该工作通过物理、化学和生物过程建模，以极低的成本解析了全球浅海地区的碳氮循环过程，量化了温室气体特别是CH4的排放，为未来可能开展的海洋观测和农业发展研究提供了重要的理论参考。

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具体而言，本研究开发了一个能解析不同粒径有机颗粒物在海洋垂直深度分布的算法。该算法以卫星遥感观测到的海洋初级生产力、全球船舶监测到的温室气体通量为主要输入数据，计算了浮游植物产生的有机碳在不同深度的物理沉降、分解和生物化学转化过程。结果显示，在水深不超过200米的浅海地区，浮游植物每年产生4200 Tg的有机碳，但是只有2.9 Tg会最终以CH4的形式释放到大气中，转化效率只有0.07%，该转化效率比淡水系统低了>95%以上。主要原因是因为海洋高盐度环境，特别是硫酸盐的存在，会显著抑制甲烷的生成；同时海洋深度较大，CH4在从海底扩散到大气的过程中会更大比例在水体环境中被氧化。

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图1：浅海（水深小于200米）碳氮循环过程以及CH4和N2O产生的生物化学过程。

本研究进一步开展了海水和淡水养殖生产系统全生命周期的碳排放，包括饲料生产、能源使用和水体环境的排放。结果显示，淡水养殖中水体环境的CH4排放占据了整个生产环节>50%的温室气体排放。虽然海水养殖在饲料和能源生产的碳排放更高，但其几乎消除了水体环境部分的CH4排放，从而导致海水养殖生产系统的温室气体排放减少了至少40%。

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图2：淡水和海水养殖生产系统全生命周期的碳排放，主要包括饲料生产、能源消耗和水体环境的温室气体排放。

该研究主要由科技部重点研发项目(2023YFC3707404)和国家自然基金委面上项目(42275194)资助。该文章中，北京大学沈路路为第一和通讯作者，中国农业大学的庄明浩为共同通讯作者，中科院水产所吴立冬研究员和重庆大学卫薇博士为共同一作，主要合作者包括重庆大学杨易、Scotland’s Rural College的Michael MacLeod，北京大学林金泰，中国海洋大学宋国栋，中科院南京土壤所袁俊吉，福建师范大学杨平，中科院计算技术研究生吴琳，和清华大学李明威。

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(*为通讯作者,#共同一作)

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Shen, L.*#, Wu, L.#, Wei, W.#, Yang, Y., MacLeod, M.J., Lin, J., Song, G., Yuan, J., Yang, P., Wu, L., Li, M., Zhuang, M.*. Marine aquaculture can deliver 40% lower carbon footprints than freshwater aquaculture based on feed, energy and biogeochemical cycles.Nature Food, https://doi.org/10.1038/s43016-024-01004-y, 2024.

Shen, L.*,Jacob, D.,Gautam, R., Omara, M.,Scarpelli, T., Lorente, A.,., Zavala-Araiza, D., Lu, X., Chen, Z., Lin, J. National quantifications of methane emissions from fuel exploitation using high resolution inversions of satellite observations.Nature Communications, 14, 4948,https://doi.org/10.1038/s41467-023-40671-6, 2023.

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论文原文链接

https://www.nature.com/articles/s43016-024-01004-y

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