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海洋生态改造——挽救地球

已有 5003 次阅读 2018-8-20 13:12 |个人分类:下一次革命|系统分类:科普集锦| 海洋, 养殖, 生态, 气候变化

 

 

海洋生态改造——拯救地球

雷奕安

 

人类主导地球以来,地球已经发生了不安的变化。森林大幅减少,海平面上升,海洋酸化,环境污染,气候变化,物种大量灭绝,……。作为这一切变化的始作俑者,人类有义务考虑自己的行为,有义务修复自己对地球造成的不良影响。

海洋是生命的摇篮,是地球气候的稳定器,占地球表面面积71%,地表水的97%,地球全部生命生存空间的90%。然而,海洋在人类生活中的重要性,却没有达到相应的程度。

地球陆地面积占29%,其中超过1/3被我们开发为农田和牧场,目前一年为我们提供26亿吨粮食,3.2亿吨肉食。但全部的海洋,即使2/3的鱼类已经被过度捕捞,每年只提供了9000万吨水产(捕捞产量)。可是,海洋具有巨大的潜力,到2014年,算上水生植物,人类水产养殖的产量,第一次超过了捕捞产量。水产养殖,到目前为止,主要来自淡水养殖,海水养殖产量远低于淡水养殖。而海水养殖利用的海洋面积,相比于全部的海洋面积,几乎可以忽略。

                                             

图一,全球水产产量,蓝色是海洋野生捕捞量,绿色是水产养殖捕捞量。

数据来源:联合国粮农组织(FAO)

 

贫瘠的海洋

我们一般认为,海洋非常富饶,充满了从浮游生物,到珊瑚虫,海龟,鲨鱼,鲸鱼那样的各种生命。但是,海洋只有很少的地方是富饶的。大部分的海洋,比陆地上的沙漠还要贫瘠,几乎没有生物。

图二是卫星评估的海洋中叶绿素a和陆地等效植物密度图。我们只看海洋。海洋的颜色从紫色(最低,0.01)到红色(最高,60)代表了叶绿素a的浓度(毫克每立方米),也代表了自养生物的密度,初级生产能力,和生物多样性。

可以看到,绝大部分的海洋(北极部分因为投影的原因,面积不真实)叶绿素a的浓度在0.1毫克每立方米以下,只有河流入海口的几百分之一到几千分之一。在广阔的热带和温带区域,只有河流入海口,部分海岛周边,以及洋流上涌区域,初级生产能力比较强,从而有较多的生物。

图二,海洋中叶绿素a的浓度和陆地植物密度分布图

(图片来源: SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center and ORBIMAGE)

 

表一,部分生态环境的初级生产量和生物质密度

生态环境类型

平均净初级生产量
  (克/m2/年)

平均生物质密度
  (kg/m2)

热带雨林

2200

45

温带草原

600

1.6

沙漠戈壁

90

0.7

沼泽湿地

2000

12.3

农田

650

1.0

洋流上涌区

500

0.02

海藻、珊瑚礁

2500

2.0

河流入海口

1500

1.0

空旷海洋

125

0.003

R.H. Whittaker, quoted in Peter Stiling (1996), "Ecology: Theories and Applications" (Prentice Hall)

 

从表一可以看出,海洋的初级生产能力可以超过热带雨林,珊瑚礁和海藻生长区的固碳能力是所有自然生态区中最高的,达到2500克每平米每年,但广阔的大洋基本上是最低的,跟沙漠差不多。而生物质存量,海洋比同样生产能力的陆地小很多,大洋(open ocean)是最低的,甚至不到沙漠的二十分之一。

海洋贫瘠的原因

大洋主要处于热带和温带,同样纬度的陆地,除了沙漠都是生产力很高的森林或草地。大洋的水和阳光都充足,温度适宜,为什么会极端贫瘠呢?

固然,生命离不开水,也离不开阳光和适宜的温度,但是也同样离不开一些关键的营养元素,如氮、磷、钾、铁、钙、硫,等。海水中有众多基本元素,但磷和铁因为需求量大,海水中浓度不高,容易缺乏。

由于大洋表层的物理条件特别适合各种生命,因此生命,主要是浮游植物会快速发展,直到穷尽水中的某一关键营养元素。在陆地上,限制因素更多的是水和温度,营养元素虽然可能不足,但是地表水流动,灰尘等,足以保证所有营养元素得到一定的供给。但海洋广阔无边,均质化,分层,上下层一般不流动交换,雨水也是特别干净的蒸馏水,表层营养元素一旦耗尽,无法补充。陆地上,因为生态平衡,营养元素最后又回归土壤,再被利用,因此可以积累,循环利用。而海洋的生物同样会死亡,或者排泄,排泄物或尸体的很大一部分会直接沉积到海底,直接将营养元素带走,表层海水就更缺乏,以至于无法维持最基本的浮游植物生存,因而成为水中荒漠。

表一从可以看到,洋流上涌区要富饶得多,因为上涌的洋流将海底或深部的营养元素带到海洋表面,虽然这些海水更冷,不利于浮游植物,但仍然比物理条件更好的大洋能供养更多的生命。河流入海口特别富饶,是来自河流的营养补给。而浅海(海藻生长区,珊瑚礁)特别富饶,是因为海水不深,营养不会流失离开生态循环。

沙漠和大洋是生态无法持续的两个极端,一个缺水,一个缺营养元素。

在图二上可以对比一下南海和黄海。南海的气候要比黄海好很多,但是远比黄海贫瘠。因为南海是深海,表层关键营养元素极度缺乏,而黄海是浅海。阿拉伯半岛两边的海湾和红海也是同样的差别。海湾是浅海,动植物丰富,而红海是深海,鱼虾稀少。

图三,海洋营养元素循环

(图片来源:Wikibooks:The Nutrient Cycle)

 

 

巨大的潜力

除某一两种关键营养元素之外,大洋的生态潜力巨大。一般海洋中只缺铁和磷两种元素,铁可以从灰尘和火山灰中得到补充。火山灰的元素比较全,所以一旦有火山爆发,一般都会引起周边海域生命大爆发。例如2008年阿拉斯加阿留申群岛的一次火山爆发,在营养缺乏的东北太平洋撒下了大量火山灰,导致两年后阿拉斯加湾一条河里的洄游红大马哈鱼数量猛增20倍。国外有一些机构和企业做过海洋补铁的实验,取得了很好的效果。

表一中可以看出,珊瑚礁的初级生产能力是大洋的20倍,生物质保有量是近1000倍。珊瑚礁的生产能力也超过了热带雨林,是农田的四倍。大洋表面,如果营养物质充足,完全可以达到珊瑚礁的初级生产能力。在淡水养殖区(有季节因素),产量大致是每平方公里500吨鱼产量,海水养殖产量更高,但是考虑到有很多甲壳类动物,我们可以简单算成每平方公里500吨鱼的可持续捕捞量。考虑到深海表层深度超过浅海,在营养充足的条件下,实际初级生长量应该能维持更大的捕捞量,为了方便估算,我们就取这个数字。

地球上的大洋面积是3.6亿平方公里,如果我们开发2%的深海,即720万平方公里,那么可以获得36亿吨鱼,已经超过目前世界上粮食加肉食的产量总和。

作为比较,陆地面积超过三分之一已经被我们开发为农田或牧场。其中牧场的面积是4000万平方公里,但只提供了3.2亿吨肉食。单位产量的差别来自于牧场的初级生长量低,牛羊的饲料转化率低,统计肉产量的时候除掉了下水,等。

对于中国来说,南海的面积有350万平方公里,如果开发10万平方公里,可以获得5000万吨鱼,大致相当于目前一年的水产养殖产量。

开发方式

大洋表层几十米的海水生产潜力巨大。缺失的最重要两种元素是铁和磷,它们就在海底,距离只有几公里。如果直接把海底沉积的营养元素抽上来,荒漠立即变成森林。浮游生物由于体型小,繁殖快,生长速度远大于陆地植物,如果由浮游动物,小型鱼类,大型鱼类构成的生态链完整,海洋丛林的生长速度也远大于陆地森林。但由于食物链较长,消耗较大,生物质存量仍将明显低于陆地森林。对于经济养殖,可以缩短食物链。

海洋浮游植物离不开几种关键的营养元素,但是总的需求量却很少。构成生物的主要元素仍然是碳氢氧氮等基本元素,如果最求很高的产量,还需要补氮,但海洋养殖应该以低成本和生态恢复为目标,暂时不需要追求高产量。这样,只需要补充很少量的铁和磷,也就是,从海底抽上来少量的浑水就可以达到很好的效果。

与改造沙漠动辄几百几千公里的运河,隧道,以及引水量相比,将海底的少量浑水抽到海面的成本非常低。由于是在水中抽水,消耗的能量并不是每一吨水从海底提升到海面的能量,而是将较冷较重的海水扣除穿过的海水浮力之后消耗的能量,对于两千米深的海洋,和25摄氏度的底表温差,抽上来一吨水的能量大致相当于净提升五米。而这一吨浑水可以为1万立方米表层海水提供两天浮游植物生长需要的铁和磷。如果每秒抽100升水,需要的功率是5千瓦,可以再加5千瓦把水喷洒到海面(喷水的方向可以用来控制泵站的运动和定位),那么两天时间可以抽1.7万立方米海底浑水,可以为1.7亿立方米的海表水提供营养,海表有效光合作用深度大约是50米,1.7亿立方米大约等于300万平方米乘以50米深度,也就是3平方公里。

一个泵站,10千瓦左右的功率仅需要不到100平米的太阳能板,考虑到昼夜因素,一千平米(200千瓦铭牌功率)足够维持一个覆盖10平方公里的泵站。量产之后,这样的一个泵站成本不到1000万元人民币。如果覆盖十万平方公里,就是不到1000亿人民币。按照我们上面的估算,如果每年产出5000万吨海产品,价值一万亿人民币以上。

如果考虑生态效益,低强度捕捞,总的经济效益仍然极为可观,而海洋荒漠转变为海洋丛林的生态效益也无法估量。

更多的考虑

l  作为食品蛋白质来源,海产品比猪牛羊肉之类的红肉更健康,浪费更少。

l  鱼类是冷血动物,能量转化率高。

l  抽海底的浑水射向天空,与火山灰的效果相同。

l  为了保护环境和尽量维持原有生态,最好不要补充外来营养,而是直接从海底抽取。

l  海洋泵站整体的效应是增加了光合作用,把溶解于海洋的无机碳固化为生物质,有机碳,从而降低大气中二氧化碳的含量。人类自工业革命以来额外排放到生物圈中的二氧化碳原则上可以通过这种方式变成有机碳,从而增加生物圈总量,逆转人类造成的生命大灭绝。

l  逆转海洋酸化。海洋酸化已经是一个很大的问题。光合作用增加消耗海洋中溶解的二氧化碳,从而逆转这一过程。

l  逆转海洋固碳能力下降问题。有研究表明,大规模商业捕捞以来,海洋浮游植物量已经下降了约40%,这比陆地上的森林减少40%还要严重,因为浮游生物制造的氧气远远超过世界上所有森林制造的氧气。

l  恢复野生鱼类种群。改造海洋的生产潜力远大于野生种群的更新能力,我们完全可以不影响地球整体海洋生态的条件下,利用少量贫瘠的热带深海,获得更多的海产品,从而完全放弃捕捞野生海洋鱼类。

l  二甲硫醚(DMS)效应。二甲硫醚是海洋浮游植物产生的,是海腥味的来源。它被排放到大气中,会成为蒸汽的凝结核,它的浓度增加,会使云量增加,增大阳光的反射量,导致地球温度下降,缓解全球变暖。

l  可控。每种大型的,对生态或气候产生影响的工程,都可能存在风险。海洋泵站改造的是极端贫瘠的深海,但是也可能出现不良的效果。泵站是主动可控的工程,抽水方式,抽水浓度,抽水时间都可以控制,如果出现不良效应,最坏的结果是停止实验,马上会回到原来的状态。

l  地球历史上,例如中生代,生物圈中的生物总量大得多,正是生物过程和地球地质条件的变化,导致大量在生物圈循环的碳被固化为煤炭,石油,石灰石等,脱离了生物圈,导致生物圈总量减少,物种灭绝。工业化把很多固化的碳重新释放到生物圈中,如果让他们回到生物圈循环,那么最终效果是生物圈总量的增加,可以生存的人口增加,和生物圈的更多样化。

l  如果大规模海洋生态改造成功,大量陆地农场牧场可以回归自然,从而同时在陆地和海洋逆转物种大规模灭绝的趋势。

l  关于南海的考虑。从地质构成上看,南海相对封闭,与全球洋流交换很少。如果出现不良的效应,影响范围有限。南海主要是深海,但是平均深度并不大,在两千米左右,只有平均海洋深度的一半,小的深度可以降低泵站成本。目前中国在南海开发投入很大,但是没有经济效益。改造南海生态有很大的经济效益,对周边各国都有好处。

 

 

 

 




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