海洋负排放技术及其生态治理功能前瞻

工业革命以来,人类活动导致的以二氧化碳为代表的温室气体持续排放,被认为与全球气候变化密切相关,引发诸多极端气候事件,导致海平面上升、海水酸化、海水暖化等一系列环境负面效应。海洋是地球最大的活跃碳库,增汇潜力巨大。为应对全球气候变化,人为干预海洋生态系统、促进其对大气二氧化碳额外吸收封存的海洋负排放技术体系成为国际研究热点。根据负排放技术的应用场景,目前海洋负排放技术体系涵盖侧重于生态保护和修复的滨海湿地蓝碳、侧重于环境友好型养殖产业的海水养殖环境碳汇和借助生态工程技术手段的负排放工程增汇。海洋负排放技术在实现人为增汇的同时,有望通过促进海洋生物的生长和繁殖、提高海洋生态系统的稳定性和抗干扰能力、促进海洋生态系统内部及其与陆地生态系统之间的资源循环利用,发挥其生态治理功能,从而应对海洋环流改变、海水酸化脱氧等全球海洋环境恶化以及人类活动污染的局部胁迫。

海洋负排放——基于地球系统科学思维的海洋科技变革

面对全球持续变暖的现实趋势,对比分析地球历史事件,历经了30余年的全球变暖主因之争即将画上句号。当前全球气候变暖国际共识已经形成,直面问题、寻求解决方案成为当务之急,对我国及“一带一路”沿海国家而言,化解“开发”与“保护”这对矛盾就是关键。文章在上述分析的基础上,提出了基于“地球系统科学”思维的海洋科技变革理念和符合业务系统性管理的中国方案——海洋负排放,即合情合理合法地干预海洋、利用海洋应对气候变暖,并在这个过程中改善已经变化了的海洋环境、保护生态系统、促进可持续发展,加快实现人与自然和谐共生现代化。

海洋负排放技术及“人工灰尘”耦合技术概念

随着全球气候危机的加剧,实现碳中和的任务变得更为紧迫。中国政府承诺在2060年实现碳中和,除了加快能源转型、减少化石燃料消耗外,还需大力发展负排放技术以抵消社会生产生活中难以避免的碳排放。海洋作为地球上最大的活跃碳库,具有巨大的储碳潜力。围绕海洋负排放的研发方兴未艾,其主要技术路径包括渔业碳汇、陆海统筹、地质封存、人工上升流、增强风化以及铁施肥等。其中,增强风化和铁施肥等技术都涉及人为投加外源物质到海洋,理论上可通过对投加组分和方式的复合优化,实现多技术路径的耦合,进一步提升海洋固碳和储碳的效率。基于此提出了“人工灰尘”这一潜在的耦合技术路径。“人工灰尘”以提高海洋储碳量(而非初级生产力)为技术目标。拟通过改良铁施肥所用材料及投加方式提高其作用时效,并实现对藻类种群结构的调整,促进更难降解的、更易下沉的藻类生长。此外,在藻类死亡和降解高峰时段,再次投加硅酸盐岩/矿物粉末为主体的二级“人工灰尘”,基于增强风化原理提升海水碱度,同时利用矿物溶解释放的钙和镁等离子促进有机碳团聚沉降,促进其在沉积物中的埋藏。“人工灰尘”这一耦合技术概念的提出可为今后海洋负排放的理论研究提供更广阔的思路。

海水养殖践行“海洋负排放”的途径

减排增汇是我国实现碳中和目标的必然途径。海洋作为地球上最大的碳库,渔业生物的碳汇功能也受到关注。中国是世界上最大的海水养殖国家,以非投饵型的贝藻养殖为主,养殖种类丰富、营养层次多样、养殖技术成熟,"海洋负排放"的发展潜力巨大。然而,贝藻类养殖的负排放过程复杂,其负排放的科学原理、过程机制、计量方法及增汇途径等科技问题正在被逐步认知和解决。文章阐释了渔业碳汇的研究进展、存在问题和可能影响,提出了拓展养殖空间和提高养殖单产、基于养殖容量管理制度的海水养殖绿色发展、多营养层次综合养殖模式、蓝碳牧业工程、海洋人工上升流增汇工程等践行"海洋负排放"的技术途径和对策建议。

从海洋碳汇前沿理论到海洋负排放中国方案

海洋是地球上最大的活跃碳库,对调节气候变化发挥着无可替代的作用.文章从全球气候变化的视角,厘清"蓝碳""海洋碳汇""海洋负排放"等概念的科学内涵和实用意义,回顾我国在海洋生物储碳过程机制方面的科学成就及其对该领域国际发展趋势的影响,展望我国领衔海洋负排放国际大科学计划、积极参与全球治理、支撑碳中和战略的前景.

大力推进ONCE计划助力实现碳中和愿景

碳中和目标不仅是践行“人类命运共同体”理念的重要手段,也为中国在全球气候治理中提供了历史性机遇。中国拥有深厚的海洋碳汇研究和负排放理论基础,加之广泛的国际合作经验,为实施海洋负排放国际大科学计划(ONCE计划)提供了坚实的支撑。在全球碳中和目标的指引下,0NCE计划不仅直接响应了全球气候变化的迫切需求,而且为中国的减排努力和可持续发展提供了有力支持。ONCE计划的实施,旨在提升中国在国际碳排放和气候变化领域的影响力,同时,通过建立以中国为核心的国际海洋负排放“生态链”,推动全球海洋科学研究的发展,推出应对气候变化、开展全球治理的海洋负排放方案,吸引和积聚全球高端人才,助力厦门建成国际海洋科学中心。

“三泵集成”打造海洋CO2负排放生态工程

微型生物(包括细菌、古菌和病毒)是海洋碳循环的巨大幕后推手,在全球气候变化中发挥了举足轻重的作用。大气二氧化碳(CO2)由海洋藻类生物转变成可沉降有机组分(生物泵),经过细菌和古菌及其他生物和病毒作用(微型生物碳泵),在广阔水体中产生的惰性有机碳(RDOC)可在千年时间尺度上被封存,其伴随颗粒物进一步沉降到海底由底栖微生物作用变成碳酸盐矿物(碳酸盐碳泵)得以更长时间尺度的封存。文章在充分了解海洋微生物过程和机制的基础上,阐述“三泵(生物泵、微型生物碳泵、碳酸盐碳泵)集成”的固碳、储碳原理和优势;采用人工智能手段,制定海洋负排放工程可行性方案,为海洋碳封存提供可监测、可报告、可核查的理论依据和实验场景。从科学原理上,该方案的实施将可望助力我国2060年实现碳中和的宏伟目标。