人工添加橄榄石促进海洋碳增汇过程*

2022-09-01吴俐琳王艺蒙王一雯李云轩焦念志

海峡科学 2022年7期

郑强吴俐琳王艺蒙王一雯李云轩焦念志

(1.厦门大学近海海洋国家重点实验室海洋与地球学院，福建厦门 361012;2.福建省海洋碳汇重点实验室，福建厦门 361012)

1 全球变暖、碳中和与海洋负排放

人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料(如煤、石油等)，排放出大量的CO2等多种温室气体，引发全球气候变化，造成一系列全球性环境和社会问题。据政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)预测，到本世纪末全球气温将上升约4℃。2015年，《巴黎协定》采纳了IPCC的科学建议，致力于把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内，并将升温控制在1.5℃之内。中国政府积极响应国际号召，在《巴黎协定》上首批签字，并在“十四五”规划纲要中提出，力争2030年达到碳峰值，2060年前实现碳中和(以下简称“双碳”)。

2020年4月至2021年3月，中国的CO2排放量创下了近120亿吨的历史新高。只有将近期的CO2排放量限制在4.80亿吨～11.30亿吨才能实现既定目标[1]。而传统的节能减排方式对大气CO2去除量有限，因此，绿色低碳科技创新行动与碳汇能力巩固提升行动被明确纳入《2030年前碳达峰行动方案》；同时，《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》也提出要加强绿色低碳重大科技攻关和推广应用、持续巩固提升碳汇能力。

海洋是地球上最大的活跃碳库，储存了地球上93%的CO2，分别是大气和陆地碳库存的50倍和20倍，有着巨大的碳汇潜力[2]。海洋碳汇的储碳周期远超陆地生态系统碳汇，陆地生态系统碳汇的储碳周期约为几十年到几百年，海洋碳汇则可达数百年至上千年[2]。开发海洋碳汇储碳潜力，是实现我国碳达峰、碳中和目标的一个重要方向，目前已受到了越来越多的关注，提升海洋固碳储碳已被纳入与“双碳”政策相关的国家战略规划中[3]。

2 人为加速橄榄石风化是实现碳中和的措施之一

2.1 橄榄石增汇原理及优势

地球上大部分碳储存在岩石中(约 655000亿吨)，其余则分布在海洋、大气、植物、土壤和化石燃料里[4]。岩石风化是在整个地球历史自然过程中捕获大量CO2的主要非生物过程[5]，地表硅酸盐岩在受到含有CO2的水的作用下发生化学风化，经溶解再沉淀重新演化为碳酸盐岩，实现减少大气温室气体浓度、维持地表恒温的目的。

人为加速橄榄石风化被认为是增加海洋碳汇的方式之一。橄榄石是一种分布广泛的岛状正硅酸盐矿物，外观呈黄绿色晶体状，化学式可简写为Mg2SiO4(镁占金属含量90%以上)，是地球上地幔的主要组成部分。在潮湿热带环境，橄榄石风化速率可达到每年50μm[5]。由于风化速度极快，很难在地表土壤中发现橄榄石。

橄榄石溶解增加的碱度可用于修复表层海洋酸化，有利于维持钙化生物(如具有钙质外壳的珊瑚)的生长(见图1)。此外，橄榄石溶解也可生成硅酸，有利于硅藻等初级生产者增长，橄榄石中含有的微量铁元素的释放也常是限制浮游植物生长的营养元素。因此橄榄石风化不仅可以通过增加碱度吸收更多CO2来增加海洋碳通量，还可以通过硅、铁释放促进浮游植物生长，增加表层海水pH值，同时刺激生物泵及微型生物碳泵来增加碳通量和碳封存[6](见图1)。

图1 橄榄石风化的主要化学过程及海岸带硅酸盐风化增强的四个阶段(修改自文献[6])

海岸带地区通过人工添加橄榄石可以实现海洋碳增汇的效果。硅酸盐风化促进CO2吸收的过程可分为4个阶段(见图1)：①橄榄石溶解发生在单个矿物颗粒表面，反应产物(Mg2+或Fe2+、溶解的硅酸盐和微量金属等)被释放到间隙水溶液中；②增加的孔隙水碱度将从沉积物释放到周围海水；③由于海岸带深度浅、扰动高，碱度的变化很快影响到海水表层，表层水碱度的增加将引起CO2通过海气界面向海水中转移；④溶解产物在短时间尺度(0.1～1年)内与开放海区的海水交换并输出到深海，从而实现长时间尺度(100～1000年)的碳存储。

相对于其他海洋碳增汇技术，在近岸人工投放橄榄石有如下优势：

①增加橄榄石风化是对自然过程的促进，并非人为改变自然。

②与许多其他增汇技术相比，如再生农业需要大量的土地、CCUS具有一定的风险，橄榄石风化不干扰陆地土地利用，不与全球粮食和水安全等其他可持续发展目标竞争，甚至可能对它们有利[1]。

③橄榄石风化过程可以缓冲CO2引起的表层海水pH下降。因此，橄榄石风化一方面通过吸收大气中的CO2从而减缓全球变暖，另一方面还可降低海洋酸化对生态系统的威胁。

④橄榄石碳矿化储存的CO2长达数百万年，相对植树造林等方法(树木一旦燃烧就会释放CO2)，碳矿化储碳的时间更长久。

⑤橄榄石资源丰富，可以利用波浪的自由能来研磨和粉碎橄榄石而无需消耗过多能量，研磨橄榄石并运送至海滩、陆架等近海海区无需攻克复杂的技术难题，易于实施。

2.2 橄榄石增汇沿海应用方法

地球橄榄石的自然风化是一个相对漫长的过程，但人类可通过开采橄榄石，将其粉碎后添加到沿海岸线，从而加速这一过程。目前已提出两种沿海增强橄榄石风化的应用方法(见图1)。第一种是将橄榄石应用于沿海大陆架。大陆架海区通常具有较高的层流切应力，可运输大颗粒橄榄石(D50=1～5mm)[7]。当橄榄石颗粒在洋流和波浪的作用下沿着海床滚动、跳跃或滑动时，就会发生自然的磨损，提升橄榄石风化速率。大粒径的橄榄石颗粒可减少前期的加工成本，也可以减少研磨橄榄石颗粒产生的CO2[8]。第二种是将其应用于海滩等沿岸地区。该方法将细橄榄石(D50=100～300μm)分布在沿海地区，如海滩和浅潮下带[9]。这些浅水中橄榄石颗粒的溶解可通过波浪作用及海床中各种形式的生物活动而增强，这些生物活动被誉为“底栖风化引擎”。原位条件下，微生物代谢和大型动物扰动可显著提高橄榄石溶解速率[6,10]。

已有研究发现了橄榄石在沿海不同水深(10～100m)溶解产物的积累效应[6]。沿岸系统的水深越浅、橄榄石停留的时间越长，橄榄石溶解积累的碱度就越多，从大气中吸收的CO2就越多。在橄榄石颗粒停留时间较长的浅海大陆架海域，局部的碱度积累可以缓解海洋酸化，释放的金属元素也可能影响浮游植物生长。考虑到生态系统的复杂性，评估橄榄石风化对于生态系统的影响还需要进一步的原位实验。

3 沿海投放橄榄石国际项目——Vesta

目前，国际上已有对沿海添加橄榄石增汇方法的应用组织。Vesta是一个由旧金山非营利组织开展的，以推进沿海碳封存(Coastal Carbon Capture,CCC)为目的建造的橄榄石人工沙滩地球工程项目[11]。该项目计划开采橄榄石并将其研磨成沙，运至海滩，添加到海岸线，通过潮汐及生物活动加速橄榄石风化，提高海洋对CO2的吸收率[12]。

Vesta项目组将CCC的目标划分为5个循序渐进的阶段，只有当前一阶段的实验数据表明是合理、安全的，才会向下一阶段推进[11]：

第一阶段为基础研究，包括模型开发、室内实验、天然橄榄石海滩研究、社会科学研究以及潜在试点场地的研究。研究人员由来自社会和环境科学不同机构的全球科学家组成。目前，该项目已确定选择加勒比海一个未被公开的岛屿海滩作为试点实验区域。在橄榄石放置之前，项目研究人员将收集该地点的生物、生态、地质、化学和物理因素的基线数据，并使用以上数据进行实验室分析和建模实验，以得出橄榄石的风化速率、橄榄石在试点随时间的迁移等信息。

第二阶段，放置少量橄榄石以便于检测原位橄榄石风化率及其对当地生态环境有无影响。第一阶段建立的所有参数信息将在第二阶段用以监测验证，并观察各项参数随时间的变化，对站点之间的CCC安全性和有效性进行比较研究。

第三阶段将橄榄石的添加扩大至更大范围和规模，在各个地区实行因地制宜的沿海碳封存规划。

第四阶段将扩大部署至国际规模。

第五阶段将扩大至全球规模。

该项目已于2020年底完成了第一阶段的筹款目标，2021年开始在试点海滩展开实验。据估计，实验用的小海滩在几年内捕获的CO2是同等面积的森林所捕获的CO2的20倍。根据Vesta项目的官方网站信息所示，只要该项目扩展到0.1%～0.25%的大陆架海域，就可以捕获10亿吨CO2[11]。

4 研究展望

Vesta项目主要采用在海滩等沿岸地区添加橄榄石的方法，利用潮汐作用以及生物活动构成的“底栖风化引擎”来加强橄榄石风化[11]。在中国近海实施沿海碳封存措施时，还可以考虑同时在大陆架部署粒径较大的橄榄石，充分利用大陆架较高的层流切应力来将其粉碎。此外，在试点实验数据证实CO2封存效率较高、且对原位生态系统影响较小的情况下，还可以进一步扩大规模，除直接的人力运输与部署外，还可铺设管道，借助河流连接橄榄石采集、粉碎的矿区和施放的近海区域(见图2)，从而系统地在中国近海大陆架及沿岸地区分别部署粗颗粒(D50为1～5mm)和细颗粒(D50为100～300μm)的橄榄石来实现海洋增汇[13]。