海洋负排放——基于地球系统科学思维的海洋科技变革

焦念志 骆庭伟 刘纪化 陈泉睿 朱陈霸

1 厦门大学 碳中和创新研究中心 福建省海洋碳汇重点实验室 厦门 361005

2 厦门大学 ONCE联合实验室 厦门 361005

3 加拿大戴尔豪斯大学 ONCE联合实验室 哈利法克斯 B3H4R2

4 山东大学 海洋研究院 青岛 266237

5 山东大学 ONCE联合实验室 青岛 266237

1 海洋碳汇是解决全球气候危机的重要途径

世界气象组织（WMO）新近发布的研究报告表明，受温室气体浓度不断上升和累积热量的推动，2015—2022 年是全球有记录以来最暖的8 年[1]。全球气候变暖加剧了冰川融化、海平面上升、海洋升温和海洋酸化，对经济社会、粮食安全、人口迁移和生态安全等造成严重影响，尤其是“一带一路”沿线发展中国家。气候变化对地球生态系统的冲击更是严峻。联合国环境规划署（UNEP）发布的《与自然和平相处——应对气候变化、生物多样性丧失和污染危机的科学蓝图》指出，当今世界3/4的陆地和2/3的海洋受到人类的影响，许多对人类福祉至关重要的生态系统服务功能正在丧失[2]。联合国《生物多样性和生态系统服务全球评估报告》表明，目前物种灭绝速度“至少比过去一千万年的平均值高出千倍”[3]。联合国环境规划署将“气候危机”列为严重威胁人类未来的三大地球危机之一[2]。

1.1 减排增汇——二氧化碳治理是解决气候危机的现实出路

通常二氧化碳（CO2）被认为是气候变化的主因，因此常被贴上“罪魁祸首”的标签，事实上这是个误区。从地球系统来看，人类的生存高度依赖CO2对大气的调节作用，单就气候与CO2的关系本身而言，如果适合现代人类的CO2值为350 ppm（0.035%），那么大气CO2浓度增加1 倍将导致气候显著变暖；反之，如果减半将足以让地球进入新的冰河时代。正是因为CO2的温室调节作用，人类才有舒适的生存环境。如果没有温室效应，地球表面温度将只有-18℃。所以，大气CO2管理是全球治理的重要任务。

当今的气候变暖主要是因为人类活动产生的CO2过度排放造成的，减排已成为全球共识。然而，对于我国及“一带一路”发展中国家，发展才是硬道理，必须根据国情，在尽可能减排和开发新能源的同时，想方设法增加碳汇，才是现实的出路。据Fuhrman J[5]估算，即使充分利用替代能源，中国每年仍有20—30亿吨的CO2排放缺口，需要人为地将CO2从大气中移除（Carbon Dioxide Removal，CDR）。基于自然生态系统、通过人为干预措施主动地吸收和封存CO2的措施就是“负排放”。从理论上说，当“负排放=排放”时，就实现了碳中和。“负排放”是一种两全其美之策，尤其是对于“一带一路”发展中国家，既可为排放留出空间、保障经济发展，又可增加碳汇，应对气候变化。

1.2 海洋是最大的活跃碳汇，是气候变化的调节器

气候变化是全球性挑战，需要国际社会在各个层面协调应对。2023 年，已有194 个缔约方加入《巴黎协定》，形成了全球共识。但要实现《巴黎协定》规定的全球气候目标，仅靠节能减排和生态修复是远远不够的。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）特别报告指出，所有将温升目标控制在1.5°C 的途径都离不开负排放技术[6]，负排放的出口则是陆地和海洋。

面对全球80亿人口的温饱需求，陆地承载力日趋上限，陆地碳汇的进一步开发受到诸多挑战[7，8]。在此背景下，人们将目光转向了占地球表面近71%的海洋。

海洋是地球上最大的活跃碳库（是陆地碳库的约20倍、大气碳库的约50倍）[9]，在地球历史上，海洋对调节气候变化发挥了无可替代的作用。无论是极端的“雪球事件”，还是周期性的冰期—暖期轮回，不仅受轨道周期控制（米兰科维奇气候演化理论），还受到海洋碳循环的影响[10]。主要原因就在于海洋中巨大的惰性溶解有机碳库（RDOC），其碳储量占海洋总有机碳的90%之多[11]。早在半个世纪前，科学家就认识到RDOC在气候变化中的作用，但RDOC碳库是怎么形成的一直未知。2010年，焦念志等[13]提出“微型生物碳泵（MCP）”理论框架，对RDOC的成因给出了合理的解释。MCP 被Science评论为“巨大碳库的隐形推手”[14]。MCP 是海洋储碳的一个重要机制[15]，不同于其他已知的海洋储碳机制，要么把有机碳向下输送/海底埋藏、要么把无机碳酸盐沉积到海底，均为单向的碳调控。MCP驱动的RDOC碳库，既可把碳储存在海水中，也可以把碳释放到大气中，发挥着往复调节气候变化的作用[13]。

2 海洋负排放科技变革

2.1 海洋负排放

海洋储存了地球上约93%的CO2，累计吸收了工业革命以来人类排放量的近40%[9]。过去150年全球变暖增加的能量90%以上储存在海洋[17]。海洋为抵御气候变暖对人类和生物圈造成的灾难已经付出了巨大的代价，正经历着前所未有的变化，包括大规模变暖、海洋酸化、海水缺氧以及由此产生的一系列环境后效[18]。而这些变化又反过来影响全球气候的整体稳定性，比如厄尔尼诺-拉尼娜周期波动及大洋环流与全球水循环变化等。这种现状下，如何进一步有效地发挥海洋调节气候的作用并且不带来生态环境后效，是摆在科学家和各国政府面前的一项重要且紧迫的任务。

海洋负排放标志着人类面对气候变化全球危机，由被动应对到主动作为的重大转变，这将是认识上的一场革命。一直以来，尽管“保护海洋”的大旗高高飘扬，但事实上人类已在方方面面改变了海洋，从局部的污染、富营养化、到大范围缺氧、全球性海洋酸化。目前的海洋，尤其是近海环境，已经不是传统的“保护”所能解决问题的！只有再通过新的“改变”——科学干预来改善已经变化了的海洋。

认识与理念的升华可催生经济浪潮和社会变革。海洋负排放的内涵在于从传统的“保护海洋”观念升华到“科学地干预海洋”、保障“人与海洋和谐共生、可持续发展”。这种理念转变包括从科学的认知到原理的应用。科学合理地建立基于“碳科学”-“碳环境”-“碳经济”的新经济业态，可谓是人类文明发展到今天的又一次深刻的社会变革。它就像从“捡果子”充饥到“种粮食”饱餐一样，是人与海洋之间的关系在认识上和行动上的一场变革。

从应对气候变化的层面来看，科学合理地调节/干预海洋、与海洋共存共荣，才是可持续发展的正确路线。这就像人类不得不进行气候干预是一个道理，虽然人类已在干预海洋，但受传统观念束缚，忽视了海洋的变化——人类实际上一直在利用、干预海洋，而不愿挑战“世俗正确”的“保护海洋”理念。当然，有必要澄清的是：这里所强调的变革，绝不是单纯地为了人类利益而无所顾忌地开发利用海洋，而是依据科学原理合理利用海洋，解决其环境问题。

我们必须清醒地认识到，应对气候变化的海洋方案也存在着风险。在做出明智的负责任的决策之前，必须首先确定方案的有效性、可行性、安全性[19]。鉴于海洋行动的规模性、海水的流动性，以及影响的全球性，实现这一宏大目标的有效路径在于实施跨学科、跨部门、跨地域、跨文化的国际大科学计划。“海洋负排放国际大科学计划”（ONCE）就是要通过系统研究和实践探索，不断深化对自然规律的认识，为应对气候变化提供更加生态环保的海洋方案，为构建海洋命运共同体提供关键抓手，加快建设人与自然和谐共生的生态文明。

2.2 海洋负排放国际动态

20世纪90年代，美国科学家发起了“海洋铁施肥计划”，开展了史无前例的大规模海洋铁施肥现场实验（全球海洋13 处代表区域），后因生态后效问题而叫停[20,21]。然而，随着气候变化的影响在全球范围内不断扩大，联合国环境规划署（UNEP）发出警告，只有紧急进行全系统转型才能避免气候灾难[22]。海洋作为地球上最大的活跃碳库，再次成为寄托人类应对气候变化的希望。海洋负排放的非凡科技价值和巨大产业潜力[23]，不仅促使各国政府出台了一系列政策，商界也已经看到了气候变化严峻背景下的巨大商机，甚至连私人基金和相关企业已经开始跟进。欧美等发达国家已相继投入大量经费开展海洋负排放研发（表1），并出台了有关法案对负排放环境评价和市场运行机制进行了规划部署，为海洋负排放商业化应用敞开了大门。

表1 2020年至今欧美等发达国家开展的海洋负排放战略规划和行动计划Table 1 Ocean negative carbon emissions inputs by developed countries since 2020

2015年，美国国家科学院发布《气候干预：二氧化碳去除和可靠的封存》战略报告[24]，指出负排放技术有助于缓解气候变化，需要扩大规模。2019、2021年，美国国家科学院、国家工程院和医学科学院相继联合发布2 份关于碳负排放研究战略议程，为美国部署负排放技术研发提供了战略支撑[25，26]。其中，2021年发布的《海洋二氧化碳移除和封存研究策略》，详细分析了海洋生态修复、海水碱化增汇、人工上升/下降流、海洋施肥、大型海藻养殖及电化学增汇6 种海洋负排放方案的理论基础、增汇效率、实施成本，并对生态环境影响进行了评估[26]（图1）。2023年，美国政府进一步推出《海洋气候行动计划》，介绍了200多项跨部门的具体行动，力图通过海洋来实现碳中和，开发基于海洋的气候变化解决方案，增强海洋应对气候变化的能力[27]。除了美国国家海洋和大气管理局（NOAA）在2023 年启动“海洋CO2去除”（mCDR）研究计划[28]，欧盟也相继启动了“基于海洋的负排放技术研究”（OceanNETs，2000年）、“脱碳路径中的海洋碳汇”（CDRmare，2021 年）、“深化海洋碳认识”（OceanICU，2023年）、“海洋CO2清除评价评估战略”（SEAO2-CDR，2023年）等研究计划。加拿大政府也在2023 年启动了“转变气候行动：应对缺失的海洋”研究计划，积极探索海洋在应对气候变化方面的作用。由此可见，自2020年至今美欧等发达国家开展的海洋负排放研发计划或项目，不论数量还是资助金额均呈现出明显增长趋势（表1）。

图1 “三泵融合”技术路线方案与美国6种负排放方案的对标比较Figure 1 Comparison of implementation conditions, impacts, benefits, costs, and potential risks among MCPBCP-CCP integrated approach (red color) of ONCE program and other six approaches of the United States

2.3 海洋负排放中国方案

我国海洋国土面积约470 万平方千米，海洋经济在国民经济中占有重要地位，并呈现显著的增长态势。海洋经济生产总值占国内生产总值的比例，从1996 年的1.9%提高到2022 年的7.8%，达到9.46 万亿元[29]。然而，伴随着海洋经济的高速发展和沿海地区城市化进程的快速推进，我国海洋生态环境也面临着巨大压力。尽管我国政府始终高度重视海洋环境与生态保护，早在1982年就制定了《中华人民共和国海洋环境保护法》，并陆续出台实施了一系列促进海洋可持续发展的法律法规。但我国近海海洋环境仍然面临着生态系统严重退化，不仅“赤潮”等普遍性生态灾害频发，新的挑战也不断出现。例如，2008 年以来，青岛持续出现全球罕见的浒苔“绿潮”已有15 年，2023 年黄海浒苔灾害呈现出南北跨度大、东西分布广，以及单位面积生物量大等特点[30]。在海洋污染和气候变化的双重影响下，东海长江口已成为世界上最大的季节性河口缺氧区之一，面积最高可达1.57万平方千米[31]。我国传统四大渔场之首的舟山渔场渔业资源已在衰退[32]。这就是已经变化了的海洋现实场景，而更大范围里海洋生物多样性与渔业资源也面临威胁[33]。因此，我们必须改变传统的“保护”观念，“以变应变”，从解决突出生态环境问题入手，由被动应对到主动作为。

中国科学家将“微型生物碳泵（MCP）”原创理论与中国实际情况结合，提出了陆海统筹减少陆源营养盐排放增加近海富营养化海区的负碳排放[34]、利用海水养殖区通过人工干预实现综合负排放最大化，以及利用污水处理厂进行低成本、安全有效的海水碱化负排放[35]等现实可行的海洋负排放“中国方案”。MCP 理论的应用也为若干全球性科学难题/悖论给出了合理的解释[36，37]。例如，“为什么高生产力的河口海区是大气CO2的源而不是汇？”“为什么高多样性、高生产力的珊瑚礁生态系统反而是大气CO2的源而不是汇？”等长期存在的悖论。同时，将MCP 与生物泵（BCP）、碳酸盐泵（CCP）、溶解度泵（SP）有机结合，建立BCP-CCP-MCP“三泵融合”[38]、以及BCPCCP-MCP-SP“四泵联合”的综合储碳理论与方法（BCMS）[39]，有望形成基于业务化连续性管理规范（BCMS）的高效、低风险、大规模负排放体系，再现地质历史上曾出现过的大量储碳现象，打造环境友好型“生态地球工程”新范式[40]。基于海洋负排放方案向联合国教科文组织（UNESCO）政府间海洋委员会（IOC）提出的建议已经得到联合国批准设立“全球海洋负排放国际大科学计划”（Global-ONCE）（图2）。

图2 海洋负排放（ONCE）方案示意图Figure 2 Schematic diagrams of ONCE approach

3 海洋负排放实践案例

3.1 陆海统筹负排放生态工程，促进经济大循环

通过减少陆地施肥，增加海洋碳汇，实现陆地—海洋统筹规划、东西部生态良性大循环。陆源营养盐大量输入近海，不仅导致近海环境富营养化、引发赤潮等生态灾害，而且使得海水中有机碳难以保存，尤其是陆源输入海洋的大量有机碳（约5亿吨碳/年，占陆地净固碳量的约1/4），在河口和近岸海区被转化成CO2释放到大气中[41,42]，导致这类高生产力海区反而成为排放CO2的源[34]。在陆海统筹理念指导下，通过科学施肥，减少农田的氮、磷等无机化肥用量，从而减少河流营养盐入海量，缓解近海富营养化，减少赤潮灾害。尤其是，降低陆源输入有机碳的分解率、提高RDOC保持率，使总储碳量趋于最大化。这是低成本、高效益的减排增汇方案[43]，已纳入IPCC2019年的《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》[44]。

大型海藻养殖是缓解近海富营养化、增加海洋碳汇的有效途径[45]。大型海藻通过光合作用将CO2转化成为有机碳，这类“蓝碳”生态系统的碳封存率是陆地植物的10倍[46]。不仅如此，新近研究发现，海藻饲喂反刍动物，可减少甲烷（CH4）排放[47]。CH4是仅次于CO2的第二大温室气体，其短期温室效应是CO2的约80倍[48]。工业革命以来，CH4已导致全球温度升高超过0.5℃，贡献了超过30%的全球变暖[49]。当前60%的CH4排放来自人类活动，其中来自反刍动物的排放量占人为甲烷排放量的近1/3，相当于28 亿吨CO2eq[50]。需要指出的是，CH4在大气中的周期短，现在采取行动减少CH4排放是短期内减缓气候变暖的有效手段。已有研究表明，一些大型海藻能够显著减少反刍动物的CH4排放[47]，最高可减少98%的CH4排放[51]。中国作为畜禽养殖大国，西部畜牧业可与东部海藻养殖业联合，通过实施“东部养藻—西部喂牛”的产业链协同策略，形成“东—西部国内大循环”的新抓手，为落实“全球甲烷行动”作出中国贡献。

3.2 利用已有的海水养殖基础，打造海上牧场新业态

海水养殖不仅可以提供丰富的优质蛋白资源，还能减轻捕捞对自然资源的压力。我国的海水养殖产量占世界总产量的近60%[33]，是我国海洋经济重要组成部分。然而，传统的养殖模式和迅猛扩张导致生态负荷过重、环境压力过大，所引发的富营养化、缺氧、酸化等环境问题为外界诟病，值得高度重视。在新的国际形势下，海水养殖业具有保障粮食安全、增加就业机会、改善生活水平等重要内涵和使命，急需通过科学研究和实践，探索合理地开发利用海洋、并实现修复和保护海洋的新路径。这是摆在科学家、政府和企业界的重要命题。

针对上述环境问题，ONCE 提出基于生态系统内部调节理念的人工上升流举措，即通过清洁能源驱动的人工上升流把养殖海区底部富营养盐水体带到上层，供给养殖海藻光合作用所需营养盐，不仅解决营养盐、无机碳、溶解氧供需错位问题，而且变“污染场”为“增汇场”[37,43]。该举措特别适用于目前迅速发展起来但有待进一步优化的“海洋牧场示范区”。近几年我国已建成169 个海洋牧场，取得了良好的进展。但多数海洋牧场停留在布放人工鱼礁等设施建设上，生态示范作用有待进一步展现。

通过实施海洋负排放系列措施，突破传统思维和技术瓶颈，有望大幅度提高碳汇增量，同时解决现存的环境问题。在系统总结国内外海洋牧场建设经验的基础上规划设计和建设“海上牧场”，可望催生海洋产业升级。传统的筏架养殖在中国历史悠久，渔民吃住生活在筏架上，塑造了“海洋牧歌”的雏形。在国外，荷兰的海上养牛场可算是海上车间[52]。海上牧场将是“集约式养殖+开放式牧场”的现代版的耕海渔业。将利于承担多种养殖体系，使得传统的陆地畜牧业得以延伸至海洋领域。例如，基于漂浮建筑的多功能一体化功能，海藻喂牛工程在近海环境中的直接实施，以及鱼类网箱养殖的灵活可移动性，旨在实现环保与经济效益的双重优化。大型养殖平台海洋牧场还为抵御自然灾害提供保障，并能灵活适应气候的变化，在有效降低温室气体排放的同时，也显著提升资源的产能。在此基础上，充分利用海洋能、太阳能等清洁能源，以及“水下大型藻+平台微藻工厂化”“人工上升流+海水碱化措施”等技术手段实现高效负排放，催生多功能、高效率、可持续的海上牧场，形成基于海洋科技变革的新业态。它以生态健康与环境安全优先的原则为指导设计建设海上大型可移动工程平台，集生产、控制与管理系统于一体。既着眼于生产又考虑废物循环再利用，既通过科学干预实现大规模负排放，又解决富营养化、缺氧、酸化等环境问题，既充分考虑到成本效益又严格控制和防范各类风险，有着巨大的发展潜力。

在此基础上，可进一步延长产业链、增加就业。包括生态旅游和游钓渔业，建设碳中和教育科普基地，将海水养殖区打造成“经济生产”“技术示范”“观光旅游”“科普教育”四位一体的新型海上牧场。将海上牧场培育成为海洋经济发展的新业态。打造增加碳汇、保护环境和经济发展的新名片，形成范例推广到“一带一路”乃至全球沿海国家。

3.3 污水碱化增汇负排放，促进气候经济落地生花

海洋吸收大气CO2的重要机制之一是溶解度泵，它是基于CO2在大气和表层海洋的分压差而自然发生的，一度被认为是不可操控的。最新研究发现，人为地向海洋施加碱性矿物，提高海水碱度可以促进对大气CO2的吸收（即碱化增汇），碱化增汇是国际公认的快速负排放路径[26,35]。然而，由于提高海水碱度会对环境产生影响，其实施方案及其生态后效均不明确，加之海上实施成本较高，目前国际上这方面的研发仍处于试验探索阶段。

ONCE 建设性地提出污水处理场尾水碱化排海增汇的新思路[35]。尾水具有低pH、高pCO2和高有机酸等特点，若在排水入海前添加碱性物质（如橄榄石等碱性矿物），既能够减轻近岸海域的CO2排放、增加CO2吸收，也能够缓解海水酸化等近海环境问题。全世界每年有1000多亿吨污水排放至江河湖海，增加碱度可实现大规模的负排放。据估算，海洋碱度仅需提升1.5%，即可将大气中的pCO2将稳定在420 ppm（2020年水平），也就是说，在保持经济平稳发展的前提下，每年至少从大气中移除100 亿吨CO2[35]。需要指出的是，通过污水处理后的尾水碱化方案是在人为控制的环境下实施，相对而言是最安全、可靠、成本最低的海洋负排放方案。

此外，在污水碱化进入海区后，由于碱度升高吸收空气中的CO2可通过海上漂浮式微藻光生物反应器向海水碱化区持续补充输送有益的微藻，经光合作用及时固定CO2、并维持较高的海水pH，进而有利于持续吸收大气CO2，进入良性循环。微藻大量繁殖又为贝类生长提供充足的食物，有利于发展渔业资源，并消耗贝类钙化过程中释放的CO2，使生态系统整体受益。

如此，污水碱化入海负排放方案，不仅可实现规模化增汇，还可减缓污水排放对自然环境的压力。实现化学途径与生物过程融合、无机与有机综合储碳，秉持BCMS理念，使应对气候变化与经济发展融为一体，使传统的污水处理行业焕发生机、形成新业态。

4 海洋科技变革助力“一带一路”可持续发展，引领全球气候治理

“应对气候变化，建设生态文明，我国应实现由被动应对到主动作为的重大转变；紧跟时代、放眼世界，承担大国责任、展现大国担当，实现由全球环境治理参与者到引领者的重大转变”[53]。我们应践行国际共识，锁定碳中和目标，建立海洋负排放有效路径、提出合情、合理、合法的ONCE方案。合情，即符合中国国情——我国是海洋大国，但80%的海岸线已被人为改造，富营养化、缺氧、酸化等环境问题亟须解决；合理，即符合科学原理——基于BCP-CCPMCP 三泵融合，以及BCP-CCP-MCP-SP 四泵联合（BCMS）的海洋负排放方案可望发展成颠覆性的技术；合法，即符合国际海洋法公约——我国是世界上最大的海水养殖国，提供了符合国际海洋法的大规模海洋负排放实施场所，可望建立业务化连续性管理体系。

鉴于ONCE 大科学计划的理念契合应对气候变化国际共识、技术路线透明合理，既具有创新性、又具可复制、可推广性，目前已经吸引了33 个国家参与。特别是，大多数“一带一路”沿海国家也面临着经济发展与环境污染等类似问题、以及碳中和的国家需求。因而，基于合情、合理、合法的ONCE 方案普遍适用于“一带一路”合作伙伴国家。ONCE 将成为加强国际和区域环境合作、构建人类和海洋共同命运体的重要抓手。

海洋不仅为人类提供了赖以生存和发展的自然资源，而且在国际经贸合作、支撑国家经济发展中扮演着重要角色，其在国际政治、经济、科技竞争中的战略地位也日益凸显。海洋的可持续发展已成为国家生态文明建设的重要内容，尤其是在应对气候变化国际共识方面，可望发挥重要的作用。这一切的前提，是人类必须首先直面当下的海洋所处的状态，然后才可能正确地认识海洋、科学地干预海洋、从而真正保护海洋和人类可持续发展。既利用海洋调节气候变化，又要保持人与自然和谐共生，这是一项建立在科学真知基础之上的宏大系统工程。我们必须历史地看问题，包括环境的变迁、气候的演变，比较工业革命前后、人类的过去与现代的生活方式的根本变化，从地球系统科学出发认识自然规律，系统研究海洋负排放的理论与方法，使之成为有效应对气候变化、积极参与全球治理、推动构建人类命运共同体的重要抓手。我们应把握当前窗口期，以海洋负排放为突破口，把合情、合理、合法的ONCE 方案推向“一带一路”乃至世界沿海国家，加强全球治理的引领力度、促进应对气候变化的全球合作，加快实现人与自然和谐共生现代化。