海洋负排放技术及其生态治理功能前瞻

周微　郭雪飞　雷仕泽　郑力文　刘纪化

摘要：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、海水暖化等一系列環境负面效应。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。

关键词：海洋负排放;海洋生态治理;全球气候变化;地球生态工程

中图分类号：X145;P74 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2024）02-0015-13

0 引言

随着人类社会对化石能源的大量消耗和土地使用方式的改变，以二氧化碳（CO2）为主的温室气体人为排放快速增加，导致全球气候变化，引发海平面上升、海水酸化缺氧、极端气候频发等多种负面环境效应，严重威胁人类社会的可持续发展。全球碳收支模型表明，与2019年相比，化石能源消费导致的CO2排放量以每年0.1%～1.9%的速率增加，预计到2022年化石能源消费的全球CO2排放量将达到36.6Gt/年;2012—2021年土地使用方式的改变则造成4.5±2.6Gt/年的碳排放[1]。海洋是地球上最大的碳库，其碳储量约是大气碳库的50倍、陆地碳库的20倍，吸收并封存全球人为CO2总排放量的26%;2012—2021年新增海洋碳汇量为2.9±0.4Gt/年，相当于减排CO2为10.6±1.5Gt/年（图1）[1]。因此，发挥海洋系统巨大的增汇潜力是应对气候变化的重要途径之一。海洋系统的自然碳汇过程主要依靠广袤的海表面积，利用海水碳酸盐缓冲体系，吸收大气CO2并解离成碳酸氢根和碳酸根离子，该过程主要发生在中高纬度地区的开阔大洋[2]。

依据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）现有的方法学工作框架，达到履约条件的自然系统碳汇（包括海洋碳汇）强调人为活动主动干涉的碳汇增量，是相对于基线情景（无人为干扰）的额外碳汇量[3]。基于上述原则，近年来多种海洋（碳）负排放（OCNE）技术方案或称“CO2去除的海洋方案（Ocean-basedCDRs）”被诸多学者提出，全球各国（地区）开始加大对该技术领域的研发投入，并陆续制定科研计划[4]（图2（a））。例如：欧盟的“地平线欧洲计划”除资助波浪能、海上风能等海洋可再生能源技术研发外，还对CDRs技术进行重点投入（图2（b））;2021年美国科学院、工程院与医学院发布《海洋二氧化碳清除与封存研究战略》，计划在营养施肥增汇、人工上升/下降流、大藻养殖碳汇、生态系统修复、碱性矿物增汇以及海水电化学减排/增汇6个海洋负排放技术领域进行重点投入和研发[5]（图2（c））;2022年我国科学家牵头发起的“海洋负排放国际大科学计划（Global-ONCE）”启动运行，旨在联合国际优势科研力量，积极探索应对气候变化的海洋方案[6]。

1 应对气候变化的海洋方案技术路径

目前国内外应对气候变化的海洋方案研究集中在滨海湿地蓝碳、海水养殖环境碳汇和海洋负排放工程增汇3个方面，这些技术方案在设计之初都不同程度地考虑其生态治理功能，从而实现海洋系统增汇的最小综合环境负效应。

1.1 滨海湿地蓝碳

滨海湿地蓝碳技术是基于自然的气候变化解决方案，其原理是通过人类活动保护或修复海洋生态系统，以减少生态退化导致的碳储量损失，提高海洋系统的碳储存和碳封存能力。以红树林、盐沼、海草床和海藻场为代表的滨海湿地生态系统能以类似陆地生态系统的方式进行管理，故该类型技术目前主要集中于沿海生态系统[5，7]。对气候变化与海洋系统生物多样性之间关系的科学认识的不断加深[8]，带动海洋生态系统保护与修复技术的研发，且该技术可实施的地理范围将从近海向远洋延伸[5]。以珊瑚礁生态系统为例，由于珊瑚礁的钙化作用伴随着CO2释放，珊瑚礁常被视为大气碳源[9];然而珊瑚礁与兼养的虫黄藻共生，构成生产力最高的海洋生态系统，且随环境变化呈现复杂的碳源-碳汇属性[10-12]。随着对珊瑚礁生态健康的理解加深，珊瑚礁的生态保护与修复得到加强，可人为实现珊瑚礁的生态增汇[13]。我国是世界上少数同时拥有多种滨海湿地生态系统的国家之一，我国滨海湿地类型的分布及其碳埋藏速率估算如表1所示[14]。

1.2 海水养殖环境碳汇

海水养殖环境碳汇是通过海水养殖生产活动，利用水生生物吸收并转化水体中的CO2，实现碳埋藏或形成惰性碳，从而将碳长期储存于海洋系统中;或通过渔业捕捞生产活动，将碳以生物体形式移出水域并进入其他渠道，从而形成稳定储存的碳形态。海水养殖环境碳汇主要包括藻类和贝类等养殖类型，以及增殖放流和人工鱼礁的海洋牧场模式[15]。由于贝类生物在生长过程中的呼吸作用和钙化过程均释放CO2，贝类养殖的碳源-碳汇属性在国际上尚存争议[16]。多营养层次的养殖模式能够有效减轻海水养殖活动对资源、环境的压力，被认为是实现包括贝类在内的海洋生物碳汇扩增的有效方式[17]。

相较而言，大型藻类养殖的碳汇技术受到国际学术界的普遍认可[5]。海藻在生长过程中的光合作用能够固定海水中的CO2并转化为生物体有机碳，其中部分有机碳随生物体脱落并沉降埋藏进入海床（或深海）而成为埋藏碳（生物碳泵），还有部分有机碳则以溶解有机碳（DOC）的形态释放回到海水水体，并经由海洋微生物转化（微生物碳泵）形成惰性溶解有机碳（RDOC）。在上述2个过程中，除形成长期储存的埋藏碳和惰性溶解有机碳外，大部分有机碳将再次矿化形成溶解无机碳（DIC）。有学者基于碳收支模型评估全球大型海藻生态系统的储碳能力约0.17Pg/年，相当于减排CO2约0.60Gt/年，其中RDOC形态的横向碳汇输出约占总碳汇量的70%（图3）[18]。

我国是海藻养殖大国。有学者评估我国大型海藻养殖每年固定CO2约61万t，其中56.8%可长期储存于海洋系统中，同时不同品种大型海藻的储碳能力存在差异[19-20]。大型海藻养殖过程中的光合固碳将碳储存于生物体内，并通过海藻收获过程将碳移出水体。然而目前养殖的大型海藻除部分作为工业原料外，大部分作为食品被消费，短期内将再次转化为CO2释放回到大气，并不具备储碳并改变气候长期变化趋势的功能。Xiong等[21]和Li等[22]的研究表明，自2007年开始严重威胁我国江苏和山东沿岸生态环境的绿潮同样具备碳汇功能，将其生物体运至远海并人为沉降将进一步增强其碳汇能力。

1.3 海洋负排放工程增汇

海洋负排放工程增汇是通过人工上升流、提升海水碱度、海水施肥以及微生物诱导矿化等工程技术手段，人为干预海洋系统的碳循环过程，从而实现海洋系统的人为增汇。该技术路径发端于人为干预气候的“地球工程”设想：面对日趋紧迫的气候问题，部分学者提出“太空安装太阳光反射装置”“平流层注射气溶胶”和“增加地表/海表反照率”等针对太阳辐射管理的应急预案[23-24]，由于其生态风险具有未知性，近年來各国加大对该领域的研究投入，但目前仅作为应急预案进行数值模型研究。基于此，有学者提出将生态系统的自然碳汇过程与工程技术手段相结合，形成“地球生态工程”设想[25]。Martin等[26]提出的海水铁施肥增汇方案则是其中的典型技术：人类历史上在开阔大洋进行数次海水铁施肥的现场实验，但现有数据仍难以验证表层浮游植物茂生与深海储碳之间的关系[5]。此外，由于应减少对海洋的人为干扰以及开阔大洋的使用权限存在法理争议，近年来在人为影响显著的近海海域实施的负排放工程方案被陆续提出[25]，其中具有代表性的包括养殖海域人工上升流增汇方案[27]、近海浅滩碱性矿物增汇方案[28]、废水碱化入海增汇方案[29]、陆海统筹增汇方案[4]以及微生物诱导“三泵协同”增汇方案[30]。海洋负排放工程增汇技术方案寻求海洋负排放效应的最大化，将实现基于自然和生态路径的低风险、高效益的大规模负排放碳储存，有望打造“三泵协同效应”理论的“地球工程”新范式（图4）[4]。

2 全球和区域海洋生态环境现状

2.1 全球海洋生态风险

随着全球碳排放量的增加，海水尤其是表层海水的温度持续提升，出现海水暖化现象，超过90%的全球气候变暖热量被海洋吸收。与工业革命前相比，全球海表温度升高1.2℃，导致海冰融化抬升海平面，且为台风、飓风等极端天气现象提供能量。20世纪90年代后期以来，登陆我国沿海的台风的平均强度波动增强，风暴潮和海浪灾害对沿海地区人民的生命和财产造成巨大损失。

受全球变暖影响，海洋环流发生改变，呈现上层海洋环流总体加速、下层海洋环流流速减缓的趋势[31-32]，不但影响海洋对气候的调节作用，而且对海洋生态环境产生显著影响。沿岸上升流加强是海洋洋流系统对全球暖化的响应之一，导致营养盐污染容量下降等不可预计的海洋生态系统改变[33]。此外，海水暖化严重威胁珊瑚礁生态系统健康，将破坏珊瑚虫与虫黄藻之间的共生关系，导致珊瑚白化[34]。

全球表层海水升温降低氧气在海水中的溶解度，同时增强海水分层，使表层海水的溶解氧难以扩散进入下层海水，导致全球海水脱氧。在过去的50年中，全球变暖已使中、东赤道大西洋和赤道太平洋的低氧区不断扩大[35]。海水中的鱼类、蟹类和贝类等生物在低氧的环境下受到严重影响甚至窒息死亡，从而造成海洋生态危机。随着大气二氧化碳浓度的升高，海水酸化现象日益加剧。近200年来全球表层海水pH 值平均降低0.1，直接或间接影响海洋生物的生长、繁殖和代谢过程，改变海洋生物群落结构，影响海洋生物多样性，破坏海洋生态平衡[36]。以富营养化为主的局部人为因素进一步加剧近海底层海水的季节性酸化，近年来我国黄海在秋季频繁观测到低于1.5的文石饱和度[37]，底栖贝类几乎绝迹。综上所述，全球海洋生态面临恶化趋势，且具有不容忽视的生态风险[38]。

2.2 区域海洋生态灾害

人类活动在影响全球碳循环的同时，氮、磷等元素的循环过程也受到影响。陆源营养物质过量输入河口区和近海水体，导致近海海域赤潮、绿潮和褐潮等有害藻华现象频发。自20世纪70年代以来，全球近海富营养化问题加剧，赤潮发生频率增加且规模扩大[39-41]。浒苔绿潮自2007年起在我国黄海出现，2021年暴发时面积接近2000km2，对江苏、山东近海生态环境和生态安全造成严重影响[42-43];自21世纪以来，我国黄、渤海开始出现由抑食金球藻引发的褐潮以及由马尾藻暴发性增殖引发的金潮现象[44-45]。有害藻华频发进一步加重近海底层水体的酸化和缺氧程度，自20世纪70年代以来，我国近海水体缺氧事件的发生频次呈现指数型增长[46-47]。

近海河口区域过量营养盐输入导致近海水体富营养化的机制如图5所示[48]。

全球每年有超过1100万t的垃圾进入海洋，其中以塑料制品为主。目前全球海洋垃圾存量为7500万t至1.99亿t，其中80%来自沿岸生产生活、旅游娱乐、船舶航行、渔业捕捞等人类活动[49]。海洋垃圾对海洋生物、人类及海洋环境的危害是多方面的，已演变成困扰全球的海洋环境污染问题之一。废弃渔网等垃圾会缠住船舶的螺旋桨，对船舶航行造成重大安全隐患;当塑料垃圾进入海洋后，其自然降解速率减慢，在光照、风吹和洋流作用下，很多塑料垃圾老化并被分解为更小块，这些微塑料通过食物链传递，最终可能在人类体内富集[50-51];海洋生物误食海洋垃圾后会引起胃部不适、行动异常、繁殖能力下降甚至死亡，每年至少有100万只海鸟以及不计其数的海洋哺乳动物因海洋垃圾缠绕、撞伤、误食而丧生。

除上述海水暖化、海水酸化缺氧等全球气候变化风险以及近海富营养化、海洋垃圾等局部人类活动干扰外，滨海电力温排水（余氯）、海洋放射性污染、石油和危化品泄露、过度捕捞和开发、有害物种入侵以及地质灾害等因素同样导致海洋生物多样性下降以及部分海洋生态系统服务功能退化。

3 海洋负排放技术的生态治理功能

3.1 滨海湿地生态功能恢复

滨海湿地是陆地生态系统和海洋生态系统的过渡地带，能够维持单位面积的高生物生产力，并承担防止风暴潮和海岸侵蚀等复杂的生态功能。随着海平面的上升、海洋动力侵蚀作用的加强以及人类活动的日趋频繁，海岸侵蚀日益严重。我国是世界上海岸侵蚀较为严重的国家之一，海岸侵蚀现象从20世纪50年代末开始显现，至80年代方被逐渐重视，一些工程结构型和生态修复型海岸防护技术被陆续提出[52]。滨海湿地生态系统中的植物可以抵御海浪和风暴潮的冲击，其根系固着海岸堤岸，有效防止海岸侵蚀。同时，滨海湿地具有清除和转化陆源污染的功能。以氮素为例：陆地地表径流或地下水均比海洋系统具有更高的氮素水平，氮素直接进入近海生态系统将造成富营养化现象;陆地与海洋生态系统的这种差异源于中、高纬度地区的海水难以发挥生物固氮作用[53-54]，而淡水和土壤生态系统的生物固氮作用较为普遍[55-57]，化石肥料的广泛使用进一步加重这种差异[58];滨海湿地复杂的氧化还原机制能够为反硝化、厌氧氨氧化的氮去除过程提供有利环境[59]。因此，滨海湿地生态功能的恢复将有效减小人类活动产生的陆源污染对近海生态系统的冲击，滨海湿地蓝碳评估技术的完善和蓝碳交易市场的发展通过将纯投入的公共支出转变为具有收益的市场行为，将为滨海湿地生态修复提供资金，从而提高滨海湿地生态修复的效率和质量。

3.2 海水养殖环境碳汇和陆海统筹增汇对近海富营养化的治理

传统海水养殖模式是近海富营养化的成因之一，其投饵喂养模式以及岸基养殖池废水的直接排放造成区域环境营养负载过重，引发海水缺氧酸化、有害藻华频发等富营养化现象。我国是海水养殖大国，但养殖污染问题尚未根本解决[41，60]。科学合理的海水养殖模式非但不会形成污染源，反而会是治理近海富营养化的潜在抓手。例如：海藻养殖的收获过程可从海水中移除碳，同时可从水体中回收氮、磷[20];根据评估数据，我国现有海藻养殖规模每年可从海水中去除约7.5万t氮和0.9万t磷，再扩大1倍的海藻养殖规模能有效限制我国沿海磷污染，而限制氮污染则须扩大17倍[61]。滤食性贝类在养殖过程中会吸收周围环境中的病毒、细菌、有毒藻类和受污染的有机颗粒，起到净化水体、增加水透明度的作用[62]。有学者以美国马里兰州切萨皮克湾为研究海域，评估牡蛎养殖过程的生态服务价值[63]。

随着海水养殖规模的扩大和环境友好型养殖模式的推广，海水养殖单位产量和经济价值均将有所下降，海水养殖环境碳汇将承担部分经济补偿，同时拓展海水养殖品种的资源化利用途径是维持海水养殖产业经济收入的重要手段之一。例如：养殖海藻在作为有机肥料生产原料的同时也可作为饲料，最新研究表明在牛饲料中使用大型海藻将有效减少牛胃肠道的甲烷排放[64];海藻有机肥料替代化肥在农业生产活动中使用将提高土壤环境质量，有效降低农业生产的面源污染，改变地表和地下径流的营养盐负载，而河口陆源有机碳的存留与入海河流营养盐负载相关[65]。陆海统筹生态工程的实施在整体增加陆海生态系统碳汇效应的同时，可实现生源要素循环的人为可控，从而从根源上解决近海富营养化的问题。

3.3 人工上升流应对海水暖化和缺氧现象

养殖海域人工上升流增汇是通过放置人工系统形成自海底到海面的海水流动，促进海洋吸收大气CO2，从而实现碳汇增加的生态工程技术手段之一。人工上升流系统将改变养殖海域营养盐、溶解氧、无机碳的时空错配问题，调节系统内的生物要素机制，将“污染场”变为“增汇场”[4]。人工上升流通过将海底较冷的海水提升至海表，有效缓解作用区域内的海水暖化现象。在自然上升流的作用下，南大洋的海表升温效应相较于北极海域有显著延迟[66-67]。

全球珊瑚礁系统正在受到海水暖化的严重威胁。研究表明，澳大利亚大堡礁历史上出现的数次珊瑚白化事件均主要由于海表的极端高温[68]。理论上，在热带近海珊瑚礁区域周边布设人工上升流，并基于海水物理化学环境智能化控制其启动和关闭，能够将深海营养盐输送到高生物生产力的珊瑚礁生态系统，从而实现增汇目标，同时深海较冷水体也将减少珊瑚礁对极端高温天气的热胁迫响应[69]。

人工上升流将深海冷水提升到海表的同时，表层富氧海水将形成补偿水体而被带到海洋深层，潜在可能缓解底层缺氧问题[70]。数值模型研究表明，人工上升流的使用将有效减少半封闭海域的缺氧区面积[71];但也有现场试验表明，尽管最小溶解氧层的体积在人工上升流作用下缩小，但由于表层海水的施肥效应，水柱的平均溶解氧浓度有所降低[72]。在全球升温的影响下，海水季节性层化作用加强，近海缺氧事件的发生将越来越频繁。因此，人工上升流将成为人为调控碳、氮、氧元素时空分布的重要工程技术手段。

3.4 海水碱化增汇缓解近海酸化问题

珊瑚礁生态系统受热胁迫的同时还受到海水酸化的严重威胁[73]。研究表明，提高海水pH 值能有效增强珊瑚在热胁迫和海水酸化作用下的生态恢复能力[74]。海水碱化增汇是通過碱性矿物促溶[28]、废水碱化排放[29]、海水电解碱化[74]等工程技术手段，人为提升海水碱度，增强海水对CO2的缓冲能力，从而实现增汇目标。随着海水碱度的提升，海水pH 值将有所提升，可提高文石饱和度，有效缓解海水酸化的负面效应[75]。

海水酸化环境是实施碱性矿物增汇的有利场所。随着海水CO2分压的升高（酸化过程），以橄榄石为代表的碱性矿物的溶解速率加快[76]。黄海冷水团是我国季节性酸化最为严重的区域之一，严重影响底栖贝类生物的生长[37]。黄海中部底层冷水团是冬季水体的残留，其接收从上层真光层沉降的有机物，并同步累积耗氧和矿化再生的无机碳，随后在冬季海表降温并使表底层水体混合，层化季节累积的无机碳又通过海-气交换机制释放回到大气。理论上，在黄海冷水团的形成过程中提升底层海水碱度，一方面，可将矿化再生的无机碳固定在海水系统中，不再于冬季被释放;另一方面，可有效提高海水pH 值，消解海水酸化作用。

3.5 全球气候治理的海洋解决方案与全球海洋生态治理

由于作用对象的一致性和实施目标的差异性，海洋负排放和海洋生态治理是部分交叉和相互并行的2个技术体系（图6）。

面对全球气候治理目标，海洋负排放生态工程在实施过程中需要配套海洋碳汇核算和评估技术体系。基于当前技术基础，海洋碳汇核算和评估技术体系要满足“可测量、可核查、可验证”的第三方认证要求，发展现场碳检测技术，结合卫星遥感反演技术和海洋生物-地球-化学循环数值模拟，减小海洋碳汇评估的时空不确定度，提高海洋碳汇监测的精确度和时空分辨率。基于对海洋生态系统碳循环科学认识的进一步深入，遥感反演和数值模拟技术的发展也为海洋生态系统功能评估技术的发展提供科学基础，同时为全球海洋生态治理热点区域的预判提供高效工具。在海洋负排放工程实施方面，以碳循环为核心的海洋生源要素循环人为调控技术可为生态治理提供海水碱化、人工上升流、微生物碳酸盐等技术，该技术体系以海洋负排放为核心目标，以海洋生态保护和修复为实施条件。同时，随着海洋生态系统逐渐恢复健康状态，可提高海洋生物生产力和海洋生物多样性，使大气中更多的CO2以生物质形式停留在海洋生态系统中。珊瑚礁生态系统和滨海湿地生态系统的修复和维护都具有海洋负排放功能，但其技术研发将以海洋生态治理为核心目标、以海洋负排放为辅助效果。需要注意的是，这类技术对于去除大气CO2存在效用上限。此外，针对塑料污染、核放射污染、过度捕捞等人类活动的特定影响，应发展相应的海洋生态治理技术，海洋负排放技术无法解决该类生态环境问题。海洋负排放技术将与海水电解制氢和氢储能、海上风能、波浪能等碳减排技术相结合，进一步扩大海洋解决方案的气候治理效益。

随着人类活动对地球系统影响的日趋激烈，气候变化和海洋生态退化成为21世纪人类可持续发展的全球性新课题。大气和海洋环境污染均表现出跨国界、跨区域以及全球覆盖的特征，而人类干预与环境效应之间存在异地性，导致对全球气候和海洋治理的监管缺少法律约束。《京都议定书》的签订为国际社会治理全球环境问题提供可借鉴的合作机制，然而海洋碳汇核算和技术标准等在国际上尚存争议。因此，推进制定海洋碳汇核算和海洋负排放技术的国际标准，将对海洋生态治理国际标准的制定提供经验和平台基础。

4 结语

海洋负排放技术是通过人工干预海洋生态系统，促进海洋生态系统对CO2的吸收和固定，从而达到减少大气CO2的目的。这项技术的实施在应对全球气候危机的同时，可以保护和恢复海洋生态系统，具有生态治理功能。

海洋生态系统是地球上最大的生态系统之一，具有重要的生态功能和经济价值。然而随着人类活动的不断增加，海洋生态系统同时受到海洋环流改变、海水酸化脱氧等海洋物理化学环境的全球性影响以及人为活动污染的局部胁迫，其生态功能受到严重的破坏，导致海洋生物数量减少、海洋生物多样性降低、海洋生态平衡失调等问题。海洋负排放技术可以通过增加海洋生物数量和提高海洋生物多样性，保护并恢复海洋生态系统，其生态治理功能主要体现在3个方面。

（1）促进海洋生物的生长和繁殖。海水施肥增汇、大型海藻人工养殖增汇以及人工上升流增汇均是通过海洋植物对CO2的光合固定和吸收以及海洋生态系统（碳泵）转化形成长周期碳储存，海洋生物的数量和种类将随海洋生态系统碳通量的加大而增加。

（2）提高海洋生态系统的稳定性和抗干扰能力。海水碱化增汇和人工上升流增汇将缓解海水酸化和变暖的影响，避免底层缺氧区的出现，提高海洋生态系统的稳定性;滨海湿地的保护和恢复在增加蓝碳的同时，将增强海洋生态系统的抗干扰能力。

（3）促进海洋生态系统的循环利用。海洋生态系统是复杂的循环系统，人工上升流技术的应用将人为加快海洋系统内部的元素循环，与陆海统筹生态工程相结合，在实现自然系统碳汇整体增加的同时，减少资源浪费和环境污染。

综上所述，海洋负排放技术具有生态治理功能，在海洋生态系统增汇的同时保护和恢复海洋生态系统，为海洋可持续发展提供重要支持。

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