不可不知的碳中和——海洋与双碳理论

2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上提出中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的宏伟目标。那么什么是碳中和？海洋在实现“碳中和”中能起到什么作用呢？

碳达峰是指二氧化碳的排放达到历史最高值，并逐步降低。同时，继续通过碳减排和碳增汇等重要途径，实现二氧化碳净排放为零，也就实现了“碳中和”。而海洋储存了地球上约93%的二氧化碳，是地球上最大的活跃碳库，是陆地碳库的20倍，大气碳库的50倍。海洋每年吸收约1/3的人类活动排放到大气中的 CO2，并且储碳周期可达数千年，这种通过物理、化学或生物手段捕获大气中的 CO2，将其永久或在较长时间尺度内封存在海洋中的过程被称为海洋负排放。

碳中和是应对气候变化的必由之路，海洋负排放是实现碳中和的重要途径。实现碳中和，减排和增汇是两条根本途径。减排即减少向大气排放CO2。增汇是指增加对大气CO2的吸收。通过主动增汇来降低大气中CO2的水平，从而减缓气候变化。海洋吸收二氧化碳的主要机制包括溶解度泵、碳酸盐泵、生物泵及焦念志院士提出的微型生物碳泵（图 1）。然而，生物泵导致的颗粒有机碳（POC）向深海的输出是有限的，到达海底埋葬的有机碳量大约只有海洋初级生产力的 0.1%，而海洋中的溶解有机碳（DOC）高达总有机碳的97%。其中约95% 的DOC是生物难以利用的惰性溶解有机碳（RDOC），这些RDOC 年龄可达 4000～6000年，构成了海洋的长期储碳。然而，自然的海洋负排放过程缓慢，也受海洋环境、人为活动等影响较为明显。如何进行人为干预，增强海洋负排放过程，加快实现碳中和呢？

图 1 海洋固碳与储碳的主要过程

2021年，中国科学家们提出了海洋负排放的路径和基本方案，简单来讲，可通过陆海统筹减排增汇、微生物诱导碳酸盐沉积、海岸带生态修复、海水生态综合养殖、海洋地质碳封存等技术实现。

1. 陆海统筹减排增汇

——减少近海营养输入

陆源营养物质过量输入影响河口和近海的储碳（图2a），尽管初级生产力在一定程度上会随营养盐增加而增加，但由于光合作用产物主要是活性有机碳，进入环境后反而会成为滋生异养细菌的温床。相当部分的陆源有机碳在河口和近海会被转化成CO2释放到大气，使得高生产力的河口海区反而成为排放CO2的源。减少陆源营养盐的输入，在固碳量保持较高水平的同时，减少有机碳的呼吸消耗，提高惰性转化效率，使得总储碳量达到最大化（图2b）。因此，通过陆海统筹科学施肥、减少向近海的营养输入，可望变“源”为“汇”, 提高河口近海综合储碳能力和生态服务功能。

图 2 近海富营养化海区“源”“汇”原理示意图

2. 微生物诱导碳酸盐沉积

——施加橄榄石粉和黏土矿物

橄榄石粉和黏土矿物能够将光合藻类产生的有机质由生物泵（BP）快速传输到海底沉积物；然后，在沉积物的厌氧条件下，利用微生物碳泵（MCP）和碳酸盐泵（CP）的协同作用，产生大量惰性有机质和固体碳酸盐矿物，达到大气 CO2 被长期甚至永久封存的目的（图3）。此方法通常用于缺氧和酸化的海洋环境中，此外该方法还能有效抑制赤潮的发生，在增汇的同时解决海洋环境问题。

图 3 近海缺氧环境微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)示意图

3. 海洋生态修复和综合养殖

——人工上升流

海岸带生态系统是海洋蓝碳的主要贡献者，然而近年来红树林、盐沼、海草床、珊瑚礁等生态服务功能退化，降低了海洋的固碳能力，因此通过人工上升流等海洋工程手段，改善海岸带环境，是海洋生态修复、增强海洋负排放的重要途径。同时，良好的海洋生态环境，也有助于海水养殖的发展，并通过开发贝藻鱼等海洋立体生态养殖体系，加强海洋负排放。海藻养殖过程可高效利用海水中的营养元素，同时固碳能力加强，养殖过程中产生的有机碎屑则被立体养殖底栖贝类、海参利用或被埋葬，此外通过清洁能源(太阳能、风能、波浪能等)驱动人工上升流促进营养盐循环增汇措施是生态系统内部调节举措，这一绿色发展理念改变了以往把海水养殖简单地认为是增加环境负荷和有机污染的认识, 变“污染源”为“增汇场”（图4）。

图4 海洋负排放生态工程案例示意图

AT，碱度；BP，生物泵；MCP，微生物碳泵；CP，碳酸盐泵；RDOC，惰性溶解有机碳

在碳中和目标的牵引下, 全球科学家已经开始了增加海洋储碳、应对气候变化的理论研究和技术探索, 旨在为实施海洋增汇提供理论基础和技术支撑。2013年，国内 30多个涉海科研院校及相关部委和企业成立了以基础研究引领，涵盖政、产、学、研、用的全国海洋碳汇联盟（COCA）。2014 年，COCA 推出“中国蓝碳计划”。2015 年，“海洋碳汇”被纳入党中央、国务院印发的《生态文明体制改革总体方案》。2019年, 我国科学家发起了“海洋负排放国际大科学计划(ONCE)”，以期推动在国家和地区层面建立典型海洋环境的负排放生态示范工程。2020年11月，在海洋生态经济国际论坛上，COCA 发布了《实施海洋负排放，践行碳中和战略倡议书》；12 月，召开“海洋负排放支撑碳中和”专题研讨会；同月，我国相关涉海大学在政府有关部门支持下成立了“海洋负排放研究中心”“碳中和创新研究中心”等机构，有望为全球实现碳中和贡献中国方案。