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海洋如何成为“负排放”碳汇场？

中国气象报2021-08-18

北极星大气网讯:蓝碳即海洋碳汇、蓝色碳汇，指海洋和沿海生态系统从大气中捕获的二氧化碳，包括储存在海水和沉积物中各种形态的碳。实际上，海洋储存了地球上约93%的二氧化碳，是地球上最大的碳汇体，并且每年清除30%以上排放到大气中的二氧化碳。未来，蓝碳将分担和缓解碳排放压力，是减排的另一条可行路径。

近些年，蓝色碳汇逐渐被认可，增加海洋碳汇、探索开展海洋生态系统碳汇试点、建立蓝碳标准体系及交易机制等被写入相关政策文件。

海洋固碳，秘密在哪儿？

1.海洋固碳的“秘密武器”

海洋是地球上最大的碳库，据估算约为40万亿吨，是大气碳库的50倍。

那么，海洋是如何捕获大量二氧化碳的呢？

很重要的一部分答案就藏在海岸带生态系统中，比如红树林、海草床和盐沼。虽然这三类生态系统的覆盖面积不到海床的0.5%，植物生物量只占陆地的0.05%，但其碳储量却占海洋碳储量的50%以上。以红树林为例，全球红树林总面积仅占全球近海面积的0.5%，但其埋藏在沉积物中的碳却占10%至15%，称得上是蓝碳捕获“高手”。

滨海蓝碳生态系统不仅能够固碳，还能消波减浪，有效防止海岸被侵蚀，减轻灾害性天气事件影响，应对海平面上升，并且为众多海洋生物提供产卵场和栖息地。

2.如何保护蓝碳生态系统？

这些固碳“能手”正在受到气候变化的威胁。气候变暖、海洋酸化、海平面上升、风暴潮加剧会改变甚至破坏滨海湿地生态结构，严重影响其固碳储碳能力。据研究人员粗略估计，全球67%的红树林、35%的滨海盐沼和29%的海草床正受到破坏。

研究显示，1960年以来，热带气旋、干旱、高温和海平面上升等造成红树林大规模死亡，削弱了生态系统生物多样性和供给服务能力。过去几十年间，全球已经发生多次海草死亡事件，热带地区的海草床正在缩小。在温度、盐度和营养盐水平上升的共同作用下，海草床的物种组成和生物量呈减少趋势。20世纪70年代以来，海平面上升引发土壤侵蚀，盐沼生物多样性加速丧失。

《气候变化中的海洋与冰冻圈特别报告》指出，滨海植被覆盖范围在海平面上升和升温的背景下将继续缩小，导致碳储量减少。

作为陆地和海洋生态系统之间的过渡生态系统类型，滨海湿地生态系统受到气候变化和人类活动双重威胁。滨海蓝碳生态系统遭受破坏后，不仅失去其碳汇功能，甚至可能从碳汇变成碳源。因此，需要加大对海岸带生态系统的保护力度，以应对气候变化可能对滨海蓝碳产生的负面影响。

3.我国蓝碳潜力几何？

海洋在实现碳中和目标中具有重要作用。增加蓝色碳汇、开发蓝色能源是实现碳中和的重要路径，研究蓝碳对全球气候变化、生物多样性保护和人类可持续发展具有重要意义。

中国有约300万平方公里的主张管辖海域和1.8万公里的大陆岸线，是世界上少数几个同时拥有海草床、红树林、盐沼这三大蓝碳生态系统的国家之一，670万公顷的滨海湿地也为蓝碳发展提供了广阔空间。

按全球平均值估算，我国三大滨海蓝碳生态系统的年碳汇量约为126.88万吨至307.74万吨二氧化碳。其中，红树林每年可埋藏27.16万吨二氧化碳，海草床每年可埋藏3.2万吨至5.7万吨二氧化碳，滨海盐沼每年可埋藏96.52万吨至274.88万吨二氧化碳，均具有巨大的固碳储碳潜能。

近年来，我国各部门针对海岸带生态系统采取了多项保护措施。例如，我国在滨海湿地建立了数十个红树林保护区、数个海草床保护区和盐沼湿地保护区。虽然这些措施是以保护生物多样性为目的，但蓝碳生态系统的恢复有助于增汇减排，助力我国实现碳达峰碳中和目标。

蓝色碳汇未来可期

1.海洋碳汇的几种途径

根据我国碳中和目标要求，在不减产的情况下实现减排增汇，平均水深4000米、覆盖地球70%面积的海洋成为探索“负排放”的重点领域。

目前，我们已知的主要海洋碳汇机制包括溶解度泵、碳酸盐泵（CCP）和生物泵（BCP）。

溶解度泵利用大气中二氧化碳分压高于海洋，使得二氧化碳溶于海水中，在高密度海水的重力作用下，将二氧化碳“拖拽”到深海中。看似完美，但是二氧化碳溶于海水的过程中容易造成海洋酸化，破坏海洋环境和海洋生物多样性，属于“杀敌一千自损八百”型。另外，该过程难以调控，因而不是科学界研发的对象。

碳酸盐泵是通过碳酸盐沉积将二氧化碳储存于海底，因其化学过程中释放出等量二氧化碳，所以也称之为反泵，属于“好心帮倒忙”型选手。但是，科学家有可能采取措施，调控边界条件，使这个“反泵”变为“正泵”。

生物碳泵是通过有机物生产、消费、传递等生物学过程，形成颗粒有机碳，在重力作用下由海洋表层向深海乃至海底迁移和埋藏的过程。过程中，从浮游植物光合作用开始，沿食物链从初级生产者逐级向高营养级传递有机碳，并产生颗粒有机碳沉降，将一部分碳长期封存到海洋中。

科学界对生物泵固碳与储碳评价极高，认为若无生物泵，大气中二氧化碳含量将比现在高出200ppmv。

生物泵虽好，但是埋藏碳效率太低。据估算，通过生物泵迁移和埋藏至海底的二氧化碳量接近海洋初级生产力的1%，绝大多数颗粒有机碳在沉降中被“撂倒”。如何高效利用，成为科学家为之努力的目标。

2.微型生物碳泵，蜡封的“肉丸子”

经过多年的系统研究和科学试验，我国科学家逐步认识到海洋生态系统中微型生物对海洋碳库形成的重要作用。中国科学院院士焦念志提出了一个新的海洋储碳机制——微型生物碳泵，引领了该领域的国际前沿发展趋势。

海洋中95%的有机碳是溶解态的，这其中的95%又是惰性有机溶解碳，可在海洋中保存5000年左右。

微型生物碳泵是利用海洋中微生物、浮游生物等生理生态活动吸收活性有机碳，然后将活性有机碳转化为惰性有机碳，储存在海水中。因惰性有机碳不容易被降解，因而可以积累形成巨大的碳库。

据估算，海洋中惰性有机碳的量和大气碳汇相当。因此，海洋储碳潜力巨大，对于调节气候变化有重要作用。

理论上说，海洋表层各种浮游生物、微生物吸收大气中的二氧化碳后成为颗粒有机碳，然后在重力等作用下沉降到海底，达到固碳的目标。但实际情况是，在沉降至几千米的海底过程中，颗粒有机碳被降解得很厉害，可以说是呈指数型衰减。其结果就像是一个大型漏斗，上面看着数量很多，但是最终到达海底的数量少得可怜。

这个过程也可以理解为，各种海洋生物、微生物像是一颗颗美味的肉丸子，吸收二氧化碳形成颗粒有机碳后，在沉降海底的漫漫征程中，因其味道鲜美，一路被海洋微生物、细菌“啃食”，到了海底就剩下点肉末了。

这不是我们想要的结果。但是，如果颗粒有机碳在沉降过程中不断和惰性有机碳分子碰撞结合，将有利于保护颗粒有机碳。这就相当于给颗粒有机碳这个美味的肉丸上包裹上了一层蜡，口感不佳，细菌对其失去兴趣，因而得以沉至海底，长期保存下来。

这与海底石油形成的原理类似，科学界正在通过试验验证其相似性，为海洋碳封存打通“最后一公里”。

10年前，焦念志提出的微生物碳泵概念还鲜为人知，在若干大型生态系统模拟实验验证后，得到国内外科学界的认可。随后，该理论被写入IPCC报告。美国科学家称，尽管这个巨大的惰性有机碳库形成原因仍然是个谜，但是，它对调节气候变化的作用是巨大的。而且，在地球历史进程中，曾经的惰性有机碳库比现在至少大500倍。

如今，科学家还在开展研究，如何调控碳酸盐泵、生物泵和微生物泵三者反应的边界条件，以求实现三泵协同增汇。届时，可能实现历史上曾经出现过的大规模储碳现象。

实际上，在地球历史上确实有多次因微生物的推波助澜而导致大规模碳酸盐沉积的实例，以厌氧、有氧微生物作为反应介质，帮助碳沉降。在英国，英吉利海峡比奇角是一片高100多米、长5公里的白色悬崖，丹福白崖（The White Cliffs of Dover），是由碳酸盐沉积的景观，就是在非常小（20微米，即0.02毫米）的微型生物作用下沉积而成。

3.如何统筹陆海，减排增汇？

早在10年前，焦念志还提出减少陆地施肥、增加近海碳汇的方案。

美国科学家对各种环境、近海湖泊大洋中无机氮与有机碳的关系进行研究，其结果表明，如果环境中有过多营养盐，则有机碳难以保存。这与实验室微观观测结果相同。

国家统计局数据显示，过去50年，我国化肥使用量增加近30倍，全球化肥使用量增加了30%。过量氮磷等化学肥料在雨水的冲刷下，进入河流最终流向海洋，使得近海富营养化。陆源过量营养输入+海源激发效应，使得高生产力的河口成为释放二氧化碳的源。

入海口营养物质丰富，成为各类细菌滋生的温床，细菌将有机碳分解，释放二氧化碳，将陆源有机碳激活成为二氧化碳。

焦念志建议，实施微生物驱动的，无机-有机-生命-非生命综合储碳示范工程，实施海陆统筹，减排增汇-量化生态补偿机制，推动国内大循环。

目前，焦念志院士发起的海洋负排放国际大科学计划（ONCE），得到了国际同行的积极响应，已有来自15个国家的科学家签约加入。焦念志呼吁，中国应全面进行海洋负排放科学规划，及时就相关研究与研发成果予以发布，尽快建立相关的方法与技术体系，通过ONCE推出中国领衔制订的海洋碳汇（负排放）有关标准体系，为构建人类命运共同体提供中国方案。

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