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海洋负排放：基于地球系统科学思维的海洋科技变革丨“一带一路”科技聚焦

花匠小妙招
2024-08-26 11:08

原文刊载于《中国科学院院刊》2023年第9期专刊：“一带一路”科技聚焦，专题：科技创新支撑“一带一路”高质量发展。

焦念志1,2,3,4* 骆庭伟1,2 刘纪化4,5 陈泉睿1,2 朱陈霸1,2

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

2 厦门大学 ONCE联合实验室

3 加拿大戴尔豪斯大学 ONCE联合实验室

4 山东大学海洋研究院

5 山东大学 ONCE联合实验室

面对全球持续变暖的现实趋势，对比分析地球历史事件，历经了30余年的全球变暖主因之争即将画上句号。当前全球气候变暖国际共识已经形成，直面问题、寻求解决方案成为当务之急，对我国及“一带一路”沿海国家而言，化解“开发”与“保护”这对矛盾就是关键。文章在上述分析的基础上，提出了基于“地球系统科学”思维的海洋科技变革理念和符合业务系统性管理的中国方案——海洋负排放，即合情合理合法地干预海洋、利用海洋应对气候变暖，并在这个过程中改善已经变化了的海洋环境、保护生态系统、促进可持续发展，加快实现人与自然和谐共生现代化。

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《2022年全球气候状况报告》表明，受温室气体浓度不断上升和累积热量的推动，过去八年是全球有记录以来最暖的八年，对人类社会的可持续发展造成严重影响，导致极端气候灾害在全球肆虐，并引发粮食安全等人道主义危机，已成为人类社会面临的最为重大的非传统安全问题之一。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）发布的综合报告《与自然和平相处》指出，“气候危机”已成为严重威胁人类未来的三大地球危机之一。

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，才是现实出路。据估算，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。

海洋是地球上最大的活跃碳库，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，其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。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”。MCP 是海洋储碳的一个重要机制，其驱动的 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。

2.海洋负排放科技变革

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CO2的近40%。过去150年全球变暖增加的能量90%以上储存在海洋。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。而这些变化又反过来影响全球气候的整体稳定性。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。

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。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。

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，后因生态后效问题而叫停。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。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，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

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。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，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”、“浒苔”等生态灾害频发，新的挑战也不断出现。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，我国传统四大渔场之首的舟山渔场渔业资源已在衰退。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。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、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等现实可行的海洋负排放“中国方案”（图1）。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。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”、以及BCP-CCP-MCP-SP“四泵联合”的综合储碳理论与方法，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。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

图2 海洋负排放（ONCE）方案示意图

（a）陆海统筹减排增汇路径；（b）海上牧场综合负排放路径；（c）污水处理-海洋碱化负排放路径

3.海洋负排放实践案例

陆海统筹负排放生态工程，促进经济大循环

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，已纳入IPCC2019年的《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》。

大型海藻养殖不仅是缓解近海富营养化、增加海洋碳汇的有效途径，而且一些大型海藻能够显著减少反刍动物的CH4排放，最高可减少98%的CH4排放。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。

利用已有的海水养殖基础，打造海上牧场新业态

我国的海水养殖产量占世界总产量的近60%，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。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”。

结合“海洋牧场示范区”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，可望催生海洋产业升级。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。

污水碱化增汇负排放，促进气候经济落地生花

碱化增汇是国际公认的快速负排放路径。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，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，增加碱度即可实现大规模的负排放，相对而言是最安全、可靠、成本最低的海洋负排放方案。

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。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”。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-CCP-MCP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。

焦念志 中国科学院院士、发展中国家科学院(TWAS)院士、美国微生物科学院(AAM)院士。中国微生物学会副理事长、全国海洋碳汇联盟理事长；国际海洋探索理事会(ICES)和北太平洋海洋科学组织(PICES)“海洋负排放”国际工作组主席、TWAS气候变化委员会常委、联合国海洋十年行动计划“全球海洋负排放大科学计划(Global ONCE)”首席科学家。提出了海洋储碳新机制——“微型生物碳泵(MCP)”理论；MCP被Science评论为“巨大碳库的隐形推手”；MCP被纳入联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)海洋特别报告；两次获国家自然科学二等奖(第一位)。

文章源自：

焦念志, 骆庭伟, 刘纪化, 等. 海洋负排放——基于地球系统科学思维的海洋科技变革. 中国科学院院刊, 2023, 38(9): 1294-1305. Doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.20230726004.

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