中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 全球氣候變化的加劇引發(fā)了全人類的持續(xù)關(guān)注。1990—2017?年，全球碳排放總量由?34.97 Gt?增加至49.36 Gt。隨著國民經(jīng)濟高速發(fā)展，中國同期碳排放量由?2.97 Gt?迅速增加至?12.95 Gt，隨之而來的國際輿論壓力亦越來越大。中國政府在多個國際論壇和峰會上承諾“努力爭取?2060?年前實現(xiàn)碳中和”的目標并宣布提高國家自主貢獻力度的一系列舉措，彰顯負責任大國擔當。目前，我國擬實現(xiàn)碳排放量目標值為?9.54—11.37 Gt（有條件承諾），預計到?2030?年達到?9.28—12.96 Gt?的排放峰值（無條件承諾）。

碳中和是應對氣候變化的全人類目標。這一宏偉目標可以通過?2?種方式實現(xiàn)：①減少人類排放到大氣中的二氧化碳（CO₂）；②人為增加“碳匯”或“負排放”，即從大氣中去除?CO₂。目前，國際社會關(guān)注的焦點是減少碳排放的途徑和方法。例如，采取調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快能源結(jié)構(gòu)演替、發(fā)展低碳技術(shù)、開發(fā)新能源等應對策略從根源上減少碳排放強度。但是，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及受我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的限制，僅靠減排不足以實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標，我們迫切需要通過增加負排放來實現(xiàn)碳中和。

負排放是指通過物理、化學或生物手段捕獲大氣中的?CO₂，將其永久或在較長時間尺度內(nèi)封存在地質(zhì)環(huán)境中。目前，常用的負排放技術(shù)有陸地碳匯、海洋碳匯，以及碳捕獲、利用和儲存技術(shù)等。許多文獻提出采用陸地碳匯功能來實現(xiàn)負排放，如：植樹造林、生物棲息地恢復、土壤碳封存、生物碳生產(chǎn)、增強陸地風化和礦物碳化、直接空氣捕獲?CO₂?并儲存，以及低碳混凝土的開發(fā)和使用等。但由于陸地使用面積受限，陸地碳匯功能仍有待進一步開發(fā)。

濱海濕地（如紅樹林、鹽沼、海草床）是碳匯的重要組成部分。盡管它們僅占海洋表面的?0.2%，但由于土壤巨大的固碳潛力、高固碳效率和長期（數(shù)千年）碳儲存能力，它們貢獻了?50%?的碳埋藏，具有減少溫室氣體排放和增加碳匯的潛力。然而，由于我國濱海濕地受圍墾、港口開發(fā)、陸源污染等人為活動干擾，面臨濕地面積驟減、濕地生態(tài)系統(tǒng)退化等問題。據(jù)?2019?年度最新監(jiān)測結(jié)果顯示，中國濱海濕地面積由?1975?年的?736?萬公頃降低至?524.5?萬公頃，減少了約?28.7%，并由此導致海洋碳匯功能銳減。

據(jù)估計，自?18?世紀以來，海洋吸收的?CO₂?已占化石燃料排放量的?41.3%?左右和人為排放量的?27.9%?左右，極大抵消了大氣中?CO₂?的積累。因此，采用新的方法和技術(shù)增加海洋碳匯強度，發(fā)揮海洋負排放潛力，理應是應對碳中和目標的重要路徑之一。

核心主題

地球上?55%?的生物碳或綠色碳捕獲是由海洋生物完成的。海洋作為?CO₂?的緩沖系統(tǒng)，其容量巨大——整個海洋中蓄積的碳總量達到?3.9×10¹³ t，占全球碳總量的?93%，約為大氣的?53?倍。因此，作為地球上最大的活躍碳庫，海洋在氣候變化中扮演著舉足輕重的作用。海洋儲碳一個重要的過程是生物泵（BP），它是指由光合藻類生物、浮游動物等作用，將大氣?CO₂?轉(zhuǎn)變成顆粒有機碳（POC）并被沉降到海底的過程。地球上的?50%?的光合作用是由海洋藻類完成的，海藻能夠有效地利用太陽能，通過光合作用固定?CO₂，將無機碳溶解轉(zhuǎn)化為有機碳。但是，由生物泵導致的?POC?向深海的輸出效率并不高，能夠到達海底埋葬的有機碳量大約只有海洋初級生產(chǎn)力的?0.1%，絕大部分?POC?在沉降途中被降解呼吸轉(zhuǎn)化成?CO₂，大幅降低了?BP?儲碳的效率。

微型生物碳泵（MCP）理論指出海洋微型生物是惰性有機碳（RDOC）的主要貢獻者，其表現(xiàn)在?3?個方面：①微型生物細胞在生長代謝過程中改造并分泌?RDOC；②病毒顆粒裂解導致宿主細胞的死亡和裂解并釋放?RDOC；③原生動物等捕食者攝食微型生物細胞并釋放?RDOC。MCP?理論為海洋碳循環(huán)中的碳封存提供了行之有效的指導，在海洋碳循環(huán)和全球氣候變化研究領(lǐng)域產(chǎn)生了重大國際影響。

碳酸鹽泵（CCP）是微生物誘導產(chǎn)生碳酸鹽沉淀的過程（圖?2），是自然界中廣泛存在的一種生物誘導礦化作用。例如，海底疊層巖就是以藍菌（藍藻）為主的微生物在生長和新陳代謝活動過程中粘附和沉淀礦物質(zhì)或捕獲礦物的顆粒而形成的一種生物沉積構(gòu)造。海洋微生物誘導產(chǎn)生碳酸鹽沉淀的另外一個典型代表就是冷泉碳酸鹽的形成。冷泉碳酸鹽巖是甲烷等碳烴化合物由深部向上滲漏過程中，在海底厭氧條件下經(jīng)甲烷氧化古菌和硫酸鹽還原細菌共同代謝，產(chǎn)生的堿度優(yōu)勢促使?HCO₃^??和?Ca²⁺?過飽和結(jié)晶而形成的一種礦物。此外，地質(zhì)歷史記錄和實驗模擬（圖?1?和?2）都表明微生物（特別是硫酸根還原菌）在白云石（鈣、鎂的碳酸鹽）的形成過程中占主導作用。CCP?所產(chǎn)生的礦物質(zhì)可以在海底沉積物中保存上億年（圖?1），因此能夠在地質(zhì)歷史時間尺度發(fā)揮調(diào)節(jié)氣候變化的作用。

BP、MCP?和?CCP?是海洋儲碳的重要機制。光合藻類生物將大氣?CO₂?轉(zhuǎn)化為有機物、微生物主導的?MCP?產(chǎn)生溶解惰性有機質(zhì)（主要在水體中）及形成固體礦物質(zhì)（主要在沉積物中）是長期的自然過程。本文旨在探討利用生態(tài)工程，研究如何將光合藻類產(chǎn)生的有機質(zhì)由?BP?快速傳輸?shù)胶５壮练e物；然后，在沉積物的厭氧條件下，利用?MCP?和?CCP?的協(xié)同作用，產(chǎn)生大量惰性有機質(zhì)和固體碳酸鹽礦物，達到大氣?CO₂?被長期甚至永久封存的目的。這一“三泵集成”設(shè)想，僅靠自然過程難以實現(xiàn)。而生態(tài)工程的愿景將是通過促進光合藻類生長、施加橄欖石粉和黏土礦物等類似物質(zhì)使得藻類有機質(zhì)快速沉積，并在海底形成厭氧環(huán)境（黏土礦物作用），由微生物將易降解有機質(zhì)在高?pH?值和高堿度（橄欖石水解作用）條件下轉(zhuǎn)變成HCO₃^??與?Ca²⁺?結(jié)合，大幅提升碳酸鈣礦物的產(chǎn)生速率。

預期成效

“三泵集成”的機制

目前，對海洋環(huán)境中微生物誘導碳酸鹽沉淀的研究主要集中于礦物的形成機制和元素的循環(huán)過程，而未見對生物泵-微型生物碳泵-碳酸鹽泵（BP-MCP-CCP）在海洋環(huán)境中的協(xié)同儲碳的機理和過程的集成研究。開展BP-MCP-CCP協(xié)同儲碳機制的研究，將會對實現(xiàn)海洋?CO₂?負排放、調(diào)節(jié)全球氣候環(huán)境起到至關(guān)重要的理論指導，并提供場景范例。

具體來講就是以海洋微藻為大氣?CO₂?主要捕獲載體，首先在表層海水中擴大培養(yǎng)海洋微藻，將大氣中CO₂?捕獲至海水中（式?1）。MCP-CCP?協(xié)同儲碳過程的第二步為通過在海藻生長海域拋灑橄欖石、黏土礦物等，將生成的微藻生物體在礦物的吸附作用和重力作用下快速沉積到海底。此過程的?5?個主要目的為：①添加的橄欖石水解會提升其周圍水環(huán)境的堿度（式?2）；②黏土礦物附著海藻與橄欖石一起沉積到海底，在海底形成厭氧環(huán)境，促進海底硫酸鹽還原菌在厭氧環(huán)境下還原?SO₄^2-（式3）；③使海藻快速沉積到海底，防止海藻在水體大量分解造成厭氧環(huán)境而對海水生物體的生存造成影響；④鐵橄欖石水解生成還原性鐵（式?2）與反應（式?3）生成的?H₂S?反應形成黃鐵礦（FeS₂）（式4），使得?H₂S?不以氣體形式溢出沉積物；⑤ HCO₃^-?與海洋中存在的?Ca²⁺?反應在堿性環(huán)境下生成?CaCO₃（式?5）；產(chǎn)生的?CO₂?在高堿度和高pH的緩沖系統(tǒng)中變成?HCO₃^-?而不被逸出（式?6）。

微藻

CO₂?+?H₂ O——→ CH₂ O?+?O₂              （1）

Mg_2(1-x) Fe_2x SiO₄?+?4H₂ O→

H₄ SiO₄?+?2(1_?x)Mg²⁺?+?2xFe²⁺ +4OH^_             （2）

硫酸鹽還原菌

2(CH₂ O) +SO₄^2_—————→2HCO₃^_ + H₂ S  （3）

Fe²⁺ + 2H₂ S→ FeS₂ + 2H⁺ + H₂                      （4）

2HCO₃^_ + Ca²⁺ → CaCO₃ + H₂ O + CO₂                      （5）

CO₂ +H₂ O <===> H⁺ + HCO₃^_ <===> 2H⁺+ CO₃^2_        （6）

“三泵集成”的重點和難點

對于上述?BP-MCP-CCP?協(xié)同儲碳的設(shè)想，目前的主要研究重點和難點有?4?個方面。

（1）人類智能化?BP。探究藻類達到可沉降所需豐度（藻華、赤潮）的生長速率和時間，研究橄欖石粉和黏土礦物沉降藻類的最佳顆粒及最優(yōu)混合比例；考慮不同微藻的生態(tài)特性和儲碳效率，從海水環(huán)境中天然存在的生態(tài)友好的微藻種類入手，初步圈定潛在可能用于?MCP-CCP?儲碳工程的微藻種類。

（2）MCP?功能延伸。研究底棲?MCP?的過程與機制，評判海底沉積物的非均質(zhì)性對?MCP?過程和機制的影響；解析微生物（細菌、古菌）和病毒在不同氧化還原條件下對顆粒有機質(zhì)降解的動力學過程，以及沉積物環(huán)境中礦物與有機質(zhì)互作關(guān)系對?RDOC?產(chǎn)生和降解的影響。厘清底棲?MCP?特征與廣海水體?MCP?特征的區(qū)別：①微型生物細胞在生長代謝過程中改造并分泌?RDOC；②病毒顆粒裂解導致宿主細胞的死亡和裂解并釋放?RDOC；③原生動物等捕食者攝食微型生物細胞并釋放?RDOC。

（3）微生物礦物工程。研究形成碳酸鹽礦物（如方解石、文石、白云石）的微生物群落結(jié)構(gòu)特征和成巖效率；搭建?CO₂?濃度和光照可控條件下?MCP-CCP?儲碳的室內(nèi)實驗模型，設(shè)定實驗參數(shù)，研究?CO₂?濃度、光照對儲碳效率的影響，研究橄欖石、黏土礦物的顆粒尺寸、混合比例及加入量對儲碳效率的影響；尋求最優(yōu)儲碳效率下的實驗參數(shù)；從模型實驗層面探討反應機理。結(jié)合研究結(jié)果，總結(jié)規(guī)律，引入比例系數(shù)，探討并預測?BP-MCP-CCP?儲碳在實際大規(guī)模的海水環(huán)境中的時空演化規(guī)律，從而對該項技術(shù)實現(xiàn)海洋負碳排放的長期作用效果進行評估。

（4）生態(tài)環(huán)境影響評估及保護。“三泵集成”海洋負碳排放生態(tài)工程的實施過程中，一方面需解決橄欖石及黏土礦物負載微藻在重力作用下快速沉降至海底；另一方面，先期開展生態(tài)系統(tǒng)水平模擬實驗，研究并評估這一步驟對生態(tài)系統(tǒng)可能帶來的影響，并提出科學應對措施，以期為后續(xù)模型預測提供準確的過程參數(shù)。同時，此過程中的黏土自上而下沉降過程中有可能吸附海水中的污染性雜質(zhì)（如微塑料等），可對海水起到一定程度的凈化作用。黏土礦物等沉降至海床表面，覆蓋住藻類，快速形成沉積厭氧環(huán)境，從而保證?CCP?的過程的發(fā)生，進而形成碳酸鹽礦物。由于黏土礦物及產(chǎn)生的碳酸鈣均為天然礦物，成分與常見的海床沉積物如淤泥質(zhì)黏土及碳酸鹽砂質(zhì)海床沉積物成分類似，因此對海床的成分與環(huán)境不會造成負面影響。值得注意的是，即使科學原理是清晰的，依然需要在充分生態(tài)綜合效應評估的基礎(chǔ)上逐步實施。

科學和生態(tài)工程研究意義展望

（1）BP-MCP-CCP?協(xié)同儲碳的研究對于認識全球氣候變化的海洋調(diào)控機制具有重要意義。由于微生物群落和溶解有機碳（DOC）元素組成、化學結(jié)構(gòu)的多重復雜性，因而?BP-MCP-CCP?的詳細過程仍需要進一步被解析。一方面，海洋升溫將加劇海洋層化、減弱水柱混合，從而減少來自深水向真光層的營養(yǎng)鹽補充，使得表層水更加貧瘠。在這種情況下，初級生產(chǎn)過程及其碳分流比例將發(fā)生變化：DOC?比例上升，而?POC?比例下降。全球變暖將削弱基于POC?沉降的經(jīng)典?BP，而增強基于?DOC?的?MCP?的作用。另一方面，CCP?亦可將?MCP?分流部分的有機碳永久封存至海底，提高?MCP-CCP?協(xié)同儲碳效率。

（2）BP-MCP-CCP?的研究需盡快系統(tǒng)的開展。目前，在海洋儲碳方面，國際上還沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標準，我國應該把握此戰(zhàn)略時機，盡快開展海洋儲碳方面的系統(tǒng)研究。通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗、船載模擬現(xiàn)場培養(yǎng)實驗、海洋現(xiàn)場圍隔實驗，獲取第一手數(shù)據(jù)資料和生態(tài)過程參數(shù)。在此基礎(chǔ)上建立有關(guān)數(shù)學模型，模擬不同環(huán)境條件和生態(tài)情景下?MCP?與?CCP?的調(diào)控機制和變動規(guī)律，進而建立海洋儲碳研究的整套觀測技術(shù)和分析方法，以及海洋儲碳的評價標準體系。上述研究將填補國際空白，發(fā)揮先導與引領(lǐng)作用，服務于我國實現(xiàn)碳中和國家戰(zhàn)略，同時帶來巨大的生態(tài)環(huán)境效益、社會經(jīng)濟效益和國際政治效應。

（3）BP-MCP-CCP?協(xié)同儲碳有望加速海洋負排放的實施進程，滿足國家碳負排放的重大戰(zhàn)略需求。中國是世界上受氣候變化影響的脆弱地區(qū)之一。未來氣候變化將對中國區(qū)域旱澇災害、水資源、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)林牧漁業(yè)和人體健康等產(chǎn)生重要影響，并將對中國的社會經(jīng)濟發(fā)展帶來一系列挑戰(zhàn)。BP-MCP-CCP?協(xié)同儲碳正是著眼于海洋碳循環(huán)和全球氣候變化的大背景，將研究深入到海洋微型生物及微生物成礦作用，從新的角度探索海洋碳循環(huán)的機制，并在此基礎(chǔ)上提出海洋儲碳有效途徑；同時，對于緩解我國?CO₂?減排的壓力，保障經(jīng)濟平穩(wěn)較快發(fā)展，提高我國在氣候問題國際談判方面的話語權(quán)、主動權(quán)及國際政治地位都具有戰(zhàn)略意義。

（作者：王譽澤，南方科技大學海洋科學與工程系 南方海洋科學與工程廣東省實驗室；魯鋆，南方科技大學海洋科學與工程系；劉紀化，山東大學海洋研究院 南方海洋科學與工程廣東省實驗室；張傳倫，南方科技大學海洋科學與工程系 南方海洋科學與工程廣東省實驗室 南方科技大學深圳海洋地球古菌組學重點實驗室 上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站。《中國科學院院刊》供稿）

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