本文即將刊載於《中國科學院院刊》2021年第3期專題：服務碳中和目標的海洋負排放技術路徑與戰略思考
王譽澤1,2 魯鋆1 劉紀化3,4 張傳倫1,2,5,6
1 南方科技大學 海洋科學與工程系
2 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）深圳分部
3 山東大學 海洋研究院
4 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）
5 南方科技大學 深圳海洋地球古菌組學重點實驗室
6 上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站
微型生物（包括細菌、古菌和病毒）是海洋碳循環的巨大幕後推手，在全球氣候變化中發揮了舉足輕重的作用。大氣二氧化碳（CO2）由海洋藻類生物轉變成可沉降有機組分（生物泵），經過細菌和古菌及其他生物和病毒作用（微型生物碳泵），在廣闊水體中產生的惰性有機碳（RDOC）可在千年時間尺度上被封存，其伴隨顆粒物進一步沉降到海底由底棲微生物作用變成碳酸鹽礦物（碳酸鹽碳泵）得以更長時間尺度的封存。文章在充分了解海洋微生物過程和機制的基礎上，闡述“三泵（生物泵、微型生物碳泵、碳酸鹽碳泵）集成”的固碳、儲碳原理和優勢；採用人工智能手段，制定海洋負排放工程可行性方案，為海洋碳封存提供可監測、可報告、可核查的理論依據和實驗場景。從科學原理上，該方案的實施將可望助力我國 2060 年實現碳中和的宏偉目標。
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國內外研究現狀
全球氣候變化的加劇引發了全人類的持續關注。1990—2017 年，全球碳排放總量由 34.97 Gt 增加至49.36 Gt。隨著國民經濟高速發展，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 年前實現碳中和”的目標並宣佈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：
1. 減少人類排放到大氣中的二氧化碳；
2. 人為增加“碳匯”或“負排放”，即從大氣中去除二氧化碳。
目前，國際社會關注的焦點是減少碳排放的途徑和方法。
例如，採取調整產業結構、加快能源結構演替、發展低碳技術、開發新能源等應對策略從根源上減少碳排放強度。但是，隨著經濟的快速發展，以及受我國能源結構現狀的限制，僅靠減排不足以實現碳中和的戰略目標，我們迫切需要通過增加負排放來實現碳中和。
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封存在地質環境中。目前，常用的負排放技術有陸地碳匯、海洋碳匯，以及碳捕獲、利用和儲存技術等。
許多文獻提出採用陸地碳匯功能來實現負排放，如：植樹造林、生物棲息地恢復、土壤碳封存、生物碳生產、增強陸地風化和礦物碳化、直接空氣捕獲 CO2 並儲存，以及低碳混凝土的開發和使用等。但由於陸地使用面積受限，陸地碳匯功能仍有待進一步開發。
濱海溼地（如紅樹林、鹽沼、海草床）是碳匯的重要組成部分。儘管它們僅佔海洋表面的 0.2%，但由於土壤巨大的固碳潛力、高固碳效率和長期（數千年）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，由於我國濱海溼地受圍墾、港口開發、陸源汙染等人為活動干擾，面臨溼地面積驟減、溼地生態系統退化等問題 。據 2019 年度最新監測結果顯示，中國濱海溼地面積由 1975 年的 736 萬公頃降低至 524.5 萬公頃，減少了約 28.7%，並由此導致海洋碳匯功能銳減。
據估計，自 18 世紀以來，海洋吸收的 CO2 已佔化石燃料排放量的 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，採用新的方法和技術增加海洋碳匯強度，發揮海洋負排放潛力，理應是應對碳中和目標的重要路徑之一。
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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 的緩衝系統，其容量巨大——整個海洋中蓄積的碳總量達到 3.9×1013 t，佔全球碳總量的 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 轉變成顆粒有機碳（POC）並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，將無機碳溶解轉化為有機碳。
但是，由生物泵導致的 POC 向深海的輸出效率並不高，能夠到達海底埋葬的有機碳量大約只有海洋初級生產力的 0.1%，絕大部分 POC 在沉降途中被降解呼吸轉化成 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，其表現在 3 個方面：
1. 微型生物細胞在生長代謝過程中改造並分泌 RDOC；
2. 病毒顆粒裂解導致宿主細胞的死亡和裂解並釋放 RDOC；
3. 原生動物等捕食者攝食微型生物細胞並釋放 RDOC。
MCP 理論為海洋碳循環中的碳封存提供了行之有效的指導，在海洋碳循環和全球氣候變化研究領域產生了重大國際影響。
碳酸鹽碳泵（CCP）是微生物誘導產生碳酸鹽沉澱的過程（圖 2），是自然界中廣泛存在的一種生物誘導礦化作用。例如，海底疊層岩就是以藍菌（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澱礦物質或捕獲礦物的顆粒而形成的一種生物沉積構造。
海洋微生物誘導產生碳酸鹽沉澱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甲烷氧化古菌和硫酸鹽還原細菌共同代謝，產生的鹼度優勢促使 HCO3− 和 Ca2+ 過飽和結晶而形成的一種礦物。
此外，地質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）在白雲石（鈣、鎂的碳酸鹽）的形成過程中佔主導作用。CCP 所產生的礦物質可以在海底沉積物中保存上億年（圖 1），因此能夠在地質歷史時間尺度發揮調節氣候變化的作用。
圖1 地質歷史紀錄和實驗室模擬形成的微生物成因的碳酸鈣礦物
（a）前寒武紀（~5 億年前）陡山沱組保存完好的微生物白雲岩化石，顯示有保存完好的有機質、豐富的菌絲和菌體 ；（b）實驗室硫酸鹽還原菌誘導作用下生成的啞鈴狀白雲石球體，聚合形成花椰菜狀構造 ；（c）可見死亡的細菌細胞（箭頭所示的橢圓形拉長的特徵）與碳酸鹽球結合在一起
圖 2 實驗室微生物誘導碳酸鹽沉澱處理過的砂樣品內部的CaCO3 晶體的電子掃描電鏡圖像
BP、MCP 和 CCP 是海洋儲碳的重要機制。光合藻類生物將大氣 CO2 轉化為有機物、微生物主導的 MCP 產生溶解惰性有機質（主要在水體中）及形成固體礦物質（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工程，研究如何將光合藻類產生的有機質由 BP 快速傳輸到海底沉積物；然後，在沉積物的厭氧條件下，利用 MCP 和 CCP 的協同作用，產生大量惰性有機質和固體碳酸鹽礦物，達到大氣 CO2 被長期甚至永久封存的目的。
這一“三泵集成”設想，僅靠自然過程難以實現。而生態工程的願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使得藻類有機質快速沉積，並在海底形成厭氧環境（黏土礦物作用），由微生物將易降解有機質在高 pH 值和高鹼度（橄欖石水解作用）條件下轉變成碳酸氫根 與 鈣離子 結合，大幅提升碳酸鈣礦物的產生速率。
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預期成效
“三泵集成”的機制
目前，對海洋環境中微生物誘導碳酸鹽沉澱的研究主要集中於礦物的形成機制和元素的循環過程，而未見對生物泵-微型生物碳泵-碳酸鹽碳泵（BP-MCP-CCP）在海洋環境中的協同儲碳的機理和過程的集成研究。開展BP-MCP-CCP協同儲碳機制的研究，將會對實現海洋 CO2 負排放、調節全球氣候環境起到至關重要的理論指導，並提供場景範例。
“三泵集成”的重點和難點
對於上述 BP-MCP-CCP 協同儲碳的設想，目前的主要研究重點和難點有 4 個方面。
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人類智能化 BP
探究藻類達到可沉降所需丰度（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混合比例；考慮不同微藻的生態特性和儲碳效率，從海水環境中天然存在的生態友好的微藻種類入手，初步圈定潛在可能用於 MCP-CCP 儲碳工程的微藻種類。
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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降解的動力學過程，以及沉積物環境中礦物與有機質互作關係對 RDOC 產生和降解的影響。釐清底棲 MCP 特徵與廣海水體 MCP 特徵的區別：
1. 微型生物細胞在生長代謝過程中改造並分泌 RDOC；
2. 病毒顆粒裂解導致宿主細胞的死亡和裂解並釋放 RDOC；
3. 原生動物等捕食者攝食微型生物細胞並釋放 RDOC。
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微生物礦物工程
研究形成碳酸鹽礦物（如方解石、文石、白雲石）的微生物群落結構特徵和成巖效率；搭建 CO2 濃度和光照可控條件下 MCP-CCP 儲碳的室內實驗模型，設定實驗參數，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；尋求最優儲碳效率下的實驗參數；從模型實驗層面探討反應機理。結合研究結果，總結規律，引入比例係數，探討並預測 BP-MCP-CCP 儲碳在實際大規模的海水環境中的時空演化規律，從而對該項技術實現海洋負碳排放的長期作用效果進行評估。
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生態環境影響評估及保護
“三泵集成”海洋負碳排放生態工程的實施過程中，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，先期開展生態系統水平模擬實驗，研究並評估這一步驟對生態系統可能帶來的影響，並提出科學應對措施，以期為後續模型預測提供準確的過程參數。
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汙染性雜質（如微塑料等），可對海水起到一定程度的淨化作用。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境，從而保證 CCP 的過程的發生，進而形成碳酸鹽礦物。由於黏土礦物及產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黏土及碳酸鹽砂質海床沉積物成分類似，因此對海床的成分與環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綜合效應評估的基礎上逐步實施。
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科學和生態工程研究意義展望
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BP-MCP-CCP 協同儲碳的研究對於認識全球氣候變化的海洋調控機制具有重要意義
由於微生物群落和溶解有機碳（DOC）元素組成、化學結構的多重複雜性，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鹽補充，使得表層水更加貧瘠。在這種情況下，初級生產過程及其碳分流比例將發生變化：DOC 比例上升，而 POC 比例下降。全球變暖將削弱基於POC 沉降的經典 BP，而增強基於 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 協同儲碳效率。
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BP-MCP-CCP 的研究需儘快系統的開展
目前，在海洋儲碳方面，國際上還沒有統一的規範和標準，我國應該把握此戰略時機，儘快開展海洋儲碳方面的系統研究。通過室內培養實驗、船載模擬現場培養實驗、海洋現場圍隔實驗，獲取第一手數據資料和生態過程參數。
在此基礎上建立有關數學模型，模擬不同環境條件和生態情景下 MCP 與 CCP 的調控機制和變動規律，進而建立海洋儲碳研究的整套觀測技術和分析方法，以及海洋儲碳的評價標準體系。上述研究將填補國際空白，發揮先導與引領作用，服務於我國實現碳中和國家戰略，同時帶來巨大的生態環境效益、社會經濟效益和國際政治效應。
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BP-MCP-CCP 協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略需求
中國是世界上受氣候變化影響的脆弱地區之一。未來氣候變化將對中國區域旱澇災害、水資源、生物多樣性、生態系統、農林牧漁業和人體健康等產生重要影響，並將對中國的社會經濟發展帶來一系列挑戰。
BP-MCP-CCP 協同儲碳正是著眼於海洋碳循環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的機制，並在此基礎上提出海洋儲碳有效途徑；同時，對於緩解我國 CO2 減排的壓力，保障經濟平穩較快發展，提高我國在氣候問題國際談判方面的話語權、主動權及國際政治地位都具有戰略意義。
王譽澤 南方科技大學海洋科學與工程系助理教授（副高級）、博士生導師。研究方向主要集中於成礦過程的微觀機理及工程應用。在 Géotechnique、ASCE JGGE、Engineering Geology、Geotextiles & Geomembranes 和 Science of the Total Environment 等期刊發表學術論文10餘篇。
張傳倫 南方科技大學海洋科學與工程系講席教授，國家特聘教授。研究方向為微生物在環境及能源、地質歷史演化及全球變化中的作用。擔任 Frontiers in Microbiology-Biology of Archaea主編。在 Science、PNAS、Geology 等國際地球科學和生命科學期刊發表學術論文200餘篇。
