海洋负排放技术及“人工灰尘”耦合技术概念 - 海洋污染治理技术

潘晨1,2, 周哲3,4, 杨黎彬1,2, 褚华强1,2, 周雪飞1,2, 杨守业3,4, 张亚雷1,2

1.同济大学环境科学与工程学院；2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室；3.同济大学海洋地质国家重点实验室；4.同济大学海洋与地球科学学院

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全球气候变化问题日益严重，人类活动排放的CO2是被认为是主要原因。为了实现碳中和目标，国际社会急需发展负排放技术。海洋作为地球上最大的碳库，正成为研发热点。现有的负排放技术包括渔业碳汇、陆海统筹等，但各有局限。中国科学家提出的“海洋微生物碳泵”理论为更高效的负排放技术研发提供了理论指导。不同的技术路线各有特色，但铁施肥等技术面临瓶颈，需要转型升级。因此，该文探讨了利用“人工灰尘”耦合铁施肥以及增强风化等多技术路径的可能性，为后续研发提供参考。总之，发展海洋负排放技术对于应对气候变化至关重要，需要不断创新和探索更有效的技术路径。

01海洋固碳—储碳主要机制

图1 海洋固碳与储碳的主要过程（据焦念志（2012）修改）

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虚线框内为食物链；实线框内为物理过程

海洋是地球表面最主要的碳储存库，每年通过被动和主动的方式吸收大量二氧化碳。被动方式主要是大气中的二氧化碳分压大于海水中的二氧化碳分压时，二氧化碳进入海洋以溶解性无机碳的形式存在。主动方式则依赖于海洋中的浮游生物，特别是藻类的光合作用，将无机碳转化为有机碳。然而，尽管海洋每年固定的碳量巨大，但大部分碳在浮游生物的代谢、死亡及有机碳的再矿化等过程中被重新转化为无机碳并释放到大气中（图1）。只有极小部分碳能够以溶解态或颗粒态的形式在海水中长时间储存。

02 海洋负排放技术主要路径

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图2 海洋负排放技术路径（据BOETTCHER等（2021）修改）

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（a） 渔业碳汇；（b）陆海统筹；（c）地质封存；（d）人工上升流；（e）基于人为物质投加的碱度提升以及铁施肥等

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围绕海洋的负排放技术主要包括渔业碳汇、陆海统筹、地质封存、人工上升流以及涉及人为物质投加的增强风化与铁施肥等（图2）。

03 基于“人工灰尘”的耦合技术路径探讨

3.1 “人工灰尘”耦合技术思路

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“人工灰尘”耦合技术思路以增加海洋储碳量（而非固碳量）为导向，拟通过对投加组分的工程改良/复合以及投加方式的优化，长效、可控地促进RDOC的产生，并结合增强风化技术，加速有机碳的沉降/埋藏与海水碱度的提升，综合提升海洋的碳汇效应。

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“人工灰尘”耦合技术具体包括2个主要步骤（图3）：首先是基于人工施肥技术的“一级灰尘”。其次，在浮游植物死亡和降解过程中，基于增强风化原理投加“二级灰尘”，主要以易风化且具有净碳汇效果的硅酸盐岩（如玄武岩、橄榄石）等矿物粉末为主。

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图3 基于分步投加的“人工灰尘”耦合技术路径

（a）一级“人工灰尘”实现惰性有机碳产量提升；（b）二级“人工灰尘”促进有机碳沉降速率与埋藏，并提升海水碱度

3.2 “人工灰尘”具体组分优化路径

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图4 利用不同铁基耦合物调节浮游植物种群结构示意图

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“人工灰尘”技术的核心在于其组分的选择与改良。对于以增加RDOC产量为技术目标的一级“人工灰尘”，主要存在2种优化改良路径：第一条路径是出于克服传统铁施肥采用的硫酸亚铁稳定性差和利用效率低等缺点，通过合成铁的有机配体耦合物来提高二价铁在表层海水中的稳定性和停留时间，同时提升其生物可获得性并调节藻的种群结构（图4）。

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04 “人工灰尘”耦合技术展望

相较于传统的铁施肥和碱度提升等单一技术路线，“人工灰尘”技术可通过对投加组分的改良和投加方法的优化，实现已有技术的全面升级，提升储碳的综合效率。在以提升RDOC产量和加快有机碳埋藏速率的导向下，通过微调浮游植物种群结构，减少大规模刺激藻类生长，能有效控制工程手段对生态系统的影响程度。利用铁基耦合物种类而非浓度的技术思路将减少材料用料和成本，同时拓展技术的应用区域，使其适用于近海等受人类活动严重影响的海域，减少在高营养盐低铁的部分高纬度海域的施用。这一转变既能有效降低生态风险，又具有潜在的环境污染治理效应。

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“人工灰尘”技术下一步发展的关键是厘清不同铁基耦合物对藻类种群结构以及RDOC产量的影响。目前相关研究还不够全面，缺乏系统的对比和评估。未来的研究需要首先搞清藻类对铁的吸收机制，发掘不同藻类对铁吸收机制的差异性。在此基础上，大范围调查研究经济合理的铁基耦合物对藻类种群结构的改变效果，进一步评估较难降解的RDOC的形成过程与最终产量。通过对上述关键科学问题的逐步解答，“人工灰尘”的组分设计理论将得到进一步丰富，促进这一技术向实际的工程应用迈进。

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《地球科学进展》是由中国科学院西北生态环境资源研究院和国家自然科学基金委员会地球科学部联合主办的综合性、学术性刊物，主编傅伯杰院士。期刊多年被国家科技部评为中国精品科技期刊，2020年入选中国地学领域高质量科技分级目录T1区，被《中文核心期刊要目总览》《中国科学引文数据库核心版》（CSCD）、EBSCO、美国化学文摘（CA）等国内外重要数据库收录。发文领域涉及：天文学、测绘学、地球物理学（固体地球物理学、水文科学和空间物理学）、大气科学（气象学）、地质学、地球化学、海洋学和地理学。

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