中国科学院海洋所宋金明研究团队在海洋化学碳增汇机制、潜力及生态环境影响评估研究领域取得进展

近日， Science of the Total Environment连续发表了宋金明研究团队关于海洋化学碳增汇机制、潜力及生态环境影响评估的最新成果，对系统开展海洋碳汇策略选择及“双碳”目标实现有重要价值。
应对气候变化的关键是碳中和，而实现碳中和的基本途径即减排和增汇。海洋作为地球上最大的活跃碳库，有着巨大的碳汇潜力和减排放研发前景，海洋在吸收和封存CO2方面发挥着至关重要的作用。目前，基于生物泵和碳酸盐泵提出的碳增汇策略，基本停留在理论策略、实验室模拟或小面积试用上。基于碳酸盐泵的固碳模式可依据化学平衡较为直观地估算固碳量，海水无机碳占海洋总碳储量的95%以上，在溶解无机碳恒定的情况下增加总碱度会改变现有海水碳酸盐系统的平衡，并促使更多地吸收大气中的CO2，从而增加海洋的“碳汇”，具有巨大的应用潜能，其海洋生态风险评估是确定固碳工程是否可行的前提。
团队研究提出，决定施加矿物海洋化学碳增汇可行性取决于以下四个方面：一是增汇矿物的有效性，不同矿物的物理和化学性质直接决定了风化增强或海洋碱度增加的速度；二是矿物-海水相互作用的影响，如复杂的海洋生态环境过程带来的不确定性、驱动因素的不确定性等对整体反应速率（包括阳离子释放和碳酸化速率）具有重要影响；三是碳增汇实施过程中的碳平衡与经济投入产出比，包括从基础设施建设、矿物开采、磨粉、破碎、反应器预处理、煅烧和运输的全链条碳收支情况及成本；四是碳增汇对海洋生态环境的影响，包括矿物供应链过程、入海后的次生影响等。
研究在分析基于碳酸盐泵的矿物添加化学固碳工程对海洋生物（包括浮游植物、细菌群落结构及滤食性贝类）影响基础上，评价了矿物颗粒物对水生生物的浓度和粒度效应，给出了纳米和微米颗粒的敏感生物及可能的安全浓度阈值。研究发现，海洋化学固碳对海洋生物的影响主要包括释放化学物质的影响效应和颗粒效应两个方面。化学固碳中添加的矿物风化或金属无机盐会释放化学物质（包括金属离子、Si、P、Ca2+、Mg2+等），直接影响浮游植物和细菌群落结构。固碳过程中形成的颗粒物主要影响滤食性生物，其毒性效应随着粒度的减小和浓度的增加而增加。藻类、甲壳类生物是水体纳米颗粒的敏感生物群体，其L(E)C50值可用来制定化学固碳中生成的纳米颗粒对生态系统的安全浓度阈值。贝类或鱼类的胚胎或幼体是微米颗粒的敏感生物群体，其L(E)C50值可用来制定微米颗粒物的安全浓度阈值。
该研究首次提出响应化学固碳过程不同阶段产生的不同粒度颗粒的敏感生物群体和安全浓度阈值，结果可为在确定基于碳酸盐泵的固碳模式方案时设定施加矿物或钙盐的浓度、初始形态特征，以确保在实现固碳效率最大化的情况下将生态风险降到最低，可为开展实际外海化学碳增汇工程提供理论支撑和技术依据。
论文第一作者分别为段丽琴研究员和庄文副研究员，研究得到国家自然科学基金、山东省基金等项目支持。
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图1 海洋化学碳增汇主要策略示意图

                               
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6 m3 G( c' b  m0 F* ^  {! o4 {2 d图2 海洋化学碳增汇实施的经济考量（包括天然矿石开采、金属氧化物/氢氧化物的生产锻造、厂房建设、火力发电、土地占用、二氧化碳回收和运输等）

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图3 海洋化学固碳过程中释放的化学物质及生成的颗粒物示意图及不同粒度颗粒对水生生物安全浓度阈值


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7 `3 p. v% s3 U7 m# \" d2 f3 y% q信息来源：中国科学院海洋研究所。