世界海洋日|认识这些与海洋相关的地球环境工程：深海碳封存、海洋铁施肥和人工上升流

〼戴民汉、周宽波、陈鹰

应对气候变化主要有以下三种方案（Keith and Dowlatebadi，1992）：一是减排，即降低人类活动对气候系统的强迫，比如减少化石燃料的使用而降低大气中的GHG 含量；二是适应，即改变生活和社会活动方式以减少对气候变化的影响；三是干预，即通过工程技术手段干预地球气候系统的变化，比如地球环境工程（geoengineering）。

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需要指出的是，上述应对气候变化的方案均存在复杂、深远的社会经济和政治成本。例如，由于复杂的国际政治经济因素，通过减排方式几乎不可能使大气中GHG 浓度降低至1990 年以前的水平；而人类能否适应气候变化的不确定性很大，因而风险也较大；地球环境工程虽然不像减排那样对国际间合作关系存在较大的依赖性，但涉及复杂的科学、技术和伦理问题。

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本章主要评价应对气候变化的第三种方案，但并不评判是否应该实施地球环境工程，而是从科学和技术的角度阐述、分析与海洋相关的地球环境工程方案中所涉及的关键科学问题，并特别强调了其中可能存在的生态风险。

目前，潜在的地球环境工程手段主要有三类。一是通过工程学降低大气中的GHG浓度水平，如深海碳封存（deep-sea carbon dioxide disposal/injection）、海洋铁施肥、增加森林覆盖率等。二是通过工程学降低太阳辐射的强迫，如通过向大气释放气溶胶颗粒来增加大气的阳伞效应；通过安置反光材料降低太阳辐射，如布设巨型镜子、白色屋顶等。三是通过工程学改变导致加速气候变化的那些关键过程；多数的目标是防止两极冰盖的融化，并且减缓热量向两极传输，从而达到防止减弱大洋环流运转效率和海平面上升的效果，如通过改变径流或者建造大坝等方式来促进北极冰盖的形成等。

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目前，与海洋相关的地球环境工程手段大多属于第一类，主要有深海碳封存、海洋铁施肥和人工上升流（artificial upwelling）等。

深海碳封存

▋ 深海碳封存是指将化石燃料燃烧产生的CO₂ 捕集起来，通过相关技术注入深海，使之得以“封存”（sequestration）。

这一概念和方法最早由Marchetti（1977）年提出，并在近几年得到不断发展。Brewer 等（1999）发现，将CO₂封存在低温高压的深海中，这些CO₂ 会与周围海水发生反应，形成CO₂ 水合物，从而起到更好的封存效果。结合深海巨大的储库、深海碳酸盐沉积物的缓冲能力以及深海水较长的停留时间等因素，使这种地球环境工程手段存在一定的应用可行性。尽管从千年尺度看，深层海水中的CO₂最终会通过大洋传送带与大气CO₂ 接触，从而重新参与到全球碳循环中；但在相对短的时间尺度上看（200～300 年），深海碳封存却可以在一定程度上有效减缓大气CO₂浓度不断升高的趋势（Barry et al.，2004）。

根据CO₂ 注入深度，海洋碳封存主要有两种方式：一种是通过陆上固定管道或移动船只将CO₂注入到1500m 深度（mid-depth type），该深度是CO₂具有浮力的临界深度，该深度附近CO₂ 更多地以水合二氧化碳的形式存在，使得CO₂ 能够更好地溶解在中层海洋而得以封存；另一种则是通过垂直管道将CO₂ 注入到3000m 以深水体，在该深度CO₂ 密度比海水大，不能溶解，从而沉降进入海底形成CO₂ 液体湖（lake type）（Marchetti，1977；Kita and Ohsumi，2005；江怀友等，2008）。

已有不少的证据表明，深海碳封存具有一定的生态风险，但现有的研究均局限于较小的空间范围和短时间尺度，缺乏长期的实验以开展系统评估。因此，在具体实施深海碳封存之前，必须全面评估其对深海生态系统的影响。

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海洋铁施肥

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海洋铁施肥是迄今为止被广泛研究的潜在的地球环境工程手段之一。

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▋ 人为铁施肥增汇的科学原理在于通过向海洋施加铁肥刺激浮游植物初级生产，从而增加其对CO₂的吸收，并最终通过生物泵向下输出颗粒有机碳，从而达到增加碳汇的效果。

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潜在可实施的区域主要有两类，即高营养盐低叶绿素（HNLC）海区和低营养盐低叶绿素（LNLC）海区，前者铁限制浮游植物初级生产，而后者可能是铁限制了生物固氮。

▲全球大洋混合层中固氮细菌生长的限制类型

资料来源：http：//http://www.whoi.edu/science/MCG/doneylab/data/ECO_T62gx3v5/cases/ECO_T62gx3v5.22/plots/annmap_yr097_nutlim_diaz.png

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观测结果表明，LNLC 海区现场加富实验能够增加固氮效率，但是固氮的具体机理如何，铁元素在固氮过程中的具体作用，铁是否为限制固氮作用的唯一关键因子，还是由其他因素共同作用，这些问题仍未得到解决。此外，与HNLC 海区施铁肥相同，固氮作用是否能够增加向下的碳输出通量仍存在诸多争议。因此，未来需要将施铁肥对固氮作用的影响机理，以及固氮作用对碳输出的贡献作为研究重点。

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人工上升流

▋ 人工上升流是另外一种可供选择的海洋地球环境工程手段（Lovelock and Rapley，2007），其主要原理是通过各种供能方式和泵水手段，将深层富含常量营养盐和铁的海水带入表层，刺激浮游植物生长，从而达到吸收大气CO₂并最终向下输出的目的。

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其中，供能方式主要有风能、太阳能、海流能（Liang，1991）和波浪能（Vershinsky et al.，1987；Liu，1999；Liang，1991）等；而所采用的泵水方式主要有摆动式惯性泵（Vershinsky et al.，1987；Liu，1999）、气升泵（Liang，1996；Liang and Peng，2005）和隔膜泵（Liang，1991）等。

▲人工上升流示意图

海流和波浪能是海洋中较为普遍和较易利用的能量形式，且其成本较低，是较为理想的人工上升流能量来源（Liu and Jin，1995）。采用这种方式的设备主要由浮体、控制阀以及上升管构成，其上升管通常长100～300m，直径1m 左右，利用海水混合与波浪运动将深层海水带至表层。

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资料来源：http：//http://www.wrrc.hawaii.edu/bulletins/2000_12/aumix.html

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与自然上升流类似，人工上升流的作用到底是释放还是吸收大气CO₂，尚属未知。主要原因在于目前对上升流区的观测还很匮乏，科学家无从知晓上升流区吸收和释放CO₂ 的时空演替。未来对上升流区的长时间序列观测和模拟将是人工上升流的研究重点。而且，如果利用人工上升流来增加海洋对大气CO₂ 的吸收，由此引起的潜在的海洋酸化问题也是需要考虑的。因此，人工上升流在不同时间和空间尺度对碳循环的影响和作用是未来研究的重点科学问题。此外，在大规模工程化时，采用何种经济有效的供能和泵水方式，也是未来需要解决的工程技术方面的重点所在。

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海洋是一个复杂的物理-生物地球化学系统，因而必须在多学科和交叉学科的层面上进行研究。我国应针对上述与海洋相关、尚未解决的地球环境工程科学问题，全面开展多学科与交叉学科的综合研究。同时，地球环境工程的实施需要复杂的工程技术支撑，因此，科学与技术的紧密结合也是我国发展海洋地球环境工程的重点所在。

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本文摘编自《中国学科发展战略·海洋科学》（中国科学院编. 北京：科学出版社，2016.1）一书“第十章 地球环境工程”，有删减，标题为编者所加。

（中国学科发展战略）

ISBN 978-7-03-045117-0

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“中国学科发展战略”丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果,涉及自然科学各学科领域,是目前规模非常大的学科发展战略研究项目。 《中国学科发展战略·海洋科学》由两部分组成。前五章从海洋科学基础分支学科的角度来分析国内外发展现状和未来趋势.并对我国在这些分支学科的发展提出建议.第六章开始从当前国际普遍关注的、具有重要意义的海洋科学研究热点中选取了气候变异.二氧化暖循环、沿海生态系统与人类活动、地球环境历史演变,以及减缓全球变暖的大规模工程手段等人类所面临的五个重大问题,对这些方面中海洋的关键作用和应开展的研究进行分析、评述和建议.《海洋科学》还简要回顾了制约我国海洋科学发展的瓶颈,并对今后发展方向提出总的建议。

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