厦门大学海洋与地球学院

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焦念志:研发海洋“负排放”技术 支撑国家“碳中和”需求
厦门大学新闻网 厦门大学新闻网 2021/7/26 309 返回上页

目前,国际上海洋碳汇研发最多的是海岸带蓝碳,即红树林、海草、盐沼等类似陆地植被的碳汇形式。然而,我国海岸带蓝碳总量有限,无法形成碳中和所需的巨大碳汇量,因此必须开发其他负排放途径。

 

实施陆海统筹负排放生态工程

陆源营养盐大量输入近海,不仅导致近海环境富营养化,引发赤潮等生态灾害,而且使得海水中有机碳难以保存。尤其是陆源输入有机碳(约占陆地净固碳量的1/4,约0.5 Gt)大部分都在河口和近海被转化成CO2释放到大气,导致生态系统中生产力最高的这类海区反而成为排放CO2的源头。如何将其恢复到汇,是一项艰巨的任务,必须陆海统筹。

基于MCP理论,针对中国近海富营养化情况,在陆海统筹理念指导下,合理减少农田的氮、磷等无机化肥用量(目前我国农田施肥过量、流失严重),从而减少河流营养盐排放量,缓解近海富营养化。在固碳量保持较高水平的同时减少有机碳的呼吸消耗,提高惰性转化效率,使得总储碳量达到最大化。即,谋求生物泵(BP)与MCP总量最大化。

相应地,建立和完善对近海储碳的评价体系,尤其是在储碳指标中不仅要考虑沉积埋葬的有机碳,而且要纳入以往漏掉的MCP产物——惰性溶解有机碳(RDOC)。RDOC不仅增加近海碳汇,而且可随海流输出到外海。如果到达深海则可实现长期储碳——深海RDOC年龄达4000—6000年。

对自然环境中无机氮与有机碳相关性的统计分析表明,在包括土壤、河流、湖泊、水库、河口、近海、陆架海和大洋在内的各种环境中两者之间都呈负相关趋势。这表明,如果环境中有过的营养盐,有机碳就难以储存。在河流、近海及外海的营养盐添加实验也证实了这一结论。

据国家统计局数据,过去50年里我国化肥施用量增加了近30倍。尤其是改革开放初期,化肥产能大增,化肥施用量从20世纪50年代初的每年不足百万吨爆发式地增长到70年代末的每年1亿吨,增长了近100倍。此后进入稳定增长期,从1980年的1.2亿吨增长至2015年达到创纪录的6亿吨,增长了近8倍。由于农业施肥量普遍高于农作物的实际需要,过量的肥料随雨水冲刷进入河流,最后输入近海,这是目前我国河口近岸海洋富营养化的主要原因。而富营养化的后果除了众所周知的“赤潮”之外,近10年来我国近海还发生了“绿潮”,其规模达到了惊人的程度(下图),所造成的环境压力和经济损失可想而知。一个鲜明的对比是加拿大东北部某森林河口的情景。单从水色看,后者水质似乎很差,若按我国化学需氧量(COD)国家标准判断应属超V类水;然而,这是一个误区。事实上,这种森林河流水质并不差,营养盐含量很低,溶解氧充足,鳗鱼生活得很好。看上去似乎有害的颜色实际上是富含有机质的表象,就像人们日常喝的茶水一样。在环境条件不变的情况下这些有机质可以长期保存、形成碳汇,其浓度超过1000 μmol/L,储碳量是我国海区海水有机碳浓度的10倍以上。显然,陆海统筹减排增汇是一项成本低效益高的海洋负排放途径。

中国和加拿大近海环境条件与水质比较(两个极端案例)——中国近海富营养化诱发的“绿潮”造成一系列生态环境问题;加拿大东北部近河口的褐色水貌似污染,其实是储存了大量有机碳;鳗鱼在加拿大东北部富有机质的河口褐色水中正常生活。

在新认识、新理论指导下,以大江大河为主线,结合本地实际情况因地制宜采取有效措施,量化生态补偿机制,可望一举多得。通过制定有关的方法、技术、标准、规范,科学量化生态补偿机制,践行“绿水青山就是金山银山”理念,促成驱动经济与社会可持续发展的“国内大循环”新模式。

近年来我国近海发生的“绿潮”,令人触目惊心

 

研发缺氧/酸化海区的负排放技术

海水缺氧、酸化已经成为全球近海普遍存在的严重环境问题,直接导致渔业资源退化、生物多样性下降,生态系统可持续性发展面临风险。

针对这些问题,我国科学家提出了利用厌氧条件实施负排放的原理和技术方案,通过建立基于微生物碳泵、生物泵和碳酸盐泵原理的综合负排放途径,可望在实现增汇的同时,缓解环境问题。其主要原理是在缺氧、酸化的环境里,通过施加矿物、增加碱度,提高自生碳酸盐产量,并与有机碳一起埋葬,实现综合储碳增量的效果。

这其中的一个关键调节机制是碱度,碱度可缓冲海洋碳酸盐平衡体系在自然或人为扰动下的变化,特别是海洋酸化。增强海洋碱化的方法有多种。例如1 mol的橄榄石可螯合4 mol的CO2。微生物厌氧代谢与碳氮硫循环耦联互馈作用是海洋生态系统中大量碳沉积的重要机制,可望再现地球历史上曾经出现过的大规模海洋储碳。

 

实施海水养殖区综合负排放工程

我国拥有世界上最大的海水养殖产业,是海洋经济的重要组成部分。为了减少对自然资源的捕捞压力,保障人民群众所需的动植物蛋白和食品,今后还要进一步发展海水养殖业。不仅我国是这样,随着全球人口的增长和资源的进一步匮乏,全球对水产品的需求也在不断增长。我国的成功经验可以向世界各国推广。然而,由大规模养殖带来的生态负荷和环境压力,特别是养殖区海底有机物污染,以及由此带来的氮磷营养盐、无机碳、溶解氧供需错位,构成生态风险,引发的富营养化、缺氧、酸化问题亟待解决。

IPCC最近发布的《气候变化中的海洋与冰冻圈特别报告》中,纳入了我国科学家建议的“基于生态系统内部调节理念的人工上升流举措”,可望应对大规模养殖带来的生态负荷和环境压力,解决营养盐、无机碳、溶解氧供需错位问题。也就是,通过太阳能等清洁能源驱动的人工上升流可把养殖海区底部富营养盐的水带到上层水体,供给养殖海藻光合作用所需营养盐。与此同时,这个过程把底部高浓度营养盐缓慢释放出来,可避免风暴潮等突然扰动引发的赤潮等生态灾害。

此外,补偿性水体混合把表层富含氧气的水带到深层,可缓解底部缺氧的问题。在科学评估、统筹海水养殖容量及其对海洋碳汇贡献的基础上,研发兼顾环境与经济的优化养殖增汇模式,可望打造可持续发展的健康养殖模式和海洋负排放综合工程样板。

 

研制海洋碳汇标准体系

国际上研究最多的海洋碳汇组分是看得见、摸得着的红树林等海岸带蓝碳,但由于其总量有限,除了生态系统服务功能之外,难以起到应对气候变化的作用。真正能影响气候变化的其他海洋碳汇成分,因为涉及地球系统各圈层之间碳量传输,包括大气层、水圈、生物圈、岩石圈等,需要不同学科之间的整合研究,才能建立起行之有效的监测技术、评估方法和标准体系。

迄今,国际上尚无对海洋碳汇计量的统一规范和标准。制定海洋碳汇标准体系是摆在我们面前的一个重要任务。

中国碳市场是全球配额成交量第二大的市场,但海洋碳汇标准体系仍是空白。因此,需要组织整合海洋负排放相关的不同学科交叉融合,加快海洋碳中和核算机制与方法学研究,建立海洋碳指纹、碳足迹、碳标识相应的方法与技术、计量步骤与操作规范、评价标准,建立健全海洋碳汇交易体系。

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海洋负排放生态工程案例示意图

 

引领海洋负排放国际大科学计划

中国科学家发起的海洋负排放国际大科学计划(ONCE)得到国际同行积极响应和国际科学组织(ICES-PICES)批准。截至2019年,已有14个国家的代表科学家签约实施ONCE。2020年已有若干ONCE同行获得所在国/所在地区资助。欧盟已经资助了德国科学家领衔的716万欧元的研究项目。中国应尽快实施ONCE大科学计划,建立和完善应对气候变化的海洋负排放科学规划和工程技术体系,通过ONCE推出中国领衔制定的海洋碳汇/负排放有关标准体系,为全球治理提供中国方案。

(中国科学院院士、厦门大学海洋与地球学院教授焦念志 原载《中国科学院院刊》2021年第36卷第2期)