“三泵集成”打造海洋二氧化碳 负排放生态工程丨服务碳中和目标
本文即将刊载于《中国科学院院刊》2021年第3期专题：服务碳中和目标的海洋负排放技术路径与战略思考
微型生物（包括细菌、古菌和病毒）是海洋碳循环的巨大幕后推手，在全球气候变化中发挥了举足轻重的作用。大气二氧化碳由海洋藻类生物转变成可沉降有机组分（生物泵），经过细菌和古菌及其他生物和病毒作用（微型生物碳泵），在广阔水体中产生的惰性有机碳（RDOC）可在千年时间尺度上被封存，其伴随颗粒物进一步沉降到海底由底栖微生物作用变成碳酸盐矿物（碳酸盐碳泵）得以更长时间尺度的封存。文章在充分了解海洋微生物过程和机制的基础上，阐述“三泵（生物泵、微型生物碳泵、碳酸盐碳泵）集成”的固碳、储碳原理和优势；采用人工智能手段，制定海洋负排放工程可行性方案，为海洋碳封存提供可监测、可报告、可核查的理论依据和实验场景。从科学原理上，该方案的实施将可望助力我国 2060 年实现碳中和的宏伟目标。
1 国内外研究现状
全球气候变化的加剧引发了全人类的持续关注。1990—2017 年，全球碳排放总量由 34.97 Gt 增加至49.36 Gt。随着国民经济高速发展，中国同期碳排放量由 2.97 Gt 迅速增加至 12.95 Gt，随之而来的国际舆论压力亦越来越大。
中国政府在多个国际论坛和峰会上承诺“努力争取 2060 年前实现碳中和”的目标并宣布提高国家自主贡献力度的一系列举措，彰显负责任大国担当。目前，我国拟实现碳排放量目标值为 9.54—11.37 Gt（有条件承诺），预计到 2030 年达到 9.28—12.96 Gt 的排放峰值（无条件承诺）。
碳中和是应对气候变化的全人类目标。这一宏伟目标可以通过 2 种方式实现：
- 减少人类排放到大气中的二氧化碳；
- 人为增加“碳汇”或“负排放”，即从大气中去除二氧化碳。
目前，国际社会关注的焦点是减少碳排放的途径和方法。
例如，采取调整产业结构、加快能源结构演替、发展低碳技术、开发新能源等应对策略从根源上减少碳排放强度。但是，随着经济的快速发展，以及受我国能源结构现状的限制，仅靠减排不足以实现碳中和的战略目标，我们迫切需要通过增加负排放来实现碳中和。
负排放是指通过物理、化学或生物手段捕获大气中的二氧化碳，将其永久或在较长时间尺度内封存在地质环境中。目前，常用的负排放技术有陆地碳汇、海洋碳汇，以及碳捕获、利用和储存技术等。
许多文献提出采用陆地碳汇功能来实现负排放，如：植树造林、生物栖息地恢复、土壤碳封存、生物碳生产、增强陆地风化和矿物碳化、直接空气捕获二氧化碳并储存，以及低碳混凝土的开发和使用等。但由于陆地使用面积受限，陆地碳汇功能仍有待进一步开发。
滨海湿地（如红树林、盐沼、海草床）是碳汇的重要组成部分。尽管它们仅占海洋表面的 0.2%，但由于土壤巨大的固碳潜力、高固碳效率和长期（数千年）碳储存能力，它们贡献了 50% 的碳埋藏，具有减少温室气体排放和增加碳汇的潜力。然而，由于我国滨海湿地受围垦、港口开发、陆源污染等人为活动干扰，面临湿地面积骤减、湿地生态系统退化等问题 。据 2019 年度最新监测结果显示，中国滨海湿地面积由 1975 年的 736 万公顷降低至 524.5 万公顷，减少了约 28.7%，并由此导致海洋碳汇功能锐减。
据估计，自 18 世纪以来，海洋吸收的二氧化碳已占化石燃料排放量的 41.3% 左右和人为排放量的 27.9% 左右，极大抵消了大气中二氧化碳的积累。因此，采用新的方法和技术增加海洋碳汇强度，发挥海洋负排放潜力，理应是应对碳中和目标的重要路径之一。
2 核心主题
地球上 55% 的生物碳或绿色碳捕获是由海洋生物完成的。海洋作为二氧化碳的缓冲系统，其容量巨大——整个海洋中蓄积的碳总量达到 39 万亿 t，占全球碳总量的 93%，约为大气的 53 倍。因此，作为地球上最大的活跃碳库，海洋在气候变化中扮演着举足轻重的作用。
海洋储碳一个重要的过程是生物泵（BP），它是指由光合藻类生物、浮游动物等作用，将大气二氧化碳转变成颗粒有机碳（POC）并被沉降到海底的过程。地球上的 50% 的光合作用是由海洋藻类完成的，海藻能够有效地利用太阳能，通过光合作用固定二氧化碳，将无机碳溶解转化为有机碳。
但是，由生物泵导致的 POC 向深海的输出效率并不高，能够到达海底埋葬的有机碳量大约只有海洋初级生产力的 0.1%，绝大部分 POC 在沉降途中被降解呼吸转化成二氧化碳，大幅降低了 BP 储碳的效率。
微型生物碳泵（MCP）理论指出海洋微型生物是惰性有机碳（RDOC）的主要贡献者，其表现在 3 个方面：
- 微型生物细胞在生长代谢过程中改造并分泌 RDOC；
- 病毒颗粒裂解导致宿主细胞的死亡和裂解并释放 RDOC；
- 原生动物等捕食者摄食微型生物细胞并释放 RDOC。
MCP 理论为海洋碳循环中的碳封存提供了行之有效的指导，在海洋碳循环和全球气候变化研究领域产生了重大国际影响。
碳酸盐碳泵（CCP）是微生物诱导产生碳酸盐沉淀的过程，是自然界中广泛存在的一种生物诱导矿化作用。例如，海底叠层岩就是以蓝菌（蓝藻）为主的微生物在生长和新陈代谢活动过程中粘附和沉淀矿物质或捕获矿物的颗粒而形成的一种生物沉积构造。
海洋微生物诱导产生碳酸盐沉淀的另外一个典型代表就是冷泉碳酸盐的形成。冷泉碳酸盐岩是甲烷等碳烃化合物由深部向上渗漏过程中，在海底厌氧条件下经甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌共同代谢，产生的碱度优势促使 HCO3− 和 Ca2 过饱和结晶而形成的一种矿物。
此外，地质历史记录和实验模拟都表明微生物（特别是硫酸根还原菌）在白云石（钙、镁的碳酸盐）的形成过程中占主导作用。CCP 所产生的矿物质可以在海底沉积物中保存上亿年，因此能够在地质历史时间尺度发挥调节气候变化的作用。
地质历史纪录和实验室模拟形成的微生物成因的碳酸钙矿物：前寒武纪（~5 亿年前）陡山沱组保存完好的微生物白云岩化石，显示有保存完好的有机质、丰富的菌丝和菌体
地质历史纪录和实验室模拟形成的微生物成因的碳酸钙矿物：实验室硫酸盐还原菌诱导作用下生成的哑铃状白云石球体，聚合形成花椰菜状构造
地质历史纪录和实验室模拟形成的微生物成因的碳酸钙矿物：可见死亡的细菌细胞（箭头所示的椭圆形拉长的特征）与碳酸盐球结合在一起
实验室微生物诱导碳酸盐沉淀处理过的砂样品内部的CaCO3 晶体的电子扫描电镜图像
BP、MCP 和 CCP 是海洋储碳的重要机制。光合藻类生物将大气二氧化碳转化为有机物、微生物主导的 MCP 产生溶解惰性有机质（主要在水体中）及形成固体矿物质（主要在沉积物中）是长期的自然过程。
本文旨在探讨利用生态工程，研究如何将光合藻类产生的有机质由 BP 快速传输到海底沉积物；然后，在沉积物的厌氧条件下，利用 MCP 和 CCP 的协同作用，产生大量惰性有机质和固体碳酸盐矿物，达到大气二氧化碳被长期甚至永久封存的目的。
这一“三泵集成”设想，仅靠自然过程难以实现。而生态工程的愿景将是通过促进光合藻类生长、施加橄榄石粉和黏土矿物等类似物质使得藻类有机质快速沉积，并在海底形成厌氧环境（黏土矿物作用），由微生物将易降解有机质在高 pH 值和高碱度（橄榄石水解作用）条件下转变成碳酸氢根 与 钙离子 结合，大幅提升碳酸钙矿物的产生速率。
3 预期成效
3.1 “三泵集成”的机制
目前，对海洋环境中微生物诱导碳酸盐沉淀的研究主要集中于矿物的形成机制和元素的循环过程，而未见对生物泵-微型生物碳泵-碳酸盐碳泵（BP-MCP-CCP）在海洋环境中的协同储碳的机理和过程的集成研究。开展BP-MCP-CCP协同储碳机制的研究，将会对实现海洋二氧化碳负排放、调节全球气候环境起到至关重要的理论指导，并提供场景范例。
3.2 “三泵集成”的重点和难点
对于上述 BP-MCP-CCP 协同储碳的设想，目前的主要研究重点和难点有 4 个方面。
（1）人类智能化 BP
探究藻类达到可沉降所需丰度（藻华、赤潮）的生长速率和时间，研究橄榄石粉和黏土矿物沉降藻类的最佳颗粒及最优混合比例；考虑不同微藻的生态特性和储碳效率，从海水环境中天然存在的生态友好的微藻种类入手，初步圈定潜在可能用于 MCP-CCP 储碳工程的微藻种类。
（2）MCP 功能延伸
研究底栖 MCP 的过程与机制，评判海底沉积物的非均质性对 MCP 过程和机制的影响；解析微生物（细菌、古菌）和病毒在不同氧化还原条件下对颗粒有机质降解的动力学过程，以及沉积物环境中矿物与有机质互作关系对 RDOC 产生和降解的影响。厘清底栖 MCP 特征与广海水体 MCP 特征的区别：
- 微型生物细胞在生长代谢过程中改造并分泌 RDOC；
- 病毒颗粒裂解导致宿主细胞的死亡和裂解并释放 RDOC；
- 原生动物等捕食者摄食微型生物细胞并释放 RDOC。
（3）微生物矿物工程
研究形成碳酸盐矿物（如方解石、文石、白云石）的微生物群落结构特征和成岩效率；搭建二氧化碳浓度和光照可控条件下 MCP-CCP 储碳的室内实验模型，设定实验参数，研究二氧化碳浓度、光照对储碳效率的影响，研究橄榄石、黏土矿物的颗粒尺寸、混合比例及加入量对储碳效率的影响；寻求最优储碳效率下的实验参数；从模型实验层面探讨反应机理。结合研究结果，总结规律，引入比例系数，探讨并预测 BP-MCP-CCP 储碳在实际大规模的海水环境中的时空演化规律，从而对该项技术实现海洋负碳排放的长期作用效果进行评估。
（4）生态环境影响评估及保护
“三泵集成”海洋负碳排放生态工程的实施过程中，一方面需解决橄榄石及黏土矿物负载微藻在重力作用下快速沉降至海底；另一方面，先期开展生态系统水平模拟实验，研究并评估这一步骤对生态系统可能带来的影响，并提出科学应对措施，以期为后续模型预测提供准确的过程参数。
同时，此过程中的黏土自上而下沉降过程中有可能吸附海水中的污染性杂质（如微塑料等），可对海水起到一定程度的净化作用。黏土矿物等沉降至海床表面，覆盖住藻类，快速形成沉积厌氧环境，从而保证 CCP 的过程的发生，进而形成碳酸盐矿物。由于黏土矿物及产生的碳酸钙均为天然矿物，成分与常见的海床沉积物如淤泥质黏土及碳酸盐砂质海床沉积物成分类似，因此对海床的成分与环境不会造成负面影响。值得注意的是，即使科学原理是清晰的，依然需要在充分生态综合效应评估的基础上逐步实施。
4 科学和生态工程研究意义展望
（1）BP-MCP-CCP 协同储碳的研究对于认识全球气候变化的海洋调控机制具有重要意义
由于微生物群落和溶解有机碳（DOC）元素组成、化学结构的多重复杂性，因而 BP-MCP-CCP 的详细过程仍需要进一步被解析。
一方面，海洋升温将加剧海洋层化、减弱水柱混合，从而减少来自深水向真光层的营养盐补充，使得表层水更加贫瘠。在这种情况下，初级生产过程及其碳分流比例将发生变化：DOC 比例上升，而 POC 比例下降。全球变暖将削弱基于POC 沉降的经典 BP，而增强基于 DOC 的 MCP 的作用。另一方面，CCP 亦可将 MCP 分流部分的有机碳永久封存至海底，提高 MCP-CCP 协同储碳效率。
（2）BP-MCP-CCP 的研究需尽快系统的开展
目前，在海洋储碳方面，国际上还没有统一的规范和标准，我国应该把握此战略时机，尽快开展海洋储碳方面的系统研究。通过室内培养实验、船载模拟现场培养实验、海洋现场围隔实验，获取第一手数据资料和生态过程参数。
在此基础上建立有关数学模型，模拟不同环境条件和生态情景下 MCP 与 CCP 的调控机制和变动规律，进而建立海洋储碳研究的整套观测技术和分析方法，以及海洋储碳的评价标准体系。上述研究将填补国际空白，发挥先导与引领作用，服务于我国实现碳中和国家战略，同时带来巨大的生态环境效益、社会经济效益和国际政治效应。
（3）BP-MCP-CCP 协同储碳有望加速海洋负排放的实施进程，满足国家碳负排放的重大战略需求
中国是世界上受气候变化影响的脆弱地区之一。未来气候变化将对中国区域旱涝灾害、水资源、生物多样性、生态系统、农林牧渔业和人体健康等产生重要影响，并将对中国的社会经济发展带来一系列挑战。
BP-MCP-CCP 协同储碳正是着眼于海洋碳循环和全球气候变化的大背景，将研究深入到海洋微型生物及微生物成矿作用，从新的角度探索海洋碳循环的机制，并在此基础上提出海洋储碳有效途径；同时，对于缓解我国二氧化碳减排的压力，保障经济平稳较快发展，提高我国在气候问题国际谈判方面的话语权、主动权及国际政治地位都具有战略意义。
王誉泽 南方科技大学海洋科学与工程系助理教授（副高级）、博士生导师。研究方向主要集中于成矿过程的微观机理及工程应用。
张传伦 南方科技大学海洋科学与工程系讲席教授，国家特聘教授。研究方向为微生物在环境及能源、地质历史演化及全球变化中的作用。