周微　郭雪飛　雷仕澤　鄭力文　劉紀(jì)化

摘要：工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)導(dǎo)致的以二氧化碳為代表的溫室氣體持續(xù)排放，被認(rèn)為與全球氣候變化密切相關(guān)，引發(fā)諸多極端氣候事件，導(dǎo)致海平面上升、海水酸化、海水暖化等一系列環(huán)境負(fù)面效應(yīng)。海洋是地球最大的活躍碳庫，增匯潛力巨大。為應(yīng)對全球氣候變化，人為干預(yù)海洋生態(tài)系統(tǒng)、促進(jìn)其對大氣二氧化碳額外吸收封存的海洋負(fù)排放技術(shù)體系成為國際研究熱點(diǎn)。根據(jù)負(fù)排放技術(shù)的應(yīng)用場景，目前海洋負(fù)排放技術(shù)體系涵蓋側(cè)重于生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的濱海濕地藍(lán)碳、側(cè)重于環(huán)境友好型養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯和借助生態(tài)工程技術(shù)手段的負(fù)排放工程增匯。海洋負(fù)排放技術(shù)在實(shí)現(xiàn)人為增匯的同時(shí)，有望通過促進(jìn)海洋生物的生長和繁殖、提高海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力、促進(jìn)海洋生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部及其與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的資源循環(huán)利用，發(fā)揮其生態(tài)治理功能，從而應(yīng)對海洋環(huán)流改變、海水酸化脫氧等全球海洋環(huán)境惡化以及人類活動(dòng)污染的局部脅迫。

關(guān)鍵詞：海洋負(fù)排放;海洋生態(tài)治理;全球氣候變化;地球生態(tài)工程

中圖分類號(hào)：X145;P74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-9857（2024）02-0015-13

0 引言

隨著人類社會(huì)對化石能源的大量消耗和土地使用方式的改變，以二氧化碳（CO2）為主的溫室氣體人為排放快速增加，導(dǎo)致全球氣候變化，引發(fā)海平面上升、海水酸化缺氧、極端氣候頻發(fā)等多種負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，嚴(yán)重威脅人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。全球碳收支模型表明，與2019年相比，化石能源消費(fèi)導(dǎo)致的CO2排放量以每年0.1%～1.9%的速率增加，預(yù)計(jì)到2022年化石能源消費(fèi)的全球CO2排放量將達(dá)到36.6Gt/年;2012—2021年土地使用方式的改變則造成4.5±2.6Gt/年的碳排放[1]。海洋是地球上最大的碳庫，其碳儲(chǔ)量約是大氣碳庫的50倍、陸地碳庫的20倍，吸收并封存全球人為CO2總排放量的26%;2012—2021年新增海洋碳匯量為2.9±0.4Gt/年，相當(dāng)于減排CO2為10.6±1.5Gt/年（圖1）[1]。因此，發(fā)揮海洋系統(tǒng)巨大的增匯潛力是應(yīng)對氣候變化的重要途徑之一。海洋系統(tǒng)的自然碳匯過程主要依靠廣袤的海表面積，利用海水碳酸鹽緩沖體系，吸收大氣CO2并解離成碳酸氫根和碳酸根離子，該過程主要發(fā)生在中高緯度地區(qū)的開闊大洋[2]。

依據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）現(xiàn)有的方法學(xué)工作框架，達(dá)到履約條件的自然系統(tǒng)碳匯（包括海洋碳匯）強(qiáng)調(diào)人為活動(dòng)主動(dòng)干涉的碳匯增量，是相對于基線情景（無人為干擾）的額外碳匯量[3]?；谏鲜鲈瓌t，近年來多種海洋（碳）負(fù)排放（OCNE）技術(shù)方案或稱“CO2去除的海洋方案（Ocean-basedCDRs）”被諸多學(xué)者提出，全球各國（地區(qū)）開始加大對該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入，并陸續(xù)制定科研計(jì)劃[4]（圖2（a））。例如：歐盟的“地平線歐洲計(jì)劃”除資助波浪能、海上風(fēng)能等海洋可再生能源技術(shù)研發(fā)外，還對CDRs技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)投入（圖2（b））;2021年美國科學(xué)院、工程院與醫(yī)學(xué)院發(fā)布《海洋二氧化碳清除與封存研究戰(zhàn)略》，計(jì)劃在營養(yǎng)施肥增匯、人工上升/下降流、大藻養(yǎng)殖碳匯、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、堿性礦物增匯以及海水電化學(xué)減排/增匯6個(gè)海洋負(fù)排放技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)投入和研發(fā)[5]（圖2（c））;2022年我國科學(xué)家牽頭發(fā)起的“海洋負(fù)排放國際大科學(xué)計(jì)劃（Global-ONCE）”啟動(dòng)運(yùn)行，旨在聯(lián)合國際優(yōu)勢科研力量，積極探索應(yīng)對氣候變化的海洋方案[6]。

1 應(yīng)對氣候變化的海洋方案技術(shù)路徑

目前國內(nèi)外應(yīng)對氣候變化的海洋方案研究集中在濱海濕地藍(lán)碳、海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯和海洋負(fù)排放工程增匯3個(gè)方面，這些技術(shù)方案在設(shè)計(jì)之初都不同程度地考慮其生態(tài)治理功能，從而實(shí)現(xiàn)海洋系統(tǒng)增匯的最小綜合環(huán)境負(fù)效應(yīng)。

1.1 濱海濕地藍(lán)碳

濱海濕地藍(lán)碳技術(shù)是基于自然的氣候變化解決方案，其原理是通過人類活動(dòng)保護(hù)或修復(fù)海洋生態(tài)系統(tǒng)，以減少生態(tài)退化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量損失，提高海洋系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存和碳封存能力。以紅樹林、鹽沼、海草床和海藻場為代表的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)能以類似陸地生態(tài)系統(tǒng)的方式進(jìn)行管理，故該類型技術(shù)目前主要集中于沿海生態(tài)系統(tǒng)[5，7]。對氣候變化與海洋系統(tǒng)生物多樣性之間關(guān)系的科學(xué)認(rèn)識(shí)的不斷加深[8]，帶動(dòng)海洋生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)技術(shù)的研發(fā)，且該技術(shù)可實(shí)施的地理范圍將從近海向遠(yuǎn)洋延伸[5]。以珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)為例，由于珊瑚礁的鈣化作用伴隨著CO2釋放，珊瑚礁常被視為大氣碳源[9];然而珊瑚礁與兼養(yǎng)的蟲黃藻共生，構(gòu)成生產(chǎn)力最高的海洋生態(tài)系統(tǒng)，且隨環(huán)境變化呈現(xiàn)復(fù)雜的碳源-碳匯屬性[10-12]。隨著對珊瑚礁生態(tài)健康的理解加深，珊瑚礁的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)得到加強(qiáng)，可人為實(shí)現(xiàn)珊瑚礁的生態(tài)增匯[13]。我國是世界上少數(shù)同時(shí)擁有多種濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的國家之一，我國濱海濕地類型的分布及其碳埋藏速率估算如表1所示[14]。

1.2 海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯

海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯是通過海水養(yǎng)殖生產(chǎn)活動(dòng)，利用水生生物吸收并轉(zhuǎn)化水體中的CO2，實(shí)現(xiàn)碳埋藏或形成惰性碳，從而將碳長期儲(chǔ)存于海洋系統(tǒng)中;或通過漁業(yè)捕撈生產(chǎn)活動(dòng)，將碳以生物體形式移出水域并進(jìn)入其他渠道，從而形成穩(wěn)定儲(chǔ)存的碳形態(tài)。海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯主要包括藻類和貝類等養(yǎng)殖類型，以及增殖放流和人工魚礁的海洋牧場模式[15]。由于貝類生物在生長過程中的呼吸作用和鈣化過程均釋放CO2，貝類養(yǎng)殖的碳源-碳匯屬性在國際上尚存爭議[16]。多營養(yǎng)層次的養(yǎng)殖模式能夠有效減輕海水養(yǎng)殖活動(dòng)對資源、環(huán)境的壓力，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)包括貝類在內(nèi)的海洋生物碳匯擴(kuò)增的有效方式[17]。

相較而言，大型藻類養(yǎng)殖的碳匯技術(shù)受到國際學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可[5]。海藻在生長過程中的光合作用能夠固定海水中的CO2并轉(zhuǎn)化為生物體有機(jī)碳，其中部分有機(jī)碳隨生物體脫落并沉降埋藏進(jìn)入海床（或深海）而成為埋藏碳（生物碳泵），還有部分有機(jī)碳則以溶解有機(jī)碳（DOC）的形態(tài)釋放回到海水水體，并經(jīng)由海洋微生物轉(zhuǎn)化（微生物碳泵）形成惰性溶解有機(jī)碳（RDOC）。在上述2個(gè)過程中，除形成長期儲(chǔ)存的埋藏碳和惰性溶解有機(jī)碳外，大部分有機(jī)碳將再次礦化形成溶解無機(jī)碳（DIC）。有學(xué)者基于碳收支模型評(píng)估全球大型海藻生態(tài)系統(tǒng)的儲(chǔ)碳能力約0.17Pg/年，相當(dāng)于減排CO2約0.60Gt/年，其中RDOC形態(tài)的橫向碳匯輸出約占總碳匯量的70%（圖3）[18]。

我國是海藻養(yǎng)殖大國。有學(xué)者評(píng)估我國大型海藻養(yǎng)殖每年固定CO2約61萬t，其中56.8%可長期儲(chǔ)存于海洋系統(tǒng)中，同時(shí)不同品種大型海藻的儲(chǔ)碳能力存在差異[19-20]。大型海藻養(yǎng)殖過程中的光合固碳將碳儲(chǔ)存于生物體內(nèi)，并通過海藻收獲過程將碳移出水體。然而目前養(yǎng)殖的大型海藻除部分作為工業(yè)原料外，大部分作為食品被消費(fèi)，短期內(nèi)將再次轉(zhuǎn)化為CO2釋放回到大氣，并不具備儲(chǔ)碳并改變氣候長期變化趨勢的功能。Xiong等[21]和Li等[22]的研究表明，自2007年開始嚴(yán)重威脅我國江蘇和山東沿岸生態(tài)環(huán)境的綠潮同樣具備碳匯功能，將其生物體運(yùn)至遠(yuǎn)海并人為沉降將進(jìn)一步增強(qiáng)其碳匯能力。

1.3 海洋負(fù)排放工程增匯

海洋負(fù)排放工程增匯是通過人工上升流、提升海水堿度、海水施肥以及微生物誘導(dǎo)礦化等工程技術(shù)手段，人為干預(yù)海洋系統(tǒng)的碳循環(huán)過程，從而實(shí)現(xiàn)海洋系統(tǒng)的人為增匯。該技術(shù)路徑發(fā)端于人為干預(yù)氣候的“地球工程”設(shè)想：面對日趨緊迫的氣候問題，部分學(xué)者提出“太空安裝太陽光反射裝置”“平流層注射氣溶膠”和“增加地表/海表反照率”等針對太陽輻射管理的應(yīng)急預(yù)案[23-24]，由于其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有未知性，近年來各國加大對該領(lǐng)域的研究投入，但目前僅作為應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行數(shù)值模型研究?；诖耍袑W(xué)者提出將生態(tài)系統(tǒng)的自然碳匯過程與工程技術(shù)手段相結(jié)合，形成“地球生態(tài)工程”設(shè)想[25]。Martin等[26]提出的海水鐵施肥增匯方案則是其中的典型技術(shù)：人類歷史上在開闊大洋進(jìn)行數(shù)次海水鐵施肥的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)仍難以驗(yàn)證表層浮游植物茂生與深海儲(chǔ)碳之間的關(guān)系[5]。此外，由于應(yīng)減少對海洋的人為干擾以及開闊大洋的使用權(quán)限存在法理爭議，近年來在人為影響顯著的近海海域?qū)嵤┑呢?fù)排放工程方案被陸續(xù)提出[25]，其中具有代表性的包括養(yǎng)殖海域人工上升流增匯方案[27]、近海淺灘堿性礦物增匯方案[28]、廢水堿化入海增匯方案[29]、陸海統(tǒng)籌增匯方案[4]以及微生物誘導(dǎo)“三泵協(xié)同”增匯方案[30]。海洋負(fù)排放工程增匯技術(shù)方案尋求海洋負(fù)排放效應(yīng)的最大化，將實(shí)現(xiàn)基于自然和生態(tài)路徑的低風(fēng)險(xiǎn)、高效益的大規(guī)模負(fù)排放碳儲(chǔ)存，有望打造“三泵協(xié)同效應(yīng)”理論的“地球工程”新范式（圖4）[4]。

2 全球和區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 全球海洋生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

隨著全球碳排放量的增加，海水尤其是表層海水的溫度持續(xù)提升，出現(xiàn)海水暖化現(xiàn)象，超過90%的全球氣候變暖熱量被海洋吸收。與工業(yè)革命前相比，全球海表溫度升高1.2℃，導(dǎo)致海冰融化抬升海平面，且為臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等極端天氣現(xiàn)象提供能量。20世紀(jì)90年代后期以來，登陸我國沿海的臺(tái)風(fēng)的平均強(qiáng)度波動(dòng)增強(qiáng)，風(fēng)暴潮和海浪災(zāi)害對沿海地區(qū)人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。

受全球變暖影響，海洋環(huán)流發(fā)生改變，呈現(xiàn)上層海洋環(huán)流總體加速、下層海洋環(huán)流流速減緩的趨勢[31-32]，不但影響海洋對氣候的調(diào)節(jié)作用，而且對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響。沿岸上升流加強(qiáng)是海洋洋流系統(tǒng)對全球暖化的響應(yīng)之一，導(dǎo)致營養(yǎng)鹽污染容量下降等不可預(yù)計(jì)的海洋生態(tài)系統(tǒng)改變[33]。此外，海水暖化嚴(yán)重威脅珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康，將破壞珊瑚蟲與蟲黃藻之間的共生關(guān)系，導(dǎo)致珊瑚白化[34]。

全球表層海水升溫降低氧氣在海水中的溶解度，同時(shí)增強(qiáng)海水分層，使表層海水的溶解氧難以擴(kuò)散進(jìn)入下層海水，導(dǎo)致全球海水脫氧。在過去的50年中，全球變暖已使中、東赤道大西洋和赤道太平洋的低氧區(qū)不斷擴(kuò)大[35]。海水中的魚類、蟹類和貝類等生物在低氧的環(huán)境下受到嚴(yán)重影響甚至窒息死亡，從而造成海洋生態(tài)危機(jī)。隨著大氣二氧化碳濃度的升高，海水酸化現(xiàn)象日益加劇。近200年來全球表層海水pH 值平均降低0.1，直接或間接影響海洋生物的生長、繁殖和代謝過程，改變海洋生物群落結(jié)構(gòu)，影響海洋生物多樣性，破壞海洋生態(tài)平衡[36]。以富營養(yǎng)化為主的局部人為因素進(jìn)一步加劇近海底層海水的季節(jié)性酸化，近年來我國黃海在秋季頻繁觀測到低于1.5的文石飽和度[37]，底棲貝類幾乎絕跡。綜上所述，全球海洋生態(tài)面臨惡化趨勢，且具有不容忽視的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[38]。

2.2 區(qū)域海洋生態(tài)災(zāi)害

人類活動(dòng)在影響全球碳循環(huán)的同時(shí)，氮、磷等元素的循環(huán)過程也受到影響。陸源營養(yǎng)物質(zhì)過量輸入河口區(qū)和近海水體，導(dǎo)致近海海域赤潮、綠潮和褐潮等有害藻華現(xiàn)象頻發(fā)。自20世紀(jì)70年代以來，全球近海富營養(yǎng)化問題加劇，赤潮發(fā)生頻率增加且規(guī)模擴(kuò)大[39-41]。滸苔綠潮自2007年起在我國黃海出現(xiàn)，2021年暴發(fā)時(shí)面積接近2000km2，對江蘇、山東近海生態(tài)環(huán)境和生態(tài)安全造成嚴(yán)重影響[42-43];自21世紀(jì)以來，我國黃、渤海開始出現(xiàn)由抑食金球藻引發(fā)的褐潮以及由馬尾藻暴發(fā)性增殖引發(fā)的金潮現(xiàn)象[44-45]。有害藻華頻發(fā)進(jìn)一步加重近海底層水體的酸化和缺氧程度，自20世紀(jì)70年代以來，我國近海水體缺氧事件的發(fā)生頻次呈現(xiàn)指數(shù)型增長[46-47]。

近海河口區(qū)域過量營養(yǎng)鹽輸入導(dǎo)致近海水體富營養(yǎng)化的機(jī)制如圖5所示[48]。

全球每年有超過1100萬t的垃圾進(jìn)入海洋，其中以塑料制品為主。目前全球海洋垃圾存量為7500萬t至1.99億t，其中80%來自沿岸生產(chǎn)生活、旅游娛樂、船舶航行、漁業(yè)捕撈等人類活動(dòng)[49]。海洋垃圾對海洋生物、人類及海洋環(huán)境的危害是多方面的，已演變成困擾全球的海洋環(huán)境污染問題之一。廢棄漁網(wǎng)等垃圾會(huì)纏住船舶的螺旋槳，對船舶航行造成重大安全隱患;當(dāng)塑料垃圾進(jìn)入海洋后，其自然降解速率減慢，在光照、風(fēng)吹和洋流作用下，很多塑料垃圾老化并被分解為更小塊，這些微塑料通過食物鏈傳遞，最終可能在人類體內(nèi)富集[50-51];海洋生物誤食海洋垃圾后會(huì)引起胃部不適、行動(dòng)異常、繁殖能力下降甚至死亡，每年至少有100萬只海鳥以及不計(jì)其數(shù)的海洋哺乳動(dòng)物因海洋垃圾纏繞、撞傷、誤食而喪生。

除上述海水暖化、海水酸化缺氧等全球氣候變化風(fēng)險(xiǎn)以及近海富營養(yǎng)化、海洋垃圾等局部人類活動(dòng)干擾外，濱海電力溫排水（余氯）、海洋放射性污染、石油和危化品泄露、過度捕撈和開發(fā)、有害物種入侵以及地質(zhì)災(zāi)害等因素同樣導(dǎo)致海洋生物多樣性下降以及部分海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化。

3 海洋負(fù)排放技術(shù)的生態(tài)治理功能

3.1 濱海濕地生態(tài)功能恢復(fù)

濱海濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，能夠維持單位面積的高生物生產(chǎn)力，并承擔(dān)防止風(fēng)暴潮和海岸侵蝕等復(fù)雜的生態(tài)功能。隨著海平面的上升、海洋動(dòng)力侵蝕作用的加強(qiáng)以及人類活動(dòng)的日趨頻繁，海岸侵蝕日益嚴(yán)重。我國是世界上海岸侵蝕較為嚴(yán)重的國家之一，海岸侵蝕現(xiàn)象從20世紀(jì)50年代末開始顯現(xiàn)，至80年代方被逐漸重視，一些工程結(jié)構(gòu)型和生態(tài)修復(fù)型海岸防護(hù)技術(shù)被陸續(xù)提出[52]。濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)中的植物可以抵御海浪和風(fēng)暴潮的沖擊，其根系固著海岸堤岸，有效防止海岸侵蝕。同時(shí)，濱海濕地具有清除和轉(zhuǎn)化陸源污染的功能。以氮素為例：陸地地表徑流或地下水均比海洋系統(tǒng)具有更高的氮素水平，氮素直接進(jìn)入近海生態(tài)系統(tǒng)將造成富營養(yǎng)化現(xiàn)象;陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)的這種差異源于中、高緯度地區(qū)的海水難以發(fā)揮生物固氮作用[53-54]，而淡水和土壤生態(tài)系統(tǒng)的生物固氮作用較為普遍[55-57]，化石肥料的廣泛使用進(jìn)一步加重這種差異[58];濱海濕地復(fù)雜的氧化還原機(jī)制能夠?yàn)榉聪趸?、厭氧氨氧化的氮去除過程提供有利環(huán)境[59]。因此，濱海濕地生態(tài)功能的恢復(fù)將有效減小人類活動(dòng)產(chǎn)生的陸源污染對近海生態(tài)系統(tǒng)的沖擊，濱海濕地藍(lán)碳評(píng)估技術(shù)的完善和藍(lán)碳交易市場的發(fā)展通過將純投入的公共支出轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂惺找娴氖袌鲂袨?，將為濱海濕地生態(tài)修復(fù)提供資金，從而提高濱海濕地生態(tài)修復(fù)的效率和質(zhì)量。

3.2 海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯和陸海統(tǒng)籌增匯對近海富營養(yǎng)化的治理

傳統(tǒng)海水養(yǎng)殖模式是近海富營養(yǎng)化的成因之一，其投餌喂養(yǎng)模式以及岸基養(yǎng)殖池廢水的直接排放造成區(qū)域環(huán)境營養(yǎng)負(fù)載過重，引發(fā)海水缺氧酸化、有害藻華頻發(fā)等富營養(yǎng)化現(xiàn)象。我國是海水養(yǎng)殖大國，但養(yǎng)殖污染問題尚未根本解決[41，60]?？茖W(xué)合理的海水養(yǎng)殖模式非但不會(huì)形成污染源，反而會(huì)是治理近海富營養(yǎng)化的潛在抓手。例如：海藻養(yǎng)殖的收獲過程可從海水中移除碳，同時(shí)可從水體中回收氮、磷[20];根據(jù)評(píng)估數(shù)據(jù)，我國現(xiàn)有海藻養(yǎng)殖規(guī)模每年可從海水中去除約7.5萬t氮和0.9萬t磷，再擴(kuò)大1倍的海藻養(yǎng)殖規(guī)模能有效限制我國沿海磷污染，而限制氮污染則須擴(kuò)大17倍[61]。濾食性貝類在養(yǎng)殖過程中會(huì)吸收周圍環(huán)境中的病毒、細(xì)菌、有毒藻類和受污染的有機(jī)顆粒，起到凈化水體、增加水透明度的作用[62]。有學(xué)者以美國馬里蘭州切薩皮克灣為研究海域，評(píng)估牡蠣養(yǎng)殖過程的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[63]。

隨著海水養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大和環(huán)境友好型養(yǎng)殖模式的推廣，海水養(yǎng)殖單位產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值均將有所下降，海水養(yǎng)殖環(huán)境碳匯將承擔(dān)部分經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，同時(shí)拓展海水養(yǎng)殖品種的資源化利用途徑是維持海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)收入的重要手段之一。例如：養(yǎng)殖海藻在作為有機(jī)肥料生產(chǎn)原料的同時(shí)也可作為飼料，最新研究表明在牛飼料中使用大型海藻將有效減少牛胃腸道的甲烷排放[64];海藻有機(jī)肥料替代化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中使用將提高土壤環(huán)境質(zhì)量，有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的面源污染，改變地表和地下徑流的營養(yǎng)鹽負(fù)載，而河口陸源有機(jī)碳的存留與入海河流營養(yǎng)鹽負(fù)載相關(guān)[65]。陸海統(tǒng)籌生態(tài)工程的實(shí)施在整體增加陸海生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應(yīng)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)生源要素循環(huán)的人為可控，從而從根源上解決近海富營養(yǎng)化的問題。

3.3 人工上升流應(yīng)對海水暖化和缺氧現(xiàn)象

養(yǎng)殖海域人工上升流增匯是通過放置人工系統(tǒng)形成自海底到海面的海水流動(dòng)，促進(jìn)海洋吸收大氣CO2，從而實(shí)現(xiàn)碳匯增加的生態(tài)工程技術(shù)手段之一。人工上升流系統(tǒng)將改變養(yǎng)殖海域營養(yǎng)鹽、溶解氧、無機(jī)碳的時(shí)空錯(cuò)配問題，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的生物要素機(jī)制，將“污染場”變?yōu)椤霸鰠R場”[4]。人工上升流通過將海底較冷的海水提升至海表，有效緩解作用區(qū)域內(nèi)的海水暖化現(xiàn)象。在自然上升流的作用下，南大洋的海表升溫效應(yīng)相較于北極海域有顯著延遲[66-67]。

全球珊瑚礁系統(tǒng)正在受到海水暖化的嚴(yán)重威脅。研究表明，澳大利亞大堡礁歷史上出現(xiàn)的數(shù)次珊瑚白化事件均主要由于海表的極端高溫[68]。理論上，在熱帶近海珊瑚礁區(qū)域周邊布設(shè)人工上升流，并基于海水物理化學(xué)環(huán)境智能化控制其啟動(dòng)和關(guān)閉，能夠?qū)⑸詈I養(yǎng)鹽輸送到高生物生產(chǎn)力的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)增匯目標(biāo)，同時(shí)深海較冷水體也將減少珊瑚礁對極端高溫天氣的熱脅迫響應(yīng)[69]。

人工上升流將深海冷水提升到海表的同時(shí)，表層富氧海水將形成補(bǔ)償水體而被帶到海洋深層，潛在可能緩解底層缺氧問題[70]。數(shù)值模型研究表明，人工上升流的使用將有效減少半封閉海域的缺氧區(qū)面積[71];但也有現(xiàn)場試驗(yàn)表明，盡管最小溶解氧層的體積在人工上升流作用下縮小，但由于表層海水的施肥效應(yīng)，水柱的平均溶解氧濃度有所降低[72]。在全球升溫的影響下，海水季節(jié)性層化作用加強(qiáng)，近海缺氧事件的發(fā)生將越來越頻繁。因此，人工上升流將成為人為調(diào)控碳、氮、氧元素時(shí)空分布的重要工程技術(shù)手段。

3.4 海水堿化增匯緩解近海酸化問題

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)受熱脅迫的同時(shí)還受到海水酸化的嚴(yán)重威脅[73]。研究表明，提高海水pH 值能有效增強(qiáng)珊瑚在熱脅迫和海水酸化作用下的生態(tài)恢復(fù)能力[74]。海水堿化增匯是通過堿性礦物促溶[28]、廢水堿化排放[29]、海水電解堿化[74]等工程技術(shù)手段，人為提升海水堿度，增強(qiáng)海水對CO2的緩沖能力，從而實(shí)現(xiàn)增匯目標(biāo)。隨著海水堿度的提升，海水pH 值將有所提升，可提高文石飽和度，有效緩解海水酸化的負(fù)面效應(yīng)[75]。

海水酸化環(huán)境是實(shí)施堿性礦物增匯的有利場所。隨著海水CO2分壓的升高（酸化過程），以橄欖石為代表的堿性礦物的溶解速率加快[76]。黃海冷水團(tuán)是我國季節(jié)性酸化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，嚴(yán)重影響底棲貝類生物的生長[37]。黃海中部底層冷水團(tuán)是冬季水體的殘留，其接收從上層真光層沉降的有機(jī)物，并同步累積耗氧和礦化再生的無機(jī)碳，隨后在冬季海表降溫并使表底層水體混合，層化季節(jié)累積的無機(jī)碳又通過海-氣交換機(jī)制釋放回到大氣。理論上，在黃海冷水團(tuán)的形成過程中提升底層海水堿度，一方面，可將礦化再生的無機(jī)碳固定在海水系統(tǒng)中，不再于冬季被釋放;另一方面，可有效提高海水pH 值，消解海水酸化作用。

3.5 全球氣候治理的海洋解決方案與全球海洋生態(tài)治理

由于作用對象的一致性和實(shí)施目標(biāo)的差異性，海洋負(fù)排放和海洋生態(tài)治理是部分交叉和相互并行的2個(gè)技術(shù)體系（圖6）。

面對全球氣候治理目標(biāo)，海洋負(fù)排放生態(tài)工程在實(shí)施過程中需要配套海洋碳匯核算和評(píng)估技術(shù)體系?；诋?dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)，海洋碳匯核算和評(píng)估技術(shù)體系要滿足“可測量、可核查、可驗(yàn)證”的第三方認(rèn)證要求，發(fā)展現(xiàn)場碳檢測技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星遙感反演技術(shù)和海洋生物-地球-化學(xué)循環(huán)數(shù)值模擬，減小海洋碳匯評(píng)估的時(shí)空不確定度，提高海洋碳匯監(jiān)測的精確度和時(shí)空分辨率?；趯Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)科學(xué)認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深入，遙感反演和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展也為海洋生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)估技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)為全球海洋生態(tài)治理熱點(diǎn)區(qū)域的預(yù)判提供高效工具。在海洋負(fù)排放工程實(shí)施方面，以碳循環(huán)為核心的海洋生源要素循環(huán)人為調(diào)控技術(shù)可為生態(tài)治理提供海水堿化、人工上升流、微生物碳酸鹽等技術(shù)，該技術(shù)體系以海洋負(fù)排放為核心目標(biāo)，以海洋生態(tài)保護(hù)和修復(fù)為實(shí)施條件。同時(shí)，隨著海洋生態(tài)系統(tǒng)逐漸恢復(fù)健康狀態(tài)，可提高海洋生物生產(chǎn)力和海洋生物多樣性，使大氣中更多的CO2以生物質(zhì)形式停留在海洋生態(tài)系統(tǒng)中。珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)和濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和維護(hù)都具有海洋負(fù)排放功能，但其技術(shù)研發(fā)將以海洋生態(tài)治理為核心目標(biāo)、以海洋負(fù)排放為輔助效果。需要注意的是，這類技術(shù)對于去除大氣CO2存在效用上限。此外，針對塑料污染、核放射污染、過度捕撈等人類活動(dòng)的特定影響，應(yīng)發(fā)展相應(yīng)的海洋生態(tài)治理技術(shù)，海洋負(fù)排放技術(shù)無法解決該類生態(tài)環(huán)境問題。海洋負(fù)排放技術(shù)將與海水電解制氫和氫儲(chǔ)能、海上風(fēng)能、波浪能等碳減排技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步擴(kuò)大海洋解決方案的氣候治理效益。

隨著人類活動(dòng)對地球系統(tǒng)影響的日趨激烈，氣候變化和海洋生態(tài)退化成為21世紀(jì)人類可持續(xù)發(fā)展的全球性新課題。大氣和海洋環(huán)境污染均表現(xiàn)出跨國界、跨區(qū)域以及全球覆蓋的特征，而人類干預(yù)與環(huán)境效應(yīng)之間存在異地性，導(dǎo)致對全球氣候和海洋治理的監(jiān)管缺少法律約束?！毒┒甲h定書》的簽訂為國際社會(huì)治理全球環(huán)境問題提供可借鑒的合作機(jī)制，然而海洋碳匯核算和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等在國際上尚存爭議。因此，推進(jìn)制定海洋碳匯核算和海洋負(fù)排放技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)，將對海洋生態(tài)治理國際標(biāo)準(zhǔn)的制定提供經(jīng)驗(yàn)和平臺(tái)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

海洋負(fù)排放技術(shù)是通過人工干預(yù)海洋生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)海洋生態(tài)系統(tǒng)對CO2的吸收和固定，從而達(dá)到減少大氣CO2的目的。這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施在應(yīng)對全球氣候危機(jī)的同時(shí)，可以保護(hù)和恢復(fù)海洋生態(tài)系統(tǒng)，具有生態(tài)治理功能。

海洋生態(tài)系統(tǒng)是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)之一，具有重要的生態(tài)功能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而隨著人類活動(dòng)的不斷增加，海洋生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)受到海洋環(huán)流改變、海水酸化脫氧等海洋物理化學(xué)環(huán)境的全球性影響以及人為活動(dòng)污染的局部脅迫，其生態(tài)功能受到嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致海洋生物數(shù)量減少、海洋生物多樣性降低、海洋生態(tài)平衡失調(diào)等問題。海洋負(fù)排放技術(shù)可以通過增加海洋生物數(shù)量和提高海洋生物多樣性，保護(hù)并恢復(fù)海洋生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)治理功能主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

（1）促進(jìn)海洋生物的生長和繁殖。海水施肥增匯、大型海藻人工養(yǎng)殖增匯以及人工上升流增匯均是通過海洋植物對CO2的光合固定和吸收以及海洋生態(tài)系統(tǒng)（碳泵）轉(zhuǎn)化形成長周期碳儲(chǔ)存，海洋生物的數(shù)量和種類將隨海洋生態(tài)系統(tǒng)碳通量的加大而增加。

（2）提高海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。海水堿化增匯和人工上升流增匯將緩解海水酸化和變暖的影響，避免底層缺氧區(qū)的出現(xiàn)，提高海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;濱海濕地的保護(hù)和恢復(fù)在增加藍(lán)碳的同時(shí)，將增強(qiáng)海洋生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力。

（3）促進(jìn)海洋生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)利用。海洋生態(tài)系統(tǒng)是復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)，人工上升流技術(shù)的應(yīng)用將人為加快海洋系統(tǒng)內(nèi)部的元素循環(huán)，與陸海統(tǒng)籌生態(tài)工程相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)自然系統(tǒng)碳匯整體增加的同時(shí)，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

綜上所述，海洋負(fù)排放技術(shù)具有生態(tài)治理功能，在海洋生態(tài)系統(tǒng)增匯的同時(shí)保護(hù)和恢復(fù)海洋生態(tài)系統(tǒng)，為海洋可持續(xù)發(fā)展提供重要支持。

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