海洋是地球上最大的碳庫(kù)，其碳儲(chǔ)存能力遠(yuǎn)高于陸地和大氣，因此，開(kāi)展海洋二氧化碳移除（marine Carbon Dioxide Removal, mCDR）成為減少二氧化碳排放的備選方案。6月4日，全球性倡議“可持續(xù)海洋經(jīng)濟(jì)高級(jí)別小組（Ocean Panel）”發(fā)布《負(fù)責(zé)任和有效的海洋二氧化碳移除開(kāi)發(fā)與治理原則》藍(lán)皮書(shū)，強(qiáng)調(diào)海洋二氧化碳移除（mCDR）在實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》氣候目標(biāo)方面的潛在作用，提出需要解決圍繞mCDR有效性、影響和成本的重大知識(shí)差距。海洋二氧化碳移除技術(shù)包括海水堿化增強(qiáng)（Ocean Alkalinity Enhancement, OAE）、營(yíng)養(yǎng)施肥（Nutrient Fertilization）、人工上升流和下降流（Artificial Upwelling and Downwelling）、海藻養(yǎng)殖（Seaweed Cultivation）、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)（Ecosystem Recovery）、電化學(xué)過(guò)程（Electrochemical Processes）等。本文概述了以上6種mCDR技術(shù)方案，梳理了主要國(guó)家政策行動(dòng)、近期研究進(jìn)展以及未來(lái)研究重點(diǎn)，以期為未來(lái)海洋減排工作提供參考。
一、海洋二氧化碳移除技術(shù)
根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院（National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）于2021年12月發(fā)布的《海洋二氧化碳移除和封存研究策略》（A Research Strategy for Ocean-Based Carbon Dioxide Removal and Sequestration）報(bào)告，6種mCDR技術(shù)方案如下：
（1）海水堿化增強(qiáng)：通過(guò)向海水中添加碳酸鹽或硅酸鹽等礦物提高海水堿度來(lái)增強(qiáng)海洋吸收和儲(chǔ)存二氧化碳的能力。
（2）營(yíng)養(yǎng)施肥：通過(guò)向海洋表面添加磷或氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)增強(qiáng)浮游植物光合作用，從而加速海洋對(duì)二氧化碳的吸收以及表層向深海的碳轉(zhuǎn)移。
（3）人工上升流和下降流：上升流將溫度更低、營(yíng)養(yǎng)更豐富和二氧化碳含量更高的深層海水帶到海洋表面，刺激表層浮游植物生長(zhǎng)，加快對(duì)大氣中的二氧化碳的吸收。下降流則是將表層海水和碳轉(zhuǎn)移到深海進(jìn)行封存。
（4）海藻養(yǎng)殖：海藻的大規(guī)模養(yǎng)殖可以使其在生長(zhǎng)過(guò)程中直接吸收表層溶解碳，也可以通過(guò)海洋生物泵將碳轉(zhuǎn)移到深海或沉積物中。
（5）生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)：通過(guò)保護(hù)與恢復(fù)沿海生態(tài)系統(tǒng)以及恢復(fù)魚(yú)類、鯨魚(yú)和其他海洋野生動(dòng)物來(lái)實(shí)現(xiàn)碳移除和封存。
（6）電化學(xué)過(guò)程：通過(guò)在海水中通電引發(fā)海水裂解或電解，可以增加海水的酸度以釋放出二氧化碳，也可以增加海水的堿度以增強(qiáng)二氧化碳封存能力。
二、主要國(guó)家政策行動(dòng)
為了更好地了解和開(kāi)展海洋二氧化碳移除行動(dòng)，美國(guó)、歐盟、英國(guó)、新加坡和我國(guó)等進(jìn)行積極部署。2023年3月，美國(guó)政府發(fā)布首個(gè)《海洋-氣候行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2030年，充分了解mCDR的有效性和利弊，并為其研究和實(shí)施制定政策和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)以及專門(mén)的碳核算標(biāo)準(zhǔn)；2024年11月，美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局（NOAA）和白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室（OSTP）發(fā)布《國(guó)家海洋二氧化碳移除研究戰(zhàn)略》，旨在推進(jìn)對(duì)mCDR的效益、風(fēng)險(xiǎn)、平衡、安全等相關(guān)研究；2025年3月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院海洋研究委員會(huì)（National Academies Ocean Studies Board）成立海洋二氧化碳清除常務(wù)委員會(huì)，主要提供最新的和經(jīng)過(guò)審查的mCDR信息。2023年6月，歐盟啟動(dòng)為期4年的“海洋二氧化碳移除評(píng)估戰(zhàn)略”（SEAO2-CDR）項(xiàng)目，評(píng)估m(xù)CDR技術(shù)是否有效，考察環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上的可行性，制定所需的機(jī)制、工具和指南。2025年4月，英國(guó)SeaCURE項(xiàng)目開(kāi)始在英格蘭南海岸進(jìn)行小規(guī)模的二氧化碳移除試驗(yàn)，大規(guī)模應(yīng)用后預(yù)計(jì)每年處理1%表層海水即可清除140億噸碳。2024年2月，新加坡聯(lián)合美國(guó)科技公司Equatic宣布建立全球最大的全尺寸海洋碳移除示范工廠—“Equatic-1”，建成后每年可移除3650噸的溫室氣體，Equatic的碳移除技術(shù)被《時(shí)代》雜志評(píng)為2023年最佳發(fā)明之一。2022年4月，焦念志院士領(lǐng)銜發(fā)起的“海洋負(fù)排放國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃（ONCE）”被列為聯(lián)合國(guó)海洋科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展十年行動(dòng)計(jì)劃、聯(lián)合國(guó)十年倡議計(jì)劃框架中的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，目前，ONCE大科學(xué)計(jì)劃獲批成立國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）“海洋負(fù)排放與碳中和”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作組（ISO TC8WG15），提出全球首個(gè)海洋領(lǐng)域碳中和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案《海洋負(fù)排放與碳中和——總則和要求》（ISO/NP 25283-1）。
三、研究進(jìn)展
1、海水堿化增強(qiáng)對(duì)海洋食物網(wǎng)的影響微乎其微
2024年12月，德國(guó)亥姆霍茲海洋研究中心等機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)利用離岸中尺度模擬裝置（Kiel Off-Shore Mesocosms for Ocean Simulations）在北大西洋低營(yíng)養(yǎng)水平海域開(kāi)展了一項(xiàng)為期33天的堿化增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)添加不同濃度的碳酸鈉和碳酸氫鈉，模擬了從自然堿度到堿度翻倍的情景下，浮游動(dòng)物群落對(duì)海洋化學(xué)環(huán)境變化的響應(yīng)。結(jié)果表明，海水堿度增加會(huì)略微影響浮游動(dòng)物所需食物的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量，但并未對(duì)其生物量、多樣性或生產(chǎn)力產(chǎn)生顯著影響，整個(gè)食物網(wǎng)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中較為穩(wěn)定。研究人員表示，上述研究并不能說(shuō)明OAE適用于所有海域，所選的低營(yíng)養(yǎng)水平環(huán)境可能在一定程度上緩解了堿度變化帶來(lái)的間接生態(tài)效應(yīng)，還需在不同的海洋生境中測(cè)試各種形式的OAE技術(shù)。
2、國(guó)際研究組織計(jì)劃重啟有爭(zhēng)議的海洋鐵肥化技術(shù)
2024年9月，“探索海洋鐵質(zhì)方案（ExOIS）”研究組織就海洋鐵肥化（Ocean Iron Fertilization, OIF）的潛在碳移除能力開(kāi)展了評(píng)估研究。通過(guò)從東北太平洋的實(shí)地調(diào)查、全球及區(qū)域和實(shí)地調(diào)查的建模研究、多種鐵的形態(tài)和投放方法的試驗(yàn)、評(píng)價(jià)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和其他非碳環(huán)境影響、社會(huì)科學(xué)及治理等角度的評(píng)估，指出OIF可以作為有效的mCDR技術(shù)之一，后續(xù)需要針對(duì)方法的實(shí)際利用進(jìn)行實(shí)地研究。ExOIS希望最早于2026年，在約1萬(wàn)平方千米的東北太平洋海域進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。
3、人工上升流減少海洋二氧化碳排放的效果并不顯著
2024年10月，德國(guó)亥姆霍茲海洋研究中心團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了中等排放情景下（RCP 4.5）的海洋-大氣模擬實(shí)驗(yàn)，分別模擬了2025—2100年全球和區(qū)域人工上升流和OIF以及兩種方法組合的碳移除能力。全球模擬結(jié)果表明，到2100年，人工上升流和OIF組合方法可以吸收約1030億噸碳，其中，OIF的移除貢獻(xiàn)達(dá)到950億噸碳，而人工上升流并不會(huì)顯著減少海洋二氧化碳，可能是因?yàn)?00米以下深度海域營(yíng)養(yǎng)水平低、模擬管道橫截面無(wú)法改變、有機(jī)物養(yǎng)分恒定、鐵質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缺乏、排放情景限制等。區(qū)域模擬結(jié)果也表明，OIF是海洋碳儲(chǔ)量增加的主要貢獻(xiàn)力量，人工上升流反而會(huì)產(chǎn)生減少碳儲(chǔ)量的負(fù)面影響。
4、海藻養(yǎng)殖場(chǎng)的碳埋藏速度與天然藍(lán)碳棲息地相當(dāng)
2025年1月，沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)利用核技術(shù)首次量化了分布于全球各洲11個(gè)國(guó)家的20個(gè)海藻養(yǎng)殖場(chǎng)的碳埋藏能力。研究表明，海藻養(yǎng)殖場(chǎng)有著與天然藍(lán)碳棲息地相當(dāng)?shù)奶悸癫厮俣龋抗晥?chǎng)地的平均有機(jī)碳埋藏率約為1.87±0.73噸二氧化碳當(dāng)量/年，碳埋藏量相當(dāng)于海草和紅樹(shù)林沉積物平均碳封存量的39%和33%。隨著養(yǎng)殖場(chǎng)年份的增加，養(yǎng)殖場(chǎng)沉積層的厚度及有機(jī)碳儲(chǔ)量也在增加，經(jīng)營(yíng)時(shí)間10年左右的歐洲和北美的養(yǎng)殖場(chǎng)沉積層厚度約0~1.1厘米，而運(yùn)營(yíng)320年的日本東京灣海藻養(yǎng)殖場(chǎng)的沉積層厚度達(dá)到369厘米，每公頃場(chǎng)地的沉積碳高達(dá)140噸碳。
5、氯化物介導(dǎo)的無(wú)膜方法為海洋二氧化碳移除提供經(jīng)濟(jì)的解決方案
2023年2月，美國(guó)麻省理工學(xué)院和韓國(guó)梨花女子大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種鉍和銀電極組成的電化學(xué)系統(tǒng)，使得氯介導(dǎo)的電化學(xué)酸堿調(diào)節(jié)成為可能，可以在不需要昂貴雙極膜的情況下，有效移除海水中的二氧化碳。系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行后，一組電極用于酸化海水，將溶解的無(wú)機(jī)碳酸氫鹽轉(zhuǎn)化為分子二氧化碳，酸化的海水輸入另一組電極后經(jīng)過(guò)堿化處理再釋放回大海。系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行10小時(shí)，海洋無(wú)機(jī)碳移除效率約為87%，能耗低至122千焦/摩爾，移除成本僅為56美元/噸。這一技術(shù)被國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）評(píng)為2023年“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”之一。
四、未來(lái)研究重點(diǎn)
mCDR技術(shù)仍然處于相對(duì)早期的發(fā)展階段。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院等發(fā)布報(bào)告、海洋環(huán)境保護(hù)科學(xué)問(wèn)題聯(lián)合專家組（GESAMP）研究報(bào)告、全球性倡議組織藍(lán)皮書(shū)，未來(lái)6種mCDR技術(shù)研究應(yīng)聚焦于如何開(kāi)展部署以及實(shí)施后對(duì)海洋生物及生境、沿海和陸地環(huán)境的影響等：
（1）海水堿化增強(qiáng)。開(kāi)展OAE方法的技術(shù)可行性和準(zhǔn)備水平研究；開(kāi)發(fā)中試規(guī)模的相關(guān)設(shè)施，解決最佳部署位置如何確定的問(wèn)題；探索海水堿度增強(qiáng)對(duì)海洋生物個(gè)體和群落結(jié)構(gòu)的影響；研究真光層和海洋深處的生物地球化學(xué)過(guò)程及其生態(tài)響應(yīng)；全面評(píng)估和緩解礦物添加對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生的影響；開(kāi)展與實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模試驗(yàn)相關(guān)的社會(huì)治理以及環(huán)境倫理研究。
（2）營(yíng)養(yǎng)施肥。開(kāi)展提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物利用度以及移除技術(shù)持久性研究；改進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，跟蹤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)海洋二氧化碳以及海洋生物地球化學(xué)過(guò)程和食物鏈的影響；研究如何通過(guò)食物網(wǎng)響應(yīng)最大限度地發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)施肥技術(shù)的碳封存潛力；了解營(yíng)養(yǎng)施肥是否影響海洋營(yíng)養(yǎng)水平和下游生態(tài)系統(tǒng)；海洋低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境對(duì)營(yíng)養(yǎng)施肥的響應(yīng)；研究《防止傾倒廢物及其他物質(zhì)污染海洋的公約》是否足以監(jiān)管營(yíng)養(yǎng)施肥技術(shù)的研究與最終部署，探索建立最佳行為準(zhǔn)則。
（3）人工上升流和下降流。研發(fā)耐用的海水泵送系統(tǒng)，使系統(tǒng)維持?jǐn)?shù)月或數(shù)年，并防止負(fù)浮力、營(yíng)養(yǎng)豐富的深層海水立即從真光層泄出；評(píng)估在全球和區(qū)域開(kāi)展人工上升流和下降流部署的碳移除潛力；跟蹤上升和下降過(guò)程中的碳通量變化；了解海洋表層浮游生物種群對(duì)深層海水輸入的響應(yīng)；研究微生物群落對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)擾動(dòng)的生物反應(yīng)；開(kāi)發(fā)自主和遠(yuǎn)程方法用于評(píng)估移除技術(shù)與生物碳泵的耦合關(guān)系。
（4）海藻養(yǎng)殖。改進(jìn)現(xiàn)有種植技術(shù)，確定最佳種植區(qū)域評(píng)選方法，實(shí)現(xiàn)具有成本效益的大規(guī)模海藻養(yǎng)殖和收獲；評(píng)估大規(guī)模海藻養(yǎng)殖和儲(chǔ)存對(duì)環(huán)境和海洋生物的影響；驗(yàn)證與監(jiān)測(cè)規(guī)模化海藻示范養(yǎng)殖的碳移除潛力；在不造成大量碳損失的前提下，研發(fā)出將收獲的海藻輸送到深海或海底的方法；海藻及其副產(chǎn)品的生命周期排放評(píng)估及其長(zhǎng)期存活預(yù)測(cè)。
（5）生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。估計(jì)自然生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)之間的碳儲(chǔ)量變化；評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)層面的保護(hù)與恢復(fù)是否適用于mCDR；監(jiān)測(cè)海洋保護(hù)區(qū)碳儲(chǔ)量及其時(shí)空變化，預(yù)估到2050年，海洋保護(hù)和海洋保護(hù)區(qū)每年的碳封存潛力；大型藻類面對(duì)溫度上升和氣候擾動(dòng)的脆弱性；測(cè)量大型藻類碎屑產(chǎn)量，用于估計(jì)大型藻類顆粒有機(jī)碳封存情況；加深人為干擾對(duì)底棲生物群落的影響研究以及不同保護(hù)措施下的潛在變化理解；估計(jì)海洋物種間的碳相互作用；進(jìn)一步研究漁業(yè)排放、魚(yú)類種群和生態(tài)功能對(duì)沉積碳的影響。
（6）電化學(xué)過(guò)程。研發(fā)耐用、持久且具有成本效益的電極和膜材料，建立基于膜或無(wú)膜的最佳反應(yīng)系統(tǒng)；評(píng)估天然礦物質(zhì)對(duì)電化學(xué)系統(tǒng)的影響；探索大規(guī)模實(shí)施電化學(xué)方法的部署速度及其可能性；研究反應(yīng)過(guò)程生成的含酸廢物處理方法及其環(huán)境影響；量化電化學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的氯氣或其它廢氣；探究組合方法或優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程以降低成本。
此外，為了確保mCDR的有效性、透明度和可重復(fù)性，還需建立標(biāo)準(zhǔn)化、準(zhǔn)確和可靠的監(jiān)測(cè)、報(bào)告與核查（MRV）體系，全面報(bào)告與評(píng)估m(xù)CDR的移除能力和持久性等。
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