本文即將刊載於《中國科學院院刊》2021年第2期“戰略與決策研究”

焦念志

廈門大學 海洋與地球學院

應在儘可能減排的同時想方設法增匯，也即研發負排放的方法與途徑，這是實現碳中和的必由之路，應強調主動作為。海洋是地球上最大的活躍碳庫，有著巨大的碳匯潛力和負排放研發前景。

工業革命以來，人類活動大量排放 CO2，導致氣候變化加劇，引發一系列環境和社會問題，威脅著人類社會可持續發展。應對氣候變化已超越科技領域，成為國際政治和經濟中的熱點問題。2020 年 9 月 22 日，國家主席習近平在第 75 屆聯合國大會一般性辯論上提出中國“努力爭取 2060 年前實現碳中和”的宏偉目標。這是中國向全世界的鄭重承諾，彰顯了大國責任，提升了我國的國際影響力。

據氣候行動追蹤組織（CAT）預測，中國碳中和目標將使全球在 21 世紀的升溫減少 0.2℃—0.3℃。中國碳中和戰略關乎全球氣候變化，舉世矚目。然而，中國從碳排放峰值到碳中和的過渡期只有 30 年時間，短時間內實現碳中和目標需要犧牲傳統經濟和付出巨大的代價。美國波士頓諮詢公司估計，中國需要在傳統行業上投入 90 萬億—100 萬億元人民幣才能實現“2060 年碳中和”的目標。

對於碳中和而言，減排（減少向大氣中排放 CO2）和增匯（增加對大氣 CO2的吸收）是兩條根本路徑，但當前世界各國的關注點集中在減排措施，而對增匯手段重視不足。作為碳排放大國和發展中國家，中國在儘可能減排的同時必須想方設法增匯來減輕減排的壓力，也即研發負排放的方法與途徑。

其實，負排放在發達國家也已成為必要的行動，2019 年美國國家科學院、美國國家工程院和美國國家醫學科學院聯合發表了《負排放技術與可靠的碳封存：研究議程》（Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration: A Research Agenda）報告。

顯然，負排放是實現碳中和的必由之路。

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全球碳中和日程及對海洋碳匯的認識

目前，全世界已有 85 個國家提出碳中和目標，包括 27 個歐盟國家、58 個非歐盟國家。這些國家的碳排放佔全球排放超過 40%。其中，有 29 個國家明確了碳中和時間表。不丹已經實現碳中和；挪威、烏拉圭將在 2030 年實現碳中和；芬蘭、奧地利、冰島、瑞典分別將在 2035 年、2040 年、2045 年實現碳中和。還有 20 多個國家計劃 2050 年實現碳中和；其中，英國、德國、法國、西班牙、丹麥、匈牙利、紐西蘭等國家以法律形式加以保障。

在中國、美國、印度、俄羅斯 4 個最大碳排放國當中，中國是第一個提出碳中和日程的國家。中國的這一重大舉措無疑會帶動其他碳排放大國加快減排程序。在不斷向碳中和目標邁進的過程中，中國將有機會增進與其他國家的相關交流與對話，進一步提升國際影響力；同時，在中國領先的減排和增匯領域與其他發展中國家展開經濟技術合作，將實現互惠互利、合作共贏，推動人類命運共同體的構建。

早在 2014 年，《聯合國氣候變化框架公約》第 20 輪締約方會議（COP20）上，中國政府首次表示 CO2 排放量在 2016—2020 年間將控制在每年 100 億噸以下，並將在 2030 年左右達到峰值。

按當時的排放走勢，達峰時中國的 CO2 排放量最高可達到 150 億噸/年；而就當前的走勢看，達峰時將約為 113 億噸/年。即便是以達峰時排放為 113 億噸/年為依據，如果要在達峰後“保持排放穩中有降”，可考慮保持目前 2/3—1/3 的排放量，意味著中國每年還有約 40 億—80 億噸的 CO2 當量需要依靠替代能源或者負排放來中和。

據美國科學家估計，即便充分利用了替代能源，中國達峰後每年仍有 25 億噸的負排放缺口 。因此，要實現碳中和目標，必須同時採取減排和增匯措施。

以往的增匯主要靠陸地的植樹造林。由於農田稀缺和未來人口增長對糧食的需求矛盾不斷凸顯，單靠陸地植被增匯已無法滿足全球碳中和需求。海洋是地球上最大的活躍碳庫，，是陸地碳庫的 20 倍、大氣碳庫的 50 倍。海洋每年吸收約 30% 的人類活動排放到大氣中的 CO2，並且海洋儲碳週期可達數千年，從而在氣候變化中發揮著不可替代的作用。因此，海洋負排放潛力巨大，是當前緩解氣候變暖最具雙贏性、最符合成本-效益原則的途徑。

國際社會日益認識到海洋碳匯的價值和潛力。過去幾年裡，保護國際（CI）和政府間海洋學委員會（IOC）等聯合啟動了“藍碳動議”（The Blue Carbon Initiative），成立了碳匯政策工作組和科學工作組，釋出了《政策框架》《行動國家指南》《行動倡議報告》等一系列海洋碳彙報告。

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）從市場機會、認可和能力建設、科學發展 3 個方面提出了國家海洋碳匯工作建議。印度尼西亞在全球環境基金（GEF）的支援下實施了為期 4 年的“藍色森林專案”（Blue Forest Project），建立了國家海洋碳匯中心，編制了《印尼海洋碳匯研究戰略規劃》。此外，肯亞、印度、越南和馬達加斯加等國已啟動鹽沼、海草床和紅樹林的海洋碳匯專案，開展實踐自願碳市場和自我融資機制的試點示範。

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中國海域自然碳匯潛力

中國領海面積約 300 萬平方公里，縱跨熱帶、亞熱帶、溫帶、北溫帶等多個氣候帶。其中，南海毗鄰“全球氣候引擎”西太平洋暖池；東海跨陸架物質運輸顯著；黃海是冷暖流交匯區域；渤海則是受人類活動高度影響的內灣淺海。中國海域內有長江、黃河、珠江等大河輸入，外鄰全球兩大西邊界流之一的黑潮。這些自然條件不僅賦予了中國海域巨大碳匯潛力，也給我們提供了實施多種負排放的空間。

中國海岸帶藍碳的碳彙總量相對較小；其中，紅樹林、鹽沼溼地、海草床有機碳埋藏通量為 0.36 Tg C·a−1，海草床溶解有機碳（DOC）輸出通量為 0.59 Tg C·a−1 。相比之下，開闊海域碳匯量要大得多。據初步估算：中國陸架邊緣海的沉積有機碳通量為 20.49 Tg C·a−1（陸源有機質向中國陸架邊緣海輸入碳匯為 17.8 Tg C·a−1）；東海和南海向鄰近大洋輸送有機碳通量分別為 15.25—36.70 Tg C·a−1 和 43.39 Tg C·a−1；中國大型養殖藻類的初級生產力（即固碳量）約為 3.52 Tg C·a−1，移出碳通量 0.68 Tg C·a−1，沉積和 DOC 釋放通量分別為 0.14 Tg C·a−1 和 0.82 Tg C·a−1；此外，透過實施人工上升流工程可以使得養殖區域增加固碳 0.09 Tg C·a−1，結合海藻養殖區實施可獲碳匯量在 3.61 Tg C·a−1 以上。

綜上，中國海域儲存及向大洋傳輸的儲碳量約 100 Tg C·a−1，相當於 342 Tg CO2。顯然，單靠自然海洋碳匯不足以實現碳中和，必須研發海洋負排放方法技術。如果得以實施，則可成倍增加海洋碳匯儲量。

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中國海洋負排放研發的基礎與儲備

中國科學家提出的“海洋微生物碳泵”（MCP）理論闡釋了微生物轉化有機碳、生成惰性溶解有機碳（RDOC）的儲碳機制。MCP 突破了經典理論中依賴顆粒有機碳沉降和埋藏的經典理論，解開了儲存於海洋水體中巨大溶解有機碳庫的成因之謎，被 Science 評論為“巨大碳庫的幕後推手”。

2008年，國際海洋科學研究委員會（SCOR）專門設立了MCP 科學工作組。2015 年，北太平洋海洋科學組織（PICES）和國際海洋考察理事會（ICES）再設 MCP 聯合工作組以促進科學與政策的連線。2016年，中國科學家在著名國際學術品牌——美國“戈登研究論壇”領銜發起建立海洋碳匯永久論壇。2019年，在聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）釋出的《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》（SROCCC）中納入了 MCP 理論，以及相關的陸海統籌減排增匯和海水養殖區人工上升流增匯等“中國方案”。

在國內，早在 2011 年筆者提出的“研發海洋碳匯 保障經濟發展”建議就獲得國家發展和改革委員會“十二五建言獻策表彰大會優秀提案一等獎”。

2013年，首屆中國科學院“跨學部科學與技術前沿論壇”就以“陸海統籌研發海洋碳匯”為主題。同年，國內 30 多個涉海科研院校及相關部委和企業成立了以基礎研究引領、涵蓋政、產、學、研、用的全國海洋碳匯聯盟（COCA）。

2014 年，COCA 推出“中國藍碳計劃”。2015 年，“海洋碳匯”被納入黨中央、國務院印發的《生態文明體制改革總體方案》。2017 年，“海洋碳匯”被遴選為中國科學院旨在打造國際學術品牌的首屆“雁棲湖會議”的主題。

2020 年 11 月，在海洋生態經濟國際論壇上，COCA 釋出了《實施海洋負排放，踐行碳中和戰略倡議書》；12 月，召開“海洋負排放支撐碳中和”專題研討會；同月，我國相關涉海大學在政府有關部門支援下成立了“海洋負排放研究中心”“碳中和創新研究中心”等機構。至此，我國開展海洋負排放技術研發的條件已經具備。

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中國海洋負排放研發的對策與建議

目前，國際上海洋碳匯研發最多的是海岸帶藍碳，即紅樹林、海草、鹽沼等類似陸地植被的碳匯形式。然而，我國海岸帶藍碳總量有限，無法形成碳中和所需的巨大碳匯量，因此必須開發其他負排放途徑。

實施陸海統籌負排放生態工程

陸源營養鹽大量輸入近海，不僅導致近海環境富營養化、引發赤潮等生態災害，而且使得海水中有機碳難以儲存。尤其是陸源輸入有機碳（約佔陸地淨固碳量的 1/4，約 0.5 Gt）大部分都在河口和近海被轉化成 CO2 釋放到大氣，導致生態系統中生產力最高的這類海區反而成為排放 CO2 的源。如何將其恢復到匯，是一項艱鉅的任務，必須陸海統籌。

基於 MCP 理論，針對中國近海富營養化情況，在陸海統籌理念指導下，合理減少農田的氮、磷等無機化肥用量（目前我國農田施肥過量、流失嚴重），從而減少河流營養鹽排放量，緩解近海富營養化。在固碳量保持較高水平的同時減少有機碳的呼吸消耗，提高惰性轉化效率，使得總儲碳量達到最大化。即，謀求生物泵（BP）與MCP總量最大化 。

相應地，建立和完善對近海儲碳的評價體系，尤其是在儲碳指標中不僅要考慮沉積埋葬的有機碳，而且要納入以往漏掉的 MCP 產物——惰性溶解有機碳（RDOC）。RDOC 不僅增加近海碳匯，而且可隨海流輸出到外海。如果到達深海則可實現長期儲碳——深海 RDOC 年齡達 4000—6000 年。

對自然環境中無機氮與有機碳相關性的統計分析表明，在包括土壤、河流、湖泊、水庫、河口、近海、陸架海和大洋在內的各種環境中兩者之間都呈負相關趨勢。這表明，如果環境中有過的營養鹽，有機碳就難以儲存。在河流、近海及外海的營養鹽新增實驗也證實了這一結論 。

據國家統計局資料，過去 50 年裡我國化肥施用量增加了近 30 倍。尤其是改革開放初期，化肥產能大增，化肥施用量從 20 世紀 50 年代初的每年不足百萬噸爆發式地增長到 70 年代末的每年 1 億噸，增長了近 100 倍。此後進入穩定增長期，從 1980 年的 1.2 億噸增長至 2015 年達到創紀錄的 6 億噸，增長了近 8 倍 。由於農業施肥量普遍高於農作物的實際需要，過量的肥料隨雨水沖刷進入河流，最後輸入近海，這是目前我國河口近岸海洋富營養化的主要原因。而富營養化的後果除了眾所周知的“赤潮”之外，近 10 年來我國近海還發生了“綠潮”，其規模達到了驚人的程度（圖 1a），所造成的環境壓力和經濟損失可想而知。一個鮮明的對比是加拿大東北部某森林河口的情景（圖 1b）。

單從水色看，後者水質似乎很差，若按我國化學需氧量（COD）國家標準判斷應屬超 V 類水；然而，這是一個誤區。事實上，這種森林河流水質並不差，營養鹽含量很低，溶解氧充足，鰻魚生活得很好（圖 1c）。看上去似乎有害的顏色實際上是富含有機質的表象，就像人們日常喝的茶水一樣。在環境條件不變的情況下這些有機質可以長期儲存、形成碳匯，其濃度超過 1000 μmol/L，儲碳量是我國海區海水有機碳濃度的 10 倍以上。顯然，陸海統籌減排增匯是一項成本低效益高的海洋負排放途徑。

圖1a

圖1b

圖1c

圖 1 中國和加拿大近海環境條件與水質比較（兩個極端案例）——（a）中國近海富營養化誘發的“綠潮”造成一系列生態環境問題；（b）加拿大東北部近河口的褐色水貌似汙染，其實是儲存了大量有機碳；（c）鰻魚在加拿大東北部富有機質的河口褐色水中正常生活

在新認識、新理論指導下，以大江大河為主線，結合本地實際情況因地制宜採取有效措施，量化生態補償機制，可望一舉多得。透過制定有關的方法、技術、標準、規範，科學量化生態補償機制，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，促成驅動經濟與社會可持續發展的“國內大迴圈”新模式。

研發缺氧/酸化海區的負排放技術

海水缺氧、酸化已經成為全球近海普遍存在的嚴重環境問題，直接導致漁業資源退化、生物多樣性下降，生態系統可持續性發展面臨風險。

針對這些問題，我國科學家提出了利用厭氧條件實施負排放的原理和技術方案，透過建立基於微生物碳泵、生物泵和碳酸鹽泵原理的綜合負排放途徑，可望在實現增匯的同時，緩解環境問題。其主要原理是在缺氧、酸化的環境裡，透過施加礦物、增加鹼度，提高自生碳酸鹽產量，並與有機碳一起埋葬，實現綜合儲碳增量的效果。

這其中的一個關鍵調節機制是鹼度，鹼度可緩衝海洋碳酸鹽平衡體系在自然或人為擾動下的變化，特別是海洋酸化。增強海洋鹼化的方法有多種。例如 1 mol 的橄欖石可螯合 4 mol 的 CO2。微生物厭氧代謝與碳氮硫迴圈耦聯互饋作用是海洋生態系統中大量碳沉積的重要機制，可望再現地球歷史上曾經出現過的大規模海洋儲碳。

實施海水養殖區綜合負排放工程

我國擁有世界上最大的海水養殖產業，是海洋經濟的重要組成部分。為了減少對自然資源的捕撈壓力，保障人民群眾所需的動植物蛋白和食品，今後還要進一步發展海水養殖業。不僅我國是這樣，隨著全球人口的增長和資源的進一步匱乏，全球對水產品的需求也在不斷增長。我國的成功經驗可以向世界各國推廣。然而，由大規模養殖帶來的生態負荷和環境壓力，特別是養殖區海底有機物汙染，以及由此帶來的氮磷營養鹽、無機碳、溶解氧供需錯位，構成生態風險，引發的富營養化、缺氧、酸化問題亟待解決。

IPCC 最近釋出的《氣候變化中的海洋與冰凍圈特別報告》中，納入了我國科學家建議的“基於生態系統內部調節理念的人工上升流舉措”，可望應對大規模養殖帶來的生態負荷和環境壓力，解決營養鹽、無機碳、溶解氧供需錯位問題。也就是，透過太陽能等清潔能源驅動的人工上升流可把養殖海區底部富營養鹽的水帶到上層水體，供給養殖海藻光合作用所需營養鹽。與此同時，這個過程把底部高濃度營養鹽緩慢釋放出來，可避免風暴潮等突然擾動引發的赤潮等生態災害。

此外，補償性水體混合把表層富含氧氣的水帶到深層，可緩解底部缺氧的問題。在科學評估、統籌海水養殖容量及其對海洋碳匯貢獻的基礎上，研發兼顧環境與經濟的最佳化養殖增匯模式，可望打造可持續發展的健康養殖模式和海洋負排放綜合工程樣板（圖 2 中的“養殖區上升流增匯生態工程”）。

圖 2 海洋負排放生態工程案例示意圖

AT，鹼度；BP，生物泵；MCP，微生物碳泵；CP，碳酸鹽泵；RDOC，惰性溶解有機碳

研製海洋碳匯標準體系

國際上研究最多的海洋碳匯組分是看得見、摸得著的紅樹林等海岸帶藍碳，但由於其總量有限，除了生態系統服務功能之外，難以起到應對氣候變化的作用。真正能影響氣候變化的其他海洋碳匯成分，因為涉及地球系統各圈層之間碳量傳輸，包括大氣層、水圈、生物圈、岩石圈等，需要不同學科之間的整合研究，才能建立起行之有效的監測技術、評估方法和標準體系。

迄今，國際上尚無對海洋碳匯計量的統一規範和標準。制定海洋碳匯標準體系是擺在我們面前的一個重要任務。

中國碳市場是全球配額成交量第二大的市場，但海洋碳匯標準體系仍是空白。因此，需要組織整合海洋負排放相關的不同學科交叉融合，加快海洋碳中和核算機制與方法學研究，建立海洋碳指紋、碳足跡、碳標識相應的方法與技術、計量步驟與操作規範、評價標準，建立健全海洋碳匯交易體系。

引領海洋負排放國際大科學計劃

中國科學家發起的海洋負排放國際大科學計劃（ONCE）得到國際同行積極響應和國際科學組織（ICES-PICES）批准。截至 2019 年，已有 14 個國家的代表科學家簽約實施 ONCE。2020 年已有若干 ONCE 同行獲得所在國/所在地區資助。歐盟已經資助了德國科學家領銜的 716 萬歐元的研究專案。中國應儘快實施 ONCE 大科學計劃、建立和完善應對氣候變化的海洋負排放科學規劃和工程技術體系，透過 ONCE 推出中國領銜制定的海洋碳匯/負排放有關標準體系，為全球治理提供中國方案。

焦念志 中國科學院院士，廈門大學海洋與地球學院教授。發展中國家科學院院士，美國微生物科學院院士。中國科學院地學部副主任，中國民主同盟中央委員會常委，國務院學位委員會學科組成員，國際海洋研究委員會（SCOR）科學工作組和北太平洋海洋科學組織（PICES）-國際海洋探索理事會（ICES）聯合工作組（WG33）主席。《中國科學：地球科學》副主編，Embio、Applied and Environmental Microbiology等期刊編委；在Science、Nature子刊、PNAS、National Science Review、ISME Journal等發表學術論文 300餘篇。

文章源自：

焦念志. 研發海洋“負排放”技術 支撐國家“碳中和”需求. 中國科學院院刊, 2021,36(2).

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.20210123001