中國網/中國發展門戶網訊 世界氣象組織（WMO）新近發布的研究報告表明，受溫室氣體濃度不斷上升和累積熱量的推動，2015—2022年是全球有記錄以來最暖的8年。全球氣候變暖加劇了冰川融化、海平面上升、海洋升溫和海洋酸化，對經濟社會、糧食安全、人口遷移和生態安全等造成嚴重影響，尤其是發展中國家。氣候變化對地球生態系統的沖擊更是嚴峻。聯合國環境規劃署（UNEP）發布的《與自然和平相處——應對氣候變化、生物多樣性喪失和污染危機的科學藍圖》指出，當今世界3/4的陸地和2/3的海洋受到人類的影響，許多對人類福祉至關重要的生態系統服務功能正在喪失。聯合國《生物多樣性和生態系統服務全球評估報告》表明，目前物種滅絕速度“至少比過去一千萬年的平均值高出千倍”。聯合國環境規劃署將“氣候危機”列為嚴重威脅人類未來的三大地球危機之一。

減排增匯——二氧化碳治理是解決氣候危機的現實出路

通常二氧化碳（CO2）被認為是氣候變化的主因，因此常被貼上“罪魁禍首”的標簽，事實上這是個誤區。從地球系統來看，人類的生存高度依賴CO2對大氣的調節作用，單就氣候與CO2的關系本身而言，如果適合現代人類的CO2值為350 ppm（0.035%），那么大氣CO2濃度增加1倍將導致氣候顯著變暖；反之，如果減半將足以讓地球進入新的冰河時代。正是因為CO2的溫室調節作用，人類才有舒適的生存環境。如果沒有溫室效應，地球表面溫度將只有﹣18℃。所以，大氣CO2管理是全球治理的重要任務。

當今的氣候變暖主要是因為人類活動產生的CO2過度排放造成的，減排已成為全球共識。然而，對于我國及“一帶一路”發展中國家，發展才是硬道理，必須根據國情，在盡可能減排和開發新能源的同時，想方設法增加碳匯，才是現實的出路。據Fuhrman J估算，即使充分利用替代能源，中國每年仍有20—30億噸的CO2排放缺口，需要人為地將CO2從大氣中移除（Carbon Dioxide Removal，CDR）。基于自然生態系統、通過人為干預措施主動地吸收和封存CO2的措施就是“負排放”。從理論上說，當“負排放=排放”時，就實現了碳中和。“負排放”是一種兩全其美之策，尤其是對于“一帶一路”發展中國家，既可為排放留出空間、保障經濟發展，又可增加碳匯，應對氣候變化。

海洋是最大的活躍碳匯，是氣候變化的調節器

氣候變化是全球性挑戰，需要國際社會在各個層面協調應對。2023年，已有194個締約方加入《巴黎協定》，形成了全球共識。但要實現《巴黎協定》規定的全球氣候目標，僅靠節能減排和生態修復是遠遠不夠的。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）特別報告指出，所有將溫升目標控制在1.5°C的途徑都離不開負排放技術，負排放的出口則是陸地和海洋。

面對全球80億人口的溫飽需求，陸地承載力日趨上限，陸地碳匯的進一步開發受到諸多挑戰。在此背景下，人們將目光轉向了占地球表面近71%的海洋。

海洋是地球上最大的活躍碳庫（是陸地碳庫的約20倍、大氣碳庫的約50倍），在地球歷史上，海洋對調節氣候變化發揮了無可替代的作用。無論是極端的“雪球事件”，還是周期性的冰期—暖期輪回，不僅受軌道周期控制（米蘭科維奇氣候演化理論），還受到海洋碳循環的影響。主要原因就在于海洋中巨大的惰性溶解有機碳庫（RDOC），其碳儲量占海洋總有機碳的90%之多。早在半個世紀前，科學家就認識到RDOC在氣候變化中的作用，但RDOC碳庫是怎么形成的一直未知。2010年，焦念志等提出“微型生物碳泵（MCP）”理論框架，對RDOC的成因給出了合理的解釋。MCP被Science評論為“巨大碳庫的隱形推手”。MCP是海洋儲碳的一個重要機制，不同于其他已知的海洋儲碳機制，要么把有機碳向下輸送/海底埋藏、要么把無機碳酸鹽沉積到海底，均為單向的碳調控。MCP驅動的RDOC碳庫，既可把碳儲存在海水中，也可以把碳釋放到大氣中，發揮著往復調節氣候變化的作用。

海洋負排放科技變革

海洋負排放

海洋儲存了地球上約93%的CO2，累計吸收了工業革命以來人類排放量的近40%。過去150年全球變暖增加的能量90%以上儲存在海洋。海洋為抵御氣候變暖對人類和生物圈造成的災難已經付出了巨大的代價，正經歷著前所未有的變化，包括大規模變暖、海洋酸化、海水缺氧以及由此產生的一系列環境后效。而這些變化又反過來影響全球氣候的整體穩定性，比如厄爾尼諾-拉尼娜周期波動及大洋環流與全球水循環變化等。這種現狀下，如何進一步有效地發揮海洋調節氣候的作用并且不帶來生態環境后效，是擺在科學家和各國政府面前的一項重要且緊迫的任務。

海洋負排放標志著人類面對氣候變化全球危機，由被動應對到主動作為的重大轉變，這將是認識上的一場革命。一直以來，盡管“保護海洋”的大旗高高飄揚，但事實上人類已在方方面面改變了海洋，從局部的污染、富營養化、到大范圍缺氧、全球性海洋酸化。目前的海洋，尤其是近海環境，已經不是傳統的“保護”所能解決問題的！只有再通過新的“改變”——科學干預來改善已經變化了的海洋。

認識與理念的升華可催生經濟浪潮和社會變革。海洋負排放的內涵在于從傳統的“保護海洋”觀念升華到“科學地干預海洋”、保障“人與海洋和諧共生、可持續發展”。這種理念轉變包括從科學的認知到原理的應用。科學合理地建立基于“碳科學”-“碳環境”-“碳經濟”的新經濟業態，可謂是人類文明發展到今天的又一次深刻的社會變革。它就像從“撿果子”充饑到“種糧食”飽餐一樣，是人與海洋之間的關系在認識上和行動上的一場變革。

從應對氣候變化的層面來看，科學合理地調節/干預海洋、與海洋共存共榮，才是可持續發展的正確路線。這就像人類不得不進行氣候干預是一個道理，雖然人類已在干預海洋，但受傳統觀念束縛，忽視了海洋的變化——人類實際上一直在利用、干預海洋，而不愿挑戰“世俗正確”的“保護海洋”理念。當然，有必要澄清的是：這里所強調的變革，絕不是單純地為了人類利益而無所顧忌地開發利用海洋，而是依據科學原理合理利用海洋，解決其環境問題。

我們必須清醒地認識到，應對氣候變化的海洋方案也存在著風險。在做出明智的負責任的決策之前，必須首先確定方案的有效性、可行性、安全性。鑒于海洋行動的規模性、海水的流動性，以及影響的全球性，實現這一宏大目標的有效路徑在于實施跨學科、跨部門、跨地域、跨文化的國際大科學計劃。“海洋負排放國際大科學計劃”（ONCE）就是要通過系統研究和實踐探索，不斷深化對自然規律的認識，為應對氣候變化提供更加生態環保的海洋方案，為構建海洋命運共同體提供關鍵抓手，加快建設人與自然和諧共生的生態文明。

海洋負排放國際動態

20世紀90年代，美國科學家發起了“海洋鐵施肥計劃”，開展了史無前例的大規模海洋鐵施肥現場實驗（全球海洋13處代表區域），后因生態后效問題而叫停。然而，隨著氣候變化的影響在全球范圍內不斷擴大，聯合國環境規劃署（UNEP）發出警告，只有緊急進行全系統轉型才能避免氣候災難。海洋作為地球上最大的活躍碳庫，再次成為寄托人類應對氣候變化的希望。海洋負排放的非凡科技價值和巨大產業潛力，不僅促使各國政府出臺了一系列政策，商界也已經看到了氣候變化嚴峻背景下的巨大商機，甚至連私人基金和相關企業已經開始跟進。歐美等發達國家已相繼投入大量經費開展海洋負排放研發（表1），并出臺了有關法案對負排放環境評價和市場運行機制進行了規劃部署，為海洋負排放商業化應用敞開了大門。

2015年，美國國家科學院發布《氣候干預：二氧化碳去除和可靠的封存》戰略報告，指出負排放技術有助于緩解氣候變化，需要擴大規模。2019、2021年，美國國家科學院、國家工程院和醫學科學院相繼聯合發布2份關于碳負排放研究戰略議程，為美國部署負排放技術研發提供了戰略支撐。其中，2021年發布的《海洋二氧化碳移除和封存研究策略》，詳細分析了海洋生態修復、海水堿化增匯、人工上升/下降流、海洋施肥、大型海藻養殖及電化學增匯6種海洋負排放方案的理論基礎、增匯效率、實施成本，并對生態環境影響進行了評估（圖1）。2023年，美國政府進一步推出《海洋氣候行動計劃》，介紹了200多項跨部門的具體行動，力圖通過海洋來實現碳中和，開發基于海洋的氣候變化解決方案，增強海洋應對氣候變化的能力。除了美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）在2023年啟動“海洋CO2去除”（mCDR）研究計劃，歐盟也相繼啟動了“基于海洋的負排放技術研究”（OceanNETs，2000年）、“脫碳路徑中的海洋碳匯”（CDRmare，2021年）、“深化海洋碳認識”（OceanICU，2023年）、“海洋CO2清除評價評估戰略”（SEAO2-CDR，2023年）等研究計劃。加拿大政府也在2023年啟動了“轉變氣候行動：應對缺失的海洋”研究計劃，積極探索海洋在應對氣候變化方面的作用。由此可見，自2020年至今美歐等發達國家開展的海洋負排放研發計劃或項目，不論數量還是資助金額均呈現出明顯增長趨勢（表1）。

海洋負排放中國方案

我國海洋國土面積約470萬平方千米，海洋經濟在國民經濟中占有重要地位，并呈現顯著的增長態勢。海洋經濟生產總值占國內生產總值的比例，從1996年的1.9%提高到2022年的7.8%，達到9.46萬億元。然而，伴隨著海洋經濟的高速發展和沿海地區城市化進程的快速推進，我國海洋生態環境也面臨著巨大壓力。盡管我國政府始終高度重視海洋環境與生態保護，早在1982年就制定了《中華人民共和國海洋環境保護法》，并陸續出臺實施了一系列促進海洋可持續發展的法律法規。但我國近海海洋環境仍然面臨著生態系統嚴重退化，不僅“赤潮”等普遍性生態災害頻發，新的挑戰也不斷出現。例如，2008年以來，青島持續出現全球罕見的滸苔“綠潮”已有15年，2023年黃海滸苔災害呈現出南北跨度大、東西分布廣，以及單位面積生物量大等特點。在海洋污染和氣候變化的雙重影響下，東海長江口已成為世界上最大的季節性河口缺氧區之一，面積最高可達1.57萬平方千米。我國傳統四大漁場之首的舟山漁場漁業資源已在衰退。這就是已經變化了的海洋現實場景，而更大范圍里海洋生物多樣性與漁業資源也面臨威脅。因此，我們必須改變傳統的“保護”觀念，“以變應變”，從解決突出生態環境問題入手，由被動應對到主動作為。

中國科學家將“微型生物碳泵（MCP）”原創理論與中國實際情況結合，提出了陸海統籌減少陸源營養鹽排放增加近海富營養化海區的負碳排放、利用海水養殖區通過人工干預實現綜合負排放最大化，以及利用污水處理廠進行低成本、安全有效的海水堿化負排放等現實可行的海洋負排放“中國方案”。MCP理論的應用也為若干全球性科學難題/悖論給出了合理的解釋。例如，“為什么高生產力的河口海區是大氣CO2的源而不是匯？”“為什么高多樣性、高生產力的珊瑚礁生態系統反而是大氣CO2的源而不是匯？”等長期存在的悖論。同時，將MCP與生物泵（BCP）、碳酸鹽泵（CCP）、溶解度泵（SP）有機結合，建立BCP-CCP-MCP“三泵融合”、以及BCP-CCP-MCP-SP“四泵聯合”的綜合儲碳理論與方法（BCMS），有望形成基于業務化連續性管理規范（BCMS）的高效、低風險、大規模負排放體系，再現地質歷史上曾出現過的大量儲碳現象，打造環境友好型“生態地球工程”新范式。基于海洋負排放方案向聯合國教科文組織（UNESCO）政府間海洋委員會（IOC）提出的建議已經得到聯合國批準設立“全球海洋負排放國際大科學計劃”（Global-ONCE）（圖2）。

 陸海統籌負排放生態工程，促進經濟大循環

通過減少陸地施肥，增加海洋碳匯，實現陸地—海洋統籌規劃、東西部生態良性大循環。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保存，尤其是陸源輸入海洋的大量有機碳（約5億噸碳/年，占陸地凈固碳量的約1/4），在河口和近岸海區被轉化成CO2釋放到大氣中，導致這類高生產力海區反而成為排放CO2的源。在陸海統籌理念指導下，通過科學施肥，減少農田的氮、磷等無機化肥用量，從而減少河流營養鹽入海量，緩解近海富營養化，減少赤潮災害。尤其是，降低陸源輸入有機碳的分解率、提高RDOC保持率，使總儲碳量趨于最大化。這是低成本、高效益的減排增匯方案，已納入IPCC2019年的《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》。

大型海藻養殖是緩解近海富營養化、增加海洋碳匯的有效途徑。大型海藻通過光合作用將CO2轉化成為有機碳，這類“藍碳”生態系統的碳封存率是陸地植物的10倍。不僅如此，新近研究發現，海藻飼喂反芻動物，可減少甲烷（CH4）排放。CH4是僅次于CO2的第二大溫室氣體，其短期溫室效應是CO2的約80倍。工業革命以來，CH4已導致全球溫度升高超過0.5℃，貢獻了超過30%的全球變暖。當前60%的CH4排放來自人類活動，其中來自反芻動物的排放量占人為甲烷排放量的近1/3，相當于28億噸CO2eq。需要指出的是，CH4在大氣中的周期短，現在采取行動減少CH4排放是短期內減緩氣候變暖的有效手段。已有研究表明，一些大型海藻能夠顯著減少反芻動物的CH4排放，最高可減少98%的CH4排放。中國作為畜禽養殖大國，西部畜牧業可與東部海藻養殖業聯合，通過實施“東部養藻—西部喂牛”的產業鏈協同策略，形成“東—西部國內大循環”的新抓手，為落實“全球甲烷行動”作出中國貢獻。

利用已有的海水養殖基礎，打造海上牧場新業態

海水養殖不僅可以提供豐富的優質蛋白資源，還能減輕捕撈對自然資源的壓力。我國的海水養殖產量占世界總產量的近60%，是我國海洋經濟重要組成部分。然而，傳統的養殖模式和迅猛擴張導致生態負荷過重、環境壓力過大，所引發的富營養化、缺氧、酸化等環境問題為外界詬病，值得高度重視。在新的國際形勢下，海水養殖業具有保障糧食安全、增加就業機會、改善生活水平等重要內涵和使命，急需通過科學研究和實踐，探索合理地開發利用海洋、并實現修復和保護海洋的新路徑。這是擺在科學家、政府和企業界的重要命題。

針對上述環境問題，ONCE提出基于生態系統內部調節理念的人工上升流舉措，即通過清潔能源驅動的人工上升流把養殖海區底部富營養鹽水體帶到上層，供給養殖海藻光合作用所需營養鹽，不僅解決營養鹽、無機碳、溶解氧供需錯位問題，而且變“污染場”為“增匯場”。該舉措特別適用于目前迅速發展起來但有待進一步優化的“海洋牧場示范區”。近幾年我國已建成169個海洋牧場，取得了良好的進展。但多數海洋牧場停留在布放人工魚礁等設施建設上，生態示范作用有待進一步展現。

通過實施海洋負排放系列措施，突破傳統思維和技術瓶頸，有望大幅度提高碳匯增量，同時解決現存的環境問題。在系統總結國內外海洋牧場建設經驗的基礎上規劃設計和建設“海上牧場”，可望催生海洋產業升級。傳統的筏架養殖在中國歷史悠久，漁民吃住生活在筏架上，塑造了“海洋牧歌”的雛形。在國外，荷蘭的海上養牛場可算是海上車間。海上牧場將是“集約式養殖+開放式牧場”的現代版的耕海漁業。將利于承擔多種養殖體系，使得傳統的陸地畜牧業得以延伸至海洋領域。例如，基于漂浮建筑的多功能一體化功能，海藻喂牛工程在近海環境中的直接實施，以及魚類網箱養殖的靈活可移動性，旨在實現環保與經濟效益的雙重優化。大型養殖平臺海洋牧場還為抵御自然災害提供保障，并能靈活適應氣候的變化，在有效降低溫室氣體排放的同時，也顯著提升資源的產能。在此基礎上，充分利用海洋能、太陽能等清潔能源，以及“水下大型藻+平臺微藻工廠化”“人工上升流+海水堿化措施”等技術手段實現高效負排放，催生多功能、高效率、可持續的海上牧場，形成基于海洋科技變革的新業態。它以生態健康與環境安全優先的原則為指導設計建設海上大型可移動工程平臺，集生產、控制與管理系統于一體。既著眼于生產又考慮廢物循環再利用，既通過科學干預實現大規模負排放，又解決富營養化、缺氧、酸化等環境問題，既充分考慮到成本效益又嚴格控制和防范各類風險，有著巨大的發展潛力。

在此基礎上，可進一步延長產業鏈、增加就業。包括生態旅游和游釣漁業，建設碳中和教育科普基地，將海水養殖區打造成“經濟生產”“技術示范”“觀光旅游”“科普教育”四位一體的新型海上牧場。將海上牧場培育成為海洋經濟發展的新業態。打造增加碳匯、保護環境和經濟發展的新名片，形成范例推廣到“一帶一路”乃至全球沿海國家。

污水堿化增匯負排放，促進氣候經濟落地生花

海洋吸收大氣CO2的重要機制之一是溶解度泵，它是基于CO2在大氣和表層海洋的分壓差而自然發生的，一度被認為是不可操控的。最新研究發現，人為地向海洋施加堿性礦物，提高海水堿度可以促進對大氣CO2的吸收（即堿化增匯），堿化增匯是國際公認的快速負排放路徑。然而，由于提高海水堿度會對環境產生影響，其實施方案及其生態后效均不明確，加之海上實施成本較高，目前國際上這方面的研發仍處于試驗探索階段。

ONCE建設性地提出污水處理場尾水堿化排海增匯的新思路。尾水具有低pH、高pCO2和高有機酸等特點，若在排水入海前添加堿性物質（如橄欖石等堿性礦物），既能夠減輕近岸海域的CO2排放、增加CO2吸收，也能夠緩解海水酸化等近海環境問題。全世界每年有1000多億噸污水排放至江河湖海，增加堿度可實現大規模的負排放。據估算，海洋堿度僅需提升1.5%，即可將大氣中的pCO2將穩定在420 ppm（2020年水平），也就是說，在保持經濟平穩發展的前提下，每年至少從大氣中移除100億噸CO2。需要指出的是，通過污水處理后的尾水堿化方案是在人為控制的環境下實施，相對而言是最安全、可靠、成本最低的海洋負排放方案。

此外，在污水堿化進入海區后，由于堿度升高吸收空氣中的CO2可通過海上漂浮式微藻光生物反應器向海水堿化區持續補充輸送有益的微藻，經光合作用及時固定CO2、并維持較高的海水pH，進而有利于持續吸收大氣CO2，進入良性循環。微藻大量繁殖又為貝類生長提供充足的食物，有利于發展漁業資源，并消耗貝類鈣化過程中釋放的CO2，使生態系統整體受益。

如此，污水堿化入海負排放方案，不僅可實現規模化增匯，還可減緩污水排放對自然環境的壓力。實現化學途徑與生物過程融合、無機與有機綜合儲碳，秉持BCMS理念，使應對氣候變化與經濟發展融為一體，使傳統的污水處理行業煥發生機、形成新業態。

海洋科技變革助力“一帶一路”可持續發展，引領全球氣候治理

“應對氣候變化，建設生態文明，我國應實現由被動應對到主動作為的重大轉變；緊跟時代、放眼世界，承擔大國責任、展現大國擔當，實現由全球環境治理參與者到引領者的重大轉變”。我們應踐行國際共識，鎖定碳中和目標，建立海洋負排放有效路徑、提出合情、合理、合法的ONCE方案。合情，即符合中國國情——我國是海洋大國，但80%的海岸線已被人為改造，富營養化、缺氧、酸化等環境問題亟須解決；合理，即符合科學原理——基于BCP-CCP-MCP三泵融合，以及BCP-CCP-MCP-SP四泵聯合（BCMS）的海洋負排放方案可望發展成顛覆性的技術；合法，即符合國際海洋法公約——我國是世界上最大的海水養殖國，提供了符合國際海洋法的大規模海洋負排放實施場所，可望建立業務化連續性管理體系。

鑒于ONCE大科學計劃的理念契合應對氣候變化國際共識、技術路線透明合理，既具有創新性、又具可復制、可推廣性，目前已經吸引了33個國家參與。特別是，大多數“一帶一路”沿海國家也面臨著經濟發展與環境污染等類似問題、以及碳中和的國家需求。因而，基于合情、合理、合法的ONCE方案普遍適用于“一帶一路”合作伙伴國家。ONCE將成為加強國際和區域環境合作、構建人類和海洋共同命運體的重要抓手。

海洋不僅為人類提供了賴以生存和發展的自然資源，而且在國際經貿合作、支撐國家經濟發展中扮演著重要角色，其在國際政治、經濟、科技競爭中的戰略地位也日益凸顯。海洋的可持續發展已成為國家生態文明建設的重要內容，尤其是在應對氣候變化國際共識方面，可望發揮重要的作用。這一切的前提，是人類必須首先直面當下的海洋所處的狀態，然后才可能正確地認識海洋、科學地干預海洋、從而真正保護海洋和人類可持續發展。既利用海洋調節氣候變化，又要保持人與自然和諧共生，這是一項建立在科學真知基礎之上的宏大系統工程。我們必須歷史地看問題，包括環境的變遷、氣候的演變，比較工業革命前后、人類的過去與現代的生活方式的根本變化，從地球系統科學出發認識自然規律，系統研究海洋負排放的理論與方法，使之成為有效應對氣候變化、積極參與全球治理、推動構建人類命運共同體的重要抓手。我們應把握當前窗口期，以海洋負排放為突破口，把合情、合理、合法的ONCE方案推向“一帶一路”乃至世界沿海國家，加強全球治理的引領力度、促進應對氣候變化的全球合作，加快實現人與自然和諧共生現代化。

（作者：焦念志，廈門大學碳中和創新研究中心福建省海洋碳匯重點實驗室 廈門大學  ONCE聯合實驗室 加拿大戴爾豪斯大學 山東大學海洋研究院；駱庭偉、陳泉睿、朱陳霸，廈門大學碳中和創新研究中心福建省海洋碳匯重點實驗室廈門大學；劉紀化，山東大學海洋研究院 山東大學。《中國科學院院刊》供稿 ）