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发挥海洋碳汇在碳中和目标实现中的巨大作用

2022-09-19 10:39来源:宏春观察关键词:碳汇生态系统碳汇碳循环收藏点赞

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占地球表面71%的海洋,与湿地、森林一起构成地球三大生态系统。每个人印象中的海洋都不同,生活在渤海、黄海沿海地区的居民见到的海洋是黄色的,还有淤泥质海滩;生活在海南三亚、青岛等沿海地区的居民见到的海洋是蓝色的;而生活在辽宁盘锦沿海地区的居民还能见到红色海滩,这一处处自然景观无一不是自然环境与人文景观的完美结合。海洋碳汇对于碳中和极为重要,尊重自然规律,发展碳循环经济,可以开辟一条新的碳中和路径。

生态系统对人类生存和发展的意义重大

地球生态系统,由地球表面生物及其生存环境构成,是人类生存和发展的前提。2022年3月30日,习近平总书记指出,森林是水库、钱库、粮库,还应加上一个“碳库”。森林和草原对国家生态安全具有基础性、战略性作用,林草兴则生态兴。我们要坚定不移贯彻新发展理念,坚定不移走生态优先、绿色发展之路,统筹推进山水林田湖草沙一体化保护和系统治理,科学开展国土绿化,提升林草资源总量和质量,巩固和提高生态系统碳汇能力,为推动全球环境和气候治理、建设人与自然和谐共生的现代化作出更大贡献。

地球生态系统极为重要,因为“只有一个地球”,“生物圈2号”计划验证了这一点。美国一些学者出于对太空旅行和人类移居地球之外生存的极大兴趣,1984年开始设计并建造了“生物圈2号”计划。“生物圈2号”是相对于“生物圈1号”——地球而言的,由亿万富翁艾德·巴斯出资2亿美元建设,建在美国亚利桑那州图森附近的沙漠中部,占地13000平方米,高91英尺(27.7米),是一个形状类似金字塔的巨大的建筑,其中含有6000多个完全密封、与世隔绝的玻璃房空间,其中的布局完全模拟自然界,包括人工降雨、人造太阳,有沙漠、雨林、草原、沼泽、海洋,有农作物生产区,有人的居住区,还有3000多种动物和植物。原计划安排8个人在“生物圈2号”中做两年试验,但在1993年9月26日8位生物圈居民走出了试验室,试验失败了。“生物圈2号”计划的失败揭示了一个深刻的道理:在现有技术及经济条件下,人类无法再造一个适合人类生存的地球,我们必须保护地球——我们的唯一家园。发展海洋碳汇及新能源产业以降低二氧化碳排放。海洋碳汇是碳中和的重要途径。实现碳中和有减排和增汇两条途径,减排是要减少向大气排放CO2,增汇是增加对大气中CO2的吸收。海洋是巨大的碳库,储存40万亿吨CO2,约占地球上CO2的93%,是大气碳库的50倍。

海洋碳汇形成机制与主要途径

提高增汇能力以降低大气CO2水平,可减缓因二氧化碳浓度升高引发的气候变化。海洋捕获CO2的“猎手”是海岸带生态系统,如红树林、海草床和盐沼等,这三类生态系统的面积虽不到海床的0.5%,植物生物量也仅占陆地的0.05%,但它们的碳储量却占海洋碳储量的50%以上。以红树林为例,全球红树林总面积占全球近海面积的0.5%,但储藏在沉积物中的碳却占10%至15%。滨海生态系统不仅能固碳,有效防止海岸侵蚀,为海洋生物提供产卵场和栖息地,还能消波减浪,减轻海洋灾害性天气事件的影响。

海洋吸收二氧化碳的主要机制包括碳酸盐泵、生物泵及微型生物碳泵等。

溶解度泵,利用大气二氧化碳分压高于海洋的条件,使二氧化碳溶于海水,在高密度海水重力作用下将二氧化碳“拖拽”到深海中。碳酸盐泵是通过碳酸盐沉积将二氧化碳储存于海底,而化学反应过程中还释放出等量二氧化碳,存在“碳酸盐泵”的反作用。

生物碳泵,通过有机物生产、消费、传递等生物学过程形成颗粒有机碳,在重力作用下由海洋表层向深海乃至海底迁移和埋藏。据估算,通过生物泵迁移和埋藏到海底的二氧化碳约为海洋初级生产力的1%,绝大多数颗粒有机碳在沉降中被“分解”了。

微型生物碳泵,利用海洋中微生物、浮游生物等生理活动吸收活性有机碳,再将活性有机碳转化为惰性有机碳储存在海水中。微型生物碳泵是焦念志院士提出的海洋储碳机制,引领了该领域的国际前沿发展趋势。形象地说,各种海洋生物、微生物,吸收二氧化碳形成颗粒有机碳,在沉降到海底的过程中,被海洋微生物、细菌不断“啃食”,到达海底就剩下很少的数量了。如果有机碳颗粒在沉降过程中不断与惰性有机碳分子碰撞结合,相当于给颗粒有机碳包上了一层蜡,得以沉至海底长期保存。

科学界对海洋碳汇形成机制的研究

全球科学家都在探索增加海洋碳汇、应对气候变化的理论和技术途径。2013年,国内30多个涉海科研院校、相关部委和企业成立以基础研究为主,涵盖政产学研用的全国海洋碳汇联盟(以下简称COCA)。2014年,COCA推出“中国蓝碳计划”。2015年,“海洋碳汇”纳入《生态文明体制改革总体方案》。2019年,我国提出“海洋负排放国际大科学计划(ONCE)”,以便在国家和地区建立海洋环境的负排放生态示范工程。2020年11月,在海洋生态经济国际论坛上,COCA发布《实施海洋负排放,践行碳中和战略倡议书》;同年12月,召开“海洋负排放支撑碳中和”专题研讨会;我国相关涉海大学还在有关部门支持下成立了“海洋负排放研究中心”“碳中和创新研究中心”等机构,有望为全球实现碳中和提供中国方案。

10年前,中科院院士焦念志教授提出微生物碳泵概念,在经过若干大型生态系统模拟实验验证后,得到国内外科学界的认可,并被写入《世界银行2022碳定价状况和趋势报告》(以下简称IPCC报告)。实际上,在地球演化历史上发生过多次因微生物的作用导致大规模碳酸盐沉积的实例,以厌氧、有氧微生物作为反应介质,实现了碳沉降。例如,在英国英吉利海峡比奇角有一片高100多米、长5公里的白色悬崖,即丹福白崖(The White Cliffs of Dover),是碳酸盐沉积的自然景观,丹福白崖就是在微型生物(20微米,0.02毫米)作用下沉积而成的。美国科学家称,尽管这个巨大的惰性有机碳库形成原因仍然是个谜,但对调节气候变化的作用巨大,而且在地球历史进程中,曾经的惰性有机碳库比现在至少大500倍。

在地球形成的历史过程中,全球各地广泛分布的海相碳酸盐岩,也就是人们所熟悉的烧石灰的石灰岩石,其化学成分是碳酸钙。换言之,形成当今广泛分布的石灰岩,肯定吸收了当时大气中的二氧化碳。当然,海洋自然负排放过程缓慢,受海洋环境、人为活动等影响较为明显。科学家在研究如何调控碳酸盐泵、生物泵和微生物泵三者之间的反应条件,以实现三泵协同增汇。此外,科学家还在研究尽可能采取措施,调控反应条件,使“反泵”变为“正泵”,在高效利用自然界中二氧化碳的同时,也实现经济社会的可持续发展。

海洋固碳能力受到气候变化的威胁中国有约300万平方公里的主张管辖海域和1.8万公里的大陆岸线,是世界上少数几个同时拥有海草床、红树林、盐沼三大生态系统的国家之一,670万公顷的滨海湿地为碳汇发展提供了广阔空间。按全球平均值估算,我国三大滨海生态系统的碳汇年产生量约为126.88万吨至307.74万吨。其中,红树林每年可埋藏27.16万吨二氧化碳,海草床每年可埋藏3.2万吨至5.7万吨二氧化碳,滨海盐沼每年可埋藏96.52万吨至274.88万吨二氧化碳,红树林、海草床以及滨海盐沼均具有巨大的固碳储碳潜力。

另一方面,作为陆地和海洋生态系统之间的过渡生态系统,滨海湿地受到气候变化和人类活动的双重威胁,碳汇能力有下降趋势。据粗略估计,由于滩涂围垦、资源过度利用、水体污染等原因,海岸带生态系统退化,全球67%的红树林、35%的滨海盐沼和29%的海草床遭到破坏,面积减少,不仅失去碳汇功能,还可能从碳“汇”变成碳“源”。

我国的蓝碳潜力及其对策建议

海洋可再生能源在碳中和中的作用巨大

海洋蕴藏着丰富的可再生能源资源。风能、波浪能、温差能等,是海上常见的可再生能源。风能是重要的可再生能源。海上风速比陆地上快约20%,发电量多约70%。风力发电以固定式海上风机为主,但漂浮式海上风机逐步发展起来并有望成为主流,海上风电成本也在不断下降。海上风电不占用宝贵的土地资源,受自然环境因素的影响较小,发电价格也非常低廉。波浪能是海水波浪式前进形成的能量,拥有极为丰富的储量,能量密度较大,时空分布合理,海洋波浪能被誉为“蓝色石油”。利用波浪能发电,需要提高发电装置的适应能力和发电稳定性,发电装置进入深沿海是必然趋势。温差能是表层海水与深层海水的温度差所含有的能量,最大特点是发电非常稳定,一旦开机循环就可以稳定地输出电能,还可以产生淡水等附加产品。温差能发电系统循环的效率有待进一步提高,包括朗肯循环的优化。

海洋可再生能源,可以在碳减排和增汇两端发力,因而具有巨大碳中和潜力。减少碳排放方面,对比火力发电,海洋可再生能源没有二氧化碳排放,滩涂还可用来海水养殖,这也是增汇的一种重要形式。

不断提高我国海洋碳汇能力的原则考虑

海洋在碳捕捉封存方面有着重要作用,要珍视并利用好海洋提供的巨大服务功能。近年来,我国沿海各地各部门针对海岸带生态系统采取了多项保护措施,如在滨海湿地建立了数十个红树林保护区、数个海草床保护区和盐沼湿地保护区。虽然这些措施是以保护生物多样性为目的,通过生态系统的恢复也有助于增汇减排,助力我国实现碳达峰碳中和目标。

提高我国海洋碳汇能力,原则上可考虑以下几个方面:

一要有雄心勃勃的目标,尽快提供更好更可持续的减排效果。要加强能力建设,更加合理地使用海洋资源和生态系统功能。这样海洋保护区网络保护范围之内的海洋栖息地,也能得到很好利用。

二要把自然当作解决方案中的一部分。要更好地加强海岸和海洋生态系统管理,以发挥海洋碳汇功能。要以系统思路和方式来更好地适应气候变化,并进一步应用基于自然的解决方案。

三要坚持以人为本,应当加强气候变化的全球合作,建立共建共享的协同解决关联问题机制,实现可持续发展。要促进利益攸关方以一种透明、包容性方式参与这个过程。

四要提倡并推动海洋和气候项目融资。要充分认识海洋和海岸线基础设施的经济社会价值以及相关风险,运用ESG投资原则,促进ESG信息披露,以降低海洋碳汇投融资的风险。

提高我国海洋碳汇的对策建议

我们不仅要对海岸带生态系统进行保护和管理,对受损区域的海洋生态系统进行最大限度的恢复或修复,还要建立生态补偿机制,利用经济手段,发展碳循环经济,利用自然循环的二氧化碳发展海洋经济,提升滨海生态系统的碳汇潜力,避免过度开发,避免气候变化对滨海碳汇产生负面影响,发挥海洋碳汇在实现碳达峰碳中和目标中的重要作用。

一是减少近海营养物输入,陆海统筹减排增汇。陆源营养物质过量输入将影响河口和近海储碳,尽管初级生产力在一定程度上会随营养盐增加而增加,但由于光合作用产物主要是活性有机碳,进入环境后会成为滋生异养细菌的温床。部分陆源有机碳在河口和近海被转化成CO2排放到大气中,使高生产力的河口和近海反而成为排放CO2之源。因此,要加强陆海统筹,在大力发展海洋经济的过程中科学施肥,减少向近海的营养输入,以便将碳“源”变为碳“汇”,提高河口、近海的综合储碳能力和生态服务功能。

二是采取技术措施,促进碳酸盐沉淀。例如,施加橄榄石粉和黏土矿物,微生物诱导碳酸盐沉积。橄榄石粉和黏土矿物能将光合藻类产生的有机质由生物泵(BP)快速传输到海底沉积物上,在厌氧条件下,利用微生物碳泵(MCP)和碳酸盐泵(CP)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CO2被长期甚至永久封存的目的。此方法不仅可以用于缺氧和酸化的海洋环境,还能有效抑制赤潮发生,在增汇的同时解决海洋环境问题。

三是加快海洋生态修复和综合养殖,促进人工上升流。通过人工上升流等海洋工程,改善海岸带环境,是海洋生态修复、增强海洋负排放的重要途径。良好的海洋生态环境,有利于发展海水养殖,通过开发贝藻鱼等海洋立体生态养殖体系增强海洋负排放。海藻养殖过程可高效利用海水中的营养元素,并提高固碳能力,养殖过程中产生的有机碎屑被立体养殖底栖贝类、海参消化或埋葬;通过清洁能源(太阳能、风能、波浪能等)驱动人工上升流,促进营养盐循环以提升碳汇能力,这一生态系统内部调节举措可以改变以往简单认为海水养殖是增加环境负荷和有机污染的认识,并实现由“污染源”到“增汇场”的转变。

《中华环境》2022年第8期

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