焦念志院士：海洋负排放

（本文由科学大院根据焦念志院士在中科院学部第七届学术年会上的报告整理而成，首发于科学大院）

各位院士，各位朋友，大家好，我向大家汇报的题目是“海洋负排放”，首先介绍一下概念。“负排放”是对应排放来讲的。海洋负排放就是海洋对大气二氧化碳的吸收和封存，与“增汇”相比，“负排放”这个词更为强调人为主动过程。

我首先谈一下有关的背景，然后主要介绍海洋负排放的一些机理和路径，最后提出建议。

碳中和战略需求

2020年9月22号，习近平总书记在75届联大会议上郑重地向全世界宣布，中国将在2060年前实现碳中和。并且总书记在多次重大场合反复重申，我们要拿出抓铁有痕的干劲来实现这一个宏伟目标。的确，如果中国实现碳中和目标，将对应对全球气候变化做出重大贡献。

中国提出碳中和目标后赢得了世界的赞誉，同时也对我国社会各界提出了要求，也是向我们发出了动员令和集结号，这是一项十分艰巨的任务。实现碳中和，一靠减排，就是优化能源结构和开发新能源；二靠增汇，就是负排放。美国科学家认为，中国要实现碳中和，把尽可能减排以及可能利用的清洁能源都算上，每年大概还有25亿吨二氧化碳的排放量缺口，需要靠负排放来弥补，这是一个很大的挑战。

实际上，增汇是给排放提供了空间和额度，是一个两全其美之策。增汇是“不减产的减排”，其关键在于我们如何实现有效的负排放。大家可能很自然地想到海洋，海洋覆盖了地球表面近70%，平均水深接近4000米，是一个巨大的碳库。在地球历史上，海洋对调节气候变化起了巨大的作用。现在的问题是：在减排压力巨大的今天，它能否为碳中和作出贡献？我们做了相关调研。

总书记“922讲话”之后，我们牵头的“海洋负排放”项目组就立即行动起来，2020年9月26号就开始对全国沿海代表性的环境进行调研，到年底，共进行了9次调研和考察活动。这期间也组织了各个层面的学术交流和研讨会，包含两次国际研讨会。经过这一系列调研和交流之后，我们达成了基本的共识，主要包括：

首先，自然碳汇远远达不到碳中和目标需求，必须要实施负排放；其次，中国拥有近300万平方公里的海洋国土面积，理应为碳中和战略做出贡献。

我们调研过程当中也发现，一些更大的科学问题亟需得到回答。比如：中国海洋有世界级的大江大河输入，中国的河口、近海营养是非常丰富的，生产力是高的，但它是碳源还是碳汇呢？我们发现它是“源”，即往外冒二氧化碳的。这就奇怪了，为什么是这样？我们能不能把“源”转成“汇”？这是需要科学家回答和解决的问题。另外，中国拥有全世界最大的养殖产业，但是也造成了环境压力，因而受到西方的诟病。如何能减少污染，把本来是污染源的养殖区变成增汇场？

若这些重大的科学问题得以回答，我们就可以提出海洋负排放的中国方案，并通过中国领衔的国际组织推出海洋碳汇相关的国际标准，占领国际制高点。

海洋负排放路径

下面我们看一看有关海洋负排放重要的机理和路径。实现海洋负排放，必须先查明海洋储碳机制。

已知海洋储碳机制主要包括：溶解度泵，碳酸盐泵和生物泵。

溶解度泵可以简单理解为：若大气中二氧化碳的分压高于海洋，二氧化碳就会溶到海里，大量二氧化碳溶于水之后会发生化学反应，解离出氢离子，造成海洋酸化。由于这个过程是不可操控的，因此它不属于我们研究的范围。

碳酸盐泵，简单来说就是通过碳酸盐的沉积把碳储在海底下，从化学反应方程式看出，这个机制每介导沉降1摩尔的碳酸盐，就会释放等当量的二氧化碳，因此碳酸盐泵在科学界被俗称为碳酸盐反泵。

还有一个机制叫做生物泵，指的是生活于海洋真光层的浮游植物就像陆地上的植物，能固定二氧化碳，由此形成的颗粒有机碳在重力作用下向深海迁移、埋藏。虽然浮游植物每年固定的二氧化碳量与陆地植物相当，但最终埋藏到海底的碳量只有表层固碳量的1%甚至更低。这样的话，问题就来了，好不容易固定下来的有机碳，其99%去了哪儿呢？当然主要的有机碳还是被一系列的生物解离过程转变成二氧化碳，释放出去了。

半个世纪之前，科学家发现，海洋里面还有一个巨大的溶解有机碳库，它是惰性的，可以在海洋里长期保存。现在海洋里面惰性的溶解有机碳RDOC可储存五千年，这个碳库对气候变化的调节发挥了重要作用。但是人们不知道它是怎么形成的，美国科学家在Nature发表文章说它的成因是“enigma”, 也就是“不解之谜”。

十年前我们提出了一个新的海洋储碳机制，叫微型生物碳泵，缩写为MCP。海洋的微型生物吸收了活性有机碳，转化成惰性的溶解有机碳储在水里，不断积累形成了巨大的碳库。现代海洋里，惰性溶解有机碳库的碳量和大气碳量是相当的，过去地球历史上这个碳库更大，能够起到调节气候变化的作用。美国的Science杂志评论MCP这个储碳机制为巨大的碳库幕后的推手。

下面我们来看，这样一个幕后推手能不能和另外的碳泵发生一些作用，能不能把这几个部分结合在一起，形成协同效应？答案是肯定的。

颗粒有机碳沉降在过程中很容易被降解掉，我们做个比喻：其就像一个好吃的肉丸子，但微型生物碳泵产生的惰性溶解有机碳与它结合之后，相当于在肉丸子上包了一层蜡，就不那么容易被降解了，增加了往下沉降的通量。而且，惰性溶解有机碳的分子可再聚合、沉降。我们猜想，海底下的一部分石油可能是惰性溶解有机碳聚合形成的，因被惰性溶解有机碳包裹而相对不容易被降解，而长期保存下来。

另外，微型生物碳泵对碳酸盐泵也有促进作用，存在两个潜在机制。例如可以帮助碳酸盐形成结晶：因为微型生物碳泵所产生的惰性溶解有机碳分子可以作为碳酸盐结晶的凝结核，使碳酸盐晶体尽快“长大”，迅速沉降到海底。这与云凝结核人工降雨是同一个道理，有可能帮助碳酸盐泵还原反泵成为一个正泵。如果我们能够通过研究掌握了边界条件，能够撬动它，达到三泵协同，有可能会实现大的增汇效应，有望再现地球历史上曾经出现过的大规模储碳现象。

地球历史上，有多种碳酸盐和矿物是在微生物的驱动下形成的，其中有一些微型生物也可以直接形成碳酸盐沉积。大家可能去过英国的丹佛，有一个著名的景观，叫做White Cliffs，这个碳酸盐沉积景观高达150多米，长5公里。如此巨大的碳酸盐景观实际上是由非常小的微型生物贡献而来，这个微型生物有多大？仅20微米，就是0.02毫米。所以，你可以想象，可以推测，微型生物的储碳潜力有多大。

知道这些储碳机制之后，我们怎么把它用到负排放生态工程里面？这里我讲两个例子。

第一，是陆海统筹，减排增汇。2011年本人提出一个建议：减少陆地施肥，增加近海碳汇。这两者听起来好像风马牛不相及，实则有关联。陆地施肥太多会造成海洋的富营养化，这种情况下不利于储碳。

在营养盐非常丰富的情况下，微生物细胞很快把有机物质呼吸形成二氧化碳，放到大气里面，如果把营养盐降下来，细胞就可以储碳了，上图这些白点子就是细胞里储存的碳。这是一个微观的证据。

我们也可以看看宏观的统计结果。美国科学家在Nature发表文章，统计了各种环境（包括土壤，河流、湖泊，大洋等）里有机碳和无机碳之间的关系，结果二者基本上是负相关的关系。这说明如果环境里有过多的营养盐，有机碳是很难保存住的。

现在，全球农业施肥量实际上是超标了。根据中国的国家统计局数字来看，在过去50年里，中国的施肥量增加了近30倍，全世界也增加了30%。过量的这些氮、磷在雨水的冲刷下进入了河流，带到近海，造成近海的富营养化。

在富营养化的情况下，看似是“施肥”后浮游植物长得更多，固碳量增加了，碳汇是否就增加呢？其实正好相反，在富营养化的环境中有机碳是labile的，非常容易被降解，这就成为了细菌的培养基。有机物越多，细菌越繁盛，细菌长起来之后就把有机碳呼吸成二氧化碳释放出去了。

这还不算完，海里面产生的有机碳，会产生激发效应。它可以把陆源、河流运输下来的这些有机碳再次激活，呼吸成二氧化碳放出去。陆地上好不容易保留下来的有机碳，到了海洋里面，相当一部分就是因为激发效应，再次被呼吸变成二氧化碳放出去。这就是为什么高生产力的河口反而成为大气二氧化碳的“源”，而不是“汇”，是冒出二氧化碳，而不是吸收二氧化碳。

因此我们说，固碳不等于储碳，高碳量也不等于高碳汇。只有维持适量的营养输入，谋求微型生物碳泵和生物泵的协同效应最大化，这样才是可持续发展的。

有了这些认识之后，我们可以通过观测获取数据指标，然后把碳汇计算出来。这不光是保持生态可持续发展，同时也可以为我们国家的政策提供量化的指标，这个政策就是生态补偿机制。这个机制已经有了好多年，但是很多时候缺乏科学依据，缺乏量化指标。有了碳汇这样一个综合指标，就有望通过陆海统筹，推进生态补偿机制的落实，从而推动国内大循环，比如说近海、发达地区的环境好了，碳汇多了，就可以给上游、流域补偿。

另外一个案例是：我们国家的海水养殖区增加碳汇。养殖碳汇量是有限的，但是我认为它提供了一个很好的增汇的场所，关键是如何突破现在养殖碳汇的局限，去实现大规模的负排放。而我认为，这个问题的答案恰恰就是问题，什么问题呢？

现在大规模的养殖存在两个问题：

第一、养殖区的底下都是富营养化的，有大量营养盐堆积，上层的营养盐反而欠缺。养殖大型藻类时，如果温度比较高，甚至可以造成藻体腐烂。怎么解决这个问题呢？

这是营养供需错位的问题，如果采取清洁能源驱动的人工上升流就可以解决这个问题。比如人工上升流把底层低温的富营养的水输入到表层，供上层的藻类光合作用，从而增加固碳和储碳。同时这个过程也可以把底部的“定时炸弹”缓释出来。为什么叫做“定时炸弹”？因为这些富营养化的水，如果被风搅起来，突然来到表层就非常危险了，会引起表层水体的富营养化，引起赤潮等一系列生态灾害。而让它们慢慢释放，调节生态系统内部的余缺，增加碳汇，是可持续发展的方法。

第二、 刚才讲的是有机碳，还可以在无机碳下功夫。释放一些碱性矿物，比如橄榄石，可以增加碱度，促使碳酸盐沉积。橄榄石其中的硅、铁等微量元素也可以发挥好的作用：硅能促进硅藻生长，而海洋生产力主要靠硅藻；养殖区底是厌氧的环境，会释放硫化氢有害气体，而铁可以跟它们反应形成黄铁矿，沉在海底下。

我们看看微观的过程，刚才讲的无机的、有机的、生命的、非生命的综合储碳，如果加在一起，是有可能来实现海洋大规模储碳的。这样我们就可以把养殖区通过综合负排放，把一个污染区变成增汇场，既修复了环境又增加了碳汇，形成可持续发展的中国方案。

如果我们真正拿出这个中国方案来，怎么推向国际？这就要靠国际组织，很高兴地告诉大家，现在我们已经有了一个国际组织，这就是国际海洋探索理事会ICES和北太平洋海洋科学组织PICES联合建立的专家组，叫ONCE，现在已经开始工作了，由我们来领衔。

我们先期已经发起海洋负排放的国际大计划，有15个国家科学家签订这个协议。我们希望共同协作，逐步把刚才讲的这几个案例还有其他的一些案例所产生的一些方法、技术、规范，推成一个国际标准。这种中国领导的国际合作，实际上有助于提高我们国家的影响力，这里我举一个例子，就在去年，疫情非常严重的情况下，同时国际关系也非常严峻的形势下，我们福建省和加拿大新斯科舍省建立了友好关系。可见，科技支撑国家需求是十分有益、值得做的。 

研究与政策建议

最后我想简单提一下有关研究和政策的建议。实际上在过去十几年来，我们一直想推动科学连接政策。十几年前我就提出一个建议叫《研发海洋碳汇，保障经济发展》，现在看起来今天这个建议仍然是合时宜的。

2012年中科院设立了一个“海洋碳汇”的咨询评议项目，我们对中国的代表海区做了调研。2013年中科院学部第一个跨学部的科技前沿论坛，主题就是基于前面这些调研，即“陆海统筹研发碳汇”。2014年我们利用中科院学部的科学技术前沿论坛，联合国内海洋界三十多个教学和科研机构，共同论证，达成共识，推出“中国蓝碳计划”，并且纳入十三五规划，这里面有若干个国家重点项目得以落实，取得一系列的成果。2015年海洋碳汇正式纳入国家战略，也就是，党中央国务院印发的生态文明体制改革总体方案，这里面明确要求增加海洋碳汇的有效机制。

有了这样一些工作以后，我们还想在国际上打造发出中国声音的平台。因此我们在美国的戈登前沿科学论坛（GRC）发起创建了面向海洋碳汇的永久论坛，这是一个国际舞台。2017年我们中科院学部也想打造一个我们自己中国人领衔而且放在中国的一个学术论坛，这就是雁栖湖会议。这个会议的首次论坛也是选择了海洋碳汇为主题，我们和国际的同行专家共同组织这样一次高水平的论坛，发表了一些学术共识，也发表了一些政策性的建议。2019年的时候产生了影响，国际IPCC，也就是联合国政府间气候变化专门委员会的特别报告里面，将微型生物碳泵理论纳入进去了，还包括陆海统筹减排增汇、养殖区人工上升流增汇这样一些措施。这样就为我国下一步率先实施海洋负排放提供了国际基础和政策前提。

今年联合国政府间海洋委员会IOC也采纳了我们提出的海洋负排放的方案。现在我们可以提出一个行动建议：实施微生物驱动无机-有机-生命-非生命综合储碳生态示范工程；实施陆海统筹，减排增汇，量化生态补偿机制，推动国内大循环；实施海洋负排放国际大计划，推动建立海洋增汇国际标准，提出“中国方案”。

最后我小结几句。

一、 微型生物碳泵MCP驱动无机碳、有机碳综合负排放潜力巨大；

二、 陆海统筹，减排增汇，可望将河口海区变“源”为“汇”；

三、 近海养殖区可望通过实施海洋负排放措施实现华丽转身，变污染区为增汇场；

四、 我国领衔海洋负排放国际大科学计划，有助于推出基于我国实践的海洋碳汇国际标准，占领国际制高点；

五、 中国应该大力推进海洋负排放研发与示范，为构建人类命运共同体做出贡献。

最后，感谢中科院海洋负排放项目的成员，也感谢本人的研究团队和合作单位，中科院学部局，学术委，咨询委，地学部常委会；以及国际海洋探索理事会、北太平洋海洋科学组织共同设立的专家组。

我的报告就到这儿，谢谢。

主讲人介绍 

焦念志院士

生物海洋学家

2011年当选中国科学院院士。厦门大学长江学者特聘教授。先后当选发展中国家科学院院士、美国微生物科学院院士。中国海洋与湖沼学会副理事长，微生物海洋学会理事长，中国微生物学会副理事长；国际海洋探索理事会（ICES）和北太平洋海洋科学组织（PICES）“海洋负排放”联合专家组主席。

主攻海洋生态过程及其资源环境效应。1991年开始海洋生物储碳机制研究，开拓了海洋新生产力（储碳定量指标）、原绿球藻、好氧不产氧光合异养菌AAPB等研究领域；发现原绿球藻在西太平洋宽陆架海大量存在并确定了在我国海区的分布边界和生态地位；创建新方法揭开了长期存在的误区，查明了AAPB在全球海洋尺度上的分布规律，引发了海洋碳循环机制的新认识，指出不产氧光合作用对于维持海区是大气CO₂ 的“汇”至关重要，提出了海洋储碳新机制“微型生物碳泵（MCP）”理论，基于此国际海洋研究委员会（SCOR）设立了MCP国际工作组（2008-2014），PICES-ICES相继设立了联合工作组（2015-2019）和国际专家组（2020-）。

曾获“国家自然科学奖二等奖”“何梁何利科学与技术进步奖”“首届全国创新争先奖状”。

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