吕宗青、钟晓松等

自然资源部第一海洋研究所

 

引言

 

长期以来，我们习惯于仰望蔚蓝的晴空，笃信天空的辽阔足以稀释工业文明排放的所有余烬；我们也习惯于俯瞰深海，误以为万顷波涛能无声掩埋人类投向地球的每一份负担。然而，当升温的海水催生频发的飓风，当褪色的珊瑚化作海底的残垣，地球正以剧烈的震颤告诫世人：她已不能缄默。气候变化正化作拍击人类海岸的滚滚巨浪，其态势前所未有。

 

自工业革命的巨轮启动以来，人类文明以透支大气碳容量为代价，换取了前所未有的繁荣。然而，多项权威科学评估向世界敲响了沉重的警钟：在将全球升温控制在 1.5°C 至 2°C 的刚性需求上，单纯的“节流”已难以抵御人为排放累积的重负。要守住这道脆弱的防线，人类必须开启一场从“减排”走向“增汇”的范式革命，即从单纯减少排放，转向主动移除大气中的二氧化碳。

 

这就是负排放的价值所在，“负”字强调的是向自然索取的逆转，是主动而为的救赎。它不再仅仅是实验室里的科学术语，而是跃升为全球气候治理版图上决定人类前途命运的重要一环。作为地球最大的活跃碳库，海洋长期以来超负荷的吸纳正使其经历着酸化的煎熬与碳“收支”失衡的困扰，天然碳汇功能正面临“饱和”的临界点。站在气候治理的十字路口，人类需要从旁观者转变为守护者和协同者，在尊重海洋逻辑的前提下，寻找文明续航的生态出口。

 

正是在这一使命的驱动下，一系列前沿的海洋负排放技术开始从纸面走向海面：从修复红树林、海草床等“蓝碳”生态系统的盎然生机，到通过人工上升流调控海洋的物质循环；从添加矿物增强碱性以中和海水酸度，到利用微藻高效固碳并将其封存于深海荒漠。这些尝试本质上是在与自然律动达成一种高效、精密的协作，利用海洋固有的物理、化学与生物过程，重新构筑碳循环的天平。

 

“海洋负排放大科学计划”（Ocean Negative Carbon Emission, ONCE）正是为了将这些法则转化为人类可干预、可计量、可验证的气候处方。这不仅是对自然之力的借用，更是人类智慧对地球生命支持系统的深情回馈。更深远的意义在于，ONCE 计划突破了地缘政治的藩篱，在波涛之上架起了一座跨越国界的科学之桥。在气候危机面前，没有任何一个国家能成为孤岛，也没有任何一片海域能独善其身。通过建立统一的监测标准与评估体系，这一大科学计划正在为全球气候治理提供一套科学有效的“通用语言”。当人类的科技智慧与海洋的自然伟力真正相融，我们向海洋所借取的未来与期待的气候救赎，或许就孕育在那片终年不息的波涛之中。

 

1. ONCE从科学逻辑到气候治理的范式转变

 

实现碳中和，并非仅凭技术乐观主义即可达成的目标。即便全球能源转型全力推进，钢铁冶炼、水泥工业、远洋航运及现代农业等领域的难减排行业，在相当长一段时期内仍将产生难以彻底消除的残留排放。要抵消这些不可避免的碳足迹，负排放技术不仅是关键的技术储备，更是维持全球碳收支平衡的核心支撑。国际科学界已达成共识：到本世纪中叶，全球每年需具备数十亿吨级的二氧化碳移除能力。面对如此宏大的规模需求，单靠陆地碳汇或高能耗的直接空气捕集技术已难以为继，人类必须将视线投向占地球表面积 71% 的海洋，在深蓝之中寻求系统性的解决方案。

 

海洋的优势不仅在于其广袤的储碳空间，更在于其高度复杂的非线性动力系统。它绝非一个被动接纳二氧化碳的惰性水体，而是一个由海气通量交换、全球大洋环流输送、生物泵固碳与微生物代谢过程共同驱动的、动态平衡的生物地球化学循环系统。

 

从溶解无机碳随温盐环流进入深层海水的受控下沉，到表层浮游植物通过光合作用开启的初级生产过程；从微生物碳泵将活性有机碳转化为化学结构复杂、可长久驻留于水柱中的惰性溶解有机碳，到部分颗粒有机碳最终穿透温跃层，沉降并埋藏于深海沉积物中，进入地质尺度的长周期封存，构成了海洋碳循环的壮丽图景。因此，海洋负排放的本质，并非人为构建一套机械流程，而是基于对海洋原生演化逻辑的深刻解析、对天然碳汇机制的科学增强与协同利用。

 

更为关键的是，海洋负排放的愿景绝不仅限于单一的“碳增汇”目标。一个科学构建的技术路径，往往能产生多维度的协同效应：它能与近岸生态系统的退化修复产生共振，通过养分盐循环的调控实现与富营养化治理的同步耦合，并利用碱性增强技术为海洋酸化提供化学缓冲。同时，这种干预还能显著提升海藻养殖等传统产业的蓝色经济附加值。换言之，海洋并非被动承载温室气体的“碳库”，而是在气候减缓、生态补偿与资源可持续利用之间，构筑起的一条陆海统筹平衡线。这正是海洋负排放超越单一工程手段、体现全球生态治理高度的逻辑核心。

 

然而，在实施大规模海洋负排放的进程中，必须保持严谨的科学审慎与生态伦理。海洋负排放并非可以盲目推进的试验场，它向全球科学界提出了一系列亟待解决的风险评估与治理准则：移除的二氧化碳究以何种化学相态长期赋存？如何构建跨世纪尺度的可监测、可报告、可核证体系？人为干预手段是否会扰动深海生态系统的生物多样性与生境稳定性？在全球气候治理框架下，如何确保技术应用的国际公平性、透明度与法律合规性？

 

若上述核心科学问题缺乏确凿的实证支持，任何宏观规划都将面临不确定性风险。正因如此，ONCE计划自发起之初，便确立了“科学引领、审慎治理、国际协作”的核心准则。唯有建立在严谨原位观测与多维模型模拟基础上的技术创新，才能通过海洋动力环境与长期时间尺度的双重验证。

 

2. ONCE开启“四泵集成”的生态工程

 

2.1. 天然碳汇机制：溶解度泵与生物泵的协同驱动

 

海洋之所以成为地球上规模最宏大的活跃碳库，其核心机制在于一套由物理驱动与生物地球化学循环高度耦合的系统。在大气与海洋的交界面上，溶解度泵受二氧化碳分压差的物理驱动，将溶解的无机碳通过温盐环流向深层水团输送，利用低纬度吸收与高纬度海水的下沉效应实现碳的长周期跨尺度位移。

 

与此同时，生物泵则体现了生命活动对热力学平衡的突破。通过浮游植物的光合固碳作用，生物泵将表层溶解的无机碳转化为有机相态，这种主动的生物地球化学过程克服了二氧化碳的扩散梯度，建立了表层与深层海洋之间的化学势差。这些有机碳经由海洋食物网的级联传递，并伴随排泄、分泌及死亡产生的颗粒物重力沉降，形成持续向深海输送的颗粒有机碳垂直通量。这种被称为“海雪”的物理-生物耦合沉降过程，不仅是深海生态系统的能量补给，更是人类文明在碳循环尺度上将碳元素从活跃大气层中剥离、并最终将其封存于地质沉积物中的关键路径。正是这两套机制的协同运作，构筑了海洋应对温室效应的天然屏障，若非如此，全球气候系统的热效应演化趋势将远超人类文明的承载极限。

 

图1 海洋中的生物泵和溶解泵（Chisholm, 2000）

 

2.2. 微型生物碳泵：惰性溶解有机碳的生物地球化学机制

 

然而，随着海洋生物地球化学研究的深入，科学界发现海洋的长周期储碳能力并非仅取决于颗粒物的沉降过程。尽管传统的生物泵在碳循环中占据核心地位，但其固碳效率受限于再矿化作用：绝大多数颗粒有机碳在下沉过程中会被异养微生物快速降解并转化为二氧化碳，能够穿透温跃层并最终埋藏于深海沉积物中的比例极低。

 

与此同时，海洋中存在一个巨大的溶解有机碳库，其总量与大气二氧化碳总量相当。其中，约 95% 的成分表现为生物化学性质极不活跃的惰性溶解有机碳，其在海洋中的平均滞留时间可达数千年。正是基于对这一储碳库形成机制的深度解析，微型生物碳泵理论应运而生（图2）。

 

微型生物碳泵的科学意义在于重新阐释了微生物在海洋碳循环中的角色：微生物不仅是有机质的分解者，更是非活性有机质的转化者与塑造者。通过一系列复杂的代谢转化、分子修组与胞外分泌过程，微生物能够将易降解的活性有机物转化为分子结构复杂、难以被生物再次利用的 惰性溶解有机碳。与依赖重力沉降的生物泵不同，微型生物碳泵驱动的碳封存过程可发生于全海深，构建了一种跨尺度的、化学性质稳定的全球储碳机制。

 

图2 海洋中碳循环与固存的主要生物过程，包括生物泵和微生物碳泵（Jiao et al., 2010）

 

2.3. 四泵集成：海洋负排放的系统性耦合逻辑

 

基于对海洋生物地球化学过程的深层认知，ONCE 计划突破了单一过程研究的局限，构建了一个由溶解度泵、生物泵、微型生物碳泵及碳酸盐泵协同驱动的综合理论框架。这一集成系统不仅深化了科学界对大洋碳循环多尺度耦合机制的理解，更为客观评估海洋负排放潜力和建立碳汇核算体系提供了系统性的理论支撑。

 

在这种系统集成视角下，海洋负排放不再被视为孤立的工程干预，而是不同泵效之间相互反馈、动态平衡的综合产物。溶解度泵通过物理化学过程奠定了海洋吸收二氧化碳的基准底数，而生物泵则利用生物地球化学动力实现了碳元素从表层向深海的垂直位移。与此同时，微型生物碳泵通过微生物转化机制，显著延长了有机碳在水柱中的滞留时间，将其转化为化学稳定的惰性组分；而碳酸盐泵则通过调节海洋的碱度平衡，精密地调控着无机碳系统的缓冲能力。这种“四泵集成”的逻辑，使得研究者能够从全海深、全组分（无机碳与有机碳）、全尺度（分子级到全球级）的维度，精确捕捉海洋碳循环的通量演变，从而为制定科学、可验证的海洋负排放技术路径奠定了坚实的学理基础。

 

图3 生物泵（BCP）、碳酸盐泵（CCP）、微型生物碳泵（MCP）和溶解度泵（SCP）“四泵集成”的海洋负排放生态工程（Jiao et al., 2023）

 

在这个精密系统中，碳酸盐泵的角色尤为微妙。珊瑚、贝类等钙化生物在构筑碳酸钙骨骼时，虽能固定碳元素，却也会因化学反应释放等当量的二氧化碳，形成所谓的“碳酸盐反向泵”。

 

但近年来，科学家观察到在特定沉积环境中，微生物活动能诱导形成“自生碳酸盐”，这为无机碳的长久埋藏提供了新的科学路径。这种对复杂博弈的深刻洞察预示着，海洋负排放绝非某种单一机制的简单放大，而是一场基于整体性认知、针对海洋碳循环网络进行的精细调控。

 

3. ONCE从自然机制解析向工程示范的跨越

 

海洋负排放的核心价值，在于其技术路径不仅植根于严谨的生物地球化学理论，更在工程实施中兼顾了生态稳定性与碳封存的可持续性。当前的实践范式已从单一的人工干预，转向对自然碳循环过程的修复、强化与系统性协同利用。

 

3.1. 陆海统筹：外源营养盐输入的生物地球化学效应调控

 

实现近海增汇的关键突破口，在于通过陆海统筹手段优化近岸海域的营养盐循环。近数十年间，全球农业活动导致的过量氮、磷流失随径流入海，诱发了近岸水体的富营养化、季节性缺氧及有害藻华等系统性生态风险。从碳循环视角看，过量的外源营养盐输入显著提升了微生物的再矿化速率，导致原本可长久封存的有机碳被加速降解为二氧化碳，严重削弱了近海生态系统的天然碳汇功能。

 

基于微型生物碳泵理论，ONCE 计划提出了“减排增汇”耦合治理方案：通过精确管控陆域施肥量、实施流域—河口—近海的生物地球化学联合修复，在缓解近岸环境压力的同时，有效提升异养微生物将活性有机物转化为惰性溶解有机碳的转化效率（图4）。该路径的核心逻辑在于：通过纠正人为干扰引发的营养盐失衡，恢复并强化海洋生态系统的内生固碳能力，实现环境治理与碳汇增量的双重效益。

 

图4 减少陆地施肥增强海洋碳汇（Jiao et al., 2011）

 

3.2. 海藻碳汇系统：大型藻类养殖与人工上升流的耦合机制

 

另一条极具潜力的路径是以大型藻类养殖为核心的生态修复工程。海藻通过高效的光合固碳作用，不仅能作为“无机碳泵”直接吸收海水中的溶解二氧化碳，还能通过光合作用显著提升表层海水的 pH 值，缓解局部海域的酸化压力。若将大型藻类养殖与贝、参等低营养级生物结合，构建集成多营养层次养殖系统，即可将传统的初级生产区域转化为兼具经济产出与生态固碳功能的“蓝碳”复合体系。

 

针对大规模高密度养殖可能引发的表层营养盐匮乏（即养殖容量瓶颈），人工上升流技术提供了系统性的解决方案。该技术利用风能或波浪能等原位绿色能源，驱动深层富营养海水跨越温跃层输送至光合透光层。这一过程在为藻类生长提供必需营养盐（施肥效应）的同时，通过精确的混合比例控制，规避了深层高 pCO2 海水直接涌升可能带来的表层酸化风险（图5）。

 

中国青岛鳌山湾的示范工程研究证实，通过人工上升流对区域生物地球化学循环的精准干预，能够显著提升近海养殖区的初级生产力与碳封存通量。这一实践为近海养殖从单纯的生物资源开发向 “环境友好型生态增汇”模式的范式转型提供了严谨的科学实证。

 

图5 人工上升流补充上层营养盐，驱动生物碳泵；同时添加碱料缓解养殖区酸化，实现协同固碳概念图

 

3.3. 洋碱度增强与尾水协同治理：化学路径的工程化探索

 

在化学与沉积调控领域，海洋碱度增强技术展现了显著的全球尺度减缓潜力：其核心机制是通过人工调节海水碳酸盐平衡，既能提高海洋对二氧化碳的物理化学吸收容量，又能作为高效的化学缓冲剂，通过中和氢离子（H+）有效抑制海洋酸化趋势。

 

ONCE 计划创新性地提出了基于入海污水处理厂尾水碱化的协同增强方案。该方案利用工业或生活污水低 pH 值的地球化学特性，加速碱性矿物（如橄榄石、石灰石等）的非生物风化与溶解动力学过程。通过在污水排放末端投加微米级碱性物质，利用径流与近岸洋流的物理动力实现低成本、大尺度的海向通量扩散（图6）。尽管这一路径在热力学模型上具有极高的增汇效率，但其潜在的生态副效应（如重金属的富集）仍需建立长期、动态的环境监测与生态毒理学风险评估体系。

 

图6 基于污水处理厂实施碱化的OAE新范式（Cai & Jiao, 2022）

 

3.4. 协同演进：海洋生态治理的系统化方案

 

除了新兴技术，有害藻华治理、改性黏土絮凝等传统生态干预手段正被纳入负排放技术体系。这一转变并非术语的重新包装，而是反映了海洋负排放技术的综合化趋势：有效的海洋增汇方案不应孤立地追求单一生物地化过程的效率最大化，而应基于海洋生态系统的内在规律，在生态修复、污染防治、海水养殖产业升级与碳汇提升之间建立系统性平衡，实现多目标耦合的综合治理。

 

4. ONCE 的全球维度

 

海洋负排放具有显著的全球公共产品属性。由于洋流的流动性与全球碳循环的连通性，局部海域的干预实验不可避免地产生跨界影响。因此，深海负排放行动必须在国际法框架下，统筹考虑法律规制、伦理准则、生态公平及多边合作问题。

 

ONCE 计划的实质是构建一个整合科学边界、气候政策、法律治理与产业协同的全球性框架。该计划并非单纯推广某种特定技术路径，而是人类命运共同体在海洋治理领域的系统性实践。在“联合国海洋科学促进可持续发展十年”框架下，ONCE 的核心使命是建立严谨的监测、报告与核证体系，通过推动全球数据共享、标准统一及法律框架完善，确保全球南方国家能够平等参与深海治理。

 

这一愿景与联合国的可持续发展目标高度契合。海洋负排放不仅是开发基于海洋的气候解决方案，更是人类与海洋关系从单纯利用向系统治理的范式转型。正如 ONCE 所强调的，科学研究的严谨性必须以生态优先为前提，治理体系的构建应当先行于技术的大规模部署，通过制度层面的顶层设计引导技术演进。

 

在实施路径上，必须明确海洋负排放是减排行动的必要补充，而非化石能源转型的替代方案。其核心作用是为地球系统应对气候变化争取关键的缓冲期。因此，ONCE 并不主张盲目的规模扩张，而是倡导在科学评估下的“有雄心的克制”，即在技术推进过程中坚持生态红线、伦理底线与国际法合规性。

 

只有将科学公信力与社会合法性深度融合，海洋负排放技术才能真正承载起全球应对气候挑战的长期托付。通过构建这种基于规则与证据的治理模式，海洋负排放将不仅作为一种技术手段存在，更将成为维护全球气候稳定、实现海洋可持续发展的核心支柱。

 

5. 展望

 

未来十年，将是海洋负排放从科学概念走向全球行动的关键窗口期。我们必须以更强的政策决心和国际协同，加速推动ONCE大科学计划落地：建立统一的监测、报告与核证体系，制定清晰的生态红线与法律框架，确保每一次深海干预都经得起科学、伦理和公平的检验。只有这样，这片蓝色海域才能从长期的被动承载者，真正转变为稳定全球气候的战略力量。

 

 

 

致谢：本文在焦念志教授指导下完成。

 

参考文献：

Cai W J, Jiao N. Wastewater alkalinity addition as a novel approach for ocean negative carbon emissions[J]. The Innovation, 2022, 3(4).

Chisholm S W. Stirring times in the Southern Ocean[J]. Nature, 2000, 407(6805): 685-686.

Jiao N, Herndl G J, Hansell D A, et al. Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter: long-term carbon storage in the global ocean[J]. Nature Reviews Microbiology, 2010, 8(8): 593-599.

Jiao N, Tang K, Cai H, et al. Increasing the microbial carbon sink in the sea by reducing chemical fertilization on the land[J]. Nature Reviews Microbiology, 2011, 9(1): 75-75.

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