海洋二氧化碳移除与封存的科学、工程及验证：应对气候变化的海洋负排放技术前沿

这篇综述系统阐述了海洋二氧化碳移除(CDR)技术的科学原理、工程挑战及验证方法。文章指出，尽管海洋具有巨大碳封存潜力，但目前所有海洋CDR技术(包括碱度增强、人工上升流、海藻养殖等)均面临科学认知不足、工程可行性待验证等问题。综述强调建立完善的测量-监测-报告-验证(MMRV)体系对评估CDR有效性(CO2移除量)、额外性(人为贡献)和持久性(封存时间)至关重要，同时需权衡技术规模(Pg C y-1级)与环境社会影响。

　　

海洋二氧化碳移除与封存的技术前沿

1. 1.

   碳移除的科学基础

   全球气候稳定需要将人为CO₂排放从当前9.6±0.5 Pg C y^-1降至净零，这要求大规模部署碳移除技术。海洋作为重要碳汇，已吸收175±35 Pg C人为CO₂，但其自然过程难以快速抵消持续排放。海洋CDR通过改变溶解无机碳(DIC)平衡或增强生物碳泵，间接促进大气CO₂向海洋转移，但面临复杂的物理-生物地球化学耦合挑战。

2. 2.

   技术验证的核心挑战

   有效的测量-监测-报告-验证(MMRV)体系需解决三大难题：

   • •

     信号稀释：如碱度增强实验中，初始100 μmol kg^-1的扰动在14天内被中尺度涡旋稀释至检测限(2-10 μmol kg^-1)

   • •

     背景噪声：自然pCO₂波动达49-210 μatm，远超典型CDR信号(约30 μatm)

   • •

     滞后效应：CO₂海气平衡需约1年，与快速海洋混合形成时间尺度冲突

3. 3.

   非生物技术路径

   3.1 碱度增强

   通过添加硅酸盐/碳酸盐矿物提高海水碱度，理论上每增加1 mol碱度可吸收0.5-1.5 mol CO₂。但面临：

   • •

     二次沉淀风险：局部Ω>1可能导致CaCO₃再沉淀，降低效率

   • •

     规模限制：实现1 Pg C y^-1需千艘船舶作业，相当全球水泥业采矿量

   • •

     环境风险：细颗粒物(<100μm)可能影响海洋生物

3.2 电化学捕获

利用海水-CO₂浓度比大气高120倍的优势，但能耗集中于泵送环节。与海水淡化联产可降低成本，但副产物氯气(1吨/吨CO₂)可能超出现有市场容量。

1. 1.

   生物技术路径

   4.1 蓝碳生态系统

   红树林/海草床碳埋藏率达0.1-1 Pg C y^-1，但受海平面上升威胁。保护现有生态系统可避免0.14-0.47 Pg CO₂-eq y^-1排放。

4.2 海藻养殖

大型藻类养殖结合深海沉降理论上可达0.1-1 Pg C y^-1，但面临：

• •

  营养限制：大规模培养可能耗尽表层营养盐

• •

  深海影响：沉降生物量可能导致局部缺氧

4.3 人工上升流

通过泵送营养盐丰富深层水，但模型显示全球潜力仅约10 Tg C y^-1，且可能上涌高DIC水体反而促进CO₂释放。

1. 1.

   铁施肥争议

   虽然实验证实铁添加可刺激藻华并使pCO₂降低30 μatm，但碳输出效率仅约10-30%，且可能改变生态系统结构。

2. 2.

   规模化瓶颈

   所有技术均面临"三难困境"：

   • •

     有效性：需证明净CO₂移除而非重分布

   • •

     持久性：深海封存时间需达百年尺度

   • •

     可扩展性：工程实施需考虑资源/能源限制

3. 3.

   未来研究方向

   亟需开展：

   • •

     受控中尺度实验(>100 km)

   • •

     自主观测网络(浮标/滑翔机阵列)

   • •

     高分辨率生物地球化学模型

   • •

     全生命周期成本效益分析

海洋CDR技术正处于从理论探索向工程验证过渡的关键期，其发展将深刻影响全球碳中和路径选择。