确定生物过程对基于氢氧化物的海洋碱度增强作用的净影响：一种中尺度实验方法

《Frontiers in Climate》：Determining the net influence of biological processes on aqueous hydroxide-based ocean alkalinity enhancement: a mesocosm approach

海洋碱度增强（OAE）通过添加NaOH提升海水碱度，促进大气CO2吸收。本研究在灭菌与非灭菌微宇宙及水族箱中模拟OAE，发现非灭菌实验CO2吸收速率更快（因生物光合/呼吸作用），但最终吸收量（DIC增量）与灭菌组无显著差异。通过19组微宇宙数据构建的线性模型能准确预测DIC随时间变化曲线，参数受NaOH添加量、灭菌处理、季节和初始DIC影响，且模型在微型实验中验证有效。研究表明实验室可控条件下的生物效应对OAE碳汇量影响较小，但可能加速动态平衡过程，对碳汇测量方法（MRV）具有重要参考价值。

　　海洋碱度增强（Ocean Alkalinity Enhancement, OAE）是一种利用海洋碳汇来缓解人为气候变化影响的潜在方法。这项研究通过一系列实验，探索了生物过程对OAE碳吸收能力的影响，从而为OAE的监测、报告和验证（Measurement, Reporting and Verification, MRV）提供了重要依据。实验在纽约州的Flax Pond海洋实验室进行，使用大型水箱（约6,000升）和小型水族箱（约10升）模拟OAE过程，通过添加0.5摩尔/升的氢氧化钠（NaOH）溶液，提升海水的pH值和总碱度（TA），并观察其对大气二氧化碳（CO?）吸收的影响。

在实验设计中，研究者考虑了生物过程对碳吸收的影响。以往的实验通常通过过滤和漂白等方式对海水进行无菌处理，以排除生物活动的干扰。然而，本研究首次尝试在未完全消除生物活动的情况下，评估其对OAE过程中碳吸收速率、时间尺度和总量的影响。实验分为三种类型：一种是控制生物生长，另一种是不控制生物生长，第三种则是两种均未控制。通过对比这些实验，研究者希望了解在真实海洋环境中，生物因素是否会对OAE的碳吸收效果产生显著影响。

实验结果显示，碳吸收速率与初始碳酸盐化学状态、添加的碱度量、是否进行无菌处理以及海水采集季节密切相关。尽管无菌处理的水箱在碳吸收总量上与未处理的水箱没有显著差异，但无菌水箱的碳吸收过程更为缓慢。这表明，在实验室环境中，即使存在生物活动，其对OAE的碳吸收总量影响有限，但对吸收速率存在一定影响。这些发现对于理解OAE在实际海洋环境中的表现具有重要意义，同时也为建立更精确的MRV框架提供了支持。

为了更全面地分析OAE的影响因素，研究者结合了之前在Flax Pond进行的其他实验数据，构建了一个模型来预测碳吸收的三个关键参数：初始DIC值、DIC增加量以及吸收速率。模型的构建基于多种变量，包括NaOH添加量、是否进行无菌处理、实验季节以及初始DIC和TA。模型评估显示，NaOH添加量是影响最终DIC浓度的主要因素，而初始DIC和季节则对吸收速率有显著影响。此外，研究还发现，尽管实验条件较为控制，但生物活动在一定程度上仍然影响了碳吸收的动态过程。

在小型水族箱实验中，研究者进一步测试了不同尺度下OAE的碳吸收特性。实验结果表明，水族箱中碳吸收的速率和总量与大型水箱相似，但其预测误差略高。这说明，在实验室尺度下，OAE的碳吸收特性可以作为评估实际海洋环境中碳吸收能力的基础，但需要进一步优化模型以提高准确性。

实验还发现，尽管实验中进行了无菌处理，但水箱内仍然存在生物活动，如藻类和细菌生物膜。这表明，完全消除生物活动在实际操作中可能难以实现，因此，未来的OAE研究应考虑生物活动的潜在影响。同时，实验结果也表明，生物活动可能通过光合作用和呼吸作用影响碳吸收速率，但对最终吸收量的影响较小。这种动态平衡为OAE的实际应用提供了理论支持，但也提示需要更细致的生态监测和模型优化。

此外，研究者还评估了模型的不确定性，发现即使在不同的实验条件下，模型仍能提供相对一致的预测。这表明，实验室数据可以作为OAE在实际应用中的重要参考，但需结合现场观测和海洋模型，以更全面地理解碳吸收过程。研究还指出，未来的实验应加强对生物群落组成和动态变化的监测，以更精确地量化生物因素对OAE的影响。

总体而言，本研究为OAE的碳吸收机制提供了新的视角，揭示了生物活动在实验室和实际海洋环境中的不同作用。这些发现不仅有助于优化OAE的实验设计，也为未来的大规模应用提供了科学依据。通过进一步的研究和模型改进，可以更好地评估OAE在应对气候变化中的潜力，并确保其在实际环境中的有效性和安全性。