海洋碳酸盐系统调控用于二氧化碳移除：基础、机遇与挑战

《Cell Reports Sustainability》：Carbon dioxide removal through manipulation of the ocean carbonate system: Fundamentals, opportunities, and challenges

　　

从地球大气中移除二氧化碳（CO₂）将在未来几十年内作为脱碳的补充手段以实现关键气候目标。预计干预规模巨大——每年约为1–10 GtCO₂（GtCO₂ = 10⁹ 吨 CO₂）。由于地球海洋具有输送和储存大量碳的能力，人们对改造海洋碳酸盐系统以促进海洋对碳的更大吸收和长期储存产生了浓厚兴趣。在此，研究人员综述了旨在人为调控海洋碳酸盐系统以从大气中去除CO₂的电化学、矿物基和生态系统基途径，并强调与海岸带恢复相关的生态系统关联碱度产生是相对未被充分探索且值得近期重新关注的路径。研究人员认为，这些途径大规模部署的关键挑战包括：在监测、报告与核查（MRV）协议中准确量化碳移除量；开发和验证用于碳核算的模型；理解更广泛的环境影响；评估全生命周期资源和能源需求；以及建立适当的治理框架。解决这些跨领域知识空白对于实现海洋碳酸盐系统调控对气候减缓的潜在贡献至关重要。

研究背景：人为气候变化要求深度减排，但仅靠减排难以实现温控目标。已有综合评估模型显示，到2100年每年需要从大气中移除约10–15 GtCO₂（GtCO₂为十亿吨CO₂）的“新型”二氧化碳移除（CDR），而当前与预期的CDR能力远低于需求。海洋具有巨大的碳输送与封存潜力，因此通过人为调控海洋碳酸盐系统（OCSM）促进海洋吸收大气CO₂受到广泛关注。然而，不同OCSM途径的有效性、技术经济性、环境效应以及治理问题均存在显著不确定性，亟需跨学科综合评估。

研究内容与意义：研究人员围绕电化学、矿物基和生态系统基三类OCSM途径，从地球化学、生物物理、技术经济和治理维度进行整合分析，特别指出与海岸带恢复相关的生态系统碱度生产是一条相对未被充分探索且值得近期关注的方向。研究提出，大规模部署OCSM的关键在于建立可靠的监测、报告与核查（MRV）体系，发展可验证的碳核算模型，量化环境和生命周期影响，并制定适当的治理框架，这对于实现OCSM的气候减缓潜力具有重要意义。

关键技术与方法：本文为综述性研究，研究人员基于海水碳酸盐平衡理论（包括亨利定律、碳酸解离平衡和碱度定义）以及矿物反应热力学，对三类途径的反应化学原理进行了对比分析；通过评估地球系统模型和区域模型在碳酸钙形成参数化方面的不足，探讨了模型用于碳核算的可行性与局限性；结合生命周期视角和已有全球能源、水需求及酸市场数据，量化了电化学途径在能耗、副产物和水量方面的规模约束；并系统比较了各途径的环境影响、社会接受度和治理需求。文中未涉及实验样本队列。

研究结果：
- 面向OCSM的途径
- 电化学碳酸盐系统调控
- 基础（Fundamentals）：利用电能将海水或盐水分解为酸和碱，通过向海洋添加碱（海洋碱度增强，OAE）或抽取CO₂（直接海洋去除，DOR）来降低表层海水溶解CO₂浓度，从而驱动大气CO₂净吸收。OAE在恒定溶解无机碳（DIC）下提高碱度，DOR则在恢复碱度的同时降低DIC。
- 机遇与挑战（Opportunities and challenges）：电化学途径面临碳酸盐沉淀可能降低除碳效率、海气交换时间尺度与扰动不匹配、MRV需依赖模型等问题。技术经济上，每移除1吨CO₂约产生1.0–1.2吨HCl，而全球开放HCl市场仅约5 Mt/年；且DOR处理每吨CO₂需约10⁷升海水，规模化后用水量可达全球总取水量的2–20倍，这些均构成显著制约。
- 矿物基碱度调控
- 基础（Fundamentals）：通过向海洋施加碱性矿物（如橄榄石Mg₂SiO₄、石灰石CaCO₃、CaO、Mg(OH)₂等），利用矿物溶解释放碱度，将CO₂转化为碳酸氢根（HCO₃^?）和碳酸根（CO₃^2?）。不同原料按照各自反应计量比实现碳去除，如橄榄石每克矿物可去除1.25 g CO₂。
- 机遇与挑战（Opportunities and challenges）：矿物基途径同样面临MRV和时滞问题。高活性原料（如CaO）溶解快但需高能耗生产，且可能引发快速碳酸盐沉淀；低活性原料（如橄榄石）在海洋中受颗粒聚集、生物摄食等过程影响，实际除碳效率低于理想值。此外，天然矿物可能释放镍、铬等微量元素，造成生态风险；在沉积环境部署还可能抑制自然碱度产生，降低额外性，并增加采样与核证难度。
- 生态系统基碱度调控
- 基础（Fundamentals）：红树林、潮汐盐沼和海草床等“蓝碳”生态系统通过根系泌氧促进沉积物好氧呼吸和厌氧微生物代谢（如硫酸盐还原），进而增加底栖碱度通量。该过程既可通过促进碳酸盐溶解起作用（相当于海洋石灰化，OL），也可通过还原态矿物长期埋藏起到类似纯OAE的效果。
- 机遇与挑战（Opportunities and challenges）：生态系统途径的碳移除效果高度依赖背景沉积化学、水