2023, Vol. 53
2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266237
中国提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。在“双碳目标”战略部署背后，是实现产能转型的国家需要，同时也是践行减少人类对自然气候干预的具体措施与行动。除了国家能源结构向新型清洁“非碳”能源转变以外，利用自然生态系统实现大气CO2的转化、封存与埋藏，从而形成有效自然碳汇，同样是实现“碳中和”目标的重要途径。
较之以往，“碳中和”目标背景下的“碳汇”概念有了进一步确切的内涵。实现碳中和是人类应对气候变化的重要举措；目前人类为实现能源需求，大量开采深埋在地下(海底)的石油、煤炭、天然气等化石燃料。利用这些能源的同时，最终却排放了大量CO2。据IPCC统计报告，自工业革命以来(1750—2011年)人为CO2累积排放量已经达到20 350亿t[1]。这些人为排放的CO2直接参与地球表层的碳循环。部分CO2在短期内未能在碳循环体系中固定，还留存在大气中，浓度持续升高，目前高达约420ppm，是导致气温变暖，气候变化加剧的重要原因之一[2]，威胁人类社会的可持续发展。在这样的背景下，通过自然或人类干预的方法，以物理、化学、生物学等手段实现捕获、吸收、转化大气中的CO2；尤其是如果在较长时间或者永久地封存在自然生态环境单元中，CO2及其转化形式不再返回到大气，那么这是在当前“碳中和”目标背景下的有效“碳汇”。
如果将含有碳的生态系统单元比作碳储库，我们可以称这些单元为“碳库”[3-4]，例如陆地上的森林碳库[5]、草地碳库[6]、以及海洋碳库[7]等(见图 1)。目前增加碳汇的方式包括利用自然生态系统开展增汇等方案，例如植树造林、湿地生态系统修复等[8]；也有将CO2封存在地下的人类直接干预模式，例如人工碳捕获与封存等措施(Carbon capture and storage，CCS)[9]。根据中国科学院学部重大咨询项目——中国碳中和框架路线图的最终情景设计[10]，中国每年至少有21亿t CO2需要通过生态系统吸收(中和)。若根据收支分离的碳收支评估体系计算，陆地生态系统每年吸收CO2约13亿t[10-11]，至2060年陆地碳汇方面的贡献仅达62%，自然生态系统碳中和目标还有约40%的巨大缺口。未来随着土地利用紧张、能源需求增长以及陆地自然生态系统承载力的矛盾会进一步加剧，仅依靠陆地碳汇恐难以完成中国自然生态“碳中和”的目标计划。
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图 1 海洋自然生态系统碳库间碳汇过程示意图 Fig. 1 Schematic diagram for carbon sink processes across the carbon pools |
海洋是地球上巨大的CO2交换碳储库，在全球气候变化与碳循环中发挥着不可替代的作用。海洋占地球表面积的71%，在贡献碳汇方面有巨大的潜力。全球海洋初级生产力为每年约53 Pg C，换算为CO2约1 940亿t(10亿t=1 Pg=1015g，1 g C=44/12 g CO2)[12]，海洋浮游藻类等通过光合作用固定CO2，经过一系列的生物地球化学循环，形成了含碳的不同类型化合物，如溶解有机碳(DOC)，颗粒有机碳(POC)，溶解无机碳(DIC)，颗粒无机碳(PIC)等，在一些研究中这几种含碳化合物也会被称之为碳库[13]。据估计，全球海洋(海水)碳储库中DOC有7 000亿t C[14](约25 700亿t CO2)，POC为174亿t CO2，DIC有1 390 000亿t CO2，PIC约为5.5亿t CO2[15]。海洋不仅能够每年吸收约81亿t人类排放的CO2[16]，这相当于人类活动排放二氧化碳年总量的23%(2020年全球人类排放CO2达348.1亿t。数据来源于https://www.globalcarbonproject.org/)，同时也接收河流输入的陆地碳库中的碳，例如全球河流输入海洋的DOC约0.21 Pg C/a[17]，换算为CO2约0.77 Pg/a；POC约0.24 Pg C/a，换算为CO2约0.88 Pg/a[18]。因此, 从储库吸收碳的角度，海洋是具有巨大潜力的理想碳汇区，是助力实现我国“碳中和”目标的重要自然生态系统。
特别强调的是，海底沉积物也是巨大的碳库[19]。虽然光合作用产生的有机质部分会在沉降过程中降解矿化，再以CO2形式回到大气中，但还是有部分POC没有完全降解以沉积物的形式埋藏在海底，经过长时间后进入岩石圈并向地球深部输入，随着地质成岩过程，部分有机碳还可能会生烃成岩。最终实现“永久封存”，短时间内不再参与表层圈层的物质能量循环交换。因此，CO2在海洋中被生物泵(Biological pump)[20]所固定，POC向海底输送，转化与埋藏，实现长期封存的过程，是“碳中和”目标背景下符合海洋有效碳汇的自然过程(见图 1)。
中国领海面积约300万km2，渤海、黄海、东海与南海的主要碳库储量，换算为CO2达千亿吨级别[13](见表 1)。此外，长江、黄河、珠江等大河也向我国边缘海输入了大量的碳[21](见表 2)。小河以及红树林等海岸带也在不同程度地影响着近海的碳汇格局[22]。我国边缘海存在空间复杂的碳交换生物地球化学循环机制[23-26]，过去开展的研究调查由于科学目标不同，学科属性与关注重点有所差异。因此，急需针对我国海洋碳汇的关键环节与要素开展评估与分析，这将有利于准确地回答海洋碳汇的核心关键问题。牢牢抓住在“碳中和”目标背景下的海洋碳汇核心属性与要素，有针对性地合理评估海洋碳库优势和碳汇效果，才能有效地开展人类干预下的海洋增汇措施，未来实施海洋碳汇监控更加有的放矢。
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表 1 中国边缘海各海区碳库储量 Table 1 Carbon budgets in the Chinese marginal seas |
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表 2 输入中国陆架边缘海的河流的不同形态碳通量 Table 2 Carbon budgets of arge rivers export into the Chinese marginal seas |
海洋以具有巨大碳储量、多样的固碳方式、广阔的增汇区域成为碳中和优质生态系统，在调控全球气候变化中发挥着不可替代的作用。在“碳中和”目标背景下，急需厘清中国边缘海碳库的“家底”，例如，厘清我国边缘海究竟埋藏了多少碳，以及储存了哪些碳。这将助力有效利用生态系统吸收碳，实现海洋长期储存碳，符合当前“碳中和”目标背景下消除人类干预气候变化的宗旨。设想如果海洋中的碳，降解后以CO2或某种形式很快回到大气圈，或者在海洋碳库中无法长期保存，短期还会通过生物化学循环回到大气中，这将失去了目前“碳中和”任务的实际意义。那么判断海洋自然生态系统有效碳中和的前提之一是：海洋碳库中的碳不会在短时间内转移或释放，或再以CO2及其碳转化形式回到大气中。因此，如果海洋碳库的周转时间长，说明CO2或其它转化形式在该海洋碳库单元中周转时间较长，那么在碳库总量不变的情况下，具有长时间尺度的碳库是在“碳中和”目标背景下有效的碳汇单元。因此在“碳中和”目标背景下评价海洋有机碳的碳汇，海洋碳库的碳周转/停留时间[27-28]是一个关键因素与考量标准，而海洋碳-14年龄是判断该碳库周转时间的关键参数。
海洋中不同形式碳库的周转时间是不同的[28](见表 3)。如果DIC碳的周转时间超过该碳库年龄后，会由于生物、化学、物理等作用，转化为其他形式, 进入其他碳库。在碳储库的总量无法持续增加的情况下，碳库年龄的缩短，可能未必产生海洋有效碳汇。在人类应对气候变化问题上，如果需要实现长期CO2在海洋的封存，千年甚至万年以上碳周转时间可能是一个相对保守的估计。有学者认为DOC是应对“碳中和”目标的一种有效的海洋碳库[29]。由于DOC是复杂分子的集合，不同的DOC分子可能有不同的碳-14年龄[30]；那么不同分子的碳-14年龄综合组成就凸显了海洋中的DOC碳库的周转时间。由于海洋DOC中既存在年龄相当大的组分(16 000 a)，甚至年龄达到40 000 a的超惰性组分[31]，会随着生物化学作用进入更稳定的碳库RDOC[23]，也有活性较强的DOC组分会转化为CO2形式回到大气[22]，其中的机制还需要进一步研究[32]。因此，判断边缘海DOC的碳年龄组成是一项关乎其是否是有效碳汇的重要条件。DOC转化为不易降解的RDOC或者转移到其他碳库，其中涉及到复杂的化学与微生物作用[31]，需要进一步研究。此外，碳的不同形式之间的转化(如DOC与DIC之间的转化)，由于会涉及海水酸化等海洋生态等环境问题；因此，DOC转化与埋藏机制亟待解决。对于边缘海中的POC来说，其快速沉降从而得以迅速埋藏；从水体中的POC短期碳库年龄，到沉积岩的极长碳库年龄，POC被封存在海底，这对于当前海洋碳汇是有效的且直接的贡献。由于生物泵的存在，以及POC往往比DIC碳库时间尺度长，因此提高海洋中最大的DIC碳库向POC转化的效率，进而实现POC在海底的埋藏，可能是未来“碳中和”目标背景下提高有效海洋碳汇的努力方向之一。
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表 3 不同碳库的周转时间 Table 3 Residence time of carbon pools |
由于海洋所吸纳、储存、埋藏的碳是多源的，这为理解与估算海洋碳汇带来了复杂性。例如，在中国边缘海表层沉积物中所埋藏的有机碳来源有海源以及陆源。其中陆源有机碳也可以再分为陈化土壤，也有来自从岩石风化出的有机碳[33-34]。如果从分子角度来看，每部分有机碳可能有不同的碳-14年龄[35]。这就意味着，虽然海底埋藏的有机碳是海洋碳汇的一部分，但是由于部分年龄很老有机碳，可能是从岩石中风化而来(Petrogenic OC)[36]，并非当前大气中的CO2所转化而来，它只是从一个陆地碳库转移到海洋的碳库中。那么这部分的碳汇贡献不应该是目前“碳中和”目标背景下海洋有效碳汇能力的体现。因此，需要重视在表层沉积物中碳的年龄，它是判断有效碳汇的重要参数(见图 2)。除了在全岩(Bulk)标准上的测试与分析，在不同沉积物粒度上测试分析有机碳的碳-14年龄也是一种深入的分析海洋有效碳汇的办法[37]；相信进一步分子水平[38]上的碳-14分析等，会让我们对海洋有机碳有效碳汇估算有更清楚的认识，未来将更加聚焦于“碳中和”目标背景下海洋有效碳汇。
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( Δ14C来表达碳-14年龄，Δ14C值偏负代表年龄偏老，反之则偏年轻。图中台湾周围沉积物碳14年龄约为10 000年，而黄海中部泥质区年龄则仅约为2 000年。Δ14C values can indicate the 14C ages. In general, relatively high values indicate younger 14C ages, vice versa. The figure shows that 14C ages around Taiwan Island could be up to about 10 000 a BP, but the ages in the center of south Yellow Sea may be about 2 000 a BP. ) 图 2 中国渤海、黄海、东海表层沉积物的有机碳碳-14年龄空间分布格局[37] Fig. 2 Spatial variation of Δ14C values of organic carbon in surface sediments in the Bohai Sea, Yellow Sea, East China Sea |
总之，海洋不同碳库周转时间是不同的，控制与影响因素也是复杂的。需要理清海洋中哪些碳才是合理的具有优势的碳储形式。来自海水表层的POC，在深海生物泵的控制下只有很少部分(~10%)进入海底[39]，大部分是在水体中降解与转化。但是，如果在浅海陆架区以及滨海湿地，借助在近海的优势，由于在水体的深度浅，有机碳产量高，POC会相对很快得到埋藏。因此，从这个角度上看近海的POC具有一定的碳汇优势。对于PIC的理解则相对直接，生物碳酸钙可以沉积在海底。虽然我国PIC其量相对偏低[40]，但它的沉积是一种实在的且优质的碳汇。有学者认为在我国贝类水产养殖可以形成海洋碳汇。但需要注意的是，我国水产渔业养殖等产业还涉及经济领域。例如奶牛畜牧是一个被IPCC认证的碳库[41]，但前提是它作为人类一直利用消耗的产品而且维持一定的量，否则这些经济产品，受到市场的调控，将不会因为“碳中和”目标任务而改变经济规律。因此，充分把握海洋碳库周转时间尺度，有利于深入理解当前“碳中和”目标背景下的海洋碳汇理论，有利于海洋实现长期的碳埋藏。
除了海洋碳库周转时间以外，海洋碳汇过程的时间也急需要重视。大气中CO2从固定到转化，直到埋藏入海的过程是需要耗费时间的。例如，海洋水体中浮游藻类光合作用固定CO2，形成POC有机碳并埋藏到海底。但同时海洋也接收陆地上植物碎屑，河流碳库的有机碳。这些有机碳的传输转运时间是重要的考量。这段碳汇过程时间越短，说明CO2从大气转化为POC，再到海底埋藏碳汇循环过程是快速的，所需要的时间越短，达到碳埋藏的目的就越快。反之，时间越长，这些碳就有更多的时间去经历大量的降解过程[18]，再次返回到上层大气碳库中的机会就越大。这个过程可能与海底物质的再悬浮再搬运有关[42]，也可能与沉积速率[43]等控制机制有关。海底沉积物有机碳的碳-14年龄的空间差异化(见图 2)，也部分说明了这个过程的相对长短[44]，那么在“碳中和”目标背景下，碳在海底沉积物中的埋藏过程决定了是否是一个优质的碳汇过程；POC能否在海洋快速埋藏，也将成为一个重要的时间标尺。综上，在当前“碳中和”目标背景下，自然生态碳库的周转时间相对长，是考虑开展在该碳库着手增汇措施的重要参考；而海洋碳汇过程的时间相对短，却是说明该碳汇过程具有相对优质潜力，减少在表层圈层循环降解的可能性。
3 结论与展望(1) 碳库年龄尺度与碳汇过程时间是评估在“碳中和”目标背景下海洋碳汇的重要要素。海洋碳库周转时间尺度越长，对实现海洋有效碳汇越有利；而在CO2转化为海洋含碳化合物后，最终埋藏于海底的海洋碳汇过程时间越长，其从碳循环过程中再回到大气中的可能性越大，可能越不利于快速实现海洋碳汇。
(2) 虽然在“碳中和”目标背景下合适的碳库年龄尺度目前难以界定，但是我们应该避免碳经过十年或者百年后，再以CO2的形式回到大气中。在2060年前“封存”在碳库中的碳，不应该在2060年之后，很快再进入到大气中。因此，我们需要特别注意正确评估相对短时间尺度的碳库在“碳中和”中所起的真实作用。本文认为千年甚至万年尺度的碳埋藏可能更加有效实现“碳中和”目标。例如CCS的部分工作是在地层中封存CO2，这就相当于跨时间尺度，把现代的CO2封入到了百万年尺度的地层碳库中。
(3) 中国边缘海的碳库年龄是不同的，这些碳库在“碳中和”目标背景下的碳汇有效性也不尽相同。这与碳源、控制机制、空间分布格局等制约因素密切相关。因此，需要进一步理清我国边缘海碳库年龄组成，科学地实施人类干预下的碳中和措施。
(4) 理清海洋含碳化合物的碳-14年龄以及控制机制，对开展人类干预下的自然碳汇解决方案有重要的指导意义。未来人类干预下的海洋碳汇工程，可以充分借鉴海洋碳库的转化与埋藏理论，动态监测转化与埋藏过程的CO2以及其转化形式的碳年龄，需要充分了解“碳中和”目标背景下工程碳汇过程与结果的有效性与合理性。除了时间关键参数来评估海洋碳汇以外，某些海洋碳汇机制(例如渔业碳汇、海岸带蓝碳等)也可能受到市场经济制约以及生态系统协调的复杂调控，需要综合评估与判断。
(5) 未来可以应用碳年龄作为评估工程碳汇的有效性与合理性。但是工程背后的环境影响评价，例如可能造成的海水酸化等环境灾害，同样需要引起足够的重视。不同于陆地碳汇，海洋碳汇工程与评估还可能涉及到外交风险，也需引起相关战略科学家的注意。以黄海中部泥质区为例，沉积物中有黄河输入来源的有机碳，也有部分可能是来自朝鲜半岛的输入，那么这部分的海洋碳汇计算可能就涉及外交与国际合作。更加需要引起注意的是：假如在中国近海被评估为可以实现的CO2人工碳汇，可能随海流迁移到别国海域，占据了别国的碳汇容量，或者转变成大气CO2的源再次排放，亦或在二三十年后在别国重新释放。这种效应在未来的监测工作中是可能被识别出来的，届时将引起极大的尴尬与被动。所以利用近海水体容量实施的碳汇工程需要提前对这种外交风险进行预估。因此，理清海洋碳汇时间尺度、碳年龄等概念在海洋碳中和工作中是十分必要的。
致谢: 感谢王修林教授、赵美训教授、张绍晴教授、李建平教授、高会旺教授、梁生康教授对文章撰写与相关工作的鼓励与支持；感谢两位匿名评委的修改意见；感谢马海悦同学在数据收集与文字方面校验的工作。
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