国际大科学计划是推动科技创新、解决全球性问题、推动人类进步的重要途径。研发环保负排放路径，创建新质生产力业态是海洋负排放国际大科学计划整体布局的重要规划。当前，实现碳中和的主要路径有：减少排放、开发新能源、增加碳汇。减排是根本性措施，但单方面的减排会影响经济发展；开发新能源是根本性出路，但需要投入也需要时间。与前两者相比，负排放是主动增加碳汇，为经济发展留出更多的排放空间，是两全其美之策。
海洋是地球上最大的碳库，是陆地碳库的20 倍、大气碳库的50 倍，对于调节气候变化发挥着举足轻重的作用。然而，当下的海洋已经储存了地球90%以上的二氧化碳，如何在保持生态系统可持续发展的前提下有效地进行负排放，是当前面临的巨大科技挑战。在海洋储碳机理探索方面，已知的海洋储碳机制包括溶解度泵、碳酸盐泵和生物泵，但要将其应用于海洋负排放必须要全面的认识过程机制问题。溶解度泵是自然发生的过程，当大气中的二氧化碳高于海洋，二氧化碳会被吸到海里，这个过程可引发海洋酸化及后续生态环境问题。碳酸盐泵可导致长期储碳，但在常规海洋条件下，碳酸盐的形成过程中会释放等量的二氧化碳，因此碳酸盐泵叫做反泵，这是负排放过程需要解决的问题。生物泵是海洋重要的碳汇过程机制，但这一过程机制存在缺陷，沉到海底长期储存的碳量不足海洋光合固碳量的1%。那么其余的99%有机碳哪里去了？其实，除了呼吸作用最终将大部分碳返还到大气外，海洋里还存在着一个看不见的惰性溶解有机碳（RDOC）碳库，其占海洋有机碳的90%以上。虽然科学家早在半个世纪前就发现了这个巨大的RDOC 碳库，但此前一直不知道它是怎么形成的，美国科学家称其成因为“不解之谜”。直到十几年前，我们提出了“微型生物碳泵（MCP）”新机制，使其成因得到了合理的解释。
MCP 理论指出，海洋里看不见的微型生物，包括原核的、真核的单细胞生物，以及没有细胞生物结构的病毒，通过他们的生理生态过程，将有机碳从活性态转换成惰性态，长期储存在水里。其他的碳泵都是基于碳的垂直输运，从表层向深水转移，甚至埋在沉积物里，才能长期储碳，而MCP 把碳储在水体里，可以在任何一个水层发生。地球历史上的“雪球地球”事件和现代海洋的证据都证明MCP 的储碳机制不仅客观存在而且效应巨大。此外，MCP 理论很好地解释了若干“似是而非”的“奇怪现象”，包括一些典型生态系统二氧化碳“源”还是“汇”的问题，高生产力的河口海区、珊瑚礁生态系统为何常常是“源”而不是“汇”等。
我们发起的“海洋负排放国际大科学计划（ONCE）”依托MCP 理论，在国际上获得广泛的共识基础，ONCE 将在正确认识包括微型生物碳泵在内的所有储碳机制及其之间的相互作用基础上，合情、合理、合法地开展海洋负排放研发，包括利用海水养殖区、海洋牧场等已有的“人为干预”海区，以及已经受损的海洋环境（酸化、缺氧等）。
ONCE 已获联合国教科文组织政府间海洋学委员会批准，有33 个国家的79 个团队参与。在国内，ONCE 国际大科学计划于2023 年获党中央、国务院的正式批准立项。面对气候变化这一人类共同危机，展望全球海洋领域的科技合作，ONCE 将支撑两个需求：一是碳中和国家战略目标；二是践行应对气候变化的国际共识。ONCE 要实现三个目标：海洋负排放重大理论创新、重大技术应用突破、领衔建立国际标准，从而打造海洋负排放工程新范式。为此，ONCE 国际大科学计划设定了五项任务：理论创新、平台建设、工程示范、科技外交、科普教育。
微型生物碳泵等理论研究以及由此衍生的有关海洋负排放增汇方案已被纳入联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）联合国教科文组织政府间海洋学委员会等国际组织政策报告。这些方案在改善海洋环境、保护生态系统的同时，有巨大的潜力与企业合作共同构建新质生产力业态。
陆海统筹减排增汇。针对河口海区，系统开展陆海统筹协同研究，对于全面认识陆海碳汇形成过程与调控机制十分必要。我们提出减少陆地施肥、增加近海碳汇的建议：在陆海统筹理念指导下，通过科学施肥，减少农田的氮、磷等无机化肥用量，从而减少河流营养盐入海量，缓解近海富营养化，减少赤潮灾害。尤其是降低陆源输入有机碳的分解率、提高RDOC 保持率，使总储碳量趋于最大化。这是低成本、高效益的减排增汇方案，在2019 年就已纳入IPCC《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》。
海水养殖环境负排放增汇。海水养殖提供了重要的蛋白来源，但传统的养殖模式也伴随富营养化、缺氧、酸化等环境问题。通过清洁能源驱动的人工上升流把养殖海区底部富营养盐水体带到上层，为养殖海藻光合作用提供营养盐，不仅解决了营养盐、无机碳、溶解氧供需错位问题，而且变“污染场”为“增汇场”，有望大幅度提高碳汇增量，同时解决现存的环境问题。这项举措特别适用于“海洋牧场”，可望催生海洋产业升级。
海藻喂牛减少甲烷排放，东西部大循环减排增汇。大型海藻养殖是缓解近海富营养化、增加海洋碳汇的有效途径。大型海藻通过光合作用将CO2 转化成为有机碳，这类“蓝碳”生态系统的碳封存率是陆地植物的10 倍。畜牧业是甲烷重要的排放源，其中反刍动物如牛、羊的消化过程产生的甲烷是甲烷排放的主要来源之一。研究发现，海藻饲喂反刍动物，可减少高达93% 的甲烷排放。中国作为畜禽养殖大国，西部畜牧业可与东部海藻养殖业联合，通过实施“东部养藻—西部喂牛”的产业链协同策略，形成“东—西部国内大循环”新业态，在减排的同时实现增汇。
城市污水碱化增汇。提高海水碱度可以促进对大气CO2 的吸收（即碱化增汇），碱化增汇也是国际公认的快速负排放路径。ONCE 建设性地提出污水处理场尾水碱化排海增汇的新思路。尾水具有低pH、高CO2 和高有机酸等特点，若在排水入海前添加碱性物质（如橄榄石等碱性矿物），既能够减轻近岸海域的CO2 排放、增加CO2 吸收，也能够缓解海水酸化等近海环境问题。全世界每年有1000 多亿吨污水排放至江河湖海，增加碱度可实现大规模的负排放。
海洋负排放方案要遵循合情、合理、合法的原则，为此，气候变化的全球合作需要建立权威性的、全世界都认可的国际标准。ONCE 国际大科学计划已获国际标准化组织（ISO）批准建立“海洋负排放与碳中和”标准工作组（W15），彰显了我国在该领域的影响力和话语权。ONCE 大科学计划欢迎全球环保产业领域的企业共同加入制定国际标准、创建新质生产力，实现绿色转型，打造产业新业态。
文章来源：原刊于《中国环保产业》2024年第9期
作者：焦念志，中国科学院院士，厦门大学海洋与地球学院教授
