南科大张传伦团队联合发文综述海洋负排放(ONCE)的路径和机制
2023年01月03日 科研新闻 浏览量 :622

近日,南方科技大学海洋科学与工程系讲席教授张传伦、副教授王誉泽团队联合厦门大学焦念志院士等13家国内外单位共18位专家针对碳减排问题,总结了海洋负碳排放(Ocean Negative Carbon Emission,ONCE)理论基础及方法路径。相关研究成果以“Eco-engineering Approaches for Ocean Negative Carbon Emission”为题发表在国际多学科交叉领域Top期刊Science Bulletin上。

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图1 ONCE实现主要依赖的五条途径

在未来30-40年内实现“碳中和”目标已成世界范围内共识,但亟需全人类共同努力以应对日益严重的气候变化威胁。实现这一宏伟目标的基本途径,一是减少人为二氧化碳的排放,二是增加碳汇(或负排放),即从大气中去除二氧化碳。世界海洋具有从大气中去除二氧化碳的巨大潜力。海洋储存了地球系统中高达93%的二氧化碳,吸收了工业革命以来人类排放CO2的近50%,在减少大气中的二氧化碳积累方面发挥了重要作用。基于此,厦门大学焦念志院士牵头发出倡议,建立一个多国共同参与的海洋负排放国际大科学计划,以促进海洋负排放相关技术途径与实施方案的研发。该倡议旨在探索基于海洋生态系统的负排放途径,重点关注于微观和宏观过程(例如生物泵(BP)—微型生物碳泵(MCP)—微生物诱导碳酸盐沉积(MICP))之间相互作用的潜在机制。海洋负排放生态工程对增加碳封存促进“碳中和”具有重要意义。

南科大海洋系讲席教授张传伦与厦门大学焦念志院士联合国内外相关领域专家在文章中综述了ONCE实现主要依赖的五条途径及机制(图1)。其一,通过调节海洋碳酸盐系统中溶解无机碳(DIC)库和碱度来提高碳的负排放量。碱度的增加促使水体容纳更多的DIC,从而维持水体与大气CO2的平衡,促进生物固碳作用。其二,通过“三泵集成”增加负排放(图2)。生物泵(BP)驱动生物质下沉,并促进碳的海底封存;微型生物碳泵(MCP)可将大部分溶解有机碳(DOC)转化为惰性有机碳(RDOC)储存在海洋中;碳酸盐泵(MICP)能够进一步处理下沉有机物,以驱动海底沉积物中碳酸盐的沉淀,实现CO2的永久封存。其三,通过人工上升流增加负排放。人工上升流是一种生态系统的内部调节,通过将底层海水中的营养物质带入上层海水,以期提高透光层中有机物质的产量,并缓解底层水中缺氧和营养“炸弹”的形成。实施人工上升流系统能改善颗粒有机碳(POC)输出和RDOC生产,从而提高海洋碳储存能力。其四,通过湿地修复增加负排放(图3)。蓝碳环境(如红树林、盐沼、海草床)被视为负排放的重要栖息地,贡献了50%的碳埋藏,恢复湿地栖息地是有效提升负排放功能的强有力引擎。其五,通过保护和修复珊瑚礁生态系统增加负排放(图4)。珊瑚礁是海洋碳库的重要组成部分,在全球尺度上预计可固定0.9 Gt C/yr,来自珊瑚礁的初级生产力比非珊瑚礁生态系统高出一个数量级,解析珊瑚礁生态系统的碳“源/汇”属性并挖掘其碳汇潜力具有重要的理论和应用价值。

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图2. 微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)与微藻工程CO2固定相结合的“三泵一体”负排放概念模型。(1)生物泵(BP)。电荷改性橄榄石和粘土矿物的混合物,吸收生长在海洋表面的微藻,使其迅速絮凝沉降并以颗粒有机碳(POC)的形式埋藏在沉积物中,该过程可增强生物泵(BP)效率。(2)微生物碳泵(MCP)。水体或沉积物孔隙水中微生物碳泵(MCP)将活性有机碳转化为惰性有机碳(RDOC)。(3)微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)。随着橄榄石水解带来的碱度,MICP可在缺氧沉积物中通过硫酸盐还原等过程诱导碳酸盐矿物沉淀从而实现稳定的碳封存。

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图3. 红树林湿地微生物驱动碳汇形成和转化的模式

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图4. 以色列埃拉特(Eilat,Israel)的一个水下漂浮珊瑚苗圃。养殖的Acropora spp.吸引了浮游生物、鱼类、无脊椎动物等,将漂浮的珊瑚苗圃变成了蓝色绿洲。

作为一个全球联动项目,ONCE的目的是提供一种以生态无公害为理念的可持续方法工程。该方法需要广泛的学科交叉和庞大的知识体系耦合,以有效融入BP、MCP和MICP的框架,并最大限度地厘清无机/有机、生物/非生物和颗粒/溶解形式的碳及其命运。未来ONCE计划有望为各种负排放模型和     措施奠定基础,并体现可量化、可再现、可验证、可交易的特征。研究团队相信ONCE计划可有效地服务于碳达峰目标,跑赢碳中和时刻表,为应对全球气候变化贡献智慧与力量。

张传伦为论文第一作者,焦念志院士和张传伦为共同通讯作者。以南科大海洋系为依托的南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)深圳分部是论文第一单位。以上研究得到了国家自然科学基金碳中和专项和深圳市海洋地球古菌组学重点实验室等国内国际多个项目的支持。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927322005369 

 

 

供稿:海洋科学与工程系

通讯员:陆榕子

主图:丘妍

编辑:朱增光


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