海洋所在海洋化學(xué)碳增匯機(jī)制、潛力及生態(tài)環(huán)境影響評估研究領(lǐng)域取得進(jìn)展
近日, Science of the Total Environment連續(xù)發(fā)表了宋金明研究團(tuán)隊關(guān)于海洋化學(xué)碳增匯機(jī)制、潛力及生態(tài)環(huán)境影響評估的最新成果,對系統(tǒng)開展海洋碳匯策略選擇及“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)有重要價值。
應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵是碳中和,而實現(xiàn)碳中和的基本途徑即減排和增匯。海洋作為地球上最大的活躍碳庫,有著巨大的碳匯潛力和減排放研發(fā)前景,海洋在吸收和封存CO2方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前,基于生物泵和碳酸鹽泵提出的碳增匯策略,基本停留在理論策略、實驗室模擬或小面積試用上?;谔妓猁}泵的固碳模式可依據(jù)化學(xué)平衡較為直觀地估算固碳量,海水無機(jī)碳占海洋總碳儲量的95%以上,在溶解無機(jī)碳恒定的情況下增加總堿度會改變現(xiàn)有海水碳酸鹽系統(tǒng)的平衡,并促使更多地吸收大氣中的CO2,從而增加海洋的“碳匯”,具有巨大的應(yīng)用潛能,其海洋生態(tài)風(fēng)險評估是確定固碳工程是否可行的前提。
團(tuán)隊研究提出,決定施加礦物海洋化學(xué)碳增匯可行性取決于以下四個方面:一是增匯礦物的有效性,不同礦物的物理和化學(xué)性質(zhì)直接決定了風(fēng)化增強(qiáng)或海洋堿度增加的速度;二是礦物-海水相互作用的影響,如復(fù)雜的海洋生態(tài)環(huán)境過程帶來的不確定性、驅(qū)動因素的不確定性等對整體反應(yīng)速率(包括陽離子釋放和碳酸化速率)具有重要影響;三是碳增匯實施過程中的碳平衡與經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出比,包括從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、礦物開采、磨粉、破碎、反應(yīng)器預(yù)處理、煅燒和運(yùn)輸?shù)娜湕l碳收支情況及成本;四是碳增匯對海洋生態(tài)環(huán)境的影響,包括礦物供應(yīng)鏈過程、入海后的次生影響等。
研究在分析基于碳酸鹽泵的礦物添加化學(xué)固碳工程對海洋生物(包括浮游植物、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及濾食性貝類)影響基礎(chǔ)上,評價了礦物顆粒物對水生生物的濃度和粒度效應(yīng),給出了納米和微米顆粒的敏感生物及可能的安全濃度閾值。研究發(fā)現(xiàn),海洋化學(xué)固碳對海洋生物的影響主要包括釋放化學(xué)物質(zhì)的影響效應(yīng)和顆粒效應(yīng)兩個方面。化學(xué)固碳中添加的礦物風(fēng)化或金屬無機(jī)鹽會釋放化學(xué)物質(zhì)(包括金屬離子、Si、P、Ca2+、Mg2+等),直接影響浮游植物和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。固碳過程中形成的顆粒物主要影響濾食性生物,其毒性效應(yīng)隨著粒度的減小和濃度的增加而增加。藻類、甲殼類生物是水體納米顆粒的敏感生物群體,其L(E)C50值可用來制定化學(xué)固碳中生成的納米顆粒對生態(tài)系統(tǒng)的安全濃度閾值。貝類或魚類的胚胎或幼體是微米顆粒的敏感生物群體,其L(E)C50值可用來制定微米顆粒物的安全濃度閾值。
該研究首次提出響應(yīng)化學(xué)固碳過程不同階段產(chǎn)生的不同粒度顆粒的敏感生物群體和安全濃度閾值,結(jié)果可為在確定基于碳酸鹽泵的固碳模式方案時設(shè)定施加礦物或鈣鹽的濃度、初始形態(tài)特征,以確保在實現(xiàn)固碳效率最大化的情況下將生態(tài)風(fēng)險降到最低,可為開展實際外?;瘜W(xué)碳增匯工程提供理論支撐和技術(shù)依據(jù)。
論文第一作者分別為段麗琴研究員和莊文副研究員,研究得到國家自然科學(xué)基金、山東省基金等項目支持。
論文訊息:
Liqin Duan, Jinming Song, Xuegang Li, Huamao Yuan, Wen Zhuang, 2023. Potential risks of CO2 removal project based on carbonate pump to marine ecosystem. Science of the Total Environment 862, 160728. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160728
Zhuang, W., Song, X.C., Liu, M., Wang, Q., Song, J.M., Duan, L.Q., Li, X.G., Yuan, H.M., 2023. Potential capture and conversion of CO2 from oceanwater through mineral carbonation. Science of The Total Environment, 867: 161589. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.161589

圖1 海洋化學(xué)碳增匯主要策略示意圖

圖2 海洋化學(xué)碳增匯實施的經(jīng)濟(jì)考量(包括天然礦石開采、金屬氧化物/氫氧化物的生產(chǎn)鍛造、廠房建設(shè)、火力發(fā)電、土地占用、二氧化碳回收和運(yùn)輸?shù)龋?/p>

圖3 海洋化學(xué)固碳過程中釋放的化學(xué)物質(zhì)及生成的顆粒物示意圖及不同粒度顆粒對水生生物安全濃度閾值
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