海洋所研究發(fā)現(xiàn)高排放情境下海洋人工堿化增加碳匯的作用有限
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋生源物質(zhì)循環(huán)與碳匯過(guò)程研究團(tuán)隊(duì)就“海洋人工堿化對(duì)未來(lái)海洋碳匯的影響” 開(kāi)展研究,發(fā)現(xiàn)高排放情境下海洋人工堿化增加碳匯的作用有限,相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Oceans上。
氣候變化引發(fā)的負(fù)面影響是 21 世紀(jì)人類(lèi)面臨關(guān)乎生存與發(fā)展的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。在此背景下,人們寄希望于通過(guò)大規(guī)模的人工干預(yù)活動(dòng),達(dá)到改造地球環(huán)境,調(diào)節(jié)氣候系統(tǒng)的目的。海洋人工堿化(Artificial Ocean Alkalinization, AOA)是一種即通過(guò)向海水中施加堿性物質(zhì)以達(dá)到調(diào)節(jié)海水碳酸鹽平衡、緩解海洋酸化、增加海洋碳匯目的的地球工程(Geoengineering)(圖1)。海洋占據(jù)了地球表面積的71%,自工業(yè)革命以來(lái),海洋持續(xù)地從大氣中吸收了超過(guò)五分之一的人為排放CO2,擔(dān)當(dāng)了氣候變化“調(diào)節(jié)器”的重要作用,海洋人工堿化(AOA)因而被認(rèn)為是目前最具前景的海洋二氧化碳去除技術(shù)之一。但現(xiàn)階段海洋人工堿化對(duì)海洋碳化學(xué)體系的確切影響仍不明晰,未來(lái)氣候變暖、碳排放居高不下的情況下,海洋人工堿化是否還能夠顯著吸收大氣二氧化碳以調(diào)節(jié)全球氣候變化,存在著很大的不確定性。

圖1. 海洋人工堿化常見(jiàn)的堿性物質(zhì)及各自的固碳反應(yīng)過(guò)程
研究團(tuán)隊(duì)采用挪威氣候中心開(kāi)發(fā)的NorESM2-LM地球系統(tǒng)模式,在第六次耦合模式比較計(jì)劃(CMIP6)框架下,以每年增加0.14 Pmol堿度的預(yù)設(shè)探析了海洋人工堿化對(duì)未來(lái)海洋碳匯及碳化學(xué)體系的影響。結(jié)果表明,海洋人工堿化雖能影響海洋碳化學(xué)參數(shù)對(duì)高排放情境的響應(yīng)力度,但無(wú)法改變碳化學(xué)參數(shù)的變化走向。在CMIP6構(gòu)建的高排放情境(SSP5-8.5)下,溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)和二氧化碳分壓(pCO2)在21世紀(jì)內(nèi)分別將以平均1.83 μmol·kg-1·yr-1和7.36 μatm·yr-1的速率升高,而pH和碳酸鈣飽和度(Ω)將以0.044·yr-1和0.0173·yr-1的速率降低。在實(shí)施海洋人工堿化后,DIC和pCO2依舊還會(huì)持續(xù)升高,但DIC的升高的速率會(huì)增加到2.54 μmol·kg-1·yr-1(圖2a),而pCO2的升高速率則會(huì)減少到6.80 μatm·yr-1(圖2b)。pH和Ω依舊會(huì)持續(xù)降低,但降低速率會(huì)減少到0.041·yr-1(圖2c)和0.0156·yr-1(圖2d)。即在高排放情境下海洋人工堿化具備顯著促進(jìn)DIC增加(39%),緩慢抑制pCO2升高(8%)、pH(7%)和Ω降低(10%)的作用。

圖2. 高排放情境下全球平均(a) DIC, (b) pCO2, (c) pH和(d) Ω在本世紀(jì)的演變
藍(lán)線(xiàn)為未實(shí)施海洋人工堿化的結(jié)果,橙線(xiàn)為實(shí)施海洋人工堿化的結(jié)果(括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示長(zhǎng)期變化速率)
與海洋碳化學(xué)參數(shù)的情況類(lèi)似,海洋人工堿化的實(shí)施對(duì)全球海洋碳匯的影響也存在“僅改變幅度,不改變走向”的局限性。自今至2080年左右,在高排放情景的框架下,全球海洋碳匯將以0.048 Pg C·yr-1的速率增加,然后以0.012 Pg C·yr-1的速率減少,在實(shí)施了海洋人工堿化后,2080年前的碳匯增加速率將提高到0.061 Pg C·yr-1,而2080年后的減少速率也會(huì)提高到0.014 Pg C·yr-1(圖3)。本研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),實(shí)施海洋人工堿化僅會(huì)對(duì)全球大氣平均CO2水平產(chǎn)生較微弱的降低作用,該作用并不足以顯著降低大氣CO2的溫室效應(yīng)(圖4)。與此同時(shí),高排放情境下的海洋人工堿化對(duì)海洋酸化的緩解作用也較為有限,飽和Ω的最低水深也僅有微弱的升高(圖5),即全球海洋依舊會(huì)朝向海洋酸化的方向快速發(fā)展。

圖3. 本世紀(jì)高排放情境下全球海洋碳匯的變化
藍(lán)線(xiàn)為未實(shí)施海洋人工堿化的結(jié)果,橙線(xiàn)為實(shí)施海洋人工堿化的結(jié)果(數(shù)字表示長(zhǎng)期變化速率)

圖4. 高排放情境下全球大氣平均CO2含量在本世紀(jì)的變化
藍(lán)線(xiàn)為未實(shí)施海洋人工堿化的結(jié)果,橙線(xiàn)為實(shí)施海洋人工堿化的結(jié)果

圖5. 高排放情境下本世紀(jì)全球平均飽和Ω最低水深(即高于此深度后Ω將不飽和)的變化
藍(lán)線(xiàn)為未實(shí)施海洋人工堿化的結(jié)果,橙線(xiàn)為實(shí)施海洋人工堿化的結(jié)果
該研究為未來(lái)實(shí)施諸如海洋人工堿化等地球工程提供了全新的科學(xué)啟示,即若依舊維持高排放的情境,地球工程對(duì)全球氣候的改變作用可能十分有限。論文的第一作者為曲寶曉副研究員,通訊作者為宋金明研究員,李學(xué)剛、袁華茂和段麗琴為共同作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文信息:
Qu B X, Song J M*, Li X G, Yuan H M, Duan L Q. 2025. Future changes in carbon chemistry under the implementation of artificial ocean alkalinization based on CMIP6 Simulations. Oceans 6, 29. https://doi.org/10.3390/oceans6020029
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