?戴民漢、周寬波、陳鷹

應對氣候變化主要有以下三種方案（Keith and Dowlatebadi，1992）：一是減排，即降低人類活動對氣候系統的強迫，比如減少化石燃料的使用而降低大氣中的GHG 含量；二是適應，即改變生活和社會活動方式以減少對氣候變化的影響；三是干預，即通過工程技術手段干預地球氣候系統的變化，比如地球環境工程（geoengineering）。

需要指出的是，上述應對氣候變化的方案均存在複雜、深遠的社會經濟和政治成本。例如，由於複雜的國際政治經濟因素，通過減排方式幾乎不可能使大氣中GHG 濃度降低至1990 年以前的水平；而人類能否適應氣候變化的不確定性很大，因而風險也較大；地球環境工程雖然不像減排那樣對國際間合作關係存在較大的依賴性，但涉及複雜的科學、技術和倫理問題。

本章主要評價應對氣候變化的第三種方案，但並不評判是否應該實施地球環境工程，而是從科學和技術的角度闡述、分析與海洋相關的地球環境工程方案中所涉及的關鍵科學問題，並特彆強調了其中可能存在的生態風險。

目前，潛在的地球環境工程手段主要有三類。一是通過工程學降低大氣中的GHG濃度水平，如深海碳封存（deep-sea carbon dioxide disposal/injection）、海洋鐵施肥、增加森林覆蓋率等。二是通過工程學降低太陽輻射的強迫，如通過向大氣釋放氣溶膠顆粒來增加大氣的陽傘效應；通過安置反光材料降低太陽輻射，如布設巨型鏡子、白色屋頂等。三是通過工程學改變導致加速氣候變化的那些關鍵過程；多數的目標是防止兩極冰蓋的融化，並且減緩熱量向兩極傳輸，從而達到防止減弱大洋環流運轉效率和海平面上升的效果，如通過改變徑流或者建造大壩等方式來促進北極冰蓋的形成等。

目前，與海洋相關的地球環境工程手段大多屬於第一類，主要有深海碳封存、海洋鐵施肥和人工上升流（artificial upwelling）等。

深海碳封存

▋ 深海碳封存是指將化石燃料燃燒產生的CO? 捕集起來，通過相關技術注入深海，使之得以「封存」（sequestration）。

這一概念和方法最早由Marchetti（1977）年提出，並在近幾年得到不斷發展。Brewer 等（1999）發現，將CO?封存在低溫高壓的深海中，這些CO? 會與周圍海水發生反應，形成CO? 水合物，從而起到更好的封存效果。結合深海巨大的儲庫、深海碳酸鹽沉積物的緩衝能力以及深海水較長的停留時間等因素，使這種地球環境工程手段存在一定的應用可行性。儘管從千年尺度看，深層海水中的CO?最終會通過大洋傳送帶與大氣CO? 接觸，從而重新參與到全球碳循環中；但在相對短的時間尺度上看（200～300 年），深海碳封存卻可以在一定程度上有效減緩大氣CO?濃度不斷升高的趨勢（Barry et al.，2004）。

根據CO? 注入深度，海洋碳封存主要有兩種方式：一種是通過陸上固定管道或移動船隻將CO?注入到1500m 深度（mid-depth type），該深度是CO?具有浮力的臨界深度，該深度附近CO? 更多地以水合二氧化碳的形式存在，使得CO? 能夠更好地溶解在中層海洋而得以封存；另一種則是通過垂直管道將CO? 注入到3000m 以深水體，在該深度CO? 密度比海水大，不能溶解，從而沉降進入海底形成CO? 液體湖（lake type）（Marchetti，1977；Kita and Ohsumi，2005；江懷友等，2008）。

已有不少的證據表明，深海碳封存具有一定的生態風險，但現有的研究均局限於較小的空間範圍和短時間尺度，缺乏長期的實驗以開展系統評估。因此，在具體實施深海碳封存之前，必須全面評估其對深海生態系統的影響。

海洋鐵施肥

海洋鐵施肥是迄今為止被廣泛研究的潛在的地球環境工程手段之一。

▋ 人為鐵施肥增匯的科學原理在於通過向海洋施加鐵肥刺激浮游植物初級生產，從而增加其對CO?的吸收，並最終通過生物泵向下輸出顆粒有機碳，從而達到增加碳匯的效果。

潛在可實施的區域主要有兩類，即高營養鹽低葉綠素（HNLC）海區和低營養鹽低葉綠素（LNLC）海區，前者鐵限制浮游植物初級生產，而後者可能是鐵限制了生物固氮。

▲全球大洋混合層中固氮細菌生長的限制類型

資料來源：http：//whoi.edu/science/MCG/do

觀測結果表明，LNLC 海區現場加富實驗能夠增加固氮效率，但是固氮的具體機理如何，鐵元素在固氮過程中的具體作用，鐵是否為限制固氮作用的唯一關鍵因子，還是由其他因素共同作用，這些問題仍未得到解決。此外，與HNLC 海區施鐵肥相同，固氮作用是否能夠增加向下的碳輸出通量仍存在諸多爭議。因此，未來需要將施鐵肥對固氮作用的影響機理，以及固氮作用對碳輸出的貢獻作為研究重點。

人工上升流

▋ 人工上升流是另外一種可供選擇的海洋地球環境工程手段（Lovelock and Rapley，2007），其主要原理是通過各種供能方式和泵水手段，將深層富含常量營養鹽和鐵的海水帶入表層，刺激浮游植物生長，從而達到吸收大氣CO?並最終向下輸出的目的。

其中，供能方式主要有風能、太陽能、海流能（Liang，1991）和波浪能（Vershinsky et al.，1987；Liu，1999；Liang，1991）等；而所採用的泵水方式主要有擺動式慣性泵（Vershinsky et al.，1987；Liu，1999）、氣升泵（Liang，1996；Liang and Peng，2005）和隔膜泵（Liang，1991）等。

▲人工上升流示意圖

海流和波浪能是海洋中較為普遍和較易利用的能量形式，且其成本較低，是較為理想的人工上升流能量來源（Liu and Jin，1995）。採用這種方式的設備主要由浮體、控制閥以及上升管構成，其上升管通常長100～300m，直徑1m 左右，利用海水混合與波浪運動將深層海水帶至表層。

資料來源：http：//wrrc.hawaii.edu/bulleti

與自然上升流類似，人工上升流的作用到底是釋放還是吸收大氣CO?，尚屬未知。主要原因在於目前對上升流區的觀測還很匱乏，科學家無從知曉上升流區吸收和釋放CO? 的時空演替。未來對上升流區的長時間序列觀測和模擬將是人工上升流的研究重點。而且，如果利用人工上升流來增加海洋對大氣CO? 的吸收，由此引起的潛在的海洋酸化問題也是需要考慮的。因此，人工上升流在不同時間和空間尺度對碳循環的影響和作用是未來研究的重點科學問題。此外，在大規模工程化時，採用何種經濟有效的供能和泵水方式，也是未來需要解決的工程技術方面的重點所在。

海洋是一個複雜的物理-生物地球化學系統，因而必須在多學科和交叉學科的層面上進行研究。我國應針對上述與海洋相關、尚未解決的地球環境工程科學問題，全面開展多學科與交叉學科的綜合研究。同時，地球環境工程的實施需要複雜的工程技術支撐，因此，科學與技術的緊密結合也是我國發展海洋地球環境工程的重點所在。

本文摘編自《中國學科發展戰略·海洋科學》（中國科學院編. 北京：科學出版社，2016.1）一書「第十章 地球環境工程」，有刪減，標題為編者所加。

（中國學科發展戰略）

ISBN 978-7-03-045117-0

「中國學科發展戰略」叢書是中國科學院組織數百位院士專家聯合研究的系列成果,涉及自然科學各學科領域,是目前規模非常大的學科發展戰略研究項目。 《中國學科發展戰略·海洋科學》由兩部分組成。前五章從海洋科學基礎分支學科的角度來分析國內外發展現狀和未來趨勢.並對我國在這些分支學科的發展提出建議.第六章開始從當前國際普遍關注的、具有重要意義的海洋科學研究熱點中選取了氣候變異.二氧化暖循環、沿海生態系統與人類活動、地球環境歷史演變,以及減緩全球變暖的大規模工程手段等人類所面臨的五個重大問題,對這些方面中海洋的關鍵作用和應開展的研究進行分析、評述和建議.《海洋科學》還簡要回顧了制約我國海洋科學發展的瓶頸,並對今後發展方向提出總的建議。


推薦閱讀：
相关文章