人工添加橄欖石促進(jìn)海洋碳增匯過程*

鄭 強 吳俐琳 王藝蒙 王一雯 李云軒 焦念志

(1.廈門大學(xué)近海海洋國家重點實驗室 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361012;2.福建省海洋碳匯重點實驗室，福建 廈門 361012)

1 全球變暖、碳中和與海洋負(fù)排放

人類在近一個世紀(jì)以來大量使用礦物燃料(如煤、石油等)，排放出大量的CO2等多種溫室氣體，引發(fā)全球氣候變化，造成一系列全球性環(huán)境和社會問題。據(jù)政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)預(yù)測，到本世紀(jì)末全球氣溫將上升約4℃。2015年，《巴黎協(xié)定》采納了IPCC的科學(xué)建議，致力于把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2℃之內(nèi)，并將升溫控制在1.5℃之內(nèi)。中國政府積極響應(yīng)國際號召，在《巴黎協(xié)定》上首批簽字，并在“十四五”規(guī)劃綱要中提出，力爭2030年達(dá)到碳峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和(以下簡稱“雙碳”)。

2020年4月至2021年3月，中國的CO2排放量創(chuàng)下了近120億噸的歷史新高。只有將近期的CO2排放量限制在4.80億噸～11.30億噸才能實現(xiàn)既定目標(biāo)[1]。而傳統(tǒng)的節(jié)能減排方式對大氣CO2去除量有限，因此，綠色低碳科技創(chuàng)新行動與碳匯能力鞏固提升行動被明確納入《2030年前碳達(dá)峰行動方案》；同時，《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》也提出要加強綠色低碳重大科技攻關(guān)和推廣應(yīng)用、持續(xù)鞏固提升碳匯能力。

海洋是地球上最大的活躍碳庫，儲存了地球上93%的CO2，分別是大氣和陸地碳庫存的50倍和20倍，有著巨大的碳匯潛力[2]。海洋碳匯的儲碳周期遠(yuǎn)超陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的儲碳周期約為幾十年到幾百年，海洋碳匯則可達(dá)數(shù)百年至上千年[2]。開發(fā)海洋碳匯儲碳潛力，是實現(xiàn)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的一個重要方向，目前已受到了越來越多的關(guān)注，提升海洋固碳儲碳已被納入與“雙碳”政策相關(guān)的國家戰(zhàn)略規(guī)劃中[3]。

2 人為加速橄欖石風(fēng)化是實現(xiàn)碳中和的措施之一

2.1 橄欖石增匯原理及優(yōu)勢

地球上大部分碳儲存在巖石中(約 655000億噸)，其余則分布在海洋、大氣、植物、土壤和化石燃料里[4]。巖石風(fēng)化是在整個地球歷史自然過程中捕獲大量CO2的主要非生物過程[5]，地表硅酸鹽巖在受到含有CO2的水的作用下發(fā)生化學(xué)風(fēng)化，經(jīng)溶解再沉淀重新演化為碳酸鹽巖，實現(xiàn)減少大氣溫室氣體濃度、維持地表恒溫的目的。

人為加速橄欖石風(fēng)化被認(rèn)為是增加海洋碳匯的方式之一。橄欖石是一種分布廣泛的島狀正硅酸鹽礦物，外觀呈黃綠色晶體狀，化學(xué)式可簡寫為Mg2SiO4(鎂占金屬含量90%以上)，是地球上地幔的主要組成部分。在潮濕熱帶環(huán)境，橄欖石風(fēng)化速率可達(dá)到每年50μm[5]。由于風(fēng)化速度極快，很難在地表土壤中發(fā)現(xiàn)橄欖石。

橄欖石溶解增加的堿度可用于修復(fù)表層海洋酸化，有利于維持鈣化生物(如具有鈣質(zhì)外殼的珊瑚)的生長(見圖1)。此外，橄欖石溶解也可生成硅酸，有利于硅藻等初級生產(chǎn)者增長，橄欖石中含有的微量鐵元素的釋放也常是限制浮游植物生長的營養(yǎng)元素。因此橄欖石風(fēng)化不僅可以通過增加堿度吸收更多CO2來增加海洋碳通量，還可以通過硅、鐵釋放促進(jìn)浮游植物生長，增加表層海水pH值，同時刺激生物泵及微型生物碳泵來增加碳通量和碳封存[6](見圖1)。

圖1 橄欖石風(fēng)化的主要化學(xué)過程及海岸帶硅酸鹽風(fēng)化增強的四個階段(修改自文獻(xiàn)[6])

海岸帶地區(qū)通過人工添加橄欖石可以實現(xiàn)海洋碳增匯的效果。硅酸鹽風(fēng)化促進(jìn)CO2吸收的過程可分為4個階段(見圖1)：①橄欖石溶解發(fā)生在單個礦物顆粒表面，反應(yīng)產(chǎn)物(Mg2+或Fe2+、溶解的硅酸鹽和微量金屬等)被釋放到間隙水溶液中；②增加的孔隙水堿度將從沉積物釋放到周圍海水；③由于海岸帶深度淺、擾動高，堿度的變化很快影響到海水表層，表層水堿度的增加將引起CO2通過海氣界面向海水中轉(zhuǎn)移；④溶解產(chǎn)物在短時間尺度(0.1～1年)內(nèi)與開放海區(qū)的海水交換并輸出到深海，從而實現(xiàn)長時間尺度(100～1000年)的碳存儲。

相對于其他海洋碳增匯技術(shù)，在近岸人工投放橄欖石有如下優(yōu)勢：

①增加橄欖石風(fēng)化是對自然過程的促進(jìn)，并非人為改變自然。

②與許多其他增匯技術(shù)相比，如再生農(nóng)業(yè)需要大量的土地、CCUS具有一定的風(fēng)險，橄欖石風(fēng)化不干擾陸地土地利用，不與全球糧食和水安全等其他可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)競爭，甚至可能對它們有利[1]。

③橄欖石風(fēng)化過程可以緩沖CO2引起的表層海水pH下降。因此，橄欖石風(fēng)化一方面通過吸收大氣中的CO2從而減緩全球變暖，另一方面還可降低海洋酸化對生態(tài)系統(tǒng)的威脅。

④橄欖石碳礦化儲存的CO2長達(dá)數(shù)百萬年，相對植樹造林等方法(樹木一旦燃燒就會釋放CO2)，碳礦化儲碳的時間更長久。

⑤橄欖石資源豐富，可以利用波浪的自由能來研磨和粉碎橄欖石而無需消耗過多能量，研磨橄欖石并運送至海灘、陸架等近海海區(qū)無需攻克復(fù)雜的技術(shù)難題，易于實施。

2.2 橄欖石增匯沿海應(yīng)用方法

地球橄欖石的自然風(fēng)化是一個相對漫長的過程，但人類可通過開采橄欖石，將其粉碎后添加到沿海岸線，從而加速這一過程。目前已提出兩種沿海增強橄欖石風(fēng)化的應(yīng)用方法(見圖1)。第一種是將橄欖石應(yīng)用于沿海大陸架。大陸架海區(qū)通常具有較高的層流切應(yīng)力，可運輸大顆粒橄欖石(D50=1～5mm)[7]。當(dāng)橄欖石顆粒在洋流和波浪的作用下沿著海床滾動、跳躍或滑動時，就會發(fā)生自然的磨損，提升橄欖石風(fēng)化速率。大粒徑的橄欖石顆?？蓽p少前期的加工成本，也可以減少研磨橄欖石顆粒產(chǎn)生的CO2[8]。第二種是將其應(yīng)用于海灘等沿岸地區(qū)。該方法將細(xì)橄欖石(D50=100～300μm)分布在沿海地區(qū)，如海灘和淺潮下帶[9]。這些淺水中橄欖石顆粒的溶解可通過波浪作用及海床中各種形式的生物活動而增強，這些生物活動被譽為“底棲風(fēng)化引擎”。原位條件下，微生物代謝和大型動物擾動可顯著提高橄欖石溶解速率[6,10]。

已有研究發(fā)現(xiàn)了橄欖石在沿海不同水深(10～100m)溶解產(chǎn)物的積累效應(yīng)[6]。沿岸系統(tǒng)的水深越淺、橄欖石停留的時間越長，橄欖石溶解積累的堿度就越多，從大氣中吸收的CO2就越多。在橄欖石顆粒停留時間較長的淺海大陸架海域，局部的堿度積累可以緩解海洋酸化，釋放的金屬元素也可能影響浮游植物生長?？紤]到生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，評估橄欖石風(fēng)化對于生態(tài)系統(tǒng)的影響還需要進(jìn)一步的原位實驗。

3 沿海投放橄欖石國際項目——Vesta

目前，國際上已有對沿海添加橄欖石增匯方法的應(yīng)用組織。Vesta是一個由舊金山非營利組織開展的，以推進(jìn)沿海碳封存(Coastal Carbon Capture,CCC)為目的建造的橄欖石人工沙灘地球工程項目[11]。該項目計劃開采橄欖石并將其研磨成沙，運至海灘，添加到海岸線，通過潮汐及生物活動加速橄欖石風(fēng)化，提高海洋對CO2的吸收率[12]。

Vesta項目組將CCC的目標(biāo)劃分為5個循序漸進(jìn)的階段，只有當(dāng)前一階段的實驗數(shù)據(jù)表明是合理、安全的，才會向下一階段推進(jìn)[11]：

第一階段為基礎(chǔ)研究，包括模型開發(fā)、室內(nèi)實驗、天然橄欖石海灘研究、社會科學(xué)研究以及潛在試點場地的研究。研究人員由來自社會和環(huán)境科學(xué)不同機構(gòu)的全球科學(xué)家組成。目前，該項目已確定選擇加勒比海一個未被公開的島嶼海灘作為試點實驗區(qū)域。在橄欖石放置之前，項目研究人員將收集該地點的生物、生態(tài)、地質(zhì)、化學(xué)和物理因素的基線數(shù)據(jù)，并使用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗室分析和建模實驗，以得出橄欖石的風(fēng)化速率、橄欖石在試點隨時間的遷移等信息。

第二階段，放置少量橄欖石以便于檢測原位橄欖石風(fēng)化率及其對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有無影響。第一階段建立的所有參數(shù)信息將在第二階段用以監(jiān)測驗證，并觀察各項參數(shù)隨時間的變化，對站點之間的CCC安全性和有效性進(jìn)行比較研究。

第三階段將橄欖石的添加擴大至更大范圍和規(guī)模，在各個地區(qū)實行因地制宜的沿海碳封存規(guī)劃。

第四階段將擴大部署至國際規(guī)模。

第五階段將擴大至全球規(guī)模。

該項目已于2020年底完成了第一階段的籌款目標(biāo)，2021年開始在試點海灘展開實驗。據(jù)估計，實驗用的小海灘在幾年內(nèi)捕獲的CO2是同等面積的森林所捕獲的CO2的20倍。根據(jù)Vesta項目的官方網(wǎng)站信息所示，只要該項目擴展到0.1%～0.25%的大陸架海域，就可以捕獲10億噸CO2[11]。

4 研究展望

Vesta項目主要采用在海灘等沿岸地區(qū)添加橄欖石的方法，利用潮汐作用以及生物活動構(gòu)成的“底棲風(fēng)化引擎”來加強橄欖石風(fēng)化[11]。在中國近海實施沿海碳封存措施時，還可以考慮同時在大陸架部署粒徑較大的橄欖石，充分利用大陸架較高的層流切應(yīng)力來將其粉碎。此外，在試點實驗數(shù)據(jù)證實CO2封存效率較高、且對原位生態(tài)系統(tǒng)影響較小的情況下，還可以進(jìn)一步擴大規(guī)模，除直接的人力運輸與部署外，還可鋪設(shè)管道，借助河流連接橄欖石采集、粉碎的礦區(qū)和施放的近海區(qū)域(見圖2)，從而系統(tǒng)地在中國近海大陸架及沿岸地區(qū)分別部署粗顆粒(D50為1～5mm)和細(xì)顆粒(D50為100～300μm)的橄欖石來實現(xiàn)海洋增匯[13]。

圖2 福建沿海橄欖石運輸管道設(shè)想(修改自文獻(xiàn)[13])

中國大陸海岸線1.8萬km，島嶼海岸線1.4萬km，沿海碳封存潛力巨大。已有研究表明[14]，溫暖和潮濕地區(qū)最適合實施橄欖石風(fēng)化增匯，例如印度、巴西、東南亞和中國。借鑒Vesta項目的做法，中國也可在沿海范圍內(nèi)進(jìn)行階段性實驗，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)海洋力量[11]。