2021科学发展报告/中国科学院年度报告系列

**章科学展望 An Outlook on Science 1.1碳中和背景下的海洋碳循环及海洋增汇潜力展望 戴民汉　孟菲菲　曹知勉 （厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室） 实现碳中和（carbon neutrality）以应对全球气候变化，其本质是人类对现代地球系统碳循环模式的人为调整和适应性管理。碳循环涉及碳元素在大气、陆地、海洋及生物圈之间的蓄积、储存和交换过程，以及其与气候系统在不同时间尺度和跨尺度的互馈机制，极其复杂，尚未真正获得清楚认识，因而是当今国际前沿科学命题。自工业革命以来，人类活动排放的CO2导致大气CO2浓度急剧增加，目前已突破410ppmppm指百万分比浓度，达到过去200万年内的*高值。已有足够的证据表明，由大气CO2浓度增加主导的温室效应是驱动目前全球变暖的主要因子。 2015年底，第21届联合国气候变化大会达成了《巴黎协定》，目前已有196个国家和地区加入，《巴黎协定》为2020年后全球应对气候变化所实施的行动做出了安排，其主要目标是将21世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内，并力争控制在1.5℃以内。为此，需要全球迅速且显著地减少CO2排放量，而且要从2020年开始，有效地从大气中移除CO2，到2050年前后达到净零碳排放（net zero carbon emissions）。2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上向全世界郑重承诺：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争中国CO2排放于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。” 从全球尺度视之，碳中和的内涵其实十分简单，即人为CO2的排放与去除达到平衡；在区域或国家尺度，由于存在部分自然系统碳汇计量的困难，碳中和可解读为：在一定时期内把由人类活动排放的CO2，通过节能减排、植树造林或碳捕获等形式移除掉，从而实现净零碳排放。需要指出的是，CO2并非唯一的人为排放的温室气体。《巴黎协定》第四条提出的目标则对应净零排放（net zero emissions），即人类活动造成的全球温室气体排放与清除之间达到平衡。2018年联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）发布的《全球1.5℃升温特别报告》指出，1.5℃温控目标要求全球CO2排放在2050年前后达到净零水平，而非CO2温室气体排放实现净零可以略晚，但在2050年之前需要实施深度减排。因此，净零排放目标在温室气体覆盖范围上广于碳中和目标，在达成时间上允许前者晚于后者。目前，已有超过130个国家立法确认或承诺在2040～2060年达到碳中和。 海洋依托于其巨大的热容吸收了气候系统中约93%的新增热量；同时海洋作为地球系统中*大的活跃碳库，吸收了超过25%人类活动排放（1850～2020年的排放总量）的CO2，对缓解气候变化起到了至关重要的作用。但海洋的持续吸热储碳也显著地改变着海洋理化环境与生态系统。自工业革命以来，海洋已由碳源（向大气释放CO2）转化为碳汇（吸收大气CO2），并且碳汇效应随大气CO2浓度的升高逐渐增强。但是，在未来净零排放或负排放情景下，大气CO2浓度将逐渐降低，海洋碳汇能力减弱，甚至可能将碳重新释放回到大气圈，这将进一步增加碳减排压力。目前，国内外学者已在全球和区域海洋开展了大量海-气界面碳通量观测研究，对其CO2源汇分布有了基本的认识。但是，如何准确评估海洋碳收支、碳库容量及其动态变化，仍存在极大的不确定性和科学技术方面的挑战；而以碳中和为目标的减排和增汇行动必将给地球气候系统带来一次巨大且前所未有的快速改变，如何预测这些人为干预行动对海洋碳循环和碳收支的扰动及对气候的影响，将是全球变化科学面临的重大新挑战。 一、海洋碳汇过程 海洋是地表系统*大的碳储库，碳储量约是大气的50倍，其中98%以溶解无机碳（dissolved inorganic carbon，DIC）的形式存在。溶解无机碳系统，也称作碳酸盐系统，包括游离二氧化碳（CO2）/未电离的碳酸（H2CO3）、碳酸氢根（HCO-3）和碳酸根（CO2-3）三种形态，这三种形态处于动态平衡。大气CO2通过海-气交换进入海洋后会发生以下一系列化学反应：打破海水碳酸盐系统原有的平衡，导致这三种形态的物质的量浓度发生相应的变化（化学反应方程式中g表示气态，aq表示溶解态）。这样的动态平衡构建了海水碳酸盐缓冲系统，即部分进入海洋的CO2会转换成其他形态，从而使海水中CO2浓度升高的程度低于非缓冲系统。 总体而言，随着深度的增加，海水的“年龄”也随之增大，停留时间亦然，通风减弱，即需要很长的时间才能重新与大气接触，发生交换。表层海水停留时间*短，1000米以下则可达数百年。如果将海洋表层的DIC输送至深层，便可长时间与大气隔绝，实现碳封存，同时促进上层海水进一步吸收大气中的CO2。海洋碳泵，通常包括溶解度泵、生物泵和碳酸盐泵等，承担输运、“封存”储碳的任务（图1）。 溶解度泵通常指高纬海区在冷空气和强风的作用下，表层海水快速降温，海水中CO2溶解度增大，海洋通过海-气交换从大气中吸收大量CO2；同时随着深层水的形成，高密海水携带吸收的CO2下沉进入大洋热液环流，脱离海-气交换层，从而实现对大气CO2的封存。生物泵始于海洋真光层，浮游植物吸收海水中的游离CO2和HCO-3进行光合作用，将无机碳转化为有机碳，其中部分以颗粒有机碳（particulate organic carbon，POC）的形式通过沉降等过程输送至深海，部分以溶解有机碳（dissolved organic carbon，DOC）的形式向下扩散至深海，进而实现碳封存。需要指出的是，在输送过程中部分有机碳会被再矿化成DIC释放到周围水体中。碳酸盐泵是控制海洋碳循环的另一重要过程。海水碳酸盐系统具有一定的缓冲作用：一方面，CO2进入海水使HCO-3和CO2-3之间的比例发生变化而减缓pH的降低；另一方面，海水中碳酸盐沉淀的形成会放出CO2（如图1碳酸盐泵中红色箭头所示），而碳酸盐溶解会从大气吸收CO2（如图1碳酸盐泵中蓝色箭头所示），这就是碳酸盐泵。在海底沉积物中存在大量的碳酸盐，因此，深海碳酸盐的沉积与溶解在长时间尺度上可调节大气CO2浓度。 二、海洋碳通量研究 海洋与大气的交界面是地球系统中物理、化学过程*为活跃的界面之一，在此界面上时刻进行着物质（水蒸气、CO2等）和能量（动量、热量等）的交换。海-气CO2交换通量由复杂的物理和生物地球化学过程所驱动，测量方法包括放射性碳同位素14C示踪法、稳定碳同位素比值法、海-气CO2分压差法、涡动相关CO2通量直接观测法等。目前*常用的是海-气CO2分压差法，基于现场观测数据，结合海-气界面气体交换速率计算海-气CO2通量（F），公式如下：式中k是气体交换系数，受海面上风、流、浪等因素的影响；s是CO2在海水中的溶解度，主要受温度控制，温度越高，CO2溶解度越小；和则分别代表表层海水和大气中CO2的分压，两者间的分压差决定了海-气CO2通量的方向。如果大于零，即表层海水CO2分压高于大气，海洋向大气释放CO2，即为碳源；反之海洋则为碳汇。总体而言，目前大气CO2分压比海洋高且增长速度快，海洋是大气CO2的汇。2011～2020年，全球海洋的海-气净通量的年平均值为2.2Gt碳，是大气CO2的汇。海洋每年从大气中吸收的量约为2.8Gt碳，相当于人为CO2总排放量的26%。 （一）国际研究进展 2009年联合国环境规划署（UNEP）、联合国粮农组织（FAO）和联合国教科文组织政府间海洋学委员会（IOC-UNESCO，简称IOC）发布了《蓝碳：健康海洋固碳作用的评估报告》，指出海洋固碳占全球固碳总量的55%，有着巨大的碳汇容量和增汇潜力。保护国际基金会（Conservation International，CI），IOC和世界自然保护联盟（International Union for Conservation of Nature，IUCN）发起了“蓝碳倡议”（Blue Carbon Initiative）计划，并成立海洋蓝碳政策工作组和科学工作组，发布了《蓝碳政策框架》（Blue Carbon Policy Framework）、《国家蓝碳政策评估框架》（National Blue Carbon Policy Assessment Framework）等一系列海洋碳汇报告。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）从市场机会、认可和能力建设、科学发展等方面提出了海洋碳汇工作部署。海洋碳通量监测与碳收支估算被国际众多研究计划纳入其关注的核心科学问题，包括世界海洋环流实验（The World Ocean Circulation Experiment，WOCE）、全球联合海洋通量研究（Joint Global Ocean Flux Study，JGOFS）等。由IOC召集，联合国际海洋碳循环协调计划（International Ocean Carbon Coordination Project，IOCCP）、上层海洋低层大气计划（Surface Ocean-Lower Atmosphere Study，SOLAS）、国际海洋生物地球化学与生态系统整合研究计划（Integrated Marine Biogeochemistry and Ecosystem Research，IMBER）、气候与海洋变化与预测计划（Climate and Ocean：Variability，Predictability and Change，CLIVAR）、全球碳计划（The Global Carbon Project，GCP）及相关领域专家成立“海洋碳综合研究”（Integrated Ocean Carbon Research，IOCR）工作组，旨在规划未来十年海洋碳循环综合研究，以支撑联合国海洋科学促进可持续发展十年规划。2021年，IOC发布了《海洋碳综合研究：海洋碳知识摘要及未来十年海洋碳研究和观测协调展望》（下文简称《海洋碳综合研究》）报告，强调了海洋通过吸收人为排放CO2在调节气候变化方面发挥着重要作用，但同时预警海洋碳汇在未来可能被逆转，海洋不但不再吸收CO2，还可能释放CO2，加剧温室效应。因此，开展海洋碳汇演变研究十分重要与迫切。 1.大洋 表层大洋二氧化碳地图（Surface Ocean CO2 Atlas，SOCAT）数据集收集来自科考船、商船船载海水pCO2实测数据以及浮标、自动驾驶船等CO2传感器数据；由超过100位成员组成的国际海洋碳研究组对实测数据进行质量控制后每年公开发布更新数据集；数据量由2011年**次发布时的630万条增长到2021年的3000万条。*新数据集收录了1957～2020年全球表层海水pCO2的观测数据，其分布如图2所示。以SOCAT数据集为基础，通过大数据技术构建均匀的大洋pCO2格点数据，以及相关的数据同化、模式研究得到了快速发展。基于此，GCP*新发布的《全球碳收支》（Global Carbon Budget）报告综合集成了8个模式和8个大数据产品的研究结果，对海洋碳收支及其误差进行了科学的评估。 2.近海 近海连接陆地和大洋，面积仅占全球海洋总面积的7%～10%，有机碳生产却占30%～50%，有机碳埋藏率更是高达80%，从而在全球碳循环中扮演着重要的角色。近海受人为活动和全球变化的双重影响，其中的物理与生物地球化学过程远比大洋复杂，除了海-气界面，还受陆-海、近海-大洋界面过程的影响，碳通量及其调控过程均具有高度的时空变异性，碳源汇研究难度更大。从全球集成研究结果来看，近海整体是大气CO2的汇，年碳汇量为0.19～0.45Gt碳，但这一结果仍存在较