作者：潘德炉，李 腾，白 雁 （卫星海洋环境动力学国家重点实验室，国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 ３１００１２）
引 言
进入21世纪，气候变暖带来的极端天气频发对人们生活所造成的影响越来越严重。为了应对气候变化给人类发展带来的影响，自1990年起已经召开了多次政府间气候谈判大会。 着又一次国际气候会议在德班的召开，气候问题再次吸引了全球的注意力。作为气候谈判的主体，各国政府在进行应对气候变化问题讨论的同时，也在为本国经济发展争取更大的发展空间进行争论。国家温室气体排放清单作为了解国家温室气体排放情况的重要手段，在为大会提供全球气候变化大背景的同时，也成为国家在气候谈判中的重要依据。在推行节能减排政策的同时，大力发展固碳技术也是应对气候变化、承担国家减排责任的一项有效举措。
21世纪是海洋的世纪，在发展低碳经济的问题上，除了陆地生态系统以外，海洋也开始受到人们越来越多的重视。不仅仅是因为海洋能够固定大量的二氧化碳，更重要的是，人们意识到通过海洋固碳的开发，在取得良好固碳效果的同时还能获得较好的经济效益。作为一个海洋大国，我国拥有约300万平方公里的蓝色国土，利用好这300万海洋国土对于我国的经济发展和减排政策有重要意义。
人类向大气排放温室气体已经持续了很长时间，直到最近才认识到气候变暖的严重性，这要得益于自然界提供的巨大温室气体吸收池，即广泛分布于陆地和海洋的绿色植物。绿色植物通过光合作用将大气中的二氧化碳转化成有机物，从而达到固碳的效果。
所谓固碳也叫碳封存，指的是增加除大气之外的碳库碳含量的措施，使二氧化碳在碳库中稳定地存留，在一定时间尺度上脱离碳循环。生物固碳就是利用植物的光合作用，提高生态系统的碳吸收和储存能力，从而减少二氧化碳在大气中的浓度，减缓全球变暖趋势。据统计，人类每年向大气中排放的二氧化碳除去有50％停留在大气之外，其余的都被海洋和陆地上的生态系统吸收，而海洋生态系统对人类排放二氧化碳的吸收量占总排放量的30％以上，可见生物固碳在缓解气候变化中的重要作用。
植物通过光合作用可以将大气中的二氧化碳转化为碳水化合物，并以有机碳的形式固定在植物体内或土壤中。由生态系统固定的碳被称为“绿碳”，不过现在“绿碳”主要是指由林业、农业、人工林等陆地植物生境和陆地土壤中固定的碳，由海洋生态系统固定的碳被形象地称为“蓝碳”。
相比较而言，陆地生态系统多是高等植物，其生命周期较长；而海洋中除了海岸带存在的一些高等植物外，广泛存在的是浮游植物、细菌等低级形态的生物。但在固碳能力上，出乎人们意料的是，海洋生物要高于陆地生物。据联合国《蓝碳》报告，虽然海洋植物总量只有陆地的0.05％，“蓝碳”却占据了生物固碳总量的55％，说明了海洋植物具有较高的碳固定效率。
碳汇与碳源是两个相对的概念，《联合国气候变化框架公约》将碳汇定义为从大气中清除二氧化碳的过程、活动或机制；将碳源定义为向大气释放二氧化碳的过程、活动或机制。虽然海洋作为一个整体是一个巨大碳汇，但是具体某一海域对于二氧化碳是源还是汇还有待调查验证。为了国家温室气体排放清单编制的准确性，必须对国家管辖海域的碳源与碳汇格局进行科学的观测。
目前的观测手段很难精确地直接测量用以判断海水是碳源还是碳汇的海－气界面二氧化碳通量，而是通过分别观测海表二氧化碳分压和大气二氧化碳分压来计算。当大气中二氧化碳分压大于海水二氧化碳分压时，二氧化碳从大气中进入海洋形成二氧化碳的汇；当海水的分压大于大气时，海洋反而会向大气释放二氧化碳，成为二氧化碳的源。当然，为了定量地描述海－气界面的二氧化碳通量，还必须计算与海温、盐度和风速等参数有关的二氧化碳溶解度和气体交换系数。
传统的海洋数据获取主要是采取航次观测的方式，用观测区域一定的站点数据来估算整个区域的海－气二氧化碳通量。这种观测方式获得的站位数据可信度高，但有限的航次并不能获得整个区域的数据，只能是用典型站点的数据来表征；其次，由于成本和人力的因素，航次测量很难获得海区长时间序列的观测数据，而这对于研究海－气二氧化碳通量的长期演变具有重要意义。
除了传统的走航式测量之外，20世纪70年代发展起来的卫星遥感技术也可以应用于海－气界面二氧化碳通量的观测。相对于传统的走航式观测，卫星观测具有极大优势。利用卫星观测可以在较短的时间内完成对大范围区域的观测任务；此外，卫星持续的运行观测，具有较高的时间分辨率，能够在短周期内实现对同一区域的重复观测，这样就实现了长时间序列数据的获取，为分析海洋中二氧化碳的动态变化提供了稳定的数据支持。
要了解海洋碳循环及海洋固碳作用，需要先清楚海洋中碳存在的基本形式。大气二氧化碳经过一系列复杂的生化过程进入海洋后有颗粒无机碳（ＰＩＣ），溶解无机碳（ＤＩＣ），颗粒有机碳（ＰＯＣ）和溶解有机碳（ＤＯＣ）４种存在形式。海水中大部分的碳以无机碳的形式存在，只有约10％的碳以有机碳的形式存在，其中溶解有机碳又占了有机碳的大部分，颗粒有机碳只占海洋中碳的很小一部分。
对海洋来说，二氧化碳进入海洋有主动和被动两种方式。其中被动方式是指当大气中二氧化碳的分压大于海水的二氧化碳分压时，会促使二氧化碳从大气中进入海洋。海洋被动地接收空气中的二氧化碳，大量转移的二氧化碳以无机碳的形式存在于海水中，这一过程被称为海洋的“溶解度泵”。主动方式则是指海洋中的浮游生物通过光合作用消耗海水中的无机碳，造成海水的二氧化碳分压减小，从而使二氧化碳从大气转移到海水，这一过程被形象的称为海洋吸收二氧化碳的“生物泵”。
“生物泵”通过浮游生物的光合作用可以大量地消耗海水表层的无机碳，光合作用产生的有机碳最终以浮游动物的排泄物、死掉的浮游动植物残体等形式从上层海水向下沉降。在沉降过程中，部分有机物被海洋次表层和中层的细菌大量消耗，并随着细菌的呼吸作用重新以二氧化碳的形式排放到海水或大气中，还有一部分颗粒态的有机碳沉降到海底进入沉积层。由于深层海水的密度较大，再加上海洋中普遍存在的温跃层，除了存在上升流的海区外，深层海水和上层海水之间的交换能力很弱。大量的二氧化碳就这样被生物泵从海水表层抽送到海洋深部储存起来，在较长的时间尺度上（百年甚至万年）不再参与表层二氧化碳的交互，实现了真正固碳。因此，有机碳沉降代表了海水中碳的垂直输送量，是海洋真正的固碳量。
除此之外，光合作用的另一部分碳则以溶解有机碳的形式存在于大洋中，且占到有机碳总量的 90％之多，这些溶解有机碳可以被细菌滤食并在深海以二氧化碳的形式释放。不过在细菌中，存在着一种奇特的好氧不产氧的细菌，他们可以将溶解有机碳转换为一种不能再被细菌利用的惰性溶解有机碳（ＲＤＯＣ），这种惰性溶解有机碳也可以在很长的时间尺度保持稳定，不再参与碳循环，因此，也属于海洋固碳的一种形式。
虽然被动方式吸收的无机碳占海洋吸收二氧化碳的很大一部分，但其被动吸收过程也决定了这一过程并不能从根本上降低大气中二氧化碳的含量；相反地，通过浮游生物的光合作用或者微型生物对碳的转换则可以主动地固定二氧化碳；可以设想，如果在这一过程中能够添加一些人为干预的因素，增加海洋生物固碳，则可为实现降低大气二氧化碳含量的目标提供另一种可靠的手段。
4.1 碳增汇原理
既然海洋吸收二氧化碳的潜力如此巨大，那么我们能否采取一定的措施在某种程度上提高海洋吸收二氧化碳的能力呢？答案当然是肯定的。通过了解“生物泵”固定二氧化碳的方式我们可以看到，在“生物泵”的工作过程中，其固碳的主要方式就是通过海洋中的生物活动将二氧化碳从大气中固定下来，在较长时间尺度上脱离碳循环。例如，在边缘海沉积物中沉积、在深海中沉降，或者形成不可再转换利用的惰性溶解有机碳等。因此，我们可以一方面通过提高海洋的初级生产力使得生物泵能够吸纳更多的碳；另一方面可以大力发展海产养殖，增加碳在生物泵里的流动周期。如果将提高海洋初级生产力比喻为增加了生物泵的功率，那么科学的海水养殖则是增加了“生物泵”的筛网，在吸收更多二氧化碳的同时，增加了碳在生物泵的驻留时间。
4.2 铁施肥实验
要增加浮游植物的生产力，必须对浮游植物生长过程有一定的了解。浮游植物在其生长过程中主要受海水温度和营养盐的控制。大量的研究表明，在某些大洋区域，尽管常规的氮和磷营养盐浓度充足，但是叶绿素含量却相对较低；原因在于该区域铁含量非常低，限制了大洋中浮游植物的生长。据此人们提出向海洋中施加“铁肥”的建议，为了验证加铁措施的可行性，国际上在不同海域分别组织了13次加铁实验，实验表明向海洋中加铁短期内确实可以促进浮游植物的生长。不过后续的调查发现，海洋加铁只是在短期内提升了海洋对大气二氧化碳的吸收能力，随着加铁实验的结束，实验海区的碳吸收情况又恢复原平衡状态，有限的加铁实验并不能持久地增加海洋固碳的能力。
4.3 海藻／海草养殖
在陆地上的“森林碳汇”广泛受到人们关注的同时，海洋林业———海藻和海草养殖在碳汇方面的作用也获得人们越来越多的认识。据联合国粮农组织报告，2002年全球水生植物总量已经达到1160万ｔ；而2006年的全球水生植物总量达到1510 万ｔ，其中93％由养殖获得。在目前的海藻养殖中，海藻种类主要是海带、龙须草和紫菜。统计表明，这些海藻中有机碳的含量平均约为31％，也就是说2006年由海藻养殖固定的碳量约为435万ｔ，可见海藻养殖有较大的固碳潜力。
4.4 渔业碳汇
与存在着巨大争议的海洋加铁试验不同，渔业碳汇被认为是一种有效地增加海洋对碳吸收能力的手段。鱼类在其生长过程中可以固定一部分碳，通过对鱼类的合理捕捞，将渔业固定的碳从海水中转移出来，这样就增加了海洋的碳汇。据联合国粮农组织报告，2009年全球的水产养殖已经突破1.6亿ｔ，其中人工养殖产量占总产量的45％，而且其占有比例还在逐渐上升，可以预见大力发展渔业碳汇有助于增加海洋的固碳能力。
在关注增加海洋浮游植物碳汇的同时，海岸带生态系统的固碳作用也应该受到相应的重视。作为海岸带生态系统的重要组成部分，联合国《蓝碳》报告对红树林、盐沼、海草和湿地的固碳能力给予很高的评价。海岸带生态系统被认为是固碳效率最高的植物环境，通过对红树林等海岸生态系统的保护可以大量增加海洋碳汇。除了以上提到的生物泵的有机固碳外，也有人提出建议，利用海洋深层水对二氧化碳的溶解能力大于表层水的特点，通过将大气中的二氧化碳人为输送到深层海水中，扩大海洋吸收二氧化碳能力。不过鉴于目前对整个固碳过程的运作机制和其对海洋环境带来的影响还没有较为完整的认识，此类提议还没有真正地被应用到具体工程中。
4.5 其他的增汇措施
在关注增加海洋浮游植物碳汇的同时，海岸带生态系统的固碳作用也应该受到相应的重视。作为海岸带生态系统的重要组成部分，联合国《蓝碳》报告对红树林、盐沼、海草和湿地的固碳能力给予很高的评价。海岸带生态系统被认为是固碳效率最高的植物环境，通过对红树林等海岸生态系统的保护可以大量增加海洋碳汇。除了以上提到的生物泵的有机固碳外，也有人提出建议，利用海洋深层水对二氧化碳的溶解能力大于表层水的特点，通过将大气中的二氧化碳人为输送到深层海水中，扩大海洋吸收二氧化碳能力。不过鉴于目前对整个固碳过程的运作机制和其对海洋环境带来的影响还没有较为完整的认识，此类提议还没有真正地被应用到具体工程中。
前面已经提到，生物固碳不仅具有良好的环境效益，还能带来较大的经济效益。一方面生物固碳中的一些行业，如海产养殖、渔业捕捞等生产性行业所生产的产品本身就具有一定的经济价值。尤其是海洋渔业，作为人类蛋白质的重要来源，２００８年世界海洋渔业（不包括水生植物养殖）产值已经达到５８９８万美元。另一方面，生物固碳项目还可以通过《京都议定书》规定下的清洁发展机制出售其减排产生的碳排放信用来获取一定的资金。作为《蓝碳》报告重点强调的对象，加强红树林的保护工作也能取得较好的固碳效果，而且红树林已经被列入了国家温室气体排放清单，基于红树林的生物固碳项目也具有较高的碳汇价值。
人类每年向大气排放约５５亿ｔ二氧化碳，其中海洋吸收约２０亿ｔ左右，以现在市场上６欧元／ｔ的碳交易价格来估算，海洋每年的固碳效果具有的潜在市场价值约为１２０亿欧元。据估算，仅“铁施肥”项目所具有的潜在碳交易价值就可达数亿美元。正是因为海洋固碳巨大的潜在市场价值，在海洋中加铁的项目虽然其固碳结果还有待明确，但因其巨大的经济效益而得到较多的关注。
虽然海洋作为一个整体是一个重要的碳储库，但是大量增加海洋固碳能力的想法仍有一定的不确定性。一方面对海洋的碳固定机制研究仍有待加强，尤其是与人类生活密切相关的边缘海部分。目前关于全球边缘海是“碳汇”或是“碳源”的问题还没有明确的答案；另一方面利用海洋固碳可能引起的负面影响也还没有较全面的研究。
大量的二氧化碳进入海水，也深刻改变着海洋的生化环境，最显著的就是 “海水酸化”现象。 截止２０１１年，海水的ｐＨ 值已经降低了０．１，相当于海水中的酸度提高了３０％。海水的酸化会造成海洋生物死亡，生态系统功能退化，典型的实例就是大量珊瑚礁的白化现象。这表明，虽然海洋是碳的重要储库，但是其对二氧化碳的吸收也是有限度的，海洋并不能无限地吸收大气中的二氧化碳。
在海洋固碳能力还没有得到人们充分认识的时候，人们的开发活动已经给海岸带生态环境带来了严重的影响。据统计，现在全球海岸带红树林、盐沼和海草生态系统的消失速度是热带雨林消失速度的 ５ ～１０ 倍。而这些生态系统都具有较强的碳固定能力，是“蓝碳”的重要组成部分。目前海洋生态系统的固碳（红树林除外）仍然没有列入国家温室气体排放清单中，比较完善的关于海洋生态固碳的核算标准还没有出现，而这在一定程度上也阻碍了市场对于海洋固碳的推动。
因此，我们必须加强对海洋碳源汇格局清单的调查，加强对固碳机制的科学研究；同时，还要研究关于海洋生态固碳的核算方法，为充分推动海洋碳汇的发展提供科学保障。
减少大气中温室气体含量的最直接的方法就是减少化石燃料的使用，但在新的能源技术获得广泛应用之前，将大气温室气体转移到地球其他圈层成为缓解温室效应的主要手段。作为国家温室气体排放清单的重要组成部分，海洋因拥有巨大的碳吸收能力而受到人们的广泛重视，因此必须加强对海洋吸收二氧化碳能力的科学观测。遥感技术的出现为持续、大范围海洋观测提供了可行的手段。此外，在利用海洋固碳的同时，评估固碳对海洋生态环境带来的影响也是一项必要的工作。利用好自然界提供给我们的这个巨大碳缓冲池，为减少温室气体争取更多的时间，是人类拥有一个可持续发展明天的重要保障。
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