海洋支撑碳中和技术体系框架构建的思考与建议❋

王文涛， 刘纪化, 揭晓蒙， 李 黎， 何 方

(1. 中国21世纪议程管理中心， 北京 100038； 2. 山东大学海洋研究院， 山东 青岛 266237； 3. 浙江大学海洋学院， 浙江 舟山 316021)

温室气体排放与存储达到平衡，实现“净零排放”，即为碳中和(Carbon Neutrality)[1]。2018年政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的《全球升温1.5 ℃特别报告》指出，要实现将全球气温升高控制在1.5 ℃以内这一目标，需要到2050年将人为温室气体净排放量降至零。2021年IPCC发布的第六次评估报告《气候变化2021：自然科学基础》明确指出，人类活动导致了大气、陆地和海洋增温，这一变化千年未见[2]。以CO2为主的温室气体在大气中积累，导致了全球升温、冰川融化、海平面上升和海洋酸化等一系列生态现象，并伴随异常高温、沙尘暴和大风等极端天气频发[3-4]。这不仅是全球科学家的共识，也成为各国政府的重要政策导向。应对日益严峻的气候挑战，力争在本世纪中期实现碳中和，是全球共同的使命[5]。截止目前，全球已有130多个国家提出碳中和目标[6]。

2009年联合国环境规划署、粮农组织和教科文组织政府间海洋学委员会(UNESCO/FAO/IOC)联合发布《蓝碳：健康海洋固碳作用的评估报告》(Blue Carbon: The Role of Healthy Oceans in Binding Carbon)，首次提出海洋吸收大气中CO2，并将其固定、储存在海洋中的“蓝碳”概念[9]。保护国际(Conservation International，CN)和政府间海洋学委员会(IOC)等联合启动了“全球蓝碳计划”(The Blue Carbon Initiative)，成立了专项工作组，发布了蓝碳相关的系列报告，包括《蓝碳政策框架》[10-11]、《蓝碳行动国家指南》[12]、《海洋碳行动倡议报告》等。2014年IPCC发布的《对2006 IPCC国家温室气体清单指南的2013增补：湿地》中给出了海草床、红树林、滨海盐沼三类蓝碳生态系统的清单编制方法，针对不同数据级别，规定了各类碳库变动的计算方法、排放因子和活动数据的选择以及不确定性评估方法。目前，美国和澳大利亚已连续两次将滨海湿地纳入各自的国家温室气体清单，并不断完善清单内容。2019年，美国国家科学院、工程院和医学科学院联合就海洋碳封存技术发表了《负排放技术与可靠的碳封存：研究议程》报告[13](Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration: A Research Agenda)。同年9月IPCC发布《气候变化中的海洋与冰冻圈特别报告》(SROCC)，指出海洋将在应对气候变化中发挥重要作用[14]。

2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会上提出，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，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。当前，中国政府已经将碳达峰碳中和纳入生态文明建设整体布局，成立了碳达峰碳中和工作领导小组，正在制定碳达峰碳中和时间表、路线图和一系列行动方案与落实举措[15]。2021年9月，中央发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、《2030年前碳达峰行动方案》等系列文件，对海洋支撑碳中和工作提出了更高要求。在2021年11月举行的《联合国气候变化框架公约》缔约方第26次大会(COP26)上，190多个国家签署了“格拉斯哥气候协议”，中国与美国联合发布《中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》，承诺继续共同努力，采取提高力度的强化气候行动，加强《巴黎协定》的实施。回顾过往，中国政府很早就认识到海洋在增加碳汇、缓解气候变化方面的重要作用，并对发展海洋碳汇做出了战略部署。2015年《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》和《“十三五”规划(纲要)》指出加强海岸带、湿地保护与修复；《全国海洋主体功能区划》提出积极开发利用海上风能、海洋能等可再生能源，推动绿色经济发展，增强海洋碳汇功能。2017年《“一带一路”建设海上合作设想》和《中共中央国务院关于完善主体功能区战略和制度的若干意见》指出，与沿线国共同开展海洋和海岸带蓝碳计划，建立国际蓝碳合作机制，探索建立蓝碳标准体系及交易机制。中国科学家在海洋碳汇基础研究领域开展大量工作，特别是提出微型生物碳泵理论(Microbial Carbon Pump，MCP)，为海洋碳汇提供了新思路，正在引领国际前沿。因此，全面构建海洋支撑碳中和的技术体系，既是推进海洋经济高质量发展的需要，也是加强生态文明建设的战略举措，在满足可持续发展要求的背景下，全面助力国家“双碳”战略目标的实现。

1 海洋支撑碳中和技术体系构建的基本思路

海洋领域科技创新在支撑中国碳中和目标实现进程中的作用十分关键。为此，需要立足国情、统筹谋划，从当前碳排放现状和技术需求分析入手，突出海洋领域的增汇和减排两个方面，重视耦合优化与协同增效，在综合考虑以下情况基础上，提出构建海洋支撑碳中和的技术体系。

1.1 立足气候变化和社会发展，分析海洋支撑碳中和的技术需求

据统计，2020年中国CO2排放量约100亿t，减排压力巨大[16]。为了满足气候系统稳定的需求，最直接、安全的做法就是减少碳排放，使其控制在系统稳定的碳储量边界范围内，同时也要考虑到社会正常运转和国民经济发展的需求[17]。这一矛盾客观上要求“增汇”和“减排”必需有机结合，才能应对气候变化。根据中国碳核算数据库(CEADs)数据分析汇总，中国CO2排放主要源自电力和热力生产行业[18]；海洋可再生能源技术能够有效减少因电力生产而导致的CO2排放。而基于“人均基本生存碳排放需求”的研究表明，即便充分利用了替代能源，至2030年中国每年仍有25亿t的碳排放[19]。因此，碳中和目标的实现，海洋增汇和减排将在其中发挥不可替代的作用。

1.2 依托资源特点和科技优势，确定海洋支撑碳中和技术路径与发展方向

优先发展中国海洋特色碳汇资源，中国是海洋大国，海岸线绵延数万公里，海域面积超470万km2，纵跨热带、亚热带、温带等多个气候带，自然资源类型丰富，特色鲜明，发展海洋碳汇的自然条件得天独厚，同时海上风能技术、海洋能技术等减排技术发展迅速。其中中国海岸线绵延数万公里，滨海湿地多样性丰富[20]；沿岸海水养殖业经过多年发展，其面积和产量已多年居世界首位[21]。超前部署前瞻性技术，中国科学家在海洋碳汇过程机制研究领域引领国际潮流[22-23]。早在2010年，科学界就认识到微型生物代谢活动是惰性溶解有机碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC)的主要贡献者[24]，揭开了海洋RDOC来源的世纪之谜。全球最大的Aquatron大型海洋生态系统模拟体系开展的高时间分辨率实验，证实了微生物的高效RDOC储碳速率[25]。理论研究表明，前瞻性综合利用微型生物碳泵、生物泵和碳酸盐泵等生物化学储碳机制和技术，能够实现人为操控海洋生物化学过程实现额外CO2净吸收，可望通过生态工程再现地球历史上曾经发生过的大规模碳封存。此外，应注重保护滨海湿地与海洋生态系统，实施可持续海水养殖和陆海统筹战略，提升海洋生态系统碳汇能力[5，26]，推动研发风能海水制氢、海洋矿物吸收等前瞻性技术，支撑海洋领域技术更新迭代和新兴产业培育。

1.3 重视系统解决方案，强化海洋支撑碳中和的技术耦合优化与协同增效

碳中和目标的实现是一项系统性工程，涉及能源、工业、建筑和交通等领域，以及陆地、海洋增汇和生物多样性保护等方面，共同构成了一个多维度的复杂系统。碳中和目标的达成需要全面构建海洋领域碳中和技术体系，强化技术之间的集成发展，坚持优势互补，实现融合发展，使各单类技术在特定场景下的组合实现最优的碳中和效果。从系统目标来看，碳中和的科技支撑不仅是解决温室气体减排与增汇问题，更要兼顾经济社会和自然资源的可持续发展问题[6]，例如海草床、红树林等湿地的生态保护效益。从技术关系来看，各技术及其实施过程都不是相互独立的，如微生物介导的碳流传递和能流分配，全链条贯穿“看得见摸得着”的碳汇资源和生态过程。从应用效果来看，集成优化技术能够突破单一技术手段的局限性，例如海洋不同类型可再生能源及与增汇技术在同一场景中叠加应用，通过资源特性互补、生产过程耦合、终端产品优化，达到子技术间的协同增效，助力减碳和增汇。

2 海洋支撑碳中和的技术体系框架

根据上述思路提供的设计框架，海洋支撑碳中和的技术体系应涵盖减排和增汇两个方面，兼顾气候稳定和社会发展需求，发展滨海湿地增汇技术、渔业碳汇扩增技术、海洋微生物增汇工程技术、人工上升流增汇技术和海底碳封存技术，实现碳汇的人为净增加；发展海上风电技术、海洋能技术，实现CO2的深度减排；统筹考虑技术应用需求，发展集成耦合与优化技术，最终助力净零排放的实现。基于资源属性、技术特点和前沿进展，我国海洋支撑碳中和的技术体系，建议考虑以下8个层面(见图1)。

图1 海洋支撑碳中和技术体系框架

2.1 滨海湿地增汇技术

滨海湿地增汇技术是指通过人类活动来增加滨海湿地的碳储量，避免或减少自然状态下因滨海湿地退化导致的碳储量损失的技术手段。滨海湿地的碳埋藏速率是陆地生态系统的15倍[20]，同时又极易受人类活动干扰破坏，因此通过修护或种植的方式增加植被覆盖率、提升碳汇功能至关重要。在红树林增汇方面已形成废弃虾塘生态修复技术、自然恢复技术、补苗改造技术、重建造林技术、红树林生态农场技术等；在盐沼增汇方面形成了斑块修复技术、多重修复组合技术等；在海草床增汇方面主要有种子法、草皮法、根状茎技术、海底土方格技术等系列修复技术；在海藻场增汇方面形成孢子育苗藻礁构建、网袋捆苗藻礁构建以及苗绳夹苗藻礁构建等技术。中国是世界上少数几个同时拥有海草床、红树林、盐沼、海藻场生态系统的国家之一，具有发展滨海湿地蓝碳的生物多样性资源优势。

2.2 渔业碳汇扩增技术

渔业碳汇扩增技术是指利用渔业生产活动促使水生生物吸收水体CO2，并通过收获将这些碳移出水域的技术手段，主要包括海水养殖[27]和海洋牧场相关碳汇技术。中国是率先提出“渔业碳汇”概念的国家，贝藻养殖占中国海水养殖的82%，其增汇技术主要包括单一或多营养层次综合养殖增汇技术[28]。通过在特定海域发展海洋牧场，可有效增殖养护渔业资源，扩增海洋渔业碳汇潜能，形成人工鱼礁生态修复碳汇扩增技术和渔业资源增殖放流碳汇扩增技术。据统计，中国15 m等深线以内的浅海滩涂面积约1 240 hm2，20～40 m等深线的可操作面积约3 700万hm2，目前中国海水养殖面积仅为204万hm2，未来海水养殖面积的扩充空间及其碳汇潜力巨大[29]。

2.3 海洋微生物增汇工程技术

海洋微生物增汇工程技术是指基于微型生物碳泵理论框架，通过浮游植物、浮游动物和异养细菌等海洋微型生物的代谢将大气中的CO2转变成在海洋中存储周期长达千年的不同形态的惰性碳，既包含有机碳，亦涵盖无机碳。理论研究表明，微生物介导的有机-无机联合增汇技术，具有典型的前瞻性和颠覆性技术特征，贯穿于滨海湿地、渔业碳汇等技术体系，是各增汇技术方案碳元素循环的重要推手。技术主要包括近岸缺氧区微生物增汇技术、近海微型生物碳泵智能增汇技术和多泵协同微生物增汇技术等[7]，其技术核心为海洋微生物介导的惰性有机碳生成、海水碱度增加和碳酸盐生产等联合增汇技术。如何定向利用并充分转化微型生物碳泵过程中的能流和碳流，通过调节海洋环境因子、底物输入和产物输出，人为加速碳泵的效率，实现最大化的综合海洋增汇，是关键科学问题和工程技术难题。微生物碳汇技术正处于从理论研究到关键技术研发，再到工程示范和应用场景构建的重要阶段，其理论和技术的突破将非常关键。

2.4 人工上升流增汇技术

人工上升流增汇技术是一种通过放置人工机械装备系统，形成自海底到海面的海水流动，促进海洋吸收大气CO2，实现碳汇扩增的生态工程技术手段。该技术可以持续地将低温、高营养的海洋深层水带至真光层，提升总的营养盐浓度，调节N，P，Si，Fe的比例，提升局部海域的初级生产力，继而增大海洋生物量，通过增加生物碳泵的方式增大向深海输入的有机碳量，主要包括人工鱼礁式人工上升流技术、水泵式人工上升流技术、波浪式人工上升流技术和气力提升式人工上升流技术等[30]。国内以浙江大学、山东大学、厦门大学为代表的团队已在该领域开展数十年研究，探索了大范围、高效率的海洋人工上升流形成方法及调控手段，并在青岛鳌山湾建成国内首个占海域面积500亩的人工上升流增汇示范工程。体积小、易布放、易维护的人工上升流装备，可有望将该技术大范围应用于我国海区。

2.5 海洋碳封存技术

海洋碳封存技术(Carbon Capture Utilization and Storage, CCUS)是指捕集提纯生产排放的CO2，并将其输送到海洋新的生产过程中进行循环再利用或封存的技术，主要包括海底CO2咸水层地质封存、海上油田CO2驱油和CO2置换水合物开采等技术[31-32]。国际上，挪威Sleipner项目打造了世界上第一个海上CCUS工厂，且已累计实现超过2 000万t CO2封存。日本Tomakomai CCUS示范项目和巴西Lula油田海上CO2提高原油采收率(CO2-EOR)项目等已实现商业化运行。《伦敦公约》专门针对海上CO2地质封存发布了《CO2海底封存的风险评估及管理框架》和《CO2海底处置专项评价指南》，为CCUS实施提供了依据。中国已初步圈定了适宜CO2地质封存的目标靶区36个，其中东部海域13个，南部海域23个，珠江口盆地作为重点调查评价区，该区域具有良好的地质封存条件和CO2-EOR能力，但目前中国尚无正在运行的海上CO2咸水层封存项目、海上CO2-EOR项目和CO2置换水合物项目。

2.6 海上风电技术

海上风电技术是利用海上风能带动风车叶片旋转，促使发电机发电的技术手段[33]。海上风能资源丰富稳定，且沿海地区电网容量大，风电接入条件好，可有效减少CO2排放。海上风电技术主要包括固定式海上风电技术和漂浮式海上风电技术，该技术总体呈现“由小及大、由近及远、由浅入深”的发展趋势。国际能源署(IEA)估计，在取代煤炭发电方面，每安装100万kWh的海上风电，可实现年CO2减排350万t。1986年，中国在山东荣成马兰湾建成了第一个风电场，开启了中国的风电发展道路。当前，中国风电产业新增容量超过300万kWh，占全球新增一半以上，已位列全球第一。2020年，中国风电发电量仅次于火力发电和水力发电。预计，中国海上风电2030年开发利用规模将达到5 000万kWh/a；2060年开发利用规模有望超过20 000万kWh/a(相当于年 CO2减排量7亿t)。

2.7 海洋能技术

海洋能技术是指以海水为能量载体，以潮汐、波浪、海流/潮流、温度差和盐度梯度等能量进行发电的技术手段，取代煤炭发电，达到减排效果。全球海洋能资源丰富，理论上每年可发电2 000万亿kWh，是全球电力消费量的70多倍(2019年全球电力消费量为25.8万亿kWh)[34]。海洋能技术主要包括潮汐能技术、潮流能技术、波浪能技术、温差能技术和盐差能技术等。中国积极发展海洋能技术，近年来在山东威海、广东万山、浙江舟山分别建立了国家浅海、波浪能和潮流能实验场。截至2020年底，中国海洋能电站总装机容量约0.8万kWh。潮流能技术发电成本下降较快，正在开展兆瓦级机组长期示范；百千瓦级的波浪能技术的发电装置长期海试和示范应用运行也提上日程；温差能技术在发电、深层冷海水利用、海水淡化等方面的综合利用和工程示范已经进入规划阶段。预计，中国海洋能2030年总装机容量将超过300万kWh；2060年总装机容量有望超过30 000万kWh(相当于年 CO2减排量0.5亿t)。

2.8 耦合优化与前瞻性技术

学科交叉和技术集成在海洋碳中和技术体系中占据重要位置，主要涵盖集成优化技术、前瞻技术和共性支撑技术。例如，国际海运碳减排技术种类繁多，积极推动氢能及电力驱动技术，综合采用多种技术措施有望实现高效节能效果。多种海洋能源技术优势互补，融合发展，将推动地域能源的稳定供给，如近海可再生能源互补发电技术、中远海可再生能源制备综合燃料技术、海上可再生能源和海洋生态环境集成增汇技术。其次，通过海洋新概念、新原理和新方法的耦合，能够推动前瞻性、先导性和探索性技术研发，支撑海洋领域技术更新迭代，如以摩擦纳米发电技术为代表的新型海洋能技术[35]、基于合成生物学的海洋生物制造技术、海洋极端环境机理研究支撑自主调控碳循环技术和海洋碳汇数据智慧立体互联技术。另外，需要建立健全海洋增汇和减排通用方法学、标准体系和碳汇交易体系，有利于参与国际气候治理体系，更好地发挥中国作用。

3 思考和建议

牢固树立发展是第一要务的理念，有序稳妥推进“双碳”工作，是全面构建海洋支撑碳中和技术体系的基本原则。加强碳中和技术体系理论和技术研究，夯实科学基础，发起海洋负排放国际大科学计划[36]，广泛开展国际合作。同时，鼓励新概念、新原理和新方法的创新，与信息、生物和新材料等前沿领域开展交叉融合研究，推动研发耦合优化和颠覆性前沿技术，打造彰显中国特色资源且国际认可的海洋支撑碳中和技术体系。具体建议如下：

3.1 继续完善海洋支撑碳中和的技术体系，加强布局前瞻性、颠覆性技术

加强微生物介导的有机-无机联合增汇机制和技术研发，关注多层次渔业碳汇扩增技术和综合养殖增汇技术，在养殖区开展微生物介导的碳酸盐增汇试点。评估滨海湿地碳汇时空格局与潜力，大力发展滨海湿地恢复和保护技术，建立典型滨海湿地-河口-近海碳汇联网观测技术体系，集成示范近海与淡水湿地生态系统固碳增汇关键技术和模式。加强海底碳封存区域潜力评估、CO2地层内迁移机制及泄漏规律研究，开展海底碳封存安全监测研究和技术示范。尽快制定海上可再生能源发展时间表和路线图，重点支持深远海风电技术研发，在保障我国能源安全供应的同时倒逼清洁能源转型。开展增强海水碳吸收功能、增强矿物风化作用的低沉本、高效率变革性技术研究。

3.2 瞄准海洋碳汇交易，建设中国特色且国际认可的技术标准规范和方法学

构建海洋生态系统碳汇监测、报告和核算技术体系，开展海洋碳汇本底调查和碳储量评估，加快遥感测量、大数据、云计算等新兴技术在碳收支实测技术领域的应用。提高统计核算水平，实施生态保护修复碳汇成效监测评估，积极构建全球海洋碳中和大数据中心和共享服务平台。积极参与IPCC开展的红树林、海草床和滨海盐沼及其他生态系统碳排放核算方法研究，建立既体现中国特色、又与国际衔接的科学合理的方法学，制定中国大型藻类养殖环境的碳储量调查与碳汇潜力评估标准。加快海洋碳汇核算和交易机制研究，建立海洋碳指纹、碳足迹等相关操作规范和评价标准，构建针对海洋碳汇的标准体系、交易规则。

3.3 注重边际效应，发挥海洋增汇减排的生态系统服务功能

重视海岸带生态系统在防灾减灾、生物多样性保护和固碳增汇方面的综合作用，通过红树林、盐沼、海草床等滨海湿地保护修复，提升生态系统碳汇能力，综合评价滨海湿地固碳增汇与其他关键生态服务功能的协同效应。充分利用基于自然的解决方案(Nature-based Solution)，推动海洋生态保护、可持续管理和恢复自然的理念本土化、实践化，探讨实现海洋可持续发展的有效途径。梳理近海养殖、海洋牧场等生产活动对海洋生态系统能流和碳流的影响，厘清在缺氧环境中实施海洋微型生物碳泵有机/无机联合增汇技术的生态容量边界条件，积极关注有关生态风险和工程风险。

3.4 深化国际合作，谋划实施海洋碳中和领域的国际大科学计划

加强与联合国海洋学委员会(IOC)、北太平洋海洋科学组织(PICES)、国际海洋开发理事会(ICES)等国际组织合作，提高中国科学家在海洋碳汇研究方面的国际参与度和话语权，推动中国特色碳汇资源和碳中和研究纳入联合国气候变化框架公约和联合国海洋十年的有关工作。谋划推进实施由中国科学家牵头发起的海洋碳中和、海洋负排放国际大科学计划，共同建设基于中国特色资源的海洋碳汇示范区，研发海洋微型生物碳汇、大型藻类碳汇计量标准，推出国际认可的中国海洋碳汇监测、计量和核算体系，为全球治理提供中国方案。

致谢：感谢厦门大学焦念志院士、中国水产科学院黄海水产所蒋增杰研究员、浙江大学樊炜研究员和肖溪研究员、中国科学院南海海洋研究所李鹏春研究员、海南大学赵鹏副教授的讨论交流。