近日，中国科学院海洋研究所海洋生源物质循环与碳汇过程研究团队就“海洋人工碱化对未来海洋碳汇的影响” 开展研究，发现高排放情境下海洋人工碱化增加碳汇的作用有限，相关成果发表在国际学术期刊Oceans上。

气候变化引发的负面影响是 21 世纪人类面临关乎生存与发展的最严峻挑战之一。在此背景下，人们寄希望于通过大规模的人工干预活动，达到改造地球环境，调节气候系统的目的。海洋人工碱化（Artificial Ocean Alkalinization, AOA）是一种即通过向海水中施加碱性物质以达到调节海水碳酸盐平衡、缓解海洋酸化、增加海洋碳汇目的的地球工程（Geoengineering）（图1）。海洋占据了地球表面积的71%，自工业革命以来，海洋持续地从大气中吸收了超过五分之一的人为排放CO₂，担当了气候变化“调节器”的重要作用，海洋人工碱化（AOA）因而被认为是目前最具前景的海洋二氧化碳去除技术之一。但现阶段海洋人工碱化对海洋碳化学体系的确切影响仍不明晰，未来气候变暖、碳排放居高不下的情况下，海洋人工碱化是否还能够显著吸收大气二氧化碳以调节全球气候变化，存在着很大的不确定性。

图1. 海洋人工碱化常见的碱性物质及各自的固碳反应过程

研究团队采用挪威气候中心开发的NorESM2-LM地球系统模式，在第六次耦合模式比较计划（CMIP6）框架下，以每年增加0.14 Pmol碱度的预设探析了海洋人工碱化对未来海洋碳汇及碳化学体系的影响。结果表明，海洋人工碱化虽能影响海洋碳化学参数对高排放情境的响应力度，但无法改变碳化学参数的变化走向。在CMIP6构建的高排放情境（SSP5-8.5）下，溶解无机碳（DIC）和二氧化碳分压（pCO₂）在21世纪内分别将以平均1.83 μmol·kg-1·yr^-1和7.36 μatm·yr^-1的速率升高，而pH和碳酸钙饱和度（Ω）将以0.044·yr^-1和0.0173·yr^-1的速率降低。在实施海洋人工碱化后，DIC和pCO2依旧还会持续升高，但DIC的升高的速率会增加到2.54 μmol·kg-1·yr^-1（图2a），而pCO2的升高速率则会减少到6.80 μatm·yr^-1（图2b）。pH和Ω依旧会持续降低，但降低速率会减少到0.041·yr^-1（图2c）和0.0156·yr^-1（图2d）。即在高排放情境下海洋人工碱化具备显著促进DIC增加（39%），缓慢抑制pCO₂升高（8%）、pH（7%）和Ω降低（10%）的作用。

图2. 高排放情境下全球平均(a) DIC, (b) pCO₂, (c) pH和(d) Ω在本世纪的演变

蓝线为未实施海洋人工碱化的结果，橙线为实施海洋人工碱化的结果（括号内的数字表示长期变化速率）

与海洋碳化学参数的情况类似，海洋人工碱化的实施对全球海洋碳汇的影响也存在“仅改变幅度，不改变走向”的局限性。自今至2080年左右，在高排放情景的框架下，全球海洋碳汇将以0.048 Pg C·yr^-1的速率增加，然后以0.012 Pg C·yr^-1的速率减少，在实施了海洋人工碱化后，2080年前的碳汇增加速率将提高到0.061 Pg C·yr^-1，而2080年后的减少速率也会提高到0.014 Pg C·yr^-1（图3）。本研究还进一步发现，实施海洋人工碱化仅会对全球大气平均CO₂水平产生较微弱的降低作用，该作用并不足以显著降低大气CO₂的温室效应（图4）。与此同时，高排放情境下的海洋人工碱化对海洋酸化的缓解作用也较为有限，饱和Ω的最低水深也仅有微弱的升高（图5），即全球海洋依旧会朝向海洋酸化的方向快速发展。

图3. 本世纪高排放情境下全球海洋碳汇的变化

蓝线为未实施海洋人工碱化的结果，橙线为实施海洋人工碱化的结果（数字表示长期变化速率）

图4. 高排放情境下全球大气平均CO₂含量在本世纪的变化

蓝线为未实施海洋人工碱化的结果，橙线为实施海洋人工碱化的结果

图5. 高排放情境下本世纪全球平均饱和Ω最低水深（即高于此深度后Ω将不饱和）的变化

蓝线为未实施海洋人工碱化的结果，橙线为实施海洋人工碱化的结果

该研究为未来实施诸如海洋人工碱化等地球工程提供了全新的科学启示，即若依旧维持高排放的情境，地球工程对全球气候的改变作用可能十分有限。论文的第一作者为曲宝晓副研究员，通讯作者为宋金明研究员，李学刚、袁华茂和段丽琴为共同作者。研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

论文信息：

Qu B X, Song J M*, Li X G, Yuan H M, Duan L Q. 2025. Future changes in carbon chemistry under the implementation of artificial ocean alkalinization based on CMIP6 Simulations. Oceans 6, 29. https://doi.org/10.3390/oceans6020029