摘要：全球气候变化已成为一个严峻的挑战，减少二氧化碳（CO2）排放已被广泛认为是应对气候变化的关键。但是单靠减排不足以应对已经积累的大量温室气体，因此，如何有效地从大气中移除已排放的CO2，成为了一个亟待解决的问题。我们知道，海洋作为地球最大的碳汇，吸收了约1/4人
原标题：气候破局？科学家找到让海洋“喝碱水”抗CO2的方法：海洋碱度增强（OAE）
本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：
编译：王芊佳
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编
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【编者按】全球气候变化已成为一个严峻的挑战，减少二氧化碳（CO2）排放已被广泛认为是应对气候变化的关键。但是单靠减排不足以应对已经积累的大量温室气体，因此，如何有效地从大气中移除已排放的CO2，成为了一个亟待解决的问题。我们知道，海洋作为地球最大的碳汇，吸收了约1/4人类带来的CO2排放，成为CO2移除和存储的潜力巨大的“候选”方案。但海洋碳吸收过程会导致海洋酸化，这又对海洋生物构成威胁。因此，科学家们提出了海洋碱度增强（OAE）这一概念，即通过增加海水碱度来加速海洋吸收CO2，同时避免进一步酸化。尽管OAE技术在理论上具有巨大潜力，关于其对海洋生态系统，特别是浮游动物和食物链的影响研究却相对匮乏。
“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到近日的一篇最新的研究，旨在填补这一知识空白。这项研究的发现于2024年12月6日发表在了《科学进展》期刊上，由基尔赫姆霍兹海洋研究中心牵头完成，为OAE技术的未来应用提供了重要的科学依据。为助力全球环境治理、并供我国学者了解最新研究动态信息，编译分享信息如下，供感兴趣的读者们参阅。（按/王芊佳）
本文约7200字，阅读约15分钟
为了应对气候变化，科学界正积极寻找既能减少大气二氧化碳（CO2）含量，又能保护生态平衡的新路径。最近，德国基尔赫姆霍兹海洋研究中心（GEOMAR）的研究团队发现，通过适度增强海洋碱度的方法，有可能在增加CO2吸收的同时，对海洋食物网产生的影响微乎其微。
人类活动每年排放大量的CO2，其中约1/4~1/3会被海洋吸收。这一过程虽然减缓了全球变暖，但也引发了海水酸化，对海洋生态系统构成威胁。
海洋碱度增强（Ocean Alkalinity Enhancement, OAE）是一种模仿岩石风化过程的创新方法，通过向海水中添加矿物（如碳酸盐或硅酸盐），增加海洋的碱度，从而增强其CO2吸收能力。但这种方法的潜在生态影响尚未得到充分研究。
Gran Canaria是西属加那利群岛中的一个岛屿，位于北大西洋亚热带地区，四面被辽阔的海洋环绕。该岛的海域水质较为贫瘠，营养物质含量较低，水体大部分时间呈现分层状态，缺乏足够的溶解营养物质。这种低营养的环境使得岛周围的海洋生态系统具有独特的特征，浮游生物等海洋生物的生长受限，因此，这里成为研究浮游动物和海洋生态系统响应外部环境变化的理想场所。来源：谷歌地图
为了探明OAE对海洋生物的具体作用，GEOMAR的科学家在加那利群岛附近海域（Gran Canaria）展开了一项为期33天的实验。实验使用了名为“KOSMOS”的离岸中尺度模拟装置（Kiel Off-Shore Mesocosms for Ocean Simulations），这是一种可沉入海水中的巨型试管装置，用以隔离并控制8立方米的水柱环境。在实验中，研究团队以不同浓度的碳酸钠和碳酸氢钠，模拟了从自然碱度到碱度翻倍的不同情景，以观察海洋化学环境变化对浮游动物群体的影响。
寡营养海域浮游动物对海洋碱度增强（OAE）的反应概览，展示了食物链的稳定性、结构和生产力的变化。图中的彩色单元格表示每个阶段浮游动物反应的线性回归结果。灰色表示没有显著影响，橙色表示可能产生不利影响，空白则表示无数据。箭头指示了OAE处理对浮游动物反应的变化方向。来源：Nicolás Sánchez et al. (2024)
实验结果表明，尽管碱度的提升可能会略微降低浮游动物饵料的营养质量，但这些变化并未对浮游动物的生物量、多样性或生产力产生显著影响，食物网整体表现出强大的稳定性。这些浮游动物，包括许多在海洋食物链中扮演关键角色的物种，在实验过程中展现出了较强的适应能力。研究团队指出，实验所在的亚热带水域由于其典型的寡营养环境，可能在一定程度上缓冲了碱度变化带来的间接生态效应。
尽管此次实验的结果令人鼓舞，但研究团队也强调，这并不意味着OAE在其他海洋生态系统中同样安全可靠。“我们的研究表明，CO2平衡的海洋碱度增强技术对亚热带贫营养海域的浮游动物及食物网没有显著影响，”该研究的第一作者尼古拉斯·桑切斯（Nicolás Sánchez）解释道，“但这并不能代表其他区域的生态反应，尤其是那些涉及更大化学变化的技术形式。”
研究还指出，OAE作为一种碳移除手段，在应对气候变化方面具有巨大的潜力。通过提高海洋对CO2的吸收能力，并避免进一步酸化，这一技术为全球变暖提供了一个强有力的缓冲方案。同时，它还可能在向清洁能源转型的过渡期发挥重要作用，帮助抵消难以完全去碳化的行业排放，以及安全地移除历史遗留的碳排放。
但要将这一技术应用于实际的话，还需展开更广泛的生态研究。研究团队呼吁，在不同的海洋生态系统中测试各种形式的OAE，以制定一套全面的环境安全框架。“我们的研究是朝着这一方向迈出的重要第一步，”桑切斯总结道，“但实现这一目标需要更深入的全球协作与科学探索。”
从飞机上俯瞰茫茫大海。摄影：卫伟 ©绿会融媒·“海洋与湿地”（图文无关）
具体的实验方法
Gran Canaria是西属加那利群岛中的一个离岸岛屿，位于北大西洋亚热带漩涡的边缘，四周被开阔海洋包围，表层水大部分时间呈现分层状态，水质贫瘠，缺乏足够的营养物质。2021年9月至10月期间，研究团队在位于岛屿东北海岸的塔利亚特港进行了一项实验，旨在探索增加水体碱度对浮游动物群落的影响。在该实验中，研究团队使用了8立方米的中型水槽，将天然的浮游生物群落（包括微藻、异养原生动物和浮游动物）封闭在水槽中进行观察，实验时间持续了33天。为了避免较大生物对实验结果的影响，水槽内的浮游动物群落被截断在3毫米以下，排除了更大的生物。
在实验设计上，研究团队探讨了不同碱度水平对浮游动物群落的影响。研究采用了9个中型水槽，模拟了从不增加碱度到将天然碱度加倍的CO2平衡的碱度梯度。为了实现这一目标，团队在实验的第4天，通过精确称量的碳酸钠和碳酸氢钠将碱性溶液均匀分配到各个水槽中，从而达到了预期的碱度水平。实验设计中的最高碱度设定基于碳酸钙的饱和状态。超过此饱和度后，碳酸盐会自发沉淀，导致碱度丧失，影响碳捕集与封存技术（CDR）的效果。因此，超过这一碱度水平的实际应用并不可取。
实验数据表明，在不同碱度水平下，水中的碱度、溶解无机碳、pH值、二氧化碳分压等变化均呈现一定的规律，显示不同的碱度条件下，水体的碳酸盐体系发生了显著的变化。
在浮游动物的监测方面，研究团队将浮游动物定义为所有体长大于55微米且小于3毫米的动物，并通过阿普斯坦网定期采集样本。为了研究这些浮游动物的生物量，团队每隔2天采集一次样本，通过分析碳氮质量、稳定同位素（13C、15N）以及脂肪酸等数据，深入探讨了不同碱度水平下浮游动物的生物学变化。
浮游动物样本会根据其大小分为三个类群：55~200微米（小型）、200~500微米（中型）、以及500微米~3毫米（大型）。每次采集的样本会经过不同处理，如用过滤海水培养一段时间以清空其胃内容物，并在不同温度下进行冷冻保存。随后，样本通过气相色谱法提取并测量脂肪酸含量，或者通过元素分析仪和质谱仪测定其碳氮质量。此外，研究团队还通过观察浮游动物的种群结构、食物网稳定性以及营养质量等方面，研究了碱度增加对浮游动物的影响。
该研究还考察了浮游动物作为鱼类食物的可获得性，主要通过测量其生物量、繁殖潜力以及二次生产量来评估。特别是，研究团队关注了桡足类浮游动物卵幼虫的生物量，作为其繁殖潜力的代理指标。
为了深入了解浮游动物作为鱼类食物的营养质量，研究还通过脂肪酸含量、脂肪酸组成以及浮游动物的种群结构等多个方面进行评估。研究团队特别关注了桡足类浮游动物和软体浮游动物的比例，认为桡足类浮游动物较为营养丰富，而软体浮游动物则相对较少被鱼类捕食。此外，通过对浮游动物的大小结构以及碳氮比值的分析，进一步探讨了浮游动物作为食物来源的营养价值。
在实验的不同阶段，研究团队对浮游动物的响应进行了三阶段的分析：初期（实验第5~10天）、中期（实验第11至22天）和长期（实验第23至33天）。初期阶段主要评估了碱度增加对浮游动物的直接影响，而中期和长期阶段则着重于浮游动物是否适应了这种变化，或其影响是否加剧。通过分析实验数据，团队发现，浮游动物群落的响应不仅受直接影响，还与浮游动物的发育周期密切相关。
通过对食物链的各个环节进行深入研究，研究团队评估了不同碱度条件下，食物链中的浮游动物的生物量、种群结构、营养质量等方面的变化。同时，他们还探讨了浮游动物对碱度变化的适应性，评估了碱度增加是否会对生态系统的底层食物链产生影响。为此，团队对浮游动物的稳定性、物种多样性以及食物网的长度进行了详细的统计分析，并基于这些数据推测了长期碱度增加可能带来的生态影响。
除了实验室研究，研究团队还查阅了相关文献，综述了海洋动物在低pH环境下的直接生理反应，尝试通过不同研究领域的对比，进一步了解高碱度和高pH对浮游动物的潜在影响。该文献综述分析了16项相关研究，涵盖了浮游动物、桡足类动物、造壳原生动物等多种生物，并探讨了这些生物在高碱度或高pH环境下的生理适应情况。
©绿会融媒·“海洋与湿地”（图文无关）
感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：
Nicolás Sánchez, Silvan U. Goldenberg, Daniel Brüggemann, Cornelia Jaspers, Jan Taucher, Ulf Riebesell. Plankton food web structure and productivity under ocean alkalinity enhancement. Science Advances, 2024; 10 (49) DOI: 10.1126/sciadv.ado0264
01
海洋碱度增强
海湿·小百科
海洋碱度增强（Ocean Alkalinity Enhancement, OAE）是一种基于自然的气候工程技术，旨在通过提高海水碱度来增强海洋吸收和储存二氧化碳（CO2）的能力。其原理类似于自然界中的岩石风化过程，即通过向海水中添加碱性矿物质（如碳酸盐或硅酸盐），增加海水的碱度，从而促进海洋对大气CO2的化学吸收，同时减缓海洋酸化的进程。这种方法不仅有助于减缓全球变暖，还能强化海洋在碳循环中的作用，被认为是减轻气候变化影响的潜在工具之一。
相比传统的碳捕集与储存技术，OAE更加依赖自然过程，理论上对环境的干扰较小。但是OAE的生态安全性和潜在风险仍在研究中。科学家们关注其对海洋化学环境的长期影响以及对海洋生态系统的潜在干扰，例如浮游生物、鱼类及其食物网的稳定性。目前已有实验表明，适度的OAE应用对某些生态系统是可行、且安全的，但，对不同生态环境的适应性和潜在风险仍需进一步深入研究。
02
中尺度实验系统
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中尺度实验系统（Mesocosms），简单来说，就是科学家们在实验室或野外搭建的一个模拟自然生态系统的缩微模型。它们可以是水池、水槽，甚至是封闭的容器，里面包含了完整的生态系统。科学家们可以通过控制变量、模拟实验，来更深入地研究生态过程，预测环境变化对生态系统的影响，为环境保护提供科学依据。这种系统就像是一个微型的生态实验室，让我们能够在可控的条件下观察和研究大自然。
比如说，通过控制不同围隔中的营养盐浓度，研究人员揭示了磷是导致太湖蓝藻水华的主要原因；在模拟海洋酸化条件下，科学家发现海洋酸化加速了珊瑚礁的退化；通过模拟气候变化，研究人员观察到湿地生态系统对温度升高和降水减少的响应。此外，中尺度实验还广泛应用于外来物种入侵、污染物影响、生态修复等领域的研究，为生态保护和管理提供了科学依据。但需要注意的是，中尺度实验系统也存在一定的局限性。比如，实验系统的规模和复杂性毕竟是有限的，很可能无法完全模拟自然生态系统的复杂性。所以在解释实验结果时，往往需要结合野外调查和长期监测数据，才能得出更全面的结论。
03
寡营养海域
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寡营养海域（Oligotrophic Waters）是指海洋中营养盐（如氮、磷等）含量较低的区域，通常分布于热带和亚热带的大洋中心。这些水域由于缺乏足够的营养物质支持浮游植物的生长，其初级生产力较低，因此被称为“寡营养”。尽管这些地区的生物密度较低，但它们通常拥有独特的生物多样性和适应能力，能够在贫瘠的环境中维持生态平衡。
它们远离大陆，远离河流带来的营养物质，这些水域有清澈、深蓝色的水体，生物量稀少，其生态系统对外界环境的变化（如温度、化学组成等）具有一定的敏感性。由于寡营养海域的营养供应有限，其食物网结构较为简单，但却对海洋碳循环和全球气候调节起到重要作用。在气候工程技术（如海洋碱度增强）研究中，寡营养海域经常被用作实验场所，以评估外界干扰对这些脆弱生态系统的潜在影响。
04
二氧化碳分压
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二氧化碳分压（partial pressure of carbon dioxide，简称pCO2）是指二氧化碳在水体中所产生的气体压力，通常用来衡量水中二氧化碳的浓度。它与水体的pH值和碳酸盐体系密切相关，因为二氧化碳在水中会与水反应，生成碳酸、碳酸氢根和碳酸根等化学物质。二氧化碳分压的变化可以影响水体的酸碱度，进而影响水生生物的生长与生存。比如当二氧化碳分压升高时，水体酸度增加，可能导致海洋酸化现象，对海洋生态系统带来影响。
在这项研究中，提到“二氧化碳分压”（pCO2）是因为它是衡量海洋水体酸碱度变化和碳循环的重要指标。pCO2表示海水中二氧化碳的压力或浓度，它直接影响水中的碳酸盐系统，包括碳酸（HCO₃⁻）和碳酸氢根（CO₃²⁻）的浓度，以及水体的pH值。在实验中，研究团队通过调整海水的碱度来模拟不同的二氧化碳浓度环境，以观察这些变化对浮游动物群落和食物链的影响。CO2的变化反映了海水碳酸化的程度，对于理解海洋生态系统如何响应气候变化中的二氧化碳浓度变化至关重要。通过监测pCO2的水平，研究团队便能够评估在不同碳浓度下，海洋生物的生理和生态反应，包括对浮游生物和其他生物种群的影响。
05
食物网的长度
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食物网的长度（food web length）指的是生态系统中物质和能量流动的层级数，也就是从生产者（如植物或浮游植物）到顶级消费者（如大型捕食性鱼类或海洋哺乳动物）之间的营养链条的层级数。食物网的长度越长，表明生态系统中存在更多的营养级别，物质和能量需要通过更多的生物体传递。在一个复杂的食物网中，各种生物之间的相互关系和能量流动更加复杂，而在较简单的食物网中，营养关系较为直接。食物网的长度也能反映出生态系统的稳定性和复杂性。
在上面的这个研究中提到食物网的长度，为了评估在碳酸盐增强（OAE）条件下，浮游动物群体的营养结构和生态系统的稳定性。食物网的长度反映了不同营养级之间的能量流动和物质传递情况。通过分析浮游动物群体在不同OAE处理下的食物网长度，研究团队能够了解OAE对浮游动物的影响，特别是它如何改变浮游动物的营养级，以及它们在食物链中的位置。这样一来，就有助于理解OAE对整个生态系统的影响（尤其是在浮游动物及其捕食者之间能量流动的变化）。
学而思
思考题·举一反三
Q1、寡营养海域（Oligotrophic Waters）的营养物质浓度本就较低了，OAE引起的碱度变化，是否会对这些地区浮游动物的生长和繁殖产生更显著的压力，尤其是在食物供应早已匮乏的背景下？这一影响，是否会对生态系统的稳定性构成更大的威胁？换句话说，你觉着，寡营养海域中的碱度增强（OAE）对浮游动物食物链的影响，是否会因底层营养物质的稀缺而被进一步放大？
Q2、随着海洋碱度增强（OAE）技术的不断研究，能否顺利推广到全球仍然是个问题。不同海域的海洋环境对碱度增强的反应不同，这会影响OAE技术的普及。特别是在一些营养丰富的海域，OAE是否会对食物链中的关键物种产生不利影响？这些影响又能否影响OAE作为减少全球二氧化碳的长期效果？
Q3、这个研究显示，OAE技术在去除二氧化碳方面具有巨大的潜力；但，在实施这种技术时，如何确保它不会对海洋生物多样性造成破坏？为了确保技术的长期可行性，如何通过有效的监测和评估，避免其对生态系统稳定性带来负面影响，并在保护海洋生物多样性的同时实现碳捕获目标？换句话说，如何在增加二氧化碳去除效率与保护海洋生态平衡之间找到平衡点？
Q4、笔者注意到，这里面有一个“气候工程”（Climate engineering）的概念。据笔者此前了解的情况，气候工程技术，其实是极具争议性的。支持者认为，气候工程是应对气候变化的最后一道防线；而反对者则担心，气候工程可能带来不可预知的生态风险，甚至引发国际冲突。回到本篇研究，我们从科技创新中伦理问题前瞻研究的角度，来思考一下生物多样性与气候变化的协同增效问题、以及伦理问题：
4a) 随着OAE等气候工程技术的不断发展，它们为应对气候变化提供了潜在的解决方案。但这些技术是否会在没有充分了解其生态后果的情况下、贸然地应用于自然环境？如何确保这些创新不仅仅是为了减缓气候变化，而不对海洋生态系统和生物多样性造成无法挽回的损害？在实施海洋碱度增强（OAE）等气候工程技术时，如何平衡技术创新与环境伦理的考量？
4b) 气候工程可能会影响不同地区的海洋生态系统，这种影响在全球范围内可能会有所不同。那么，全球社区在面对潜在风险时，如何通过伦理框架来达成共识？是否应当在采取大规模技术措施之前，进行更广泛的伦理审查和公众讨论，以确保决策过程中考虑到全球生态和未来世代的利益？
4c) 以及，气候工程技术是否有责任避免成为“治标不治本”的短期应对措施，而忽视了根本性减少温室气体排放的长期目标？是否应该设定伦理标准，确保这些技术不会成为掩盖更深层次环境问题的“快捷方式”？我们如何在创新科技的同时，确保其不会转移全球应对气候变化的责任？气候工程技术，如OAE，虽然可以提供短期内减少温室气体的解决方案，但如果过于依赖这些技术，会不会偏离减少温室气体排放的根本目标？
欢迎分享你的想法！
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THE END
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海湿声明: 1.本文仅代表资讯，不代表平台观点。供参考。2. 因本平台斜体字拷贝至外部平台时常出现内容丢失的情况，故本文中，物种拉丁学名未作斜体设置。
信息源 | geomar.de
编译 | 王芊佳
编辑 | 绿茵
排版 | 绿叶
【主要参考资料】
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0264
https://en.wikipedia.org/wiki/Oligotroph
https://www.csiro.au/en/research/environmental-impacts/emissions/carbon-dioxide-removal/ocean-alkalinity-enhancement
https://youtu.be/6O-YlLyO1CY
https://www.geomar.de/en/
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上图：红海珊瑚礁。©摄影：王敏幹（John MK Wong） | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）
【引用本文】
王芊佳(编译).气候破局？科学家找到让海洋“喝碱水”抗CO2的方法：海洋碱度增强（OAE）.海洋与湿地.2024-12-09
https://mp.weixin.qq.com/s/A62mSwyJqEp_O6xsyPtynA
来源：中国绿发会
