海洋负排放技术及“人工灰尘”耦合技术概念

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2023.084

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (12): 1297 -1310. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.084

潘晨 ¹ ^, ²(

), 周哲 ³ ^, ⁴(

), 杨黎彬 ¹ ^, ², 褚华强 ¹ ^, ², 周雪飞 ¹ ^, ², 杨守业 ³ ^, ⁴, 张亚雷 ¹ ^, ²

^1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092
^2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092
^3.同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092
^4.同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092

收稿日期:2023-09-01 修回日期:2023-11-07 出版日期:2023-12-10
通讯作者: 周哲 E-mail:2396425483@qq.com;zhezhou_research@tongji.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFF0800504);同济大学交叉学科项目(2023-1-YB-04);中央高校基本科研业务费专项资助

Ocean Negative Carbon Technology and the Concept of “Artificial Dust”

Chen PAN ¹ ^, ²( ), Zhe ZHOU ³ ^, ⁴( ), Libin YANG ¹ ^, ², Huaqiang CHU ¹ ^, ², Xuefei ZHOU ¹ ^, ², Shouye YANG ³ ^, ⁴, Yalei ZHANG ¹ ^, ²

^1.Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
^2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China
^3.State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
^4.School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China

Received:2023-09-01 Revised:2023-11-07 Online:2023-12-10 Published:2023-12-26
Contact: Zhe ZHOU E-mail:2396425483@qq.com;zhezhou_research@tongji.edu.cn
About author:PAN Chen, Master student, research area includes marine carbon negative technology research.
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2022YFF0800504);The Interdisciplinary Project of Tongji University(2023-1-YB-04);Special Funds for Basic Scientific Research Business Expenses of Central Universities

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随着全球气候危机的加剧，实现碳中和的任务变得更为紧迫。中国政府承诺在2060年实现碳中和，除了加快能源转型、减少化石燃料消耗外，还需大力发展负排放技术以抵消社会生产生活中难以避免的碳排放。海洋作为地球上最大的活跃碳库，具有巨大的储碳潜力。围绕海洋负排放的研发方兴未艾，其主要技术路径包括渔业碳汇、陆海统筹、地质封存、人工上升流、增强风化以及铁施肥等。其中，增强风化和铁施肥等技术都涉及人为投加外源物质到海洋，理论上可通过对投加组分和方式的复合优化，实现多技术路径的耦合，进一步提升海洋固碳和储碳的效率。基于此提出了“人工灰尘”这一潜在的耦合技术路径。“人工灰尘”以提高海洋储碳量（而非初级生产力）为技术目标。拟通过改良铁施肥所用材料及投加方式提高其作用时效，并实现对藻类种群结构的调整，促进更难降解的、更易下沉的藻类生长。此外，在藻类死亡和降解高峰时段，再次投加硅酸盐岩/矿物粉末为主体的二级“人工灰尘”，基于增强风化原理提升海水碱度，同时利用矿物溶解释放的钙和镁等离子促进有机碳团聚沉降，促进其在沉积物中的埋藏。“人工灰尘”这一耦合技术概念的提出可为今后海洋负排放的理论研究提供更广阔的思路。

关键词: 碳中和, 海洋负排放, 铁施肥, 增强风化, 人工灰尘

The intensification of the global climate crisis has heightened the urgency of achieving carbon neutrality. The Chinese government aims to achieve carbon neutrality by the year 2060. To achieve this goal, in addition to accelerating energy transformation and reducing fossil fuel consumption, we also need to develop “negative carbon technologies” to offset the unavoidable carbon emissions in social production and life. The ocean has immense potential for carbon storage, as it is the largest active carbon sink on Earth. The research and development of “negative carbon technology” in the ocean is on the rise. Its primary technical paths include blue carbon management, geological storage, artificial upwelling, enhanced weathering, and iron fertilization. Theoretically, the coupling of multiple technical paths can be realized through the compound optimization of the components and methods of addition, as enhanced weathering and fertilization of iron involve the artificial addition of exogenous substances to the ocean; thus, the efficiency of ocean carbon sequestration and carbon storage can be further improved. In this paper, we refer to this potentially composite technique as “artificial dust”. The ultimate purpose of “artificial dust” is to increase the production of recalcitrant organic carbon (rather than primary productivity), accelerate the deposition and burial of organic carbon, and increase seawater alkalinity. It is intended to adjust the algal population structure and promote the growth of algae that are more difficult to degrade by improving iron fertilization materials and dosing methods. Further, in the peak season of algae death and degradation, the second-level “artificial dust” primarily composed of silicate rock/mineral powder is added. This promotes the aggregation and deposition of organic carbon, accelerates the fixation of inorganic dust produced by algal mineralization based on enhanced weathering theory, and reduces the re-release of CO₂ from seawater. The technical concept of “artificial dust” provides a broader insight for future theoretical research on marine “negative carbon technology.”

Key words: Carbon neutrality, Marine negative carbon technology, Iron fertilization, Enhanced weathering, Artificial dust

中图分类号:

图1 海洋固碳与储碳的主要过程（据参考文献［ 20 ］修改）
虚线框内为食物链；实线框内为物理过程

Fig. 1 The main processes of carbon sequestration and storage in the ocean （modified after reference ［ 20 ］）
The portion within the dashed box represents the food chain； The solid box represents physical processes

图2 海洋负排放技术路径（据参考文献［ 34 ］修改）
（a）渔业碳汇；（b）陆海统筹；（c）地质封存；（d）人工上升流；（e）基于人为物质投加的碱度提升以及铁施肥等

Fig. 2 Marine negative carbon technology path （modified after reference ［ 34 ］）
（a） Fishery carbon sink；（b） Land-sea coordination；（c） Geological sealing；（d） Artificial upwelling；（e） Alkalinity enhancement and iron fertilization based on artificial material addition

表1 在 10 Gt岩石 /a的海洋碱度提升实验中关键组分的预估增加量 ^{［

68
］}

Table 1 Estimated additions of key components in an OAE scenario with 10 Gt rock/a ^{［

68
］}

组分	在海洋中的停留时间/a	海洋表面溶解浓度/（μmol/kg）	溶解元素天然输入海洋/（Tmol/a）	海洋碱度提升的原始材料	烃源岩中的元素含量/（mol/kg岩石）	海洋碱度提升的添加量/（Tmol/a）	占自然输入的倍数	2020—2090年的总添加量/Tmol	至2090年海洋表面的浓度增加量/（μmol/kg）
总碱度	100 000	2 000~2 500	30	—	—	250	8	17 500	25~400
Si	10 000	0~80	5~14	橄榄石	6.7±0.6	67	5~14	4 692	—
				碳酸盐矿	0.7	7	0.5~1.4	490	—
Ca	1 000 000	8 800~11 700	—	橄榄石	0.3±0.6	3.2	—	225	0.3~5.0
				碳酸盐矿	15.0	150	—	10 500	15~240
Mg	11 600 000	45 500~60 600	6	橄榄石	10±2.4	101	16	7 045	10~160
				碳酸盐矿	0.4	4	0.7	280	0.4~6.0
Fe	40	几乎<0.001	—	橄榄石	1.4±0.5	14	—	971	—
				碳酸盐矿	0.18	2	—	126	—
Ni	4 000~10 000	0.002~0.012	1.5	橄榄石	0.04±0.01	0.4	0.3	30	—
				碳酸盐矿	0.00 003	0.000 3	约0.000 2	0.02	—

表1 在 10 Gt岩石 /a的海洋碱度提升实验中关键组分的预估增加量 ^{［

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Table 1 Estimated additions of key components in an OAE scenario with 10 Gt rock/a ^{［

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组分	在海洋中的停留时间/a	海洋表面溶解浓度/（μmol/kg）	溶解元素天然输入海洋/（Tmol/a）	海洋碱度提升的原始材料	烃源岩中的元素含量/（mol/kg岩石）	海洋碱度提升的添加量/（Tmol/a）	占自然输入的倍数	2020—2090年的总添加量/Tmol	至2090年海洋表面的浓度增加量/（μmol/kg）
总碱度	100 000	2 000~2 500	30	—	—	250	8	17 500	25~400
Si	10 000	0~80	5~14	橄榄石	6.7±0.6	67	5~14	4 692	—
				碳酸盐矿	0.7	7	0.5~1.4	490	—
Ca	1 000 000	8 800~11 700	—	橄榄石	0.3±0.6	3.2	—	225	0.3~5.0
				碳酸盐矿	15.0	150	—	10 500	15~240
Mg	11 600 000	45 500~60 600	6	橄榄石	10±2.4	101	16	7 045	10~160
				碳酸盐矿	0.4	4	0.7	280	0.4~6.0
Fe	40	几乎<0.001	—	橄榄石	1.4±0.5	14	—	971	—
				碳酸盐矿	0.18	2	—	126	—
Ni	4 000~10 000	0.002~0.012	1.5	橄榄石	0.04±0.01	0.4	0.3	30	—
				碳酸盐矿	0.00 003	0.000 3	约0.000 2	0.02	—

表2 1993— 2004年 13次海洋人工铁施肥实验结果 ^{［

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-

7
］}

Table 2 Summary of 13 marine artificial iron fertilization experiments from 1993 to 2004 ^{［

6
-

7
］}

实验	地点	时间	季节	温度 /℃	实验范围/km²	投加铁的质量/kg	初始铁浓度/（nmol/L）	最终铁浓度/（nmol/L）	ΔpCO₂/μatm	ΔDIC/（μmol/L）	ΔChla/（mg/m³）	ΔPP/［mgC/（m²⋅d）］）	ΔExport flux/［mgC/（m²⋅d）］
IronEx-1	赤道太平洋	1999年1月	秋	23	64	450	0.06	3.6	-13	-6	0.41	505~880	未检测出
IronEx-2	赤道太平洋	1995年5月	夏	25	72	450	0.02	2	-73	-27	3.8~3.85	约1 800	516（25 m）
SOIREE	南大洋	1999年2月	夏	2	50	1 750	0.08	3.8	-38~-32	-18~-15	1.75	约1 180	未检测出
EisenEx	南大洋	2000年11月	春	3~4	50	2 350	0.06	2	-20~-18	-15~-12	2	570~660	未检测出
SoFeX-N	南大洋	2002年1月至2002年2月	夏	5	225	1 700	未检测出	1.2	-26	-14	约2.45	约1 356	未检测出
SoFeX-S	南大洋	2002年1月至2002年2月	夏	-1	225	1 300	未检测出	0.7	-36	-21	约3.5	约756	76（50 m） 123（100 m）
EIFEX	南大洋	2004年2月至2004年3月	夏	4~5	167	2 820	0.08~0.20	1.5	-30	-13	2.46	约750	约1 352 （100 m）
SAGE	南大洋	2004年3月至2004年4月	秋	11.8	36	1 100	0.09	3.03	8	25	0.7	360	未检测出
LOHAFEX	南大洋	2009年1月至2009年3月	夏		300	—	未检测出	2	-15~-7	未检测出	0.75	>600	约32（100 m）
SEEDS-1	亚北极北太平洋	2001年7月至2001年8月	夏	11	80	350	0.05	2.9	-130	-58	20.9~21	1 250	323（50 m） 17（100 m）
SERIES	亚北极北太平洋	2002年7月至2002年8月	夏	13	77	490	<0.10	>1	-85	-37	~4.65	>1 700	约342（50m）约144（100 m）
SEEDS-2	亚北极北太平洋	2004年7月至2002年8月	夏	9~12	64	480	0.17	1.38	约-6	未检测出	2.2	610	290（50 m） 21（100 m）
FeeP	副热带北大西洋	2004年4月至2004年5月	春	21	25	1 840	0.20~0.40	3	未检测出	约-1	0.01	未检测出	未检测出

表2 1993— 2004年 13次海洋人工铁施肥实验结果 ^{［

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Table 2 Summary of 13 marine artificial iron fertilization experiments from 1993 to 2004 ^{［

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实验	地点	时间	季节	温度 /℃	实验范围/km²	投加铁的质量/kg	初始铁浓度/（nmol/L）	最终铁浓度/（nmol/L）	ΔpCO₂/μatm	ΔDIC/（μmol/L）	ΔChla/（mg/m³）	ΔPP/［mgC/（m²⋅d）］）	ΔExport flux/［mgC/（m²⋅d）］
IronEx-1	赤道太平洋	1999年1月	秋	23	64	450	0.06	3.6	-13	-6	0.41	505~880	未检测出
IronEx-2	赤道太平洋	1995年5月	夏	25	72	450	0.02	2	-73	-27	3.8~3.85	约1 800	516（25 m）
SOIREE	南大洋	1999年2月	夏	2	50	1 750	0.08	3.8	-38~-32	-18~-15	1.75	约1 180	未检测出
EisenEx	南大洋	2000年11月	春	3~4	50	2 350	0.06	2	-20~-18	-15~-12	2	570~660	未检测出
SoFeX-N	南大洋	2002年1月至2002年2月	夏	5	225	1 700	未检测出	1.2	-26	-14	约2.45	约1 356	未检测出
SoFeX-S	南大洋	2002年1月至2002年2月	夏	-1	225	1 300	未检测出	0.7	-36	-21	约3.5	约756	76（50 m） 123（100 m）
EIFEX	南大洋	2004年2月至2004年3月	夏	4~5	167	2 820	0.08~0.20	1.5	-30	-13	2.46	约750	约1 352 （100 m）
SAGE	南大洋	2004年3月至2004年4月	秋	11.8	36	1 100	0.09	3.03	8	25	0.7	360	未检测出
LOHAFEX	南大洋	2009年1月至2009年3月	夏		300	—	未检测出	2	-15~-7	未检测出	0.75	>600	约32（100 m）
SEEDS-1	亚北极北太平洋	2001年7月至2001年8月	夏	11	80	350	0.05	2.9	-130	-58	20.9~21	1 250	323（50 m） 17（100 m）
SERIES	亚北极北太平洋	2002年7月至2002年8月	夏	13	77	490	<0.10	>1	-85	-37	~4.65	>1 700	约342（50m）约144（100 m）
SEEDS-2	亚北极北太平洋	2004年7月至2002年8月	夏	9~12	64	480	0.17	1.38	约-6	未检测出	2.2	610	290（50 m） 21（100 m）
FeeP	副热带北大西洋	2004年4月至2004年5月	春	21	25	1 840	0.20~0.40	3	未检测出	约-1	0.01	未检测出	未检测出

图3 基于分步投加的“人工灰尘”耦合技术路径
（a）一级“人工灰尘”实现惰性有机碳产量提升；（b）二级“人工灰尘”促进有机碳沉降速率与埋藏，并提升海水碱度

Fig. 3 The coupling technology path of “artificial dust” based on step-by-step dosing
（a） First level “artificial dust” achieves an increase in recalcitrant dissolved organic carbon production；（b） The secondary “artificial dust” promotes the sedimentation rate and burial of organic carbon， and enhances the alkalinity of seawater

图4 利用不同铁基耦合物调节浮游植物种群结构示意图

Fig. 4 Schematic diagram of adjusting phytoplankton population structure by using different iron based coupling substances

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