海洋地球工程中的微生物调控技术

全球气候变化已经成为一个不争的事实，人类活动排放的温室气体（如CO2）加剧了气候变化。温室气体排放不断增加对全球的气候模式、粮食生产以及人类的生活和生存造成的影响。在今后的几十年，粮食安全、社会发展、经济发展和人类发展都将受到严重危害。如何减少气候变化的风险，成为各国科学家、政府及公众关注的重大问题。目前有三种策略可供选择：第一，减缓，即减少温室气体的排放以减缓气候变化的进程；第二，适应，即通过提高人类社会的应对能力来减轻气候变化的影响；第三，对地球气候系统的直接干预，实施地球工程，即通过人为操纵地球生态系统的物理、化学或生物过程以降低温室气体排放或者增加温室气体吸收。目前来看，由于复杂的国际政治经济因素，全球可以采取的减缓措施力度有限，执行起来困难重重，远远不足以将气候变化的速度降低到能够避免潜在严重影响的程度。同时，因为CO2能够在大气中存在很长时间，所以即使全球各国能够立刻减少温室气体排放，也不能避免过去排放造成的危险的气候变化。此外，人们也意识到无法通过适应手段来抵消气候变化的全部影响。因此，虽然地球工程手段绝不能代替人们正在进行的减缓努力或适应措施，但地球工程的手段无疑也是一个应对全球变化的选项。因为地球工程牵一发而动全身的特点，在介绍目前主要的地球工程手段之前，我们应当认识到地球工程既可能成为延缓气候变化的有力工具，也有导致不利影响的可能。这意味着我们有必要对地球工程进行充分的研究，了解其局限性，进行透明公开的讨论，并采取审慎的管理。

目前，比较具有可实施性的地球工程手段主要有两类。一是通过人为手段降低大气中的温室气体水平，如增加陆地生态系统CO2吸收的方法：提高森林覆盖率，提高陆地植物固碳能力等；增加海洋生态系统CO2吸收的方法，如海洋铁施肥（包括人工上升流）等；通过碳封存的方法将CO2封存在大气CO2循环之外等。二是降低太阳辐射：如通过向大气释放气溶胶颗粒来增加大气的阳伞效应，或者通过安置反光材料降低太阳辐射。与海洋微生物相关的地球工程手段大多属于第一类，包括海洋铁施肥、深海碳封存等。

海洋在全球的碳循环中起着重要的作用。作为一个巨大的碳汇，可以长期储存碳。地球上约93%的CO2（40万亿吨）储存在海洋中。据估计，世界上捕获的生物碳中，超过一半（55%）是由海洋生物完成的，因此，这种碳被称为蓝碳（相对于陆地植物捕获的绿碳）。尽管海洋中的植物生物量只占陆地植物生物量的0.05%，但每年循环的碳量与陆地上的几乎相同，可以说是地球上最高效的碳汇。因此，维持并增加蓝碳对于旨在减少人类社会受气候变化影响的生态系统适应战略至关重要。

海洋微生物虽然个体很小，但数量极大，占海洋生物量的90%。同时，微生物多样性高，代谢活跃，参与甚至主导了很多元素的海洋生物地球化学循环过程。因此，很多海洋地球工程手段都以微生物为主要研发对象，海洋微生物与海洋地球工程密切相关。本节主要介绍目前认知较为广泛的与微生物有关的海洋施肥。

海洋施肥是指通过一系列有目的性的人工干预行为，如直接往海洋中添加营养物质、提升营养盐的供应以及一些其他间接的手段，以达到增加海洋初级生产力和海洋固碳的目的，是迄今为止被广泛研究和讨论的海洋地球工程手段之一，也是唯一有商业运营经历的海洋地球工程技术。海洋施肥的科学原理起源于著名的“铁假说” — “给我一船铁，还你一个冰河时代”。全球大洋中广泛存在“高营养盐低叶绿素（HNLC）”海域，如亚北极太平洋、东太平洋赤道上升流区和南大洋，约占全球海洋面积的 20%。在HNLC海区中，浮游植物赖以生长的主要营养盐（如磷酸盐、硝酸盐等）含量较高，而叶绿素含量却非常低，造成这种现象的主要原因是浮游植物必需的微量营养元素铁在这些海区严重缺乏，限制了浮游植物的生长。因此，在这些海区施加铁元素（如硫酸亚铁），应该可以有效增加浮游植物的光合作用和初级生产力，从而增加浮游植物对大气CO2的固定量，并进一步通过海洋生物泵的作用，向深层海洋传输，从而能够使更多的碳在海洋中储存，并可以在较长时间内（千年尺度）不会再返回海洋表面参与大气循环。除了HNLC海区外，全球海洋还存在着面积更为辽阔的低营养盐、低叶绿素（LNLC）的寡营养海区，约占海洋总面积的40%。受制于弱的垂直混合和次表层营养盐的供给，LNLC海域的有机物生产和沉降输出，即生物泵效率，常年维持较低的水平。人们发现在硝酸盐浓度处于限制的情况下，海洋中的固氮生物（包括藻类及微生物）可以利用氮气进行生物固氮作用生成其他浮游植物生长所需要的铵盐，从而在一定程度上缓解了硝酸盐的限制。现场研究发现大部分LNLC区域的固氮作用受到铁和磷酸盐的限制，从而降低了这些区域的初级生产（CO2的固定）以及碳的输出和储存。因此，在LNLC增加铁及磷酸盐的供给，可以刺激海洋藻类和微生物固氮作用的发生，从而增加海洋对CO2的固定和储存。

海洋施肥在实验室内已经得到了很多营养盐添加实验的证实。为了得到更接近实际环境的验证，迄今为止，人们进行了十余次中尺度的海洋施肥实验，涵盖典型的HNLC海区，实验时间一般持续数周。这些实验的尺度一般在40～300km2不等，尚不能作为一个地球工程研究所需要尺度（约10000km2），但依然可以为实施海洋施肥地球工程提供很有价值的参考。所有海洋施肥实验都观察到人工添加营养盐后，浮游植物的光化学效率及对营养盐的吸收增加，浮游植物色素增加2～25倍不等，初级生产力和固碳效率有所提高，同时伴随遥感卫星可观测的海洋赤潮；浮游植物生产力和生物量上的响应在表层混合层中响应更大、更快；大多数的海洋施肥实验中观察到浮游植物群落结构由小型的蓝细菌作为主导类群，到中型细胞体积的定鞭金藻，甚至更大的类群；硅藻的主导类群变化情况随海域和当地生物种类的不同而不尽相同；异养细菌生物量普遍增长2～15倍不等；微型捕食者的生物量也有所增长。然而，纵观全球的海洋施肥实验，在人工施肥可否增加通过生物泵向下输送的碳量这一关键指标上却有很大的不确定性。此外，即使有些海洋施肥实验观察到了输出生产力的增加，人们也发现其对大气CO2的存储还是相当有限的。

除了直接向海洋中添加营养盐进行“施肥”外，基于对自然界常见的上升流对表层海洋“施肥”作用的认识，人们设计了一种可以模拟上升流的海洋地球工程思路，即所谓的“人工上升流”。深海水体含有较高的营养盐，在自然界形成的上升流海区，深海丰富的营养盐（包括铁）被带到表层，促进上升流海区浮游植物的繁盛和初级生产力的提高，从而提高了海洋固碳的能力或者潜力。其工作原理是通过各种供能手段和泵水方式，利用单向的阀门管道实现深层海水向表层的流动。目前主要的供能方式包括风能、太阳能、海流能和波浪能等，因为海流能和波浪能分布广泛、成本低廉，是较有发展前景的供能方式。人工上升流设备主要由浮体、控制阀以及上升管构成，目前已有一些现场开展的人工上升流实验。但是人工上升流与自然上升流一样，不仅带来了深海丰富的营养盐，也带来了深海高浓度的溶解无机碳，高浓度的溶解无机碳最终会向大气释放CO2。因此，人们首先要进一步深入研究自然上升流海区CO2源汇格局及其影响因素，也要注意到合理科学地选择实施人工上升流的海区。

任何地球工程技术手段都具有可能影响地球生态环境的风险，海洋施肥也不例外。海洋施肥首先改变了当地表层海洋的营养结构，改变了原本平衡的生态系统；海洋施肥在表层产生的生物量会在次表层被分解，从而降低次表层和中层的溶解氧浓度，这会增加近岸缺氧的频率和强度，从而导致海洋生物的死亡；有研究表明海洋施肥可以促进一些有毒藻类的生长；海洋施肥刺激的生物量分解后可能产生N2O和CH4等比CO2存在时间更长、温室效应更强的气体，也可能会影响大气DMS和臭氧的含量，进而对大气气候产生目前尚不确定的影响；海洋施肥增加了施肥海区对营养盐的消耗，因此会降低施肥海区下游的营养盐水平及生产力，这不仅影响下游海区的固碳，也会对其渔业资源等产生未知的影响；海洋施肥产生的颗粒物质无疑也会对深海水体及海床生态系统产生影响，这些影响的程度和范围尚无科学定论。因此，海洋施肥在科学界引起了激烈的争论，最终国际社会同意采取审慎和保守的态度，在海洋施肥的科学问题解决之前，不再进行大规模的海洋施肥实验，一些与之有关的商业活动也被叫停。

【注释】

[1]本章由张锐、张晓华编写。