海洋是地球上最大的碳庫，其碳儲存能力遠高于陸地和大氣，因此，開展海洋二氧化碳移除（marine Carbon Dioxide Removal, mCDR）成為減少二氧化碳排放的備選方案。6月4日，全球性倡議“可持續海洋經濟高級別小組（Ocean Panel）”發布《負責任和有效的海洋二氧化碳移除開發與治理原則》藍皮書，強調海洋二氧化碳移除（mCDR）在實現《巴黎協定》氣候目標方面的潛在作用，提出需要解決圍繞mCDR有效性、影響和成本的重大知識差距。海洋二氧化碳移除技術包括海水堿化增強（Ocean Alkalinity Enhancement, OAE）、營養施肥（Nutrient Fertilization）、人工上升流和下降流（Artificial Upwelling and Downwelling）、海藻養殖（Seaweed Cultivation）、生態系統修復（Ecosystem Recovery）、電化學過程（Electrochemical Processes）等。本文概述了以上6種mCDR技術方案，梳理了主要國家政策行動、近期研究進展以及未來研究重點，以期為未來海洋減排工作提供參考。
一、海洋二氧化碳移除技術
根據美國國家科學院、工程院和醫學院（National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）于2021年12月發布的《海洋二氧化碳移除和封存研究策略》（A Research Strategy for Ocean-Based Carbon Dioxide Removal and Sequestration）報告，6種mCDR技術方案如下：
（1）海水堿化增強：通過向海水中添加碳酸鹽或硅酸鹽等礦物提高海水堿度來增強海洋吸收和儲存二氧化碳的能力。
（2）營養施肥：通過向海洋表面添加磷或氮等營養物質來增強浮游植物光合作用，從而加速海洋對二氧化碳的吸收以及表層向深海的碳轉移。
（3）人工上升流和下降流：上升流將溫度更低、營養更豐富和二氧化碳含量更高的深層海水帶到海洋表面，刺激表層浮游植物生長，加快對大氣中的二氧化碳的吸收。下降流則是將表層海水和碳轉移到深海進行封存。
（4）海藻養殖：海藻的大規模養殖可以使其在生長過程中直接吸收表層溶解碳，也可以通過海洋生物泵將碳轉移到深海或沉積物中。
（5）生態系統修復：通過保護與恢復沿海生態系統以及恢復魚類、鯨魚和其他海洋野生動物來實現碳移除和封存。
（6）電化學過程：通過在海水中通電引發海水裂解或電解，可以增加海水的酸度以釋放出二氧化碳，也可以增加海水的堿度以增強二氧化碳封存能力。
二、主要國家政策行動
為了更好地了解和開展海洋二氧化碳移除行動，美國、歐盟、英國、新加坡和我國等進行積極部署。2023年3月，美國政府發布首個《海洋-氣候行動計劃》，提出到2030年，充分了解mCDR的有效性和利弊，并為其研究和實施制定政策和監管標準以及專門的碳核算標準；2024年11月，美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）和白宮科學技術政策辦公室（OSTP）發布《國家海洋二氧化碳移除研究戰略》，旨在推進對mCDR的效益、風險、平衡、安全等相關研究；2025年3月，美國國家科學院海洋研究委員會（National Academies Ocean Studies Board）成立海洋二氧化碳清除常務委員會，主要提供最新的和經過審查的mCDR信息。2023年6月，歐盟啟動為期4年的“海洋二氧化碳移除評估戰略”（SEAO2-CDR）項目，評估mCDR技術是否有效，考察環境和經濟上的可行性，制定所需的機制、工具和指南。2025年4月，英國SeaCURE項目開始在英格蘭南海岸進行小規模的二氧化碳移除試驗，大規模應用后預計每年處理1%表層海水即可清除140億噸碳。2024年2月，新加坡聯合美國科技公司Equatic宣布建立全球最大的全尺寸海洋碳移除示范工廠—“Equatic-1”，建成后每年可移除3650噸的溫室氣體，Equatic的碳移除技術被《時代》雜志評為2023年最佳發明之一。2022年4月，焦念志院士領銜發起的“海洋負排放國際大科學計劃（ONCE）”被列為聯合國海洋科學促進可持續發展十年行動計劃、聯合國十年倡議計劃框架中的國際大科學計劃，目前，ONCE大科學計劃獲批成立國際標準化組織（ISO）“海洋負排放與碳中和”國際標準工作組（ISO TC8WG15），提出全球首個海洋領域碳中和國際標準提案《海洋負排放與碳中和——總則和要求》（ISO/NP 25283-1）。
三、研究進展
1、海水堿化增強對海洋食物網的影響微乎其微
2024年12月，德國亥姆霍茲海洋研究中心等機構團隊利用離岸中尺度模擬裝置（Kiel Off-Shore Mesocosms for Ocean Simulations）在北大西洋低營養水平海域開展了一項為期33天的堿化增強實驗，通過添加不同濃度的碳酸鈉和碳酸氫鈉，模擬了從自然堿度到堿度翻倍的情景下，浮游動物群落對海洋化學環境變化的響應。結果表明，海水堿度增加會略微影響浮游動物所需食物的營養質量，但并未對其生物量、多樣性或生產力產生顯著影響，整個食物網在實驗過程中較為穩定。研究人員表示，上述研究并不能說明OAE適用于所有海域，所選的低營養水平環境可能在一定程度上緩解了堿度變化帶來的間接生態效應，還需在不同的海洋生境中測試各種形式的OAE技術。
2、國際研究組織計劃重啟有爭議的海洋鐵肥化技術
2024年9月，“探索海洋鐵質方案（ExOIS）”研究組織就海洋鐵肥化（Ocean Iron Fertilization, OIF）的潛在碳移除能力開展了評估研究。通過從東北太平洋的實地調查、全球及區域和實地調查的建模研究、多種鐵的形態和投放方法的試驗、評價對生態系統和其他非碳環境影響、社會科學及治理等角度的評估，指出OIF可以作為有效的mCDR技術之一，后續需要針對方法的實際利用進行實地研究。ExOIS希望最早于2026年，在約1萬平方千米的東北太平洋海域進行實地試驗。
3、人工上升流減少海洋二氧化碳排放的效果并不顯著
2024年10月，德國亥姆霍茲海洋研究中心團隊開展了中等排放情景下（RCP 4.5）的海洋-大氣模擬實驗，分別模擬了2025—2100年全球和區域人工上升流和OIF以及兩種方法組合的碳移除能力。全球模擬結果表明，到2100年，人工上升流和OIF組合方法可以吸收約1030億噸碳，其中，OIF的移除貢獻達到950億噸碳，而人工上升流并不會顯著減少海洋二氧化碳，可能是因為500米以下深度海域營養水平低、模擬管道橫截面無法改變、有機物養分恒定、鐵質營養缺乏、排放情景限制等。區域模擬結果也表明，OIF是海洋碳儲量增加的主要貢獻力量，人工上升流反而會產生減少碳儲量的負面影響。
4、海藻養殖場的碳埋藏速度與天然藍碳棲息地相當
2025年1月，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學等機構團隊利用核技術首次量化了分布于全球各洲11個國家的20個海藻養殖場的碳埋藏能力。研究表明，海藻養殖場有著與天然藍碳棲息地相當的碳埋藏速度，每公頃場地的平均有機碳埋藏率約為1.87±0.73噸二氧化碳當量/年，碳埋藏量相當于海草和紅樹林沉積物平均碳封存量的39%和33%。隨著養殖場年份的增加，養殖場沉積層的厚度及有機碳儲量也在增加，經營時間10年左右的歐洲和北美的養殖場沉積層厚度約0~1.1厘米，而運營320年的日本東京灣海藻養殖場的沉積層厚度達到369厘米，每公頃場地的沉積碳高達140噸碳。
5、氯化物介導的無膜方法為海洋二氧化碳移除提供經濟的解決方案
2023年2月，美國麻省理工學院和韓國梨花女子大學的聯合團隊研發出一種鉍和銀電極組成的電化學系統，使得氯介導的電化學酸堿調節成為可能，可以在不需要昂貴雙極膜的情況下，有效移除海水中的二氧化碳。系統串聯運行后，一組電極用于酸化海水，將溶解的無機碳酸氫鹽轉化為分子二氧化碳，酸化的海水輸入另一組電極后經過堿化處理再釋放回大海。系統可以連續運行10小時，海洋無機碳移除效率約為87%，能耗低至122千焦/摩爾，移除成本僅為56美元/噸。這一技術被國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）評為2023年“化學領域十大新興技術”之一。
四、未來研究重點
mCDR技術仍然處于相對早期的發展階段。根據美國國家科學院等發布報告、海洋環境保護科學問題聯合專家組（GESAMP）研究報告、全球性倡議組織藍皮書，未來6種mCDR技術研究應聚焦于如何開展部署以及實施后對海洋生物及生境、沿海和陸地環境的影響等：
（1）海水堿化增強。開展OAE方法的技術可行性和準備水平研究；開發中試規模的相關設施，解決最佳部署位置如何確定的問題；探索海水堿度增強對海洋生物個體和群落結構的影響；研究真光層和海洋深處的生物地球化學過程及其生態響應；全面評估和緩解礦物添加對海洋環境產生的影響；開展與實驗室和中試規模試驗相關的社會治理以及環境倫理研究。
（2）營養施肥。開展提高營養物質的生物利用度以及移除技術持久性研究；改進監測技術，跟蹤營養物質對海洋二氧化碳以及海洋生物地球化學過程和食物鏈的影響；研究如何通過食物網響應最大限度地發揮營養施肥技術的碳封存潛力；了解營養施肥是否影響海洋營養水平和下游生態系統；海洋低營養環境對營養施肥的響應；研究《防止傾倒廢物及其他物質污染海洋的公約》是否足以監管營養施肥技術的研究與最終部署，探索建立最佳行為準則。
（3）人工上升流和下降流。研發耐用的海水泵送系統，使系統維持數月或數年，并防止負浮力、營養豐富的深層海水立即從真光層泄出；評估在全球和區域開展人工上升流和下降流部署的碳移除潛力；跟蹤上升和下降過程中的碳通量變化；了解海洋表層浮游生物種群對深層海水輸入的響應；研究微生物群落對營養物質擾動的生物反應；開發自主和遠程方法用于評估移除技術與生物碳泵的耦合關系。
（4）海藻養殖。改進現有種植技術，確定最佳種植區域評選方法，實現具有成本效益的大規模海藻養殖和收獲；評估大規模海藻養殖和儲存對環境和海洋生物的影響；驗證與監測規模化海藻示范養殖的碳移除潛力；在不造成大量碳損失的前提下，研發出將收獲的海藻輸送到深海或海底的方法；海藻及其副產品的生命周期排放評估及其長期存活預測。
（5）生態系統修復。估計自然生態系統和海洋生態系統之間的碳儲量變化；評估生態系統層面的保護與恢復是否適用于mCDR；監測海洋保護區碳儲量及其時空變化，預估到2050年，海洋保護和海洋保護區每年的碳封存潛力；大型藻類面對溫度上升和氣候擾動的脆弱性；測量大型藻類碎屑產量，用于估計大型藻類顆粒有機碳封存情況；加深人為干擾對底棲生物群落的影響研究以及不同保護措施下的潛在變化理解；估計海洋物種間的碳相互作用；進一步研究漁業排放、魚類種群和生態功能對沉積碳的影響。
（6）電化學過程。研發耐用、持久且具有成本效益的電極和膜材料，建立基于膜或無膜的最佳反應系統；評估天然礦物質對電化學系統的影響；探索大規模實施電化學方法的部署速度及其可能性；研究反應過程生成的含酸廢物處理方法及其環境影響；量化電化學過程中產生的氯氣或其它廢氣；探究組合方法或優化反應過程以降低成本。
此外，為了確保mCDR的有效性、透明度和可重復性，還需建立標準化、準確和可靠的監測、報告與核查（MRV）體系，全面報告與評估mCDR的移除能力和持久性等。
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