全球氣候變化已經(jīng)成為一個不爭的事實(shí)，人類活動排放的溫室氣體（如CO2）加劇了氣候變化。溫室氣體排放不斷增加對全球的氣候模式、糧食生產(chǎn)以及人類的生活和生存造成的影響。在今后的幾十年，糧食安全、社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類發(fā)展都將受到嚴(yán)重危害。如何減少氣候變化的風(fēng)險，成為各國科學(xué)家、政府及公眾關(guān)注的重大問題。目前有三種策略可供選擇：第一，減緩，即減少溫室氣體的排放以減緩氣候變化的進(jìn)程；第二，適應(yīng)，即通過提高人類社會的應(yīng)對能力來減輕氣候變化的影響；第三，對地球氣候系統(tǒng)的直接干預(yù)，實(shí)施地球工程，即通過人為操縱地球生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)或生物過程以降低溫室氣體排放或者增加溫室氣體吸收。目前來看，由于復(fù)雜的國際政治經(jīng)濟(jì)因素，全球可以采取的減緩措施力度有限，執(zhí)行起來困難重重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以將氣候變化的速度降低到能夠避免潛在嚴(yán)重影響的程度。同時，因?yàn)镃O2能夠在大氣中存在很長時間，所以即使全球各國能夠立刻減少溫室氣體排放，也不能避免過去排放造成的危險的氣候變化。此外，人們也意識到無法通過適應(yīng)手段來抵消氣候變化的全部影響。因此，雖然地球工程手段絕不能代替人們正在進(jìn)行的減緩努力或適應(yīng)措施，但地球工程的手段無疑也是一個應(yīng)對全球變化的選項(xiàng)。因?yàn)榈厍蚬こ虪恳话l(fā)而動全身的特點(diǎn)，在介紹目前主要的地球工程手段之前，我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到地球工程既可能成為延緩氣候變化的有力工具，也有導(dǎo)致不利影響的可能。這意味著我們有必要對地球工程進(jìn)行充分的研究，了解其局限性，進(jìn)行透明公開的討論，并采取審慎的管理。

目前，比較具有可實(shí)施性的地球工程手段主要有兩類。一是通過人為手段降低大氣中的溫室氣體水平，如增加陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2吸收的方法：提高森林覆蓋率，提高陸地植物固碳能力等；增加海洋生態(tài)系統(tǒng)CO2吸收的方法，如海洋鐵施肥（包括人工上升流）等；通過碳封存的方法將CO2封存在大氣CO2循環(huán)之外等。二是降低太陽輻射：如通過向大氣釋放氣溶膠顆粒來增加大氣的陽傘效應(yīng)，或者通過安置反光材料降低太陽輻射。與海洋微生物相關(guān)的地球工程手段大多屬于第一類，包括海洋鐵施肥、深海碳封存等。

海洋在全球的碳循環(huán)中起著重要的作用。作為一個巨大的碳匯，可以長期儲存碳。地球上約93%的CO2（40萬億噸）儲存在海洋中。據(jù)估計(jì)，世界上捕獲的生物碳中，超過一半（55%）是由海洋生物完成的，因此，這種碳被稱為藍(lán)碳（相對于陸地植物捕獲的綠碳）。盡管海洋中的植物生物量只占陸地植物生物量的0.05%，但每年循環(huán)的碳量與陸地上的幾乎相同，可以說是地球上最高效的碳匯。因此，維持并增加藍(lán)碳對于旨在減少人類社會受氣候變化影響的生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)戰(zhàn)略至關(guān)重要。

海洋微生物雖然個體很小，但數(shù)量極大，占海洋生物量的90%。同時，微生物多樣性高，代謝活躍，參與甚至主導(dǎo)了很多元素的海洋生物地球化學(xué)循環(huán)過程。因此，很多海洋地球工程手段都以微生物為主要研發(fā)對象，海洋微生物與海洋地球工程密切相關(guān)。本節(jié)主要介紹目前認(rèn)知較為廣泛的與微生物有關(guān)的海洋施肥。

海洋施肥是指通過一系列有目的性的人工干預(yù)行為，如直接往海洋中添加營養(yǎng)物質(zhì)、提升營養(yǎng)鹽的供應(yīng)以及一些其他間接的手段，以達(dá)到增加海洋初級生產(chǎn)力和海洋固碳的目的，是迄今為止被廣泛研究和討論的海洋地球工程手段之一，也是唯一有商業(yè)運(yùn)營經(jīng)歷的海洋地球工程技術(shù)。海洋施肥的科學(xué)原理起源于著名的“鐵假說” — “給我一船鐵，還你一個冰河時代”。全球大洋中廣泛存在“高營養(yǎng)鹽低葉綠素（HNLC）”海域，如亞北極太平洋、東太平洋赤道上升流區(qū)和南大洋，約占全球海洋面積的 20%。在HNLC海區(qū)中，浮游植物賴以生長的主要營養(yǎng)鹽（如磷酸鹽、硝酸鹽等）含量較高，而葉綠素含量卻非常低，造成這種現(xiàn)象的主要原因是浮游植物必需的微量營養(yǎng)元素鐵在這些海區(qū)嚴(yán)重缺乏，限制了浮游植物的生長。因此，在這些海區(qū)施加鐵元素（如硫酸亞鐵），應(yīng)該可以有效增加浮游植物的光合作用和初級生產(chǎn)力，從而增加浮游植物對大氣CO2的固定量，并進(jìn)一步通過海洋生物泵的作用，向深層海洋傳輸，從而能夠使更多的碳在海洋中儲存，并可以在較長時間內(nèi)（千年尺度）不會再返回海洋表面參與大氣循環(huán)。除了HNLC海區(qū)外，全球海洋還存在著面積更為遼闊的低營養(yǎng)鹽、低葉綠素（LNLC）的寡營養(yǎng)海區(qū)，約占海洋總面積的40%。受制于弱的垂直混合和次表層營養(yǎng)鹽的供給，LNLC海域的有機(jī)物生產(chǎn)和沉降輸出，即生物泵效率，常年維持較低的水平。人們發(fā)現(xiàn)在硝酸鹽濃度處于限制的情況下，海洋中的固氮生物（包括藻類及微生物）可以利用氮?dú)膺M(jìn)行生物固氮作用生成其他浮游植物生長所需要的銨鹽，從而在一定程度上緩解了硝酸鹽的限制?，F(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)大部分LNLC區(qū)域的固氮作用受到鐵和磷酸鹽的限制，從而降低了這些區(qū)域的初級生產(chǎn)（CO2的固定）以及碳的輸出和儲存。因此，在LNLC增加鐵及磷酸鹽的供給，可以刺激海洋藻類和微生物固氮作用的發(fā)生，從而增加海洋對CO2的固定和儲存。

海洋施肥在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)得到了很多營養(yǎng)鹽添加實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。為了得到更接近實(shí)際環(huán)境的驗(yàn)證，迄今為止，人們進(jìn)行了十余次中尺度的海洋施肥實(shí)驗(yàn)，涵蓋典型的HNLC海區(qū)，實(shí)驗(yàn)時間一般持續(xù)數(shù)周。這些實(shí)驗(yàn)的尺度一般在40～300km2不等，尚不能作為一個地球工程研究所需要尺度（約10000km2），但依然可以為實(shí)施海洋施肥地球工程提供很有價值的參考。所有海洋施肥實(shí)驗(yàn)都觀察到人工添加營養(yǎng)鹽后，浮游植物的光化學(xué)效率及對營養(yǎng)鹽的吸收增加，浮游植物色素增加2～25倍不等，初級生產(chǎn)力和固碳效率有所提高，同時伴隨遙感衛(wèi)星可觀測的海洋赤潮；浮游植物生產(chǎn)力和生物量上的響應(yīng)在表層混合層中響應(yīng)更大、更快；大多數(shù)的海洋施肥實(shí)驗(yàn)中觀察到浮游植物群落結(jié)構(gòu)由小型的藍(lán)細(xì)菌作為主導(dǎo)類群，到中型細(xì)胞體積的定鞭金藻，甚至更大的類群；硅藻的主導(dǎo)類群變化情況隨海域和當(dāng)?shù)厣锓N類的不同而不盡相同；異養(yǎng)細(xì)菌生物量普遍增長2～15倍不等；微型捕食者的生物量也有所增長。然而，縱觀全球的海洋施肥實(shí)驗(yàn)，在人工施肥可否增加通過生物泵向下輸送的碳量這一關(guān)鍵指標(biāo)上卻有很大的不確定性。此外，即使有些海洋施肥實(shí)驗(yàn)觀察到了輸出生產(chǎn)力的增加，人們也發(fā)現(xiàn)其對大氣CO2的存儲還是相當(dāng)有限的。

除了直接向海洋中添加營養(yǎng)鹽進(jìn)行“施肥”外，基于對自然界常見的上升流對表層海洋“施肥”作用的認(rèn)識，人們設(shè)計(jì)了一種可以模擬上升流的海洋地球工程思路，即所謂的“人工上升流”。深海水體含有較高的營養(yǎng)鹽，在自然界形成的上升流海區(qū)，深海豐富的營養(yǎng)鹽（包括鐵）被帶到表層，促進(jìn)上升流海區(qū)浮游植物的繁盛和初級生產(chǎn)力的提高，從而提高了海洋固碳的能力或者潛力。其工作原理是通過各種供能手段和泵水方式，利用單向的閥門管道實(shí)現(xiàn)深層海水向表層的流動。目前主要的供能方式包括風(fēng)能、太陽能、海流能和波浪能等，因?yàn)楹Ａ髂芎筒ɡ四芊植紡V泛、成本低廉，是較有發(fā)展前景的供能方式。人工上升流設(shè)備主要由浮體、控制閥以及上升管構(gòu)成，目前已有一些現(xiàn)場開展的人工上升流實(shí)驗(yàn)。但是人工上升流與自然上升流一樣，不僅帶來了深海豐富的營養(yǎng)鹽，也帶來了深海高濃度的溶解無機(jī)碳，高濃度的溶解無機(jī)碳最終會向大氣釋放CO2。因此，人們首先要進(jìn)一步深入研究自然上升流海區(qū)CO2源匯格局及其影響因素，也要注意到合理科學(xué)地選擇實(shí)施人工上升流的海區(qū)。

任何地球工程技術(shù)手段都具有可能影響地球生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險，海洋施肥也不例外。海洋施肥首先改變了當(dāng)?shù)乇韺雍Ｑ蟮臓I養(yǎng)結(jié)構(gòu)，改變了原本平衡的生態(tài)系統(tǒng)；海洋施肥在表層產(chǎn)生的生物量會在次表層被分解，從而降低次表層和中層的溶解氧濃度，這會增加近岸缺氧的頻率和強(qiáng)度，從而導(dǎo)致海洋生物的死亡；有研究表明海洋施肥可以促進(jìn)一些有毒藻類的生長；海洋施肥刺激的生物量分解后可能產(chǎn)生N2O和CH4等比CO2存在時間更長、溫室效應(yīng)更強(qiáng)的氣體，也可能會影響大氣DMS和臭氧的含量，進(jìn)而對大氣氣候產(chǎn)生目前尚不確定的影響；海洋施肥增加了施肥海區(qū)對營養(yǎng)鹽的消耗，因此會降低施肥海區(qū)下游的營養(yǎng)鹽水平及生產(chǎn)力，這不僅影響下游海區(qū)的固碳，也會對其漁業(yè)資源等產(chǎn)生未知的影響；海洋施肥產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)無疑也會對深海水體及海床生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這些影響的程度和范圍尚無科學(xué)定論。因此，海洋施肥在科學(xué)界引起了激烈的爭論，最終國際社會同意采取審慎和保守的態(tài)度，在海洋施肥的科學(xué)問題解決之前，不再進(jìn)行大規(guī)模的海洋施肥實(shí)驗(yàn)，一些與之有關(guān)的商業(yè)活動也被叫停。

【注釋】

[1]本章由張銳、張曉華編寫。