“就在3月的第三周，南极洲东部的研究站记录了前所未有的温度，比月平均温度高出40摄氏度。”在近期联合国网站的一篇文章中，科学家们再次发出警告：南极洲气温升高和冰盖融化加剧应引起足够重视。气候变迁导致极端天气、干旱、气温升高、冰川融化及海平面上升，不断将地球环境和人类生活推向临界点。人们正以不同方式经历着气候变化。
2022年4月22日，是第53个世界地球日，让我们大家一起聚焦“地球、海洋与蓝碳”。本期腾研专访由腾讯研究院、腾讯战略发展部和SSV碳中和实验室共同发起，对话中国科学院院士、化学海洋学家、厦门大学地球科学与技术学部主任戴民汉教授，戴教授将从专业视角为我们解析海洋对气候的影响，基于海洋的碳中和解决方案，以及探索数字技术对海洋科技与蓝碳发展的赋能。
他认为，只有通过全球跨界的共同设计及有效协同，才可实现未来海洋的可持续繁荣。可持续海洋繁荣的解决方案可表达为一个公式，即：
T：大家都知道气候平均状态随时间的变化对海洋产生一定的影响，如冰川融化，全球海平面上升等等，但是海洋如何对气候变化发挥调节作用，似乎所知甚少，您作为海洋与全球气候变化领域的科学家，可否为大家介绍一下海洋与气候的关系？
戴民汉：如果用一句话来总结海洋与气候的关系，那就是，海洋及其ECO既是缓解气候平均状态随时间的变化强有力的“执行者”，也是气候平均状态随时间的变化的“受害者”。
首先，海洋是气候平均状态随时间的变化的巨大 “缓冲器”与“调节器”。这可以从地球的能量平衡和碳平衡的角度去看。长期以来，地球系统能量的吸收与释放处于一个动态平衡状态，保障了地球的宜居性。一公斤海水温度上升一摄氏度所吸收的热量很大，是空气的 4倍，加之海洋体积巨大，海洋因而具有巨大的热容，是维持地球系统能量平衡的核心。自1950年以来，海洋吸收了进入气候系统的大约90％的热量, 驱动海洋增暖，其影响已抵达深海，而且，该趋势还在延续。最新的观测数据表明，在2021年，全球海洋上层两千米吸收的热量比2020年增加了14×10 21 焦耳——这些热量相当于中国2020全年发电量的500倍。
这些数据都有力支持了一个观点：海洋吸收了人类活动排放的温室气体所导致的气候系统中的大部分超额热量，是地球能量失衡加剧中的最大缓冲器，对缓解全球气候平均状态随时间的变化起到了至关重要的作用。假如没有海洋或者海洋的“吸热”能力达到上限，在“温室效应”的作用下，原本被海洋吸收的巨额的超额能量既不能向外释放，也无法被地表吸收 （地表热容远低于海洋） ，进而导致地表温度的急剧增长，由此将会促进加剧极端天气与气候事件，甚至是出现人类难以承受的严重灾难。
海洋是地表系统最大的碳储库，碳储量是大气的50倍，其中98%以溶解无机碳 （Dissolved Inorganic Carbon, DIC） 的形式存在。溶解无机碳系统，也称碳酸盐系统，它们构建了海水碳酸盐缓冲系统。大气二氧化碳通过海气交换进入海洋后会发生一系列化学反应，从而打破海水碳酸盐系统原有的平衡。部分进入海洋的二氧化碳会转换成其他形态，从而使海水二氧化碳浓度升高的程度低于非缓冲系统。在海洋的不同深度，海水的停滞时间也相差较大，表层海水停留时间最短，1000米以深则可达数百年甚至千年。如果将海洋表层的DIC输送至深层，便可长时间与大气隔绝，实现碳封存，同时促进上层海洋进一步吸收大气中的二氧化碳。海洋碳泵，包括“溶解度泵”、“生物泵”和“碳酸盐泵”，接手了这一运碳、储碳的任务。
海洋是人为排放二氧化碳的主要归宿地之一。自工业革命以来，海洋累计吸收了约25%的人为排放的二氧化碳。假如没有陆地生态与海洋系统吸收大气二氧化碳，大气二氧化碳浓度可能早已超过巴黎协定的 2 °C 温控目标。还有一笔自工业革命以来碳收支的帐，从1850年到2020，从数值上看，由土地利用方式的改变释放到大气中的二氧化碳与陆地ECO所吸收的二氧化碳相抵消，就陆地而言，净二氧化碳消纳量非常低；而由化石燃料燃烧产生的二氧化碳高达4620亿吨碳，海洋吸收了其中的36%，剩下的64%则留存于大气中。设想假如没有海洋，化石燃料燃烧释放的二氧化碳将全部保留于大气中，大气二氧化碳的浓度会增加更快，从而进一步加剧气候平均状态随时间的变化风险。
其次，海洋的持续吸热、储碳给海洋环境、生态造成的负面影响已日益凸显，包括海洋暖化、酸化、脱氧，海平面上升，生物多样性丧失等。
T:提升ECO的碳汇增量慢慢的变成了实现“双碳”目标的重要方法之一，蓝碳、海洋碳汇将在应对全球气候变化及我国“双碳”目标实现过程中扮演什么样的角色？
戴民汉：中国承诺到 2060 年实现碳中和，为的是走可持续、高质量的发展道路，也为了全人类的文明，以构建面向人类命运共同体框架下的全球气候治理体系，是推动国际社会一起努力、实现巴黎协定的温控2 °C、“雄心”1.5 °C以内目标的举措。
蓝碳概念的提出最初是相对于陆地ECO的绿碳而言。根据2009年联合国环境规划署、粮农组织和教科文组织政府间海洋学委会联合发布的《蓝碳报告》，蓝碳被定义为海洋和近海ECO通过光合作用捕获和储存的有机碳。海洋碳汇则是相对于大气中的二氧化碳而言，是指海洋通过物理、化学、生物过程吸收二氧化碳并储存在其内部。因此，海洋碳汇的完整表述应为“大气二氧化碳的汇”，这部分碳在海洋中的固定形式和封存（即，脱离与大气的交换）深度决定了海洋碳汇的时间尺度。
从应对全球气候平均状态随时间的变化的角度看，海洋在过去、现在及未来均起到核心作用。如上所述，工业革命以来，海洋在吸收人为排放的二氧化碳方面所起到了持续性的核心作用。展望未来，在净零排放或负排放情景下，大气二氧化碳浓度将逐渐降低，如果海洋与大气不能实现同步减碳，海洋碳汇能力则会减弱，甚至有可能将过去吸收的二氧化碳重新释放回到大气圈，这将严重威胁碳减排效应。
当然，海洋的重要性还体现在其巨大的增汇潜力。随着大气二氧化碳的增加，海洋吸收二氧化碳的速率一方面由大气二氧化碳浓度增加的速率决定，另一方面则受到海洋内部垂直交换快慢的制约。例如，表层海水二氧化碳与大气达到平衡只需大约一年时间，但表层与中、深层海水完成一次混合过程却需要数年甚至几个世纪的时间。因此，工业革命以来形成的海洋碳汇至今主要在海洋上层。受此限制，海洋目前吸收人为二氧化碳仅仅只占其最大容量的15%，海洋仍有高达85%的吸收大气二氧化碳的潜力有待发掘，尤其是在广阔的深海大洋。
海洋和海岸带ECO可资贡献的增汇措施有：保护和恢复滨海蓝碳生态系统、海藻养殖固碳、海水碱化、海洋施肥增汇等。海洋碳汇总体封存时间长，并可能做到生态友好，减缓海洋酸化、增产渔业、或成为食品、燃料和耐用产品的原材料。
从区域或国家层面视之，海洋碳汇清单、稳定性、演化趋势及其控制机理尚待进一步深入研究，以赋能国家碳中和战略和行动。我国邻近的南海、东海、黄海等边缘海位于陆地-大洋交界带，除了接收珠江、长江、黄河等大河的物质输入外，还与邻近西北太平洋持续进行着物质交换。因此，我国边缘海除了直接从大气吸收约1000万吨碳以外，还承载了陆地和大洋侧向输入的物质 （包括碳） ，间接贡献了陆地和大洋碳汇。陆架边缘海受人为活动和全球变化双重影响，其中的物理与生物地球化学过程远比大洋复杂，碳源汇格局可在不同的空间和时间尺度上发生动态切换，这在某些特定的程度上增加了厘清中国海碳源汇清单的难度。此外，定量甄别近海的自然与人为源/汇过程也是颇具挑战性的科学命题，因此必须快速推进相关研究。
此外，我国拥有300万平方公里的海洋国土面积，是陆地森林面积的近两倍，也是自然生态的重要组成部分，并具有巨大的增汇潜力。然而，迄今为止关于国家自主贡献的国际讨论中，海洋的作用和潜力远未受到足够的重视。因此，挑战与机遇并存，亟需形成海洋碳汇理论和发展蓝碳增汇技术。
当然，基于海洋的碳中和解决方案一定精准评估碳汇生态效应，以实现“生态优先、绿色发展”和“碳中和”的协同，这与我国制定“双碳”战略的初衷高度契合。我想特别强调的是，在碳中和目标的实现与可持续发展路径的选择方面，海洋作为新的战略空间和经济形式（蓝色经济）具有重大的潜力和战略意义。
T：您怎么样看待海洋碳汇、蓝碳与生态系统可持续发展的协同？当前在发展海洋碳汇、蓝碳过程中面临的主体问题有哪些？
戴民汉：我国的“双碳”战略是生态文明建设的重要组成部分，包括蓝碳在内的海洋碳汇是实现碳中和目标及其战略路径决策不可或缺的要素。然而，我们对海洋碳汇仍存在相当大的科学认知缺失，也存在若干误区：一是人们往往只关注其直接吸收大气中二氧化碳的量作为其碳汇功能，而忽视了我国近海系统处于陆—海—洋—气相互作用高度活跃的地带，承载了陆地和大洋侧向输入的物质（包括碳），间接贡献了陆地和大洋碳汇；二是海洋捕获的二氧化碳并非永久封存，如果海洋碳汇得不到固持，在一定的时间尺度下，海洋甚至有可能将碳重新释放回到大气圈，这将严重威胁碳减排效应；第三，从国家及区域角度而言，摸清家底，厘清海洋碳源汇清单及其动态变化是规划碳中和战略路径中的必要条件。对海洋碳汇和蓝碳的科学认知缺失可能会加大我国近海海洋碳源汇清单的估算难度。
我们需要充分认识到碳汇是海洋生态系统最重要的生态服务功能之一，但并不是唯一的生态服务功能。实施基于蓝碳生态系统方案，服务“双碳”目标、应对气候平均状态随时间的变化，必须全面评估方案背后的生态环境效应，包括对滨海ECO的影响、与其它陆地、海洋系统的协同作用、以及对海洋自然碳汇的影响。例如，红树林有很强的固碳能力，是森林的40多倍，同时兼具防风消浪、促淤保滩、护岸固堤等功能，但在推广开发红树林ECO的过程中，也经历过值得引以为戒的教训。台湾岛西北部香山湿地自1997年大面种植红树林后对当地ECO造成了相当的负面影响，包括侵占光滩所致的底栖生物和鸟类栖息地丧失、沉积物堆积加剧了洪水泛滥的风险等。随后在2015年香山湿地启动了红树林清除项目。因此，在实施基于自然蓝碳的“双碳”服务方案前，需对其进行遵循ECO可持续发展规律的综合评估和管理。
早期的经济发展过程曾导致海岸带栖息地受到不同程度的破坏，由此也削弱了我国部分自然蓝碳ECO的功能。恢复ECO，改善生态环境质量，遏制生物多样性丧失，维持和增强蓝碳生态系统的碳汇功能，发展蓝色经济，是一个重大机遇。
T：中央提出各地应因地制宜来确定产业体系调整方向和“双碳”行动方案，作为拥有全国最长海岸线的粤港澳大湾区，在蓝碳发展方面有哪些机遇和挑战？
戴民汉：粤港澳大湾区拥有丰富的蓝碳资源，发展滨海蓝碳具有得天独厚的优势。据统计，粤港澳大湾区的滨海湿地面积超过3200平方公里，占全国滨海湿地面积的5.5%，其中红树林ECO面积占全国现有红树林的10%。此外，粤港澳大湾区的独特地质条件使其具有十分可观的碳封存潜力。大湾区毗邻的南海北部四大近海沉积盆地的潜在碳封存空间估计在4千亿吨，超过大湾区年碳排放总量的1000倍。目前，大湾区及其附近海域已相继开发了多个碳捕集、利用与封存示范项目，其中中国海洋石油在珠江口盆地的恩平离岸碳封存平台，设计碳封存能力为每年30万吨，已走在国际前列。
粤港澳大湾区的部分滨海湿地通过建立国际重要湿地和国家级、省级自然保护区和湿地公园被保护起来，包括位于深圳的福田红树林、香港米埔湿地、珠海淇澳岛、惠东红树林等。其中福田红树林是我国唯一一个位于城市腹地的国家级自然保护区。这些自然保护区和湿地公园的建立不仅保证滨海湿地发挥其固碳增汇、保护生物多样性等功能，还能作为旅游、教育和科普的基地，提升公众对保护滨海湿地ECO重要性的认识。2021年深圳红树林作为“人与自然和谐共生”的成功范例入选自然资源部和世界自然保护联盟（IUCN）联合发布的“基于自然的解决方案中国实践典型案例”。
此外，粤港澳大湾区作为我国人均GDP最高、经济实力最强的地区之一，可充分的利用其在科学技术创新和沿海地域的优势，在保持经济稳步的增长的同时，借助社会、经济力量进行ECO修复，促进ECO服务功能的协同提升；同时，可充分的发挥广州和深圳两个碳排放权交易所的作用，引入“蓝碳”资源等多种交易产品，构建并完善碳捕集、利用与封存政策和多元化、多层次的碳交易市场机制，推动技术应用和经济社会的全面绿色转型，以可持续发展模式实现区域“碳中和”目标。
当然，机遇与挑战并存。粤港澳大湾区是我国人口密度最高的地区之一，当前大湾区经济发展的新趋势强劲、能源消费基数高，特别是广东省的碳排放量依然呈现逐年增长的趋势，像江门、惠州等地区单位GDP碳排放量比我国中等水准高30—50%。另外，人口增多与经济发展同时带来非常大的生态环境压力，比如生存空间的挤占所导致的土地利用变化，生活垃圾的填埋和城市污水的排放以及生物入侵对ECO的破坏等。1990至2015年期间，大湾区建设用地面积翻了近一倍，大量占用湿地资源，同时，城市污水甚至直接排入城市边缘的湿地中，导致湿地环境恶化、面积进一步减少。尽管近年来大湾区已启动和持续开展修复项目和建设湿地公园，但滨海湿地保护依然任重而道远。
如何提高对海洋碳汇的科学认知，创新应用技术用于碳捕集、利用和封存，强化基于生态系统的科学治理方式，充分的发挥金融杠杆手段，并有机统筹上述方面来实现蓝碳发展和海洋可持续繁荣，仍有很大的挑战性。
T：数字技术在助力全球应对气候变化进程中扮演着重要角色。目前数字技术在海洋科技和蓝碳发展领域有哪些应用？未来数字技术还可能在哪几个方面有所突破？
戴民汉：可持续地开发利用海洋是人海融合和谐发展的核心理念。但海洋现在所面临的问题之大、之深，已不是简单的开发强度问题，而是经济社会系统发展模式的问题。在此当下，人类若乘势第四次工业革命，全力发展数字海洋模型，以夯实科学认知、创新应用技术、强化科学治理、发挥金融杠杆为手段，通过全球跨界的共同设计及有效协同，可实现未来海洋的可持续繁荣。可持续海洋繁荣的解决方案可表达为一个公式，即：
进一步夯实海洋科学认知，数字技术十分关键。近年来，随着遥感技术、数值模拟等技术在海洋中的应用，海洋观测数据呈指数方式增长，数字技术在海洋经略中的作用日益凸显；充分的利用海洋多源数据同化技术，将卫星遥感、现场观测等数据与海洋数值模拟技术相结合，生成再分析数据产品，是海洋数值模拟发展的重要方向，数字孪生海洋（Digital Twin of the Ocean，DTO）由此应运而生。
数字孪生海洋简单来说就是基于数字海洋并利用高性能计算将各种模型和海量数据来进行迭代优化，提供海洋当前状态准确且全面的描述，并帮助探索、发现并可视化过去、现在和未来的海洋状况。
可以预见，以智能化为主要特征的第四次技术革命的背景下，数字孪生海洋必将得到进一步的发展。联合国“海洋十年”（Decade of the Ocean）计划将创建海洋的综合数字化孪生体列为十大挑战之一。2020年，欧盟和联合国启动了数字孪生海洋项目，助力联合国2030可持续发展议程；我国科学家也在着力推动数字孪生海洋技术。
数字孪生海洋作为第四次技术革命的突破性成果，亦可助力于海洋碳汇及蓝碳的监测核查、预测评估和管理决策，以应对和适应气候平均状态随时间的变化。将数字孪生海洋应用于碳足迹检测、碳汇测算与评估，可提升碳源汇观测的时空分辨率；并融合多源海洋大数据，可构建海洋全域蓝碳虚拟感知网，提升蓝碳数据的智能化处理水平，实现“可衡量、可报告、可核查”的数字化智能观测和评估体系，降低碳清单核算的不确定性。
在提升自然和人为碳源汇准确监测的基础上，数字孪生海洋技术可进一步模拟和评估不同情境下海洋碳汇及蓝碳对未来气候的影响，甄别其影响因素并预测走向，为海洋二氧化碳脱碳工程提供科学依据、方案优化及数值预演。从国家战略和管理决策角度，数字孪生海洋有助于构架我国自主的碳中和数值模拟系统，构建海洋蓝碳及负排放决策支持体系，以便及时动态调整和优化碳中和路径。
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