前言
昨日參與中央研究院所舉辦的海洋碳移除方法工作坊，收穫不少。
現場來了許多學界專業人士，從各方面探討海洋碳移除的潛力以及可能需要解決的問題。最後的總結階段提到大眾當前對海洋碳移除的認識還太少，尚須許多推廣工作。啟發了我可以稍微整理一下海洋鐵施肥（OIF）和海洋鹼度增強（OAE）兩種相當具有潛力的海洋碳移除方法，整理過的介紹資訊想必對需要的人更有幫助。
方法簡介
海洋碳移除（mCDR）技術已成為全球應對氣候變化的重要補充手段。在眾多候選方法中，海洋鐵施肥（Ocean Iron Fertilization, OIF）和海洋鹼度增強（Ocean alkalinity enhancement, OAE）因其潛在的大規模應用潛力而引起廣泛關注。OIF透過向海洋表層添加鐵質微量營養素來刺激浮游植物生長，進而增加大氣CO₂的吸收；而OAE則透過提高海水鹼度來改變海洋碳酸鹽化學平衡，增強海洋吸收大氣CO₂的能力。兩種方法都涉及複雜的海洋化學和生態過程，各具優勢與挑戰。海洋鐵施肥的機制與原理
海洋鐵施肥是一種基於生物碳泵的碳移除技術。在地球上許多高營養、低葉綠素（HNLC）區域，例如南大洋、赤道太平洋和北太平洋的某些地區，儘管硝酸鹽、磷酸鹽等大量營養物質豐富，但浮游植物生長仍受到限制。這是因為鐵質微量營養素在這些海域濃度極低，成為限制浮游植物光合作用的關鍵因子。自然界中，鐵質主要透過撒哈拉沙漠的粉塵或火山灰降落進入海洋。
OIF的基本原理是人工向海洋表層添加溶解性鐵類物質，以增加海水中的生物可利用鐵濃度。當鐵濃度提升時，浮游植物能利用充足的主要營養物質進行光合作用，大幅增加初級生產力。浮游植物透過光合作用固定大氣CO₂並轉化為有機物。當這些浮游植物死亡時，含碳有機物沉降至深層海洋。若這些沉降的碳粒子能到達冬季混合層深度以下，則可實現數百年至千年的碳封存。
在已進行的主要人工鐵施肥試驗中，歐洲鐵施肥試驗（EIFEX）於2004年在南冰洋（南極海）進行，是唯一報告了顯著深層碳出口的實驗。EIFEX進行了39天的長期觀察，期間報告了超過3000公尺深度的重要碳輸出，展示了OIF在理想條件下的潛力。相比之下，其他試驗，如2009年進行的LOHAFEX（印度-德國聯合試驗），儘管誘發了由Phaeocystis主導的浮游植物增長，但未能檢測到顯著的深層碳輸出。LOHAFEX的結果表明，矽酸鹽限制（某些浮游植物種類需要矽酸鹽來建造細胞壁）和捕食者的高進食率等因素可能會限制碳的有效輸出。
海洋鹼度增強的機制與原理
海洋鹼度增強是一種透過加速自然風化過程來實現碳移除的方法。在自然界中，風化過程需要數千年才能完成——二氧化碳溶於雨水形成碳酸，該碳酸與岩石礦物反應形成穩定的碳酸鹽根離子，這些離子最終由河流運送進入海洋。OAE的目的是透過直接向海洋添加鹼性物質來加速這個過程。
OAE的化學基礎涉及海洋碳酸鹽系統的平衡。當鹼性礦物質（如碎屑石灰石、橄欖岩或其他快速風化的矽酸鹽）添加到海水中時，它們與溶解的碳酸發生反應，形成穩定的碳酸氫根離子（HCO₃⁻）和碳酸根離子（CO₃²⁻）。這一化學轉變降低了海水中溶解CO₂的濃度，導致海表與大氣之間形成CO₂濃度梯度。由於二氧化碳的溶解平衡，額外的大氣CO₂不斷進入海洋表層，以恢復平衡。這個過程本質上利用了海洋作為地球最大碳儲庫的特性——海洋含有大氣中50倍的碳。
OAE有多種實施方法。最直接的方法是向海洋表層直接注入鹼性液體。另一種方法是從船隻或平台分散鹼性粉末顆粒。電化學OAE是一種新興技術，透過電解海水將其分離為鹼性流和酸性流，將鹼性流重新引入海洋。還有海洋增強岩石風化（mERW）方法，將精細研磨的矽酸鹽礦物（如橄欖岩）應用於沿海環境，利用自然的物理和生物地球化學過程來刺激礦物溶解。
最近的現場資料驗證了OAE的有效性。2025年10月，國立中山大學研究人員分析了來自南海26年的觀測數據，首次發現了海洋鹼度持續增加的全球證據。研究表明，自然增加的鹼度使海洋CO₂吸收容量增加28%，並將酸化速率降低14%。這一發現為人工OAE作為氣候變化緩解策略的可行性提供了強有力的支持。
兩種方法的比較
成本與可擴展性
OIF和OAE在成本方面存在巨大差異。OIF因為依賴於自然生物過程，成本極其低廉，估計為每噸CO₂移除約0.03美元。這使得OIF成為所有碳移除技術中成本最低的。這種異常低的成本反映了OIF複製已進行了數百萬年的自然過程的事實，地球生態系統已充分適應這些過程。
相比之下，OAE的成本遠高得多。無論採用何種鹼度增強方法，估計成本都在每噸CO₂移除100美元以上，主要由於高能耗。電化學OAE的能源需求特別高，因為將海水分解成鹼性和酸性流需要大量電力。然而，OAE仍比直接空氣捕獲（DAC）等其他先進碳移除技術便宜得多，後者成本為每噸700-1400美元。
在可擴展性方面，OAE表現出遠大於OIF的潛力。美國國家科學、工程與醫學院估計，OAE年度移除潛力達1-15 GtCO₂/年。相比之下，OIF的可擴展性受到其潛在的環境負面影響的嚴重限制，估計潛力僅為1-3 GtCO₂/年。OAE的高可擴展性源於其方法的簡單性和海洋的遼闊——地球70%被海洋覆蓋。此外，OAE可與現有海洋工程實踐（如海灘補充、疏浚、陸地開墾）整合，利用現有技術和港口基礎設施。
碳封存的永久性
兩種方法在碳封存的時間尺度上差異顯著。OAE提供更長期的碳封存。透過OAE轉化的CO₂形式（碳酸鹽和碳酸氫根離子）在海洋中被認為能穩定存在超過10,000年。這一超長的時間尺度使OAE成為真正的永久性碳移除技術，符合世紀級的封存標準。
OIF的碳封存則較為短期和不確定。封存時間主要取決於有機物沉降深度和該深度的再礦化速率。只有沉降到冬季混合層深度以下的碳才能實現長期封存，但EIFEX之外的OIF試驗並未穩定證明達到足夠深度的碳輸出。模型研究表明，OIF導致的碳封存時間通常為100-1000年，遠短於OAE。此外，即使碳被封存，也存在透過深水循環最終重新進入表層的風險，尤其是在數千年的時間尺度上。
環境影響與風險評估
海洋鐵施肥的環境關切
OIF面臨多項重大環境風險。首先，其對浮游植物群落組成的影響可能產生意外生態後果。鐵施肥傾向於改變浮游植物群落的物種組成，有利於某些種類勝過其他種類。這可能導致海洋食物網結構的改變，進而影響整個海洋生態系統。
第二，OIF可能導致海洋缺氧區的形成。當大規模浮游植物成長，最終死亡並分解時，分解過程消耗溶解氧。在廣泛施肥的情況下，這可能導致大面積低氧或無氧區域的出現，對大多數海洋生物造成致命威脅。研究表明，早期對大規模OIF的模型研究預測其將導致某些海洋地區的顯著深海氧耗盡。
第三，OIF會增加溫室氣體排放，特別是一氧化二氮（N₂O）和甲烷（CH₄）。這些氣體在分解過程中由特定類型的浮游植物產生。N₂O的全球暖化潛能值是CO₂的約300倍，甲烷約20倍。一項1999年的南冰洋鐵添加研究發現，鐵添加的冷卻效應的6-12%被N₂O排放的增加所抵消。在最壞的情況下，某些模型預測OIF碳隔離收益可能完全被N₂O生成所抵銷。
第四，OIF可能通過導致硫化二甲基（DMS）排放變化而影響雲形成和區域氣候。DMS由某些浮游植物產生，在雲形成中起重要作用，影響雲的反照率，進而影響地區氣候模式。這些相互作用複雜且知之甚少，可能導致不可預測的區域或全球氣候影響。
最後，OIF會導致營養物質耗盡。浮游植物吸收並將硝酸鹽、磷酸鹽和矽酸鹽等關鍵營養物質固定在其組織中，從而導致表層海水營養物質濃度下降。這種營養物質缺乏會隨洋流傳播至下游地區，可能在數千公里外和多年後對海洋生物生產力產生負面影響。
海洋鹼度增強的環保考量
相比OIF，OAE的環境風險通常被認為更為有限，但仍需認真對待。主要風險包括局部pH擾動。添加鹼性物質會改變局部海水的pH值。在地中海的模型研究表明，儘管鹼度增強整體提高了碳吸收效率和酸化緩解，但短期內會出現顯著的局部表層pH變化。這些pH擾動的持續時間和對當地海洋生物的生理和生態影響仍需評估。
第二個關切是礦物溶解產物的影響。添加的礦物（如橄欖岩、石灰岩）不僅釋放鹼度，還釋放其他元素如矽、鈣、鎂、鐵和鎳。這些元素的額外添加可能對海洋初級生產者（主要是浮游植物）和它們控制的生物地球化學通量產生積極或消極的影響。評估表明，Fe和Ni的影響風險可能較高，矽的風險中等。
第三，酸性副產物的管理對於電化學OAE相當重要。該過程產生大量濃縮酸流，直接排入海洋會造成環境危害。因此需要特殊策略，如與矽酸鹽礦物反應、脫鹽廢鹵中和或整合到工業過程中。若這些副產物管理不當，可能導致環境和監管障礙。
儘管存在這些風險，OAE在國家自然科學基金會和美國國家海洋大氣管理局等機構的評估中被認為風險相對可控。2025年4月，美國環保署批准了WHOI的LOC-NESS專案許可，該機構在超過一年的廣泛審查後得出結論，該小規模試驗"展示了科學嚴謹性"，"預計不會顯著影響人類健康、海洋環境或海洋的其他用途"。
管理框架與研究進展
國際規管狀況
OIF和OAE都受到國際法框架的約束，其中最相關的是《1972年傾倒廢物及其他物質污染海洋公約》（倫敦公約）及其《1996年議定書》（倫敦議定書）。倫敦議定書採用了比公約更加謹慎的預防方法，這使其更可能限制OIF等相對未經測試的技術。
對於OIF，倫敦公約和議定書基本上禁止了大規模商業應用，限制其僅用於研究目的。2013年倫敦議定書修正案為海洋地球工程研究奠定了基礎，但施加了嚴格的評估要求。根據聯合國《海洋法公約》（UNCLOS）的框架，各國必須履行盡職責務，確保在其管轄權內進行的活動不會對環境造成損害。
OAE目前正在發展新的規管框架。2013年倫敦議定書修正案明確為"海洋地球工程"研究項目設立了評估框架，包括初步評估和詳細環境影響評估（EIA）。這為OAE研究提供了一些法律指導，儘管該框架仍在演變。不同國家根據這些國際最低標準制定本國許可條件和法律。
現場研究與試驗進展
OIF的現場研究已基本停滯。最後一次主要試驗LOHAFEX於2009年進行，之後由於國際協議的限制和科學爭議，大規模現場試驗被基本暫停。少數科學家正推動恢復OIF研究，包括2024年發表在《海洋邊界工程前沿》上的一份文章，題為"海洋鐵施肥評估的後續步驟"，呼籲建立負責任的研究計劃。
OAE的現場研究進展迅速。美國WHOI的LOC-NESS項目在2024年10月獲得美國環保署許可，計劃在2025年夏天進行一項小規模、高度監測的OAE現場試驗。該試驗將在麻薩諸塞州灣進行。此外，2025年冬季，Carbon to Sea與國際合作夥伴在冰島Hvalfjörður建立了OAE研究中心，該中心將利用該地區的獨特海洋物理特性進行多項現場研究。
在模型研究方面，2025年3月啟動的海洋鹼度增強模型相互比較項目（OAEMIP）代表了一項重要進展。該項目期望增強研究人員比較OAE模型結果的能力，透過協調的多模型研究深化對OAE碳移除效率如何隨位置和季節變化的理解。這種工作對於解決科學模型之間的不確定性相當重要，也是建立高品質碳權市場所必需的。
成本效益分析與市場潛力
從經濟角度看，OIF和OAE代表不同的市場機會。OIF的極低成本使其從理論上適合於大規模部署，但其有限的碳封存永久性和持續的環境風險使其難以在碳權市場上獲得高估值。高品質碳權通常要求至少百年級別的碳封存，而OIF難以穩定達到這一標準。此外，由於其潛在的環保負面影響，OIF生成的碳權獲得驗證和銷售的難度較大。
OAE的成本效益分析更為複雜。儘管單位成本更高（>100美元/噸），但OAE提供的遠期永久性碳封存（>10,000年）在碳權市場上價值更高。國際碳權認證機制（ICVCM）等新興標準正在為OAE等海洋碳移除方法建立嚴格的品質基準。隨著再生能源成本下降和OAE技術成熟度提高，其經濟可行性預期將大幅改善。
結論與未來展望
海洋鐵施肥和海洋鹼度增強各代表了海洋碳移除的不同路徑。OIF因其極低成本和依賴於自然生物過程而具吸引力，但其混合的科學證據、有限的碳永久性和顯著的環境風險使其作為大規模氣候解決方案的潛力受限。儘管EIFEX等試驗展示了其在理想條件下的潛力，但在實現穩定、可預測且環保負責任的大規模應用方面仍面臨重大挑戰。
相比之下，OAE展現出更大的承諾，特別是在碳匯永久性和可擴展性方面。其卓越的長期碳封存特性（>10,000年）、較低的相對環境風險以及與現有海洋工程基礎設施的兼容性使其成為更有吸引力的長期氣候解決方案。最近的現場驗證、積極的研究議程和新興的規管框架都支持OAE作為可行的海洋CDR方法的前景。
儘管如此，兩種方法都應被視為對廣泛碳移除策略的補充，而非替代，且都需在大規模部署前進行更多研究。未來的發展可能涉及OIF和OAE的混合方法，或開發利用兩者優點的新型海洋碳移除技術。國際合作、透明的科學研究和謹慎的環境影響評估將對這些新興技術的發展影響深遠。
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