以下文章来源于地球科学进展 ，作者地球科学进展
杨卫东1，曾联波1,2，李想2
(1. 中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；2. 北京大学能源研究院，北京 100871)
温室气体排放造成的全球气候变化引发的气候和环境危机，对人类未来的生存发展造成威胁，在此背景下碳中和已成为全球共识。目前，全球100多个国家及地区已经明确提出了碳中和的目标。中国作为碳排放大国，在第七十五届联合国大会上，也郑重宣布CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标。为实现碳中和目标，除了通过新能源替代以及提高能效达成“减排”来减少大气CO2含量外，大力发展固碳增汇技术也是重要的途径。基于此，中国石油大学(北京)地球科学学院曾联波教授团队在碳汇系统分类的基础上，从海洋碳汇和陆地碳汇两方面综述了碳汇效应及其影响因素，探讨了固碳增汇的挑战和机遇，可为碳汇效应的深入研究提供参考。
该研究成果已经在《地球科学进展》2023年第2期发表。
主要研究内容
1 碳汇的分类
碳循环涉及大气、陆地和海洋三大碳库之间的碳流通。根据碳循环关联的生态系统与碳汇方式，本文对碳汇效应进行了3级分类。根据碳汇生态系统，将碳汇效应分为海洋碳汇和陆地碳汇两大类，其中海洋碳汇可以进一步分为沿海生态碳汇、海水生态碳汇和人工海洋碳汇3个亚类；陆地碳汇又可分为陆地植被碳汇、自然地质碳汇和人工地质碳汇3个亚类，并对不同亚类的碳汇具体类型进行了划分，可以更好地了解碳汇效应的过程和机制。
碳汇的分类及时间尺度
2 碳汇效应
2.1 海洋碳汇
海洋碳汇是指通过海洋活动和海洋生物吸收大气中的CO2，并将其固定和储存在海洋中的过程和机制。根据碳汇所处的位置及其机制，海洋碳汇分为沿海生态碳汇、海水生态碳汇及人工海洋碳汇3 种类型。
海洋碳汇效应示意图
2.1.1 沿海生态碳汇
沿海生态系统主要包括红树林、泥滩、沙滩、潮汐沼泽、河口、大陆架和瀉湖等子生态，通过这些沿海子生态系统吸收和储存大气中CO2的过程及机制称之为沿海生态碳汇。沿海生态中有红树林、沼泽植物和海草床等植被，从赤道到温带地区均有分布，这些植被的凋零是沿海沉积物中有机碳的主要来源。红树林对蒸发冷却的需求较低而光合速率很高，其CO2固存率较高。盐沼地区植被以草本植物为主，这些盐沼植物的通气组织含有大量的CO2，可以供光合作用进一步利用并形成碳汇，因而其碳汇通量也较高。由此可见，具有适应沿海生态环境的植被覆盖是沿海生态碳汇的重要保证。
2.1.2 海水生态碳汇
海水生态碳汇是指通过海洋本身以及海洋与大气之间碳循环过程形成的碳汇，主要通过海洋溶解度泵作用、生物泵作用和微型生物泵作用实现。海洋的溶解度泵作用是基于CO2的可溶性，并通过水流涡动、气体扩散和热通量等过程实现碳在海洋与大气界面之间的碳转移。生物泵作用是通过海洋生物及其活动将碳从海洋表层转移到深海储存的过程，该过程主要通过海洋生物圈的初级生产力完成。微型生物泵主要是通过微生物修饰和转化溶解颗粒有机碳的能力，使其丧失生物活性成为惰性碳，而被长期固存。此外，微生物之间的复杂相互作用也会促进海洋碳汇形成。
2.1.3 人工海洋碳汇
人工海洋碳汇是指将CO2压缩注入高密度深层海水中，以此长时间储存形成的碳汇。目前人工深海封存还具有争议性，主要在于将大量CO2直接注入海洋可能会导致海水酸化，而海洋酸化可能会减少生物多样性，影响海洋生态系统。因此，海洋CO2储存具有可能成为大型碳汇的潜力，但也存在环境风险可能会限制其应用，在人工海洋碳汇规模化实施之前，需要深入研究和充分评估其可行性以及对海洋生态的影响。
2.2 陆地碳汇
陆地碳汇是指陆地生态系统吸收并储存CO2的过程。陆地碳汇由陆地生态系统碳循环在不同时间和空间尺度上通过多个不同作用过程共同决定，包括通过光合作用吸收、人类活动排放（化石燃料排放、人为焚烧、土地利用等）、自然活动排放（生物呼吸作用、火山活动等）以及风化侵蚀等过程。
陆地碳循环概念图
2.2.1 陆地植被碳汇
陆地植被碳汇是指陆地植物通过光合作用将CO2转化为糖和淀粉，从而从大气中持久地吸收大量碳的过程。陆地植物通过光合作用每年能吸收约3721亿t CO2，其中净吸收大约55亿t CO2，相当于每年24%的工业排放量。我国植被碳汇能力为0.96亿~1.06亿t/a，如果再考虑植被下的土壤部分，碳汇量相当于同期化石燃料排放量的21%~27%，其中森林约占总碳汇通量的80%，其次是农田和灌丛，而草地目前被认为是碳中性或弱碳源。
2.2.2 自然地质碳汇
自然地质碳汇是指在自然环境下通过岩石风化和土壤沉积等方式吸收固定CO2所形成的碳汇，主要包括陆地土壤碳汇和陆地风化碳汇两类，其中土壤碳汇包含了森林、草地以及湿地生态碳汇的土壤部分，不包含植被生物量。
(1) 陆地土壤碳汇
陆地土壤碳汇是指土壤沉积吸收和固定CO2所形成的碳汇。在草地生态系统碳汇中，约有90%以上储存在其植被下的土壤中。湿地土壤的碳储量大约是湿地植被的200倍，可见土壤碳汇量在陆地生态系统中占有重要比重。不同类型湿地的碳汇能力也存在明显差异，河流和湖泊湿地的单位面积碳汇能力较强，而内陆湿地的碳汇较小。
(2) 陆地岩石风化碳汇
岩石风化碳汇是基于“水—岩—土—气—生”相互作用的碳循环过程，主要是通过地质作用与水生生物作用而形成的碳汇。地球原始大气CO2浓度约为25％，由于硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化所产生的大量碳汇，使得现今大气浓度降为0.03％，从而有利于生物的生存。全球碳酸盐岩地层的区域约占陆地面积的15.2%，每年可产生约6×108 t碳汇，与植被和土壤的碳汇量相当，是全球自然碳汇的有效组成部分。我国岩石风化作用每年消耗碳量约1.41×107 t CO2，其中碳酸盐岩消耗占52.65%，约为0.74×107 t；而硅酸盐岩消耗约占47.35%，约为0.67×107 t。硅酸盐矿物风化一般将吸收的大气CO2转变为重碳酸根，并以碳酸盐形式固定于水体中，形成长期的碳汇。
岩石风化碳汇作用过程示意图
2.2.3 人工地质碳汇
人工地质碳汇这里是指将CO2注入地下进行封存形成的碳汇。要实现碳中和目标，除了能源转型以外，提高能源的使用能效以及碳捕集、利用与封存也是重要的途径。碳捕集、利用与封存技术将化石燃料燃烧产生的CO2捕集，并通过管道以超临界态注入地下油气藏中，在提高油气采收率的同时可以实现CO2的封存。目前，应用于CO2地质封存的场址主要有油藏储层、气藏储层、煤层储层和深层咸水层。IEA(2019)预测全球CO2封存潜力分别是：提高油藏采收率的容量1 000 亿~1 200 亿t，提高气藏采收率的容量7 000 亿~8 000 亿t，提高煤层气采收率的容量约200亿t，深部卤水层封存约为10 000 亿t。
碳捕集、利用与封存(CCUS)工程概念示意图
3 碳汇影响因素
3.1 海洋碳汇影响因素
根据海洋碳汇的原理，大多数有机碳最终以沉积储存的形式形成碳库。有机碳沉积储存主要受以下5个方面因素的影响：
初级生产力因素，决定了有机碳的来源。
沉积环境和水动力条件，影响沉积物中的有机碳含量。
沉积物的物性因素，影响有机质的埋藏效率。
人类活动因素，影响输入海洋的陆源有机物含量。
物理化学条件，影响海洋表层CO2吸收。
3.2 陆地碳汇影响因素
在自然状态下，陆地生态系统通常趋于碳平衡，碳输入和输出较为接近，净碳排放趋近于零。但由于大气成分变化、氮沉降、气候变化或人为干扰等因素的影响，可使陆地生态系统转变为碳源或碳汇，不同因素的影响强度和持续时间存在差异，CO2施肥效应、氮沉降、气候变化和土地利用等因素主要通过促进植被生长间接增加碳汇，它们的相对贡献分别为70%、9%、8%和4%。生物群净区生产力对温度和降水较为敏感，它们的敏感性分别约为每摄氏度(-3.0±1.5)×109t的碳量和每100mm降水(2.3±1.6)×109t的碳量，反映出气候的波动对陆地碳汇有明显的影响。野火、风倒、干旱以及虫害等突发性灾害在短时间内会对碳储量产生明显的影响，但持续时间较短，在长时间尺度内影响不明显。土壤有机质积累和矿物的吸收影响自然地质碳汇过程，但需要在较长时间尺度才能显示其成效。
陆地生态碳汇及碳源影响因素强度随时间变化对比图
影响人工地质碳汇的因素主要包括地质封存体适宜的厚度、孔隙度、渗透率、良好的盖层密封能力以及稳定的地质环境等。同时，碳源的距离、储存空间的有效性、泄漏风险以及经济性等因素也影响地质封存的可行性。因此，在评价CO2地质封存潜力时，需要综合考虑地质构造环境、盆地地热、地层水动力、油气潜力和盆地勘探开发程度、管道运输和基础设施有关的经济及社会因素。
结 论
(1) 碳汇是通过自然转化或人工将大气中CO2清除的过程、活动或机制，碳汇效应分为海洋碳汇和陆地碳汇两大类，其中海洋碳汇分为沿海生态碳汇、海水生态碳汇和人工海洋碳汇，陆地碳汇分为陆地植被碳汇、自然地质碳汇和人工地质碳汇。
(2) 海洋碳汇主要通过海岸植被的固碳效应、沿海有机碳的沉积作用以及海水碳泵作用形成，受季风洋流条件、陆源有机物输入、海岸地理条件以及人为活动等因素的影响。植被碳汇通过陆地植物的光合作用将CO2转化为有机碳储存，受气温、降水、大气成分、土地利用变化以及自然干扰等因素的影响。自然地质碳汇通过土壤和碳酸盐岩风化作用实现，土壤碳汇受区域植被条件、气候条件、土壤利用等因素影响；岩溶碳汇受气温、降水、岩石类型、水文条件及人类活动等因素的影响。碳捕集、利用与封存是人工地质碳汇的主要技术，其CO2封存能力受地质构造、储盖条件、地热、地层水动力、油气潜力和盆地勘探开发程度等因素的影响。
(3) 海洋碳汇的潜力巨大，加强自然海岸线和海岸带生态系统保护和监测研究，完善监控体系和评价标准，并通过海洋铁施肥、人工上升流等方法调节海水养分，控制陆源营养物质介入，对发展海洋碳汇具有积极作用。加强植被保护及再造，优化土地利用，进行土壤改良，能够有效促进植被碳汇。通过土地利用管理、外源水管控和环境适应型植被培育等措施，可有效改善自然地质碳汇。
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