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[中国科技网] 海洋牧场装配“巨型气泵” 能减碳和净化水质

作者:洪恒飞 高楚清 江耘 发布日期:2022-01-07 访问次数:61


人工上升流增汇示范工程

湛蓝的海面上,数千只PE塑料浮球如稻田中的秧苗般整齐排列,将载有控制中心的供能浮台围在中间;海面下,一台“巨型气泵”将海底富营养盐海水输送到海面,辅助浮球下的海带生长……

截至2021年12月底,位于山东青岛的鳌山湾海域,国内首个人工上升流增汇示范工程应用已运行40个月,通过提升上升流涌升效率,使海藻养殖增产,同时有效修复海洋生态环境并提高吸收二氧化碳的能力,促进蓝碳增汇。

“海洋人工上升流技术研究,是自2011年国家自然科学基金委立项支持之后,我们一直坚持开展下来的一项工作。整整十年来,我们从基础理论、技术创新开始,到系统集成、海上试验,最后在青岛的鳌山湾成功实施了这项示范工程。”浙江大学海洋学院陈鹰教授介绍说。

该项目团队根据国际通用计算方法估测,若在我国14万公顷海藻养殖区推广实施上升流工程,每年可获增碳汇总量(按CO2计)约490万吨以上,同时移除氮元素13900吨以上,移除磷元素2130吨以上。

目前,这一由浙大牵头,厦门大学、杭州电子科技大学、山东大学等合作完成的“人工上升流技术与应用”成果,已被联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)列入海洋增汇方案,面向全球推广。

人工上升流工程示意图

技术集成 提升人工上升流效率

随着人类活动越发频繁,大气中温室气体的浓度逐年增加,引发全球气候变暖问题。根据世界气象组织(WMO)2021年发布的《温室气体公报》数据显示,二氧化碳的全球平均浓度从工业革命前的280ppm(1ppm是百万分之一)增长到了2020年的413.2ppm。

针对经济发展现状与国情,我国已提出碳达峰碳中和目标。此前,《“十二五”控制温室气体排放工作方案》《“十三五”控制温室气体排放工作方案》等,将“增加生态系统碳汇”作为低碳产业体系的重要组成部分,提出要探索开展海洋等生态系统碳汇试点。

何为“人工上升流增汇”?这一概念最早由中国科学院院士、厦门大学焦念志教授和浙大陈鹰教授于2015年提出,受自然中上升流启发而来。

上升流是指海水从底层至表层的涌升现象,自然上升流区占全球海洋面积的0.1%,常伴有低温、高盐等特征,会把海洋深层富含营养的物质带至表层或近表层,促进饵料生物繁殖,有利于形成渔场。

“人工形成的上升流持续时间更长、效率更高,但是,实现‘人工上升流增汇’,存在工程选址、技术装备的高效率和高可靠性等问题。”浙大海洋学院教授樊炜说,经过20个月的调试运行,2020年4月,项目团队在山东青岛鳌山湾创建的国内首个大型人工上升流生态示范工程顺利建成。

据了解,项目团队研发的浅层注气式气力提升技术有效提高了系统可靠性。

“此外,针对潮流过大,导致气泡和营养盐羽流过早分离、无法确保营养液羽流被有效提升至海洋表层的难题,团队研发出了羽流轨迹控制及智能注气策略。”樊炜介绍,集成系列技术,团队通过控制最优注气量,将注气式人工上升流效率提升了12.38%。

人工上升流增汇平台上,研究人员进行设备操作

减污降碳 从深海获取藻类营养

碳中和技术之道,不外乎“双减”——通过能源替代、技术升级、关闭产能等方式减少碳排放;通过生物或人工直接捕获空气中二氧化碳的方式,减少大气中的温室气体含量。

焦念志院士曾在《中国科学院院刊》刊文,建议实施陆海统筹负排放生态工程,研发缺氧/酸化海区的负排放技术,实施海水养殖区综合负排放工程,研制海洋碳汇标准体系。

“团队在鳌山湾海域搭建的示范工程,包含人工上升流、海洋环境与碳汇监测和大型海藻养殖等复合系统,占海域面积500亩。”樊炜介绍,经实践表明,其中的人工上升流系统可在潮流作用下有效提升至少5000亩海域的表层营养盐浓度,并调整氮磷比,使之有利于大型藻类的光合作用。

截至去年11月底,通过实施该工程,区域范围内海带每株平均增产了36.1克,每亩增加碳汇1.6吨。

另外,由于近岸工农业发展与人口高密度增长,造成我国近海存在富营养化现象,其引发的赤潮、绿潮、海水缺氧与酸化等问题同样亟待解决。

据统计,中国近海海藻养殖区的固碳效率约是亚马逊雨林的17倍,吸氮量和吸磷量约为非养殖区的17.2倍和126.7倍,通过季节收获每年可移除约75000吨氮和9500吨磷。

“获得上升流供给的营养盐后,浮游植物和藻类可通过光合作用将海水中的营养盐和溶解CO2转换为有机质。”樊炜表示,这在一定程度上可减少海藻养殖中的肥料使用,缓解近海富营养化问题。

2019年9月,IPCC发布的《气候变化中的海洋与冰冻圈特别报告》中倡导:用人工上升流替代传统的挂袋施肥用于筏式海藻养殖,避免向海洋生态系统添加任何外源物质,通过调节生态系统内部不同时空中的物质余缺达到增加碳汇、降低人类活动对自然生态系统不利影响的目的。

位于山东青岛鳌山湾海域的人工上升流增汇工程,透过海面可见海带种植情况

调节生态 刺激地球自愈能力

“世界著名渔场基本上都分布在自然上升流区。”樊炜介绍道,海洋表层浮游植物的增加,能够为鱼类提供大量的食物,海洋中的自然上升流区虽仅占全球海洋面积的0.1%,却能提供44%的渔获量。

记者了解到,通过应用该项目团队研发的海洋大型人工上升流装置,青岛悦海蓝天水产有限公司开拓了5000亩养殖海域,2020年增值效益3500万元。

“现有的研究已经表明,人工上升流技术在增加海洋碳汇、渔业产值方面极具潜力。已有若干沿海城市的相关部门同我们联系,尝试推广系列技术。”樊炜说,不止于此,在海洋生态调节上,它还有更多的应用场景,是可以用于刺激地球自愈能力的地球工程手段。

比如,当珊瑚受到海水高温和其他因素的压力时就会产生珊瑚白化现象进而导致珊瑚排斥体内共生的藻类。科学家们正在研究通过从海洋深处注入冷水来拯救珊瑚礁。

樊炜表示,人工上升流可以将海洋深层冷水提上来,冷却珊瑚群落周围水体温度,从而减轻珊瑚的热应力。类似的应用场景,有待于科研人员持续挖掘。

不久前,这一由多所高校的科研团队和海水养殖企业合作完成的“人工上升流技术与应用”成果通过了由中国科学院院士、自然资源部第二海洋研究所研究员陈大可担任主任的鉴定委员会鉴定。鉴定委员会对该技术在促进海洋生境改善、生产力提升和碳增汇等方面的应用前景给充分肯定。

“下一步,我们准备从气幕式人工上升流系统的小型化、智能化、一体化着手研究,提高涌升的效率并压缩成本。”樊炜表示,比方说,利用海洋地形、洋流等条件,尝试达到“四两拨千斤”的效果,是今后要深入研究的方向。

(洪恒飞 高楚清 科技日报记者 江耘)2022-01-07