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海洋人工升流，這一有爭(zhēng)議的氣候解決方案進(jìn)展緩慢

肖恩·莫布雷

Mongabay網(wǎng)站

2025年6月2日

在加那利群島附近進(jìn)行的人工升流實(shí)驗(yàn)釋放的無毒染料。該實(shí)驗(yàn)原定于上周進(jìn)行，因泵出現(xiàn)故障僅僅一天就結(jié)束了。“對(duì)大多數(shù)人來說，證明了......這種方法的技術(shù)準(zhǔn)備還不成熟，“海洋地學(xué)亥姆霍茲海洋研究中心的博士后研究員邁克爾·斯瓦特說，他是研究團(tuán)隊(duì)的一員。圖片由邁克爾·斯瓦特提供。

人工升流是地球工程的一種形式，旨在使用管道和泵將涼爽、營養(yǎng)豐富的水從深海引到地表。這樣做，可以為上層水提供營養(yǎng)，促進(jìn)浮游生物生長，進(jìn)而可以吸收和儲(chǔ)存大量的大氣碳。

長期以來，人工升流一直被認(rèn)為是一種潛在的海洋二氧化碳清除方法，最近與海藻養(yǎng)殖相結(jié)合，可能會(huì)吸收更多的大氣二氧化碳。

但技術(shù)挑戰(zhàn)一直困擾著開闊水域升流的實(shí)驗(yàn)，而環(huán)保主義者擔(dān)心大規(guī)模使用該方法最終可能會(huì)被證明無效且對(duì)生態(tài)有害。

專家表示，盡管升流可能被證明是改善漁業(yè)和保護(hù)珊瑚礁免受海洋熱浪影響的可行解決方案，但還需要更多的研究。考慮到當(dāng)前氣候變化的快速發(fā)展，大規(guī)模實(shí)施是否能及時(shí)避免危險(xiǎn)的變暖是值得商榷的。

人工升流是一種歷史悠久的地球工程氣候解決方案。概念：通過管道將寒冷、營養(yǎng)豐富的海水從海洋深處泵送到表面，模擬自然的海洋升流。

在那里，它會(huì)導(dǎo)致吸收二氧化碳的浮游生物激增，滋養(yǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖并應(yīng)對(duì)氣候變化。在靠近海岸的地方，該技術(shù)甚至可以保護(hù)珊瑚礁免受海洋熱浪的影響。

但是，盡管這個(gè)想法在理論上聽起來很簡單，但它面臨著復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)、高成本和失敗的實(shí)驗(yàn)，盡管它繼續(xù)引起人們的興趣。目前尚不清楚海洋升流是否會(huì)成為漁業(yè)或氣候的解決方案。

澳大利亞蜥蜴島附近白化的珊瑚礁。那里的研究人員在2020年研究了使用“冷水注入”來保護(hù)珊瑚礁免受熱浪和白化的影響，發(fā)現(xiàn)這樣做會(huì)產(chǎn)生巨大的能源成本，從而限制可行性。圖片由海洋機(jī)構(gòu)/海洋圖片庫提供。

升流并不是一個(gè)新想法。它于1970年代首次提出，作為一種海水養(yǎng)殖和種植海藻的方法，它經(jīng)歷了一波又一波的測(cè)試。

在過去的幾十年里，試驗(yàn)的成敗參半。2008年，夏威夷附近的一次測(cè)試從300米深處抽取了富含營養(yǎng)的冷水。但那次試驗(yàn)只持續(xù)了17小時(shí)，泵就失效了。相比之下，2018年至2020年期間在中國鰲山灣的一個(gè)半封閉海灣進(jìn)行的測(cè)試證明，在促進(jìn)大型藻類生長方面更為成功。

從1990年代開始，人工升流被提議作為繁殖大型漂浮海藻養(yǎng)殖場(chǎng)的一種方式，刺激二氧化碳的吸收作為一種氣候解決方案。它也被視為拯救珊瑚礁免受熱浪引起的毀滅性白化事件的潛在方法。

但事實(shí)證明，將所有這些理論完全付諸實(shí)踐，即使是在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)中，也被證明是困難的，而擴(kuò)大規(guī)模的前景仍然是遙不可及的，批評(píng)者說。

人工升流過程的圖形說明。圖片由海洋地學(xué)二氧化碳清除團(tuán)隊(duì)麗塔·埃文提供。

氣候潛力和技術(shù)挑戰(zhàn)

如前所述，一種主要的人工升流技術(shù)建議從海底抽取寒冷、營養(yǎng)豐富的水，為營養(yǎng)貧乏的海洋區(qū)域的表層水提供營養(yǎng)物質(zhì)，以刺激可以吸收大氣中二氧化碳的海洋生物的生長。

另一種方法是使用人工升流為大型海藻養(yǎng)殖場(chǎng)提供食物，這可以固碳。然后可以收獲海藻用于生物燃料和生物肥料，或者直接沉入海底固碳。

后一種方法是海洋試驗(yàn)田公司的愿景，其希望捕獲和養(yǎng)殖馬尾藻海藻作為氣候解決方案。隨著全球變暖的升級(jí)，馬尾藻已經(jīng)對(duì)加勒比地區(qū)的旅游業(yè)和公共衛(wèi)生造成了損害，因?yàn)楹Ｑ箅s草在溫暖的海洋中繁殖，被沖上海灘，在那里死亡并腐爛成堆發(fā)臭。

人工升流被視為將這種頭痛轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新氣候解決方案的一種方式。但開發(fā)技術(shù)來做到這一點(diǎn)似乎很遙遠(yuǎn)，即使對(duì)公司董事約翰·奧克蘭來說也是如此。

不過，“如果你想非常快速地種植這些[馬尾藻]農(nóng)場(chǎng)，[你將]在營養(yǎng)匱乏的水域種植它們。所以人工升流是一種方式，“奧克蘭說。但是，“實(shí)際上，我個(gè)人并不認(rèn)為這是最好的方法。我認(rèn)為海洋中安裝數(shù)十萬根管道不現(xiàn)實(shí)，對(duì)海洋生物也沒有好處。”

海洋試驗(yàn)田公司經(jīng)營的圍場(chǎng)內(nèi)的馬尾藻海藻。該公司正在探索使用人工升流來滋養(yǎng)馬尾藻以捕獲碳。理想情況下，公海施肥會(huì)刺激增長，公司首席執(zhí)行官約翰·奧克蘭說。但此類實(shí)驗(yàn)?zāi)壳笆艿奖O(jiān)管限制。圖片由海洋試驗(yàn)田公司提供。

海洋試驗(yàn)田公司制定了人工升流現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)施計(jì)劃并籌集資金，但未能成功。“我們永遠(yuǎn)無法執(zhí)行那個(gè)測(cè)試，因?yàn)樗墓こ烫魬?zhàn)太大了，”奧克蘭指出，并補(bǔ)充說這次失敗“有點(diǎn)......不祥之兆。”該公司的下一步是利用目前可用的泵送技術(shù)來衡量種植馬尾藻是否有必要使用人工升流。

海洋試驗(yàn)田公司說，除了讓泵正常工作之外，成本也是個(gè)主要障礙，每根管道從100,000美元到100萬美元不等。每根管道需要運(yùn)行到400米深左右，并且需要多少根來喂養(yǎng)海藻仍然不確定。

“我們需要400,000根這樣的管道，還是需要400萬根才能清除十億噸的二氧化碳？”奧克蘭想知道。“所以，我們那里也有一個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍，這是有問題的。”

百慕大的測(cè)試設(shè)施用于研究升流對(duì)珊瑚礁的影響。圖片由伊馮·薩瓦爾提供。

令人失望的試驗(yàn)

在加那利群島附近進(jìn)行的小規(guī)模測(cè)試象征著困擾人工升流的技術(shù)挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目被稱為 上升藝術(shù)試驗(yàn)，于2021年至2024年期間運(yùn)行。該項(xiàng)目由德國教育和研究部資助，旨在研究單個(gè)人工升流泵設(shè)備運(yùn)行數(shù)周的效果。

最終，這是“非常令人失望”，德國 海洋地學(xué)亥姆霍茲海洋研究中心的博士后研究員邁克爾·斯瓦特說，他是研究小組的一員。在短暫的成功之后，該設(shè)備在僅運(yùn)行四個(gè)小時(shí)后就停了。

“以目前可用于人工升流的技術(shù)狀態(tài)，這可能不可行，因?yàn)樵诩夹g(shù)方面仍有大量的研究需要進(jìn)行，”斯瓦特說。

盡管存在這些挫折，氣候基金會(huì)首席執(zhí)行官布賴恩·馮·赫爾岑表示，人工升流對(duì)于生態(tài)恢復(fù)可能是可行的且有必要的——由于氣候變化引起的地表變暖和海洋分層，可能會(huì)阻礙賦予生命的自然升流和海面施肥。出于這個(gè)原因，馮·赫爾岑使用術(shù)語“恢復(fù)自然升流”而不是人工升流。

他的組織現(xiàn)在正在嘗試一種不同的方法：一種將海藻從表面移動(dòng)到深水的深水循環(huán)技術(shù)。這樣做的部分原因是為了避免標(biāo)準(zhǔn)升流方法對(duì)生物多樣性產(chǎn)生有爭(zhēng)議的影響，這些方法引起了對(duì)富營養(yǎng)化和其他環(huán)境影響的擔(dān)憂。

根據(jù)這項(xiàng)測(cè)試，深度循環(huán)對(duì)海藻的生長可能非常有效，但在恢復(fù)魚類種群方面則不那么有效。盡管馮·赫爾岑的組織不打算追求升流，但他表示：“我們很樂意支持以適當(dāng)規(guī)模恢復(fù)自然升流的試驗(yàn)，因?yàn)闆]有它，許多生態(tài)系統(tǒng)將滅亡。

用于調(diào)查公海中人工升流影響的模擬自然試驗(yàn)。圖片由邁克爾·斯瓦特提供。

擴(kuò)大不確定性和危險(xiǎn)

專家強(qiáng)調(diào)，人工升流從未在小規(guī)模上完全完成，因此擴(kuò)大規(guī)模充滿了不確定性。一個(gè)主要的未知數(shù)：升流真的可以作為一種清除二氧化碳的方法嗎？

海洋使命首席科學(xué)家戴維·科維克的研究表明，即使克服了技術(shù)挑戰(zhàn)，人工升流的二氧化碳清除效率也是有限的，并且不太可能達(dá)到人們所希望的十億噸規(guī)模——更有可能達(dá)到每年約1億噸的碳儲(chǔ)存，他說。

“當(dāng)你抽取海洋深層水時(shí)，它充滿了營養(yǎng)物質(zhì)，但也充滿了二氧化碳，基本上它充滿了我們認(rèn)為浮游生物或海藻可以捕獲的二氧化碳，或多或少，”科維克說。“你有點(diǎn)像在跑步機(jī)上跑步。”

由海洋地學(xué)亥姆霍茲海洋研究中心研究員馬爾特·尤爾肖特領(lǐng)導(dǎo)的建模研究發(fā)現(xiàn)，人工升流只有在與海洋鐵肥化相結(jié)合時(shí)才有效。這是一項(xiàng)有爭(zhēng)議的地球工程技術(shù)，其研究目前受到限制性法規(guī)的阻礙。

尤爾肖特的另一篇論文表明，隨著未來大氣中CO2濃度的升高，人工升流可能會(huì)變得更加有效。但是，當(dāng)然，“由于各種原因，高排放情景對(duì)人類來說是不可取的，”尤爾肖特說。因此，這種增加的潛力不應(yīng)被視為“繼續(xù)向大氣中排放大量二氧化碳的借口”。

專家表示，海洋升流也存在一個(gè)監(jiān)測(cè)問題：與電化學(xué)二氧化碳清除等其他一些地球工程方法不同，很難準(zhǔn)確測(cè)量和說明從大氣中清除的CO2。

其他人則擔(dān)心，海洋某一部分的升流可能會(huì)導(dǎo)致其他地方的漁業(yè)生產(chǎn)力發(fā)生變化，從而引發(fā)治理和糧食安全的擔(dān)憂。

更令人不安的是，該技術(shù)可能會(huì)擾亂海洋熱量預(yù)算。尤爾肖特說，一旦人工升流被成千上萬的泵將深水輸送到地表，就無法安全地停止。這是因?yàn)閷⒗渌盟偷降乇頃?huì)在地下水中捕獲更多的熱量。當(dāng)停止時(shí)，傳熱結(jié)束，但能量必須流向某個(gè)地方，最終返回地表并使地球變暖。

百慕大礁石上的珊瑚碎片。如果可以完善人工升流，保護(hù)珊瑚礁免受海洋熱浪影響的環(huán)保主義者可以使用人工升流。圖片由伊馮娜·薩瓦爾提供。

這是塔斯馬尼亞大學(xué)研究員萊納特·巴赫的主要擔(dān)憂。“在整個(gè)海洋碳清除領(lǐng)域，這不是我會(huì)押注的，因?yàn)樗浅?fù)雜，”他說。通過升流，“海洋物理學(xué)縱以改變海洋化學(xué)，以便希望海洋生物學(xué)能為所欲為。”

華金·奧爾蒂斯對(duì)人工升流進(jìn)行了博士研究，現(xiàn)在是海藻養(yǎng)殖初創(chuàng)企業(yè)宏碳公司的研究負(fù)責(zé)人，他表示，人工升流的潛力在于“食物網(wǎng)增強(qiáng)”而不是二氧化碳清除。對(duì)他來說，這也可以克服擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模的問題。

美國國家科學(xué)院也持同樣的觀點(diǎn)。在2022年的一份報(bào)告中，該機(jī)構(gòu)寫道，即使是在海洋上運(yùn)行的數(shù)百萬臺(tái)人工升流泵，“也無法達(dá)到[碳]封存或永久的二氧化碳清除目標(biāo)”。但它們可能“被證明是促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖或漁業(yè)的寶貴工具”。

緬因?yàn)匙罱难芯靠赡苤С诌@一說法。那里的研究人員在50米深的淺水區(qū)成功測(cè)試了一臺(tái)波浪動(dòng)力泵。

部署在緬因州海岸附近公海的波浪泵。該設(shè)備使用波浪能驅(qū)動(dòng)內(nèi)部泵，研究人員正在將其作為增強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的工具進(jìn)行測(cè)試。圖片由新罕布什爾大學(xué)斯科特·里普利提供。

新罕布什爾大學(xué)的博士生切爾西·金博爾表示，升流可以幫助新英格蘭新興的海帶產(chǎn)業(yè)，同時(shí)最大限度地減少對(duì)抽取深海水的一些擔(dān)憂，盡管更多的研究正在進(jìn)行中。“我們的方法是將[技術(shù)]用于大型藻類，但它也可以用于魚類養(yǎng)殖，讓魚在夏天保持涼爽，”隨著海洋熱浪變得越來越普遍和致命，這可能至關(guān)重要。

其他研究人員提出了人工——本質(zhì)上是相反的過程，將二氧化碳飽和的表層水輸送到海底進(jìn)行長期儲(chǔ)存。專家指出，在進(jìn)行升流時(shí)，下降流會(huì)在一定程度上發(fā)生，但下降流方法的特別之處很少受到關(guān)注。

這是因?yàn)樗旧砭褪且环N昂貴的二氧化碳儲(chǔ)存方式，而且可能效率低下，科威克說。在他看來，作為抵消脫氧水域缺氧的一種手段可能更有效。但這個(gè)想法也沒引起人們的興趣。

墨西哥的珊瑚礁。人工升流被認(rèn)為是在海洋熱浪期間保護(hù)珊瑚礁生物多樣性的一種可能解決方案。圖片由 菲利普·漢密爾頓/海洋圖片庫 提供。

阻止珊瑚白化？

正如自然升流創(chuàng)造充滿活力的生態(tài)系統(tǒng)一樣，它也可以為珊瑚礁提供保護(hù)，使其免受氣候變化的影響。在2024年的一篇論文中，研究人員展示了澳大利亞大堡礁的部分地區(qū)如何通過自然升流來緩沖海洋熱浪。基于這些知識(shí)，科學(xué)家和環(huán)保主義者正在探索使用人工升流來模擬自然產(chǎn)生的避難所。

亞利桑那州立大學(xué)的海洋生態(tài)學(xué)家伊馮娜·薩瓦爾正在百慕大海洋擬自然設(shè)施中領(lǐng)導(dǎo)研究，以更好地了解這一過程，以期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

“如果我們能在珊瑚礁中創(chuàng)建這些熱避難所，并施加人工升流產(chǎn)生的強(qiáng)烈溫度波動(dòng)，我們就有希望提高這些避難所內(nèi)珊瑚的耐熱性，”她說。“因此，當(dāng)這些避難所周圍的珊瑚死亡時(shí)，這些珊瑚可以在枯竭的珊瑚礁環(huán)境中重新播種。”

到目前為止的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明，白化速度減慢了。但有人擔(dān)心，在公海中引入深水可能會(huì)改變營養(yǎng)水平，導(dǎo)致富營養(yǎng)化或改變表面pH值。這樣的變化可能會(huì)給平衡的珊瑚礁帶來壞消息。薩瓦爾說，她的團(tuán)隊(duì)的方法只會(huì)使用冷的深水脈沖，而不是連續(xù)流動(dòng)，從而將表面營養(yǎng)物質(zhì)和pH值的變化降至最低。

大堡礁。根據(jù)澳大利亞珊瑚礁恢復(fù)和適應(yīng)計(jì)劃的一項(xiàng)技術(shù)評(píng)估，人工升流或垂直混合可以冷卻全球變暖的珊瑚礁。但這些希望伴隨著一系列擔(dān)憂，包括設(shè)備安裝過程中對(duì)珊瑚礁的潛在損害、噪音污染、浮游植物大量繁殖，以及入侵或有害物種（如棘冠海星）的生存率更高。

“在我看來，這肯定會(huì)很有效，”她說。但技術(shù)挑戰(zhàn)和規(guī)模問題再次凸顯出來。“事實(shí)證明，當(dāng)然，一旦你把冷水帶到地表，它肯定會(huì)對(duì)珊瑚有益。只是實(shí)施起來并不容易。”

薩瓦爾設(shè)想僅對(duì)一小部分珊瑚礁進(jìn)行人工升流。“[技術(shù)上]不可能為整個(gè)珊瑚礁系統(tǒng)做到這一點(diǎn)，”她說。

澳大利亞珊瑚礁恢復(fù)和適應(yīng)計(jì)劃也考慮了這一策略，該計(jì)劃目前正在試驗(yàn)幾種珊瑚礁保護(hù)方法，包括海洋云增亮。

“我們的結(jié)論是，這在非常本地化和特定的情況下可能很有價(jià)值，但由于基礎(chǔ)設(shè)施需求和部署成本，無法擴(kuò)展到大堡礁等大型系統(tǒng)，”珊瑚礁恢復(fù)和適應(yīng)計(jì)劃執(zhí)行董事塞德里克·羅比洛在一封電子郵件中寫道。

“還應(yīng)考慮與將富含營養(yǎng)的水帶到表層相關(guān)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，”他補(bǔ)充說。“我們一直在尋找最新技術(shù)的更新，但到目前為止還沒有看到任何徹底的技術(shù)改進(jìn)，使這些方法在大規(guī)模上可行。”

前景值得懷疑

專家們一致認(rèn)為，一個(gè)根本問題是，擴(kuò)大人工升流的規(guī)模充滿了技術(shù)復(fù)雜性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此，目前，升流仍在人們的視野中，但對(duì)于它是否可行，人們意見不一。例如，塔斯馬尼亞大學(xué)的巴赫說：“在我接受資助的名單上，這將是非常低的。所以對(duì)我來說，目前，這是不可能的。”

其他人表示，為目標(biāo)目的部署較小規(guī)模的人工升流可能是有益的。來自海藻養(yǎng)殖初創(chuàng)企業(yè)宏碳公司的奧爾蒂斯表示，升流應(yīng)該仍然是漁業(yè)的“高度優(yōu)先事項(xiàng)”，因?yàn)椤霸谶@種規(guī)模上要簡單得多”。

關(guān)于珊瑚礁，薩瓦爾計(jì)劃進(jìn)行一項(xiàng)珊瑚群落實(shí)驗(yàn)，將她的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)擴(kuò)展到單一珊瑚物種之外。“它仍然在擬自然試驗(yàn)中，”她強(qiáng)調(diào)說。“這不是在戶外，因?yàn)槲疑踔敛幌肟紤]整個(gè)允許的壓力。”

她說，如果薩瓦爾的團(tuán)隊(duì)能夠證明人工升流在實(shí)驗(yàn)室中的負(fù)面影響最小，那么下一步將是獲得社區(qū)支持的小規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

“我不認(rèn)為自己必須倡導(dǎo)這種干預(yù)，”她解釋說。但在她看來，迫切需要有效的策略來減少海洋熱浪。“我真的依賴于我們從實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)果。我并不是說這是我們絕對(duì)應(yīng)該使用的解決方案，但我認(rèn)為這是環(huán)保主義者應(yīng)該在他們的工具箱里的東西。”

最后一個(gè)障礙：到目前為止，糟糕的結(jié)果導(dǎo)致了資金短缺，科威克指出。“在[足夠的資金]到位之前，我們將......陷入這個(gè)循環(huán)，人們認(rèn)為[升流]有一些潛力，但沒有人真正關(guān)注它，因此，沒有人可以證明投資該項(xiàng)目以進(jìn)一步研究它的合理性。”