人类每年产生污水约4200亿吨，其中大部分被排放进入河流，并最终汇入大海。如果我们在排放污水之前对其进行碱化处理，那么这些碱性的水就可以提升海洋吸收大气二氧化碳的能力，从而降低大气二氧化碳浓度、缓解不断加剧的温室效应和全球变暖[1]。这是由厦门大学焦念志院士领衔的联合国海洋负排放（Ocean Negative Carbon Emissions, ONCE）国际大科学计划所提出的诸多方案中的一条。
在2024年4月举办的联合国海洋十年大会上，焦念志再次介绍了这一方案，而令他惊讶的是，一位美国科学家找到他说：你们的方案确实有效，我们采用后看到了明显的效果。
“我很惊讶，”焦念志在接受NSR采访时说，“我没想到这个方案会这么快就在美国有人去做了，比中国还要快。”事实上，加拿大等国也已经有企业在尝试这一方案。
除了污水碱化，ONCE还提出了另外一些具体实施方案[2,3]。比如，减少陆地施肥以改善近海富营养化，从而降低河口和近岸海区的二氧化碳排放。
再比如，甲烷是仅次于二氧化碳的重要温室气体，而目前来自牛类等反刍动物的甲烷排放量占人为甲烷排放量的近三分之一。如果我们把养殖海藻添加到牛饲料中，就可以有效调控牛消化道中的微生物，从而大大减少牛消化过程带来的甲烷排放。而且，这一方案也可以在一定程度上减少牛对牧草的啃食，从而保护植被、降低水土流失。
此外，还可以在海洋牧场中引入人工上升流，将低温、富营养盐的深层海水泵到上层，供给海藻养殖所需的营养物质，增加二氧化碳固定。同时由于上升流引起的补偿下降流可以把表层富含氧气的海水带到下层，缓解底部的缺氧问题，又可以保障生态系统可持续发展，在增汇的同时改善环境，一举两得。
2022年，作为联合国海洋科学促进可持续发展十年计划（海洋十年）现有56个计划中的一个，由焦念志发起的“全球海洋负排放国际大科学计划”（Global ONCE）正式设立。该计划目前已经吸引到来自33个国家的79个大学或机构加入[4]。2023年，ONCE国际大科学计划又获中国政府正式批复立项。
2023年，国际标准化组织（ISO）年设立“海洋负排放与碳中和”工作组（ISO/TC8/WG15）。2024年11月22日，该工作组宣布该领域的第一个国际标准（ISO/NP 25283-1）以100%的投票率、零反对票成功立项。
“Global ONCE计划是由中国科学家发起的，这一点很有价值，”曾在2015至2023年担任联合国教科文组织政府间海洋学委员会（IOC）秘书长的Vladimir Ryabinin博士在接受NSR采访时说：“海洋十年正在推进中，但是作为协调者的IOC发现，其中只有非常少的项目是由发展中国家或小岛屿发展中国家领衔的。我们需要有更多的国家有能力进行最前沿的气候与海洋研究。Global ONCE可以使我们的世界更加‘多边化’，而多边化可以让世界更加和平。”
ONCE国际大科学计划的起源，可以追溯到20世纪90年代初，焦念志开始研究海洋新生产力（new production）——为数不多的海洋储碳量化指标之一。从这一研究出发，焦念志后续提出了“微型生物碳泵”（MCP）概念 [5]，并继续探索如何利用碳泵来应对气候变化。
海洋是地球上最大的活跃碳库，是陆地碳库的约20倍、大气碳库的约50倍。而碳从大气进入海洋、从浅海进入深海并保存下来的过程中，发挥作用的主要是四种“碳泵”。
“溶解度泵”是最基础的“物理泵”，即二氧化碳直接从大气溶解到海洋中。它直接受到大气与海洋表层气体分压的调控。
而溶解进入海洋表层的碳如何进入深海并被保存下来？除了自然扩散与洋流的作用，就涉及到另外三个与生物作用有关的碳泵。
首先是“生物泵”，也就是生物通过光合作用将二氧化碳转化为有机物的过程。但遗憾的是，光合作用产生的颗粒有机碳大多数只能沉降到海下200米左右，就会被“密度跃层”挡住并分解，无法进入深海长期保存。
其次是“碳酸盐泵”，是指海洋生物利用溶解二氧化碳形成贝壳等碳酸盐壳体，并向海底沉降的过程。这些碳酸盐到达海底后可以长期存储，然而这一碳酸盐形成过程实际上是释放二氧化碳的（化学反应式：Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → CaCO₃ + H₂O + CO₂），因此碳酸盐泵又被称为“反泵”。
最后便是焦念志提出的“微型生物碳泵”（MCP），它是指各种海洋微型生物利用自身的生理生态过程，将海洋中的活性有机碳转化为难以被降解的惰性溶解有机碳（RDOC）的过程。转化为RDOC后，碳就可以储存在海洋中，形成一个长期存在的巨大碳库。
事实上，在半个世纪之前，科学家们就观测到海洋中存在一个巨大的RDOC碳库，而MCP的提出终于解释了它成因的“不解之谜”[6]。
“MCP可以持续地累积碳，又可以在某些条件下快速释放碳，这就形成了一个气候的双向调节器。在地球地质历史上，MCP和其他碳泵在气候变化中发挥过重要作用。”同济大学的翦知湣院士在接受NSR采访时这样说。翦知湣的研究方向涉及古海洋和古气候演变等领域，他也是ONCE计划的重要参与者之一，负责计划中的观测平台建设工作，以及与气候变化相关的理论研究工作。
“我和焦老师很早就开始合作，因为MCP确实可以解释长期气候演变的机制。在地质历史上，MCP和其他海洋碳泵曾经在气候变迁中发挥过重要作用，”翦知湣说。比如，MCP的缓慢累积与快速释放能够解释冰期-间冰期旋回中大气二氧化碳浓度的显著变化，是地球气候系统的内部反馈机制，从而有望完善著名的米兰科维奇理论。
ONCE计划基于对四种碳泵及其相互作用的理解，提出了一系列海洋负排放实施方案。
基于“四泵联合”的ONCE生态工程方案。图源参考文献[3]。
要实施这些方案，第一大挑战就是相关的生态安全问题。Ryabinin说：“2000年代我参与了世界气候研究计划（WCRP），我们对当时正在进行的多项地球工程方案进行了评估，得到的结论是，几乎所有种类的地球工程方案，其所造成的潜在危害都很可能会超过其预期收益。”
按照“伦敦公约”（《防止倾倒废物和其他物质污染海洋公约》）和2023年发布的联合国“BBNJ协定”（《国家管辖范围以外区域海洋生物多样性协定》），地球工程项目在公海范围内是被禁止的。正因如此，2008年，曾经在公海进行的大规模铁施肥项目被叫停。
而在各国的专属经济区内，可能对公海产生影响的地球工程方案也需要在评估和备案后才能进行。ONCE所提出的各项方案，主要聚焦于各国近海区域，并且已经严重受到人类活动的影响。焦念志相信，在依靠扎实科学依据并遵循各项法规的基础上，“我们的方案是完全合情、合理、合法的”。
焦念志也非常重视各项方案的生态后效，他说：“我们会尽量避免由人为干预而产生的不可预期的后续问题。打个比方，我们就像是中医，要全面考虑病人的身体情况，而不只关注局部的病症。”
要验证这些方案的生态安全性和有效性，就需要先进行小规模试点，才能进行推广。在中国，胶州湾、渤海湾等较为封闭且受人类影响较大的海区，都是进行试点的候选区域。焦念志说：“如果我们真的能够把渤海湾这样一个很大的海湾从碳源变成一个碳汇，这肯定会是一个世界性的标杆。”
而如何实践这些预期，正是ONCE所面临的另一大挑战。这其中不仅涉及到科技问题，也需要科学家与政策制定者和执行者之间更加顺畅的沟通与合作。
Ryabinin认为“协同设计”（co-design）非常重要：“一个项目的发起人要将所有利益相关方都纳入到设计者队伍中，从科学家到工程师再到最后的终端用户，并且给予他们平等的发言权，关注方案所涉及的完整价值链条。”
协同设计可以促进不同利益相关方之间的沟通，也能够推动不同国家之间的合作。因为在协同设计的过程中，设计者可以引导参与者将更多经费用于国际合作项目，而不是各个国家自己的项目。
ONCE计划非常希望能打破国家之间的隔阂，树立一个国际携手合作的典范。ONCE目前已有33个国家加入，并计划在亚洲、欧洲、美洲等地分别建立科学中心以推进相关的科学研究与工程实践。正如焦念志所说：“这个世界上有三种国际语言：体育、艺术和科技。”无论世界格局如何变化，这三方面的共鸣与沟通一定不会停止。
“全球变暖与大气二氧化碳浓度升高有关，但一定不是简单的线性关系，”翦知湣说。从两万年前的末次盛冰期到工业革命前的1840年，大气二氧化碳浓度从约180ppm增长到约280ppm，地球平均温度增加了约6℃；而从1840年到现在，大气二氧化碳浓度从280ppm快速增长到超过420ppm，气温却只增加了约1.1℃。
由于“碳”与“热”之间的定量关系未知，即便我们能够预估ONCE计划可以将碳净排放减少多少，也难以确切算出它将为减缓全球变暖做出多大贡献。
而且我们也必须明白，各种可能的地球工程“固碳”方案，都不能取代二氧化碳减排方案。减排仍然是我们实现巴黎协定目标的主要途径。
巴黎协定设定的目标是将1840到2100年的全球平均气温上升幅度控制在2℃，最好是1.5℃以内。这一目标的实现正面临巨大风险。很可能，即便有ONCE计划和其他各项努力，人类还是无法在短期内抑制全球变暖。
但这并不意味着这些尝试没有意义。翦知湣说：“我们要努力避免气候变化发生得太快，因为人类活动产生的全球变暖会带来危害社会的极端天气气候事件。”这就是我们急迫需要ONCE国际大科学计划的理由，科学家们努力揭示气候演变的机理、减少碳净排放，才能为人类社会减缓和应对气候快速变暖赢得时间，让气候变化“软着陆”。
在地球历史上，曾经有过非常寒冷、只有赤道区域还没有被冰雪覆盖的“雪球地球”时期，也有过气候温暖却依然繁荣的时期——在一亿多年前的恐龙时代，大气二氧化碳浓度高达1000ppm，极地平均气温高达15℃，冰盖消失、海平面上升，却依旧没有影响到恐龙的繁盛。
利用ONCE和其他科学计划赢得的缓冲时间，人类或许能够逐渐适应变化的气候，继续安居在地球这颗蓝色的星球。
[1] Cai WJ and Jian N. Wastewater alkalinity addition as a novel approach for ocean negative carbon emissions. The Innovation 2022; 3: 100272.
[2] Jiao NZ, Luo TW, Liu JH et al. Ocean negative carbon emissions in the context of earth system science. (in Chinese) Bulletin of Chinese Academy of Sciences 2023; 38: 1294-305.
[3] Jiao N, Zhu C, Liu J et al. A roadmap for Ocean Negative Carbon Emission eco-engineering in sea-farming fields. The Innovation Geoscience 2023; 1: 2.
[4] Ocean Negative Carbon Emissions (ONCE) https://www.global-once.org (31 October 2024, date last accessed).
[5] Jiao NZ, Herndl GJ, Hansell DA et al. Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter: long-term carbon storage in the global ocean. Nature Reviews Microbiology 2010; 8: 593-9.
[6] Stone R. The invisible hand behind a vast carbon reservoir. Science 2010; 328: 1476-7.
本文英文版“Engineer the ocean to absorb more carbon: the ocean negative carbon emissions (ONCE) program”已在线发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae468
点击“阅读原文”直达。
