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海洋人工升流，這一有爭議的氣候解決方案進展緩慢

肖恩·莫布雷

Mongabay網站

2025年6月2日

在加那利群島附近進行的人工升流實驗釋放的無毒染料。該實驗原定于上周進行，因泵出現故障僅僅一天就結束了。“對大多數人來說，證明了......這種方法的技術準備還不成熟，“海洋地學亥姆霍茲海洋研究中心的博士后研究員邁克爾·斯瓦特說，他是研究團隊的一員。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、營養豐富的水從深海引到地表。這樣做，可以為上層水提供營養，促進浮游生物生長，進而可以吸收和儲存大量的大氣碳。

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

但技術挑戰一直困擾著開闊水域升流的實驗，而環保主義者擔心大規模使用該方法最終可能會被證明無效且對生態有害。

專家表示，盡管升流可能被證明是改善漁業和保護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。考慮到當前氣候變化的快速發展，大規模實施是否能及時避免危險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，它會導致吸收二氧化碳的浮游生物激增，滋養水產養殖并應對氣候變化。在靠近海岸的地方，該技術甚至可以保護珊瑚礁免受海洋熱浪的影響。

但是，盡管這個想法在理論上聽起來很簡單，但它面臨著復雜的技術挑戰、高成本和失敗的實驗，盡管它繼續引起人們的興趣。目前尚不清楚海洋升流是否會成為漁業或氣候的解決方案。

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”來保護珊瑚礁免受熱浪和白化的影響，發現這樣做會產生巨大的能源成本，從而限制可行性。圖片由海洋機構/海洋圖片庫提供。

升流并不是一個新想法。它于1970年代首次提出，作為一種海水養殖和種植海藻的方法，它經歷了一波又一波的測試。

在過去的幾十年里，試驗的成敗參半。2008年，夏威夷附近的一次測試從300米深處抽取了富含營養的冷水。但那次試驗只持續了17小時，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半封閉海灣進行的測試證明，在促進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殖場的一種方式，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。

但事實證明，將所有這些理論完全付諸實踐，即使是在小規模實驗中，也被證明是困難的，而擴大規模的前景仍然是遙不可及的，批評者說。

人工升流過程的圖形說明。圖片由海洋地學二氧化碳清除團隊麗塔·埃文提供。

氣候潛力和技術挑戰

如前所述，一種主要的人工升流技術建議從海底抽取寒冷、營養豐富的水，為營養貧乏的海洋區域的表層水提供營養物質，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殖場提供食物，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田公司的愿景，其希望捕獲和養殖馬尾藻海藻作為氣候解決方案。隨著全球變暖的升級，馬尾藻已經對加勒比地區的旅游業和公共衛生造成了損害，因為海洋雜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臭。

人工升流被視為將這種頭痛轉化為創新氣候解決方案的一種方式。但開發技術來做到這一點似乎很遙遠，即使對公司董事約翰·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]農場，[你將]在營養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，“實際上，我個人并不認為這是最好的方法。我認為海洋中安裝數十萬根管道不現實，對海洋生物也沒有好處。”

海洋試驗田公司經營的圍場內的馬尾藻海藻。該公司正在探索使用人工升流來滋養馬尾藻以捕獲碳。理想情況下，公海施肥會刺激增長，公司首席執行官約翰·奧克蘭說。但此類實驗目前受到監管限制。圖片由海洋試驗田公司提供。

海洋試驗田公司制定了人工升流現場測試設施計劃并籌集資金，但未能成功。“我們永遠無法執行那個測試，因為它的工程挑戰太大了，”奧克蘭指出，并補充說這次失敗“有點......不祥之兆。”該公司的下一步是利用目前可用的泵送技術來衡量種植馬尾藻是否有必要使用人工升流。

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

“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，我們那里也有一個數量級的范圍，這是有問題的。”

百慕大的測試設施用于研究升流對珊瑚礁的影響。圖片由伊馮·薩瓦爾提供。

令人失望的試驗

在加那利群島附近進行的小規模測試象征著困擾人工升流的技術挑戰。該項目被稱為 上升藝術試驗，于2021年至2024年期間運行。該項目由德國教育和研究部資助，旨在研究單個人工升流泵設備運行數周的效果。

最終，這是“非常令人失望”，德國 海洋地學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，該設備在僅運行四個小時后就停了。

“以目前可用于人工升流的技術狀態，這可能不可行，因為在技術方面仍有大量的研究需要進行，”斯瓦特說。

盡管存在這些挫折，氣候基金會首席執行官布賴恩·馮·赫爾岑表示，人工升流對于生態恢復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，可能會阻礙賦予生命的自然升流和海面施肥。出于這個原因，馮·赫爾岑使用術語“恢復自然升流”而不是人工升流。

他的組織現在正在嘗試一種不同的方法：一種將海藻從表面移動到深水的深水循環技術。這樣做的部分原因是為了避免標準升流方法對生物多樣性產生有爭議的影響，這些方法引起了對富營養化和其他環境影響的擔憂。

根據這項測試，深度循環對海藻的生長可能非常有效，但在恢復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規模恢復自然升流的試驗，因為沒有它，許多生態系統將滅亡。

用于調查公海中人工升流影響的模擬自然試驗。圖片由邁克爾·斯瓦特提供。

擴大不確定性和危險

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

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

“當你抽取海洋深層水時，它充滿了營養物質，但也充滿了二氧化碳，基本上它充滿了我們認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。“你有點像在跑步機上跑步。”

由海洋地學亥姆霍茲海洋研究中心研究員馬爾特·尤爾肖特領導的建模研究發現，人工升流只有在與海洋鐵肥化相結合時才有效。這是一項有爭議的地球工程技術，其研究目前受到限制性法規的阻礙。

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，人工升流可能會變得更加有效。但是，當然，“由于各種原因，高排放情景對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被視為“繼續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監測問題：與電化學二氧化碳清除等其他一些地球工程方法不同，很難準確測量和說明從大氣中清除的CO2。

其他人則擔心，海洋某一部分的升流可能會導致其他地方的漁業生產力發生變化，從而引發治理和糧食安全的擔憂。

更令人不安的是，該技術可能會擾亂海洋熱量預算。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。這是因為將冷水泵送到地表會在地下水中捕獲更多的熱量。當停止時，傳熱結束，但能量必須流向某個地方，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，保護珊瑚礁免受海洋熱浪影響的環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研究員萊納特·巴赫的主要擔憂。“在整個海洋碳清除領域，這不是我會押注的，因為它非常復雜，”他說。通過升流，“海洋物理學縱以改變海洋化學，以便希望海洋生物學能為所欲為。”

華金·奧爾蒂斯對人工升流進行了博士研究，現在是海藻養殖初創企業宏碳公司的研究負責人，他表示，人工升流的潛力在于“食物網增強”而不是二氧化碳清除。對他來說，這也可以克服擴大技術規模的問題。

美國國家科學院也持同樣的觀點。在2022年的一份報告中，該機構寫道，即使是在海洋上運行的數百萬臺人工升流泵，“也無法達到[碳]封存或永久的二氧化碳清除目標”。但它們可能“被證明是促進水產養殖或漁業的寶貴工具”。

緬因灣最近的研究可能支持這一說法。那里的研究人員在50米深的淺水區成功測試了一臺波浪動力泵。

部署在緬因州海岸附近公海的波浪泵。該設備使用波浪能驅動內部泵，研究人員正在將其作為增強水產養殖的工具進行測試。圖片由新罕布什爾大學斯科特·里普利提供。

新罕布什爾大學的博士生切爾西·金博爾表示，升流可以幫助新英格蘭新興的海帶產業，同時最大限度地減少對抽取深海水的一些擔憂，盡管更多的研究正在進行中。“我們的方法是將[技術]用于大型藻類，但它也可以用于魚類養殖，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，這可能至關重要。

其他研究人員提出了人工——本質上是相反的過程，將二氧化碳飽和的表層水輸送到海底進行長期儲存。專家指出，在進行升流時，下降流會在一定程度上發生，但下降流方法的特別之處很少受到關注。

這是因為它本身就是一種昂貴的二氧化碳儲存方式，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。但這個想法也沒引起人們的興趣。

墨西哥的珊瑚礁。人工升流被認為是在海洋熱浪期間保護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？

正如自然升流創造充滿活力的生態系統一樣，它也可以為珊瑚礁提供保護，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如何通過自然升流來緩沖海洋熱浪。基于這些知識，科學家和環保主義者正在探索使用人工升流來模擬自然產生的避難所。

亞利桑那州立大學的海洋生態學家伊馮娜·薩瓦爾正在百慕大海洋擬自然設施中領導研究，以更好地了解這一過程，以期進行現場測試。

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

到目前為止的實驗室結果表明，白化速度減慢了。但有人擔心，在公海中引入深水可能會改變營養水平，導致富營養化或改變表面pH值。這樣的變化可能會給平衡的珊瑚礁帶來壞消息。薩瓦爾說，她的團隊的方法只會使用冷的深水脈沖，而不是連續流動，從而將表面營養物質和pH值的變化降至最低。

大堡礁。根據澳大利亞珊瑚礁恢復和適應計劃的一項技術評估，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憂，包括設備安裝過程中對珊瑚礁的潛在損害、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，這肯定會很有效，”她說。但技術挑戰和規模問題再次凸顯出來。“事實證明，當然，一旦你把冷水帶到地表，它肯定會對珊瑚有益。只是實施起來并不容易。”

薩瓦爾設想僅對一小部分珊瑚礁進行人工升流。“[技術上]不可能為整個珊瑚礁系統做到這一點，”她說。

澳大利亞珊瑚礁恢復和適應計劃也考慮了這一策略，該計劃目前正在試驗幾種珊瑚礁保護方法，包括海洋云增亮。

“我們的結論是，這在非常本地化和特定的情況下可能很有價值，但由于基礎設施需求和部署成本，無法擴展到大堡礁等大型系統，”珊瑚礁恢復和適應計劃執行董事塞德里克·羅比洛在一封電子郵件中寫道。

“還應考慮與將富含營養的水帶到表層相關的生態風險，”他補充說。“我們一直在尋找最新技術的更新，但到目前為止還沒有看到任何徹底的技術改進，使這些方法在大規模上可行。”

前景值得懷疑

專家們一致認為，一個根本問題是，擴大人工升流的規模充滿了技術復雜性和環境風險。盡管如此，目前，升流仍在人們的視野中，但對于它是否可行，人們意見不一。例如，塔斯馬尼亞大學的巴赫說：“在我接受資助的名單上，這將是非常低的。所以對我來說，目前，這是不可能的。”

其他人表示，為目標目的部署較小規模的人工升流可能是有益的。來自海藻養殖初創企業宏碳公司的奧爾蒂斯表示，升流應該仍然是漁業的“高度優先事項”，因為“在這種規模上要簡單得多”。

關于珊瑚礁，薩瓦爾計劃進行一項珊瑚群落實驗，將她的實驗室試驗擴展到單一珊瑚物種之外。“它仍然在擬自然試驗中，”她強調說。“這不是在戶外，因為我甚至不想考慮整個允許的壓力。”

她說，如果薩瓦爾的團隊能夠證明人工升流在實驗室中的負面影響最小，那么下一步將是獲得社區支持的小規模現場實驗。

“我不認為自己必須倡導這種干預，”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驗中獲得的結果。我并不是說這是我們絕對應該使用的解決方案，但我認為這是環保主義者應該在他們的工具箱里的東西。”

最后一個障礙：到目前為止，糟糕的結果導致了資金短缺，科威克指出。“在[足夠的資金]到位之前，我們將......陷入這個循環，人們認為[升流]有一些潛力，但沒有人真正關注它，因此，沒有人可以證明投資該項目以進一步研究它的合理性。”