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海洋人工升流，这一有争议的气候解决方案进展缓慢

肖恩·莫布雷

Mongabay网站

2025年6月2日

在加那利群岛附近进行的人工升流实验释放的无毒染料。该实验原定于上周进行，因泵出现故障仅仅一天就结束了。“对大多数人来说，证明了......这种方法的技术准备还不成熟，“海洋地学亥姆霍兹海洋研究中心的博士后研究员迈克尔·斯瓦特说，他是研究团队的一员。图片由迈克尔·斯瓦特提供。

人工升流是地球工程的一种形式，旨在使用管道和泵将凉爽、营养丰富的水从深海引到地表。这样做，可以为上层水提供营养，促进浮游生物生长，进而可以吸收和储存大量的大气碳。

长期以来，人工升流一直被认为是一种潜在的海洋二氧化碳清除方法，最近与海藻养殖相结合，可能会吸收大发在线体育,大发体育的大气二氧化碳。

但技术挑战一直困扰着开阔水域升流的实验，而环保主义者担心大规模使用该方法最终可能会被证明无效且对生态有害。

专家表示，尽管升流可能被证明是改善渔业和保护珊瑚礁免受海洋热浪影响的可行解决方案，但还需要大发在线体育,大发体育的研究。考虑到当前气候变化的快速发展，大规模实施是否能及时避免危险的变暖是值得商榷的。

人工升流是一种历史悠久的地球工程气候解决方案。概念：通过管道将寒冷、营养丰富的海水从海洋深处泵送到表面，模拟自然的海洋升流。

在那里，它会导致吸收二氧化碳的浮游生物激增，滋养水产养殖并应对气候变化。在靠近海岸的地方，该技术甚至可以保护珊瑚礁免受海洋热浪的影响。

但是，尽管这个想法在理论上听起来很简单，但它面临着复杂的技术挑战、高成本和失败的实验，尽管它继续引起人们的兴趣。目前尚不清楚海洋升流是否会成为渔业或气候的解决方案。

澳大利亚蜥蜴岛附近白化的珊瑚礁。那里的研究人员在2020年研究了使用“冷水注入”来保护珊瑚礁免受热浪和白化的影响，发现这样做会产生巨大的能源成本，从而限制可行性。图片由海洋机构/海洋图片库提供。

升流并不是一个新想法。它于1970年代首次提出，作为一种海水养殖和种植海藻的方法，它经历了一波又一波的测试。

在过去的几十年里，试验的成败参半。2008年，夏威夷附近的一次测试从300米深处抽取了富含营养的冷水。但那次试验只持续了17小时，泵就失效了。相比之下，2018年至2020年期间在中国鳌山湾的一个半封闭海湾进行的测试证明，在促进大型藻类生长方面更为成功。

从1990年代开始，人工升流被提议作为繁殖大型漂浮海藻养殖场的一种方式，刺激二氧化碳的吸收作为一种气候解决方案。它也被视为拯救珊瑚礁免受热浪引起的毁灭性白化事件的潜在方法。

但事实证明，将所有这些理论完全付诸实践，即使是在小规模实验中，也被证明是困难的，而扩大规模的前景仍然是遥不可及的，批评者说。

人工升流过程的图形说明。图片由海洋地学二氧化碳清除团队丽塔·埃文提供。

气候潜力和技术挑战

如前所述，一种主要的人工升流技术建议从海底抽取寒冷、营养丰富的水，为营养贫乏的海洋区域的表层水提供营养物质，以刺激可以吸收大气中二氧化碳的海洋生物的生长。

另一种方法是使用人工升流为大型海藻养殖场提供食物，这可以固碳。然后可以收获海藻用于生物燃料和生物肥料，或者直接沉入海底固碳。

后一种方法是海洋试验田公司的愿景，其希望捕获和养殖马尾藻海藻作为气候解决方案。随着全球变暖的升级，马尾藻已经对加勒比地区的旅游业和公共卫生造成了损害，因为海洋杂草在温暖的海洋中繁殖，被冲上海滩，在那里死亡并腐烂成堆发臭。

人工升流被视为将这种头痛转化为创新气候解决方案的一种方式。但开发技术来做到这一点似乎很遥远，即使对公司董事约翰·奥克兰来说也是如此。

不过，“如果你想非常快速地种植这些[马尾藻]农场，[你将]在营养匮乏的水域种植它们。所以人工升流是一种方式，“奥克兰说。但是，“实际上，我个人并不认为这是最好的方法。我认为海洋中安装数十万根管道不现实，对海洋生物也没有好处。”

海洋试验田公司经营的围场内的马尾藻海藻。该公司正在探索使用人工升流来滋养马尾藻以捕获碳。理想情况下，公海施肥会刺激增长，公司首席执行官约翰·奥克兰说。但此类实验目前受到监管限制。图片由海洋试验田公司提供。

海洋试验田公司制定了人工升流现场测试设施计划并筹集资金，但未能成功。“我们永远无法执行那个测试，因为它的工程挑战太大了，”奥克兰指出，并补充说这次失败“有点......不祥之兆。”该公司的下一步是利用目前可用的泵送技术来衡量种植马尾藻是否有必要使用人工升流。

海洋试验田公司说，除了让泵正常工作之外，成本也是个主要障碍，每根管道从100,000美元到100万美元不等。每根管道需要运行到400米深左右，并且需要多少根来喂养海藻仍然不确定。

“我们需要400,000根这样的管道，还是需要400万根才能清除十亿吨的二氧化碳？”奥克兰想知道。“所以，我们那里也有一个数量级的范围，这是有问题的。”

百慕大的测试设施用于研究升流对珊瑚礁的影响。图片由伊冯·萨瓦尔提供。

令人失望的试验

在加那利群岛附近进行的小规模测试象征着困扰人工升流的技术挑战。该项目被称为 上升艺术试验，于2021年至2024年期间运行。该项目由德国教育和研究部资助，旨在研究单个人工升流泵设备运行数周的效果。

最终，这是“非常令人失望”，德国 海洋地学亥姆霍兹海洋研究中心的博士后研究员迈克尔·斯瓦特说，他是研究小组的一员。在短暂的成功之后，该设备在仅运行四个小时后就停了。

“以目前可用于人工升流的技术状态，这可能不可行，因为在技术方面仍有大量的研究需要进行，”斯瓦特说。

尽管存在这些挫折，气候基金会首席执行官布赖恩·冯·赫尔岑表示，人工升流对于生态恢复可能是可行的且有必要的——由于气候变化引起的地表变暖和海洋分层，可能会阻碍赋予生命的自然升流和海面施肥。出于这个原因，冯·赫尔岑使用术语“恢复自然升流”而不是人工升流。

他的组织现在正在尝试一种不同的方法：一种将海藻从表面移动到深水的深水循环技术。这样做的部分原因是为了避免标准升流方法对生物多样性产生有争议的影响，这些方法引起了对富营养化和其他环境影响的担忧。

根据这项测试，深度循环对海藻的生长可能非常有效，但在恢复鱼类种群方面则不那么有效。尽管冯·赫尔岑的组织不打算追求升流，但他表示：“我们很乐意支持以适当规模恢复自然升流的试验，因为没有它，许多生态系统将灭亡。

用于调查公海中人工升流影响的模拟自然试验。图片由迈克尔·斯瓦特提供。

扩大不确定性和危险

专家强调，人工升流从未在小规模上完全完成，因此扩大规模充满了不确定性。一个主要的未知数：升流真的可以作为一种清除二氧化碳的方法吗？

海洋使命首席科学家戴维·科维克的研究表明，即使克服了技术挑战，人工升流的二氧化碳清除效率也是有限的，并且不太可能达到人们所希望的十亿吨规模——更有可能达到每年约1亿吨的碳储存，他说。

“当你抽取海洋深层水时，它充满了营养物质，但也充满了二氧化碳，基本上它充满了我们认为浮游生物或海藻可以捕获的二氧化碳，或多或少，”科维克说。“你有点像在跑步机上跑步。”

由海洋地学亥姆霍兹海洋研究中心研究员马尔特·尤尔肖特领导的建模研究发现，人工升流只有在与海洋铁肥化相结合时才有效。这是一项有争议的地球工程技术，其研究目前受到限制性法规的阻碍。

尤尔肖特的另一篇论文表明，随着未来大气中CO2浓度的升高，人工升流可能会变得更加有效。但是，当然，“由于各种原因，高排放情景对人类来说是不可取的，”尤尔肖特说。因此，这种增加的潜力不应被视为“继续向大气中排放大量二氧化碳的借口”。

专家表示，海洋升流也存在一个监测问题：与电化学二氧化碳清除等其他一些地球工程方法不同，很难准确测量和说明从大气中清除的CO2。

其他人则担心，海洋某一部分的升流可能会导致其他地方的渔业生产力发生变化，从而引发治理和粮食安全的担忧。

更令人不安的是，该技术可能会扰乱海洋热量预算。尤尔肖特说，一旦人工升流被成千上万的泵将深水输送到地表，就无法安全地停止。这是因为将冷水泵送到地表会在地下水中捕获大发在线体育,大发体育的热量。当停止时，传热结束，但能量必须流向某个地方，最终返回地表并使地球变暖。

百慕大礁石上的珊瑚碎片。如果可以完善人工升流，保护珊瑚礁免受海洋热浪影响的环保主义者可以使用人工升流。图片由伊冯娜·萨瓦尔提供。

这是塔斯马尼亚大学研究员莱纳特·巴赫的主要担忧。“在整个海洋碳清除领域，这不是我会押注的，因为它非常复杂，”他说。通过升流，“海洋物理学纵以改变海洋化学，以便希望海洋生物学能为所欲为。”

华金·奥尔蒂斯对人工升流进行了博士研究，现在是海藻养殖初创企业宏碳公司的研究负责人，他表示，人工升流的潜力在于“食物网增强”而不是二氧化碳清除。对他来说，这也可以克服扩大技术规模的问题。

美国国家科学院也持同样的观点。在2022年的一份报告中，该机构写道，即使是在海洋上运行的数百万台人工升流泵，“也无法达到[碳]封存或永久的二氧化碳清除目标”。但它们可能“被证明是促进水产养殖或渔业的宝贵工具”。

缅因湾最近的研究可能支持这一说法。那里的研究人员在50米深的浅水区成功测试了一台波浪动力泵。

部署在缅因州海岸附近公海的波浪泵。该设备使用波浪能驱动内部泵，研究人员正在将其作为增强水产养殖的工具进行测试。图片由新罕布什尔大学斯科特·里普利提供。

新罕布什尔大学的博士生切尔西·金博尔表示，升流可以帮助新英格兰新兴的海带产业，同时最大限度地减少对抽取深海水的一些担忧，尽管大发在线体育,大发体育的研究正在进行中。“我们的方法是将[技术]用于大型藻类，但它也可以用于鱼类养殖，让鱼在夏天保持凉爽，”随着海洋热浪变得越来越普遍和致命，这可能至关重要。

其他研究人员提出了人工——本质上是相反的过程，将二氧化碳饱和的表层水输送到海底进行长期储存。专家指出，在进行升流时，下降流会在一定程度上发生，但下降流方法的特别之处很少受到关注。

这是因为它本身就是一种昂贵的二氧化碳储存方式，而且可能效率低下，科威克说。在他看来，作为抵消脱氧水域缺氧的一种手段可能更有效。但这个想法也没引起人们的兴趣。

墨西哥的珊瑚礁。人工升流被认为是在海洋热浪期间保护珊瑚礁生物多样性的一种可能解决方案。图片由 菲利普·汉密尔顿/海洋图片库 提供。

阻止珊瑚白化？

正如自然升流创造充满活力的生态系统一样，它也可以为珊瑚礁提供保护，使其免受气候变化的影响。在2024年的一篇论文中，研究人员展示了澳大利亚大堡礁的部分地区如何通过自然升流来缓冲海洋热浪。基于这些知识，科学家和环保主义者正在探索使用人工升流来模拟自然产生的避难所。

亚利桑那州立大学的海洋生态学家伊冯娜·萨瓦尔正在百慕大海洋拟自然设施中领导研究，以更好地了解这一过程，以期进行现场测试。

“如果我们能在珊瑚礁中创建这些热避难所，并施加人工升流产生的强烈温度波动，我们就有希望提高这些避难所内珊瑚的耐热性，”她说。“因此，当这些避难所周围的珊瑚死亡时，这些珊瑚可以在枯竭的珊瑚礁环境中重新播种。”

到目前为止的实验室结果表明，白化速度减慢了。但有人担心，在公海中引入深水可能会改变营养水平，导致富营养化或改变表面pH值。这样的变化可能会给平衡的珊瑚礁带来坏消息。萨瓦尔说，她的团队的方法只会使用冷的深水脉冲，而不是连续流动，从而将表面营养物质和pH值的变化降至最低。

大堡礁。根据澳大利亚珊瑚礁恢复和适应计划的一项技术评估，人工升流或垂直混合可以冷却全球变暖的珊瑚礁。但这些希望伴随着一系列担忧，包括设备安装过程中对珊瑚礁的潜在损害、噪音污染、浮游植物大量繁殖，以及入侵或有害物种（如棘冠海星）的生存率更高。

“在我看来，这肯定会很有效，”她说。但技术挑战和规模问题再次凸显出来。“事实证明，当然，一旦你把冷水带到地表，它肯定会对珊瑚有益。只是实施起来并不容易。”

萨瓦尔设想仅对一小部分珊瑚礁进行人工升流。“[技术上]不可能为整个珊瑚礁系统做到这一点，”她说。

澳大利亚珊瑚礁恢复和适应计划也考虑了这一策略，该计划目前正在试验几种珊瑚礁保护方法，包括海洋云增亮。

“我们的结论是，这在非常本地化和特定的情况下可能很有价值，但由于基础设施需求和部署成本，无法扩展到大堡礁等大型系统，”珊瑚礁恢复和适应计划执行董事塞德里克·罗比洛在一封电子邮件中写道。

“还应考虑与将富含营养的水带到表层相关的生态风险，”他补充说。“我们一直在寻找最新技术的更新，但到目前为止还没有看到任何彻底的技术改进，使这些方法在大规模上可行。”

前景值得怀疑

专家们一致认为，一个根本问题是，扩大人工升流的规模充满了技术复杂性和环境风险。尽管如此，目前，升流仍在人们的视野中，但对于它是否可行，人们意见不一。例如，塔斯马尼亚大学的巴赫说：“在我接受资助的名单上，这将是非常低的。所以对我来说，目前，这是不可能的。”

其他人表示，为目标目的部署较小规模的人工升流可能是有益的。来自海藻养殖初创企业宏碳公司的奥尔蒂斯表示，升流应该仍然是渔业的“高度优先事项”，因为“在这种规模上要简单得多”。

大发在线体育,大发体育：珊瑚礁，萨瓦尔计划进行一项珊瑚群落实验，将她的实验室试验扩展到单一珊瑚物种之外。“它仍然在拟自然试验中，”她强调说。“这不是在户外，因为我甚至不想考虑整个允许的压力。”

她说，如果萨瓦尔的团队能够证明人工升流在实验室中的负面影响最小，那么下一步将是获得社区支持的小规模现场实验。

“我不认为自己必须倡导这种干预，”她解释说。但在她看来，迫切需要有效的策略来减少海洋热浪。“我真的依赖于我们从实验中获得的结果。我并不是说这是我们绝对应该使用的解决方案，但我认为这是环保主义者应该在他们的工具箱里的东西。”

最后一个障碍：到目前为止，糟糕的结果导致了资金短缺，科威克指出。“在[足够的资金]到位之前，我们将......陷入这个循环，人们认为[升流]有一些潜力，但没有人真正关注它，因此，没有人可以证明投资该项目以进一步研究它的合理性。”