专门用于固碳的大规模海藻造林:风险、可行性和知识状况的关键评估
Finnley罗斯
帕特里克Tarbuck
彼得·i·麦克里迪- 1澳大利亚维多利亚州伯伍德迪肯大学生命与环境科学学院综合生态学中心
- 2海绿私人有限公司，Paya Lebar广场，新加坡，新加坡
人们一直在讨论扩大近海海藻种植，并将其专门用于碳封存(“海洋造林”)，从而帮助缓解气候变化，但这个概念可行吗?本文从五个方面探讨了海洋造林的可行性:1)生态可行性;2)技术可行性;3)经济可行性;4)共同利益和风险;5)治理和社会考虑。从理论上讲，优化物种选择和洋流利用等生态因素，以及使用低成本的可生物降解筏子，可以使这一概念在全球推广。面积40万公里2或164亿个生物可降解木筏将需要10亿吨二氧化碳2固定大约16个25米长的木筏2每排放一吨二氧化碳都需要这些燃料2固定。然而,有限公司2固定(根据净初级生产力计算)和固碳(从大气中永久去除的碳)是根本不同的过程，但这种区别经常被忽视。由于一些突出的海洋生物地球化学考虑因素，海洋造林的碳固存量仍然难以量化。例如，浮游植物群落的置换及其相关的碳固存通过养分重新分配是理解海洋造林减缓气候变化潜力的一个关键知识缺口。海洋造林还对海洋生态系统带来复杂的风险，例如，海藻沉积对底栖生物群落的影响。此外，治理和社会挑战也存在，例如与海洋条约有关的运作合法性。海洋植树造林的概念仍处于起步阶段，虽然存在很大的研究差距，但在将这一概念与一系列潜在的以海洋为基础的减缓气候变化战略进行充分比较之前，应进一步对研究进行投资。
简介
近年来，碳固存作为海藻(大型藻类)水产养殖的一种共同效益，在全球学术界、政府和工业界引起了广泛的兴趣(杜阿尔特等人，2017年；桑达克等人，2017；Duarte等人，2021年)．全球对减缓气候变化的兴趣日益浓厚，推动了这一趋势。从2000年到2018年，海藻养殖以每年6.2%的速度增长，海藻产品有几个新兴市场(Duarte等人，2021年)．海藻养殖业也被认为是联合国可持续发展目标取得进展的有力贡献者(Duarte等人，2022年)．海藻养殖业的发展包括了一些建议，即可以大规模进行离岸(超越大陆架断裂)海藻养殖，这将导致海洋中大量的碳封存，称为“蓝碳”(麦克里迪等人，2019年)．海藻的碳捕获和碳汇，是由Chung等人(2017)在美国，种植海藻的唯一目的是碳抵消或碳信用。这也被称为海洋植树造林(巴赫等人，2021年；博伊德等人，2022)，即本文所使用的术语。
一些研究在地球工程的背景下考虑了海藻的种植(阿尔德里奇等人，2012年；Chung等人，2017；伍德等人，2017)，也有少数论文提到了新的以海藻为基础的碳捕获和储存项目或海洋植树造林的可能性，因为这些项目与碳信用额的销售有关(Chung等人，2013；恩耶特等人，2012年；Chung等人，2017；桑达克等人，2017；Coleman等，2022；Troell等人，2022)．最近有几家企业提出将海洋植树造林作为碳封存策略。奔潮，南大洋碳公司和拉刷新)。在过去两年的一系列论文中(巴赫等人，2021年；博伊德等人，2022；Hurd等人，2022年)，详细考虑了海洋造林。这些论文的结论是，这一概念的生态风险很高，仍有待量化，同样也存在几个重大的碳核算挑战。最近在一篇论文中Ricart等人(2022)海洋植树造林被认为是不道德的，缺乏科学依据。然而，目前尚不清楚是否应进一步投资于这一概念的研究，即海洋造林是否是缓解气候变化的可行和有前途的未来手段?
由于海藻在坚硬基质上的生长能力，与其他蓝碳汇相比，海藻养殖具有独特的可扩展性，如果可以开发近海水产养殖(Chung等人，2017)．考虑到公海的大小，如果能开发出一种高效的近海海藻养殖方法，并将其规模化，从理论上讲，它将对全球碳封存做出巨大贡献。例如,恩耶特等人(2012)建议，如果9%的海洋被安排用于海藻养殖，那么在几十年内，大气中二氧化碳的浓度就可以达到工业化前的水平。此外,Froehlich等人(2019)最高估计是4800万公里2适合海藻养殖的海洋面积约占海洋总面积的11%。因此，海藻养殖的理论最大年固碳量为720亿吨，大于全球年排放量(基于理论最大CO值)2封存1500吨CO2每公里2（杜阿尔特等人，2017年)．虽然这一估计在最大规模上量化碳固存是有用的，但它假设所有CO2是封闭的，用很少的参数来限制海藻的生长。这是不现实的，因为90%以上的海藻产品是由人类消费的，而且在生长阶段由于生物量脱落而被隔离的海藻生物量的数量的粗略估计为11% (Duarte等人，2021年)．尽管这些规模估计是初步的，但潜在的海洋造林产业的机会规模需要对这个概念进行更多的讨论。
海洋造林研究相对于业界兴趣缺乏科学发展，这在历史上可能归因于离岸水产养殖的高成本、工程限制和恶劣生长条件的不确定性，这是海洋造林可能被考虑的地方(费尔南等人，2017年)．此外，考虑海藻养殖的投资者可能发现，拥有成熟消费市场的近岸水产养殖更具吸引力，其价格可能高于单纯为碳而养殖(van den Burg等人，2016)．现在，全球对气候变化解决方案的兴趣日益增长，投资者正在积极寻找可扩展的气候变化减缓项目。本文旨在为考虑海洋造林的潜在金融机会、减缓气候变化潜力以及积极和消极相关影响的企业和政府提供信息。本文从五个方面进行了综述和讨论:1)生态可行性;2)技术可行性;3)经济可行性;4)共同利益和风险;5)治理和社会考虑。重要的是，在本文中，我们对碳吸收、碳固定和碳固存进行了区分。碳吸收是CO2被海洋从大气中“吸收”。碳固定被用来描述CO2在初级生产(光合作用)中被吸收，生物量中的这种碳固定可以重新进入大气。碳封存被用来描述永久(超过100年)去除CO2从大气中收集到的。
生态可行性
海藻床是地球上最具生产力和多样性的海洋生境之一(曼,1973；克劳斯-詹森等人，2018)．海藻是地球上生长最快的初级生产者之一，其生产力与最多产的陆地植物(Nellemann等人，2010)．而海藻养殖在全球范围内已得到很好的发展，在特定区域靠近海岸，全球产量为2.61 × 1062014年T干重(桑达克等人，2017)，如果所有近海都有海藻养殖，其产量可忽略不计(García-Poza等，2020)．需要对下面讨论的几个因素进行调查，以确定海洋植树造林的生态可行性。
物种选择
海藻物种多样性高，被分类为红藻门(红藻),绿藻门(绿藻)和褐藻纲(褐藻)(洛班和哈里森，1994年)．虽然红藻和绿藻的生长速度都很高，但褐藻(包括岩藻和海带)可以达到比最大的红藻和绿藻大得多的尺寸，因此每株植物可以吸收更多的碳(洛班和哈里森，1994年)．因此，褐藻很可能在培养季节或每个培养周期中，在生长基质的每个表面积上能吸收更多的碳。考虑到生物量与生长基质表面积的比例最大化将是可行性的关键因素，褐藻更有可能成为海洋造林的候选者。
褐藻是一种分布广泛的大型藻类，可形成栖息地，分为两目:褐藻目(褐藻目)和海带目(尼尔森,2020)．在温带岩质海岸线上，岩藻类主要分布在潮间带，而海带则主要分布在潮下带(查普曼,1987；洛班和哈里森，1994年)．岩藻类的分解速度通常比海带慢，因为它们有更多的结构组织和次级代谢产物，可能对食草动物和分解者有毒(洛班和哈里森，1994年；刘和钱，1997；Nagayama等人，2002年；Birkemeyer等人，2020年)．由于岩藻类的分解速度较慢，因此与海带相比，岩藻类所隔离的碳可能更有可能自然沉积在深海中。然而，海带物种通常生长速度较快，体积大，含量丰富，因此也可能是重要的蓝碳来源(达金斯等人，1989年；哈罗德和利辛，1989年；克劳斯-詹森和杜阿尔特，2016年)．
有许多种褐藻可以考虑用于海洋植树造林。应优先考虑该生态区的特有物种，以尽量减少引入入侵物种的风险。物种将根据几个指标进行选择，包括它们的快速生长能力，以及比浮游植物等其他主要生产者以更高的比例吸收碳与其他营养物质(巴赫等人，2021年)．物种的浮力也可能需要考虑，以确定海藻的重量和下沉。因为热带近海水域比温带水域更缺乏营养(摩尔等人，2013)和近海水域将是主要考虑植树造林的地方，温带物种和地点将优先考虑。关于海洋造林的两个可能的候选物种的讨论见箱1．
框1 |海洋造林候选树种。
例如,昆布属植物saccharina是大西洋最大的海藻品种之一，因此优先考虑在大西洋进行海洋植树造林(贝克比与莫伊，2011年)．类似的Nereocystis luetkeana是一种浮力大、能形成冠层的海藻，产于西北太平洋(Kruckeberg 1991)．考虑到它的规模和增长率，n luetkeana可作为海洋绿化的备选方案(施普林格等人，2007)．
Macrocystis pyrifera-m . pyrifera具有体积大、生长速度快、形状功能可塑性强(Schiel和Hickford, 2001；格雷厄姆等人，2007年；Schiel and Foster, 2015)．此外,m . pyrifera在理想的条件下，它每天能生长30厘米以上，是世界上最大的大型藻类，身长可达15米以上(克里布疯狂,1954；北1970；艾伯特和霍伦伯格，1976年；格雷厄姆等人，2007年；Schiel and Foster, 2015)．m . pyrifera在适宜的纬度长时间漂移和生长，这表明m . pyrifera能在自由漂浮的木筏上长得很好吗（Rothäusler等，2011)．然而,m . pyrifera碳氮比较低，结构组织较少(杰克逊,1977年)．这意味着考虑到养分再分配(1.2.a)，植物的固碳潜力m . pyrifera可能会减少。此外,m . pyrifera在海上压力条件下，可能更容易损坏(西摩等人，1989年)．鉴于其庞大的规模和快速增长的潜力，m . pyrifera可以作为海洋造林的候选材料。
Durvillaeaspp。Durvillaea属亚潮间带种，原产于新西兰、塔斯马尼亚和智利，若干种为次区域特有(Cheshire等人，1995年；尼尔森,2020)．Durvillaea可能具有相对较好的碳氮比，因为它们具有较高的结构完整性，可抵御风暴和波浪作用(干草,1977；杜福尔等人，2012)．Durvillaeasp .也可以非常大，干草(1977)记录了一个物种，d . willana体重可达40公斤。然而,Durvillaea相对于其他大型可形成生境的海藻种类，海藻的生长速度较慢(北1970；Velásquez等，2020)．一个物种,Durvillaea南极洲浮力很大(弗雷泽等人，2020年)，考虑到该物种的海洋造林，这可能需要不同的工程策略。Durvillaea鱼类易受海洋热浪及高温的影响，而海洋热浪及高温的发生次数不断增加(汤姆森等人，2019年)．因此，温度应力应该成为未来的首要考虑因素Durvillaea海洋造林。
增长的限制因素
大藻的生长主要受光和光合作用的推动(洛班和哈里森，1994年)．然而，海藻的生长和固碳也会受到营养物质的限制(Neori等人，1991年；Kübler等，1999)，温度(Kübler和戴维森，1993)、食草动物(Viejo和Åberg, 2003)、疾病(库马尔等人，2016)、辐照度(Mabin等人，2019)、竞争(Thirumaran和Anantharaman, 2009)、电流(米勒等人，2020年)、盐度及潮间带物种的干旱率(卡斯滕,2012；Eckersley和Scrosati, 2020年)．
a.营养物质-海藻的生长会受到多种宏量营养物质、微量营养物质和维生素(洛班和哈里森，1994年；哈里森和赫德，2001年)．在许多情况下，营养物质是海藻生长的关键限制因素(Roleda和Hurd, 2019年；肖等，2019)．在大多数情况下，近海光带的养分可利用性低于近岸生态系统(费尔南等人，2017年)．热带海洋(近海)海水的营养物浓度低于温带地区(摩尔等人，2013)．然而，在某些情况下，由于分层，近海的养分有效性和随后的生长速率较高，这也会降低近岸的养分有效性(Chen等人，2021)．虽然在近海和近岸生态系统中养分浓度变化很大，但在海洋中Froehlich等人(2019)估计海藻养殖的最大范围，他们发现有4800万公里2海洋的近岸和近海都适合海藻养殖。这受到温度和营养物质的限制。因此，虽然近海海洋面积的确切数量还有待准确评估，但仅根据营养物质浓度，近海海洋造林的可用面积可能很大。氮(N)、磷(P)和铁(Fe)是海上初级生产中最常见的限制性营养物质(摩尔等人，2013)．在海藻中，磷和氮的使用比例约为30:1 (阿特金森和史密斯，1983年)．优化磷氮比是海藻生长的常见限制因素(哈里森和赫德，2001年)．
在自然和人工上涌的地区，营养物质的浓度可能很高，这带来了营养丰富的冷水，促进了海藻的生长(卡尔弗特和普莱斯，1971年；原因,1983；潘等人，2016)．上升流的使用极大地支持初级生产、渔业和随后的固碳(潘等人，2016；Zhang等，2017)．然而，成本高、伦理问题、生态影响以及深海CO的潜在释放2来自深海泵的人工上涌(Canadell等人，2021年)．虽然营养物质的重新分配将是上升流地区海洋造林的一个关键问题，但营养物质的置换和对近海生态系统的影响可能与总生物量相对成比例。因此，无论海藻是否受到营养物质的限制，这些潜在的负面影响都将存在，因此营养物质浓度高到足以支持快速生长的地区可能是优先的。因此，营养物的有效性应成为潜在海洋造林选址的重要考虑因素。据我们所知，除了人工上涌外，还没有任何营养补充建议用于海洋造林。
b.洋流——强洋流支持营养物质的替换，并提供更高浓度的CO2（赫德,2000；史蒂文斯等人，2003年)．但是决定净CO2通量(1.6)在强水流地区将更加困难。如果建议在海洋植树造林中使用自由漂浮的建筑物(3)，水流将是决定建筑物在何处释放以及可在何处回收或下沉的主要因素之一(博伊德等人，2022)．水流将导致提议的自由漂浮结构在漂移过程中接受不同浓度或水平的营养物质、盐度和温度，这对理解这一点很重要。
c.疾病、食草动物和附生植物-疾病(庄严的,2002)、食草动物和附生植物(Vairappan等人，2008)可能会影响海洋造林和近岸水产养殖的海藻生长(库马尔等人，2016)．这些和其他生物安全风险需要在近海以一种新的方式进行管理，管理这些问题的原则可以借鉴近岸海藻养殖系统。然而，放牧可能是最不受关注的问题，因为食草动物很少消耗超过10%的活海藻生物量(Alongi 2018)．此外，海胆主要以海带为食(米勒,1985；Duffy and Hay, 1990)，并不会在海外展出。
d.温度-所有海藻都有一个最佳的温度范围，使它们能最大限度地生长(lun, 1990；艾格特2012)．鉴于海洋热浪的频率可能会增加，有必要在温度不太可能超过温度限制的地方进行海洋植树造林，这可能会越来越向极地方向发展(奥利弗等人，2018；Smale等人，2019年)．
e.辐照度-辐照度是海藻生长的限制因素(Fortes和Lüning, 1980年；洛班和韦恩，1981年)，因此，在选择海洋造林地点时，应尽量提高光的质素和可用性。虽然光照可用性主要由生长基质深度决定，但在优化辐照度时，局部的水透明度和地面辐照度措施也将是重要的考虑因素(加图索等人，2006年)．
f.竞争、盐度和干燥——物种内部和物种之间的冠层竞争是野生海藻林中海藻生长的一个关键限制因素，因为它会减少光和养分的可利用性(木匠,1990；爱德华兹和康奈尔，2012年)．考虑到需要优化单位面积的生长，物种之间的竞争可能会通过遮阳和争夺营养物质来限制生长，这取决于海藻的繁殖密度。不同物种之间的竞争不太可能像野生海藻林那样限制人工养殖环境中的生长。盐度和干燥不太可能影响海洋植树造林，因为它们不太可能是温带近海环境中海藻生长的限制因素(洛班和韦恩，1981年)．
深度
促进沿海大型藻类向深海迁移的自然机制包括溶解有机质的浸出、修剪和组织断裂、季节性部分死亡和增强破碎——这是许多物种的共同策略(库普等人，1982年；达金斯等人，1989年；克劳斯-詹森和杜阿尔特，2016年)．更具体地说,克劳斯-詹森和杜阿尔特(2016)提出海藻主要是通过海底峡谷漂流或负浮力碎屑的下沉而沉积在深海地点。因此，将海藻沉入这个深度可以加速碳的封存。然而，记录巨藻蓝碳预算的方法仍有待开发。关于海藻中有多少碳进入深海并成为长期碳汇，以及它对深海底栖生物群落的潜在影响(Filbee-Dexter等人，2018；克劳斯-詹森等人，2018)．
海藻生物量中的碳很可能以各种形式的溶解有机碳和颗粒有机碳分解到周围的海水中(渡边等人，2020年)．一些有机碳也可能以难降解的形式存在，以抵抗分解(trevant - tackett等人，2015)．此外，来自海藻的有机碳在重新浮出水面之前可能会被埋在海底的海洋沉积物中。深海生物质沉积的主要机制是细菌和其他物种的直接埋藏和代谢。在1000米以下的各种深海生物的肠道中发现了巨藻生物量(沃尔夫,1962；Schoener和Rowe, 1970)．被吞食的海藻生物量可以被呼吸回周围的海水中，或者与分解者的身体一起埋在沉积物中。因此，如果沉积在深度的海藻组织被分解，释放的碳只能在减少人为排放的直接关注之外的时间尺度上重新进入大气，即>100年。
历史估计表明，海洋有机物，包括海藻，达到1000米以上深度(即深海区)的碳会成为一个长期碳汇(赫尔佐格等人，2003年；克劳斯-詹森和杜阿尔特，2016年；DeVries等人，2017年；奥特加等人，2019年)．然而最近，贝克等人(2022)对北大西洋的这些估计进行了改进，并提出如果碳沉积在1000米深处，只有66%的碳保持与大气不接触，而在2000米以下，这一比例将增加到94%。仍需要研究来确定全球不同地区永久固碳所需的深度。因此，如果要在生长地点沉没，或在近岸种植并带到近海沉没，那么海洋造林可能会发生在深海上方的表面。
与浮游植物争夺养分
重要的是要考虑海藻与浮游植物争夺养分的地方，因为这种养分竞争可能会减少浮游植物的固碳量(巴赫等人，2021年)．一般来说，海藻消耗碳的效率高于浮游植物消耗氮和磷的效率(贝尔德和米德尔顿，2004)、固碳通过海藻应该减去在没有营养重新分配的情况下浮游植物群落可能发生的碳固存(Hurd等人，2022年)．营养物质的重新分配也需要在较长的时间内考虑，因为营养物质可能会被循环利用和运输(Thingstad和Sakshaug, 1990)．关于替代营养物质使用效率的问题也仍然存在通过浮游植物固碳作用(Boyd等人，2007年；格拉夫等人，2015年)．例如，铁肥已被证明可以提高浮游植物群落的净碳固存量，尽管提高了初级生产力(博伊德,2004；Boyd等人，2007年)．因此，必须通过监测生长部位的浮游植物群落来确定海藻固碳是否取代了浮游植物的固碳。营养重新分配的考虑是复杂的，仍然相对未被研究。
反照率和钙化
反照率量度长波辐射的反射率(Twomey 1974)．海藻的反照率比海水高，因此可降低升温潜势(巴赫等人，2021年)．离地表较近的海藻会增加更多的反照率(巴赫等人，2021年)．然而，这可能因物种和海洋生物群落的不同而不同，而且相对来说还没有得到研究。海藻亦可为钙化生物提供栖息地(泰勒,1998；纽科姆和泰勒，2010年；Thomsen等人，2016)．虽然钙化作用会固定碳，但钙化作用也会降低海水的碱度，从而降低海水的碳吸收能力(Frankignoulle等人，1994年；Macreadie等人，2017)．当海藻为钙化器提供栖息地并增加其生物量时，这可能部分抵消任何CO2海藻的封存(巴赫等人，2021年)．相关的表层动物的呼吸作用也可以抵消CO2封存(Hurd等人，2022年)．
净CO的测定2通量
重要的是，如果CO2通过海藻生长产生CO2海水亏缺会按比例导致额外的大气CO2吸收(渡边等人，2020年；巴赫等人，2021年)．大气CO增加2海洋造林地点的海水吸收是海洋造林的目标，因此必须是可证明的。这将需要在海藻种植过程中跟踪海洋碳吸收的多个时间点的变化，以验证碳固定，对此的监测仍然很复杂(Hurd等人，2022年)．缺乏二氧化碳的海水与地表接触并增加CO的时间尺度2吸收仍不确定(奥尔和萨米恩托，1992年；巴赫等人，2021年)．
技术可行性
很少有人提出专门种植海藻作为碳抵消的方法(Froehlich等人，2019年)．据我们所知，所有提出的想法都是早期的商业投资，在同行评审的文献中没有支持研究。该行业处于起步阶段的原因之一是，由于海藻必须沉入深海(即2000米)才能被隔离，因此需要大量的技术限制。贝克等人，2022)．技术概念多种多样，海洋技术造林大致可分为以下三类。
1.传统的近岸海藻养殖、养殖和弃置近海(Chung等人，2017)．
2.深海海上系留式种植平台。
3.深海无绳生长平台(自由漂浮或自动化)
有几种不同的技术设计主题可以与这三个技术类别配合使用。这里列出了其中一些可能的技术主题，并在(图1)．需要注意的是，这些只是概念设计，在应用于该领域之前，需要对每个潜在概念进行急需的成本效益分析。
1.-连接现有基础设施，例如石油和天然气或海上风力发电场(范登伯格等人，2020年)．杂交养殖策略已被考虑用于海藻养殖，作为综合多养水产养殖的一部分(2017年弗兰纳里)．
2.-整个结构是牺牲的和可生物降解的，下沉与海藻附着。
3.-平台与可生物降解的牺牲亚基释放和下沉与海藻附着。依靠海上平流下沉场地。
4.-自锚式生长平台，在生长平台上设有自动或手动切割机制，以切割自行下沉的海藻。
5.-巨藻生物量可以储存在置于深海的土工合成容器中，尽管这样做的成本将相当可观(Boettcher等人，2019年)．
图1海洋造林的可能概念。1.传统的近岸水产养殖被倾倒到近海。2.自锚生长平台在现场下沉。3.海藻养殖基础设施附属于现有的海上基础设施(例如石油和天然气基础设施或风电场)。4.自由漂浮的可生物降解平台。
由于近海水产养殖更容易受到恶劣天气和偏远地区的影响，因此其所需的基础设施可能比沿海或近岸水产养殖复杂得多(Jansen等人，2016；Gentry等人，2017年)．因此，离岸经营的成本可能比离岸水产养殖高得多。由于在2000米深的水中锚定一个新建筑的难度很大，在这个深度锚定一个新建筑进行海洋造林是不太可能的。此外，人工采集和播种海藻在近海环境中非常困难。因此，在这种情况下，可能需要自动化种植和收割。然而，解决这个问题的一种方法可能是“牺牲增长基质”。这是生长绳，或者绳子和部分结构下沉的地方，海藻仍然附着在那里。这意味着海藻在被放出去生长之前可以在基质上繁殖，并且不需要再次收割或切割海藻。在这里，生长底物与平台分离以下沉，或者由于自然降解而自行断裂和下沉。这样，海洋造林的维护和劳动力成本可能低于传统海藻养殖。
虽然缺乏海洋造林的工程研究，但已经有相当多的研究针对其他海藻市场进行可扩展的海上种植，如生物燃料(Milledge等人，2014；Cheng等人，2020)．生长平台的许多技术可行性考虑可以从有关海藻生物燃料生产的已有文献中得到借鉴。随着全球对海藻产品的需求增加和海藻水产养殖的增长(Duarte等人，2021年)，这可能会推动大规模海藻养殖和技术的创新，这些创新可能会溢出到海洋造林中。此外，已考虑利用风力发电场作为海藻养殖的基础设施(范登伯格等人，2020年)，然而，深海中很少有风力发电场，因此如果要使用现有基础设施的共存，则可能需要海洋造林的收获和沉积模型。
此外，海上基础设施的安装成本很高，因此如果要建立永久性结构，则应考虑基础设施的全生命周期。这包括安装、拆除和回收。重要的是，用于海洋造林的基础设施(包括船只使用的燃料)的碳足迹必须由企业本身抵消。出于这个原因，低排放的基础设施系统将是更可取的。这是牺牲的可生物降解生长基质的一个优势，它们可以自己成为碳池，这取决于所使用的材料(即大麻、松树和竹子)。无论采用何种设计，最大限度地减少海上运输和维护潜在结构所需的能源是主要的限制因素之一。
自由浮动结构将消除对锚的需要，并可能导致较少的维护和运输需求。自由漂浮的结构也可以自动化，这样它们就可以在风暴期间和船只靠近时潜水，这样它们就可以停留在指定的区域内。然而，如果自由浮动结构是自动化的，并且需要推进，对于每个增长结构来说，成本可能是巨大的，并且可能无法证明回报是合理的。为了简单和节约成本，自由漂浮的结构可能是可生物降解的，并受洋流的影响。它们可能是漂浮在水面上的可生物降解的绳子，也可能是在经过一段基于降解速率的估计时间后，随着海藻生长而降解和下沉的木筏。自由漂浮的木筏也可以远程触发，从生物塑料浮标中释放出来。如果使用单独的木筏，考虑到木筏之间的分离，可能很难大规模转移疾病或附生植物。虽然自由漂浮的牺牲结构具有基本的技术可行性，因此可能是一个成本较低的选择，但对生长的监测以及对水流、风和波浪的敏感性可能是这一概念的两个重要负担。虽然大规模的海洋漂流实验已经进行过，但据我们所知，没有一个是以水产养殖为目的的(惠特克和卡特，1954年；克里斯滕森等人，2018)．可以看到自由漂浮的木筏图2．
图2自由浮筏概念可视化。
一个关键的操作考虑将是年轻的海带/海藻的来源。由于天气的限制，在海上种植这些植物将非常困难。因此，在将绳索置于海上之前，应考虑在陆上或近岸设施中播种绳索。这些绳索在生命的哪个阶段被播种，或者这些绳绳的年龄有多大，可以根据物种的不同，从现有的海藻养殖中适应。其中一个关键的挑战就是要有足够的剧透。大量的插花将需要大量的苗圃基础设施，这可能是昂贵的(Yarish等，2017)．因此，可以考虑利用社区托儿所或合作社建立托儿所，为个体水产养殖企业提供服务，以获得规模经济。
经济可行性
海洋植树造林的可行性在很大程度上仍然未知(Boettcher等人，2019年)．海洋造林要被认为是可行的，并产生大规模的影响，就必须证明它具有成本效益，是一种有吸引力的商业模式。由于海洋植树造林并不是一种既定的做法，技术发展有限，其成本在很大程度上是未知的(Froehlich等人，2019年；Troell等人，2022)．最终，如果海洋造林在没有补贴的情况下运行，它可能不得不与陆地碳封存计划竞争，以低价提供可销售的碳抵消。然而，有一些新型碳封存企业的运营价格远高于市场价格，例如，直接空气捕获2021年的价格为149.0 - 248.6美元/吨CO .2（布雷耶等人，2019年)．全球碳价格要低得多，例如，2017年森林和土地利用部门的全球平均碳价格为5.1美元(哈姆里克和格兰特，2017年)．新的碳封存技术可能有提高效率，获得规模经济，然后降低价格的意图。当然，从长远来看，海藻碳信用在全球市场上具有竞争力，这将是扩大海洋造林规模的一个相当大的障碍。与陆地抵消计划相比，海藻抵消计划的封存时间可能要快得多，种植生物量可能在不到一年的时间内达到最大值，因此比森林等陆地碳汇获得更早的投资回报。一般来说，沿海环境对空间的竞争也小于陆地碳封存地点的竞争。
最近科尔曼等人(2022)提供了关于潜在海洋植树造林费用的首次详细的公开估计通过生物技术经济模式。他们发现成本为17,048 tCO2情商－1但通过优化海洋造林的参数，这一成本可以减少到1257美元/年2情商－1．这个价格远高于之前提到的全球平均碳价格。然而，这项研究调查了近岸海藻的种植和随后的倾倒和沉到近海，选项1。在图1．2.其他方法。(技术可行性)实施每吨碳封存的成本可能比这种方法多或少。由于种植、收获和运输海藻所需的船只时间，这种海洋造林方法可能会带来巨大的成本和排放(见2。每种方法的优缺点)。重要的是，任何海洋造林项目运营的碳足迹(即船舶燃料排放和水产养殖基础设施建设)应从任何潜在的碳封存中减去通过海洋植树造林(Coleman等，2022)．科尔曼等人(2022)计算出潜在CO值2减除营运排放(不包括运往汇地的船只排放)后，固存净排放量由638吨减至244吨[图5]科尔曼等人(2022)］．这表明，对于某些类型的海洋造林作业，实际排放量可能相当大。因此，在开发海洋造林的潜在商业案例时，确保足够低的业务排放至关重要。目前，不同类型的潜在海洋造林作业所产生的排放量尚未根据实际项目加以限制，海洋造林的潜在固碳量是否足以超过业务排放量，仍有待观察。
财政可行性最重要的是取决于与实施成本相比，海洋造林的高生物量产量和随后的碳封存。Froehlich等人(2019)计算出当前碳封存的中等成本为每吨543美元，最低为每吨CO 71美元2．恩耶特等人(2012)根据文献中现有数据，在6-90 t/ha范围内，计算出无灰重量的平均产量为23.5 t/ha，保守值为18 t/ha。恩耶特等人(2012)使用68%干重的无灰率，因此我们可以假设平均产量为26.5干重公顷/年－1．以平均含碳量为海藻干重24.8% (杜阿尔特等人，2017年)，我们可以使用24.2 t/CO2/年－1固定值作为海藻养殖的平均值。使用5x5m的木筏，0.061 t/CO2/年－1可以作为CO的平均值吗2/年－1每筏吸收。因此，从理论上讲，需要164亿个这样的木筏来处理10亿吨二氧化碳2固定。然而，虽然可以选择高产的海藻品种，但值得注意的是，海藻的生长在全年中并不一致(洛班和哈里森，1994年)，由于近海营养物质浓度较低，在一些近海环境中可能受到限制。此外，如果这些木筏是自由漂浮的，它们可能会被污染或在一年内达到漂流的终点(博伊德等人，2022)，所以这个值仍然是高度推测的。此外，如前所述，CO2这里描述的固定目前还不能等同于碳封存。
共同利益和风险
海洋海藻造林可能有几个需要考虑的共同利益和风险。虽然这些只是在概念上讨论，但可能还有其他影响尚未被考虑。历史上，对海洋造林的生态或生物安全风险的调查相对较少(罗素等，2012年)，直到最近博伊德等人(2022)．这些影响也将在很大程度上取决于规模，在大规模部署海洋造林(博伊德等人，2022)．此外，迄今为止，海藻养殖的共同利益的证据与近岸海藻养殖有关，这些共同利益是否会扩展到近海仍有待观察。
海洋造林可能带来的共同利益包括;
●为大型动物创造栖息地或可能带来渔业效益(Walls等人，2016年；Theuerkauf等人，2021)．
●海藻养殖可导致营养减轻，特别是在人为营养负荷过高或富营养化的地区，通过吸收养分或与引起缺氧的光合微藻竞争(范,2004；He et al.， 2008；肖等，2017；Visch等人，2020年)．
●海藻还可以缓解局部海洋酸化，这可以保护附近的钙化生物(Chung等人，2017；克莱门茨与肖邦，2017年；肖等，2021)．此外，酸化会导致浮游植物的固碳减少，因此减轻局部酸化可能会支持局部浮游植物的固碳(彼得鲁等人，2019年)．
海洋植树造林的几种可能的负面影响最近已被描述得很好博伊德等人(2022)包括但不限于;
●应考虑浮游植物与海藻之间的化感作用或化学竞争，因为它会影响近海生态功能(博伊德等人，2022)．
●有机物含量增加，分解时会消耗氧气，导致氧气浓度降低或缺氧(Wyrtki 1962)．因此，倾倒海藻可能会导致一些地方缺氧(Lapointe等人，2018)．在缺氧地区，海藻分解产生的甲烷排放量是高还是低还有待观察(Naqvi等人，2010)．
●海藻会释放溶解的有机碳(DOC)，因此海藻的种植可能会导致近海生态系统中DOC的增加。近海DOC数量和质量的变化可能会影响近海群落，例如通过改变海洋异养细菌群落的动态;然而，这些影响却鲜有文献记载(博伊德等人，2022)．
●海洋生物、海鸟和哺乳动物的缠绕应被视为近海造林的一个可能风险，因为其他水产养殖作业也发生过缠绕(洛班和哈里森，1994年；Würsig和Gailey, 2002；年轻,2015)．被冲上岸的建筑物或漂浮的碎片也可能造成视觉污染。
●在深海中，一些深海微生物将碳转化为甲烷，因此，由于海洋造林的碳沉积，可能存在甲烷释放的风险(Whiticar 1999；Kotelnikova 2002)．然而，在深海中，较高的硫酸盐浓度可减少甲烷生成(Sivan等人，2007年)．目前，人们对这些复杂的深海海藻分解化学途径知之甚少。
●难以监测的海藻及其碎屑对深海底栖生物群落的影响(Danovaro等人，2020年)，并可能具有重要意义(沃尔夫,1962；Filbee-Dexter和Scheibling, 2014；贝克等人，2018)．然而，如果沉积可以定向到低生物多样性的缺氧地区(莱文,2002；Helly和Levin, 2004年)．
●海藻可能会在近海的过程中被污染，并可以运输它们的微生物群落，这可能与近海浮游植物群落相互作用(弗雷泽等人，2011年；博伊德等人，2022)．
需要进行更多的测试，以评估海上造林的潜在负面影响和海上生物安全风险，因为它们目前受到地理位置和各种条件的限制很差(博伊德等人，2022)．此外，如果要进行大规模的海洋植树造林，应考虑到大量孢子到达海岸对海带森林的可能影响，因为各种海藻可能被视为入侵者(Wikström和考茨基，2004；威廉姆斯和史密斯，2007年)．这将取决于与沿海海藻生态系统相比，海洋造林的位置以及人工养殖海藻物种的生活史。因此，培育本地或特有的巨藻品种，可减少外来物种及其附生的入侵机会(Boettcher等人，2019年；博伊德等人，2022)．然而，一些野生海带森林生态系统正经历着显著的衰退(Smale和Wernberg, 2013；汤姆森等人，2019年；莱顿等人，2020年)．从理论上讲，在某些情况下，附近海洋造林作业释放的孢子可以支持海带林的恢复。如果孢子到达海岸的数量比自然发生的数量更多，则应考虑未知的生态影响。这一讨论应包括转基因或工程海藻物种，鉴于入侵沿海生态系统的潜在生态风险，这些物种在水产养殖业中可能面临重大监管挑战(罗宾逊等，2013；Kim等人，2017年；切尼等人，2019年)．
治理和社会因素
新的海洋造林产业可以创造就业机会，发展社会或经济，使当地社区受益(Valderrama 2012；Boettcher等人，2019年；Larson等，2021)．可能会有高技能的工程、商业和科学工作机会。以及发展中国家可能存在的低技能工作，这取决于所选择的种植方法的劳动密集型程度。对于使用可生物降解基质和生长基质(如大麻、竹子或松树)的种植方法，进一步的经济发展机会可能来自支持这些第一产业。重要的是，还应考虑海洋造林材料来源的任何行业对环境和社会的影响。
沿海海藻养殖是一项重要的食品工业，是日益多样化的低碳产品的来源，将有助于我们实现联合国可持续发展目标(Duarte等人，2021年)．Ricart等人(2022)断言，如果生物量在近海沉积，而不是用于其他市场，海洋造林可能危及沿海海藻水产养殖对社会的积极影响。这是一个重要的考虑因素，但是，只有在海洋造林不利于近岸海藻养殖以及这两个行业争夺物质资源和人力专业知识的情况下，才可能出现这种情况。如果海洋造林完全在近海进行，并且不与近岸海藻养殖争夺资源，那么海洋造林对沿海海藻养殖对可持续低碳未来的重要贡献产生负面影响的风险就会降低。
在发展沿海社区，通过海洋造林产业支持替代生计通过例如，托儿所比剥削性的或不可持续的收入来源，如不可持续的商业捕鱼，可能更可取(Valderrama 2012)．然而，海岸线位于大部分海藻生物群落内的国家和地区(新西兰、澳大利亚、北美、欧洲、智利、日本、韩国)对大多数人来说是更发达的经济体(南非和纳米比亚除外)(基金,2017)．如果海洋造林主要是为了海带物种，其社会发展影响可能比在发展中国家经营的产业要小。然而，海洋造林等新形式的水产养殖仍可能存在发展机会，例如，它们可用于重新培训渔民或陆基农民，这些人的生计日益面临气候变化影响的风险。
海洋造林可行性的一个主要考虑因素是运作的合法性、同意和许可证(Barbier等人，2019；Kim等人，2019年；范登伯格等人，2020年)．据我们所知，目前还没有一个国家制定了在其经济专属区内进行海洋造林的议定书。对于国际水域，有一系列与海洋有关的条约，包括;《伦敦议定书》、国际海底管理局、国际海事组织、海洋法和《生物多样性公约》。根据《海洋法》，有关于在国际水域进行海洋研究的细节，但我们可以确定的具体管理海洋植树造林的法律很少甚至没有。《伦敦公约》是一项旨在保护海洋环境免受倾倒物污染的国际条约。，Article III b ii) of the London Convention states: “Dumping” does not include: Placement of matter for a purpose other than the mere disposal thereof, provided that such placement is not contrary to the aims of this Convention.” It remains to be seen if ocean afforestation falls in this category. The socio-political risks of ocean afforestation were considered to be medium byBoettcher等人(2019)．此外，还应考虑到国际水域对生物多样性的影响，因为它们与联合国生物多样性公约有关(Boettcher等人，2019年)．特别是考虑到碳汇地点可能与海藻生长地点不同。
将海洋造林与世界各地的碳信用机会联系起来
国际上对碳信用额的需求正在增长(奥康纳等人，2019年；Kreibich和Hermwille, 2021)．由于各国都在寻求降低国家温室气体预算，各国可能会考虑投资蓝碳项目，因为这些项目与本国温室气体排放有关(赫尔和兰迪斯，2016年)．目前已经编制了国际公认的蓝碳核算框架，其中包括蓝碳栖息地，但到目前为止，这些框架不包括海藻(Hiraishi等人，2014；Emmer等，2015；萨普科塔和怀特，2020年)．虽然对近海海藻水产养殖碳预算的方法学进行了思考(杜阿尔特等人，2017年；桑达克等人，2017)，据我们所知，还没有任何关于近海海藻养殖的碳封存方法研究。然而,由于通过海洋造林的海藻可以直接下沉到储存地点，记录这种运输的方法可能比绘制从近岸环境到近海下沉地点的碎屑输出和沉积物运输路径更简单。这个时间尺度可能比目前难以追踪的海藻固碳途径更快，因为碳可以更容易地监测和量化(Chung等人，2017)．但是，监测深海碳储存地点和量化碳封存的挑战仍将存在。
虽然海藻的生物量积累相对简单，但绘制可行的封存路径仍然是海洋造林的一大挑战(Boettcher等人，2019年)．对于任何碳抵消项目或建议，提供准确的方法来确定固碳量(Chung等人，2017)．任何验证方法都需要符合《联合国气候变化框架公约》等碳封存的国际标准，以使海洋造林有资格获得碳信用额(Michaelowa等人，2019年)．这包括证明附加性、持久性和准确性的标准。为核实海洋植树造林项目而制定方法将会产生费用。实施海洋植树造林需要一种详细记录封存途径、持久性和监测汇点的方法。开发一种测量海洋造林碳预算的方法Hurd等人(2022)他为此提出了一个名为“法医学碳核算”的框架，如果海洋造林项目进一步发展，这个框架将有助于建立一个方法论。
结论
虽然很明显，海藻种植可以产生显著的生物量和“固碳”，但这导致长期有效碳封存的途径尚不清楚。海藻很有可能大量生长并沉积在近海，其中一些碳被永久封存在深海，然而，要确定海洋植树造林的可行性，首先必须解决许多基本问题。迫切的研究课题包括2022年世界杯小组赛时间了解潜在的营养物质重新分配和海洋生物地球化学反馈机制，满足碳核算标准，海洋造林的成本效益基础设施，满足海洋监管要求和最大限度地减少环境影响。重要的是，一旦这些问题得到解决，海洋植树造林如果要大规模可行，就必须在碳固存方面具有与其他抵消计划相比的价格竞争力。虽然在海洋造林产业成为可能之前，还有许多研究空白需要克服，但海洋造林的潜在规模是广泛的。如果我们要确认或否认海洋植树造林缓解气候变化的可行性，就需要结合建模、实验室和海洋实验来克服仍然存在的关键研究差距。
作者的贡献
所有作者都对手稿的编辑和写作做出了贡献。所有作者都对这篇文章做出了贡献，并批准了提交的版本。
资金
该项目由迪肯大学和Sea Green私人有限公司支持。PIM感谢澳大利亚研究委员会发现项目(DP200100575)的支持。
利益冲突
作者PT受雇于Sea Green私人有限公司。其余作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。作者声明本研究得到了Sea Green私人有限公司的资助。资助者在研究中有以下参与:资助FR的博士学位，这篇论文是其中的一部分，并在论文的设计和准备中担任顾问角色。
出版商的注意
本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。
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关键词:气候变化、蓝碳、海藻、水产养殖、海洋造林、大型藻类、气候减缓、气候解决方案
引用:Ross F, Tarbuck P和Macreadie PI(2022)专门用于碳固存的大规模海藻造林:风险、可行性和知识状况的关键评估。前面。3月科学。9:1015612。doi: 10.3389 / fmars.2022.1015612
收到:2022年8月9日;接受:2022年10月20日;
发表:2022年11月18日。
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帕梅拉·A. Fernández洛斯拉各斯大学，智利版权©2022 Ross, Tarbuck和Macreadie。这是一篇开放获取的文章，根据创作共用署名许可(CC BY)．在其他论坛上的使用、分发或复制是允许的，前提是原作者和版权所有者注明出处，并按照公认的学术惯例引用本刊上的原始出版物。不得使用、分发或复制不符合这些条款的内容。
*通信:Finnley罗斯,fwross@deakin.edu.au