国科大杭州高等研究院环境学院江桂斌院士工作室与浙江大学地球科学学院合作，基于耦合的气候-碳循环地球系统模式，模拟研究了全球范围的大气二氧化碳移除情景的气候效应，重点分析了大气二氧化碳移除对海洋酸化的影响，并探究其中的物理化学机制，相关成果最近以“Response of ocean acidification to atmospheric carbon dioxide removal”为题，发表于Journal of Environmental Sciences。

2015年通过的巴黎协定中规定在本世纪末将全球平均地表气温升高控制在不超过2℃或1.5℃（与工业革命前水平相比），但目前仅依靠国家自主减排力度实现这一目标具有很大的挑战性。因此，科学界提出通过人工手段从大气中移除CO₂，实现CO₂净负排放，降低大气中的CO₂浓度，从而减缓气候变化带来的不利影响。为了更准确地预估在未来可能实施的大气CO₂移除对气候系统的影响，需要全面深入地评估大气CO₂移除造成的净负CO₂排放的气候效应。目前已有一些针对温度、降水等物理气候变量和碳循环过程对大气CO₂移除响应的相关模拟研究，但我们对海洋酸化对大气CO₂移除响应的认识仍然十分有限。

图1. 大气CO₂浓度达到峰值时（左列）及经过人工移除后回到工业革命前水平时（右列）海表（上）、500米深度（中）和1000米深海（下）的全球海洋酸碱度值相比于工业革命前水平的变化情况。

本研究使用气候-碳循环耦合的地球系统模式模拟研究海洋酸化对大气CO₂移除在年平均和季节性时间尺度上的响应及响应机制，并对比分析了海表和深海酸化的响应情况。研究结果表明，年平均海表碳酸盐化学关键变量（氢离子浓度、pH和碳酸盐矿物饱和度）的变化与大气CO₂浓度的变化较为一致。然而，在大气CO₂浓度下降阶段（代表CO₂净负排放时期），海表碳酸盐化学关键变量的季节性周期变化显著滞后于大气CO₂浓度的变化，海表碳酸盐化学关键变量的季节性周期变化，尤其是其季节性振幅增大会导致一些海洋生物在季节周期中提前暴露于引发生物体生理性酸中毒、抑制蛋白质合成、抑制代谢率等的酸性环境中，对海洋生物的生存带来负面影响。此外，由于较长时间尺度的海洋垂直混合过程，深海酸化相对于大气CO₂浓度变化也存在显著滞后，即便大气CO₂浓度下降回工业革命前水平，大多数海域仍然呈现显著酸化情况，甚至超过碳达峰时期的深海酸化程度（图1）。海表碳酸盐化学关键变量的季节性周期变化和深海酸化响应的滞后现象将会对海洋生物和生态系统产生一系列重要影响，未来在制定应对气候变化的对策时应当充分考虑到海洋酸化在不同时间尺度上的响应。本研究表明，即使可以通过人工移除措施快速降低大气CO₂浓度，由CO₂浓度升高引起的海洋酸化的恢复仍需要几十年甚至几个世纪的时间。

论文第一作者为环境学院博士后姜玖，通讯作者为环境学院傅建捷研究员与浙江大学曹龙教授，研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jes.2023.04.029