以海為匯，以洋為衡 —— 海洋藍碳及方法學

TSH彙編

臺灣四面環海，無論是飲食、休閒還是生活，海洋與我們的密不可分。不過，你有沒有想過，海洋其實也能在臺灣應對氣候變遷的過程中發揮關鍵作用？這正是海洋「藍碳」的魅力所在。所謂藍碳，是指海洋和沿海生態系統所捕獲的碳，透過碳吸收和封存將捕捉到的碳封存在深海或海底沉積物中，這些碳將脫離大氣百年或千年。海洋與海岸植物可以自然地幫助大氣減少溫室氣體。為了更了解藍碳，TSH探碳系列課程，特別邀請國立臺灣海洋大學海洋環境與生態研究所的蔣國平特聘教授，帶領我們深入探索海洋藍碳及其相關方法。

碳的「埋藏場」：海洋如何作為碳儲存庫？

如果你曾搜尋過「藍碳」，很可能會看到這個數字：海洋儲存的碳量占地球碳庫總量的 93%，遠超森林與土壤。因此，海洋不僅是地球上最大的碳庫，還在調節大氣中的二氧化碳 (CO₂) 濃度方面扮演關鍵角色。但碳是怎麼進入海洋的？進去之後，又是如何被儲存起來的？要回答這些問題，得先理解兩個背景知識：海洋如何參與全球碳循環，以及海水的鹼化作用如何影響碳的存放。

背景知識一、海洋如何調節碳循環？

碳就像一顆彈珠，受海水溫度與大氣 CO₂ 濃度變化的影響，在大氣與海洋這個彈珠臺之間不斷跳動。在溫度方面，當海水溫度上升時，水中 CO₂ 動能增加，大量水中 CO₂ 氣體分子向大氣輸送，導致更多 CO₂ 釋放至大氣中；相反，當水溫降低時，水中 CO₂ 氣體分子向大氣輸送量降低，但大氣中 CO₂ 氣體分子如果沒有明顯降低，則 CO₂ 氣體分子向大氣輸送量沒有明顯變化，所以降溫時海洋則能吸收更多 CO₂。因此，氣候變遷導致的海水升溫可能削弱海洋的碳吸收能力，進一步加劇全球暖化；而在濃度方面，由於氣體擴散作用，隨著大氣中 CO₂ 濃度升高，海水中的 CO₂ 也會隨之增加。

理論上，這套碳循環機制應該維持平衡。工業革命之前，地球上的 CO₂ 主要來自火山等自然活動，而海洋與大氣的交互作用使碳濃度保持穩定。然而，工業革命後，化石燃料燃燒導致碳排放劇增，使海洋吸收 CO₂ 的速度趕不上人為 CO₂ 的排放數度，打破了原有的平衡，因此造成大氣中 CO₂ 快速累積，使大氣 CO₂ 濃度快速增加。

背景知識二、海洋鹼化如何影響碳吸收？

談海洋的碳儲存，不能忽略「海水鹼化」機制。海水有個神祕數字 pH 值 = 8，這背後是一套精密的化學平衡。當海洋吸收 CO₂，會與水分子發生一系列反應，形成碳酸 (H₂CO₃)，進而分解為重碳酸根 (HCO₃⁻) 與碳酸根 (CO₃²⁻)。這些離子共同調控著海水的酸鹼度，確保系統的穩定。

二氧化碳溶於海水的化學公式

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (碳酸)

H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻ (重碳酸根)

HCO₃⁻ → H⁺ + CO₃²⁻ (碳酸根)

基本上海洋的pH值維持8，海水中CO₂ 90%以 HCO₃⁻ 形式存在 (Zeebe & Wolf-Gladrow, 2001)。當海水中的 CO₂ 進入海水中時會釋放出氫離子使pH值變小，海水為維持pH值為8必須將 H+ 與 HCO₃⁻ 結合，藉此解決海洋氫離子過多問題。但當海水中的 CO₂ 時這個平衡會被打破，導致pH值下降，也就是海洋酸化。這種變化不僅會影響貝類、珊瑚等生物的鈣化作用，還可能降低海水持續吸收 CO₂ 的能力。所以海水維持pH值為8的特性，將使海水成為水中氫離子緩衝劑，當海水中氫離子變高或降低時可利用HCO₃⁻ (重碳酸根) 或CO₃²⁻ (碳酸根) 進行氫子濃度調整。所以當海水變鹼性時，為了增加水中氫離子濃度其由大氣吸收 CO₂ 的效率會提高，這就是為什麼「海水鹼化」可幫助碳捕捉的核心概念，此與後續碳捕捉、碳封存的技術緊密相關。

雙重幫浦，讓碳深埋海底

在掌握這兩個背景知識後，我們可以更有條理地揭開海洋藍碳的秘密——碳從何而來？又是如何被深埋海洋、長久封存？

海洋 CO₂ 的來源主要透過兩大機制：

1. 擴散作用：大氣中的 CO₂ 因濃度梯度自然擴散進入海洋 (見背景知識一、二)。

2. 化學風化：風化作用使陸地上的岩石碎屑，例如碳酸鹽 (carbonate)、碳酸氫鈉 (bicarbonate)，隨河流沖入海洋並釋放碳元素。

這些 CO₂ 主要以 HCO₃⁻ (重碳酸根)、CO₃²⁻ (碳酸根) 或 HCO₃⁻ (重碳酸根) 或 CO2 溶解性無機碳 (dissolved inorganic carbon, DIC) 的形式存在於海洋中。DIC 儲量極為龐大，全球海洋內部估計蘊含約 3 萬億噸 DIC (Friedlingstein, 2023) 使海洋成為地球上最重要的碳儲存庫之一。

不過這些碳並非靜態存在，而是在海洋的三層結構中不斷流動：

• 表層水：與大氣直接交換氣體；

• 中層水 (躍層)：位於表層與深層之間；

• 深層水：碳可長期封存的區域。

圖一、海洋碳循環 (Pravettoni, 2014)

海洋有兩大主要機制可將碳輸送至深海，進一步降低大氣中的 CO₂ 濃度：

1.    物理幫浦

物理幫浦 (physical pump) 主要透過溫度與鹽度變化，溫度降低鹽分增加會使海水密度增加，促使海水沉降，造成整體海水垂直洄流，使溶解在水中之 CO₂ 或 DIC 從表層轉移至深層，這一過程在高緯度地區尤為顯著。冬季時，表層海水溫度下降，密度增加而下沉，再加上強風攪動，表層與深層水混合，將溶解的 CO₂ 帶入深海。極地海水結冰時會將水中鹽分排出，導致周圍水體鹽度升高、密度增加，使海水下沉至更深海底，驅動深海大循環 (thermohaline circulation)，進一步促進碳的長期儲存。

2.    生物幫浦

生物幫浦 (biological pump) 則是另一種重要的碳輸送機制，類似於陸地森林的碳封存作用。海洋中的浮游植物與藻類透過光合作用吸收 CO₂，並將其轉化為有機物質。當這些生物死亡或被攝食後，它們的殘骸形成顆粒狀有機碳 (particulate organic carbon, POC)，逐漸沉降至深海，最終封存在海底沉積物中，成為長期碳儲存的一部分。

物理幫浦負責封存溶解性無機碳 (DIC)，而生物幫浦則主要輸送顆粒狀有機碳 (POC) 至深海，兩者彼此流通，共同維持海洋的碳儲存機制。弄清楚碳如何沉降至海裡後，我們不妨游回岸邊，看看除了深海的藍碳系統外，濱海、與淺海藍碳又扮演著什麼角色。

海納百碳——深海外，還有淺海與濱海藍碳

濱海藍碳的研究核心在於觀察光合作用後，有機物的增長與累積，例如樹木的地上與地下生長，或土壤中有機碳的變化。以海草為例，科學家會記錄其葉片與根系的生長量，並進一步分析碳固定狀況。

            國立中興大學生命科學系林幸助終身特聘教授長期研究 (Lin et al., 2023)，數據顯示海草的地上部分每天可增長約 12%，地下根系亦有相應增長。然而，這些累積的有機物並非全數儲存，部分會透過代謝作用被分解。若以 10 年為界，最終僅約 3% 的有機物能長期封存。臺灣目前已知的海草種類約 12 種，主要研究對象包括太平洋一型海草與丹麥二葉草 (柯智仁，2004；Lin et al., 2005；劉弼仁、林幸助，2018)。科學家透過無人機測量海草床的分布面積，並結合單位面積碳固定數據，估算整體碳吸收量。一般而言，每公頃海草床每年約可固定 3 至 5 公噸碳 (Lin et al., 2023)。

            當水深小於 200 公尺時，這些淺海區的碳儲存特性與深海不同。由於水層較淺，碳較難長期封存，尤其在冬季湧升流作用下，沉積物容易重新釋放至大氣中，形成動態循環。淺海藍碳的研究主要聚焦於植物性浮游生物，它們透過光合作用固定碳，同時也會將部分碳釋放至環境中。這些釋放的碳可分為溶解性有機碳 (dissolved organic carbon, DOC) 與顆粒狀有機碳 (POC)。這裡的概念可類比於麵粉或奶粉溶於水的過程。當這些物質完全分散至肉眼不可見的程度，即可視為溶解性物質。通常，小於 0.5 微米的碳顆粒被歸類為 DOC，而較大顆粒則屬於 POC。

            植物性浮游生物的光合作用過程中，大約 50% 的碳會以 DOC 形式釋放至環境，而非儲存在自身體內。例如，若一群浮游生物固定了 100 單位的碳，其中約有 50 單位經由植物細胞向外擴散、動物細胞之排泄作用或病毒之裂解作用，均會將光合作用固定之碳直接排入水體，成為溶解性有機碳。藍碳的固定與儲存是海洋生態系統的重要功能，而不同環境中的碳循環機制各具特點。未來的研究將持續探索如何更有效地量化與保護這些藍碳系統，以助力全球氣候變遷的緩解行動。

DOC與DIC，探索不停息

此外，在臺灣的藍碳研究中，還有一些值得探索的謎團。譬如說，浮游生物進行光合作用時，會釋放大量的溶解性有機碳 (DOC)，可以高達其光合作用產物的一半。這些DOC會有一部分透過物理運輸進入深海，另一部分則留存在表層，並被細菌分解產生無機炭，進一步參與碳循環。而在這些 DOC 中，大約 5% 屬於「難降解溶解性有機碳」 (refractory dissolved organic carbon, RDOC) (Chen et al., 2024)。這些 RDOC 幾乎無法被細菌分解，會以穩定的形式存在於海洋中，長達數千甚至數萬年，成為一個重要的長期碳儲存庫。然而，目前我們對這部分的了解有限，這也是近期研究的熱點。

            除了 DOC 外，另一個常常被忽視的碳組成是溶解性無機碳 (dissolved inorganic carbon, DIC)，這包括在前述碳循環中提到的重碳酸根 (HCO₃⁻) 和碳酸根 (CO₃²⁻) 等。目前的研究和監測大多集中於生物活動產生的顆粒性有機碳 (POC)；相對而言，無機碳雖然在海洋碳循環中扮演著重要角色，但其是否能長期儲存、並有效降低大氣中的碳含量，還需要更多的科學證據來支撐。

海能怎樣——海洋碳移除的挑戰與機會

隨著全球氣候變遷問題日益嚴峻，除了傳統的節能減碳，我們更要關注新興的碳移除技術。碳移除的技術有許多種，包括陸地上直接碳移除技術、碳埋藏、以及生物炭處理等方法，但這些方法多半存在規模過小的問題，然而海洋不一樣，廣大的海洋擁有無窮的潛力。目前，海洋碳移除的兩大主要方法為增強生物碳幫浦 (biological carbon pump)、或增強非生物碳幫浦 (abiotic carbon pump)。

圖二、海洋碳移除的挑戰與機會

 方法一、增強生物碳幫浦

1. 增強沿岸藍碳

   
   

增強沿岸藍碳 (coastal blue carbon enhancement) 是透過增加沿海的生物來吸收並固定大氣中的二氧化碳。具體的做法包括沿岸生態系統的管理與恢復，例如種植紅樹林、鹽沼植物或海草床等。由於這些生態系統的碳吸收效率遠超陸地森林，未來可期。

            儘管增強沿岸藍碳具備很高的可行性，但在實際操作中仍然面臨幾個挑戰。例如生態系統的有機物在無氧環境中分解時，可會產生甲烷，而如果氮循環受到干擾 (如過量施肥或排水變化)，可能會釋放氧化亞氮，這兩種都是一種比二氧化碳更強效的溫室氣體；其次，在某些地區，沿岸地區的土地使用競爭非常激烈，特別是漁業、旅遊業高度發達的區域；最後，由於沿岸土地的成本較高，這可能會進一步限制大規模碳移除項目的經濟性。臺灣作為海島型國家，沿岸大多已高度開發、居民眾多。若未來想運用這項技術，除了技術創新外，如何有效統整、規劃、利用我們有限的沿岸空間，才是未來發展的關鍵。

2. 大藻養殖

   
   

            大藻養殖 (macroalgal cultivation) 原理是利用大型藻類進行高效光合作用，吸收大氣中的二氧化碳，並將碳固定於生物體內。具體來說，大藻有兩種方式可以固定碳，第一是自然沉降，當大藻在生長過程中掉落的碎屑能沉降至深海時，這些碳將長期被埋藏；二是通過人工收割，將其加工成生物炭或進行深海埋藏，實現長期碳儲存。

            藻的生長速度快，可以迅速在生長過程中吸收大量的二氧化碳，且養殖技術較成熟，不過要透過大藻養殖達到固碳依然有一些要克服的挑戰。首要便是要如何「長期儲存」，若大藻無法長期沉降，則其分解過程可能會將已固定的二氧化碳重新釋放回大氣。其次，臺灣海域的營養鹽相對不足，大規模養殖可能耗盡表層營養鹽，從而對其他海洋生態系統造成影響。另一方面，養殖場域的選擇也面臨兩難，沿岸養殖的成本較低，但可能會影響沿岸生態，並且對居民生活造成影響；倘若轉向外海養殖，則可能大幅提高成本。最後，大量有機物沉降至深海可能會對深海生態系統帶來未知的影響。因此，大藻養殖進一步的技術研究和生態影響評估是必不可少的，在生態影響與經濟效益之間尋求平衡也是未來發展的關鍵。

3. 人工湧升

   
   

            海洋基本上為三層結構，表層海水陽光充足，對生物的生長提供了豐富的能量，但由於營養鹽不足，生物生產力較低。而深層海水則營養鹽豐富，但由於缺乏陽光，無法進行光合作用。當風力或地形作用使深層營養鹽被帶到表層時，植物性浮游生物便能在這些營養鹽的支持下快速生長，形成高生物生產力區域，這就是湧升現象的效果。

            所謂人工湧升 (artificial upwelling)，是指模仿自然的湧升作用，將深層富含營養鹽海水的帶到表層，藉此刺激植物性浮游生物的生長，藉光合作用將碳從大氣中移除。人工湧升技術的核心是透過機械設備模仿自然的湧升過程，將深層的營養鹽輸送至表層，以提高海洋的碳移除能力。然而，這項技術在實際應用中依然有許多挑戰。首先，科學家尚未完全了解表層與深層生態系統之間的相互作用，人工湧升技術的實施可能會改變海洋營養鹽的自然分布，對生態系統造成影響，這部分尚需進一步的研究與監測；再者，人工湧升所需的設備建設與維護成本十分高昂，而且技術尚處於實驗階段，尚未達到商業化運營的程度。

4. 人工施肥

   
   

除了人工湧升之外，海洋人工施肥 (ocean fertilization) 也是一種碳移除方法。這種方法主要針對高營養鹽、低葉綠素 (high-nutrient low-chlorophyll, HNLC) 海域，這些區域營養鹽含量高，但由於缺乏鐵元素，植物性浮游生物的生長受到限制。南極和北極等區域正是這種情況，這些地方缺乏鐵元素，但加入鐵元素後，能顯著促進浮游生物的繁殖，從而提高光合作用，吸收更多的二氧化碳。

            儘管海洋人工施肥能顯著提高浮游生物的生長與二氧化碳吸收能力，但仍然面臨幾個問題。首先，強行將缺乏的營養鹽或元素加入海域，可能會打破當地生態的平衡。其次，當大量浮游生物死亡後沉降到海底時，可能會引發海底酸化或缺氧現象，對海洋生態造成潛在風險。最重要的是，儘管人工施肥可以增加浮游生物的生物量，但這是否能有效地增加沉降到深海的碳量，仍然缺乏足夠的證據支持。

方法二、增強非生物碳幫浦

1. 海水鹼化

回到背景知識二，我們知道海水鹼化 (alkalinity enhancement) 是一種透過調 pH值來增加二氧化碳吸收的技術。此方法簡單來說，就是往海水裡加入鹼性物質，例如矽酸鹽，讓海水變得更「中性」或「微鹼性」，從而提升它溶解二氧化碳的能力。

            城市廢水處理可作為操作標的，很多都市排放的廢水偏酸，在排入環境前需要調整pH值以符合標準。如果在這個過程中加入適量的鹼性物質，就能一舉兩得：不僅讓排放水質合格，還能幫助海水吸收更多二氧化碳，減少大氣中的溫室氣體含量。這樣的技術，理論上可以成為全球減碳的一大利器。

            但事情沒那麼簡單。想讓海水鹼化發揮最大效果，需要精準控制添加的物質和劑量。加得太少，效果有限；加得太多，反而可能影響海洋生態，帶來意想不到的問題。此外，實際推廣這項技術的成本也是一大挑戰，鹼性物質的生產、運輸、投放，甚至後續監測，都需要大量資源。更重要的是，鹼化過程可能涉及天然礦物的開採，而這又帶來另一層環境影響。例如，開採礦石時可能破壞陸地生態，甚至釋放出某些對海洋生物有害的微量金屬。這些變數都需要更多研究，確保技術在減碳的同時，不會帶來新的生態風險。

            整體來看，海水鹼化是一個有潛力的減碳方案，但還需要進一步驗證它的實用性與長期影響。未來的關鍵，是找到一種兼顧環境與經濟可行性的方式，讓這項技術真正發揮作用。

2. 電解海水

   
   

除了海水鹼化，電解海水也是提升海洋碳吸收潛力的一種技術。當海水經過電解，陰極會產生碳酸根離子 (CO₃²⁻)，這些離子能與海水中的氫離子結合，從而提高pH值，進一步增強海水對二氧化碳的吸收能力。然而，要將這項技術應用於大規模碳移除，仍然面臨許多挑戰，包括高能耗、成本考量，以及電解過程所產生的高pH值副產物對海洋生態可能帶來的影響。

            首先，電解海水需要大量的能源，如何確保這些電力來自再生能源，而非化石燃料，將是決定這項技術是否真正有助於減碳的關鍵。如果能源來自傳統發電方式，碳排放的增加可能會抵消技術本身的減碳效益。此外，電解過程中可能會產生局部高 pH 值的區域，這些區域是否會對海洋生態系統，特別是對浮游生物或其他敏感生物造成不良影響，目前仍需要更多研究與監測數據來驗證。

海有藍碳，洋有乾坤

海洋碳移除的技術雖然前景廣闊，但目前的成熟度仍停留在探索與實驗階段。特別是像深海儲碳、大型藻類養殖等新興技術，依然處於較初步的發展期，需要更多的科學驗證與技術突破。海水鹼化技術的潛力雖大，但也必須克服成本與環境影響的挑戰，這些都使得未來的海洋碳移除技術仍充滿不確定性。

            展望未來，臺灣在發展海洋碳移除技術時，需要找到可行性與永續性之間的平衡。以技術成熟度而言，像是沿岸的紅樹林、海草養殖等方法可行性較高，但其排碳移除量的規模較小；而像海水鹼化及大型藻類養殖，雖技術成熟度中等，但未來可以發展規模可能最大。因此，在臺灣，未來可以優先考慮海水鹼化、大型藻類養殖、與海草的養殖。然而，無論選擇哪一種技術，均需要更多的研究與實驗來驗證其長期效果與可行性。唯有細心思考、謹慎規劃並穩健執行，才能將藍碳轉化為我們珍貴的資源，成為未來的寶庫。作為海島國度的人民，我們的命運與海洋息息相關，海洋交織了我們的過去，而藍碳或許將引領我們走向更美好、更遙遠的未來。

參考文獻

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• Friedlingstein, P., Osullivan, M., Jones, M. W., Andrew, R. M., Bakker, D. C., Hauck, J., & Peters, G. P. (2023). Global carbon budget 2023. Earth System Science Data, 15, 5301–5369. https://doi.org/10.5194/essd-15-5301-2023

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• 劉弼仁、林幸助 (2018)。東沙環礁海草生態相調查。海洋國家公園管理處計畫成果報告。https://www.marine.gov.tw/filesys/107/107%E6%9D%B1%E6%B2%99%E7%92%B0%E7%A4%81%E6%B5%B7%E8%8D%89%E7%94%9F%E6%85%8B%E7%9B%B8%E8%AA%BF%E6%9F%A5%E6%88%90%E6%9E%9C%E5%A0%B1%E5%91%8A.pdf

• Pravettoni, R. (2014). Ocean carbon cycle [The Natural Fix? The Role of Ecosystems in Climate Mitigation]. In GRID-Arendal. https://www.grida.no/resources/7559

• Zeebe, R. E., & Wolf-Gladrow, D. A. (2001). CO2 in seawater: Equilibrium, kinetics, isotopes. Elsevier.