CN101272984B - 隔离水性环境中的二氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了隔离水性环境中的二氧化碳的方法。在第一步中，评估区域以便确定该区域是否能够支持添加较高营养水平的生物体(OHTL)。接下来，将OHTL添加到该区域中以便产生足够快速沉降和难溶颗粒物(PM)，从而隔离高于在添加OHTL前存在的二氧化碳隔离水平的二氧化碳。优选由OHTL产生的PM以明显高于由生物碳泵中的其它成分产生的PM的速率沉降和/或以明显低于由生物碳泵中的其它成分产生的PM的速率发生生物降解。最终，对这种二氧化碳隔离水平的增加进行定量。本发明的方法还可以包括报告二氧化碳隔离水平定量增加的步骤。

Description

隔离水性环境中的二氧化碳的方法
                        技术领域
本发明一般涉及二氧化碳贮存。更具体地说，本发明涉及隔离水性环境中的二氧化碳的方法。
                        背景技术
地球资源的利用已经导致全球范围的环境问题，包括大气中二氧化碳(CO2)浓度升高和有生命的海洋资源的大量耗竭。作为土地使用变化和矿物燃料燃烧的结果，预测大气CO2水平仅60年就会加倍。预计CO2和其它温室气体的大气浓度的升高有利于大气中贮存更多的热量，从而导致表面温度升高和气候快速改变。气候改变的影响在经济上可能是高代价的并且对环境有害。降低气候改变的潜在风险将需要隔离大气CO2。
提出的俘获和贮存大气CO2的方法包括在地质结构中的贮存，注入深海和由通过海洋繁殖的浮游植物吸收。这些方法有限的能力和持续时间、昂贵和环境后果大量地未得到解决并且可能阻止其应用。
隔离大气CO2的在经济和环境上看似最合理的方式是增强天然沉降。天然选择方案可避免与工业化分离，俘获，压缩和贮存二氧化碳相关的成本，并且可减少可能对环境造成的不良副作用。天然方法提供了大容量的储器和替代来源于其中的碳的能力，即长期碳循环。加速森林生长为碳隔离的天然方法的一个实例，它对环境是良性的并且在适当控制下能够对可持续的林业采集提供价值增加的选择。最大的天然碳储器包括海水和海洋沉积物。
有机物从表层水流至深海洋对海与大气之间CO2的分配具有直接影响。一般而言，颗粒有机碳(POC)在再矿化前沉降得越深，它作为溶解碳返回至表层水所花费的时间就越长，在那里它可以重新进入大气碳循环。到达中间和深海的碳被来带在水团中，这些水团具有比在上部海洋中更长的返回至表面的流径和更小的平流水速度。海洋内部水的热盐换气按照在上游海洋中(约＜2km)每年与数百年间到在深海中(约＞2km)长达1000年不等的时间发生。录入地质记载的埋藏的碳将与大气隔离数百万年。因此，二氧化碳隔离的有效方法将会促进有机物从表层水流至深海。因此，在本领域中对为二氧化碳隔离目的而研发促进这一流动的方法存在需求。
                    发明内容
本发明提供了隔离水性环境中二氧化碳的方法。本发明基于本发明人的观察结果，即较高营养水平的生物体(OHTL)，诸如食浮游生物的鱼、食肉的鱼和海洋哺乳动物构成了非常有效和显著部分的生物碳泵，即在深海中隔离二氧化碳的生态机制。按照本发明的方法，首先评价某一区域以便确定该区域是否能够支持添加OHTL。接下来将OHTL添加到该区域中以便产生足够快速沉降和难溶颗粒物(PM)，从而隔离二氧化碳高于在添加OHTL前存在的二氧化碳隔离水平。最后，对这种二氧化碳隔离水平的增加进行定量。本发明的方法还可以包括报告二氧化碳隔离水平的定量增加的步骤。优选，加入天然产生比其它OHTL更快速沉降和难溶PM的OHTL，例如食肉的鱼。或者或此外，给OHTL饲喂增加快速沉降和难溶PM产生的膳食。例如，可以给食浮游生物的OHTL提供富含硅藻类而不是非骨骼OHTL的膳食。
优选OHTL产生的PM的沉降速率明显(即统计学显著地)大于由生物碳泵的其它成分产生的PM的沉降速率和/或生物可降解性明显(即统计学显著地)低于由生物碳泵的其它成分产生的PM的生物可降解性。优选OHTL产生的PM以至少约50md-1-至少约5000md-1范围的速率沉降。碳隔离水平优选明显超过由生物碳泵的其它成分隔离的水平。取决于许多因素，包括添加的OHTL种类，如何添加OHTL和添加区域的环境状态，碳隔离相对于该区域目前碳隔离水平优选被增加约50％以上-约5000％以上。
                        附图说明
本发明与其目的和优点可以通过阅读下列描述并且结合附图理解，其中：
图1例示了在正文中介绍的，描述与使用沉积阱观察衍生的流至深度的观察结果相比沉降颗粒有机碳(POC)的本发明的模型的结果。
图2显示了按照本发明通过营养泵对海洋和海洋沉积物中的CO2进行隔离的简化图解。
                        发明详述
区域评估
添加OHTL的区域根据OHTL的自然地理分布区确定并且对每一OHTL具有特异性。该区域的地理范围取决于各种因素，包括添加的OHTL的扩散模式，环境因素(例如海洋学和气候)以及其它物理、化学和生物因素。某些OHTL保留在地理受限和不同的环境内，某些在随季节变化的环境与生物发育之间移动，而某些跨越较大的距离捕食。
无论海洋区域是否适合于OHTL添加，隔离CO2都取决于许多因素。将OHTL添加到某一区域必须以生态合理的方式进行。必须确定该区域在OHTL的物理，化学和生物容许限内。可以影响生物体存活的物理因素包括光利用率、温度、盐度和自然污染。可能超过OHTL的生理容许限的化学因素包括氧减少和各种形式的污染。生物因素是来自生物体群落内的影响并且包括营养转移的强度、聚集、捕食、食草、寄生现象、侵袭物种和对氧的竞争。需考虑的额外因素包括OHTL在该区域水文状况内的时间选择和定位。特别地，从每日的，到季节性的，到长期气候现象(例如厄尔尼诺现象)的规模添加OHTL的时机可以显著影响OHTL存活和CO2隔离的潜力。例如，对每日生物循环的考虑可以有助于缓解过早捕食的压力。对于水文状况应给予类似的考虑。例如，对季节性海流的处理可以显著影响依赖于OHTL被平流输送入环境的生态学状态的幼年OHTL存活的潜力。
必须通过确定相关参数值发现适合于CO2隔离的区域，包括水深、海底地形和生物、化学和物理海洋动态，诸如水柱碳酸盐化学和生物活性、底层水溶解氧和底栖生物群落组成。这些参数值根据添加的OHTL和它们所属栖息地类型的不同而改变。例如，来源于将远洋OHTL添加到上升流区域的CO2隔离因水深而得以促进，该水深足够大至维持与相对于具有向上流的滨岸水底流的较浅区而言的海上水底逆流。类似地，将OHTL添加到海底溶解氧浓度处于缺氧水平的区域相对于非缺氧区域而言会显著促进沉积碳隔离。优选海底耗氧量在至少约0.3mol O2m-2yr-1-至少约0.9O2m-2yr-1。添加的OHTL的生命周期可以影响区域选择，因为生物体可以在生长过程中的不同环境之间迁移。
栖息地恢复(例如建立海产储量，除去水坝和其它改善水质和生态健康的措施)进一步促进OHTL存活和相关的CO2隔离。区域是否适合于栖息地恢复或OHTL添加的其它间接方式取决于许多因素。可能需要评估该区域的生态史以便确定恢复活动的适当性。此外，通过OHTL促进CO2隔离的足可支撑储备的建立可能需要评估提出的储量大小和形状，所需的处理程度，邻近栖息地的环境卫生，关注的OHTL的运动和社会人为压力(例如养殖、政治和经济因素)。
OHTL的添加
如此加入有效隔离二氧化碳的OHTL适当量取决于各种因素。如果加入过少的OHTL，群落不能维持其自身并且繁殖受限。添加过多OHTL可能促进环境应激，导致种群碰撞。应优化OHTL的数量以便维持环境的承载能力。
用于将OHTL加入到区域中的方法部分取决于添加的OHTL的性质。相关OHTL特征包括年龄、大小、摄食活动、募集成功、扩散模式和进行的生态作用。例如，老龄和较大的OHTL较不易于捕食且由此可以加入到广泛的环境中。添加OHTL的直接方法包括OHTL水产养殖(例如孵化所生长的幼年群)和随后在海洋和相邻环境中释放(例如河口和河)以及将募集丧失减少到最低限度的尝试。可以以地理和暂时分开的方式进行添加以便限制OHTL竞争并且促进募集成功。可以将OHTL加入到围起来的海域中。OHTL的间接方法包括采取限制OHTL捕捉、促进OHTL生长和除去OHTL生长阻碍的措施。实例包括栖息地恢复(例如产卵和交配场地的恢复)，建立海洋储量，减少污染(例如植树和除去流域面积中的道路以减少径流)，改善水质，除去水坝和堰，减少鱼业压力，改变管理和销售业务，使用营养物丰饶海洋，否则就促进OHTL募集，生长和耐力和减轻OHTL相关压力。
可以通过促进足可支撑性，营养转移和产生难溶和快速沉降PM(例如给食浮游生物OHTL提供富含硅藻类的膳食而不是非骨骼浮游植物)来促进OHTL相关CO2隔离的优化。提供食骨骼或软骨物质的OHTL还可以增加难溶和快速沉降PM的产量。还可以通过提供能够更有效从主要产生者中进行营养转移来优化CO2隔离。实例包括觅食恒温动物，诸如金枪鱼，它们具有维持高速和体温所需的提高的能量需要。
优化可以包括在添加的OHTL状态方面进行研究(例如丰度和应激物)。对生态系统健康和隔离效率进行监测考虑到了改变OHTL添加策略并且进一步优化CO2隔离程度。监测可以包括与CO2隔离效率相关的生物指示剂(例如评价总体密度、大小、生物量、生物多样性和质量以及生物体的废物产生量)、隔离效率的环境指示(例如上部海洋湍流度、阳光辐射度、水温、污染和其它应激物的评估)和生物地球化学指示剂(例如OHTL相关输出、至深度的流量、至海底的流量和地质储量的评估)。可以通过针对完整的生态系统恢复的尝试进一步促进优化。
通过OHTL进行二氧化碳隔离的定量
用于测定OHTL相关CO2隔离的方法部分取决于OHTL的类型以及如何添加它们。例如，对与居留于湖泊、海岸和开放的海洋环境中的OHTL相关的CO2隔离的定量可以各自考虑到不同的测定技术。向区域直接添加OHTL能够利用标记追踪OHTL发育和环境史，且由此更精确地预测碳隔离。通过栖息地恢复间接添加OHTL可能需要更大程度的生态系统规模的监测以便测定碳隔离。
由于天然系统的复杂性，所以OHTL相关CO2隔离的直接野外测量是困难的并且目前使用的工具在操作和理论上受到不同程度的限制。用于直接测定CO2隔离的技术包括对生物地球化学和碳酸盐系统进行定量，诸如对空气-海CO2交换、化学转化和至深度的流量和沉积的PM流量进行定量。
可以使用适当的生态系动态的知识评估OHTL相关CO2隔离。重要的生态系统成分包括OHTL观测、初级生产量、营养转移效率和生物量、至深度的流量和沉积。例如，可以看到OHTL输出量为初级生产量、营养转移效率和OHTL生物量的函数。方法的选择取决于种类生物学和生态作用、所需的时间比例和使用的区域。
OHTL相关CO2隔离的定量可以包括在野外和或实验室环境下进行实验。定量可以进一步包括将基于野外和实验室的结果并入不同复杂性的模型和数值模拟。
野外实验可以包括对OHTL相关群体动态、初级生产量、营养转移和输出量、至深度的流量和颗粒物至海底的流量的定量。基于野外的试验可以包括或不包括围绕物(例如笼和中型实验生态系)。可以使用大量方法对OHTL生物量进行定量，包括转换机制、声纳、录象、拖网、钩和通过空气定位。还可以使用渔业贮存和募集评估方法对OHTL生物量进行定量。这类方法包括直接调查渔业活动(例如搜寻时间、设网的数量、渔业活动频率、抛投物的数量、操作的数量)、独立的调查(例如电话调查、线路入口点的拦截、瞬时巡回的船计数、所在地的入口计数、航海日志数据、来自商业和娱乐渔业的数据)、统计学方法和生态和渔业模拟。可以使用大量方法确定释放的OHTL源，包括标记、安装无线电发报机、读标、耳砂形态、地球化学(例如耳砂痕量元素、稳定的同位素和其它化学示踪物)以及天然和标记的遗传或分子分析(例如mtDNA分析)。
还可以将野外实验用于确定OHTL衍生的颗粒物和表层水、海洋中层水、深水、海底沉积物的生物、化学和物理状态和与OHTL衍生的颗粒物相关的微环境之间的相互作用。
用于测定初级生产量的方法包括不同技术的放射性碳测定年代法，确定在光合作用过程中释放的氧量，确定存在的功能性叶绿素的量和量热法。还使用海水的光学特性，通过不同的荧光方法确定初级生产量，包括可潜入水中的原位荧光计和遥感。可以使用库耳特计数器测定细胞和颗粒数和大小。利用藻类和细菌的暗碳固定也可能需要定量。
用于确定碳从表层水中输出量的方法包括234Th法，质量平衡和新生产量的估计。主要使用系泊的，漂浮的和中立有浮力的沉积阱表征至深度的流量。额外的方法包括大体积过滤，丰度透射计，图象分析(例如摄影和激光)，放射产生的技术(例如使用234Th缺乏的钍模型化和测定的流量；使用C/234Th比的颗粒有机碳流量的234Th衍生的估计值；铅和钯的放射产生的同位素)，氧和其它元素的质量平衡和与沉积累积率比较。异养生物活动也影响至深度的流量的估计值并且可能需要定量。
到达脱离再矿化和早期成岩的海底的流量实际上会得到永久性隔离。用于对早期成岩过程中的分解和转化率进行定量的直接方法包括测定电子受体的消耗或还原产物形成(在可应用处的孔隙水和底层水中(例如氧耗量、反硝化、铁还原、硫酸盐还原、甲烷产生、氢产生)、再矿化产物产生(例如铵产生)和有机物再矿化(例如乙酸盐氧化、短链有机酸氧化或发酵、通过表面还原的乙酸盐氧化、氨基酸氧化、细菌的葡萄糖摄取、甲烷氧化、藻腐屑的再矿化、细菌聚合物、POM的再矿化)。间接方法包括电子受体的消耗(例如氧耗量、硫酸盐还原)、再矿化产物产生(例如总二氧化碳和铵产生)和有机物的分解(例如总体有机物分解、有机氮和磷再矿化、可水解氨基酸的总体分解)。可以通过各种方法测定细菌丰度，包括表面荧光显微镜检查、氚化胸苷滴定法、氚化腺嘌呤法和计数分裂细胞的频率。定量早期成岩的额外技术包括腐殖物质的定量和分子指示剂，诸如脂质、脂肪酸、环三萜系化合物和其它OM级分(例如类固醇和类何帕醇(hopanoid)化合物)、烃类、脂质(游离和结合的)和色素。如果合适，所用的方法可以表征可应用处的孔隙水、底层水和沉积物。应用的工具包括孵育芯和罐、海底流量室、同位素稀释、放射性示踪剂(例如14CO2、14CH4和15NH4)以及元素浓度模型。生物扰动代表了可能重要的沉积途经并且还可以得到表征。
可以通过对掺入微生物和其它消耗者的颗粒物、胞外酶促活性、再矿化溶解产物产量和颗粒物的消耗进行定量来测定颗粒废物再矿化率。应用的技术可以包括使用光，荧光和扫描以及发射电子显微镜检查，分子探针，放射产生和稳定同位素表征和有机化合物(例如脂质、碳水化合物和蛋白质含量)和巨量元素地球化学分析。可以使用精确模拟天然湍流所需的不同复杂性的沉降管和仪器测定沉降率。在评估再矿化和沉降率时，必须考虑到微量湍流和粘度的影响。
测定不同储器、肠和组织、水柱和沉积物中OHTL衍生的PM的起源，营养转移和转化对定量OHTL相关CO2隔离而言是重要的。方法包括分析分子生物标记(例如粪甾醇)、巨量稳定同位素(例如δ13C和δ15N)、分子水平同位素、元素比(C/N和C/P)、显微组成鉴定、微量元素地球化学、氨基酸N、磁共振(例如13C和31P)、腐殖物质的分光荧光和放射产生的同位素分析、蛋白质测序和遗传物质提取。可以通过包括稳定氮同位素的技术估计营养转移的效率。
在野外这类装置的运用和这类方法的实施可能需要以为表征OHTL的活动而特别设计的方式进行。例如，来源于觅食OHTL的沉降颗粒物不易于用传统的水柱(例如系泊的沉积阱)和沉降(例如盒芯取样)技术表征。可能需要进行OHTL特异性观察(例如在捕捉觅食OHTL的饲料和废物产量的具体水团前的测量值)。例如，实验可以包括跟踪OHTL以记录它们的原位生物能学和生物地球化学活动。因此，定量优选使用在针对比OLTL更不均匀空间分布的OHTL方面设计的技术。
实验室实验可以包括定量在野外不易于测定的OHTL相关CO2隔离动态。这类参数可以包括OHTL相关生物能学和生理动力学(例如饲喂效率和比例、代谢速率、生长、再生以及固体和液体废物产量)和废物(例如粪粒和溶解物产生)的表征。实验室实验可以用于测定涉及OHTL特异性代谢需求、摄入质量、摄入数量、排泄质量、排泄数量和固体和溶解物的排泄质量和固体和溶解物的排泄数量的参数。
OHTL相关CO2隔离的定量可以包括基于野外和实验室的观察结果合成为不同复杂性的数值模拟。数值模拟可以包括经验算法，灵敏度分析，基于物理学的模型化，生物能学模型化和生态系统和环境相互作用模型化。模型可以并入环境数据，诸如阳光辐射度、湍流度、混合、涌流、水深、水温、密度、生物群落组成(例如生产者和食腐质者)和溶解营养物的浓度以及有生命的和腐质的颗粒物。例如，通过直接添加OTHL衍生的CO2隔离可以通过将OHTL生态系统(例如群落存活和再生成功)、生物能学(例如生长、身体大小和饲喂速率和组成)、生物地球化学(例如颗粒废物质量和数量)、物理学(例如湍流度和粘度对颗粒沉降速率和再矿化利用率的影响)和环境(例如水深、湍流度和温度)动态的估计值合并入数值模拟进行定量，所述的数值模拟将个体OHTL与其CO2隔离特征容量建立相关性(例如野外和实验室测定的营养转移效率和相关颗粒废物沉降和再矿化速率)。类似地，因通过栖息地恢复进行OHTL添加的间接方法导致的CO2隔离可能需要更多地考虑到环境条件和生态系统的相互作用。优选数值模拟基于各初级生产者的大小、表层水的粘度、表层水的湍流度和表层水内的小颗粒滞留中的至少一种。
增加的二氧化碳隔离的报告
可以按照许多方式进行报告。将报告打印在纸上或另一种基材上或作为数字数据贮存在磁盘数据或光学数据上。该报告可以表征隔离的CO2量，所用的具体技术以及水柱和海底条件。该报告可以包括隔离的CO2量的信誉。
OHTL介导的二氧化碳隔离的理论基础
尽管本发明并不限于特定的理论，但是下文描述了本发明可能的理论基础。可以根据饲喂相关性将海洋生物体分类入营养水平。例如，浮游植物为主要生产者并且构成了营养水平一(TL1)；以浮游植物为食的浮游动物构成了营养水平二(TL2)；以浮游动物为食的鱼构成了营养水平三(TL3)等。较高营养水平的生物体(OHTL)为那些高于一的营养水平的生物，诸如食浮游生物鱼、肉食性鱼和海洋哺乳动物。预先认为浮游植物为生物泵中最决定性的部分，因为它们构成了海洋表面上生物量的最大部分。然而，本发明者已经发现，尽管OHTL对海洋表面上生物量的贡献相对较小，但是它们构成了生物泵的高效和重要部分。测定OHTL衍生的PM在碳隔离中的作用的第一个步骤在于研发PM再矿化的新分类方案。海洋PM由颗粒的连续体组成，它们各自具有独特的特征，包括大小、沉降率和再矿化利用率。可以将影响沉降PM再矿化的属性和过程分类为对颗粒而言本地的或外来的。将本地的特性定义为那些颗粒在沉降时携带它的特性。颗粒的本土特性包括沉降率、物理紧密度或密度、颗粒组成(例如二氧化硅、碳酸盐和有机成分贡献)、物理防护层(例如硅藻骨骼材料和粪便物周围的黏液)和不稳定性(例如难溶性和不稳定性有机化合物)。这些特性影响颗粒腐解的不同过程，诸如物理崩解、化学腐败(例如酶促分解)和微生物消耗。相反，将外来的腐解过程定义为那些涉及在发生沉降时发现颗粒的环境力的过程。这些力包括水的物理动态(例如作为温度函数的酶促腐解作用)、水化学(例如作为温度和压力函数的碳酸盐分解)和异养生物体的消耗速率。本地的或外来的过程彼此在连续阶段起作用以便有利于再矿化(例如新鲜的PM产生，寄居有微生物，由浮游动物消耗和排泄，再寄居微生物等)。
为了测定本地的或外来的属性和过程在PM再矿化中的作用，通过下列等式模拟沉降PM的质量：
FZ(t)＝FZ(t-1)-D本地的-D外来的(等式1)
其中t＝从颗粒输出低于表层水起的持续时间(天数)；
FZ(t)＝当前时间步骤(t)过程中碳向深度z(t)的流量(质量/面积/天)；
FZ(t-1)＝在先时间步骤(t-1)过程中碳向深度z(t-1)的流量(质量/面积/天)；
D本地的＝因时间步骤(t-1)与(t)之间的时段过程中的本土腐解过程(质量/质量)导致的颗粒碳丧失；
D外来的＝因时间步骤(t-1)与(t)之间的时段过程中的外来腐解过程(质量/质量)导致的颗粒碳丧失。
因为沉降PM的年代和深度增加，所以沉降PM的质量就沉降颗粒而言以等于本土和外来的腐解过程的总和的速率下降。在构成等式1的参数中，D处来的为受到观察结果的充分约束程度最小。重排等式1允许使用沉降PM的平均速率、FZ和D本地的的观察评估值测定D外来的：
D外来的＝FZ(t-1)-FZ(t)-D本地的(等式2)
来自文献中的海洋PM的平均沉降速率的通常引述的值为150md-1。该值用于测定每一时间步骤之间的深度差异(z(t-1)-z(t))。已经使用沉积阱测定了沉降PM的至深度的流量(FZ)。沉积阱为以与雨量计类似的方式操作，从而在颗粒沉降时收集到它们的圆锥形结构。沉积阱测量了从已知深度，位置和期限采集到的沉降PM的质量。从沉积阱实验中得到的结果一般报告了整批物质(例如总碳)的观察结果且由此反映出完整的生物泵。流量与深度之比随水深的增加而下降并且在海洋区域之间改变。对用于该模型中的碳至深度的流量(FZ)的观察结果由Lutz(Lutz，M..J.等，2002，Regional variability in thevertical flux of particulate organic carbon in the ocean.GlobalBiogeochemical Cycles 16(3)，1037)和Suess(Suess等，1980，Particulate organic carbon flux in the oceans-surfaceproductivity and oxygen utilization，Nature，288，260-263)提供。本土再矿化速率(D本地的)反映出不稳定物质与难溶性成分相比成比例丧失。4％m d-1的值用于与来自文献中的速率近似。使用上述获得的值的模型结果表明D外来的可以由下列指数式衰减等式描述：
D外来的＝a*指数(-b*t)(等式3)
其中a＝0.505且b＝0.000133。参数a和b表征了沉降PM的平均批量碳的D外来的。D外来的随着水深和从颗粒输出起的时间增加呈指数下降与水深增加时异养活性降低一致。这种模型表明D外来的在沉降颗粒腐解中占优势，其数量为500-1500m之间深度的D本地的的4-6倍。因为D外来的明显大于D本地的，所以有利于PM快速转移至深部海洋和沉积物的过程由此可以显著降低PM在上部水柱中再矿化的可能性。
生物泵隔离深海和沉积物中碳的能力受初级生产量，OHTL接受的初级生产级分(即营养转移效率)和由每一营养水平产生的PM的沉降和再矿化速率影响。营养转移效率取决于食物质量、消耗者的生理学(例如活动)和与食物相比消耗者的丰度。不稳定食物更易于消耗和同化。因为浮游植物相对不稳定，所以它们与有效营养转移相关。因此，据估计前两种营养水平之间的营养转移为60％-99％(Chapin，F.S.等，2002，Principles of terrestrial ecosystem ecology.Springer-Verlag)。此外，消耗和同化效率取决于浮游植物种类的组成。大于二的营养水平之间的营养转移一般在10％-25％的范围。这一范围反映出不同生产能力的海洋区域与它们所支撑的生态系统之间的可变性。此外，某些OHTL的生理学要求表明营养转移增强(例如维持觅食恒温动物，诸如金枪鱼的高速和体温所需的能量需求提高)。使用营养转移值的估计值与等式一、二和三，上述模型用于模拟来源于营养水平二、三和四的生物泵的PM的流量与深度相比的平均效率(图1)。导出了至深度的流量的估计值，推定了初级生产量为1000mg C m-2d-1。该估计值使用了营养水平一与二之间75％和较高营养水平之间18％的营养转移效率。使用沉积阱观察结果(如上所示；分别为150m d-1和4％d-1)估计营养水平一(即植物腐殖质)的沉降和本地再矿化速率。因为沉积阱观察可以包括来源于其它营养水平的物质，所以将其推定为最大估计值。沉积阱观察更可能是较低营养水平的代表，其地理分布更均匀。在营养水平增加时，据估计沉降速率增加2 1/4/营养水平倍并且据估计本地再矿化率减少0.5％d-1/营养水平。如上所述估计外来的再矿化(等式3)。
在图1中，实线210和220分别表示来自全球不同区域的至深度的流量观察结果的最小值和最大值(Lutz等，2002)。实线230表示至深度POC流量的观察结果的总体平均估计值(Suess等，1980)。星号240代表用于测定外来腐解速率的上述至深度的流量模型的结果(等式1，2和3)。虚线和点线250，260和270分别表示来源于第二，第三和第四营养水平的至深度的平均POC流量估计值。
这种模拟表示在营养水平增加时，来自每一营养水平的输出量下降并且至深度的流过效率增加。图1表示达到来源于营养水平二(250)的深度的流量接近区域估计值的最大值(220)，并且达到来源于营养水平三(260)的深度的流量接近沉积阱观察结果的平均值(230)。达到生物泵的OHTL相关部分的深部海洋(在3000m)深度的流量，即营养水平二、三和四的总和为从表层水输出的40％(即在150m的流量)和8％的初级生产量。如果营养转移更有效，如在海岸和上升流区域中(即营养水平一与二之间的90％和较高营养水平之间的25％)，那么达到来源于泵的该部分的深海的流量效率达到输出量的50％和初级生产量的10％。流至OHTL衍生的颗粒物的深度的流量效率的理论最高限度为100％的输出量，这一结果可以在PM在1天中沉降的距离接近水深时出现。
上述模拟提示在较高营养水平下，至深度(随着沉降速率增加和再矿化速率下降)的流量和埋藏(随着再矿化速率下降)更有效。这一结果因许多原因而是正确的。如果颗粒过小，那么它们不可能脱离混悬。沉降颗粒越大，则其下降得越为快速。OHTL产生大尸体，在海洋中的最大颗粒中，它们快速沉降至海底。OHTL还产生大的快速沉降的粪便物(颗粒)。因此，OHTL衍生的颗粒的沉降速率一般高于较低营养水平的那些颗粒的沉降速率。OHTL衍生的PM快速通过水柱可以显著降低其上部海洋(约＜1.5km)内异养生物消耗利用率和再矿化并且增加了它在再矿化发生前达到深海(约＞1.5km)和沉积物的可能性。
另一种可以提供更有效至OHTL衍生的PM的深度的流量和埋藏的因素在于OHTL衍生的PM比其它沉降PM的难溶性。这可能是各种原因所致。OHTL产生致密的抵抗物理崩解和化学和生物腐解的粪粒。这些粪粒上可能覆盖有黏液，从而进一步抑制了腐解，并且可以成形以便促进下降。此外，肠通道显著减少了浮游植物衍生的腐屑的量，因为更不稳定物质被吸收；摄入的量远低于排泄的量。
类似地，废物的不稳定性可以在营养水平增加时下降。因为在饲喂过程中，优先除去食物的不稳定成分，OHTL产生具有低于其食物来源(例如异养生物粪粒与植物腐殖质)的营养价值的废物PM。例如，以植物腐殖质为食的异养生物(例如浮游动物和食浮游生物者)产生比以浮游动物为食的浮游动物和肉食动物更不稳定的废物。OHTL还产生了在死亡时抗腐解的难溶性细胞和身体成分(例如骨和鱼鳞)。消耗者的生理学需求也可以影响排泄的PM的不稳定性(例如因高生物体能量需求所致)。
如上所述，模拟提示生物泵的OHTL衍生的部分产生更易于埋藏的颗粒物。因此，可以将这部分的生物泵加入到陆界的长期碳循环中。如上所述，再矿化速率一般随营养水平的增加而下降。因此，OHTL产生的PM被海底生物再矿化的可能性较低。因为大部分再矿化发生在海洋沉积物的上部10cm内，所以随着沉降速率的增加，腐解作用的利用率下降。因此，上述与OHTL相关的高沉降速率促进了富含有机碳的沉积物埋藏。此外，如果OHTL衍生的有机物足够快速地累积，那么海底氧浓度开始达到进一步限制海底异养生物活动的水平。此外，当水深增加时，OHTL与非OHTL衍生的PM之比增加。因此，OHTL衍生的PM的比例量就沉降在海底的PM而言高于从表层水输出的PM。因此，OHTL衍生的PM更可能被保存在沉积物中。如上所述，与其它沉降在海底的PM(例如植物腐殖质)相比，OHTL衍生的PM更难溶。因为OHTL衍生的PM对海底消耗者而言的营养价值较低，所以它更可能被保存在沉积物中。因此，通过许多方式，受OHTL影响的生物泵的部分代表了导致在深海和沉积物中更有效地碳隔离的部分。
使用如上所示的等式1进行的模拟导致理解了本文定义为营养泵的OHTL相关的海洋的源于生物的碳循环的高效成分(附图2)。营养泵描述了OHTL如何产生相对难溶性的源于生物的颗粒物，它们快速沉降并且避免了浅水再矿化，因此，贡献了长期海洋碳储量和在陆界中的埋藏。在图2中，圆圈110代表营养水平1(TL1)，圆圈120代表营养水平2(TL2)且圆圈130代表营养水平3(TL3)。圆圈代表每一营养水平内的生产力和再循环。箭头140表示由大气144与海洋146之间的分压梯度驱动通过大气-海洋界面142的CO2流量。箭头150表示碳流，因为它使前三种营养水平上升。箭头160，162和164表示分别从表层水166通过输出深度基底(即流量形成过程中透光层和混合层深度的最大值)169到达深海168的来自营养水平一、二和三的碳输出量。箭头170，172和174表示分别从营养水平一、二和三至深度的颗粒碳流。箭头180，182和184表示在分别来源于营养水平一、二和三的颗粒碳深度处的再生。箭头190表示到达海底192的碳流。箭头194表示在沉积物196中埋藏的碳(即未由海底和早期成岩过程再矿化的碳)。箭头200表示到达表层水再生营养物的移流恢复。营养泵表示通过较高营养水平循环的碳比通过较低营养水平循环的碳更可能被长期隔离。这种差异是因为OHTL相关颗粒碳(例如粪便物质)一般比OLTL相关碳更难溶且沉降得更快速。OHTL相关碳由此在更深的水深度被再矿化并且更易于掺入沉积物而在地质上被贮存。
本发明所述的用于碳隔离的方法并不限于海洋。本发明同样应用于所有水栖OHTL(例如淡水和半咸水)以及海洋OHTL。
本发明所述的方法会促进某些污染物质、化学化合物和元素以及碳的隔离。例如，生物富集产生某些元素和化学物质(例如重金属、PCB和DDT)以便集中在OHTL组织中。本发明会促进这些污染物质作为OHTL产生的颗粒废物或作为沉降尸体从表层水中除去。
本发明所述的方法还可以强化初级生产量。OHTL快速和有效地使营养物再循环。OHTL产生的废液比由其它分解者(例如细菌)产生的废液更易于被某些初级生产者利用。此外，OHTL恢复至它们在历史上曾经被除去的环境中可以有助于生态系统更自然和健康地执行。
正如本领域技术人员所知，可以进行各种改变，替代和变更或在不脱离本发明原理的情况下以其它方式实施。因此，本发明的范围应由如下权利要求及其法定等效方案来确定。

Claims (20)

1.隔离水性环境中的二氧化碳的方法，包括：
a)评估所述水性环境中的区域，以便确定所述区域是否能够支持添加OHTL；
b)确定所述区域的适当地理范围，其中所述的确定基于所述添加的OHTL的扩散模式，环境因素，物理因素，生物因素和化学因素中的至少一种；
c)将OHTL添加到所述的区域中以便产生以明显高于由生物碳泵中的其它成分产生的颗粒物的速率沉降的颗粒物和/或明显比由生物碳泵中的其它成分产生的颗粒物更难溶的颗粒物，其中所述颗粒物的产生足以增加的二氧化碳隔离高于目前在所述区域中二氧化碳隔离水平；和
d)通过测量法对所述区域中的二氧化碳隔离的所述增加进行定量，
其中，所述的OHTL为鱼、海洋哺乳动物或海洋爬行动物。
2.如权利要求1中所述的方法，进一步包括报告所述定量的增加。
3.如权利要求2中所述的方法，其中所述的报告进一步包括报告用于二氧化碳隔离的技术，水柱条件，表面条件或海床条件。
4.如权利要求1中所述的方法，进一步包括对所述的OHTL提供膳食，它有助于所述的OHTL产生快速沉降和难溶的颗粒物。
5.如权利要求4中所述的方法，其中所述的膳食富含促进难溶颗粒废物产生的成分。
6.如权利要求4中所述的方法，其中所述的成分包含硅藻类、软骨物质或骨骼物质。
7.如权利要求1中所述的方法，其中所述的评估包括确定所述的区域是否在所述的OHTL的物理，化学和生物容许限内。
8.如权利要求1中所述的方法，其中所述的评估包括确定与二氧化碳隔离相关的参数值，其中所述的参数包括水深、海底地形、生物动态、化学动态、温度、海底溶解氧、水文地理状况和物理海洋动态中的至少一种。
9.如权利要求1中所述的方法，其中所述的添加包括将OHTL直接添加到所述的区域和诱导OHTL迁移至所述区域或在所述区域中繁殖中的至少一种。
10.如权利要求1中所述的方法，其中所述的OHTL为食肉的。
11.如权利要求1中所述的方法，其中优化添加量，以便维持环境中的承载能力。
12.如权利要求1中所述的方法，其中所述的定量包括直接野外测量、实验室实验、野外实验、基于生态系动态的评估和数值模拟作图中的至少一种。
13.如权利要求12中所述的方法，其中所述的数值模拟基于各初级生产者的大小、表层水的粘度、表层水的湍流度和表层水内的小颗粒滞留中的至少一种。
14.如权利要求1中所述的方法，其中所述的定量包括如下步骤中的至少一种：定量与OHTL相关的群体动态；测量颗粒物的输出量；定量颗粒物到达深度的流量和到达海底的流量；测量初级生产量；确定来自表层水的碳的输出；定量早期成岩作用；表征生物扰动；确定OHTL衍生的颗粒物的起源和生物地球化学变换；和对与OHTL相关的二氧化碳隔离动态进行定量。
15.如权利要求1中所述的方法，其中所述的定量包括测定OHTL特异性生理和生物起源相关性，其中所述的确定包括确定描述OHTL特异性代谢需求、摄入质量、摄入数量、排泄质量、排泄数量以及固体和溶解物的排泄质量和固体和溶解物的排泄数量的参数中的至少一种。
16.如权利要求1中所述的方法，其中所述的定量包括确定OHTL衍生的颗粒物与如下的生物、化学和物理状态中的至少一种之间的相互作用：a)表层水；b)海洋中层水；c)深层水；d)海底沉淀物；和
e)与所述的OHTL衍生的颗粒物相关的微环境。
17.如权利要求1中所述的方法，其中所述的定量包括考虑到OHTL的空间分布比OLTL的空间分布更不均匀而设计的技术。
18.如权利要求1中所述的方法，进一步包括在所述的添加后对OHTL生物量进行定量。
19.如权利要求1中所述的方法，进一步包括采取措施以便在所述的区域供养所述的OHTL，其中所述的措施包括限制OHTL捕获，促进OHTL生长或除去对OHTL生长的阻碍。
20.如权利要求1中所述的方法，其中所述的添加以地理和时间的分布的方式进行。
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