DOI: https://doi.org/10.5194/bg-23-3735-2026
تاريخ النشر: 2026-06-05
المؤلف: Prima Anugerahanti وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا النباتات البحرية والساحلية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة إمكانية زراعة الطحالب الكبيرة على نطاق واسع كاستراتيجية لإزالة ثاني أكسيد الكربون البحري (mCDR) باستخدام نموذج الكيمياء الحيوية البحرية NEMO-MEDUSA. تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن أن تعزز زراعة الطحالب امتصاص CO$_2$ من الهواء إلى البحر بنسبة تصل إلى 11.0 Pg C yr$^{-1}$، فإن حوالي 27% فقط من هذه الزيادة تتحول إلى إزالة فعالة لثاني أكسيد الكربون. تسلط الأبحاث الضوء على العواقب الكيميائية الحيوية الكبيرة، بما في ذلك انخفاض بنسبة تقارب 50% في كتلة الفيتوبلانكتون والزووبلانكتون بسبب تغير ديناميات المغذيات، فضلاً عن انخفاض عالمي في مستويات الأكسجين في قاع البحر بنسبة 20.3%، مما يؤدي إلى ظروف نقص الأكسجين في 7.9% من قاع البحر.
تؤكد الدراسة على أن فعالية زراعة الطحالب حساسة للغاية لمجموعة من العوامل، بما في ذلك توفر الحديد، مع ملاحظة انخفاض حاد في الإنتاج (يصل إلى 74%) عند عدم إضافة الحديد. تشير هذه النتائج إلى أن زراعة الطحالب الكبيرة على نطاق واسع قد لا تكون حلاً مستقلاً قابلاً للتطبيق لإزالة ثاني أكسيد الكربون بسبب كفاءتها المتواضعة في إزالة الكربون والتكاليف البيئية الكبيرة. يدعو المؤلفون إلى اتباع نهج متنوع لاستراتيجيات mCDR، يتضمن طرقًا مثل تعزيز قلوية المحيط (OAE) واستعادة النظم البيئية الساحلية، مع التأكيد على الحاجة إلى مزيد من البحث في قيود المغذيات والتأثيرات البيئية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الاعتراف المتزايد باستراتيجيات إزالة ثاني أكسيد الكربون (CDR)، لا سيما من خلال الأساليب البحرية مثل زراعة الطحالب، كأمر أساسي لتحقيق الأهداف المناخية العالمية بعد اتفاقية باريس. تُعرف الطحالب بكفاءتها في امتصاص الكربون غير العضوي المذاب (DIC) بسبب نسبة الكربون إلى النيتروجين (C:N) المواتية لها، وتقدم فوائد بيئية مشتركة مثل توفير المواطن، وتخفيف الإثراء الغذائي، وبدائل محتملة للمنتجات كثيفة الكربون. ومع ذلك، تركز التطبيقات الحالية بشكل أساسي على إنتاج الغذاء والفحم الحيوي، والتي لا توفر تخزينًا طويل الأمد للكربون، حيث يتم عادةً إعادة الكربون المثبت إلى الغلاف الجوي بعد فترة قصيرة.
تناقش هذه الفقرة أيضًا التحديات في تقييم فعالية الطحالب في CDR، مشددة على الحاجة إلى قياس امتصاص CO2 الإضافي من الغلاف الجوي وديمومة تخزين الكربون. تشير إلى أنه بينما يمكن أن تعزز الطحالب العجز المحلي في DIC، قد تتنافس زراعتها مع الفيتوبلانكتون على الموارد، مما قد يقلل من الإنتاجية الأولية الإجمالية ويؤدي إلى تأثيرات بيئية سلبية. تهدف الدراسة إلى معالجة أسئلة حاسمة تتعلق بمدى امتصاص CO2 من زراعة الطحالب، وتأثيراتها على توفر المغذيات والضوء، ونتائج غمر الكتلة الحيوية المحصودة على نقص الأكسجين في المحيط. باستخدام نماذج الكيمياء الحيوية البحرية العالمية، تسعى الأبحاث إلى تقديم تقييم شامل لفعالية زراعة الطحالب وتأثيراتها الأوسع على النظم البيئية البحرية.
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون إطار محاكاة MEDUSA لتقييم التأثيرات الكيميائية الحيوية لزراعة الطحالب الكبيرة على نطاق واسع. قارنوا بين محاكاة أساسية وأخرى تضمنت نمو الطحالب الديناميكي (MEDUSA + Macroalgae) وأجروا أربع تجارب حساسية للتحقيق في استراتيجيات التدخل المختلفة وعدم اليقين في النمذجة. تضمنت هذه التجارب تغيير عتبة الكتلة الحيوية للحصاد والغمر، وزيادة الفقد غير المحصود، واستخراج الكتلة الحيوية المحصودة بالكامل من المحيط، وتطبيق قيود الحديد (Fe). تم تعريف الكتلة الحيوية المستهدفة لهذه التجارب على أنها الكتلة الحيوية المدمجة للطحالب بوحدات mmol N m$^{-2}$، مع هدف افتراضي يبلغ 400 mmol N m$^{-2}$، مما يسمح بحصادين في السنة في المتوسط.
تم توحيد المعلمات لأنواع الطحالب المختلفة للتركيز على الاستجابات الكيميائية الحيوية من الدرجة الأولى، مع مقاييس رئيسية تشمل نسبة الكربون إلى النيتروجين (C:N)، ومعدل النمو الأقصى، وثوابت نصف التشبع لامتصاص المغذيات. قدمت الدراسة أيضًا مقياسين لتقييم كفاءة إزالة ثاني أكسيد الكربون (CDR): أحدهما يعتمد على الإنتاجية الأولية الصافية للطحالب (NPP) والآخر على الكتلة الحيوية المحصودة. تأخذ كفاءة CDR المحسوبة من NPP في الاعتبار العلاقة بين NPP للطحالب وتدفق CO$_2$ الإضافي من الهواء إلى البحر، بينما يقيم مقياس الكتلة الحيوية المحصودة نسبة الكتلة الحيوية بالنسبة لتدفق CDR. يهدف هذا النهج الشامل إلى توضيح إمكانية زراعة الطحالب كاستراتيجية قابلة للتطبيق لتخزين الكربون.
المناقشة
تستخدم الدراسة نموذج محيط متكامل بين الفيزياء والكيمياء الحيوية، NEMO-MEDUSA، للتحقيق في إمكانية زراعة الطحالب الكبيرة على نطاق واسع لإزالة ثاني أكسيد الكربون البحري (mCDR). يدمج النموذج فيزياء المحيط والكيمياء الحيوية، محاكيًا ديناميات نمو الطحالب، ودورة المغذيات، وتأثير استراتيجيات الحصاد المختلفة على العمليات الكيميائية الحيوية. يمثل نموذج الطحالب الأنواع المزروعة ككيانات ثابتة داخل نموذج المحيط، تتنافس على المغذيات مع الفيتوبلانكتون. تشير النتائج الرئيسية إلى أن زراعة الطحالب يمكن أن تعزز تدفق CO₂ من الهواء إلى البحر بشكل كبير، مع اقتراح محاكاة افتراضية بزيادة تبلغ حوالي 11.0 Pg C yr⁻¹، وهو ما يكفي للمساهمة في الحد من الاحتباس الحراري العالمي.
تسلط الأبحاث الضوء على حساسية كفاءة mCDR لبروتوكولات الزراعة، كاشفة أن التغيرات في عتبات الحصاد يمكن أن تؤدي إلى تغييرات كبيرة في الإنتاجية الأولية الصافية للطحالب (NPP) وديناميات المغذيات. على سبيل المثال، أدت عتبات الحصاد الأعلى إلى زيادة في NPP وتغطية الطحالب، بينما حسنت العتبات الأدنى كفاءة الحصاد لكنها قللت من الكتلة الحيوية الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الدراسة على التكاليف البيئية المرتبطة بزراعة الطحالب، مثل الانخفاضات في كتلة الفيتوبلانكتون والزووبلانكتون بسبب المنافسة على الموارد. تؤكد هذه النتائج على الحاجة إلى اعتبار دقيق لاستراتيجيات الزراعة لتحقيق توازن بين إمكانات تخزين الكربون والتأثيرات البيئية الأوسع.
DOI: https://doi.org/10.5194/bg-23-3735-2026
Publication Date: 2026-06-05
Author(s): Prima Anugerahanti et al.
Primary Topic: Marine and coastal plant biology
Overview
This study investigates the potential of large-scale macroalgae cultivation as a marine carbon dioxide removal (mCDR) strategy using the NEMO-MEDUSA ocean biogeochemistry model. The findings indicate that while macroalgae cultivation can enhance air-sea CO$_2$ uptake by up to 11.0 Pg C yr$^{-1}$, only approximately 27% of this increase translates into effective carbon dioxide removal. The research highlights significant biogeochemical consequences, including a nearly 50% reduction in phytoplankton and zooplankton biomass due to altered nutrient dynamics, as well as a global decline in seafloor oxygen levels by 20.3%, leading to suboxic conditions in 7.9% of the seafloor.
The study emphasizes that the effectiveness of macroalgae cultivation is highly sensitive to various factors, including iron availability, with a sharp decline in production (up to 74%) observed when iron is not supplemented. These results suggest that large-scale macroalgae cultivation may not be a viable standalone mCDR solution due to its modest carbon removal efficiency and substantial ecological trade-offs. The authors advocate for a diversified approach to mCDR strategies, incorporating methods such as ocean alkalinity enhancement (OAE) and coastal ecosystem restoration, while underscoring the need for further research into nutrient constraints and ecological impacts.
Introduction
The introduction highlights the growing recognition of carbon dioxide removal (CDR) strategies, particularly through marine approaches like macroalgae cultivation, as essential for achieving global climate targets post-Paris Agreement. Macroalgae are noted for their efficient uptake of dissolved inorganic carbon (DIC) due to their favorable carbon-to-nitrogen (C:N) ratio, and they offer ecological co-benefits such as habitat provision, eutrophication mitigation, and potential substitutes for carbon-intensive products. However, current applications primarily focus on food production and biochar, which do not provide long-term carbon storage, as the carbon fixed is often returned to the atmosphere shortly after.
The section also discusses the challenges in evaluating the effectiveness of macroalgae in CDR, emphasizing the need to quantify additional atmospheric CO2 uptake and the durability of carbon storage. It notes that while macroalgae can enhance local DIC deficits, their cultivation may compete with phytoplankton for resources, potentially diminishing overall primary production and leading to negative ecological impacts. The study aims to address critical questions regarding the extent of CO2 uptake from macroalgae cultivation, its effects on nutrient and light availability, and the implications of sinking harvested biomass on ocean deoxygenation. Utilizing global ocean biogeochemical models, the research seeks to provide a comprehensive assessment of macroalgae cultivation’s efficacy and its broader impacts on marine ecosystems.
Methods
In this study, the researchers employed a MEDUSA simulation framework to evaluate the biogeochemical effects of large-scale macroalgae cultivation. They compared a baseline simulation with one that included dynamic macroalgae growth (MEDUSA + Macroalgae) and conducted four sensitivity experiments to investigate various intervention strategies and modeling uncertainties. These experiments involved altering the biomass threshold for harvesting and sinking, increasing non-harvest loss, fully extracting harvested biomass from the ocean, and applying iron (Fe) limitation. The target biomass for these experiments was defined as the integrated macroalgae biomass in mmol N m$^{-2}$, with a default target of 400 mmol N m$^{-2}$, allowing for two harvests per year on average.
The parameters for different macroalgae species were standardized to focus on first-order biogeochemical responses, with key metrics including the carbon-to-nitrogen (C:N) ratio, maximum growth rate, and half-saturation constants for nutrient uptake. The study also introduced two metrics for assessing carbon dioxide removal (CDR) efficiency: one based on macroalgae net primary production (NPP) and the other on harvested biomass. The CDR efficiency calculated from NPP considers the relationship between macroalgae NPP and additional air-sea CO$_2$ flux, while the harvested biomass metric evaluates the proportion of biomass relative to CDR flux. This comprehensive approach aims to elucidate the potential of macroalgae cultivation as a viable carbon sequestration strategy.
Discussion
The study employs a coupled physical-biogeochemical ocean model, NEMO-MEDUSA, to investigate the potential of large-scale macroalgae cultivation for marine carbon dioxide removal (mCDR). The model integrates ocean physics and biogeochemistry, simulating macroalgae growth dynamics, nutrient cycling, and the impact of various harvesting strategies on biogeochemical processes. The macroalgae module represents cultivated species as stationary entities within the ocean model, competing for nutrients with phytoplankton. Key findings indicate that macroalgae cultivation can enhance net air-sea CO₂ flux significantly, with a default simulation suggesting an increase of approximately 11.0 Pg C yr⁻¹, which is substantial enough to contribute to limiting global warming.
The research highlights the sensitivity of mCDR efficiency to cultivation protocols, revealing that variations in harvesting thresholds can lead to significant changes in macroalgae net primary production (NPP) and nutrient dynamics. For instance, higher harvesting thresholds resulted in increased NPP and macroalgae coverage, while lower thresholds improved harvesting efficiency but reduced overall biomass. Additionally, the study underscores the ecological trade-offs associated with macroalgae cultivation, such as declines in phytoplankton and zooplankton biomass due to competition for resources. These findings emphasize the need for careful consideration of cultivation strategies to balance carbon sequestration potential with broader ecological impacts.