973项目申报书 - 2009CB421200-中国近海碳收支、调控机理及生态效应研究

（3）碳沉降输出与埋藏

在有机碳测定的基础上，采用新近发展的小体积MnO2沉淀技术，现场测定234

Th，通过234Th的亏损量及POC/Th比值定量真光层POC垂直输出通量；选取典型站位，应用沉积物捕获器直接收集沉降颗粒确定其通量，同时通过现场调查、现场实验和受控生态系实验，研究不同功能群浮游植物的沉降速率，浮游动物对浮游植物的摄食死亡率，微食物环向经典食物链输出的效率以及浮游动物粪便对颗粒物的打包效率以期了解不同群落结构对生物泵效率的影响；应用同位素示踪、生物标记物、受控培养实验等一系列与国际接轨的技术和手段，获取有机碳矿化速率、海水-沉积物界面碳通量。

（4）陆源碳输入（河流、地下水）的影响

选择中国两条主要的大河——长江和珠江的河口区域，在历史数据分析和季节性大面调查的基础上，研究河流碳/碱度输送通量的年季变化，提取有价值的趋势信息，以同位素C-14，C-13为手段分析各种形态陆源碳在河口区及陆架区的分布、迁移及埋藏，给出河流碳通量，变化规律及在边缘海的循环机理；利用天然放射性长寿命226Ra、228Ra，短寿命223Ra、224Ra以及渗流仪、压力计等研究地下水输入的范围，并通过箱式模型计算地下水入海通量；测定区域地下水DIC的输入，以确定地下水碳输送通量的年季变化以及对边缘海生物地球化学的影响。

（5）边缘海向深海大洋的碳输送 采用现代方法和手段组织海上观测，重点揭示南海北部和东海陆架区海流在季节、亚潮和supertidal尺度上变异的物理特征，探讨季风和深海强迫作用下南海北部和东海陆架的输运规律和机制，尤其注重跨陆架-深海界面的物理交换过程。配合相应课题对垂向和代表性断面的碳通量观测结果，辅之以数值模拟等研究手段，开展陆架向大洋碳输送过程和机理研究，给出跨陆坡碳输送量及变化规律；建立能够描述中国陆架边缘海向深海大洋碳输送的理论框架、数值模式，并给出中国陆架边缘海向深海大洋碳输送的估算量值。

3.海洋酸化历史及生态效应（效应）： （1） 海洋酸化历史

选择典型珊瑚礁系统，通过?18O、?13C、Sr/Ca等元素同位素手段重建近工业革命以来的温度、盐度等古海洋记录，提取反演海洋表层CO2变化信息；利用硼同位素组成重建海水pH的记录，重建海水酸化历史；分析珊瑚钙化率的变化，探讨海洋酸化与大气CO2水平变化的关系，以及酸化对珊瑚生态系统的影响。

（2） 海洋酸化对初级生产过程和典型钙化生物钙化生理的影响 围绕与碳循环密切相关的光合固碳与生物钙化作用，开展现场与受控模拟实验，研究浮游植物及钙化生物对CO2浓度升高和海洋酸化的响应，并揭示固碳作用和钙化的变化对未来海洋碳循环的反馈作用。

结合阳光辐射与水温的日变化，应用实验生态技术，调控海水游离CO2、

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DIC、pH等参数，研究CO2升高与海水酸化对关键浮游植物类群光合固碳的影响。在此基础上，应用围隔受控生态，综合运用生理生态学、光生物学及相关的分子生物学研究手段，研究浮游植物种间的竞争与群落结构变迁，阐明优势种光合固碳作用的变化及对海洋生物泵的影响。

选择典型钙化生物，如钙化藻类、贝类及珊瑚类，研究不同游离CO2、DIC和pH水平对这些生物钙化作用的影响，结合物理（如阳光紫外辐射、温度等）与化学（营养盐、痕量生源要素等）因子的作用，揭示CO2浓度升高、海水酸化与其它环境因子的耦合效应，阐析生物钙化作用的变化对海气界面CO2通量的影响。

4. 碳通量及其调控过程模拟与变化趋势预测分析 （变化趋势）： 采用通用的数据格式和数据库管理工具，集成历史资料和本项目所采集的现场及遥感实测数据，建立比较完整的中国近海碳循环数据库；归纳、建立海－气CO2通量与相关物理、生物地球化学参数及生物生产过程之间的经验关系，提出相应参数化方案，建立适合中国边缘海的碳通量过程模型，综合分析与评估碳通量及源汇格局主要影响过程和背景因子，揭示研究海区的主要物理，生物及化学因子；

选用区域海洋模式系统（Regional Ocean Modeling System, ROMS）发展研究海区的物理－生物地球化学耦合模式作为海洋碳循环的基础模式，并结合国际上已有的比较成熟的相关海盆环流模式及现场观测结果，建立适应中国近海动力特点的近海-边缘海-海盆多时空尺度的嵌套碳循环过程模型的综合性区域模型。进行碳循环过程模拟和碳通量估算，并进行增汇模拟实验来研究不同时空尺度的物理-生物地球化学的相互作用对碳循环过程影响；利用高分辨率卫星遥感海面信息以及长时间历史资料，用建立的模拟系统拓展受观测所限的pCO2、海－气CO2通量以及相关参数分布的时空域，改善碳通量估算及主要控制过程的模拟效果；由区域性天气预报和气候预测模式提供外部驱动，对中国近海碳通量及其主要过程变化趋势进行预测。

分析由海面风场、河流输入、岸线形状及海底地形引起的动力强迫及其所调控的海域水动力条件及其带来的营养盐和碳输入，并据此进行碳循环过程模拟和碳通量估算；研究处于不同地理环境和气候系统的黄东海及南海，以及不同生态系统为主导的近岸海域、开阔海域及珊瑚礁海域对碳循环过程的作用。

结合酸化及其相关的物理和生物历史数据并采用增汇模拟实验，模拟工业革命以来中国近海的酸化演化，并在上述碳循环模式基础上，对未来的酸化如何影响生态系统进行预测分析。

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二、预期目标

（一）总体目标

确定中国近海碳源汇格局及对我国总CO2收支的贡献，提交CO2收支数据产品，揭示影响中国近海碳源汇格局的主要过程和机理，评估高CO2可能带来的海洋酸化及其生态效应，预测中国近海碳通量在未来百年内的变化趋势及对全球气候变化的响应，为国家制订相关应对策略与政策提供科学依据；为我国在国际气候变化及减排义务谈判中的国家立场提供关键数据和科学支撑，显著提升中国海洋碳循环和海洋酸化研究领域的国际地位。

（二）五年预期目标

1. 阐明中国近海的海－气CO2通量及其季节变化特征，给出中国边缘海的碳储量和固碳能力等时空格局数据，显著提高碳通量估算的准确性，理清中国近海的年平均CO2源汇清单，建成共享数据库，为国际气候谈判提供权威数据和科学依据。

2. 揭示陆架边缘海生物泵的主要特征与效率、对边缘海海－气CO2通量的调控及与大洋生物泵的差别；探讨陆源碳输入对陆架边缘海碳收支的影响；确定陆架碳输运的主要过程，检验边缘海碳的“风生输运”和“陆架泵”假设，建立陆架边缘海向大洋碳输送机理的理论框架。

3. 阐明中国近海碳演化的历史，重建我国典型海洋生态系统、特别是珊瑚礁生态系统的酸化历史，并依据未来大气CO2浓度升高及海洋酸化趋势，揭示我国海域典型生态系统的关键生物类群及群落对CO2浓度升高及海水酸化的响应，阐明适应机制，评估我国典型海域生物固碳作用及其关键生态过程的变化对生物泵与碳汇源格局的作用，为国家制订相关海洋生态环境应对政策提供科学依据。

4. 建立一系列与国际接轨或国际创新的研究测试方法，如海－气CO2通量的直接、间接观测与传感技术，新光合同化系数测定方法，新的遥感反演模式、拓展碳循环遥感应用技术；DOC同位素（13C、14C）示踪技术，高时空分辨率的POC输出通量的同位素示踪技术，等等，为我国海洋碳循环研究达到国际先进水平奠定技术基础。

5. 在研究海区建立和发展物理－生物地球化学数值模拟系统，拓展和促进酸化及其相关的生态响应研究，提供及改善对相关问题的管理及评估能力。应用数值模式的解析和诊断能力，解析中国近海碳循环的过程和机理并对中国近海碳循环随气候演变的过去和将来做出分析和预估。

6. 开展平等、实质性的国际合作与学术交流，举办2－3次国际学术会议。通过项目的实施，提高国际合作的深度和层次，显著提高我国在海洋碳循环和海洋酸化研究国际舞台上的地位。

7. 形成一支具有国际水平的海洋碳循环研究队伍，培养一批具有多学科综合研究能力的后备人才（研究生80名左右、博士后20名左右），发表SCI论文50－70篇，出版学术专著2－3部；在后两年，将我国边缘海碳循环成果以论文专集的形式在国际主流刊物上发表；提供中国近海海气界面CO2通量数据产品，为外交部的国际外交谈判提供基本数据。

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三、研究方案

（一）学术思路

本项目立足现有研究基础以及对海洋碳循环研究发展趋势的认识，充分体现中国近海的区域特色，面向其在全球尺度碳循环中的作用及示范意义，提出科学假设，分解关键科学问题。

海洋，特别是近海系统的碳循环过程异常复杂，是国际学术界研究的薄弱环节，本项目强调现场与遥感观测的紧密结合，利用一切航次机会和卫星遥感高时空分辨率和长时序的优势，拓展海气界面CO2通量的空间覆盖率；同时，本项目注重不同纬度生态系统比较研究，抓住重点区域，阐释碳循环过程与机制，从比较中揭示陆源输入、向大洋输送、上层水体生物固碳和颗粒沉降输出、埋藏等关键过程在南海和东海陆架区的异同，从而认识中国近海碳通量/储量格局的历史、现状和未来，及产生的生态效应。

本项目还注重不同时空尺度过程的综合研究。将生物泵和物理泵等碳循环过程在重点区域的周日及季节尺度的实验研究与基于遥感的长时序（如1998-2012年15年序列）区域海洋月、季节、年际碳通量/储量宏观估算及变化趋势分析相结合；同时，利用典型生态系统（如南海珊瑚礁）百年尺度的古海洋记录研究海洋酸化历史；然后，在碳循环数值模型中将不同时空尺度的研究结果进行有机耦合，模拟和分析预测碳通量的未来变化及其酸化效应。

本项目最终将达到综合认识系统内部的有机联系和机理，以及系统的总体功能和变化趋势的目标，为理清中国海碳源汇时空格局，阐释关键控制过程和机理，科学评估中国海吸收大气CO2的能力及其生态效应，提出相应的应对建议和技术方法，为寻求“增汇”新途径、评估其生态风险奠定科学基础。

总之，本项目拟通过历史资料的收集－现场观测－卫星遥感－受控模拟实验－数值模拟与预测－综合集成，对相互交集和相互作用的多时空碳循环过程及控制因子开展由点及线、由线及面和由面及区，以及由单一到多重因子的观测、研究、模拟、拓展与预测分析。

（二）技术途径 依照上述学术思路，结合研究内容，本项目拟采用以下技术路线和实验方法实现研究目标：

1. 技术路线

1）历史资料的收集与分析

“厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室台湾海峡数据中心”已有台湾海峡、南海的大量海洋调查资料，本项目拟加强与国家海洋局、科学院等相关部门的联系，进一步集合中国近海海区的海洋碳循环参数的资料，并对所收集的历史研究资料进行综合分析与提炼。

2）现场观测

针对科学问题设计观测计划，采用先进调查设备，本项目拟组织6次大规模的现场调查，其中4次为涵盖中国邻近边缘海各个海域的大面调查，另外2个航次突出典型断面和重点调查区域，深入开展过程研究兼顾大面观测。通过这些调查，首次全面获得中国近海高时空分辨的走航pCO2及其他相关通量数据。

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