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

其中，大面观测强调大面积走航观测与卫星遥感技术相结合，全面测量和估算中国邻近海域海－气界面CO2通量和固碳能力；结合大面调查，在关键区域建立主要物理、生物与化学变量的时间序列观测以捕捉演变过程，从而抓住碳输送和迁移的关键过程，揭示控制碳的源汇格局的关键过程与机理。

一方面，选择代表性断面（以长江口－东海陆架－冲绳海槽和珠江口－东沙群岛－南海北部陆坡2个典型断面为重点，见图2），开展水平碳输送过程的观测和实验研究，考察动力过程；另一方面，在黄海中部冷水团（123o30’E 35o00’N）、东海泥质沉积区（125o30’E 31o30’N）、南海东沙西南（115o48’E 20o06’N）、以及南海北部海盆时间序列站（SEATS，116o00’E 18o00’N）等定点站位，比较研究生物泵过程与效率，以及CO2相关环境变化的生态效应。

同时，选择中国两条主要的大河——长江和珠江的主要河口区域，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，给出河流各形态碳输入通量及变化规律；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。

此外，我们还将利用国家和地方的观测平台，进行海－气界面碳通量和相关参数的长时间序列观测。可资利用的有：（1）科技部、国家海洋局和福建省共建的国家863计划重大专项“台湾海峡及毗邻海域海洋动力环境实时立体监测系统”福建示范区（863－604重大专项福建示范区）的浮标平台；（2）国家气象局在西沙群岛的气象观测平台；（3）石油平台等。

3）利用历史积累和卫星地面站实时接收的长时序多源水色水温遥感数据（如AVHRR/NOAA、SeaWiFS/SeaStar、MODIS/Terra/Auqa、MVISR/FY-1、COCTS/HY-1等），以及国际共享的微波遥感数据（如TMI、AMSR-E、QuikSCAT、SeaWind、T/P、Jason等）进行归一化融合处理，制作中国近海长时序的叶绿素浓度、海表温度、海水透明度、光合作用有效辐射、海面风场、海面高度等海洋环境参数的月、季和年平均的遥感产品，并结合现场观测数据，对海-气CO2通量和初级生产力进行遥感估算；同时，在现场光学－生化参数的同步观测数据基础上，开发水体光学组份固有光学量的区域遥感半分析算法，探索碳循环相关生物地球化学参数的遥感反演机理，建立区域光学－生化参数遥感模型，制作POC和DOC等表征海洋有机碳储量的遥感产品，定量分析中国海有机碳储量、固碳能力及其对碳源汇格局形成的影响。

4）受控模拟试验

模拟过去、现在以及未来CO2水平与酸化水平，通过调控微、中生态系统（microcosm, mesocosm）中的CO2、DIC及pH，在阳光或太阳模拟器下展开模拟实验，运用生理生态学、光生物学及相关的分子生物学研究手段，探讨浮游植物对CO2升高及酸化的响应，研究种间的竞争与群落结构变迁，阐明优势种群光合固碳作用的变化对生物泵的影响；与此同时，在以上模拟实验的框架下，研究钙化生物的钙化作用对酸化的响应及其适应机制，认识生物钙化作用的变化及其对CO2汇源的影响。

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5）数值模拟

选用区域海洋模式系统（ROMS）发展研究海区物理－生物地球化学耦合模式作为海洋碳循环的基础模式，结合国际上已有的相关海盆环流模式及现场观测结果，建立中国近海-边缘海-海盆多时空尺度嵌套的碳循环区域模型，进行碳循环过程、碳通量变化及其生态效应模拟、分析和研究，并开展增汇数值模拟实验和风险评价。

6）综合集成

综合集成多源观测数据和过程研究结果，建立中国近海碳循环数据库；在此基础上，分析提取不同时间尺度变化信号，归纳统计规律，评估控制因子，对中国边缘海碳通量的变化趋势加以分析与预测；同时结合所建立的中国近海碳循环数值模型，开展科学的数值预测。

（三）创新点与特色 中国邻近海域，如东海，是国际上公认的开展陆架边缘海碳循环研究的理想区域，以往在东海和南海开展的碳通量研究引起了国际上的广泛关注和争论，推动了国际近海碳循环研究。在此基础上，本项目开展更为深入的研究，具有很大的创新潜力。

1、中国边缘海纵跨温带、亚热带、热带，生态系统结构差异显著。本项目在已有相关研究基础上，深入贯穿比较研究思路，揭示东海和南海的碳收支差异、调控机理和生态效应，可望成为世界边缘海碳循环研究的范例。

2、陆源碳输入、陆架向大洋的碳输送直接影响到陆架边缘海对大气CO2的吸收能力，是海洋碳循环研究的两大难题和争论的焦点之一。中国边缘海内有长江、珠江等大河输入，外与西边界流作用，兼具区域特色和全球示范意义。本项目从陆源无机碳碳输入入手，探讨其对陆架边缘海源汇格局的影响，同时拟开展东海陆架与冲绳海槽之间碳通量的综合观测实验和机理研究，结合数值实验检验“风生输运机理”和“陆架泵”这两种科学假说，从而建立陆架边缘海向大洋输送碳的理论框架，这将是本项目在科学上的一个突破。

3、近期研究发现，阳光紫外辐射影响浮游植物钙化与光合固碳及其对海洋酸化的响应。本项目将在此基础上，克服传统方法（忽视阳光效应）的局限性，通过方法创新，在原位或接近原位的环境条件下开展研究，弄清太阳紫外辐射与可见光的变化对海洋酸化生态效应的影响；并将首次运用微、中生态系统（microcosm, mesocosm）揭示CO2浓度升高和海洋酸化对群落结构与生态过程的影响，阐明适应机制。由此，可望取得反映原位生态效应的新理论，对认识海洋酸化与我国海域生态安全的关系，提供第一手资料。

4、此外，本项目还有望在若干方法技术上取得突破：

1）气体交换速率是计算海-气界面通量的关键物理量，迄今为止一般仅采用风速对其进行参数化，忽略不同海况的影响，不同作者给出的结果差异很大，造成CO2通量估计的不确定性。本项工作将基于海－气界面传输的物理机制和可靠的实测数据，给出依赖于海况的多参数、实用的气体交换速度公式，可有效避免传统的单参数方法的不确定性。

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2）本项目采取古海洋学与实验生态学相结合的研究方法，反演古海洋pH、 CO2浓度与生态因子之间的耦合关系，将首次揭示我国海域的CO2生态效应，科学评估未来CO2浓度变化对海洋光合生物及其固碳作用的影响。

3）中国近海水体颗粒物、溶解物的来源和组份十分复杂，无法像大洋那样通过简单的光谱拟合获得，此外对于非光学活性生化参数的反演也是遥感监测的难点之一。本项目利用中国海光学－生化参数现场同步测量数据，开发水体光学组份的固有光学量遥感半分析算法，区分光谱特征相似的非藻类碎屑和有色溶解有机物的吸收系数，以及颗粒有机物和无机泥沙的散射系数，获取POC、DOC遥感反演的最佳光学特征量，建立中国海POC、DOC的光学-生物地球化学遥感模型，这将是近海生物地球化学参数遥感反演的一个突破。

4）本项目将首次对中国海区域生态系统动力学模式引入海水化学缓冲因子Revelle factor和海洋酸化的因子，将建立中国近海生态环境对大气CO2升高及其引起的海洋酸化和气候变迁的响应模型并预测其未来变化趋势。

（四）取得重大突破的可行性分析 本项目由教育部、国家海洋局和中国科学院等3个系统的8个单位共同承担。参加单位有良好的合作基础，近年来在不同海域开展了一系列与海洋碳循环相关的研究工作，取得了一批重要科研成果，积累了丰富的研究经验和数据资料，为本项目的成功实施奠定了基础。

项目组成员以往在东海和南海开展的碳通量研究引起了国际上的广泛关注和争论，推动了国际近海碳循环研究，因此在理论上已有一定储备。

项目组已建立一系列与海洋碳循环研究相关的与国际接轨的关键研究方法与技术，为取得重大突破奠定了重要基础；在此基础上，本项目拟用的主要研究方法包括现场观测方法、实验手段和数值模拟均采用国际通用标准，并结合研究海域实际情况加以改进。

项目学术带头人群体中有院士1人，杰出青年基金获得者2人，并有一批中青年骨干，形成老中青结合的研究群体，近年来主持了大量国家级项目，研究基础扎实， 基本代表我国从事海洋碳循环研究的主力和水平。

项目学术带头人和大部分研究骨干均拥有国外博士学历或1－2年以上的留学经历，他们学成回国后，不仅带回了先进的研究方法和前沿的国际学术动态，而且与国外同行保持着密切的学术交流与合作研究。特别值得一提的是，这些国际合作已趋向于高层次与实质性，包括共同主持研究课题，在“Science”等国际学术期刊上共同发表论文。这些合作为本项目拓展国际合作，为中国的海洋碳循环研究在国际上占有一席之地奠定了基础。

项目参加单位拥有多艘海洋科学考察船、先进的现场观测和实验室分析测试仪器设备、主要卫星资料接收和处理系统，以及必要的数值模拟计算系统。

总之，项目组在理论、人才储备、方法基础均有相当的积淀，也具备了研究所需要的硬件设施条件，为本项目的成功实施打下了坚实的基础。

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（五）课题设臵

本项目共设臵8个课题，其中，第1课题面向碳源、碳汇的时空分布格局。课题2－5回答第二个关键科学问题，即主要过程与机制，课题6和7研究海洋酸化历史及其生态效应，课题8通过数值模拟手段分析发展趋势。8个课题互为依托，紧密相连，构成了从通量到过程与机制，再到效应与预测分析的项目框架。

1. 海－气界面碳通量与源汇格局

主要研究目标：阐明中国近海的海－气CO2通量及其季节变化特征，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，为应对国际气候谈判提供权威数据和科学依据。

主要研究内容：1）多参数气体交换速率的建立和优化；2）CO2源汇的空间分布、季节变化及其与海水物理化学因子（如温度、盐度、营养盐、溶解氧、叶绿素浓度）的关系分析和探讨；3）海洋无机碳库受不断升高的大气CO2的影响分析；人为CO2的入侵深度和储量。；4）中国近海海－气界面碳通量的遥感估算及长时序变化分析。

承担单位：厦门大学、中国海洋大学 课题负责人：戴民汉（厦门大学）

2. 初级生产、有机碳储量及固碳能力

主要研究目标：揭示浮游植物光合CO2固定过程；研究中国近海上层海洋固碳过程中关键生物地球化学参量的遥感探测机理和反演建模；揭示有机碳储量及固碳能力的时空分布格局、变化及其对碳源汇格局形成的贡献。

主要研究内容： 1）分析海水中叶绿素a含量和浮游植物群落组成，了解初级生产力结构，估算中国近海的生源碳库及其变化规律；2）研究初级生产力（OPP）、颗粒有机碳（POC）和溶解有机碳（DOC）浓度等表征海洋固碳能力参量的遥感反演机理及模型开发和验证；3）利用遥感估算中国海有机碳储量和固碳能力，进行长时序时空分布格局及变化规律分析；4）分析上层海洋有机碳储量和固碳能力的上行和下行调控机制，及其对碳源汇格局的影响。

承担单位：国家海洋局第二海洋研究所、中科院海洋所

课题负责人：潘德炉（海洋局二所）

3. 碳的微生物再循环、沉降输出与埋藏

主要研究目标：评价中国边缘海真光层的净固碳能力;揭示边缘海真光层POC输出通量的关键控制因子;阐明生物泵过程对边缘海碳源汇格局的影响. 主要研究内容：1) POC输出通量及生物泵效率的研究 ;2) 浮游植物群落结构及对POC输出通量的调控作用;3) 中型与微型浮游动物的摄食及细菌对POC和DOC的矿化作用;4) 海洋有机碳的蛋白质表征及指示; 5)沉积物-水界面过程及POC的埋藏;6) 生物泵过程对中国边缘海碳源汇格局的调控

承担单位：厦门大学、香港科技大学 课题负责人：蔡平河（厦门大学）