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

项目名称： 中国近海碳收支、调控机理及生态效应

起止年限：依托部门：研究

戴民汉 厦门大学 2009.1至2013.8 教育部 国家海洋局

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首席科学家：

一、研究内容

（一）拟解决的关键科学问题

我国对东海和南海的碳通量研究引起了国际学术界的广泛关注，并推进了全球陆架边缘海碳循环研究。不同纬度、具有不同生态结构的东海和南海所表现的不同碳源碳汇季节特征以及碳的净交换量受控于不同的过程与机制，这对全球陆架边缘海碳循环问题研究的意义重大，也是国际海洋界的争论焦点之一[Thomas et al., Science, 2004, 304, 1005; Cai & Dai, 2004, Science, 306, 1477c; Thomas et al., Science, 2004, 306, 1478c]。

鉴于以上科学视点，本项目的核心科学假设是： ? 陆架边缘海吸收CO2与否、以及CO2吸收量值的时空变异性，受控于一系列物理和生物地球化学过程，如陆源碳的输入、陆架边缘海生物泵、CO2溶解及向大洋输送的共同作用。由于东海水温较低、生物泵效率较高、向大洋输送的碳通量显著且长江等河流输入的碱度较大，我国东海是大气CO2的汇；而南海（至少南海北部陆架区）是大气CO2的弱源，这与南海水温较高、生态系统结构以微型生物为主（生物泵效率较低）以及南海半封闭的地形特征相关。

? 工业革命以来，世界大洋吸收大量CO2，增加了海水酸度，对海域生态系统产生深刻影响，并同时减弱碳酸盐系统的缓冲容量，降低海洋进一步吸收大气CO2的能力。该过程在边缘海系统也应该存在，但由于边缘海系统生态结构差异显著，再加上存在河流和地下水的碳（以及碱度）输入，其表现更为复杂。

由此，本计划的关键科学问题是： 中国近海碳通量季节和年际尺度上的分布格局及其变化、主要控制过程与机理，海洋酸化演化历史及其对近海典型生态系统的影响，全球气候变化下的中国近海碳循环及海洋酸化生态效应变化趋势预测分析。其科学内涵分述如下：

1.中国近海海－气CO2通量时空分布格局及其变化 （通量） 边缘海碳通量具有高度时空变异性，是全球碳循环研究中一个尚未解决的难题，因而现有的全球碳循环模式尚未能包含边缘海碳通量。中国近海纵跨温带、亚热带、热带，生态系统结构差异显著，加上涡旋、内波、上升流等中尺度现象显著，又受陆源碳输入的影响，海－气CO2通量时空分布格局变化尤为复杂。故此，研究中国近海海－气CO2通量及其在季节、年际尺度上的变化规律，是降低碳通量不确定性之基础，是本研究项目首先必须解决的科学问题。 2. 控制中国近海碳源汇格局的主要过程与机制 （过程与机制）

中国近海碳循环受陆源碳输入、陆架边缘海生物泵、CO2溶解及向大洋输送等多种过程和因素的共同调控，因而阐明控制边缘海碳源汇格局的主要过程与机制是碳循环研究的科学精髓，是建立科学的预测模式的关键基础。

? 调控碳源碳汇格局的关键物理化学因子 海－气界面CO2的净通量很大程度上取决于CO2在海水中的溶解能力，即溶解度，控制CO2溶解度的主要物理化学因子有温度、盐度等。采用比较研究的学术思路，分析地处不同纬度的黄东海与南海的海－气CO2通量季节变化差

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别与海域的物理化学因子的关系从而有效地提高对科学问题的认识。

? 边缘海生物泵的特性及其作用机制

在短时间尺度上，海洋生物泵的效率决定了海洋对大气CO2的吸收能力。然而，陆架边缘海生物泵过程较之于大洋更为复杂，基于大洋研究的理论无法外推至陆架边缘海，在大洋研究的许多经验不能直接应用于陆架边缘海系统。因此，陆架边缘海生物泵的特性及其在碳循环中的作用机制是本项目的核心科学问题。

? 陆源碳输入（河流、地下水）如何影响陆架系统碳的源汇格局？

河流、地下水等陆源碳输入显著影响南海北部陆架碳的生物地球化学循环，但其输入对典型陆架系统（南海北部、东海陆架系统）的新陈代谢以及碳通量的影响尚缺乏系统分析。因而精确评估陆源碳输入对陆架边缘海碳源汇格局和通量的影响是本项目研究的关键问题之一。

? 控制陆架边缘海向大洋碳输送的关键过程及其机理 陆架向深海大洋的碳输送是陆架边缘海的特色之一，关系到陆架边缘海对大气CO2的吸收能力，是全球陆架边缘海碳循环研究必须解决的一个重要科学问题。本项目拟对当前碳输送的两种物理输运机理科学假说（“风生输运机理”和“陆架泵”）进行检验，揭示中国边缘海控制陆架向大洋输送碳的关键物理过程及其机理。

3. 海洋酸化历史及生态效应 （效应）

总体而言，海洋酸化是海洋吸收大气CO2所致，过去200年世界大洋的pH已下降0.1，然而在边缘海系统，这种酸化趋势是否存在尚无人知晓。因此，反演典型珊瑚生态系统酸度变化历史，意义显著。在此基础上，揭示现在以及未来大气CO2浓度变化对我国典型生态系统关键生物过程的影响具有重要的战略意义。

? 工业革命来，中国边缘海是否存在酸化趋势？其程度有多大？ 我国南海是珊瑚最集中分布的边缘海系统之一，利用造礁珊瑚开展高分辨率（如年分辨）的温度、盐度、pH变化记录，探讨工业革命来，中国南海是否存在酸化趋势，其程度有多大，以及海水pH与pCO2变化是否存在对应关系等问题将为本项目所关注的与海洋碳循环密切相关的海洋酸化问题提供一个历史背景。

? 海洋酸化对典型生态系统的作用 海洋酸化对海洋生态系统的影响可能相当复杂，本项目将集中在一些与碳循环密切相关的生态过程上，这包括初级生产过程、钙化作用及群落结构变化，这些过程在海洋酸化背景下的变化趋势，也构成了海洋对大气CO2升高的响应以及可能的反馈。

4. 全球气候变化下的中国近海碳循环、海洋酸化及其生态效应可能的变化趋势（变化趋势）

几乎可以肯定的是，未来百年内，全球气温将随大气CO2的水平而升高，因此，在解决上述从通量-机理到效应等关键科学问题的基础上，预测分析全球

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气候变化背景下的中国近海碳循环的变化趋势是本项目需要达到的目标。 （二）主要研究内容

针对上述关键科学问题，项目计划开展中国近海碳通量、过程与机制、海洋酸化历史及生态效应、变化趋势的模拟与预测分析等四个方面的研究：

1. 中国近海海－气界面碳通量的定量研究（通量）：

运用走航（underway）高频率pCO2自动观测系统大面积观测大气和海表pCO2及其他相关参数，利用高精度、快速响应CO2光纤化学传感器对代表性区域定点连续观测大气和海表pCO2，同时应用卫星遥感技术遥测海表水温、叶绿素浓度、风场和海面波浪等多种要素，揭示不同海区的CO2分压与卫星遥感要素之间的关系以扩展实测数据，增加CO2分压的时空覆盖度；在代表性站位、海岛、石油平台上用涡动相关法测定海－气界面气体交换速度，探讨多参数的气体交换速度公式，减小传统上仅用风速为参数的气体交换速度的不确定性；在此基础上，对结合大气和海表ΔpCO2的块体方法计算得到的和涡动相关法直接测定的海－气CO2通量进行比较，重点评估高风速条件下两者的差异，以提高CO2通量估算精度，降低碳通量计算的不确定性。最终揭示CO2源汇的空间分布格局及季节和年际变化以及CO2的吸收与储量。

2. 控制中国近海碳源汇格局的关键物理、生物地球化学过程和机理（过程与机制）：

（1）初级生产、有机碳储量及固碳能力

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；在此基础上，利用遥感叶绿素、海表温度、透明度和光合作用有效辐射率等遥感反演参数建立中国近海初级生产力的区域遥感模型；研究海水中 POC和 DOC浓度等反映海域有机碳储量的生化参数遥感反演机理。基于海区的水体光学特性，建立中国海水体光学组份（叶绿素、非藻类有机碎屑、无机泥沙和黄色物质等）固有光学量的遥感半分析模型；利用光学-生物地球化学化参数现场同步测量数据，分析POC、DOC与水体细分物质固有光学量的关系，确定海区POC、DOC遥感反演的最佳光学特征量，建立中国海区域POC和DOC的遥感光学－生物地球化学模型；利用实测数据对遥感模型的精确度和适用性进行验证，完善反演模型。在此基础上，利用多源卫星资料制作长时序的初级生产力、POC和DOC等碳信息产品，分析其时空变化特征，估算中国海的有机碳储量、固碳能力及其对碳源汇格局的影响。

（2）碳的微生物再循环

综合运用生态学、生理学和分子生物学的先进手段，并与化学过程、物理过程紧密联系，深入研究在不同环境条件下与碳循环有关的微生物动力学的关键过程；运用流式细胞技术测定微生物总量，开展异养细菌的生长速率及呼吸速率和异养细菌对有机碳（POC与DOC）的矿化作用；

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（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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