全面提升海洋综合探测与研究能力——中国科学院海洋先导专项进展

中国科学院海洋先导专项的主要任务是针对国家对海洋的战略需求,瞄准海洋领域国际前沿问题,建立海洋综合探测与研究体系,从海洋系统的角度研究海洋的各种现象、过程和规律、提出应对措施。海洋科学的发展在很大程度上依赖于技术的进步和装备水平的发展,能力建设是实现海洋先导专项科学目标的前提和基础。本文重点介绍海洋专项实施以来在能力建设方面的主要进展,包括近海与深远海观测网建设、深海综合探测与研究平台体系建设、海洋装备研发,以及随着能力建设水平的提高所带来的科学认知上的突破。通过科学目标与技术研发的有机结合、国家海洋战略目标与基础科学发展的有机结合、海洋科学与经济社会发展有机结合的实践,海洋先导专项全面提升了我国海洋综合探测与研究的能力,为深入认知、预测、预警预报、综合管控、开发和保护海洋奠定了基础,推动我国海洋科技向纵深发展,从陆架边缘海走向广袤的深海大洋,从中国近海所面临的资源环境与可持续发展问题到探索全球海洋运作机制与未来海洋发展战略。

热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响——中国科学院海洋先导专项介绍

本文重点介绍海洋专项的科学意义、聚焦的关键问题、研究区域的选择、总体研究思路、实施方案与预期成果。海洋专项面向国家重大战略需求和国际海洋科技前沿,以西太平洋及其邻近海域海洋系统为主要研究对象,从"海洋系统"的视角开展综合性协同调查与研究,在西太暖池对东亚及我国气候的影响机制、邻近大洋影响下的近海生态系统演变规律、西太平洋深海环境和资源分布特征等领域开展系统研究,同时进行我国深海研究探测装备的研发与应用,为提升我国深海大洋理论研究水平,为我国海洋环境信息保障、战略性资源开发、海洋综合管理、防灾减灾、海上丝绸之路建设提供科学依据,为建设"海洋强国"提供科技支撑。

中国边缘海海洋沉积生态环境反演中的生物标志物

中国边缘海是海—陆—气圈进行物质和能量交换最活跃的海域之一,重建中国边缘海海洋生态环境演变对深入探析人类活动和气候变化的耦合作用意义重大,海洋沉积物生物标志物为定性/定量揭示海洋生态环境演变提供有效手段,可为预测人类活动影响下的海洋生态环境演变趋势提供科学支撑。本文总结归纳目前海洋沉积物中常用的古菌、细菌和真核来源生物标志物在海陆来源、化学结构、分布规律与功能等方面的特征,分析了不同生物标志物类型在重建海洋温度、酸碱度、氧化还原环境和浮游植物演变过程中的应用状况,剖析了多参数生物标志物在重建中国边缘海生态环境演变中存在的问题。总体而言,利用生物标志物重建中国边缘海生态环境演变的研究大多还停留在定性描述水平;由于对生物标志物母源生物及其适应机制认识不足会导致对生物标志物指标的解译存在偏差,进而影响海洋环境重建结果的准确性;此外,多种重要海洋环境演变参数并未建立起有效的生物标志物指标。未来的海洋生态环境重建研究应从结合新技术新方法厘清生物来源,整合大数据分析方法构建有更精确对应关系的校正公式以实现定量反演和准确预测,同时结合功能微生物群落筛选出更具独特性的新型生物标志物等方面开展研究。

21世纪中国海洋环境保护科学面临的问题和发展趋势

海洋环境保护科学是一门新兴的、应用性很强的科学。其产生本身就开始打破了原本某些学科“封闭”研究的状态 ,改变了经典性学科所形成的学科分化式研究为主的“学科导向性”研究的模式 ,率先走上以“问题导向性”的研究道路。也就是科学研究的发展动力是以社会需求为主 ,而以学科发展为辅。 2 1世纪海洋环境保护科学的发展将会使当前仍呈较离散性各分支学科的研究 ,从整体上进入更高层次 ,其学科发展的“问题导向性”会更趋明显。这里所说的“问题”就是海洋环境与发展问题中的重要科学问题。国际和国内实施的一系列大型研究计划如“国际地圈与生物圈研究计划(IGBP)”中的“海岸带陆海相互作用研究 (LOICZ)”和“全球海洋通量研究 (JGOFS)”、“全球海洋环境污染调查监测计划(GIPME)”、“全球海洋观测系统 (GOOS)”、“全球海洋生态系统动力学 (GLOBEC)”以及近期启动的“全球有害赤潮生态学与海洋学 (GEOHAB)”和“渤海碧海行动计划”等 ,将都是根据有关的科学问题提出 ,并以解决这些科学问题为目标 ,组织多学科、跨学科的综合研究。与此同时 ,对于各分支学科基础理论和技术方法研究的创新性实际上有更高的要求。

基于“双核”评价框架的近40年来胶州湾海洋环境健康状况演变

基于近海生态环境健康状况“双核”评价框架,文章综合评估近40年来胶州湾海洋环境健康状况,梳理胶州湾生态环境伴随青岛市经济社会发展的演变历程。以每10年为1个区间,近40年来胶州湾海洋生态环境健康状况的“双核”评价结果为:1981-1990年为“良+0.22”、1991-2000年为“优+0.53”、2001-2010年为“良+0.87”以及2011-2020年为“优+0.90”。随着青岛市经济社会的发展,人类对胶州湾海洋资源环境开发利用的力度不断加大,胶州湾生态环境也出现各种问题:20世纪80年代水质恶化,90年代生物群落健康状况下滑,2000年后富营养化问题严重。2010年以来,青岛市加大生态保护和环境治理力度,胶州湾的海洋生态环境得到显著改善,而伴随着新旧动能转化提速和产业结构不断优化升级,经济开发活动对胶州湾海洋生态环境的扰动不断降低,最终实现胶州湾海洋经济与环境良性、健康的绿色发展模式。

“我国近海有害赤潮发生的生态学、海洋学机制及预测防治”研究进展

介绍国家重点基础研究发展计划项目(“973”项目)“我国近海有害赤潮发生的生态学、海洋学机制及预测防治”的研究背景和主要研究内容,即以我国赤潮高发区东海作为主要研究海域,重点开展重要有害赤潮种的生物学特征及生态适应策略研究;近海赤潮高发区有害赤潮与富营养化的关系研究;近海赤潮高发区有害赤潮生消关键物理过程、数值模拟与预测研究;有害赤潮的危害机理及防治机理研究等。简要报道了项目通过现场综合航次获得的东海大规模赤潮发生前后水文、化学和生物学等诸多要素的变化特征,以及结合实验室模拟研究,在探索重要赤潮生物种群变化的动力学过程及其调控机理等方面取得的进展。另外,对项目的研究前景进行了展望。

70年来中国化学海洋学研究的主要进展

我国的海洋化学工作者通过70年来,特别是近30年来的化学海洋学研究,实现了我国与世界先进水平进入同步发展的快车道,其显著的特点是:(1)化学海洋学研究从元素地球化学分布系统转向了以揭示深层次海洋生物地球化学过程为核心的研究;(2)化学海洋学研究实现了多领域、多视点的综合交叉研究;(3)更加关注了人为影响与自然变化共同作用下的海洋生态环境变化研究,对近海和海岸带而言,更加注重从海陆统筹一体化角度探析化学物质的分布迁移特征。本文从生源要素的海洋生物地球化学过程、微/痕量元素与同位素的海洋化学研究、生物过程作用下的化学海洋学过程等角度,重点总结归纳和分析了30年来我国海洋化学研究的重要进展和发展状况,以期对化学海洋学的进一步研究提供借鉴和启迪。

中国海洋碳循环生物地球化学过程研究的主要进展(1998-2002)

阐述了1998-2002年期间中国海洋碳循环及其生物地球化学过程研究的3个主要进展部分:(1)海-气二氧化碳通量过程;(2)海水中碳及其生物地球化学循环;(3)入海河流流域土壤和沉积物在海洋碳循环中的作用。海洋与陆地容纳了近一半人类排放的二氧化碳,另外的50%被释放到大气中,海洋在缓和二氧化碳温室效应方面的作用不言而喻的。海洋储有的碳主要以无机碳的碳酸盐(CO32-)和碳酸氢盐(HCO3-)的形式存在。海洋生态系统通过生物泵的作用驱动大气CO2进入海洋,在表面混合层中,由于生物的光合作用,CO2不断被转化成有机碳和生物碳酸盐,并进一步从表层CO2向深层转移,形成了海洋碳循环的主要途径。海洋水体中碳循环过程受到河口与近海碳的形态、转化、分布、迁移和生物生产过程等影响,海洋生物泵明显影响着海洋对空气中CO2的容量。春季和冬季东中国海皆为大气二氧化碳的汇,夏季皆为二氧化碳的源,秋季渤海与北黄海为二氧化碳的汇,南黄海与东海是二氧化碳的源。入海河流流域土壤、非入海河流流域的土壤和海洋沉积物在碳的来源、分布、含量及其迁移循环中具有重要的作用。

脂肪酸标志物在海洋生态系统营养关系研究中的应用

脂肪酸在食物链传递过程中相对保守,可以作为标志物示踪研究海洋生物间的营养关系。脂肪酸标志物属于营养学标志物的一种,是海洋生态系统营养关系研究中很有发展前景的分析方法之一。总结概括了目前国际上应用较广泛的脂肪酸标志及脂肪酸标志体系的建立过程、近年来脂肪酸标志物在海洋生态系统营养关系研究中的应用领域,展望了脂肪酸标志法的应用前景。

中国海洋浮游植物和赤潮物种的生物多样性研究进展(二):东海

东海海域是我国典型的赤潮频发区,东海沿海的水产养殖业和生态系统等都受到很大影响。本文分析了1958—2019年间东海海域内67个浮游植物调查数据,通过比较东海海域浮游植物物种调查获得的历史数据,重点分析赤潮及赤潮物种的组成,并对相关数据进行剖析和解读。共统计出东海海域浮游植物773种(包括65个变种),其中棕鞭藻门470种(包含42个变种),甲藻门253种(包含23个变种)。这些浮游植物中包括了赤潮物种135个,其中棕鞭藻门73个物种,甲藻门56个物种,定鞭藻门和蓝藻门各3个物种。比较发现该海域硅藻和甲藻的相对物种丰富度并没有发生显著的变化。本文分析结果可为东海海域和其他海域浮游植物和赤潮物种生物多样性的研究提供参考。

中国海洋浮游植物和赤潮物种的生物多样性研究进展(四):长江口

长江口海域是我国的一个典型水域,具有很高的浮游植物物种多样性,其中包括很多种赤潮物种,引起赤潮频发。本文总结了过去40年间长江口海域历次航次调查的研究结果,比较分析了52个航次调查鉴定的浮游植物组成,重点探索了赤潮物种的组成,并详细描述了长江口海域的6种典型赤潮物种:中肋骨条藻、东海原甲藻、旋链角毛藻、夜光藻、米氏凯伦藻和尖刺拟菱形藻。在文献报道的657个浮游植物物种(包括571个物种和86个鉴定到属的未定种)中,硅藻(368个物种和55个未定种)和甲藻(149个物种和15未定种)占绝大多数。这些浮游植物中赤潮物种占125个,包括硅藻69种、甲藻49种、金藻2种、隐藻1种和蓝藻3种。本文为比较研究不同海域赤潮物种的生物多样性,探讨生物多样性的起源与演化,为解读宏基因组学及宏条形码分析结果提供了基础。

数据同化在海洋生态模型中的应用和研究进展

将数据同化方法引入海洋生态系统动力学模型研究,利用现有的观测数据,获得最佳的模式参数、初始场或提高状态模拟,是当前多学科交叉研究的热门领域。本文依据国内外研究进展,主要就海洋生态模型研究中所采用的变分伴随、卡尔曼滤波、模拟退火法方法进行了介绍,总结了数据同化在我国的海洋生态系统研究中的现状和发展趋势。

中国海洋浮游植物和赤潮物种的生物多样性研究进展(一):渤海

渤海是我国最大的半封闭型内海,也是重要的海洋生物产卵场、育幼场和索饵场。其陆源径流丰富,环境异质性高,具有很高的浮游植物物种多样性,其中包括大量的赤潮物种。该海域赤潮频发对水产养殖、生态环境、旅游业等造成了很大影响。因此,针对该海域浮游植物物种多样性的研究具有极其重要的意义。本文整理了1957—2019年间46个主要航次的调查资料,比较分析了这些航次中鉴定的浮游植物组成以及相对丰度,并跟踪分析了近20年来渤海的主要赤潮事件,重点描述了赤潮物种多样性,并详细阐述了常见赤潮物种。在航次鉴定的140个赤潮物种中,包括硅藻78种,甲藻52种,定鞭藻5种,绿藻4种和蓝藻1种。本文为比较研究包括渤海海域在内的不同海域浮游植物和赤潮物种的多样性,探索海洋生物多样性的起源和演化规律,解读宏基因组学及宏条形码分析结果提供了基础和参考。

中国海洋浮游植物和赤潮物种的生物多样性研究进展(三):南海

中国南海是世界上最大的边缘海之一,位于印太交汇区的北端。独特的地理环境和气候条件使其生态环境极其复杂,使得南海海域的赤潮具有特殊性和典型性。近20年来,南海赤潮现象呈攀升态势,对水产养殖业、滨海旅游业、海洋生态系统及人类健康都有着严重的危害。为了系统了解南海海域浮游植物,尤其是赤潮物种的种类组成、相对丰度及年际变化,本文对近30年间(1987—2018)南海海域涉及浮游植物调研的44个航次数据进行了统计和比较分析,共记录到500种浮游植物、65个鉴定到属的未定种和1个未定类的三深碎裂藻。其中,硅藻(289种和37个未定种)和甲藻(186种和21个未定种)占绝大多数,包括赤潮物种149种。其中大部分浮游植物尚未得到系统的分子鉴定。比较发现不同航次报道的物种数目相差较大,种类相似度不高,硅藻和甲藻的相对优势地位无明显演替现象。南海海域最常见的赤潮物种以硅藻为主,包括菱形海线藻、中肋骨条藻、洛氏角毛藻、尖刺拟菱形藻、柔弱拟菱形藻、球形棕囊藻、夜光藻和锥状斯氏藻。本文将为比较研究不同海域赤潮物种的生物多样性,解读宏基因组学及宏条形码分析结果提供参考。

对海洋科学的认识与实践

"热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响"是中国科学院海洋领域投入最大、参加人员最多的一个海洋科学先导项目,该项目使我们第一次有机会从海洋系统角度研究中国近海到西太平洋的一些海洋前沿问题。来自物理、化学、生物、地质和大气等不同学科的科学家们围绕共同的问题,在同一个区域、从不同方向开展协同研究。目前,海洋先导专项已在深海探索与研究、海洋能力建设、科考平台建设、技术队伍建设、科研与技术有机融合的体系建设和海洋前沿探索方面取得一系列突破,为全面、综合地开展深海资源的探测与近海生态安全研究奠定了重要基础。海洋先导专项更多系统性、有影响力的成果将在未来不断涌现出来。

近海海洋酸化对痕量元素在沉积物-海水界面处生物地球化学特性的影响研究

痕量元素在海洋环境中不仅能够密切参与物质循环,显著调控生命代谢,有些情况下还会对浮游及底栖生物产生抑制和毒害,是海洋系统中具有重要生物地球化学作用的“双刃剑”。工业革命以来,海洋不断吸收大气CO_(2)使得海水pH和碳酸根浓度持续下降,在全球范围内都出现了海洋酸化的现象。海洋酸化作为新的环境胁迫打破了痕量元素在沉积物-间隙水-上覆水中既有的平衡态势,导致痕量元素在海洋环境中的生物地球化学特性变得更加复杂和不确定。本文从痕量元素在沉积物-海水体系中的赋存形态与交换过程入手,探讨了海洋酸化条件下痕量元素在沉积物-海水体系中的扩散迁移与再平衡行为,分析了由此产生的生物毒性效应和生物可用性影响。最后,对海洋酸化与多种环境条件、多种污染物联合作用所导致的与痕量元素相关的生态效应研究进行了展望,以期为未来海洋酸化与痕量元素协同研究提供有意义的科学参考。

同位素示踪技术在海洋环境研究中的应用

综合δD、δ18O、224Ra、226Ra、228R、钍系同位素和210Pb、14C等同位素示踪技术研究的最新成果,概述了同位素示踪技术在海洋水体运动、颗粒动力学、海洋生物生产力、沉积动力学、古海洋学等方面的研究进展,提出了在这一领域应重点发展的研究方向,以期推动同位素示踪技术在海洋环境研究中的应用。

细菌藿多醇的环境指示作用及其在海洋生态环境重建中的应用

细菌藿多醇(Bacteriohopanepolyols,BHPs)是细菌细胞膜中高度结构变异的五环三萜类化合物,易保存且受成岩作用影响较小,广泛分布于陆地和海洋环境中。BHPs作为一种新型微生物标志物,由于其细菌来源专属性和环境专属性,近年来已在示踪有机质来源、环境演变过程以及反演古环境方面表现出巨大的应用潜力。本文系统分析了近年来全球土壤、沉积物和海水中BHPs的组成、分布和来源,发现热带和温带区域中BHPs的多样性和含量通常高于寒带区域,且由土壤、河流、近海到外海海域逐渐降低。探讨了土壤标志物BHPs、细菌霍四醇同分异构体(BHT-Ⅱ)和35-氨基霍多醇在有机质来源、缺氧环境、厌氧氨氧化和甲烷氧化活动方面的环境指示作用及在海洋生态环境重建中的应用,以期为示踪海洋生态环境变化提供新指标和新途径。

铁同位素在现代海洋环境的示踪研究

随着海洋环境介质铁同位素测试技术的发展,特别是海水和沉积物中不同铁赋存形式的同位素组成研究备受重视,铁同位素已经展现出对各类生物地球化学过程的崭新的示踪作用。本文在不同铁价态和赋存形式之间转化的专属分馏机制框架总结基础上,汇总了现代海洋环境中大气沉降、陆源径流、沉积物、地下水和海底热液等不同来源的铁同位素特征范围,探讨了海洋内部铁循环的生物地球化学过程,包括生物吸收、颗粒态/溶解态铁的转化以及清除作用的铁同位素分馏机制,辨析海水剖面在不同层位上铁同位素组成的主导控制因素。另外,应用溯源混合模型甄别大西洋、太平洋和南大洋等多个海域铁来源,以此验证了全球气候变化与海陆多个物理化学过程的密切关系;利用不同结晶度和反应活度的矿物铁同位素数据可示踪早期成岩过程中铁还原的深度和程度,亦有助于辨析古海洋沉积物的铁同位素数据并提高古氧化还原环境的重建精度。

小型桡足类在海洋生态系统中的功能作用

依据渤海周年的中型浮游动物网样品 ,研究了小型桡足类的优势种小拟哲水蚤(Paracalanusparvus)、强额拟哲水蚤 (Paracalanuscrassirostris)和双刺纺锤水蚤 (Acartiabifilosa)生物量的季节变动、分布和年产量 ,并与渤海大型桡足类的优势种中华哲水蚤 (Calanussinicus)进行了比较。结果表明 ,三种小型桡足类成体的年产量分别为 2 4 .89、1 0 .83和 1 9.5 4mgC/(m3·a) ,中华哲水蚤的年产量为 1 8.30mgC/(m3·a)。小型桡足类主要分布在近岸 ,特别是渤海湾和莱州湾 ,这里正好是许多经济鱼类的产卵场和育幼场 ;而中华哲水蚤主要分布在中央水域。小型桡足类的高峰季节持续时间长 ,从 4月到 1 0月 ,覆盖了几乎所有仔稚鱼大量出现的月份 ;而中华哲水蚤高峰季节持续时间短 ,仅 6月和 7月。另外 ,在粒度上 ,小型桡足类的卵、无节幼体、桡足幼体和成体都比中华哲水蚤等大型桡足类小了一个数量级 (按体积计 ) ,特别适合作为仔稚鱼的饵料。因此认为 ,在近海生态系统中 。