【基金】2010CB428900-我国陆架海生态环境演变过程、机制及未来变化趋势预测

项目名称：我国陆架海生态环境演变过程、机制及未来变化趋势预测首席科学家：赵美训 中国海洋大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部 国家自然科学基金委员会一、研究内容（一）拟解决的关键科学问题国内外研究结果表明气候变化和人类活动都已对海洋生态环境造成很大影响。位于西太平洋和欧亚大陆之间的东海和黄海，其生态环境首先受控于区域气候变化，比如PDO、ENSO和东亚季风。作为边缘海，东海和黄海又是受人类活动影响最严重的海域之一。随着气候变暖和人类活动影响的加剧，我国陆架海生态环境面临的压力日益加重，国家急需制定科学的海洋生态环境保护和应对政策。而区分气候变化和人类活动对陆架海生态环境的影响、揭示生态环境变化机制是国家制定生态环境保护政策所必须解决的科学问题，也是国际上科学难题之一。为此，本项目选择东海和黄海陆架区为主要研究对象，紧密围绕我国陆架海生态环境的高分辨率重建及演变规律揭示、气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境影响的区分、我国陆架海生态环境变化机制的模型量化与未来趋势预测三个关键科学问题开展研究。1. 我国陆架海生态环境的高分辨率重建及演变规律揭示（记录与规律）研究海洋生态环境变化驱动机制的前提是要有长期连续资料来确定生态环境变化的幅度、规律及时空格局。但在我国陆架海，没有连续的长时间尺度生态环境重建记录，器测生态环境记录也只有50年左右，并且大部分不连续，不能得到年际以上尺度的生态环境演变规律。因此我国陆架海生态环境的高分辨率重建及演变规律揭示是本项目首先要解决的科学问题。中国陆架海有大面积的连续沉积泥质区，利用最新发展的生物标志物和同位素技术，可以获得高分辨率的、长期连续的陆架海生态系统演变记录和规律。2. 气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境影响的区分（机制区分）影响我国陆架海生态环境变化的因素很多，从驱动机制上主要可以分为气候变化和人类活动两大类。由于我国陆架海（含河口区近岸段）宽阔，生态环境受人类活动和气候变化的影响程度空间差异大。因此，区分和评估气候变化和人类活动的影响，揭示生态环境变化机制是本项目的核心科学问题。明确驱动机制不仅是国家正确制定政策、保障生态环境安全的科学基础，也是建立和利用性能高的模式进行未来趋势预测的先决条件。通过分析、比较重建记录和现代调查资料得到生态环境变化的时空格局，可以定性区分气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境的影响，揭示生态环境变化机制。3. 我国陆架海生态环境变化机制的模型量化与未来趋势预测（机制量化与预测）对海洋生态环境变化的机制与预测进行量化研究，是国际科学前沿，也符合我国社会经济可持续发展的迫切需求。但我国在此方面的研究还不足，因此利用生态模型对我国陆架海生态环境变化机制进行量化、对已有模型进行改进以提高其预测我国陆架海生态环境变化的可靠性，也是本项目的关键科学问题。模型量化研究首先需要利用现场观测的季节变化信号和重建记录中的部分重大事件来校验、改进生态模型，然后利用模型实验进一步阐明我国陆架海生态环境变化的影响机制，从而提高我国陆架海生态环境未来变化趋势预测的可靠性。（二）主要研究内容本项目结合沉积记录、历史资料与现场调查资料，开展中国陆架海生态环境演变规律、驱动机制及未来变化趋势预测的研究。选择初级生产力和浮游植物群落结构作为生态结构变化的主要研究内容，首先因为初级生产力和浮游植物群落结构是整个生态系统最基本和重要的参数，必须先明确它们的变化机制才能进一步研究高营养层次生态结构（包括鱼类）的演变机制。其次，初级生产力和浮游植物群落结构对气候变化的响应机制的研究已有一定的基础，在此基础上区分气候变化与人类活动对海洋生态环境的影响是可行的。1. 我国陆架海生态环境年代际变化的沉积记录重建选择东海和黄海典型海区（图1），利用生物标志物、同位素和古生物化石等方法重建过去2000年的年代际分辨率生态环境演变记录。选择重建2000年记录，首先是因为工业革命前人类活动影响较少，所以这个时期的记录主要反映了自然环境变化驱动下我国陆架海生态环境变化的幅度及规律。另外，过去2000年我国陆架海生态环境发生了较大的变化，所重建的记录可以为验证和改进模型提供变化强度较大的参数。所重建的主要古环境、古生态参数见总体研究方案部分的表1，具体研究内容包括：1) 样品采集和测年：分别在东海和黄海的典型海区（图1）采集沉积物柱状样，利用210Pb、137Cs 、14C测年得到样品年龄，构建沉积物年龄框架。2) 生产力及浮游植物群落结构重建：利用传统的古生物方法及最近发展起来的有机地球化学手段重建陆架海柱状沉积样中的主要浮游植物 (硅藻、颗石藻、甲藻)及部分浮游动物（有孔虫、放射虫）含量和相对比例变化；同时利用多参数（总有机碳、无机元素比、生物硅、硅藻化石及颗石藻化石等）重建初级生产力变化规律。这些指标的测定可以用来揭示过去2000年来东海和黄海生产力和群落结构的变化幅度和规律。3) 海水物理环境因子重建：利用长链烯酮不饱和度（Uk37）、古菌古温度指标TEX86和硅藻转换函数重建陆架海过去2000年来海水表层温度的变化；利用有孔虫氧同位素、硅藻化石转换函数及浮游植物生物标志物氢同位素重建海水表层盐度记录；利用重建的温度和盐度记录及已发表的季风记录研究海洋环流的变化。4) 沉积物营养元素测定：分析沉积物及其孔隙水中不同形态的碳、氮、磷、硅等营养元素的时空分布特征，探讨营养元素在陆架海生态系统演化过程中的生物地球化学规律及作用。5) 陆源输入重建：利用生物标志物、矿物组成变化、无机元素及其同位素比值等重建陆源物质（包括沙尘和气溶胶）输入，从物质的“源-汇”效应角度出发，探讨历史时期海陆相互作用过程，主要研究陆源营养盐的输送对陆架海生产力及生态结构的影响。2. 我国陆架海生态环境年际变化的沉积记录重建在东海和黄海高沉积速率区（图1）及部分岛屿取样，重建过去200年的年际分辨率生态环境演变记录。选择重建200年记录，一是因为这段时间的人类活动影响明显增加，通过与2000年记录比较，可以初步区分人类活动和气候变化对生态环境的影响；二是因为210Pb、137Cs 的定年准确度高，可以得到年际分辨率的记录，并可与历史资料比对建立校正关系。但210Pb定年范围只能到过去200年，而老于200年的样品定年只能通过14C等方法，14C法对年轻样品定年误差大，不能达到年际分辨率。所重建的主要古环境、古生态参数见总体研究方案部分的表1，具体内容如下：1）在东海和黄海高沉积速率区域采样（图1中的高厚度泥质区），采用210Pb、137Cs定年。2）到5）研究内容与上述过去2000年记录相同，但分辨率是年际尺度，所使用的方法也有不同。6）人类源污染物输入重建：分析近海沉积剖面中重金属（如Pb、Hg、Cd、As、Sb等）含量和形态、生活污水甾醇（粪醇）以及其它有机污染物含量，高分辨率重建过去200年人类污染元素在近海的连续记录；结合同位素示踪技术，并在与自然背景值进行比较分析的基础上，探讨微量重金属元素分散和富集的过程与机制，客观评价污染元素和有机污染物潜在生态环境效应，探讨人类活动对陆架海生态系统的影响。7）从初级生产者次级生产者渔业资源海鸟这条食物链出发，利用生物遗存和替代性指标恢复海鸟数量和鱼类生物资源的变化，初步探讨我国陆架海区海鸟数量、海洋初级生产力、渔业资源、气候变化相互之间的耦合机制。3. 我国陆架海生态环境现场调查和历史资料分析通过本项目两年的多学科综合调查，结合历史资料和已经结题及正在进行的有关973等大型研究项目的研究成果和资料，进一步深化对陆架海生态环境要素的时空分布、变化规律的认识。回答在我国经济快速发展的背景下，一些重要的物理、化学、生物和生态过程如何响应日益严重的人类活动影响。主要研究内容包括以下几个方面：1) 我国陆架海环境因子的季节、年际及空间变化规律：收集研究海区近50年来的调查资料以及过去20年卫星遥感资料，分析比较温、盐、营养盐、大河径流等环境因子的年际变化及空间变化，通过2年6个季节的现场调查资料(图2)，解析各关键环境因子的季节变化规律，分析各种水团的消长及环流变化（如长江冲淡水、沿岸流、台湾暖流、黄海暖流、黄海冷水团、黑潮）和陆地径流变化对营养盐等关键环境因子的影响。2) 我国陆架海生态结构及其演替特点：通过收集过去20年来的调查资料及卫星遥感资料并结合本项目2年的现场调查，查明东海和黄海陆架区主要浮游植物、部分浮游动物、部分底栖生物生物量、生物密度、物种组成、群落结构的季节变化，年际变化与空间分布规律，确定对整个生态系统起决定作用的关键种和标志种及其演替过程。3) 陆架海典型生态区的生态-环境响应：选择典型区域和案例（如长江口锋面、黄海冷水团）研究自然变化和人类活动（农业施肥、拦坝和近海重大工程等）对海洋生态结构的影响。4) 通过现场调查和受控模拟实验了解生态结构演替和关键环境因子的受控关系：了解陆架海生物过程的主要调控因子及其季节变化，确定主要生物地球化学过程，如限制性生源元素N、P的高频波动和浮游植物群落动力学，生源要素多级利用、内循环和再生、界面通量等关键过程对生态过程发展的作用。在改进的生态模型指导下，进行现场调查，设计部分受控模拟生态实验，进一步评估营养盐变化对生物群落组成的影响，以及确定生态结构演替和关键环境因子的受控关系。5) 通过现场调查样品的分析和比较，进一步验证和校正生物标志物等作为生态结构替代指标的实用性，提高沉积记录重建的能力和可靠性。图1 研究区域、现场调查断面及沉积物柱状样取样站位图。灰实线为等深线，灰色区域为泥质区，泥质区中的黑实线和数字表示泥质沉积的厚度；虚线表示拟开展研究的现场调查断面，（）表示计划采集的柱状样站位，（）表示已有的柱状样站位。在项目研究过程中将根据初步结果调整和增加柱状样站位。4. 我国陆架海生态环境模型改进和演变过程反演1) 适于中国陆架海的生物、物理模型的验证与改进：利用本项目获得的现场调查资料，结合历史资料和卫星遥感资料对不同物理生物耦合模型ROMS+CoSiNE (Regional Ocean Model Systems+Carbon, Silicate, Nitrogen Ecosystem Model)，POM +OUCECOM (Princeton Ocean Model+Ocean University of China Ecosystem Model)进行校验，根据现代调查的季节变化信号和重建记录中部分重大事件的模拟和反演，改进模型，比较评估不同生态模型的模拟能力；通过不同模型的比对和互校强化模型研究。2) 近50年来我国陆架海生态环境变化的模型反演：对1990-2010年中国陆架海生态环境季节与年际变化进行模拟，认识中国陆架海生态环境对1997/98年的强ENSO事件的响应；以改进后的生态模型进行1958-2010年反演，研究中国陆架海物理环境与生态环境对太平洋年代际振荡（PDO）的响应，分析太平洋区域1976/77年、1989年的状态转换（Regime shift）在我国陆架海的响应。3) 我国陆架海生态环境演变机制综合分析：首先系统分析和比较重建及现代调查所得到的我国陆架海生态环境变化的时空格局，定性评估气候变化与人类活动对我国陆架海不同区域的影响，提出科学假设；利用模型对科学假设进行一系列定性和定量模拟实验（冷、暖、干、湿、风场变化、大河改道、人类营养盐排放增加、大型水利工程等），比较模型反演结果与记录，修正科学假设，进行新的反演模拟实验，定量区分气候变化与人类活动的影响，揭示驱动机制。在此基础上，设计新的受控模拟生态实验，进一步验证模型反演结果和机制。5. 我国陆架海生态环境未来变化趋势预测1) 选用改进后的ROMS+CoSiNE模式作为基础模型，采用以下四种气候模型给出的气候预测：美国地球物理流体动力学实验室GFDL-CM2.0、日本东京大学气候系统研究中心MIROC3.2、美国国家大气研究中心CCSM3、中科院大气物理研究所FGOALS-g1.0，利用已有的化肥和氮氧化物排放预测，驱动ROMS+CoSiNE进行近期及未来50年生态环境状态预测，包括温度和盐度变化、垂直混合强度、黑潮位置、营养盐浓度及输送、初级生产力及浮游植物群落结构等的变化。 2) 以洋盆尺度模拟结果作为中国陆架海的边界条件，选用改进后的POM +OUCECOM 模型，在四种气候预测、已有的化肥-氮氧化物排放预测驱动下进行类似于ROMS+CoSiNE 模型的近期及未来50年预测。 3) 分析预测我国陆架海未来发生重大生态灾害的可能性，评估东海和黄海作为碳汇的未来变化趋势。4) 对不同模型在中国陆架海的预测性能进行分析，通过集合预测(ensemble forecast)分析，评估预测结果的可靠性。二、预期目标（一）总体目标构建过去2000年我国陆架海生态环境演变的时空格局，发现演变规律；区分气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境的影响，揭示其主要驱动机制；发展我国陆架海生态模型，预测我国陆架海生态环境未来变化趋势，评估我国陆架海未来发生重大生态灾害的可能性；丰富和发展陆架海生态环境演变理论，显著提高我国在此领域的国际地位；为国家制定海洋生态环境变化应对政策、促进海洋可持续利用提供科学依据。 （二）五年目标1. 通过多参数高分辨率沉积记录重建，构建过去2000年我国陆架海生态环境演变的时空格局，进一步理清本底，发现演变规律；为未来研究高营养层次生态结构演变规律和机制提供基础；2. 通过综合分析重建记录、历史资料、现场调查数据并结合模式诊断，区分气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境的影响，揭示主要驱动机制，为国家制定海洋生态环境安全策略与政策提供科学依据;3. 建立适合我国陆架海的生态环境变化预测模型，提供我国陆架海未来温度、盐度、初级生产力、浮游植物群落结构等生态环境状态的预测；评估我国陆架海未来发生重大生态灾害的可能性；评估东海和黄海作为碳汇的未来变化趋势;对不同模型在中国陆架海的预测性能进行分析，通过集合预测(ensemble forecast)分析，给出预测结果的可靠性评估；4. 建立多项国际先进水平的古生态、古环境重建方法，进一步提高重建古生态、古环境记录的综合能力;5. 通过5年的努力发表SCI 论文70篇左右，出版学术专著2部；举办国际专题学术会议23次；培育一支具有国际水平的创新团队，培养研究生和博士后100人以上。三、研究方案（一）总体学术思路本项目以“生态环境演变规律重建、揭示生态环境演变过程和机制综合分析、模型量化生态环境未来趋势预测”为主线，研究过去、瞄准现在、面向未来。以地球化学、生态学、物理海洋学及模型相结合的方式开展多学科交叉与综合研究，充分体现我国陆架海的区域特色，达到区分气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境变化的影响，揭示驱动机制，阐明生态环境未来变化趋势的目的。图2 总体研究思路陆架海生态环境演变过程复杂，影响因素多。因此，要研究驱动机制，必须获得生态环境演变的规律。由于缺乏重建记录和长期观测资料，本项目拟通过不同分辨率和不同时间尺度的生态环境重建获得我国陆架海过去2000年生态环境演变的历史和规律，结合历史资料和现场调查，定性区分气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境的影响。获得的重建记录、历史资料和现场调查资料可以用来验证和改进已有模型，使其能应用到我国陆架海。通过综合分析记录和资料，结合改进过的模型及受控实验，可以进一步区分气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境的影响，量化机制。最后，采用不同IPCC（GFDL-CM2.0、MIROC3.2、CCSM3、FGOALS-g1.0）气候模型驱动改进后的适合于我国陆架海的生态模型（ROMS+CoSiNE，POM+OUCECOM），进行近期及未来我国陆架海生态环境状态集合预测，提供类似于IPCC报告的生态环境状态预测结果，对预测结果进行可靠性分析。（二）技术途径为回答科学问题，以上述学术思路为指导，设计以下技术途径来完成研究内容，实现本项目的研究目标。1. 现场观测、实验室分析和历史资料的收集与分析针对科学问题，在东海和黄海选取3个包括主要生态环境要素变化的典型断面（图1）设计现场观测研究：黄海代表断面（石岛外海-济州岛西北，冬季跨沿岸流、黄海暖流，夏季跨潮汐锋面和冷水团）、1230E黄海经向断面（跨泥质区并可判断黄海暖流和冷水团范围）以及东海PN断面（有大量历史资料，可以代表长江冲淡水、黑潮陆架入侵和台湾暖流影响范围）。采用多种先进调查设备和技术手段分别在2011年春、夏、秋3个季节和2012年冬、春、夏3个季节进行海洋综合性调查，获取化学、生物和物理过程关键要素的数据资料，进行受控实验。调查船将使用项目依托单位所拥有的“东方红2号”科学考察船。1) 观测及实验室测定要素：物理海洋：温度、盐度、水深、水色、透明度（PARS）、海流、气象要素。海洋化学：DO、营养盐（NO3-, NH4+, NO2-, HPO42- 和Si(OH)4）、pH、碱度、DIC。海洋生物：叶绿素a、分级叶绿素a、分级初级生产力、新生产力、浮游植物群落结构（硅藻、甲藻、颗石藻）、生物量、优势种、微生物（包括细菌生物量、生态呼吸率）、底栖生物等。受控生态过程速率测定：浮游植物生长速率测定，分级初级生产力（14C），分级NO3-N、 NH4+-N吸收速率测定（15N），浮游动物摄食。生物地球化学参数过滤：分级POC、PON和CaCO3、分级Opal、HPLC色素。2) 实验室分析：用元素分析仪分析POC、PON 和CaCO3；用磷钼兰分光光度计分析Opal；高效液相色谱分析色素；液闪法测14C；稳定同位素质谱分析15N；镜下鉴定浮游植物生物量和优势种，底栖生物生物量；用生物标志物方法分析主要浮游植物生物量及群落结构。3) 历史资料收集、分析与资料规范化充分收集研究海域的历史观测资料，除了物理海洋、气象、生物、化学、地质等要素外，还包括与自然变化和人类活动有关的历史资料，特别是重要的历史事件或代表性的年际变异。由于本项目所要利用的初级生产力及浮游植物群落结构数据既包括本项目两年的调查资料也包括过去20年的历史资料，以及部分卫星反演资料，最重要的还有重建的过去2000年的生物标志物记录，因此数据的规范化是本项目的重要研究内容之一。其中，利用现场调查结果与各种反演方法所得到的初级生产力和群落结构结果比较是数据规范化的重要步骤，也是进一步验证和校正生物标志物等替代指标的一种重要途径。2. 沉积物样品采集在东海和黄海的泥质区沉积中心（图1），结合浅地层剖面观测，获取20个沉积钻孔柱状样；这些样品，结合已有的几个柱状样，作为年代际分辨率记录陆架海生态环境变化的主要载体。在沉积速率高的近海泥质区，尤其是全新世厚度20米以上的区域（图1）采集多个沉积柱状样，作为年际分辨率记录陆架海生态环境变化的主要载体。同时，采集和分析岛屿、海岸带、湿地、滩涂环境介质样品。海上打钻使用项目依托和参加单位所拥有的“东方红2号”科学考察船及“勘407”钻探船。3. 古生态、古环境指标实验室分析本项目将利用多学科手段，系统分析提取我国陆架海一系列古生态、古环境指标。具体的古环境、古生态参数、替代指标及所使用的主要仪器见表1。表1. 主要古环境、古生态重建参数及替代指标测定参数替代指标主要分析仪器定年过去200年210Pb, 137CsGWL高纯锗能谱仪过去2000年AMS C-14 测年 (贝壳，有孔虫）C14加速器过去2000年有机物C-14生物标志物制备色谱，C14加速器陆源物质输入n-alkane等生物标志物，BIT指标，粪醇气相色谱，液质联用有机物13C, C/N质谱仪淡水硅藻显微镜锶、铅、钕同位素固相同位素质谱仪重金属元素（如Pb、Hg、Cd、As、Sb等）及形态电感耦合等离子体光谱仪、Hg分析仪、元素形态分析仪营养要素N, P, Si营养盐自动分析仪物理环境因子温度UK37，TEX86气相色谱，液质联用硅藻转换函数显微镜盐度生物标志物D有机单体分子同位素质谱仪硅藻转换函数显微镜有孔虫18O无机同位素质谱仪沉积环境沉积物的元素分析Eh、pH等如Al、Si、Mn、Fe、Ti、Cd、Cr ，REE电感耦合等离子体光谱仪等沿岸流/季风沉积物粒度激光粒度分析仪矿物学特征矿物组合及表面微区分析X射线衍射仪、场扫描电镜、电子探针、傅立叶变换红外光谱仪等生产力TOC元素分析仪氮同位素质谱仪生物硅营养盐自动分析仪、荧光光谱仪绿素Chlorin，浮游植物生物标志物总量液质联用，气相色谱，气质联用硅藻化石，底栖有孔虫显微镜生态结构硅藻生物标志物 Brassicasterol，硅藻化石气相色谱，显微镜颗石藻生物标志物 Alkenone，颗石藻化石气相色谱，显微镜甲藻生物标志物 Dinosterol气相色谱浮游动物生物标志物 Cholesterol，放射虫气相色谱，显微镜底栖有孔虫有孔虫化石显微镜4模型利用区域海洋动力学模型ROMS (Regional Ocean Model Systems)、 POM (Princeton Ocean Model)与碳、氮、磷、硅循环生物地球化学模型CoSiNE (Carbon, Silicate, Nitrogen Ecosystem Model)、OUCECOM (Ocean University of China Ecosystem Model)的耦合，建立适于我国陆架海的生态模型，模拟和反演我国陆架海生态环境过去和现在的演变，定量区分气候变化与人类活动对我国陆架海生态环境变化的影响,预测IPCC的4个模型给出的气候变化情景下可能的陆架海生态环境变化趋势。模型研究方案汇总如下：1）物理环境模拟模型工具模型范围与空间分辨率、驱动条件模拟要素与时间范围ROMS整个太平洋，12.5km12.5km、ECWMF海面风与热通量、气候态径流量温度、盐度、黑潮位置、湍流混合；气候季节变化，过去50年中ENSO气候事件及年代际变化，未来50年变化；POM我国陆架海、5km5km、NCEP海面风与热通量、气候态径流量，ROMS结果为开边界条件温度、盐度、环流、湍流混合；气候态季节变化，过去50年中ENSO气候事件及年代际变化，未来50年变化；2）我国陆架海生态模型改进、反演与机制量化模型改进和反演模型范围与空间分辨率、驱动条件模拟要素与时间范围ROMS+CoSiNE12.5km12.5km，过去50年历史资料+过去20年卫星遥感资料驱动，河流营养盐排放NH4+、NO3-、P、Si营养盐浓度、3类浮游植物生物量、2类浮游动物生物量、初级生产力、分粒级初级生产力、碎屑生物量、溶解氧等季节变化、空间分布；陆架海生态环境对1997/98年ENSO事件的响应；POM+OUCECOM5km5km ，过去50年历史资料+过去20年卫星遥感资料驱动，河流营养盐排放，洋盆模拟结果为开边界条件N、P、Si营养盐浓度、2类浮游植物生物量、初级生产力、分粒级初级生产力、碎屑生物量、溶解氧等季节变化、空间分布；对ENSO响应；改进的生态模型近50年水动力环境驱动近50年生态系统演变过程，1976/77年、1989年状态转换时生态系统响应；分析过去50年生态环境变化机制；自然物理环境变化北太平洋冷暖相位（+PDO, -PDO）平均风场、降水/径流干湿变化、黄河改道不同自然物理环境条件下生态环境状态与过去2000年重建记录对比，找到主要影响因子；人类活动影响人类输入营养盐总量变化和不同营养盐比例的变化在过去200年高分辨率记录中找到可能的影响机制；量化自然变化与人类活动的贡献；3）IPCC气候预测情景下未来陆架海生态环境变化趋势预测模型工具模型范围与空间分辨率、驱动条件模拟要素与时间范围改进的ROMS+CoSiNE四种IPCC气候预测模型（GFDL-CM2.0、MIROC3.2、CCSM3、FGOALS-g1.0）预测的未来50年我国陆架海风场、海面热通量、蒸发、降水等气候要素；已有未来营养盐排放预测近期及2025-2034年，2050-2059年平均和季节性变化的水温、盐度、营养盐输送、初级生产力、浮游植物群落结构等生态环境状态；改进的POM+OUCECOM四种IPCC气候预测模型（GFDL-CM2.0、MIROC3.2、CCSM3、FGOALS-g1.0）预测的未来50年我国陆架海风场、海面热通量、蒸发、降水等气候要素；已有未来营养盐排放预测近期及2025-2034年，2050-2059年平均和季节性变化的水温、盐度、营养盐输送、初级生产力、浮游植物群落结构等生态环境状态；集合预测（ensemble forecast）分析将八种预测结果进行集合预测分析，给出未来50年我国陆架海生态环境可能的状态和变化范围及碳源汇变化趋势，评估未来重大生态灾害的可能性，分析预测结果的可靠性。（三）创新点与特色本项目以“生态环境演变规律重建、揭示生态环境演变过程和机制综合分析、模型量化生态环境未来趋势预测”为研究思路，以地球化学、生态动力学、物理海洋学等多学科交叉的方式研究我国陆架海生态环境演变机制和趋势预测，具有鲜明的特色和很大的创新潜力。1. 首次利用重建记录重构我国陆架海生态环境演变过程的时空格局，为研究陆架海生态环境演变提供新思路；2. 通过跨时间（过去-现在-未来）和跨空间的综合比较研究，区分气候变化和人类活动对陆架海生态环境的影响，揭示陆架海生态环境变化机制；3. 采用从大气到海洋、从整个太平洋到我国陆架海（Downscaling）不同时空分辨率的模型和嵌套的研究策略，较之以往的数值实验或机制研究更加合理先进； 4. 综合利用重建记录、历史资料和现场调查数据，验证并改进生态模型；利用改进过的生态模型预测我国陆架海未来年平均和季节性变化的生态环境状态，通过集合预测分析提高我国陆架海生态环境变化预测的可靠性。（四）可行性分析1. 本项目学术思路清楚，科学目标明确、有限，有望在生态环境演变机制和预测这两个科学前沿问题上实现理论上的突破。2. 承担项目的各单位在利用生物标志物和同位素等先进方法重建全新世古环境-古生态的研究方面具有世界一流水平，在建立和利用区域海洋动力学-生态耦合模型方面也具有国际一流水平，为完成本项目的预期目标提供了坚实基础。3. 本项目由教育部、中国科学院、国家海洋局和中国水产科学研究院4个部门7个单位联合承担。项目承担单位和主要科研人员长期从事海洋环境领域的基础理论和应用研究，主持和参与了全国海洋综合调查、国家“八五”、“九五”与“十五”专项调查以及多个国家重点基础研究发展规划项目、国家自然科学基金重大与重点项目、国家杰出青年科学基金项目、国家科技攻关项目和中外合作研究等，为本项目的实施奠定了坚实的研究基础。同时，项目组还积累了大量的历史现场检测数据资料，为项目奠定了初步的数据资料基础。4. 项目承担单位拥有设施先进的科学调查船，配备有先进的海上调查设备和分析测试设备，并有1个正在建设中的海洋科学与技术国家实验室和10余个省部级重点实验室，为本项目开展检测研究、试验研究和模拟研究提供了良好的硬件条件。5. 项目参加人员构成了一支学科交叉并具有良好科研素质的研究队伍，绝大多数具有博士学位，有在国外工作多年或到国外进修深造经历。其中大多主持或参加过“国家科技支撑计划”、“国家专项”、国家“863”、“973”、“国家自然科学重点基金”等项目。队伍中有国家杰出青年基金获得者1名，教育部新世纪优秀人才支持计划5名，中国海洋大学“筑峰人才工程”特聘教授1名。项目组成员来自海洋化学、海洋生物、海洋生态、物理海洋、海洋地质、环境科学等学科领域，专业具有互补性，并各自有较丰富的学术成果积累和研究经验，完全能够胜任本项目的研究工作。项目建议首席科学家是国际知名的海洋有机地球化学专家，在此领域有广泛的国际合作基础，在国外工作期间曾主持和参与几项大型项目，回国后也主持了多项国家级项目，积累了丰富的项目组织经验，因此可保证该项目取得高水平研究成果。6. 在组织方式上，项目由首席科学家主持，实行首席科学家与课题负责人两级责任管理；设立学术咨询专家组进行指导、监督与把关，建立定期检查制度；项目下设项目办公室，具体协调和管理项目的实施，定期发布信息通讯和组织多种形式的学术交流；在项目执行期间举办2次有本领域国内外知名学者参加的国际学术讨论会；项目设置的每个课题由2个单位牵头实施，在优势互补前提下单位之间的研究人员适当交叉，必要时招聘优秀科研人员充实本项目的研究力量。（五）课题设置1. 课题设置的思路本项目以“生态环境演变规律重建、揭示生态环境演变过程和机制综合分析、模型量化生态环境未来趋势预测”为主线，设置了四个课题。第1课题和第2课题重建不同分辨率的生态环境演变记录，得到在自然气候变化驱动为主（过去2000年）和人类活动/自然气候变化双驱动（过去200年）背景下的变化规律，第3课题的历史资料整理和现场调查进一步明确现代生态结构变化规律，来回答科学问题一（记录与规律）。系统分析和比较前3个课题所得到的我国陆架海生态环境变化的时空格局，定性评估气候变化与人类活动对我国陆架海不同区域的影响，初步探讨驱动机制（科学问题二）；课题4将首先利用课题1-3所提供的数据以及其它海水动力数据，对已有生态模型进行改进和校验，然后通过模型反演实验和受控实验定量区分气候变化和人类活动的影响，进一步揭示生态环境变化驱动机制，同时将利用验证和改进过的生态模型预测我国陆架海生态环境近期及未来变化趋势，回答科学问题三（机制量化与预测）。课题的设置、相互之间的联系及其与科学问题的关系见图3。四个课题次序分明、相互依托，体现了学科的交叉和融合，构成了“我国陆架海生态环境演变过程、机制及未来变化趋势预测”项目的有机整体。2. 各课题间的有机联系（图3）图3 课题间有机联系示意图3. 各课题与项目预期目标的关系通过第1和第2课题的重建研究，可以建立多项国际先进的古生态、古环境重建方法，提高高分辨率重建古生态、古环境的综合能力，构建我国陆架海生态环境变化的时空格局，理清本底。第3课题和第4课题结合第1、2课题的重建，可以获得我国陆架海生态环境的演变规律，区分气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境的影响，揭示驱动机制；第4课题的模拟可以给出近期和未来我国陆架海温度、盐度、初级生产力、浮游植物群落结构等生态环境状态预测图。4.课题设置及主要研究内容课题1、我国陆架海生态环境年代际变化的沉积记录重建及特征分析预期目标：确定我国陆架海生态环境演变的自然规律，为区分气候变化和人类活动对我国陆架海生态环境演变的影响提供必需的背景资料，为验证模型和改进模型提供数据。研究内容：利用同位素地球化学手段建立我国陆架海典型海区过去2000年的年代模式；利用生物标志物含量和比例以及微体化石的变化研究我国陆架海过去2000年浮游植物生态结构年代际变化；利用有机地球化学和古生物学的手段重建我国陆架海过去2000年海水表层温度、海水盐度及海洋环流的年代际变化；研究沉积物中生源要素的演变历史；利用生物标志物和无机元素及其同位素比值等方法重建陆源输入；将上述研究结果与其他古环境和古气候指标结合揭示过去2000年我国陆架海生态环境演变规律，定性研究驱动机制。经费比例：61.33%（其中12%为课题经费，49.33%为公用经费，由首席科学家负责管理使用）承担单位：中国海洋大学、中国科学院南海海洋研究所课题负责人：赵美训学术骨干：刘素美、李先国、向荣、邢磊、张桂玲、许淑梅课题2、我国陆架海生态环境年际变化的沉积记录重建及特征分析预期目标：建立过去200年陆架海生态系统变化的敏感替代性指标，恢复过去200年陆架海典型海域生态系统年际变化过程，为验证和改进预测模型提供必需的数据，并为最终能科学评估人类活动和自然环境变化对陆架海生态系统的影响提供数据资料。研究内容：对在高沉积速率区域取得的沉积柱样采用210Pb、137Cs定年方法，建立过去200年年际分辨率的时间坐标；研究我国陆架海过去200年浮游植物生态结构年际变化，重建我国陆架海过去200年来的海水表层温度、海水盐度及海洋环流的年际变化；研究沉积物中生源要素的演变历史；利用生物标志物和无机元素及其同位素比值等方法重建陆源输入，注重人类源污染物输入的重建；探讨我国陆架海区海鸟数量、海洋初级生产力、渔业资源、气候变化相互之间的耦合机制；结合过去2000年自然背景下生态环境演化研究结果，从历史角度初步阐释过去200年陆架海生态系统对人类活动、气候变化的响应和反馈机制。经费比例：12.5%承担单位：中国科学技术大学、中国水产科学研究院黄海水产研究所课题负责人：孙立广学术骨干：孙耀、谢周清、刘晓东、刘文齐、梁有庆课题3、我国陆架海现代生态环境变化的主要受控因子甄别预期目标：确定我国陆架海现代生态环境变化的主要影响因子，了解生态过程的受控关系及其过程速率，评价人类活动对近海生态环境演变的影响，为模型提供关键验证参数。研究内容：通过历史资料分析、多学科现场调查和受控生态实验，在季节尺度上查明我国陆架海浮游植物、浮游动物、底栖生物的生物量和群落结构的空间变化，确定对整个生态系统起决定作用的关键种和标志种；估算长江冲淡水、黑潮等水团变化对营养盐等关键环境因子的影响；通过受控模拟生态实验和典型过程的现场调查，了解生态结构演替和关键环境因子的受控关系及其过程速率；通过典型案例（如黄海冷水团、长江口锋面、象山港）研究自然变化、农业施肥、养殖活动和近海重大工程等人类活动对海洋生态结构的影响。经费比例：10.17%承担单位：国家海洋局第二海洋研究所、华东师范大学课题负责人：陈全震学术骨干：蒋辉、金海燕、曾江宁、蔡昱明、王军课题4、我国陆架海生态环境演变机制综合分析及未来变化趋势预测预期目标：改进现有生态模型，以正确模拟我国陆架海生态环境季节变化特征和近期生态环境演变过程，提高生态模型的预测能力。综合分析重建记录和历史资料，进行一系列模型实验，量化气候异常事件（ENSO、PDO 等）和地质异常事件（黄河改道等）以及人类营养盐排放增加对我国陆架海生态环境的影响，定量区分人类活动和气候变化对生态环境的影响，阐明我国陆架海生态环境变化机制。以IPCC 预测的气候情景为驱动条件，以集合预测方法给出未来我国陆架海生态环境变化趋势，评估我国陆架海碳汇变化趋势和未来发生重大生态灾害的可能性，为保障我国生态环境安全提供科学依据。为发展模型研究高营养层次（包括鱼类）生态结构演变机制及未来变化趋势预测提供资料和研究思路。研究内容：以区域海洋模型ROMS(Regional Ocean Model Systems) 模拟太平洋、以POM (Princeton Ocean Model)模型模拟我国陆架海物理环境（水温、盐度、湍流混合强度、环流等）的季节变化和过去50 年的演变过程，驱动已建立的CoSiNE (Carbon, Silicate, Nitrogen Ecosystem Model)和OUCECOM (Ocean University of China Ecosystem Model) 生态模型，反演我国陆架海生态环境的季节变化和过去50 年的演变过程；模拟结果与历史资料和卫星遥感资料比较，改进模型，评估生态模型对我国陆架海生态环境变化对重大气候事件响应的模拟能力；以太平洋洋盆尺度生态模拟为区域生态模型的边界条件，模拟近50 年我国陆架海生态环境，反演其近期演变过程，分析变化机制；进行不同气候条件（如+PDO，-PDO）、黄河改道和人类营养盐排放改变等模型实验，与重建的历史记录对比，量化气候变化与人类活动的贡献，揭示陆架海生态环境变化的主要机制。以四种IPCC 气候预测模式结果驱动ROMS+CoSiNE 和POM+OUCECOM， 对近期和未来50 年生态环境变化趋势进行预测；对8 种预测结果进行集合预测(ensemble forecast) 分析，给出近期及2025-2034 年和2050-2059 年我国陆架海生态环境可能的平均状态和变化趋势，分析预测的可靠性；分析预测我国陆架海未来年代际时间尺度发生重大生态（浮游植物）灾害的可能性；评估东海和黄海作为碳汇的未来变化趋势。经费比例：16%承担单位：中国海洋大学、天津科技大学课题负责人：江文胜学术骨干：柴扉、魏皓、高会旺、刘秦玉、杨桂朋、赵亮、郑小慎四、年度计划年度研究内容预期目标第一年1. 数据采集与分析：1）海域的历史观测资料：物理海洋、气象、生物、化学、地质等；自然变化和人类活动有关的历史资料。2）过去20年多年水色卫星遥感资料数据2. 沉积物采集及生态环境记录重建： 1）在黄海的典型海区采集少数量的沉积物柱状样，建立柱状样的完整剖面特征，利用210Pb、137Cs 、14C测年得到样品年龄，构建沉积物年龄框架。 2）利用传统的古生物方法及最近发展起来的有机地球化学手段重建黄海初级生产力及