食物类我国近海生态系统食物产出的关键过程及其可持续机理

项目名称：我国近海生态系统食物产出的关键过程及其可持续机理首席科学家：唐启升中国水产科学研究院黄海水产研究所起止年限：2006.1至2010.12依托部门：农业部一、研究内容围绕国家对海洋食物供给和资源可持续利用的重大需求以及在中长期发展战略中所面临的海洋资源与权益方面的严峻挑战，从人类活动和自然变化两个方面来研究和认识我国近海生态系统的服务功能及其承载力，目的是剖析食物产出的关键过程与可持续机理，寻求提高近海生态系统食物生产的数量和质量及其可持续开发利用的科学途径。拟解决的主要关键科学问题有:1.食物生产的关键生物地球化学过程生物地球化学过程是海洋生态系统中物质循环的基础，支撑着海洋食物生产。生源要素和痕量营养物质的循环速率和通量的变化在很大程度上控制着食物生产的时空变化与生态系统可持续的生产能力。所包含的科学问题为：陆源与海洋有机质的降解与生源要素的矿化如何驱动近海不同生态亚区的物质循环；界面（沉积物-水、颗粒物-水等）过程对生源要素和痕量元素的不同赋存形态之间转化的控制；营养盐与痕量元素在不同储库之间的流动对食物网中物质传递的示踪原理；生物地球化学过程对近海与大气和开阔海洋之间物质反馈的影响形式；气候变化和人类活动引起的近海环境演变的生物地球化学记录，以及生物地球化学循环对近海生态容纳量的作用机制。2.生源要素循环和补充的海洋动力学机制海洋动力过程通过对生物地球化学的影响对近海生态系统服务与食物产出功能起着重要的调节作用。河－海、沉积物-水、不同水团等界面的海洋动力交换过程决定生源要素的外部补充，环流的输运过程控制生源要素的内部循环，环流、锋面、层化和混合等关键动力过程是形成和维持高生产力区营养供给的物理基础。所包含的科学问题为：重要界面物质交换动力机制及其在生源要素外源补充中的作用；近海环流演变对生源要素内部循环的作用机理；典型生态区关键动力过程特征及其对初级生产和食物网中物质流动的作用；海洋动力过程对气候变化的响应机理及其对生态容纳量的调节作用。3.基础生物生产与关键生物地球化学过程的耦合机理基础生物生产与生物地球化学过程的相互作用直接影响生态系统的食物产出功能。作为海洋食物生产过程中有机物质形成的基础环节，浮游植物群落生物量的增长与颗粒有机物的光合生产以及溶解有机物通过细菌二次生产和微食物环回归食物网的生产过程等均受营养盐和微量元素再生与补充和有机物降解的生物地球化学过程的调控，同时，浮游植物群落和细菌生物量增长的基础生物生产又改变着水体营养盐、微量元素和有机碳库的储量与分布格局，从而影响着生源要素无机—有机形态相互转化的生物地球化学循环过程。所包含的科学问题为：关键生物地球化学过程对浮游植物和微食物环基础生产的调控作用；初级生产产品沿主食物链和微食物环传输的潜在分配比和转换效率；基础生物生产对生源要素循环的影响；基础生物生产对自然变化和人类活动的响应。4.生物功能群的食物网营养动力学食物网营养动力学过程是食物产出的基本过程，是生态系统支持功能和调节功能最终体现。食物网物质与能量的传递取决于生物功能群（包括浮游植物、浮游动物、游泳动物）的组成及其转换效率和产出率，同时，食物产出的数量与质量又受制于人类活动和自然变化。所包含的科学问题为：初级生产与浮游动物功能群的互动关系与动态变化机制；各营养阶层功能群的生态转换效率、移出率和产出率；主要经济种群数量变动与浮游动物功能群动态变化的耦合机理；食物网功能群的组成和食物产出对人类活动的响应机制；近海生态系统食物可持续产出与生态容纳量动态机理。围绕影响近海生态系统食物产出的支持功能、调节功能和生产功能的四个主要关键科学问题，拟选择黄东海典型生态海域、主要生物功能群/关键种，以生物地球化学与全食物网关键过程相互作用为核心，以生态容纳量为切入口，从关键生物地球化学过程对食物生产的支持作用、生源要素循环和补充的关键海洋动力学过程、基础生产及其生物地球化学耦合和生物功能群食物产出过程与可持续模式等方面开展多学科交叉与整合研究。1.关键生物地球化学过程对食物生产的支持作用研究以项目的第1关键科学问题“食物产出的关键生物地球化学过程”为核心，兼顾关键科学问题2、3，侧重于生源要素与痕量物质在近海不同生态亚区中的循环速率和边界物质交换对食物生产的结构、组成和数量变化的影响机制的研究。主要研究内容包括：有机质降解和矿化过程对元素在不同赋存形式之间转化的制约；颗粒物动力学对生源要素的迁移机制；贯跃层物质交换及垂向生源要素的输运；物质通过大气﹑河流与黑潮向陆架补充的时﹑空变化；水生-底栖系统的耦合对富营养化-底层水缺氧演化的作用；气候变化和人类活动对近海生态系统向大气与开阔海洋反馈的影响及在环境中的纪录。2.生源要素循环和补充的关键动力学过程研究以项目第2关键科学问题“生源要素循环和补充的海洋动力学机制”为核心，兼顾关键科学问题1、3，重点开展近海动力过程对重要界面的生源要素外源补充机理、生态系统容纳量动态机理、典型生态区食物可持续生产调节作用的研究。主要研究内容包括：沉积物－水界面动力过程及生源要素补充；不同陆架水团之间的物质交换过程；长江入海陆源物质在陆架上的输运过程；东、黄海环流对生源要素循环及食物生产季节性变化的调节作用；建立典型生态区生源要素循环和生态容纳量模型。3.基础生物生产及其与关键生物地球化学过程的耦合研究以项目第3关键科学问题“基础生物生产与关键生物地球化学过程的耦合机理”为核心，兼顾关键科学问题1、4、2，开展关键生物地球化学过程与生物基础生产的耦合研究，重点进行基础生物功能群结构、数量变动、相互关系以及生物地球化学及物理过程对基础生物生产影响等方面的研究。主要研究内容包括：典型生态区浮游植物群落增长营养动力学与初级生产过程；微食物环功能群的组成和数量与营养盐结构变动的相互作用；浮游植物和微食物环功能群变动对浮游动物功能群的影响；浮游动物功能群对浮游植物和微食物环功能群的摄食压力；次级生产与初级生产耦合模式的时空变化；基础生物生产对高营养层摄食压力的响应。4.生物功能群的食物生产过程与可持续模式的研究以项目第4关键科学问题“生物功能群的食物网营养动力学”为核心，兼顾关键科学问题3、1、2，侧重于不同功能群能量通过食物网的传递效率、各营养层次生物生产力以及人类开发利用对食物生产过程影响和可持续产量研究。主要研究内容包括：浮游生物功能群的动态变化及其上行控制作用与反馈；典型生态区生物资源功能多样性特征、生物资源量和捕捞承载力评估和预测；重要资源种群生物学特征对人类活动和环境变化的响应机制及其种群动态在沉积物中的历史记录；近海生物地球化学过程与养殖容纳量；环境友好型的多元生态优化养殖模式与可持续生产的调控机理；食物产出的可持续产量模型。二、预期目标（一）总体目标从人类活动和自然变化两个方面认识我国近海海洋生态系统服务与产出功能，量化其生态容纳量及动态变化，预测生态系统的承载能力和易损性，寻求我国近海海洋可持续开发利用与资源环境相协调发展的途径。使具有陆架特色的我国近海可持续生态系统理论体系和多学科交叉研究队伍进入国际先进行列。（二）五年预期目标完成项目确定的4个方面的主要研究内容，认识相关的关键科学问题。拟在我国近海生态系统食物产出的关键过程和生物资源可持续利用机理等前沿研究领域取得突破，为“如何才能产出这么多的海洋食物和如何保证可持续产出”两个重大问题提供科学依据，进一步扩大我国在海洋可持续生态系统研究领域己占有的国际地位。*认识影响我国近海生态系统食物产出的支持功能、调节功能和生产功能的关键过程，建立相应的预测模型。主要包括：食物产出的关键生物地球化学过程、生源要素循环和补充的关键动力学过程、基础生产与生物地球化学耦合过程、生物功能群食物网营养动力学过程等。*阐明我国近海生态系统食物可持续产出的机理。甄别人类活动和自然变化对生态系统及其资源的影响和反馈机制，确认近海渔业（捕捞、养殖）生态系统管理的量化指标，寻求提高近海生态系统食物生产的数量和质量的科学途径，为2015年建立我国近海生态系统食物可持续生产和生态系统水平上的海洋管理体系提供科学依据，并为维护我国海洋资源权益提供理论与技术支撑。*加强海洋生态系统多学科交叉与整合研究队伍建设，形成和壮大能积极参与国际前沿领域活动的优秀中青年学术群体，培养研究生70名以上；发表科学论文240篇以上，专著2部；召开国际学术会议2-3次。*建立近海生态系统数据系统和资料共享平台。三、研究方案（一）学术思路1.根据我国陆架边缘海的地理环境特征，把近海生态系统作为一个既具有不同生态亚区又彼此结合的有机的整体，重点研究东、黄海具有高生产力和生物地球化学特色的典型生态区的食物产出过程及调控机制。研究中，拟选择黄海冷水团、东海陆架（包括长江口外和陆架边缘）和近海典型养殖区等为重点调查与实验区域。2.以海洋生物地球化学与全程食物网关键过程相互作用为研究核心，对食物产出的关键生物地球化学过程、生源要素循环和补充的海洋动力学机制、基础生物生产与关键生物地球化学过程的耦合、生物功能群食物网营养动力学过程等关键科学问题开展多学科交叉与整合研究，确认影响近海生态系统食物产出支持功能、调节功能和生产功能的关键过程，建立相应的预测模型。在研究中，以中尺度过程研究为主。3.为使关键科学问题的多学科交叉与整合研究收到预期效果，研究实施中以全程食物网为研究主线。即在全程食物网的意义上进一步突出以食物网关键种构成的食物产出主线（如硅藻类群中华哲水蚤鳀鱼蓝点马鲛等），并在各营养层次（浮游植物浮游动物初级肉食动物高级肉食动物）功能群的层面上的展开研究，研究食物网产出与关键种/功能群之间的互动关系。同时，在不同的典型生态区选择相应的重点研究主题，如在黄海冷水团选择生物功能多样性与食物网营养动力学为研究重点、在东海陆架选择黑潮—陆源物质输入对营养及食物产出的贡献（包括长江口外溶解氧亏损区）为研究重点、在典型养殖区选择生物地球化学与生态容纳量互动关系为研究重点。这样，各课题的研究能够按照明确的研究主线，使项目所涉及的化学海洋学、物理海洋学、生物海洋学和渔业海洋学等学科研究目标集中、步调一致，对应“关键问题”聚焦“共性问题”，在研究区域上形成“点”与“面”结合的格局，也使整个项目能够紧紧贴近国家重大需求，为解决制约我国海洋食物产出与可持续发展的瓶颈问题奠定科学基础。（二）技术途径为了突出关键过程和建模研究，本项目拟采用历史/遥感资料分析--海上调查与现场试验---受控生态实验/室内实验---数值建模相结合的系统研究方法，其中海上调查和受控生态实验是获得研究数据的主要手段。主要技术途径如下：1.历史资料分析利用历史气候资料和我国自50年代至今曾在黄东海进行过有关渔业资源、海洋生物、化学海洋和物理海洋等调查与实验资料，特别是近年来的数据积累，如“973”及“126”等项目，建立数据库，进行综合分析，进一步认识黄东海生态系统的基本特征。2.遥感资料的利用与分析运用海洋立体高科技监测系统和各种遥感资料（如红外得到的海表海水温度，微波散射得到的海面风场、波高，微波反射得到的海面高度，可见光获得的悬浮颗粒浓度、叶绿素等），认识水团消长、锋面变异、悬浮物浓度、叶绿素浓度分布特征的季节变化规律，并将有关资料同化到数值模型中。3.海上调查与现场试验海上调查以各典型生态区的重点研究主题为主进行设计，拟安排黄海冷水团、东海等典型生态区进行季节性（春、夏、秋、冬）调查，连续进行2年，计8个航次，共230天的海上调查。第3年进行20天必要的补充调查；海上观测与现场受控实验及室内实验相结合，物理、化学、生物、资源观测同步，包括大面站、连续站、围隔、锚系与座底浮标等。此外，项目执行前两年，在桑沟湾和象山港等典型养殖区进行8个航次、共120天的海上调查与现场实验，第三年进行2个航次、共40天的补充调查与现场实验。4.受控生态实验与室内实验受控生态实验与室内实验相结合，开展实验生态和生理学实验，测定主要功能群的能量收支、转换效率及有机物质的降解速率；利用流式细胞分析、分子生物学、生物标志