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1、项目名称：多重压力下近海生态系统可持续产出与适应性管理的科学基础首席科学家：张经 华东师范大学起止年限：2010.9至2015.9依托部门：教育部 上海市科委二、预期目标1. 总体目标本项目将遵循中国海洋生态系统动力学的总体发展目标，即从人类活动和气候变化两个方面认识我国近海海洋生态系统的服务与产出功能，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。2五年预期目标针对近海生态系统的功能与服务在多重压力影响下不断地发生变化、其所提供的食物产出
2、也受到现有管理决策的影响的现实，在本项目中，将以生物地球化学过程对食物网的影响为重点，剖析在多重压力下近海生态系统功能的变化和食物产出的可持续性。通过本项目的学科整合与持续性研究工作，提升对近海生态系统变化的预测能力，为实现我国近海生态系统的可持续食物产出与适应性管理提供科学依据。其中包括： 深化对近海生态系统在多重压力影响下可持续发展机理的认识, 提高预测能力； 在多重压力的背景之下，剖析近海渔业在生态系统可持续性前提下的适应性管理对策； 提高海洋生态系统多学科交叉与整合研究队伍的能力建设，继续壮大和培育能积极参与国际前沿领域活动的优秀中青年学术群体； 在项目实施过程中，培养研究生50 名以
3、上，发表科学论文150篇以上，出版学术专著或研究专辑1-2部。 通过本项目的实施，进一步丰富和完善近海生态系统数据系统和资料共享平台。三、研究方案1学术思路在项目实施中，拟选择长江口外与东海陆架的缺氧区、山东半岛的增养殖区为重点调查与实验区域。生物地球化学研究所刻画的物质流动是生态系统的一个基本组成（例如：基本物质基础与支撑功能）特点，它控制和调节着海洋中物质循环的基础过程（例如：营养限制），支撑着海洋中的食物产出的数量与品质（例如：食物网的物质传递）。在海洋中，多重压力对生态系统的影响也将通过物质输运的性质、通量及其改变体现出来。相对于针对高营养层次的生物学研究而言，生物地球化学过程对气候变
4、化的响应更为敏感、迅速，而且其变化引起的后果贯穿于整个食物网中。我们将在中国海洋生态系统动力学的前期发展基础上，以生物地球化学过程对食物网的关键作用为研究核心，针对多重压力对近海生态系统的食物产出的主导影响进行深入地分析，提高预测的水平；项目的研究成果将为近海生态系统可持续食物生产的适应性管理对策提供基础。在项目的实施过程中，在生物地球化学过程对全程食物网的作用意义上凸现不同的生态系统亚区在多重压力下可持续发展的取向和相应的适应性管理问题。譬如，在长江口外和东海陆架区认识黑潮涌升与陆地径流的变化对缺氧区形成和演化的控制作用，检验缺氧同富营养化在因果上的关联和脱节，以及生物地球化学循环对水层-底
5、栖系统耦合的调控机制。在近海的增养殖区域，认识富营养化、海洋酸化与不同的增养殖策略对食物网的关键种群结构和食物产出的影响程度，在食物网不同营养层次功能群的层面上分析海洋酸化和人为的“寡营养化”所带来的不可持续发展后果。为了使关键科学问题的多学科交叉与整合研究收到预期效果，我们将在不同的典型生态区选择相应的重点研究主题，促使各课题的研究能够目标集中、步调一致, 对应“关键问题”聚焦“共性特点”研究, 使整个项目的研究成果能够最大程度上体现国家对海洋生态系统可持续食物产出的重大需求，帮助产业界克服相关的瓶颈障碍。2技术途径借鉴前期“973”项目的成功经验，在项目实施过程中，将突出生物地球化学过程对
6、生态系统在多重压力下可持续发展中的关键支撑和调节作用；拟采用历史资料的分析和同化、海上/野外调查与现场试验、受控生态模拟实验、数值模拟等技术和方法相结合的系统研究策略。利用历史上的气候资料、国际上近100年来的观测和同化数据和我国自20世纪50年代至今的黄、东海的渔业资源、生物、地质、化学和物理等调查与实验资料，丰富现有的数据库以便开展深入地分析，进一步刻画黄、东海生态系统的基本特征。运用海洋立体监测系统和遥感资料，认识近海中尺度过程对物理（例如：锋面和层化）、化学与生物（例如：营养盐和叶绿素）特征的季节性调控作用，并将相关资料进行同化。海上观测与现场调查将针对不同典型生态区的重点研究主题分别
7、进行设计，统筹安排实施，以利项目的研究工作在整体上相互协调和促进，确保研究工作的相互交叉和成果的整合。在实施中，受控生态模拟与室内实验将紧密结合，测定主要功能群的能量/物质收支、转换效率及有机物质的降解速率；利用分子生物学、生物标志物和同位素示踪等先进技术研究生物地球化学对全程食物网的调控作用。在项目实施过程中，进一步完善已有的三维水动力数值模式，发展刻画生物地球化学循环的模拟技术，提高预测的水平。探讨基础生产的供给功能及与生物地球化学过程的耦合机制，发展环境友好型的多元生态优化养殖模式，为制定适应近海生态系统可持续发展的渔业管理措施提供支持。本项目的关键科学问题、主要研究内容与各课题之间的关
8、系，以及预期实施目标的概括示意框图如下：室内实验海上调查现场试验历史资料观测、实验与数据采集关键科学问题多重压力影响下的近海生物地球化学过程及其对典型生态系统功能的作用机理典型生态系统的资源可持续利用对多重压力的响应主要研究内容1：多重压力对近海典型生态系统中生物地球化学循环的调控作用课题2、3适应性管理的科学基础健康、高质、高量食物的产出与结构生境质量生态和社会经济效益主要研究内容2：东海陆架缺氧区生态系统的功能对多重压力的响应过程课题1、2、3、4、5主要研究内容3：近海典型增养殖区的食物生产对多重压力的适应性响应机制课题1、3、4、5捕捞、增养殖、富营养化等人类活动温度升高、海洋酸化、黑
9、潮对陆架作用等气候变化数值模拟与提高预测水平在项目实施过程中，组织和参加对东海陆架和长江口邻近海域进行两年，共计6个航次120天的海上调查；对山东半岛增养殖区进行10次，共计183天海上与野外实验工作。3创新点与特色本项目将在中国海洋生态系统动力学的发展框架之下，以海洋生物地球化学对全程食物网的调控作用在多重压力作用下的时、空变化为研究主线，剖析多重压力对近海生态系统可持续产出的制约。因此，本项目在海洋科学的基础研究前沿领域和为国民经济与社会的可持续发展服务等两个方面均具有明显的特色。在地球系统科学的框架下，以海洋生物地球化学与食物网相互作用为主线研究生态系统在多重压力下的可持续性，乃是国际I
10、GBP计划关注的热点问题之一，在国际学术舞台上是一个热点研究领域。本项目在陆架边缘海切入上述主题并开展多学科整合研究，对世界上其它地区的相关工作具有推动作用。在本项目中，将多重压力下近海生态系统可持续产出同实现生态系统水平的管理有机地结合起来，研究成果也将直接服务于国家中、长期发展战略中对实现高品质海洋食物产出的管理体系建设的需求。本项目的实施将进一步促进中国海洋生态系统动力学的研究在世界学科的前沿领域发展，亦将提升物理、生物、化学、渔业海洋学诸学科之间的交叉与整合研究水平，为新的学科生长点和新技术的建立提供了发展平台。本项目在实施过程中，也将为培养具有多学科交叉和整合研究能力的青年科学家提供
11、教育、训练和成长的良好环境，使之适应21世纪全球变化科学和可持续科学发展的需要，并为其积极地参与国际学术活动奠定基础。通过这样的方式，我国在海洋相关学科的“能力建设”水平也将获得整体的提升。4可行性分析在本项目提出之前，中国海洋生态系统动力学的研究已经走过了15个年头。期间，项目团队也发展出良好的国际学科背景以及业己形成的研究梯队，为在本项目中取得突破提供了人员和技术保障。本项目的实施具有扎实的前期工作基础、学科发展的学术思想也不断得到凝练和提升，并将进一步扩大我国在国际海洋生态系统前沿研究领域的影响。我国是世界上较早地开展“海洋生态系统动力学”研究的国家之一，并且在早期就注意到生物地球化学过
12、程在海洋可持续生态系统中的重要作用。在前15年的发展历程中，“生源要素的循环和更新”一直被列为海洋生态系统动力学研究的关键科学问题之一，为在我国将GLOBEC与IMBER两大科学计划的整合铺平了道路。在多年来海洋生态系统动力学的研究工作基础上，本项目对多重压力下海洋生态系统可持续产出及其适应性管理所涉及的科学内涵比较明确。在第228次、305次、362次香山科学会议上，立足于国家需求，指出气候与人类活动的联合作用（亦即：多重压力）对海洋生态系统的影响具有复杂和不确定性的特点，进一步明确了近海生态系统中食物网与生物地球化学相互作用的关键科学问题。经过15年的努力，我国已经在海洋生态系统动力学的领
13、域形成了一支以中、青年学者为主体且稳定的研究队伍。其中，35岁以下的青年学生和研究人员业已不断地成长，成为学术研究的新鲜血液。另外，研究团队本身在学科之间的交叉、渗透和融合等方面的优势在国内的研究队伍中也十分明显。近年来，本项目的骨干成员分别在国际SCOR、IGBP-GLOBEC和IGBP-IMBER的科学指导委员会、工作组和区域委员会任职，对国际上的相关研究和学术进展具有深刻了解和直接参与。在本项目的提出、设计和前期准备过程中也获得国际学术界的积极支持，这将有助于本项目的实施与国际学术领域的发展保持同步。四、年度计划研究内容预期目标第一年数据采集与数据平台建设：1. 系统收集和研究历史资料与
14、已有成果；在充分研讨的基础上，各课题根据项目的科学问题提出自己的理论假设和实验设计；制定海上调查实施方案。2. 针对研究内容和科学问题，召开相关研讨会3. 对长江口、东海陆架等典型生态区进行三个航次多学科综合调查，总计调查天数约六十天；在5、8月对增殖区开展共计两次专项调查，在8、11月开展对养殖区的共两次专项调查和实验；若需要，进行现场和室内受控实验。4. 实施项目管理、信息网站和数据共享平台建设。1. 明确现场调查和受控实验的具体实施方案。2. 基本完成历史资料的整理和初步分析。3. 完成典型生态区和增、养殖区首年度现场数据采集和早期开展航次的样品分析和数据处理工作。4. 完成项目网站和数
15、据平台框架建设。5. 实现第1航次调查数据、资料的网上共享。第二年数据采集、研究分析与阶段性总结：1. 继续在5、8月对增殖区开展共计两次的专项调查；在2、5月对养殖区开展共计两次专项调查；若需要，继续进行受控实验。2. 整理和分析典型生态区的3航次数据结果；根据海上调查和相关实验数据，结合历史资料，进行阶段性综合分析；进行专题研讨和多学科交叉讨论。3. 完善网站和数据平台建设。4. 对前两年研究工作进行阶段性总结。5. 主办1次国际学术会议；如果需要，召开相关研讨会。1. 项目网站正常运行，实现已有数据的共享。2. 在前两年，完成对增、养殖区各四次的专项调查；对典型生态区（长江口、东海陆架）
16、共计三次的多学科调查。3. 完成典型生态区航次样品的分析和相关数据处理。4. 完成阶段性研究成果总结；提出完成项目研究目标的初步框架。5. 发表论文40篇以上。6. 通过中期评估。第三年检验补充与过程研究：1. 根据中期评估结果与专家意见，研讨和调整后续工作。2. 对长江口、东海陆架等典型生态区进行三次现场多学科综合调查；对增、养殖区分别进行四次专项调查；进行必要的现场和室内受控实验，强化有关现场和实验数据。3. 召开相关研讨会。1. 完成大部分典型生态区和增、养殖区现场多学科综合研究数据采集和样品分析；2. 进一步完善和充实数据共享3. 围绕主题，初步探讨多重压力下我国典型生态区和增、养殖区
17、生态系统可持续产出的重要过程与关键机制。第四年机理与建模研究：1. 分别开展两次增、养殖区的专项调查。2. 围绕多重压力对生物地球化学过程调控、缺氧区对多重压力的响应、增、养殖区对多重压力的反馈等方面，围绕项目主题进行研究，以现场数据和已有知识为基础开展相关过程建模研究。3. 主办一次国际学术会议；如果需要，召开相关研讨会。1. 基本认知多重压力对近海典型生态系统中生物地球化学循环的调控作用。2. 基本认知东海陆架缺氧区生态系统的功能对多重压力的响应过程。3. 基本认知近海增、养殖区的食物生产对多重压力的适应性响应机制第五年系统集成与整合研究：1. 围绕多重压力下近海生态系统可持续产出与适应性
18、管理，针对多重压力对近海生态系统产出的影响进行深入研究，积极进行系统的集成与整合研究，探求和对比各研究主题之间的联系；完善相关预测模型。2. 根据需要召开研讨会与报告会；组织对课题的验收与结题。1. 以生物地球化学过程对食物网的关键作用为核心，为回答“多重压力影响下近海生物地球化学过程及其对典型生态系统功能的作用机理”和“典型生态系统的资源可持续利用对多重压力的响应”两个重大问题提供科学基础与依据。2. 发表论文150篇；出版专著或研究专辑1-2部；培养研究生50名以上；完成项目目标。一、研究内容本项目拟以国家对近海生态系统食物生产的可持续发展的重大需求为导向，以生物地球化学过程对多重压力下的
19、响应为主线，聚焦于近海生态系统中可持续产出与适应性管理的科学基础研究。围绕上述的关键科学问题，拟开展以下几个方面的研究工作。1.多重压力对近海典型生态系统中生物地球化学循环的调控作用黑潮和陆地径流（注：以长江为主）是黄、东海的生源要素的主要供给者。除了影响黄、东海的水文要素格局与变异之外，它们携带的生源要素与痕量物质的组成和结构具有差异，在近海生态系统演变过程中扮演不同的角色。在过去140多年中，黄、东海先后经历了4个气候模态，其中较为显著的是从20世纪40-70年代的变冷趋势转变至20世纪70年代后至今的变暖趋势。这一地区的人类活动不仅包括近岸的围垦、养殖与海域的过度捕捞，来自陆地的淡水径流
20、与其营养盐组成在近几十年也发生了很大的改变。建议的主要研究内容为： 黄、东海陆架的生境（包括：温度、盐度、环流，生源要素和痕量元素等）的年际和年代际时空变化的特征， 锋面、跃层和水团等的时空变化对典型生态系统（即：缺氧区与山东半岛增养殖区）的水文结构和生境演变的影响， 黑潮和长江径流的变化对化学元素在典型生态系统中迁移、周转与更新的调控作用。2.东海陆架缺氧区生态系统的功能对多重压力的响应过程发育于东海内、中陆架的缺氧区具有明显的季节性与年际变化特点，并且在过去的50年中具有逐渐加剧的趋势。认识缺氧区生境的变化以及生源要素与痕量元素循环的复杂机制对于理解这一地区的食物网的组成和结构、底栖与水层
21、系统的相互作用具有关键的价值，也是认知缺氧对生态系统的功能和食物产出的关键环节。建议主要的研究内容包括： 缺氧区生物代谢和氧化-还原过程对生源要素循环的控制， 缺氧过程对近海大气与开阔海洋产生的反馈， 缺氧现象对东海陆架食物网结构和功能的影响。3.近海典型增养殖区的食物生产对多重压力的适应性响应机制自2006年起，我国成为世界上第一个海水养殖高于捕捞产量的国家，并且增养殖在今后将很大程度上弥补捕捞产量的不足，并克服后者带来的海洋经济发展的瓶颈。然而，大规模的增养殖活动导致了海域的基础生产下降、生物多样性降低，生态系统的结构和功能的改变已经影响近海可持续性的食物产出。建议的研究内容包括： 典型养殖系统中生源要素循环时空变化的关键机理和过程， 典型增养殖区生态系统的基础生产对增养殖活动的响应， 捕捞与增殖放流对食物网结构和生态系统产出功能的作用， 渔业活动在生态系统可持续性前提下的适应性管理对策。
项目名称： 多重压力下近海生态系统可持续产出与适应性管理的科学基础
