碳循環(huán)是地球氣候系統(tǒng)的核心調(diào)控因素之一。工業(yè)革命以來，化石燃料燃燒等人為活動(dòng)顯著改變了大氣圈的化學(xué)組分，加劇了當(dāng)代氣候的快速變化，碳循環(huán)研究因此成為目前地球科學(xué)最為活躍的領(lǐng)域之一，前沿?zé)狳c(diǎn)問題包括大氣、海洋和陸地圈層間及內(nèi)部的碳通量、調(diào)控過程與機(jī)理，碳循環(huán)的模擬與預(yù)測(cè)等。此外，探索增匯途徑也是學(xué)術(shù)界和各國政府關(guān)注的重大問題。
海洋是地表系統(tǒng)最大的碳儲(chǔ)庫，主要通過生物泵、溶解度泵和碳酸鹽泵等機(jī)制吸收和儲(chǔ)藏大氣CO2。生物泵主要啟動(dòng)于真光層，指浮游植物通過光合作用將無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳并輸送至深部海洋的過程，一直以來是海洋碳循環(huán)的核心研究內(nèi)容。然而，目前對(duì)控制海洋生物泵的結(jié)構(gòu)及其效率關(guān)鍵因子的認(rèn)識(shí)仍然不足，也缺乏相應(yīng)的理論框架，嚴(yán)重阻礙對(duì)海洋碳循環(huán)的模擬和預(yù)測(cè)，尤以寡營養(yǎng)海域的生物泵研究最為匱乏。
全球表層海洋面積近50%為低生物量的寡營養(yǎng)海域，通常稱為“海洋荒漠”。盡管單位面積的生產(chǎn)力很低，然而海洋荒漠面積巨大，故而對(duì)全球海洋碳匯具有潛在的重要貢獻(xiàn)，可能具有很大的增匯潛力。以全球最大的海洋荒漠區(qū)之一，北太平洋副熱帶流渦區(qū)（North Pacific Subtropical Gyre, NPSG）為例，其表層的營養(yǎng)鹽濃度極低，以上層100米計(jì)，其硝酸鹽儲(chǔ)量僅為全球海洋的1.7%；相應(yīng)地，表層葉綠素濃度也很低，年平均值在0.1 mg m-3以下。然而，NPSG卻是全球海洋CO2的主要匯區(qū)之一。需要特別指出的是，已有研究表明，隨著全球變暖的加劇，上層海洋層化增強(qiáng)，環(huán)流形態(tài)發(fā)生改變，海洋荒漠正在不斷擴(kuò)大，并伴隨浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變遷。這一方面可能降低初級(jí)生產(chǎn)力和碳匯，但同時(shí)又可能增強(qiáng)固氮作用，進(jìn)而增加碳匯，從而對(duì)預(yù)測(cè)海洋碳循環(huán)的演變提出了新的挑戰(zhàn)。因此，加深對(duì)海洋荒漠生物泵過程與機(jī)理的認(rèn)識(shí)，構(gòu)架寡營養(yǎng)海域生物泵理論，是碳循環(huán)領(lǐng)域急需解決的一個(gè)重大問題，也是探討海洋增匯潛力的科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)預(yù)測(cè)全球海洋的變遷規(guī)律及其在地球氣候系統(tǒng)中的作用具有重大意義。需要指出的是，海洋生物泵涉及一系列復(fù)雜的化學(xué)和生物過程，并受陽光輻射的強(qiáng)度和質(zhì)量、海洋動(dòng)力過程所調(diào)制，是一個(gè)需要多學(xué)科交叉、聯(lián)合攻關(guān)的科學(xué)命題。
一、科學(xué)目標(biāo)
以北太平洋副熱帶流渦區(qū)為研究區(qū)域，探究海洋荒漠區(qū)真光層的雙層結(jié)構(gòu)，即營養(yǎng)鹽匱乏層和充足層的空間格局以及其中的生物泵結(jié)構(gòu)、過程和機(jī)理，評(píng)估其在全球變化背景下的發(fā)展趨勢(shì)。厘清營養(yǎng)鹽匱乏層和充足層中常量和微量營養(yǎng)鹽的來源、通量、結(jié)構(gòu)及利用，解析其對(duì)浮游生物群落組成和初級(jí)生產(chǎn)力的調(diào)控機(jī)制，詮釋真光層雙層結(jié)構(gòu)的輸出生產(chǎn)力與生物泵效率的關(guān)鍵控制作用和機(jī)理、構(gòu)架海洋荒漠區(qū)生物泵理論框架；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建并完善寡營養(yǎng)海域物理-生物地球化學(xué)耦合模式，評(píng)估海洋荒漠增匯潛力，為有效實(shí)施碳管理及制定相關(guān)應(yīng)對(duì)策略與政策提供科學(xué)支撐。
二、研究內(nèi)容
?。ㄒ唬┖Ｑ蠡哪畢^(qū)真光層中常量和微量營養(yǎng)鹽的來源、通量及結(jié)構(gòu)。
研究真光層雙層結(jié)構(gòu)中源自大氣沉降、固氮作用、陸源、島嶼和其他水團(tuán)、擴(kuò)散與平流從深部輸入的N、P、Si、Fe等常量和微量營養(yǎng)鹽的組分、通量及循環(huán)過程，估算溶解有機(jī)物的微生物礦化過程對(duì)再生營養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn)，揭示上述不同的營養(yǎng)鹽來源的空間分布和季節(jié)變化特征以及其時(shí)空格局的調(diào)控因子。
?。ǘ┖Ｑ蠡哪畢^(qū)真光層中固氮作用的限制因子以及固氮生物引入的氮（DDN）的歸宿。
研究固氮生物群落結(jié)構(gòu)和固氮速率受Fe、P等因子調(diào)控的空間格局和季節(jié)變化特征，探討Fe和P的來源、通量和化學(xué)形態(tài)對(duì)固氮作用時(shí)空格局的影響，定量評(píng)估不同固氮生物類群對(duì)群落總固氮速率的貢獻(xiàn)及其受Fe和P的調(diào)控，研究DDN被非固氮生物的利用和對(duì)輸出生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)。
?。ㄈ┖Ｑ蠡哪畢^(qū)真光層浮游生物群落和初級(jí)生產(chǎn)力的結(jié)構(gòu)及控制機(jī)理。
研究真光層內(nèi)浮游植物、細(xì)菌、浮游動(dòng)物等主要浮游生物類群的群落結(jié)構(gòu)及其時(shí)空變化特征和調(diào)控機(jī)制；研究初級(jí)生產(chǎn)力和細(xì)菌生產(chǎn)力及其時(shí)空變動(dòng)和控制因子，測(cè)定高分辨的群落凈生產(chǎn)力；定量研究各主要浮游生物類群之間的相互作用關(guān)系，探討其對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的控制和對(duì)輸出生產(chǎn)力的影響；發(fā)展基于浮游植物吸收光譜的初級(jí)生產(chǎn)力模型；建立基于浮游植物類群分辨的光合固碳量子產(chǎn)率并最終達(dá)到浮游植物分類群固碳遙感的目標(biāo)，進(jìn)而拓展研究NPSG初級(jí)生產(chǎn)的時(shí)空變異。
（四）海洋荒漠區(qū)真光層輸出生產(chǎn)力和生物泵效率。
精準(zhǔn)描述海洋荒漠區(qū)真光層深度，研究真光層內(nèi)顆粒有機(jī)碳、氮、生源硅的生產(chǎn)與礦化、溶解通量，描繪三者輸出通量的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及耦合與非耦合的內(nèi)在機(jī)制，定量比較營養(yǎng)鹽匱乏層和充足層的輸出生產(chǎn)力；結(jié)合營養(yǎng)鹽來源與輸入通量以及浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化，解析顆粒有機(jī)碳、氮、生源硅輸出通量的調(diào)控機(jī)制。
?。ㄎ澹┖Ｑ蠡哪畢^(qū)真光層生物泵過程模擬、變化趨勢(shì)預(yù)估和增匯數(shù)值實(shí)驗(yàn)。
開展海洋荒漠區(qū)大尺度環(huán)流、中尺度與亞中尺度過程、湍流混合等關(guān)鍵物理過程與鐵循環(huán)、固氮、固碳等關(guān)鍵生物地球化學(xué)過程的動(dòng)態(tài)耦合模擬研究；揭示真光層雙層結(jié)構(gòu)下，上層海洋營養(yǎng)鹽收支與輸出生產(chǎn)力的多尺度變化規(guī)律與主控機(jī)制；對(duì)耦合模式進(jìn)行情景模擬和分析，研究全球變化背景下的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)和輸出生產(chǎn)力的變化；開展數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，綜合評(píng)估海洋施鐵策略對(duì)NPSG碳匯能力的影響?！?br />
三、申請(qǐng)注意事項(xiàng)
（一）申請(qǐng)書的附注說明選擇“海洋荒漠生物泵固碳機(jī)理及增匯潛力”。
?。ǘ┥暾?qǐng)人申請(qǐng)的直接費(fèi)用預(yù)算不得超過2000萬元/項(xiàng)（含2000萬元/項(xiàng)）。
（三）本項(xiàng)目由地球科學(xué)部負(fù)責(zé)受理。