第193次-- 科学与技术前沿论坛

主题报告

气候变化驱动下海洋生物地理格局演化
沙忠利研究员中国科学院海洋研究所

生物地理格局是环境与生物在不同时、空尺度共同作用的结果。全球气候变暖通过多重物理-化学机制对海洋生态系统及生物多样性产生级联效应，导致暖水物种北扩、生物地理区系重组、生物呈现小型化趋势等，这一影响在中国近海尤为突出。中国近海所在的西北太平洋边缘海作为古气候震荡与复杂洋流系统的典型海域，其历史环境变迁（如第四纪海平面波动）与现代异质性环境梯度共同驱动海洋生物多样性格局的形成与演化。以广布种口虾蛄（Oratosquilla oratoria）为模型，系统解析气候变化背景下环境-生物互作对海洋生物地理格局的塑造机制。多维分子标记揭示该物种存在以长江口为界的南北隐存谱系分化，两谱系在接触带呈现渐渗杂交特征。时、空环境因子与遗传结构耦合分析表明第四纪冰期栖息地片段化塑造了口虾蛄遗传分化格局，而现代海水温度梯度通过自然选择驱动口虾蛄南北谱系发生温度适应性分化。热胁迫实验结合多组学解析发现南北谱系在热激响应中呈现可塑性表达分化，以促进其对不同温度生境的适应。长江冲淡水以及生态位差异导致的环境过滤对迁移个体和/或杂交后代的选择作用是在基因流背景下维持历史谱系分化的关键。模型模拟显示，在未来气候情景下杂交带将向高纬度扩张，可能通过增强遗传渗入打破杂交与选择间的平衡，重构南北谱系分布边界，从而影响口虾蛄生物地理格局。本研究为解析气候驱动下海洋生物地理格局演变提供了“古环境塑造-当代选择压力-生物可塑性响应”三位一体的研究范式，为预测海洋生物多样性应对未来气候变化的潜力提供重要参考。
南海珊瑚礁生态系统生物多样性格局、演化与保护
周文良特聘研究员南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）

我国南海拥有极为丰富的珊瑚礁生态系统，其物种丰富度可以与珊瑚大三角相媲美。但是，受全球变化和人类干扰加剧的影响，南海珊瑚礁生态系统遭受了剧烈冲击，生物多样性水平正在发生着急剧变化，部分珊瑚礁甚至出现了生物多样性严重丧失的局面。据此，明确我国南海珊瑚礁生态系统生物多样性，揭示其演化、格局与维持机制，探究其在全球变化和人类干扰背景下的演变规律，对我国珊瑚礁生态系统的综合管理和保护至关重要。2022~2024年，项目团队多次组织南海珊瑚礁生态系统生物多样性综合科考航次，调查区域包含西沙、中沙、南沙群岛等离岸岛礁和海南本岛和广东省近海岸珊瑚礁和珊瑚群落。主要研究发现如下：（1）发表并描述了大量的南海新种和新记录种，丰富了我国南海海洋生物的物种多样性，构建南海珊瑚礁生物样本资源库。（2）在近岸和离岸珊瑚礁生态系统中影响物种多样性的主要因素存在不同，近岸是人类活动干扰，而离岸是全球气候变化；渔业活动和全球气温上升加剧了全球海洋鱼类群落特征转变，而全球气候变化导致的南海珊瑚礁退化则改变了礁栖鱼类群落结构和集群规模。（3）开展了珊瑚组学研究，克服珊瑚-虫黄藻-微生物功能共生体复杂性，创建直接利用珊瑚成体直接构建纯净基因组技术体系，突破了收集珊瑚配子困难对珊瑚基因组学研究的限制。（4）基于全球海洋动物遗传多样性分析，发现以南海（东沙、西沙、中沙和南沙群岛等中国南海岛礁区域）为代表的印-太交汇区是全球海洋动物遗传多样性最高的区域之一，是实现全球海洋生物多样性保护的重要保护优先区。上述研究结果将为我国南海生态安全及生物资源可持续利用等提供重要的理论依据，有助于尽快推进南海珊瑚礁海洋国家公园建设。
海洋微生物进化生态策略与全球变化
张瑶教授厦门大学

全球变暖对海洋生态系统有重大影响，其中，微生物驱动的初级生产和有机质再矿化过程是受其影响的关键环节，影响海洋的储碳功能。通过研究海洋微生物进化机制及生理生态演化特征，可以预测微生物对未来全球暖化的响应以及对海洋储碳功能的影响。原绿球藻和玫瑰杆菌分别是海洋中最具代表性的初级生产者（自养）和次级生产者（异养），它们在海洋中数量巨大、分布广泛、基因多样性丰富。基因突变积累实验表明，相较于玫瑰杆菌，原绿球藻突变速率高、有效种群规模小，周期性选择的遗传漂变加强机制在其进化过程中发挥了重要作用。海洋中的小生境适应是原绿球藻和玫瑰杆菌物种多样性形成的重要机制。在全球暖化情境下，两者的适应策略与进化方向有显著差异。长期传代实验表明，升温会加速原绿球藻基因突变速率，导致固碳和氮磷吸收的表型变化，暗示未来原绿球藻有效种群规模可能更小。而升温下玫瑰杆菌的突变速率加快程度不如原绿球藻，且其生物膜形成能力增强，这提高了玫瑰杆菌的抗逆性、免疫性及生态适应性。海洋动力过程在微生物物种多样性和功能演化上的作用也不容忽视。在动力过程形成的锋面系统中，微生物的种间相互作用引起的基因变化与有机质分解过程密切相关，全球暖化情境下这一机制导致的有机质降解增强可能造成海洋的碳释放高于碳固定。综上，海洋微生物在全球暖化下的进化方向和生态适应策略，可能影响海洋碳收支，未来研究需要加强与地球系统模式的结合，评估其对全球碳循环的影响。
海洋非 CO2 温室气体源汇特征与气候变化
张偲中国工程院院士中国科学院南海海洋研究所

海洋中非CO2 温室气体（CH4 、N2O、F-gas）作为独立于碳循环的短生命周期强效气候因子，其释放机制与非线性放大效应正在重塑全球温控路径的稳定性。在百年时间框架下，甲烷的全球变暖潜势（GWP100）是同质量二氧化碳的27-30倍，氧化亚氮为265-298倍，氟化气体（F-gas）更是超过千倍。海洋中非CO2 温室气体是气候系统的“隐形杠杆”。它们贡献了12-15%的全球温室效应增量，但调控成本仅为陆地系统的1/3。控制这些气体，相当于在1.5℃温控战役中建立了“海上防火墙”。纵观地球演化史，至少5次生物大灭绝事件与大规模甲烷释放有关，其中最大的一次发生在2.51亿年前，全球平均温度升高至29度（目前15度），导致该时期约96%的物种灭绝。现有观测方法难以满足面向全球、长周期高分辨率、高精度数据需求，亟需多手段协同观测系统。相比CO2 ，当前聚焦海洋非CO2 温室气体尤其是多气体协同的观测相对较少，且研究区域多集中在滨海区域，导致高分辨率的全球海洋非CO2 温室气体源汇特征及其在气候变化下的响应模式尚不明晰。海洋环境中非CO2 温室气体与海洋生物地球化学循环密切相关。厘清海洋环境中非CO2 温室气体的源汇特征对于全球气候变化至关重要！
中国海洋生态系统保护与治理—监测实验与模拟预测
于贵瑞中国科学院院士中国科学院地理科学与资源研究所

海洋在全球生态系统中占据关键地位，对人类生存与发展意义重大。然而，受气候变化与人类活动的复杂影响，海洋生态环境问题愈发严峻。中国的海洋生态系统也面临持续升温的影响，显著威胁海洋生态环境和人类可持续发展；中国近海生态系统正面临着结构和功能的改变以及严重退化。海洋生态环境问题的根源是陆地污染入海，为应对这些问题，中国秉持陆海统筹、河海联动等理念推进海洋生态系统保护与环境治理。宏观管理上，积极响应国际公约，划定并严守海洋生态保护红线，优化海洋空间格局；完善海洋自然保护地体系，涵盖多种珍稀濒危海洋生物和典型生态系统，形成沿海保护网络体系；兼顾生态学、社会经济技术以及美学原则，实施恢复海岸线和滨海湿地等修复项目，提升生态系统功能；建设现代化海洋牧场，促进渔业可持续发展。然而，面向海洋生态领域国家战略需求与学科发展，在海洋生态系统监测与模拟预测方面，现有观测手段仍存在局限性，亟待建设“空-天-海-地”一体化观测体系、关键生态过程的原位受控模拟试验系统、数据汇聚与基于AI的分析系统以及服务高质量发展的评估-预警-预测-预报系统，实现海洋生态系统多层次耦合的高频、自动观测以及健康风险的动态预测评估，保障海洋生态安全，推动健康海洋和可持续发展。

第193次：海洋生态系统与气候变化