第193次-- 科学与技术前沿论坛

主题报告

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。
eDNA 技术助力海洋生物多样性监测研究
姚蒙研究员中国科学院水生生物研究所

海洋为人类生存提供不可或缺的重要资源和生态系统服务，全球海洋生物多样性的快速丧失严重威胁生态系统的稳定与功能，亟需采取有效措施减缓这一趋势。然而，传统水生生物调查方法效率低、损伤性大、依赖形态学知识且准确性有限，无法满足大规模调查和及时监测生物分布变化的需求。环境DNA（eDNA）技术是近年来在生物多样性研究领域快速发展的新兴方法，它通过检测水、沉积物等环境样品中的DNA获得生物分布和群落组成信息，是一种非损伤性、灵敏、高效、精准的生物调查方法，尤其适用于监测稀有或难以捕获的物种，并极大地推动了大规模和精细时空尺度的生物多样性监测。此外，利用eDNA技术还可以解析物种之间的复杂相互作用，以及群落构建机制等重要生态学问题。报告将通过本课题组在多种水生态系统以及动物群落中的实际研究案例展示eDNA方法在解析生物多样性分布模式、环境因子对生物多样性的影响、食物网关系及群落共存机制等问题中的应用，以期启发海洋研究领域eDNA应用的新途径和新思路，推动生物多样性监测的标准化、规模化、智能化，为我国未来海洋生物监测、生态保护和可持续发展提供有力技术支撑。
陆地生态系统增温实验技术
杨元合研究员中国科学院植物研究所

过去几十年间，全球正在经历快速的气候变暖。持续升温会对生态系统结构与功能产生深远影响。在此背景下，准确认识陆地生态系统对气候变暖的响应成为学术界十分关注的前沿问题。为准确评估增温对陆地生态系统过程与功能的影响，研究人员通常采用原位增温实验开展研究。目前常见的原位增温方法包括开顶箱、雪墙等被动增温手段以及红外辐射器、加热电缆等主动增温技术。然而，随着研究的深入，学术界逐渐认识到气候变暖背景下，空气、地表和整个土壤剖面均会同步增温，而传统的原位增温手段难以真实模拟这一生态系统尺度的温度变化特征。近年来，新一代增温技术的发展为突破上述技术瓶颈提供了可能。该技术通过主动增温方法，可实现全土壤剖面乃至全生态系统的同步增温，为深入探究气候变暖对陆地生态系统过程，尤其是以往经常忽视的深层土壤生物地球化学过程提供了重要的技术支撑。在未来研究中，可结合联网控制实验的思路，构建国家乃至全球尺度的全土壤剖面/全生态系统增温实验网络，进一步揭示陆地生态系统对全球变化的普适性响应规律及相关调控机制，从而促进学术界对陆地生态系统对气候变暖响应机制的认识。

第193次：海洋生态系统与气候变化