第193次-- 科学与技术前沿论坛

主题报告

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。
海洋碳汇估算中的几个关键问题
符伟伟教授复旦大学

海洋碳汇的精准量化是全球碳收支评估与气候变化研究的核心科学问题，但受制于物理-生物过程耦合的不确定性及历史基准缺失等挑战。在本研究中，我们利用碳同位素耦合模式，围绕海洋碳循环中碳-14多源信号解耦、Suess效应过程解析与海洋人为碳汇重估等重要问题，通过融合大气碳-14历史观测、多同位素数据同化和贝叶斯反演技术，减少海洋碳汇和Suess效应估计的不确定性。我们提出一种“自上而下”的海洋碳-14信号分离新方法，实现自然背景、核爆脉冲与Suess效应的正交解耦，从而更准确的约束海洋通风过程；基于碳-14和碳-13多同位素数据协同约束，建立工业革命前海洋碳同位素稳态基准场。最后，在优化海气通量交换速率、优化生物泵效率及酸化过程影响浅层海洋（0–200m）碳同位素变率的基础上，实现对全球海洋人为碳汇跨年代际变化的高置信度估算并对海洋Suess效应的变化和影响机制进行解析。本研究的多同位素约束方法对未来不同排放场景的海洋碳汇预测有重要的参考意义。
深海极端环境和特殊生命过程新认知及其对气候变化、生命起源、宜居地球的启示
王凡研究员中国科学院海洋研究所

深海蕴藏着丰富战略资源，涉及权益维护和疆域拓展，一直是海洋强国建设的战略重点。深海孕育着地球演化、气候变化等重大科学前沿问题，是认识特殊生命过程、理解生物进化的天然实验场。依托国家重大科技基础设施“科学”号综合科考船，构建了国际一流的深远海原位探测与研究体系，聚焦深海界面过程组织开展了多学科交叉研究，在深海新物种发现、生命起源(无机到有机)、深海“光合作用”、板块俯冲起始机制、跨界面物质能量迁移过程等多方面取得颠覆性新认知。研究结果揭示了深海地质过程、环境过程与生命过程协同演化机制，构建了“宜居地球”理论的深海板块，打造了国际一流深海研究群体，引领了深海科学研究与技术创新，推动了地球系统科学理论的发展。
复杂系统的相变与临界现象：从物理到地球系统
陈晓松教授浙江大学

在吉布斯平衡态统计力学的基础上，我们建立了复杂系统的本征微观态统计物理学。依据该理论，基于复杂系统个体的大数据可得到系统的微观态，然后计算系统的本征微观态及其时间演化，并得到本征微观态的概率分布。采用本征微观态可精准描述复杂系统的集体行为和介观结构，本征微观态概率可精准刻画系统的相和涌现行为。由本征微观态的概率分布Pa ，我们引入了本征微观态熵S=-∑aPalnpa，从而可以利用本征微观态熵和它的变化来预警和描述复杂系统的相变与临界现象。我们已成功地将本征微观态理论应用于物理、生物、生态及地球系统。

第193次：海洋生态系统与气候变化