對我國海洋科學研究戰略的研究論文
Abstract：In recent years, the marine science developed very fast in China. The marine infrastructure and capacity building achieve big progress, some research programs and implementation plan in marine science are being formed or planned. This paper try to analyse the status, key questions, and the research strategies of marine science. To better understand the changing ocean, and the Essentioal Ocean Variables in the coastal and deep sea, there is a big gap in the regional and global ocean observing system, such as chemical and biological sensors, geographic gaps, data collect, sharing and distrituion etc. One Ocean Seven Seas, we should consider the interactions between coastal and the deep sea, the multidiscipline and the multi-sphere interaction in the ocean. Marine ecosystem health and sustainable development, capacity building of global ocean observing system and establishment of ecosystem based management system should be in the top priorities in ocean sciences in China.
Keyword：marine strategy; deep sea; ocean; coastal environment; ocean observation;
海洋研究在我國從來沒有像現在這樣受到教育界和科技界的重視,短短幾年時間幾十所海洋院校如雨后春筍般建立起來,很多新的海洋院校和科研機構正在建設或籌劃,海洋科學考察船和大型海洋探索與研究設施也伴隨著新的海洋機構的建設而大批建造,特別是大型現代化綜合科學考察船的建造,據統計,總量已經超過歐洲。一系列與海洋相關的科技計劃被相繼提出,例如深海空間站、透明海洋、智慧海洋、深淵探索等。在這種海洋研究熱情空前高漲的情況下,我們有必要對海洋研究戰略進行系統分析,冷靜思考海洋科技發展如何才能滿足國家海洋戰略的需求,我國海洋科技如何部署才能跟上國際海洋研究的步伐,并且逐步在一些領域起到引領作用。
對我國海洋科學研究戰略的研究
1 對海洋研究中幾個關鍵問題的認識
1.1 變化中的海洋
海洋一直處于變化之中,在很多情況下海洋的變化速度超出我們對海洋的認知速度,很多海洋現象的發生對于我們來說是“措手不及”的,對于為什么會發生、何時會發生、程度會多大、突發性還是趨勢性等這樣的基本問題在很多時候難以回答。海洋的這些變化有些我們是能夠感受得到的,如魚類種類和數量的劇烈年際變化、赤潮生物的種類與數量的年際變化、浮游動物和底棲生物的數量波動等。有很多變化我們是感受不到的,但是一旦發現就已經很晚了,例如海洋溫度和鹽度的變化、溫躍層的改變、海水中營養鹽要素的變動、海洋基礎生產力的變動、海洋生態系統結構與功能的變化等。以澳大利亞大堡礁為代表的珊瑚礁的白化、死亡與破壞情況非常嚴重,珊瑚礁中長棘海星的暴發對珊瑚礁造成致命的影響,但是為什么長棘海星會暴發卻是一個未知之謎[1];2006年前后我國近海海盤車的暴發對近海養殖業造成很大影響,對于暴發的原因尚不清楚;2007之后江蘇和山東沿海滸苔連年暴發,在其暴發機理、滸苔生物學與生態學特性上仍存在許多懸而未決的問題;海洋中水母的暴發、赤潮的暴發以及在一些區域出現的棕囊藻的暴發等一直困擾著企業和管理部門。海洋中發生的很多事情是未知的,例如海洋中有多少種生物?它們分布在哪里?數量有多少?有些海洋生物,在我們認識它們之前就已經消失了,在一些海洋生物物種消失的同時,另一些新的物種也在產生。我們對海洋的了解在很大程度上依賴于我們對海洋的觀測與研究,很多海洋事件的發生,如果不是影響到近岸、影響到我們的生活,可能不會引起關注。一個不變的事實是,海洋一直處于變化之中,而且有時變化非常劇烈,這些變化會對整個海洋系統產生影響,從而影響到我們人類或者地球上大部分動物和植物生存所依賴的海洋環境。海洋是地球上所有生物的生命保障系統,海洋環境的改變會影響到整個地球生命保障系統。
對于導致海洋變化的原因,我們不能夠將其簡單地歸結為“全球氣候變化和人類活動”幾個字,如何了解海洋的變化、理解導致海洋變化的原因并找到應對措施,這是海洋研究的核心問題,同時也是海洋科技工作者所不能回避的問題,因為這些問題直接影響到海洋領域應該研究什么、如何進行研究。
1.2 神秘的海洋
據估測,迄今人類對海洋探測和了解的范圍僅僅是5%左右,也就是說有95%的區域我們是不了解的,主要是深海。我們對很多海洋現象的了解也非常膚淺,例如海洋物質能量的傳遞與氣候變化;生態系統結構與功能變動之間的關系;海洋中熱量的丟失[2];海水中溶解氧的變化;海洋酸化;海洋生物多樣性的變動;海洋中大型魚類的消失——數據顯示全球海洋中90%的大型魚類已經消失[3];海洋中膠質類生物,例如水母和被囊類等的增多[4];海洋地質過程、深海極端環境與生命、深層海底中的微生物等很多問題都有待于我們進行深入探索與研究,而這些問題與人類的生存與發展關系密切。
2 對海洋科學研究的體會與思考
2.1 近海研究
我國近海存在很多問題,近海環境安全面臨嚴重挑戰,赤潮發生的頻率和范圍有增無減,已經成為一種常態化的現象;自2007年開始,滸苔在黃海連年暴發,海洋中水母的數量急劇增多,對漁業資源和沿岸工業設施以及旅游業造成影響;一些海洋生物的暴發對核電設施安全造成嚴重威脅;漁業資源處于崩潰的邊緣。近海資源與環境直接影響到藍色經濟發展和沿海社會穩定問題。近海所發生的問題是海洋研究領域所不能忽視和回避的問題。海岸帶和近海低氧可能會對水產養殖造成毀滅性的打擊;近海水體中氮的增加所帶來的生態問題不亞于海洋酸化所帶來的問題。我們對海洋生態系統承載力的研究遠不能滿足海洋資源環境可持續發展戰略的需求。僅僅在近海開展工作可能不足以解析現在海洋中所出現的問題,需要進行鄰近大洋與近海的協同研究,這方面的關鍵問題是黑潮的變動對中國近海的影響——二者是一種什么樣的關系,黑潮的年際變異能夠產生多大的影響,特別應該加強黑潮對中國近海輸入通量方面的研究;我國長江口和蘇北淺灘是黃海東海生態災害的發源地,但這兩個地方的海洋環境非常復雜,既受到陸源物質排放的影響,也受到鄰近大洋變化的影響,長期觀測數據,特別是連續觀測和海洋立體綜合觀測數據的缺乏使我們對這個區域發生的很多生態問題難以理解。鄰近大洋對中國近海的影響以及近海本身的變化相結合才是解開中國近海生態系統演變的關鍵。海洋立體觀測網建設、近海生態環境綜合模擬系統的建立、生態系統承載力綜合評估模式的發展和漁業資源綜合評估模式的建立是近海資源與環境研究的核心問題。近海研究涉及到海洋研究評估體系的問題,因為近海研究往往是區域性的問題,加上問題的復雜性,所以近海研究在國際高端雜志發表論文相對困難,這也是很多人回避或不愿意進行近海研究的一個重要原因。因此,近海研究不能僅僅以論文論英雄,重點還在于是否能夠解決實際問題。從另一個方面來說,我國近海所出現的問題在很大程度上是管理上的問題,陸源物質排放、過度捕撈、海岸帶環境改變等是導致近海資源環境問題的重要因素。近海問題的解決在很大程度上依賴于基于生態系統的綜合管理體系的建立。
2.2 深海研究
海洋領域很多關鍵問題都與神秘的深海關系密切。
海洋與氣候的問題。海洋中微弱的熱量變化就會導致全球氣候的劇烈變化,但是對于全球海洋熱量的傳遞和平衡問題我們卻知之甚少,其中一個關鍵問題就是目前我們只對表層海洋的熱量變化有所了解,而對深層海洋的了解非常少,缺少觀測數據,對于熱量的傳遞速率和不同深度海水溫度的變動速率缺乏了解,而這些問題直接影響到我們對海洋與氣候相互關系的了解,這些問題不解決也就不可能從根本上解決全球氣候變化的問題。
海洋碳循環一直是人們關注的問題。海洋作為最大的碳庫,能夠吸收多少碳,以及海洋碳通量、碳的生物地球化學循環、海洋碳泵與全球氣候變化和海洋食物網變動之間的關系等,在這些方面我們對深層海洋中的情況缺乏了解,對深海知識的缺乏使我們難以從根本上對海洋碳循環問題有一個深入的了解。
海洋領域另一個受關注的問題是海洋酸化問題。海洋在吸收二氧化碳的同時,自身也發生了變化,海水p H值的改變就是一個非常重要的現象。我們需要了解海洋在多大深度上受到海洋酸化的影響,海水p H值的變化在多大程度上會對海洋生物產生影響。海洋的容量很大,從表層海水到深層海水,海洋酸化的梯度和速率變化是我們需要研究的重要方向。
海水中溶解氧的減少對海洋生態系統造成很大的影響,而深層海水中的溶解氧來自表層海水。深海中溶解氧的數量變動、氧從表層海水向深層海水的傳遞及其與海洋環境變動的關系也是我們所不清楚的,而海水溶解氧的變動是海洋生態系統變動的最重要的驅動因子之一,與海洋生物多樣性、海洋生態系統變動和未來海洋預測等關系密切。
深層海洋中的生物多樣性、深海食物網的現狀、變動規律、與全球氣候變化和人類活動之間的關系,特別是與海底采礦和其他深海活動之間的關系等是亟待解決的問題。對一些海底潛在礦區的生物本底調查是深海生物,特別是海底生物研究的一個重要驅動因素,這方面的研究對于未來海底礦物資源開發利用的環境評估是十分重要的。
在深海研究中,我們應該重點關注的深度也是一個非常重要的問題,對深海概念的不同會導致研究戰略的不同。目前大部分人還是主張將200 m水深作為深海的一個標準。因為200 m是海水補償深度,真光層的界限就是在200 m,所以很多海洋調查和觀測的深度定為200 m。我們對200 m水深以下的海洋資料相對很少,也就是說應該加強對200 m以深的區域的觀測。有很多人主張將深海的深度定在1 000 m,理由是1 000 m深度之后海水溫度相對穩定,海水流動減弱,認為超過1 000 m才是真正的深海。因為從海洋研究的角度,在很多情況下我們需要對全水層進行觀測,而且各個學科甚至針對不同的科學問題對海洋觀測深度的要求也是不一樣的。海洋研究中最大的挑戰在深海,深海中的很多問題屬于國際前沿問題。沒有對深海的了解,我們就不可能對海洋的問題有一個確切的了解。海洋中大部分未知的事情都發生在深海,很多戰略性資源也存在于深海,對深海的探索與研究更多地體現在未來戰略層面上,或者說是為我們子孫后代造福。深海研究涉及到一個國家疆域的拓展、戰略性資源的探索、海洋技術發展和地球科學的發展,是科學與技術有機結合、海洋多學科交叉研究和海洋多圈層研究的理想領域。深海研究也是一個國家科技水平和綜合國力的體現,所以未來海洋領域的競爭在很大程度上將體現在深海的探索與研究上。
2.3 海洋裝備研發
海洋探索與研究在很大程度上依賴于海洋探測與研究裝備的研發。關鍵是研發滿足科學研究需求的、實用的裝備。科學考察船和深潛器等在海洋探索與研究中發揮了不可替代的作用,但是面對變化中的海洋,從對海洋感知和認識的角度,僅僅依靠科學考察船進行海洋觀測是遠遠不夠的,更多的是依賴長期自動觀測設備的研發與應用,長距離遙控探測與采樣設備的研制將會大大推動對海洋極端環境與生命探索的步伐。目前的熱點和瓶頸問題是化學傳感器和生物傳感器的研發,帶有化學和生物傳感器的深海Argo、大洋滑翔器、AUV(自主式水下航行器)和智能化海底觀測網等是全球海洋觀測,特別是深海觀測的重點。
3 未來海洋與海洋研究戰略
面對變幻莫測的海洋環境、神秘的海底世界和日益嚴重的海洋資源與環境問題,如何部署海洋研究力量,抓住海洋領域的關鍵問題,作出有影響力的、突破性的成果,支撐國家海洋經濟發展、維護海洋環境安全、海洋防災減災、實現海洋資源與環境可持續發展、維持健康的海洋生態系統是我們必須要面對的問題。
3.1 建設自動化、智能化、無人化的海洋綜合感知體系
人類不生活在海洋中,我們對海洋的感知和了解在很大程度上依賴于海洋觀測和探測技術的進步和裝備的研發。海洋聲學技術的應用和聲學裝置的研發對海洋科學的促進作用是技術推動海洋科學發展的一個典型案例。在人們見到或者談起海洋的時候,首先會想到或提出的一個問題是:“海洋有多深?”這個看起來非常普通的問題,其實困擾了人類很長時間,甚至到現在也沒有真正弄清楚或者精確測量出海洋的平均深度。因為海洋太大了,我們很難對全球海洋的深度進行非常精確的測量,但是這個問題又非常重要,船舶的航行、水下軍事環境、全球海水容積的計算等都需要知道海洋的深度。過去是用繩索測定海洋深度,隨著海洋深度的增加,人們發現這種方法很難奏效。因為這種方法會受到海洋中海流等各方面的影響,另外也無法對廣闊的海洋進行大規模的測量。因此人們發明了利用聲學原理進行海洋深度測定的裝置。當一個球形裝置碰到海底時會發出聲音,我們可以通過測定聲音到達水面所需要的時間來測定海洋的深度。1925年,德國人哈勃在“流星”號考察船上安裝了一臺“回聲探測儀”,希望通過這臺新設備獲得更多、更詳盡的海洋資料。在使用回聲探測儀進行測量后,人們驚奇地發現,在大西洋中部的某些海域,不是人們想象的深海,而是“淺海”,于是發現了“大西洋中脊”的存在。“流星”號總共測量了7萬多個數據,這對后來的深海和大洋探測起到了重要的推動作用。現在對海底進行測繪的.設備也基本都是利用聲學原理進行工作的,從這個看起來相對簡單的技術問題中我們可以看出技術的進步對海洋科學的發展有多么重要。
CTD(溫鹽深儀)的發明和應用使我們對大范圍的物理海洋探測成為可能,從而對海洋中的很多動力學問題和物理現象有了全新的認識。有人認為沒有CTD的發明就不可能有對大洋環流的認識,也不可能從海盆尺度上開展海洋動力過程的研究,現在海洋觀測體系中基本都離不開CTD;深潛器的發明使我們能夠探測深海,發現海底熱液生物群落,提高人們對深海極端環境和生命的認識;衛星遙感技術的應用和水色衛星的研制使我們從全球尺度對表層海洋進行觀測和研究;海洋浮標和潛標的發明使我們能夠對表層和深層海洋有所了解;Argo浮標的使用使我們能夠大范圍探測海洋的狀態。這些儀器設備的研發都是在海洋研究需求下推動發展起來的,科學與技術的有機結合才能真正發揮作用。
海洋觀測對于海洋研究來說無疑是十分重要的。在過去的幾十年中,海洋觀測受到全球的關注,在觀測方法、觀測范圍、觀測技術和觀測精度等方面都取得長足進步,但是主要是物理環境的觀測,海洋化學環境和生物環境的觀測還非常落后,尤其是生物環境的觀測,能夠達到實用標準的探測器很少。因此我們目前對于變化中的全球海洋物理環境相對了解得多一些,因為現在的海洋長期觀測網大多是用于物理海洋環境觀測的,換句話說,只要有能力投入,海洋物理環境信息的獲取是沒有問題的。化學傳感器和生物傳感器是建立海洋長期觀測網的瓶頸問題。現在的化學環境與生物環境數據大部分來自基于科學考察船的海洋調查。在瞬息萬變的海洋環境中,這種觀測方式很難滿足現代海洋科學發展的需求。人類對生命的探索永無止境。對于宇宙智慧生物的探索和對其他星球上生命的探索開啟了深空、宇宙探索的新紀元,對于海洋生命的探索也是如此。分子生物學、基因技術和圖像技術的應用、海洋生物芯片的研制、新型傳感器技術與生物技術的結合、與海洋無人潛器的嫁接,海洋生命科學與信息科學的有機結合將使我們對海洋生命、神秘的海洋有更加深入的了解,而在這方面僅僅依靠載人潛水器和科學考察船是做不到的。
未來的海洋研究將進入自動化、智能化、無人化時代。在實驗室內能夠通過遠程遙控技術完成對深海極端環境的探測、取樣與原位觀測,深海將不再神秘。智能化的海洋觀測網和自動化的海洋探測體系的建立、海洋模擬器+超級計算機等人工智能技術的結合將使我們對海洋關鍵過程、海洋環境變化和生態系統結構與功能的變動有更好的了解,基于生態系統的海洋綜合管理將成為現實,海洋對于經濟社會的支撐作用將進一步顯現。
綜上所述,未來海洋科學發展的一個核心問題是對海洋的感知,而海洋信息系統的建立是我們感知、認識、了解海洋、綜合管控海洋的基礎和保障。海洋信息系統的建立包括海洋信息的獲取、傳輸、處理和應用等幾個關鍵環節,我們必須充分認識到海洋環境和海水介質的特殊性、復雜性和困難性。有些在陸地、大氣和空間探測和觀測中已經解決的問題,在海洋觀測中卻成為瓶頸問題。新型海洋探測器的研制,特別是化學和生物探測器的研制,海洋信息的有效傳遞、處理和應用將是未來海洋科技發展的前沿核心問題。考慮到海洋考察的成本、風險、效率和海洋的廣袤性,科學考察船在現代海洋研究中的地位和作用會逐漸減弱,而自動無人探測器、海洋遙感遙測技術和遙控采樣技術等將成為未來海洋科學發展的趨勢。
3.2 從海洋系統角度開展海洋研究
海洋領域的熱點問題很多,從資源、環境到對未知世界的探索,海洋生物資源可持續利用、海洋環境安全、海洋生態系統健康、海洋生物多樣性保護、海洋生物地球化學循環、深海極端環境與生命,每一方面都很重要,我們能否在同一個平臺上開展系統研究?中科院海洋先導專項“熱帶西太平洋物質能量交換及其影響”在這方面進行了一些探索。
海洋科學具有大科學的特點,陸地上有的過程海洋中幾乎都有;海洋學科也非常復雜,物理、化學、生物、地質無所不包,海岸帶、近海、大洋、深海都很重要。但是從另一個角度看問題,不僅海洋各個部分是連在一起的,海洋各個學科也是相互關聯的,例如海洋生態學的研究中,物理、化學、生物和地質環境缺一不可,所以海洋科學研究是物理海洋學、化學海洋學和生物海洋學以及海洋地質學的綜合體現。我們是否能夠把這幾個學科結合在一起,圍繞同一個問題、在同一個平臺上開展研究?是否能夠將大洋、深海和近海聯系在一起,形成一個有機整體開展綜合系統研究?什么樣的題目能夠表達這樣的綜合研究?在中科院海洋先導專項的設計中我們進行了有益的探索(圖1和圖2)。首先在區域的選擇上重點開展熱帶西太平洋的研究,因為這一區域對我國海洋戰略的實施非常重要,同時在科學上也非常重要,主要體現在以下幾個方面:(1)這里是全球海洋表層溫度最高的區域,即暖池所在地,這個區域海水溫度變動會對東亞乃至全球氣候造成影響;(2)這里是黑潮的發源地,黑潮作為太平洋一支重要的西邊界暖流,將熱量和物質從低緯度向高緯度輸送,黑潮的變異會對中國近海環境產生影響;(3)西太平洋海底非常活躍,分布著眾多的海山、熱液和冷泉,對于海洋極端環境與生命的探索、地球科學和海洋科學綜合交叉研究具有重要的意義。用什么題目能夠把要開展的研究內容和內涵表達出來?我們最終選擇了以“熱帶西太平洋物質能量交換及其影響”為題,熱帶西太平洋環流與氣候的研究、黑潮與中國近海環境之間的關系研究以及深海探索從根本上來講是對海洋能量與物質交換的研究,能量主要體現在海洋熱量的傳遞與交換上,物質主要體現在海水中顆粒有機物、海洋生物和海洋溶解物質的傳遞與轉移轉化上。作為中科院10個A類先導專項之一,海洋先導專項重點開展熱帶西太平洋海氣相互作用(圖3)、黑潮變異對中國近海生態環境的影響(圖4)、深海極端環境與生命探索與研究(圖5—圖7),以及基于海洋研究目標需求的海洋設備研發(圖8)。
3.3 重視海洋多圈層相互作用研究
海洋是互相連通的,很多海洋現象的發生都不是孤立的,相互間密切關聯,如近海與大洋之間的相互作用、陸海相互作用、海氣相互作用。地球上不同圈層之間的相互作用在海洋領域表現的尤其突出,包括巖石圈、水圈、氣圈和生物圈之間的相互作用。對海洋的探索與研究應該重點聚焦在三個界面之間的通量研究上:海氣界面,涉及到海洋與大氣之間的相互作用問題,熱量與水汽交換涉及到諸多國際前沿問題,如海洋環流與氣候、海洋碳循環、海洋酸化等;陸海界面,近海生態系統的變動在很大程度上取決于陸源物質的排放,富營養化、低氧區的擴大、近海生物資源變動、海洋環境安全等在很大程度上是陸地與海洋、近海與大洋之間相互作用的結果;海底界面,海底熱液、冷泉、海山、海底平原等深海極端環境與生命等對于我們來說基本是一個未知世界,也是地球科學的前沿問題,涉及到地質地球物理、地球化學和海洋生命等各個領域的相互配合與交叉問題,新的油氣資源、礦物資源、藥物資源和基因資源等戰略性資源的探索和深海生命的起源、適應與演化等將是海洋領域科學探索的熱點領域。
參考文獻
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