项目计划开展中国近海碳通量、过程与机制、海洋酸化历史及生态效应、变化趋势的模拟与预测分析等四个方面的研究：

1. 中国近海海－气界面碳通量的定量研究（通量）：

运用走航（underway）高频率pCO₂自动观测系统大面积观测大气和海表pCO₂及其他相关参数，利用高精度、快速响应CO₂光纤化学传感器对代表性区域定点连续观测大气和海表pCO₂，同时应用卫星遥感技术遥测海表水温、叶绿素浓度、风场和海面波浪等多种要素，揭示不同海区的CO₂分压与卫星遥感要素之间的关系以扩展实测数据，增加CO₂分压的时空覆盖度；在代表性站位、海岛、石油平台上用涡动相关法测定海－气界面气体交换速度，探讨多参数的气体交换速度公式，减小传统上仅用风速为参数的气体交换速度的不确定性；在此基础上，对结合大气和海表ΔpCO₂的块体方法计算得到的和涡动相关法直接测定的海－气CO₂通量进行比较，重点评估高风速条件下两者的差异，以提高CO₂通量估算精度，降低碳通量计算的不确定性。最终揭示CO₂源汇的空间分布格局及季节和年际变化以及CO₂的吸收与储量。

2. 控制中国近海碳源汇格局的关键物理、生物地球化学过程和机理（过程与机制）：

（1）初级生产、有机碳储量及固碳能力

分析海水中叶绿素a含量和浮游植物群落组成，了解初级生产力结构，估算中国近海的生源碳库及其变化规律；在此基础上，利用遥感叶绿素、海表温度、透明度和光合作用有效辐射率等遥感反演参数建立中国近海初级生产力的区域遥感模型；研究海水中 POC和 DOC浓度等反映海域有机碳储量的生化参数遥感反演机理。基于海区的水体光学特性，建立中国海水体光学组份（叶绿素、非藻类有机碎屑、无机泥沙和黄色物质等）固有光学量的遥感半分析模型；利用光学-生物地球化学化参数现场同步测量数据，分析POC、DOC与水体细分物质固有光学量的关系，确定海区POC、DOC遥感反演的最佳光学特征量，建立中国海区域POC和DOC的遥感光学－生物地球化学模型；利用实测数据对遥感模型的精确度和适用性进行验证，完善反演模型。在此基础上，利用多源卫星资料制作长时序的初级生产力、POC和DOC等碳信息产品，分析其时空变化特征，估算中国海的有机碳储量、固碳能力及其对碳源汇格局的影响。

（2）碳的微生物再循环

综合运用生态学、生理学和分子生物学的先进手段，并与化学过程、物理过程紧密联系，深入研究在不同环境条件下与碳循环有关的微生物动力学的关键过程；运用流式细胞技术测定微生物总量，开展异养细菌的生长速率及呼吸速率和异养细菌对有机碳（POC与DOC）的矿化作用；

（3）碳沉降输出与埋藏

在有机碳测定的基础上，采用新近发展的小体积MnO₂沉淀技术，现场测定²³⁴Th，通过²³⁴Th的亏损量及POC/Th比值定量真光层POC垂直输出通量；选取典型站位，应用沉积物捕获器直接收集沉降颗粒确定其通量，同时通过现场调查、现场实验和受控生态系实验，研究不同功能群浮游植物的沉降速率，浮游动物对浮游植物的摄食死亡率，微食物环向经典食物链输出的效率以及浮游动物粪便对颗粒物的打包效率以期了解不同群落结构对生物泵效率的影响；应用同位素示踪、生物标记物、受控培养实验等一系列与国际接轨的技术和手段，获取有机碳矿化速率、海水-沉积物界面碳通量。

（4）陆源碳输入（河流、地下水）的影响

选择中国两条主要的大河——长江和珠江的河口区域，在历史数据分析和季节性大面调查的基础上，研究河流碳/碱度输送通量的年季变化，提取有价值的趋势信息，以同位素C-14，C-13为手段分析各种形态陆源碳在河口区及陆架区的分布、迁移及埋藏，给出河流碳通量，变化规律及在边缘海的循环机理；利用天然放射性长寿命²²⁶Ra、²²⁸Ra，短寿命²²³Ra、²²⁴Ra以及渗流仪、压力计等研究地下水输入的范围，并通过箱式模型计算地下水入海通量；测定区域地下水DIC的输入，以确定地下水碳输送通量的年季变化以及对边缘海生物地球化学的影响。

（5）边缘海向深海大洋的碳输送

采用现代方法和手段组织海上观测，重点揭示南海北部和东海陆架区海流在季节、亚潮和supertidal尺度上变异的物理特征，探讨季风和深海强迫作用下南海北部和东海陆架的输运规律和机制，尤其注重跨陆架-深海界面的物理交换过程。配合相应课题对垂向和代表性断面的碳通量观测结果，辅之以数值模拟等研究手段，开展陆架向大洋碳输送过程和机理研究，给出跨陆坡碳输送量及变化规律；建立能够描述中国陆架边缘海向深海大洋碳输送的理论框架、数值模式，并给出中国陆架边缘海向深海大洋碳输送的估算量值。

3.海洋酸化历史及生态效应（效应）：

（1） 海洋酸化历史

选择典型珊瑚礁系统，通过d¹⁸O、d¹³C、Sr/Ca等元素同位素手段重建近工业革命以来的温度、盐度等古海洋记录，提取反演海洋表层CO₂变化信息；利用硼同位素组成重建海水pH的记录，重建海水酸化历史；分析珊瑚钙化率的变化，探讨海洋酸化与大气CO₂水平变化的关系，以及酸化对珊瑚生态系统的影响。

（2） 海洋酸化对初级生产过程和典型钙化生物钙化生理的影响

围绕与碳循环密切相关的光合固碳与生物钙化作用，开展现场与受控模拟实验，研究浮游植物及钙化生物对CO₂浓度升高和海洋酸化的响应，并揭示固碳作用和钙化的变化对未来海洋碳循环的反馈作用。

结合阳光辐射与水温的日变化，应用实验生态技术，调控海水游离CO₂、DIC、pH等参数，研究CO₂升高与海水酸化对关键浮游植物类群光合固碳的影响。在此基础上，应用围隔受控生态，综合运用生理生态学、光生物学及相关的分子生物学研究手段，研究浮游植物种间的竞争与群落结构变迁，阐明优势种光合固碳作用的变化及对海洋生物泵的影响。

选择典型钙化生物，如钙化藻类、贝类及珊瑚类，研究不同游离CO₂、DIC和pH水平对这些生物钙化作用的影响，结合物理（如阳光紫外辐射、温度等）与化学（营养盐、痕量生源要素等）因子的作用，揭示CO₂浓度升高、海水酸化与其它环境因子的耦合效应，阐析生物钙化作用的变化对海气界面CO₂通量的影响。

4. 碳通量及其调控过程模拟与变化趋势预测分析 （变化趋势）：

采用通用的数据格式和数据库管理工具，集成历史资料和本项目所采集的现场及遥感实测数据，建立比较完整的中国近海碳循环数据库；归纳、建立海－气CO₂通量与相关物理、生物地球化学参数及生物生产过程之间的经验关系，提出相应参数化方案，建立适合中国边缘海的碳通量过程模型，综合分析与评估碳通量及源汇格局主要影响过程和背景因子，揭示研究海区的主要物理，生物及化学因子；

选用区域海洋模式系统（Regional Ocean Modeling System, ROMS）发展研究海区的物理－生物地球化学耦合模式作为海洋碳循环的基础模式，并结合国际上已有的比较成熟的相关海盆环流模式及现场观测结果，建立适应中国近海动力特点的近海-边缘海-海盆多时空尺度的嵌套碳循环过程模型的综合性区域模型。进行碳循环过程模拟和碳通量估算，并进行增汇模拟实验来研究不同时空尺度的物理-生物地球化学的相互作用对碳循环过程影响；利用高分辨率卫星遥感海面信息以及长时间历史资料，用建立的模拟系统拓展受观测所限的pCO₂、海－气CO₂通量以及相关参数分布的时空域，改善碳通量估算及主要控制过程的模拟效果；由区域性天气预报和气候预测模式提供外部驱动，对中国近海碳通量及其主要过程变化趋势进行预测。

分析由海面风场、河流输入、岸线形状及海底地形引起的动力强迫及其所调控的海域水动力条件及其带来的营养盐和碳输入，并据此进行碳循环过程模拟和碳通量估算；研究处于不同地理环境和气候系统的黄东海及南海，以及不同生态系统为主导的近岸海域、开阔海域及珊瑚礁海域对碳循环过程的作用。

结合酸化及其相关的物理和生物历史数据并采用增汇模拟实验，模拟工业革命以来中国近海的酸化演化，并在上述碳循环模式基础上，对未来的酸化如何影响生态系统进行预测分析。