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我国海洋科学发展现状与未来展望

海洋是生命的摇篮,是支撑地球宜居性的关键空间,是地球系统科学发展的重要引擎。海洋是地球气候系统的调节器,对地球系统的热量循环、水循环、物质循环等有重要的调控作用,深入认识海洋动力过程及能量物质循环过程是理解和应对全球及区域气候变化的关键。海洋也孕育了地球上最大的生态系统,具有巨大的服务功能和价值,认识蓝色生命系统过程与规律、合理开发和保护蓝色生物资源是支撑人类社会可持续发展的重大战略需求。随着人口持续增长,人类对能源、粮食、空间、矿产、淡水等资源提出了更加迫切的需求。与此同时,随着人类活动的加剧,温室气体、污染物(如重金属、持久性有机污染物、微塑料)等排放量增加,地球气候系统正在急速变化,环境和生态系统正在迅速退化。认识海洋、经略海洋关系到人类社会的兴衰。

然而到目前为止,广袤深邃的海洋只有5%的区域被人类探索。未知的海洋蕴藏着无尽的资源,是重大科学发现和颠覆性技术创新的摇篮。海洋独特的生命过程,特别是热液、冷泉以及深海暗生命系统等一系列重大发现,颠覆了人类对于生命极限的认识,有望通过人类的探索解答地球生命起源这一终极问题。海洋作为地球系统的“血液”,是联系地球系统各圈层的纽带(图1),开展以海洋为核心的多圈层耦合研究,是催生地球科学重大发现、创建和发展地球系统科学新理论的必由之路。

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图1 地球系统多圈层耦合示意图

20世纪中期以来,围绕海洋中的物理、化学、生物和地质过程及其对气候和生态系统的影响,全球海洋科学界以国际合作的方式发起了一系列国际大科学计划,例如海洋与气候方面的世界海洋环流实验(WOCE)、Argo全球海洋观测网、耦合模式比较计划(CMIP),海洋生物地球化学和生态系统方面的全球海洋通量联合研究计划(JGOFS)和全球海洋生态系统动力学研究计划(GLOBEC),海洋地质和地球系统科学方面的国际大洋发现计划(IODP)、国际地球科学计划(IGCP)等。这些国际大科学计划极大地推动了海洋科学各个分支的发展及其与其他学科的交叉融合。历经几十年的发展,海洋科学正在整体进入转型期,学科已逐步提升到集成整合、探索机理的系统科学新高度,深化拓展近海研究与管理、聚焦深海与极地新疆域、开展多圈层多尺度耦合研究成为世界各国海洋研究的新趋势。

2017年12月,联合国大会第72届会议宣布2021—2030年为“联合国海洋科学促进可持续发展十年”,并于2020年10月在线发布了《实施计划摘要》,提出“构建我们所需要的科学,打造我们所希望的海洋”十年愿景,旨在“推动形成变革性的海洋科学解决方案,促进可持续发展,将人类和海洋联结起来”。

本文对当前海洋研究领域诸多悬而未决的重大前沿科学问题进行了梳理和凝练,回顾总结了我国海洋科学领域的研究进展与发展态势,对标找出与世界先进海洋强国的差距,并基于当前这一重要历史机遇,对我国海洋科学未来发展方向和具体目标进行了展望。

一、海洋科学前沿问题

海洋科学具有鲜明的多学科综合交叉的特点,其研究前沿实质上是学科交叉的前沿,更是孕育颠覆性创新的高地。Science杂志在创刊125周年公布的125个最具挑战性科学问题的前25个问题中,与海洋密切相关的包括地球内部运行机制、地球生命起源、温室气体导致地球增温的上限、石油能源的替代、地球的人口承载力。目前,海洋科学的前沿研究领域主要集中在海洋物质能量循环、跨圈层流固耦合、海洋生命过程、健康海洋、海岸带可持续发展、快速变化的极地系统等方面。

阐明海洋物质能量循环机理是认识地球宜居性的关键

自工业革命以来,人类因使用化石燃料造成的累计碳排放已达4500亿吨,目前全球气温正在以平均每百年1.5的速率迅速升高。全球变暖引发的气候波动、海平面抬升以及日益频繁的海洋和气象灾害给人类社会带来了前所未有的威胁。海洋由于其巨大的热容,储存了整个气候系统中超过90%的热量盈余,作为地球系统中最大的活动碳库,吸收了大约30%的人类活动排放的CO2。这些从根本上减少了进入大气系统的热量,从而减缓了全球变暖的速率。海洋多尺度过程及其相互作用如何决定海洋物质能量循环,进而决定海洋对热量和CO2的吸收能力物理泵与生物泵的贡献分别有多大?深海大洋对热量和CO2的极限吸收能力是多少?对热量与CO2的吸收如何改变海洋的动力过程和生物地球化学环境?又如何进一步影响不同时空尺度上的海平面、极端天气和水循环等变化?在地质历史时期,大气CO2的变化幅度远大于工业革命以来的监测结果,其控制因素是什么?对地球的宜居性产生了哪些影响?回答这些问题与认识未来地球的宜居性息息相关,同时也是增加我国在应对全球气候变化、部署地球工程等重大世界性事务中话语权的关键。

深入理解海洋与岩石圈的耦合过程是拓展地球系统科学理论的必由之路

海洋是地球不同圈层物质与能量交换的关键载体,既是地球内外动力地质作用的交融地,也是不同来源物质的汇集地。海洋的存在使得地球上广泛存在流体活动,在地质历史时期改变着大洋板块的物理化学组成,改变着海洋固体地表。随着板块构造,大洋板块俯冲将流体和流体改造的岩石圈带入地球深部,影响着岩浆活动、板块运动、海底资源的形成,乃至整个地球系统的演化(图2)。20世纪60年代板块构造理论的建立,兴起了一场改变地球科学发展轨迹的革命。海底是全球环境变化的记录者,通过沉积物记录的全球气候和环境变化是揭示地球演化和人类生存环境变化规律的重要科学参考。海底流体活动和地质过程形成的重要成矿资源,是人类未来赖以生存发展的潜力所在。但是,长期以来许多相关问题仍然没有得到解答,如现代大洋壳/幔边界结构和组成是什么,板块构造的驱动力是什么,地球内外物质交换的基本规律是什么,地球深部过程演化与宜居地球环境形成的关系是什么,尤其是,地球内部各圈层之间的碳、氧和水循环规律是什么,以及地质历史上对地表环境的影响如何,海底地震发生的机制是什么,如何科学评估和预测滑坡等大型地质灾害的发生等。这些海洋和地球科学中亟待解决的重要科学问题,不仅有助于揭示地球系统的运行规律,也关系到人类生存环境的演化和社会可持续发展。

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图2 海洋-岩石圈耦合过程及大洋板块形成、演化和消亡

解码蓝色生命是揭示生命起源和演化、理解生物多样性的关键

海洋是生命的摇篮,深海热液被认为是生命起源最可能的地方。海洋中保留着最完整的生物门类体系,深海、热液、潮间带等特殊生境中存在着丰富多样的生命形式,隐藏着生命起源和演化的密码(图3)。生命进化史中许多重大事件都发生在海洋中,解码蓝色生命是破解地球生命奥秘至关重要的一环。如“雪球地球”之后距今5.4亿年前至5.3亿年前,发生在海洋中的“寒武纪生命大爆发”现象,被称为古生物学和地质学上的一大悬案,也被国际学术界列为“十大科学难题”之一,自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。同时,海洋生物自身历经亿万年进化,形成了特色鲜明的蓝色生命现象,如基因组高多态性、环境调控性别转换、形态多样的多阶段发育过程、贝壳及鳃等特化功能性器官系统、海鞘逆行变态等独特现象。造成这些生命现象的编码机制和生物学过程是什么?高盐、高压、低氧、潮间带、极地以及深海深渊、热液、冷泉等海洋环境中生活的海洋生物是如何在分子、细胞、个体以及群体水平适应特殊环境并繁衍生息的?海洋丰富多样的海洋生物是如何演化的,其进化链条的形成以及驱动力是什么?Science杂志发布的125个迄今未解科学难题中,就包括生命科学领域的前沿问题如地球生物多样性、生命起源、寿命极限、器官再生等。由于海洋中存在最为多样化、复杂和古老的生命形式,相关科学难题有望在解码海洋生命的研究中得到线索和解答。

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图3 动物起源与多样性演化过程

保持海洋水环境安全、生态系统健康,保障海洋食品安全和人类健康是人类社会可持续发展的前提

海洋每年为全人类提供的服务和价值约为3万亿美元,占全球GDP的5%左右;超过26亿人以海洋作为主要的蛋白质来源;海洋中的光合作用和其他生物固碳过程吸收约30%人类活动产生的CO2,缓冲着全球暖化的影响。上述重要海洋功能的实现依赖于健康的海洋生态系统。但到目前为止,我们对海洋生物多样性以及深海、海底和极地生态系统仍然缺乏基本的了解。当前,在全球变暖和人类活动的双重影响下,海水增温、缺氧、酸化、过量营养盐输入以及重金属、持久性有机物和微塑料等环境污染物排放增加等问题给海洋生态系统造成前所未有的威胁。在全球变化和人类活动背景下,微塑料、有毒有机污染物等在陆、海、气界面的迁移、转化过程和机制是怎样的?关键环境因子如何影响和驱动海洋生态系统演变?环境污染物和致灾致害生物对于海洋食品安全和人类健康造成的风险是怎样的?我国近海海岸带的环境承载力和生态阈值是怎样的?如何实现可持续发展?这些都是关乎人类未来命运的问题。

揭示海岸带人地交互多圈层耦合规律,是保障、拓展人类生存空间,促进经济社会可持续发展的重要支撑

海岸带是人类生存的重要空间、经济发展的关键区域。全球约有40%的人口生活在离海岸线100km以内的陆地上,约有10%的人口生活在海拔低于10m的区域。海岸带的海洋初级生产力占全球的25%,渔获量占全球的90%。剧烈的人类活动给海岸环境和生态系统带来了前所未有的威胁。在过去几十年里,近海渔业资源减少了近30%,有接近50%的湿地消失,60%的珊瑚礁严重退化,环境和淡水资源被不断污染。与此同时,海岸带也是当前和未来人类最有能力干预和治理的区域。海岸带的人地交互在陆地-近海-大洋-大气耦合系统中的作用及机理是怎样的?如何认知气候变化和人类活动双重胁迫下的海岸带生态系统,并建立新的社会经济发展模式与监管政策?这些问题对实现海岸带的科学、安全、生产、管理的有效融合和促进社会经济可持续发展具有重要意义。

明确极地冰层的形成与海洋快速变化的机制,是提升全球长期气候变化预测和应对能力的重大前沿科学挑战

南北极大部分区域被冰雪覆盖,储存着全球约95%以上的冰和超过70%的淡水。南大洋和北冰洋具有丰富的生物资源,是全球海洋吸收CO2的主要区域。相对于中低纬度,极地是全球气候正反馈过程最活跃的区域(图4)。因此,在极区,全球气候系统的变化信号会得以放大,导致极地冰层和海洋发生快速变化,同时极地的快速变化会通过海洋和大气环流变异等物理过程以及生物演化和碳循环等生物地球化学过程的反馈作用调制全球变化,对全球气候、环境和生态系统产生深远影响。但是,控制极地冰盖变化的因素是什么?极区的地质演变机制及其对极区气候系统形成的作用是什么?哪些气候正反馈过程主导了极地冰层与海洋的快速变化过程及其位相转换?为何极区的快速变化主要发生在年代际甚至更长的时间尺度上?极区生物群落和生态系统如何响应物理系统的快速变化?其生物地球化学过程的长期气候效应是什么?发生在极区的快速变化过程,调制甚至驱动全球气候变化的具体途径和作用是什么?极地的海洋、气候与生物地球化学过程与人类活动的耦合机制是什么,在人类社会的发展历史中起到了什么作用?这些问题不仅与极地的环境和气候变化密切相关,也是认识全球变化驱动机制、提升全球长期气候变化预测能力的关键问题之一。

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图4 在气候变暖背景下,北极水文、生态环境及海洋与大气耦合系统变化示意图

海洋科学是一个“超级大科学”,海洋问题的复杂性使其无法通过单一学科的研究得以解决,而是需要多学科领域间深度交叉。近年来,随着科技投入的增大、科研条件的改善和对外合作交流的加强,我国海洋科学的研究正在逐步从过去的跟跑阶段进入并跑阶段,但原始创新能力明显不足。原因之一是,长期以来我国海洋科学内部学科划分过细,学科间交流不足,严重制约了整个学科的发展。作为海洋大国而非海洋强国,在强手环峙、竞争激烈的大环境下,我国海洋科学研究必须创新发展模式,通过跨领域、跨学科的前沿交叉,在地球系统多圈层耦合机制、生命起源及演化等方面取得一系列从0到1的突破,引领国际科技前沿,为部署地球工程以应对全球气候变化、防灾减灾、保护海洋功能、拓展生存空间以及构建人类“海洋命运共同体”提供科学的解决方案。

二、我国海洋科学发展现状

我国海洋科学研究发端于20世纪中叶,较发达国家起步晚,长期以来研究水平与发达国家存在较大差距。然而,近年来随着综合国力的增强,经费投入的增加,我国海洋科学研究水平得到迅速提升。研究领域从中国近海拓展到深海大洋与极地海域,研究问题正在逐步从单一学科的科学问题向多学科交叉问题过渡,产生了一批具有重要国际影响力的学术成果。国内学者通过积极参与国际合作和国际研究计划,积累了经验,打好了基础,培养了队伍,并逐步走上了国际舞台。

海洋动力、生物地球化学过程与气候研究

近年来,我国在海洋动力和生物地球化学过程及其气候效应领域取得了长足的发展。科学技术部、国家自然科学基金委、中国科学院和自然资源部等部委相继启动了一批重大科学计划和科研项目。目前,已经建立了较为完整的从近海到深海大洋、从大尺度环流到微尺度湍流的动力研究体系。围绕气候变率及其可预测性,海气相互作用,近海和大洋环流变异机理,海洋中小尺度过程生成、演变及其引发的湍流混合取得了一系列重要进展,但整体上仍然处于跟跑或并跑的态势。高分辨率海洋和气候模式迅速发展,部分自主知识产权的模式已进入耦合模式比较计划(CMIP),但相对成为国际主流模式仍有一定距离。针对我国近海碳循环与生源要素地球化学过程,产生了一批具有明显创新意义的重要成果。在边缘海碳的源汇格局及调控机理,海洋微型生物碳泵(MCP)储碳新机制,中国近海氮、磷、硫等元素循环与生源活性气体生成机理,海洋酸化及其生态效应等方面取得了重要进展。然而,我国针对深海大洋碳及其他元素循环的研究起步较晚,缺乏多学科交叉、多圈层耦合的系统性研究。

海洋地质研究

我国在海洋地球科学领域推动了一系列重要研究计划,取得了可喜的成绩。例如,国家自然科学基金委2010年启动的“南海深海过程演变”重大研究计划,大大推动了我国对南海地质过程的认识;目前正在执行的“西太平洋地球系统多圈层相互作用”重大研究计划以流固耦合为纽带,进行跨圈层物质循环和能量交换研究,已经取得了初步成效。我国主导的国际大洋发现计划航次(IODP349、367、368等航次)也在南海的深部过程研究方面做出了贡献;我国原国家海洋局主导开展的大洋航次对全球主要洋中脊和海山开展了一系列底质调查,掌握了一些深海研究的重要资料。近五年来,中国科学院利用先进科考设备,通过中国科学院专项项目的执行,在西太平洋俯冲系统、板内火山系统以及热液、冷泉系统也开展了调查研究,取得了一些重要成果。但是,我国在海洋地球科学相关领域起步较晚,研究程度总体上落后于西方发达国家,尤其是在海洋固体地球科学领域,目前关于西太平洋俯冲系统相关理论的认识仍然主要来源于西方国家,我国相关研究计划匮乏,研究程度较低。

海洋生物研究

我国海洋生物研究早期主要集中在近岸与海岸带的海洋生物分类区系及资源调查。20世纪50—70年代的全国海洋普查工作基本摸清了我国近岸海洋生物,特别是经济物种的种类和资源量。鱼虾贝藻繁殖生物学和遗传学研究成果奠定了我国海水养殖产业发展的几次浪潮。20世纪80年代以来,海洋生态学得到很大发展:参与了一系列国际重大计划,如海洋生态系统动力学研究(GLOBEC)等;同时对南大洋进行了以南极磷虾为主的南极生物与生态综合调查;以及对北极周边海域的综合考察等。进入21世纪,在科学技术部“863”“973”和“国家重点研发计划”等重大专项支持下,海洋生命认知和海洋生物资源开发利用研发取得了显著进展,使我国水产科学跻身国际前沿,水产产业稳居世界领先地位,在基于海洋生物多样性的遗传发育与演化生物学、基因组学和免疫学等领域取得了多项原创性重要进展,极大提升了我国在海洋生物学乃至生命科学领域的国际影响力。另外,在深海生命探索、区域生态学、海洋生物综合利用和海洋生物技术等方面开展了特色鲜明、有影响力的系统性工作,在国际上占有一定地位。但我国海洋生物学科与世界先进国家总体研究水平仍存在不小差距,如对海洋生物起源与演化、遗传发育、免疫和代谢等重要生命过程的机理和机制等基础生物学问题研究明显不足,缺乏进化节点海洋模式生物研究体系,存在开展海洋生物基础研究的尖端技术匮乏及高精尖仪器平台主要依赖进口等问题。

海洋生态和海岸带研究

我国近年来开始重视和关注海洋健康研究,但理论、方法和应用体系需进一步完善。2006年,我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“海洋生态与环境保护”列为优先主题,将人类活动对海洋生态系统结构、功能、过程的影响及调控作为重要的研究内容。2010年,《中国至2050年海洋科技发展路线图》将中国近海生态系统健康诊断、评价和安保技术体系建设列为我国海洋科技的三大任务之一。2020年2月,中央全面深化改革委员会第十二次会议强调要“把生物安全纳入国家安全体系”,海洋潜在生物安全风险对近海生态系统稳定和人类健康影响等方面的研究工作亟待开展。从20世纪90年代末开始,在科学技术部“863”“973”“国家重点研发计划”等一系列重大专项支持下,在大河三角洲发育演变、流域水沙输入对近海生态系统影响、典型海岸带环境脆弱性、食物网资源关键种能量转换及可持续管理模型、赤潮形成机制和防控、黄东海水母暴发、黄海海域绿潮早期发展过程等方面取得重要进展。我国已基本完成了海洋科技资源的原始积累,在近海海洋环境观测、典型生态系统演变、生态灾害防控、资源开发利用方面建立了自主创新体系,具备了实现跨越发展的人才、学科、技术与装备基础。然而,我国针对近海生态系统的研究大多是围绕近海某一特殊生态环境问题展开,缺乏系统性、前瞻性和定量化研究,也难以形成整体性的研究成果,在趋势预测方面尤其薄弱;同时,我国海洋环境安全保障体系建设仍处于初级阶段,海洋健康的理论、方法和应用体系仍需进一步完善和发展。

极地海洋与气候研究

我国从20世纪90年代开始系统地进行南北极科学考察与研究,目前已经组织了38次南极科学考察和12次北极科学考察,形成了以“雪龙号”“雪龙2号”破冰船,南极中山站、长城站、昆仑站、泰山站、罗斯海新站和北极黄河站为主体的“2船6站”极地科学考察和研究支撑体系,北斗导航系统等卫星遥感观测系统在极地得到推广应用,极区海洋装备研发取得突破性进展,极地海洋认知水平显著提高。在海洋科学、大气科学、地质与地球物理、生物地球化学、冰川、高空物理、测绘等方面取得了一系列高水平的研究成果。在深冰探测能力、冰盖机器人应用、航空遥感和地球物理调查等方面跻身国际先进行列。经过多年的努力,形成了一支老中青相结合的极地研究团队。但与国际社会相比,我们仍有不少差距,明显的不足包括:国际前沿领域获得科学认知突破的数量有限,国际合作缺乏牵头的大型计划,极地环境治理处于被动应付局面,在南极冰下湖探测、极地冰下AUV、北极冰区组网观测等重大装备与最新前沿领域尚未有足够的技术储备,技术研发与应用相对滞后。

综上所述,我国虽然在海洋科学的各研究领域取得了突出的研究进展,但缺乏对奠基性理论的实质贡献,尚未在整体上形成引领学科前沿发展的态势。我国在海洋模式开发、观测体系建设、灾害监测预警等方面仍受到科学认知水平和技术瓶颈的制约,无法为深海资源开发、环境安全提供有力保障和支撑。此外,因为缺少由中国发起或主导的国际大科学计划和大科学工程,我国在海洋科学领域的国际话语权不足。因此,唯有结合当前国际海洋科学的研究现状与发展趋势,针对国际上的重大前沿科学问题,抓住契机、重点突破,以科学引领技术的进步,以技术推动科学的发展,才能实现我国海洋科学领域深海研究从跟跑到并跑、领跑的跨越式发展,满足国家海洋战略的重大需求。

三、未来展望

我国未来的海洋科学研究应瞄准海洋多尺度相互作用与气候变化、跨圈层流固耦合、海洋生命过程、健康海洋与海岸带可持续发展、快速变化的极地系统等重大科学前沿,凝练关键科学问题,在国内启动一批重大专项,在国际上聚焦“两洋一海”(西太平洋-南海-印度洋)和极地等关键海区,组织并发起我国主导的国际大科学计划,布局依托物联网技术的太空-海气界面-深海-海底的多要素立体观测网,进行前沿核心技术研发以及技术平台整合,开展跨尺度、跨圈层的多学科交叉研究,构建基于人工智能和大数据的多圈层耦合的高分辨率海洋观测与模拟预测系统,抢占海洋科学研究的国际制高点。为实现以上战略目标,结合目前国内外研究现状和发展趋势,提出以下发展方向和具体目标。

海洋能量物质循环及其气候效应

关键科学问题:阐明海洋能量串级和物质循环机理,建立多尺度海气相互作用理论体系,大幅提升海洋和气候变化的预测预报精度,揭示海洋对全球气候变化的响应、反馈和调控机制,为应对极端天气和气候变化提供科学方案,显著提升我国在海洋管理、科学部署地球工程、维系地球宜居性等热点问题的话语权。

关键核心技术:需要发展大型深海超高速运载平台共用技术、水下智能装备平台通信、导航与定位技术、小型核能及新型海洋能源利用技术、四维高分卫星遥感技术以及测量生物地球化学要素和湍流交换过程的新型传感器技术,建立垂向上从海气界面到海底、水平上公里级分辨率,多要素协同观测的海洋观测物联网。另需突破海洋多圈层数据耦合同化、非结构化网格优化等关键技术,完善关键过程参数化方案,发展基于异构众核的高效算法,发展机器学习和人工智能,建立公里级超高分辨率全球及百米级甚高分辨率区域大气-海洋-生态耦合地球系统模拟及预报预测系统,融合多源数据,构架海洋大数据。

海底多圈层耦合与宜居地球

关键科学问题:揭示板块运动驱动和影响机制,阐明地表圈层与地球深部圈层之间的物质循环机理,将地球系统科学从地表圈层拓展到地球深部,建立并完善跨流-固界面和固体多圈层的地球系统科学的理论框架;恢复亚洲大陆边缘高分辨率古气候古环境演化历史,认识海洋记录的海洋和全球气候变化及其规律;认识海底流体活动规律和规模,揭示板块俯冲过程对元素运移和成矿作用的控制规律,阐明海洋资源形成规律,提高资源安全保障;认识海底环境变化规律,揭示天然气水合物分解、海底滑坡和地震活动等地质灾害的机制和影响,提高海底减灾防灾能力,为合理评估海底灾害风险提供科学支撑。

关键核心技术:为了研究海洋流固耦合和深部过程,除常规地球物理探测和海底采样平台外,尚需大洋钻探原位取芯技术,获得深海沉积物和基岩样本;可视化超长岩心水下钻机,与大洋钻探深水作业互补,获得全水深环境沉积物和基岩岩心;岩心高精度扫描技术,原位获得岩心矿物、探测岩心物理性质和化学组成;海底电磁探测技术,揭示海底多界面物质组成;海上无人机海底磁测技术,认识海底磁异常结构;研制具有实时或准实时监测能力的固定式海底地震采集站,获取高分辨率的地震记录,提高对活动断层的监测和预警能力。

蓝色生命过程及其适应演化机制

关键科学问题:利用现代生物学理论和先进技术,通过多学科交叉和协同攻关,建立海洋模式生物研究体系,从遗传、发育、免疫和进化等多维度,分子、细胞、个体等多层次解码蓝色生命现象与演化规律,突破海洋生物学认知的瓶颈与极限,回答海洋生命过程的关键科学问题,形成系统性原创重大成果,引领国际学科前沿。同时,通过前沿尖端技术研发以及技术平台整合,抢占国际海洋生物研究制高点,建立海洋生物资源开发和利用高水平基地和技术平台,为海洋生物资源精准高效利用和绿色发展提供科技支撑。

关键核心技术:海洋生命领域的研究缺乏前沿和多学科交叉技术,且系统性集成不足。利用高新技术开发海洋生物资源,是精准、高效利用海洋生物资源,支撑产业绿色可持续发展的重大需求。开发高通量低成本全基因组分析技术,重要海洋生物转基因与基因编辑技术和光遗传学操作,海洋生物空间单细胞组学与单病毒检测示踪技术,生物大分子结构观测及功能解析技术,重要海洋生物活性物质的合成生物学技术。开发、设计、建造用于海洋生物资源调查、评估和开发的静音科考船,搭载各种物理、化学、生物传感器的全海深水下滑翔机以及无人缆控潜器(ROV)、载人深潜器(HOV)和自主式水下潜器(AUV)等水下观测平台,建立我国主导的大洋钻探平台以及岩心库。构建“船基-潜器-原位-长期”高精度-多尺度深海探测技术体系,发展包括海底原位观测、基于流式细胞术和拉曼光谱等技术的单细胞高通量分离、深海难培养微生物培养、深海生物多光谱人工智能自动识别、深海大型生物的原位智能发现和识别系统、水下精准保真采样、深海生态模拟原位培养系统、深海模式生物研究等技术体系和装备体系,建立深海难培养微生物菌种和基因资源库。

健康海洋与海岸带可持续发展

关键科学问题:揭示主要营养盐、重金属、持久性有机污染物、微塑料等新型污染物在海洋环境中的迁移-转化机制和生态效应,建立陆海统筹污染物管控模式和治理体系;揭示全球气候变化和人类活动影响下的典型海洋生态系统稳态转换机制和生态灾害发生机理;揭示海洋生态系统关键生物功能群存续和环境适应机制,揭示生物毒素、病原微生物的致灾致害机理,构建生态阈值和预警体系,保障海洋食品安全和人类健康;全面评估近海生态系统健康状况和环境承载力,科学预测典型海域生态系统演变趋势。

关键核心技术:健康海洋研究任务实施与海洋环境保护技术密切相关,需要海洋环境观测和信息系统、海洋生态环境技术、全球海洋气候变化与防灾减灾技术等体系支撑,需研发和集成海洋化学和生物生态要素实时/智能监测技术体系、海洋环境污染风险评估技术及与污染物管控模式,建立和完善海洋健康指标体系和评估技术、海洋生态系统演变数值模拟和生态海洋预警预测技术,建立和完善海洋食品安全、人类健康风险评估技术和管控体系,系统化海洋环境污染防治技术、典型生境和生物资源修复技术、生态灾害防控及应急处置技术,构建防灾减灾救灾公共服务技术体系,保障海洋健康和近海海岸带可持续发展。

极地快速变化的机制、影响与适应

关键科学问题:揭示极地冰盖-海冰-海洋系统的形成与演变规律,明确极地系统对全球气候变化的响应机理与反馈作用,实现极地海洋与大气环境在小时、季节到年代际等多个时间尺度的预测,明确极地物理系统、生态环境资源与人类活动的耦合机制和效应。建立完备的极地观测-探测技术与装备体系,支撑极地基础科学研究及极地开发与治理。

关键核心技术:研发大洋钻探技术,水、冰定年技术,研发极地环境长期观测网建设所需核心技术,包括极地海洋、大气、冰盖、地球物理和生态环境综合观测探测技术、装备和系统的研制,研发适用于极地极端环境下的新材料与新能源,发展极地极端环境下无人观测台站技术,发展极地航运与资源勘探装备技术,研发极地天基遥感科学实验卫星星座并提高地面处理应用能力,建立我国对两极的全天时、全天候观测和数据通信能力。

四、结语

当前,我国海洋科学发展正面临前所未有的重要机遇。融合多观测平台组建的世界上最大的区域海洋观测系统——“两洋一海”立体观测网、“蛟龙”“深海勇士”“奋斗者”载人深潜器、“雪龙2号”极地破冰船以及新一代超级计算机等相继建成使用,谱系化水下无人观测与探测技术与装备取得一系列突破,使我国具备了冲击国际海洋研究前沿的硬件实力。自“十五”以来,国家各部委陆续启动了一批重大科学计划,正在实施的国家自然科学基金委深海大洋重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”为建立以海洋为纽带的地球系统多圈层相互作用理论提出了新的科学设想和研究思路。

我们应抓住当前联合国未来十年海洋科学可持续发展的黄金契机,瞄准国际海洋研究领域的重大科学前沿,完善顶层设计和科学规划,建立“顶层目标牵引、重大任务带动、基础能力支撑”的新科研组织模式,围绕重大基础理论与关键核心技术开展协同攻关;同时充分利用2029年将在中国青岛举办世界海洋观测大会(OceanObs'29)等国际平台,加快推动国际大科学计划和大科学工程,聚集全球优势科技资源,力争在深海地球系统及相关的生命科学等领域取得一系列“从0到1”的重大突破,实现我国海洋研究从跟跑、并跑到领跑的历史跨越,为应对全球气候变化、保障健康海洋、高效开发利用海洋资源、有效开拓深远海与极地战略新空间提供重要科学支撑。

全文转至“溪流的海洋”




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