中國網/中國發展門戶網訊 以習近平同志為核心的黨中央明確提出了“海洋命運共同體”的理念，強調時租“我們人類居住的這個藍色星球，不是被海洋分割成了各個孤島，而是被海洋連結成了命運共同體，各國人民安危與共”。海洋約占地球總表面積的71％，是地球上最大的生態系統之一，全球海洋具有“連通性”：海洋環流和物質能量循環支撐著全球海洋的流通性，海洋環流是維持海洋系統內物質和能量輸運、配置過程的關鍵動力載體，影響著海洋地形、氣候及海洋生態系統的結構與功能，其熱鹽環流（大洋輸送帶）是全球尺度的深海流動，控制著全球90％的水體，使得全球海洋成為一個相互連通的系統；由洋中脊下方地幔熔融巖漿冷卻形成的洋殼，覆蓋地球近2/3的表面積，造就了現今地球的海陸地理格局和全球海底的“連通性”，洋中脊熔巖熱流作為海洋的重要自然過程，對全球海洋連通性和生態系統結構具有深遠的影響；全球洋中脊貫通相連，形成了長達60 000千米的海底火山，不斷向海底輸送幔源巖漿、氣體和熱量，不僅孕育了豐富的海底熱液礦床，還為海洋生物的繁衍生息提供了基本場所和物質能量。
中國海域是連通全球海洋的重要海域，海洋環流有南海環流和東海、黃海、渤海環流，海底有深海盆地、深海平原、海山、海槽、海溝等類型地貌，豐富的環流系統和海底地貌特征支撐了中國海域復雜的生物棲息地和多樣性的生態系統。中國海域的生物物種分布呈現出從高緯度到低緯度數量明顯增加的趨勢，南海位于全球三大海洋生物多樣性中心的印—太交匯區，較東海、黃海和渤海海域面積最大，跨越亞熱帶和熱帶、覆蓋淺海和深海，是我國最大的海洋生物資源寶庫，其魚類、蝦蟹類、軟體和棘皮動物等分別占中國海域生物物種數量的67%、80%、75%和76%。在多圈層的交互作用下，南海經歷了復雜的演化過程，發育出了寬廣的大陸架、陡峭的大陸坡、獨特的中央海盆和典型的珊瑚礁等海底地貌，擁有海草床、沙灘、海鹽沼地、紅樹林、珊瑚礁和深海冷泉等眾多典型生態系統，其生物多樣性、全球代表性和中國海洋區域代表性特征顯著。
珊瑚島礁與冷泉是南海最具區域特色的海洋生態系統。遠海珊瑚島礁領土資源的戰略地位突出、深海冷泉區可燃冰資源的開發潛力巨大，使南海成為我國深遠海探測與資源開發的戰略要地。珊瑚礁是全球海洋生物多樣性中心的奠基者和支撐者，是“巖石—水—生物”等圈層的連通交互點，其對海洋生態系統與生物多樣性的意義重大。島礁深部活躍的化能自養型深海冷泉生態系統不僅為魚類、甲殼類和海藻等海洋生物提供了棲息地，也為眾多海洋物種提供繁殖場所和覓食場所，是全球生態系統的重要組成部分。
本文聚焦珊瑚島礁和冷泉等典型生態系統，對南海珊瑚島礁生態系統保護及生態建設、深海冷泉生態系統研究及其裝備技術等方面進行論述，提出海洋生態產業發展建議，有助于推動我國海洋生物多樣性保護、海洋資源有序開發利用與海洋經濟高質量發展，對我國海洋生態文明建設和海洋權益維護具有重大意義。
南海珊瑚島礁生態系統及生態建設研究成果
珊瑚島礁生態系統
浩瀚的南海分布著近3000座島嶼和島礁，珊瑚島礁生態系統富集的海洋生物高達數萬種，被稱為“海洋中的熱帶雨林”。珊瑚動物是珊瑚礁生態系統的基礎，是維護島礁物種多樣性的關鍵生態要素，珊瑚礁活珊瑚的覆蓋率隨著礁坪、瀉湖到外礁坡區域位置變化不斷提升。共生菌科（Symbiodiiaceae）介導的碳、氮循環過程是珊瑚礁生態系統的基礎，共生菌科與珊瑚完整的氮循環過程（圖1）緊密相關，僅靠珊瑚微生物菌群介導的硝化、反硝化和厭氧氨氧化等過程就可以完成珊瑚生態系統的氮循環過程。共生菌科通過葡萄糖、氨基酸和甘油的形式供給珊瑚共生功能體大部分的能量，以綠藻（Ostreobium）為主的內生藻類則為珊瑚礁提供光合作用產物。
氣候與海洋酸化、共生生物、生物天敵、人類活動等環境變化顯著影響珊瑚礁生態系統。氣候與海洋酸化：隨著2009—2018年間珊瑚白化事件、海洋酸化及各類應激狀況的發生，全球范圍內珊瑚礁覆蓋率驟減，氣候變暖引發的珊瑚白化問題是導致全球珊瑚礁生態系統穩態明顯退化的主要原因，如果氣候條件持續惡化，全球海洋區域內的珊瑚礁以現在的銳減速度將講座于2070年消失。共生生物：當共生蟲黃藻受環境變化離開或死亡后會出現珊瑚白化現象，短時間內蟲黃藻的回歸可以讓珊瑚恢復正常，否則珊瑚會因失去營養供給而死亡，最終導致整個珊瑚礁生態系統快速退化。生物天敵：長棘海星（Ac個人空間anthaster planci）因其較好的隱蔽性、較快的移動和繁殖速度廣泛分布在島礁，是珊瑚礁生態系統的主要捕食者，大規模長棘海星的爆發會導致大面積珊瑚被啃食，造成珊瑚覆蓋率大幅下降，進而對珊瑚礁生態系統造成嚴重的影響；大法螺作為珊瑚礁生態系統中少數以長棘海星為食的動物，是有效應對長棘海星和病原菌的生態防控物種。人類活動：沿海開發、富營養化或過度捕撈等都導致了珊瑚礁主要功能物種的覆蓋率減少及多樣性降低。因此，對標“海洋命運共同體”建設，黨的二十大報告中強調的“保護海洋生態環境”研究工作已迫在眉睫。
南海珊瑚島礁生態建設研究成果
在我國管轄的南海2.1×106平方千米海域內，廣泛分布著珊瑚島礁，是我國十分寶貴的領土資源，更是我國實施南海開發與海洋生態文明建設的立足點。南海諸島絕大部分是珊瑚島礁，包含了在高潮時期也能露出水面的49個灰沙島。鐘晉梁等發現在豐富的生物碎屑、非風口浪頭地形和足夠的礁坪寬度等條件下，珊瑚島礁經歷了“潮間帶海灘—裸沙洲—灌叢草被沙洲—灰沙島”的天然發育過程，這種珊瑚天然灰沙島的發育模式為生態造島和生態島礁建設奠定了理論基礎。此后，汪稔等依據地球物理全采芯鉆探和珊瑚沙巖土力學分析，揭示了珊瑚礁體的塔形結構與巖盆特征，并指出珊瑚礁體的主要成分為生物鈣質。這種由生物鈣質構成的礁體，即生物礁，是“珊瑚天然灰沙島”的具體表現形式，可作為吹填島礁的填筑材料。因此，健康的珊瑚礁生態系統對維護珊瑚島礁的地質穩態與生態安全極其重要。
《聯合國海洋法公約》規定，海島應該滿足“適宜居住、適合生產、天然發育”的條件。遵循“順應自然意志、師法自然規律、加速自然進程”的思想，南海島礁恢復保護工程是世界上最大的海洋生態保護工程，其戰略意義極其重要。黨的十九大報告明確了“南海島礁建設積極推進”是十八大以來取得的經濟建設重大成就之一。近年來，我國對主權海域上美濟礁、渚碧礁、永暑礁等開展了大規模的島礁吹填和珊瑚島礁生態系統人工修復等生態建設活動。實際上，南海島礁建設也是我國改革開放40年以來南海權益維護取得的一項顯著成就，更是南海創新維權模式的成功舉措。作者團隊主持的中國科學院戰略性先導科技專項（A類）“南海相關島礁生態建設研究與示范”以厘清促礁成島、實現島礁生態的可持續發展為主要科技目標，聚焦島礁自然演替機制及其可持續發育的促進技術和島礁生態的可持續發展機制核心科學問題，取得了一系列標志性成果：在南沙群島南緣珊瑚島礁實施完成了“南科1井”科學鉆探工作。“南科1井”是南海南部第一口穿透礁體的全取芯科學深鉆，總進尺為2 020.2米，取芯率達91%，科學鉆探取得了全球島礁全取芯深度最大的歷史突破。巖芯顯示了礁體發育過程中經歷多期構造事件，基底為巨厚的英安石、安山質玄武巖，初步確定了島礁較高的整體穩定性。制定了島礁綠化指南并建立了綠色生態示范區。在南海島礁建立了約10 000平方米近自然、節約型的高效綠色生態示范區和6 000平方米果蔬栽培示范區。完成了29個島礁適生工具種的種植、養護與配套應用技術，有效指導了前場建設工作。出版了《熱帶珊瑚島礁植被恢復工具種圖譜》，制定了《熱帶珊瑚島礁植被構建喬木種植與養護技術指南》《熱帶珊瑚島礁植被構建灌草藤種植與養護技術指南》《島礁常見病蟲害及防治技術手冊》等。開展了全球最大規模的島礁生態系統修復工作。突破了硨磲貝、珊瑚、海藻等造礁關鍵物種繁育技術，形成了規模化培育，實現了珊瑚礁生態系統人工修復技術集成。在相關重點島礁建成珊瑚礁生態修復示范區共約11 333平方米（170畝），包括培育斷枝32 000株、底播移植珊瑚26 300株、成活率范圍在60%—75%，放流人工繁殖鹿角杯型珊瑚幼體約70萬枚、硨磲1 740個、海藻8 000多株、海草6 000株、馬蹄螺約2 000個、1.5—2厘米馬蹄螺苗約30 000個、白脊三列海膽和喇叭海膽約20 000個。初步建立了島礁淡水涵養新機制。通過建成島礁地下水立體自動監測網，證實了島礁陸域地下水逐漸淡化的趨勢，準確掌握了地下水淡化進程，為后續島礁淡水保護和利用奠定了重要基礎。
冷泉生態系統研究和深海冷泉探索
冷泉生態系統
冷泉是由海底烴類分解產生的甲烷逸出，在海底形成的流體系統，即海底烴類能源的常見富集區。冷泉是甲烷物態演變與生態演化的關鍵窗口，被發現以來一直是國際研究的熱點。冷泉生態系統是探尋可燃冰的重要標志之一，其食物網和代謝模式也是揭示深海極端生命前沿科學的重要突破口，聚焦著深海極端環境的化能合成和生物固碳過程。冷泉生態系統具有“三迅速一土著”的顯著特征：可燃冰樣品脫離原位相平衡環境會迅速發生分解；深海微生物通過基因調控蛋白表達可迅速響應環境變化；氨氧化古菌（Ammonia-oxidizing archaear）等微生物在非原位環境會迅速發生基因組變化；嗜壓、嗜甲烷的冷泉區棲息生物土著性突出。冷泉生態系統的化能合成效率為5%—15%，高于自然光合作用的普遍效率（低于3%）并接近人工光合作用效率（最高10%），故對冷泉生態系統的研究也是探索深海生物固碳過程的關鍵。南海在垂直尺度上占據著我國85%的冷泉區。2015年，在南海珠江口盆地西部海域發現的海底巨型活動性“海馬冷泉”是我國目前最大的深海冷泉，也是研究現代與歷史甲烷滲漏溫室效應的重要平臺。
深海甲烷占據全球最大的甲烷儲庫，研究表明全球海洋中的甲烷水合物儲量為5×1011—1×1012噸碳，相當于目前大氣中碳含量的2—4倍，而這些甲烷水合物大多存在于深海沉積物中，又因其是鏈接深海碳循環的重要載體，故而在全球碳訪談循環及其生態效應中扮演著重要角色。探索深海甲烷“源—匯”平衡是當前國際研究的新熱點，深海游離態甲烷“二源三匯”過程包括深部熱成因和生物成因的碳“源”與生物、化學和物理固定過程的碳“匯”（圖2）。在海底甲烷“二源三匯”的演變中，可燃冰形成與分解處于甲烷循環網絡的關鍵節點，是深海化能合成生態系統的重要碳源（圖3）；微生物化能合成的生物固碳（甲烷），是深海可燃冰等烴類能源開發碳增匯、碳中和的關鍵。認知深海甲烷“二源三匯”的演變過程，探索深海微生物化能合成的生物固碳規律，掌握海底能源開采過程中甲烷的狀態及其變化趨勢，對支撐深海烴類能源開發與碳增匯極其重要。
冷泉生態系統研究裝置
冷泉生態系統在脫離原位環境后很難進行準確、全面的認知。因此，原位探測與原位實驗是準確和全面認識冷泉生態系統的唯一可靠手段。在深海原位探測領域，無人遙控潛水器探測技術雖然相對成熟，但只能得到孤立的譜圖信息和照片，也受限于單項感應的現象觀測，并不能滿足冷泉復雜科學問題的高精度定量研究。此外，陸域多場模擬實驗離不開科研人員的“七竅感應”和定向精準控制調節，無法達到高靈敏、高精度、多場協同的信息處理能力，不能實現全方位、多要素、多過程協同控制觀測和定量研究。目前，國際載人長期海底原位實驗站技術成熟，超過65座海底實驗室建成并持續運行，新建裝置NR-2正處于論證中。在現有技術支撐下的載人原位長周期實驗，即可實現冷泉生個人空間態系統的信息處理，是定量研究深海冷泉的關鍵手段。首批登上NR-1的科學家布魯斯·希森，通過深海原位考察推翻了自己歷時8年寫成的海洋地質專著中的部分論點，可見深海原位觀測與實驗對海洋理論技術研究的關鍵作用。目前，在役的俄羅斯載人潛水器“小馬駒”于北冰洋門捷列夫大陸架采集了大量地質巖芯，其科研成果為申訴擴展北極控制區域的海洋權益提供了重要依據。然而，我國目前的載人潛水器與發達國家存在較大差距，僅滿足片段性、小規模的點域性采樣和觀測，遠不能滿足深海長期駐留、原位精細觀測、原地實驗與綠色開發的探測與研究需要。因此，為開展長期、原位觀測研究，我國亟須建設載人深海實驗室，開展長期、原位觀測研究。
由于冷泉存在滲漏噴發不連續、區域差異性大、不同時間特征差異較大等客觀因素，且可燃冰現場試驗存在成本高、周期長、風險大、重復難度大等特性。同時，在觀測離散數據基礎上開展室內模擬和模型研究、進行原位模擬重塑和重復性實驗有利于冷泉和深海甲烷演化規律的研究，室內模擬重塑自然成為研究冷泉和海底甲烷物態演化規律的重要途徑。因此，對冷泉生態系統的研究應轉變為冷泉理論、資源潛力及外界擾動的環境與生態效應原位試驗，將長周期原位立體智能觀測、海底實驗室、有人與無人智慧融合的原位觀測，進行多參數、多相態、多界面保真模擬驗證，故“原位+模擬重塑”的研究方法將是深海環境及生態效應研究的必然趨勢。
聚焦高壓和富甲烷條件下化能合成作用的黑暗生物圈、深海烴類能源形成演化過程及生態環境效應等重大問題，為掌握深海底甲烷“源—匯”規律，解決冷泉生態系統演變、發育動力機制和極端生命演化等前沿科學問題，亟須以突破化能合成生物固碳（甲烷）的原地實驗、原位觀測和保真模擬研究的裝備技術瓶頸為工程目標，建造冷泉生態系統研究裝置，助力掌握深海烴類能源開采過程環境變化及效應研究。具體核心科學問題包括：冷泉發育動力學機制、極端生命演化過程與環境適應機制、生態固碳（甲烷）的貢獻率；高壓和富甲烷深海環境中的生命策略與生存策略，冷泉生態系統元素循環和能量轉換的動態過程；深海底甲烷的物態演變過程與“源—匯”機制，解決深海微生物化能合成的生物固碳機制。
目前，冷泉生態系統研究裝置已成功列入國家“十四五”重大科技基礎設施規劃，是國際首套面向冷泉生態系統的大科學裝置，具有不可替代的前沿創新能力。冷泉生態系統研究裝置（圖4）包括海底實驗室分總體、保真模擬分總體和支撐保障分總體，三大部分互相支持、有機融合。海底實驗室分總體，將載人與無人技術高度融合，最多可支持3名操作人員和3名科學家在2 000米深海底進行連續30天的實驗研究，為陸地保真模擬分總體提供冷泉樣地基礎數據、保真樣品并驗證模擬結果；陸地保真模擬分總體，在海底原位觀測與研究的基礎上，對冷泉生態系統發育演化過程和可燃冰開采全流程工程技術等進行保障模擬研究，其最大工作壓力達2×107帕斯卡，水體總高度15米，可指導原位觀測與實驗方案設計、重復性驗證結果和規律性認知；支撐保障分總體，由水面保障母船和研發與智慧管理中心組成，為整個冷泉裝置日常運行和海上作業提供配套的保障支撐和智慧管理。
海洋生態產業展望與發展建議
近10年來，我國把生態文明建設擺在全局工作的突出位置，海洋生態環境保護作為重要內容受到高度重視，黨的二十大報告進一步明確“發展海洋經濟，保護海洋生態環境，加快建設海洋強國”。未來，依托自然資源豐富和生態資源潛力巨大的南海，大力開展海洋科技與服務創新，引領海洋生態產業體系升級，以高水平海洋生態環境保護促進海洋經濟高質量發展，必將成為我國參與全球競爭的重要手段。
海洋生態產業發展機遇
構建現代化海洋產業體系是推動海洋經濟高質量發展的必經之路，例如新加坡、荷蘭鹿特丹、英國倫敦等先進國家和地區將港口物流、海事金融、海洋高端服務等作為旗艦產業，奠定了其在全球海洋中心城市的優勢地位。我國與發達國家仍有差距，但在海洋生態產業上具有強勁的后發優勢。目前，我國秉持綠色發展的理念，全面推進海洋生態文明建設，海洋生態恢復保護工程世界領先（圖5），成為海洋新興產業發展的重要著力點。
2023年中央一號文件提出“建設現代海洋牧場”的理念，拉響了發展海洋生態產業的沖鋒號。面向海洋強國、碳達峰碳中和等國家戰略，聚焦海洋產業集群培育需求，海洋牧場、海洋旅游、海洋藍碳等海洋生態產業，海洋生態產業迎來了重大發展機遇。
海洋生態產業發展建議
面對百年未有之大變局，海洋生態產業發展的機遇與挑戰并存，堅持創新驅動發展，不斷突破海洋科技，建設以實體經濟為支撐的海洋生態產業體系，將是南海尋求海洋經濟高質量發展的重要路徑之一。著眼島礁生態系統和冷泉生態系統的特征，部署海洋生態產業，大有可為。
堅持綠色發展理念，以島礁為基點，提高可再生能源供應能力。面向島礁建設發展的能源供給保障需求，依托島礁地理位置、氣候條件、資源條件，評估島礁所在地區的太陽能、風能、海洋能（九宮格如潮汐能、波浪能）等可再生能源資源情況，合理布局可再生能源項目，研發適應海島氣候和海洋環境的設備，建設相應的發電和儲電設施（太陽能發電站、風力發電場、海洋潮汐能、波浪能發電站、蓄能電站等），提升我國島礁區域可再生能源的供應能力，為經濟社會發展和海洋強國建設提供清潔、可持續的能源支撐保障。
踐行“大食物觀”，以島礁為基地，打造南海“藍色糧倉”。南海島礁海域具有溫度適宜、水質優良、魚類資源豐富、“天然漁場”等得天獨厚的地理環境和資源條件，適合發瑜伽教室展海水養殖業。依托島礁資源，以珊瑚礁生態系統養護為核心，以人工魚礁建設、資源養護增殖的方式建設海水養殖示范區，引進并培育優良的養殖品種、加強養殖設施設備的研發和應用、突破養殖平臺的可持續能源、養殖網箱防污損等關鍵技術；同步加大環境監測和捕撈管控力度，做好污染治理與捕撈強度管控，發展種業、裝備與生態保護一體的現代化產業鏈，推廣海洋生態健康養殖模式，為我國的食品糧食安全和農業可持續發展提供有力保障。
瞄準人民生活新需求，開發島礁休閑旅游新產品。利用島礁的特色資源，在生態優先綠色發展的原則下，開發島礁自然景觀（海島探險、珊瑚礁觀光、海上日出日落等）、歷史文化與民俗風情（文化體驗游、科普教育、漁俗文化等）等旅游產品，根據個性化需求提供定制化的產品和服務（私人海島度假、主題游等），不斷拓展“1+N”島礁休閑娛旅生態產業，讓旅客在觀賞自然美景的同時感受文化魅力和深度參與的體驗感。另外，注重運用大數據、云計算、物聯網、人工智能等現代信息技術，支撐島礁的智慧旅游服務，通過不斷創新和完善，滿足游客多元化需求，推動島礁旅游業高質量發展。
聚焦“雙碳”目標，發揮冷泉碳匯和碳埋藏功能，釋放海洋藍碳潛力。深海甲烷是全球最大的甲烷儲庫，深入研究深海冷泉生態系統中甲烷的“二源三匯”特性，認識深海甲烷碳循環過程與碳增匯機理、掌握冷泉區域典型物種、化學固碳（甲烷）、儲碳維持機制，開發深海物理—化學—生物協同的碳（甲烷）捕集、碳增匯技術與固碳、碳埋藏（有機物海底沉積）技術，構建系統的深海甲烷負碳排放技術、計量體系、監測技術、操作規范和評價技術方法體系，制定甲烷相關的藍碳交易規則和標準，健全藍碳市場體系，激活深海冷泉藍碳經濟的巨大活力。
（作者：劉鑫，南方海洋科學與工程廣東省實驗室；張偲，南方海洋科學與工程廣東省實驗室 中國科學院南海海洋研究所。《中國科學院院刊》供稿）
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