中国近海水母暴发的关键过程、机理及生态环境效应

项目名称：中国近海水母暴发的关键过程、机理及生态环境效应首席科学家：孙松中国科学院海洋研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院山东省科技厅二、预期目标总体目标查明我国近海灾害水母的生物学特征、生长模式与生态适应策略，揭示导致灾害水母爆发的关键过程与调控机制、水母暴发对海洋环境和生态系统的影响途径与机理，预测水母持续暴发对我国近海生态系统演变的作用，提出应对水母灾害的相关对策；提升我国在海洋生态灾害过程和机制研究方面的总体水平、国际地位和影响力，为海洋生态系统健康发展、解决国际共同关心的海洋资源环境问题、维护国家利益做出贡献。五年预期目标1.阐明中国近海水母暴发的关键过程与调控机制查明黄东海灾害水母的时空分布格局及变动规律；掌握黄东海主要灾害水母生活史和生态适应策略；揭示控制黄东海水母灾害暴发的关键环境、生物因子及其调控过程，建立主要灾害水母种群动力学模型，从生态系统水平阐释水母灾害的暴发机制。2.查明水母暴发影响环境和生态系统的途径和机理查明水母暴发对生源要素循环的影响，揭示水母暴发对水母灾害对食物网结构与功能的影响与反馈机制，阐释水母暴发与生态系统演变的耦合机制，预测水母连续暴发对黄东海生态系统发展趋势的影响。3.建立水母灾害评估模式并提出应对策略在掌握水母灾害发生过程及其对生物资源和环境影响途径的基础上，建立我国水母灾害的生态环境效应评估模型，科学评估水母灾害对生态安全及社会经济的影响，提出可供决策部门参考的应对典型海域水母灾害的防控原理和减灾对策，提高生态系统演变趋势预测和水母灾害调控和防治能力。4.培养和建立一支国际一流的海洋生态灾害研究团队，获得一批对资源环境可持续发展有重要支撑作用的创新成果造就一批在国内外颇有影响力的中青年学科带头人，打造一支以中青年为主体、具高度自主创新能力的海洋生态灾害研究领域的专业团队，培养100名以上的高水平研究生和博士后。发表180篇以上的高水平研究论文，其中在本领域国际高端杂志上发表有影响力的SCI论文70篇以上；出版有关水母基础生态学研究和水母灾害研究方面的专著2部；组织召开有关水母灾害研究的国际会议2-3次。三、研究方案（一）学术思路水母问题的核心是种群的暴发，由于水母的生活史非常复杂，生活史不同的发育阶段的发育时间和生长模式受到环境因素变化的调控：物理环境、化学环境和生物环境，因此该项目将以水母种群暴发为核心，从环境对生活史不同发育阶段的操控作用入手，进行物理环境（温度、盐度、透明度、光照、扰动等）和化学环境（溶解氧、酸度等）对水母生活史不同发育阶段的调控作用的研究；从食物网组成和能量流动的角度，开展水母的饵料种类组成和密度对水母生长的调控作用、鱼类和底栖生物对水母不同发育阶段的幼体和水螅体的捕食作用研究；经过综合分析，了解水母生长过程中的环境驱动过程和种群生长机理。本项目的另一个关键问题是水母种群暴发后对生态系统的影响，围绕食物网结构的变化，通过水母对饵料生物的摄食强度、浮游食物网结构的改变、对鱼类卵和幼体的摄食和破坏作用等进行观测和实验，测定各种关键生物学参数，推算对食物网结构和不同功能群的影响。在生态系统层面，通过研究水母种群暴发和消亡过程中对营养盐的释放、对水体化学环境的改变等，研究水母暴发的次生灾害问题。对上述结果进行综合分析和模拟，结合我国生态系统现状，模拟在水母数量持续增多的情况下，海洋生态系统未来发展趋势，是否会发生体制上的转变，在什么情况下会发生转变，我们应该采取哪些应对策略避免这种情况的发生，并提出关键措施和途径。为生态系统健康评估、水母灾害评估、防灾减灾提供科学依据和技术支撑，实现本项目的科学目标和国家目标（图1）。水母暴发浮游食物网改变鱼类数量减少生物地化循环模式改变环境恶化未来变化趋势生态系统体制转换应对措施预警预报经济社会安全海洋生态灾害评估图1项目学术思想示意图人类活动气候变化水母正常生长浮游食物网变动鱼类数量变化理化环境变化水母生活史变化鱼类主导水母主导（二）技术途径为了实现项目的总体目标，拟采用资料分析-模拟实验—水族系统受控实验—养殖区模拟实验—海上现场调查—数值模拟与耦合模型相结合的系统研究方法（图2），主要技术路线如下：图2技术途径框架图1、资料分析与假设的形成在大量生活史研究和国内外对水母研究的基础上，利用我国50年来近海环境监测和生态系统研究所积累的资料，以及前期973所获得的大量现场和实验数据，对黄东海生态系统基本特征和演变过程、灾害水母种群变动特点以及其它重要生态异常变化进行综合分析，进一步提炼科学问题，提出生态系统演变和关键物理、化学过程驱动和调控水母灾害暴发机理的假设，并通过实验研究和海上现场调查来加以验证。2、模拟实验通过室内培养，研究水母整个生活史的发育过程；了解不同发育阶段的生物学特征和环境操控途径，量化水母发育时间、生长速率及其与温度、盐度、饵料等的关系；筛选水母关键发育阶段的主要受控因素及其操控机理。利用大型水族系统对水母对环境的需求、生物间的相互作用进行观测和实验，了解在复杂生态系统中水母的生长与适应情况，探讨导致水母暴发的机理。实验中尽量模拟现场条件，使结果更接近海上实际情况。3、受控实验针对水母灾害暴发机制的科学假设，在大型水母养殖基地，利用现场围隔模拟手段和对比试验，研究导致水母暴发的各种环境因子、对浮游生物功能群演替的影响过程，水母消亡对化学环境的反馈机制等，剖析理化和生物环境改变对水母暴发的驱动机理，水母暴发后的生态效应与次生灾害。4、海上调查研究针对黄东海独特的海洋地理环境，结合水母具有附着（水螅体阶段）和浮游（蝶状体阶段）两个生活史阶段的独特生态习性，把东黄海生态系统作为一个有机的整体综合考虑，同时选择水螅体可能密集区（长江口、南黄海）以及水母灾害频发区（密集区）作为重点研究海区。项目将围绕不同研究主题统一组织安排航次调查，主要包括灾害水母水螅体密集区生态系统综合调查、水母灾害暴发过程及次生灾害综合调查等。另外利用中国科学院近海锚系浮标监测网进行海洋环境连续监测，获取水母暴发过程主要生态和环境参数的长时间序列连续数据。上述调查航次将重点围绕自然环境中是否具备水母种群暴发的生态条件、哪些地方具备这样的条件、水母自然种群的变动与环境之间的相互关系，是否能够验证在实验室、受控实验和人工控制下的自然生态系统所观测到的结果等问题展开，结合历史资料的统计分析，找出水母暴发的主导因素和暴发机理。5、数值模拟和耦合模型依据“资料分析—过程研究—耦合模型—定量分析—情景预测”的技术路线，在实测资料基础上，进行物理过程与生物过程综合分析研究，探究物理过程与生物过程之间的内在关系，以及物理过程对生物过程影响的动力学作用机制；在过程研究基础上实现从动力学机制角度对生物观测资料进行合理解释，进而建立水母关键种种群动力学耦合模型。利用资料分析和模型计算，针对研究海域水母灾害提出防控原理和减灾策略。（三）创新点与特色在研究手段上的创新。在国际上首次采用室内模拟实验、大型水族系统调控实验、自然海域围隔对比实验和海洋现场考察相结合的模式，从整体上系统研究水母种群的暴发机理和对生态系统的危害机理。弥补了国际上水母的研究分散进行、实验室结果在野外得不到验证、而野外观测结果无法用实验解释的缺陷。各种研究手段既相互联系又环环相扣：室内实验模拟的个体发生过程及与环境的关系是调控和围隔实验的基础；大型水族系统了解多因素、可控生态系统中的种群生长过程；自然海域围隔对比实验解释水母在自然状态下的生长过程及受控因素；上述结果与认识综合分析后，做出水母在自然状态下生长、发育、直至种群暴发的模式；然后通过现场考察进行验证，同时对观测现象再进行实验模拟和参数测定。由同一个团队对同种水母进行不同尺度的系统实验分析、并进行野外现场验证，在国际上还没有这样的先例。在观测和实验手段上的创新。采用声学、光学（图像）、水下机器人、拖网取样等综合探测手段，调查自然海域中水母的数量变动、垂直分布和水平分布规律；结合海流资料，研究物理环境对水母分布格局的影响和输运模式等；利用分子生物学的手段对水母水螅体和幼体进行鉴定与分析，研究水母水螅体和水母幼体在自然环境中的分布区域与数量变动特征。在研究思路上的创新。从水母生活史研究入手，分析环境对其各个发育阶段的调控机制，了解水母种群生长过程中生活史阶段的作用与贡献，以及环境对种群生长的调控作用，以食物网研究为主线，研究水母种群生长与生物环境之间的关系及其生物控制作用。从整个生态系统的角度，系统研究水母在复杂理化环境和生物环境中从发生、生长、发育到种群暴发的全过程，以及水母暴发后的生态环境效应，并结合我国海洋生态环境现状，预测我国近海生态系统在加入水母暴发因素后的生态系统演变趋势，为保障海洋生态安全和沿海经济可持续发展提供决策依据和应对措施。研究特色。强调综合、交叉和集成研究。采用物理过程、化学过程、生物生长过程和数值模拟有机结合；各个部分的研究在一个平台上完成：海上现场调查、自然海域围隔实验、大型水族系统调控实验都是统一进行，在同一环境下、针对同一个目标，从不同的角度开展系统的研究。（四）取得重大突破的可行性分析1.聚焦有限目标，利用多种研究手段进行系统研究本项目研究目标明确、有限：围绕水母暴发机理和生态环境效应两个有限目标，充分考虑到我国开展这方面研究的优势与特点，在国际上首次将室内模拟、自然海域围隔实验和海洋现场考察等多种技术手段相结合，从生态系统水平上系统研究水母种群的暴发机理和对生态系统的危害机理。有望在水母发生机制与水母暴发的生态环境效应评估和预测这两个方面在国际上取得突破性的进展。2.已掌握大型水母室内培养和繁育的关键技术，并有完善的实施条件我国在大型水母培养方面是世界上开展最早的国家，特别是在大规模培养和幼体保存方面拥有先进的技术和培养设施，本项目主要参加人员能够在实验室中将水母水螅体保存30年并让其重新生长，完全掌握控制水母幼体各发育阶段的环境调控技术，为该项目的实施提供了水母活体培养和调控实验提供了技术保障实验生物储备；项目承担单位拥有设备完善的大型水族培养系统和大型海蜇人工养殖基地，主要参加人员具有长期水母活体培养和生活史研究的基础和多年海蜇养殖经验，为本项目开展大型水族受控实验和生态模拟实验提供了良好的软、硬件条件。3.项目组在黄东海生态系统动力学研究方面已有坚实的基础项目主要参加人员在过去的10年中一直承担国家973项目“黄东海生态系统动力学”、重点基金“黄东海浮游动物关键种种群动力学”、“浮游植物功能群研究”和“黄东海关键生物过程与物理过程耦合研究”等一系列重点基金项目和“大型水母沙海蜇在黄、东海的生活史及其对浮游生物的调控作用”等面上基金项目，具有长期的海洋生态系统动态变化研究积累和丰富的室内实验、海上调查和数据综合分析的知识和经验，以及我国近海生态系统现状和大量的现场考察和实验数据与资料。4.具有坚实的基础设施条件项目参加单位拥有先进的综合科学考察船和渔业资源考察船及相应的调查设备，拥有自北黄海到长江口的海上浮标观测网络，能够获得海洋环境信息的实时数据，为该项目的现场调查和资料获取提供了重要的条件保障。5.已形成一支多学科交叉的研究团队项目承担单位由来自中国科学院、教育部、农业部、国家海洋局等4个系统的8个单位共同承担。项目组主要参加人员在海洋生态研究领域具有长期的合作，已经形成了一个优势互补和相互配合的团队。6.具有广泛的国际合作基础项目首席科学家和研究团队多人在国际海洋科学组织任职，大多数研究骨干具有国外工作或进修经历，与国际著名的海洋研究机构保持着长期的合作关系，掌握国际研究现状和在该领域的国际发展趋势、存在的问题和解决问题的系统方案。综上所述，该项目具备取得重大突破的能力和条件保障。（五）课题设置1.各课题间相互关系本项目围绕我国沿海日趋严重的水母灾害问题，针对主导致我国近海水母暴发的主要因素、关键过程和驱动机理、水母暴发对海洋生态系统的影响途径与致灾机理、水母灾害评估与应对策略等关键科学问题，设置了6个既相对独立又紧密相关、相辅相成的课题，从黄东海主