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沉积物源汇系统是连接大气圈、生物圈、水圈等活跃碳库与岩石圈稳定碳库的关键纽带,在全球碳循环中发挥核心缓冲作用。三角洲-陆架区作为海洋沉积碳汇的核心区域,以不足全球海洋8%的面积贡献了80%以上的海洋沉积有机碳通量,其碳埋藏过程与机制对全球碳平衡至关重要。本文系统综述了三角洲-陆架沉积体系中陆源有机碳的来源组成、沉积通量特征,重点阐述了有机碳源汇示踪技术、再矿化作用过程及主控机制,分析了人类活动对沉积碳汇的影响,并探讨了基于沉积物管理的海洋负排放增汇方案。研究表明,陆源有机碳的异质性、沉积环境的物理化学条件及人类活动干扰共同调控着有机碳的迁移转化与埋藏效率;当前沉积碳汇的潜力尚未被充分挖掘,亟需通过方法学创新、机制深化及技术研发,推动沉积碳汇纳入全球气候治理体系,为实现《巴黎协定》温控目标提供科学支撑与可行路径。

为探讨沙滩沉积物硅溶出对近海溶解硅收支的贡献开展本研究。2017年3—9月,在北黄海南部的烟台牟平近岸海域进行了6次现场调查,发现在水交换较弱的5—8月,溶解硅异常(ΔSi,相对于溶解无机氮增加的溶解硅的量)呈逐月累积的现象,月平均速率为1.5 μmol·L^-1。通过溶解模拟实验、理论计算和现场数据分析,发现沙滩可渗透沉积物会发生溶解,形成溶解硅输入海洋,使近岸海域溶解硅浓度升高,月平均速率为0.7~2.0 μmol·L^-1,与ΔSi的月平均速率基本一致。按照环海岸线长度进一步外推计算,黄海沙滩硅溶出量或硅酸盐溶解量,大致可以弥合黄海近岸海域夏季溶解硅收支不平衡。研究再次表明,渗透性颗粒的溶解作用可能对近海硅酸盐的总量有重要的影响。

海草床-红树林连续体是重要的滨海蓝碳生态系统。相较于单一生态系统,连续体通过潮汐驱动实现了碳在系统间的横向迁移与再分配,深刻影响着区域乃至全球的蓝碳收支评估。然而,连续体内部碳循环以及多界面、多过程的碳汇耦合机制仍是一个黑箱,也是当前蓝碳研究的热点之一。本文对海草床-红树林连续体碳循环研究进展进行了系统梳理,从“纵向固存-横向迁移”两个维度,全景式地阐释了植物光合固碳、沉积物碳累积、水体碳转化及气体交换等关键过程,重点解析了以潮汐为驱动力的横向碳通量(包括凋落物、DOC、POC、DIC)及其在连续体碳循环中的核心地位。基于潮间带生境的复杂性,海草床-红树林连续体的碳循环耦合机制研究是一个关键且有待探索的领域,尤其是植物的固碳机制、沉积物碳累积、元素交换等关键过程都亟需深入研究与完善。

基于浙江苍南海域为期一年的波浪观测数据(包含6次台风和2次寒潮事件),本研究系统分析了极端波浪(台风浪和寒潮大浪)的参数分布特征,并重点研究了典型台风“利奇马”和“米娜”的波浪演变规律。研究结果表明:台风浪受台风路径和强度的影响显著,当台风强度等级越高且移动路径越接近研究海域时,台风浪过程越剧烈,表现为有效波高和谱峰密度显著增大。夏、秋季研究海域均会受强台风的影响而引发极端台风浪。寒潮大浪在冬、春季均会出现,其强度直接受寒潮强度的影响,总体上寒潮大浪不如台风浪强度大。台风浪的影响持续时间为2~3 d,寒潮大浪的影响持续时间约为1 d。在台风/寒潮期间,最大波高和谱峰密度均存在基本同步的先增大后减小的发展变化过程。台风“利奇马”影响期间,研究海域最大波高为10.80 m,最大谱峰密度为55.10 m²/Hz,波浪频谱发展变化过程为双峰谱—单峰谱—双峰谱,波浪类型发展变化过程为涌浪为主的混合浪—风浪—风浪为主的混合浪。台风“米娜”影响期间,研究海域最大波高为8.89 m,最大谱峰密度为36.37 m²/Hz,波浪频谱主要以单峰谱为主,偶有双峰谱,波浪类型主要为涌浪,偶有涌浪为主的混合浪。

深水沉积过程是塑造深海地形地貌、深度参与海洋物质循环的核心动力机制,对大陆边缘和深海盆地沉积体系的构建和物质循环具有重要意义。地表碳元素及含碳物质的迁移与循环是维持有机生命活动与适宜气候环境的核心因素,而深海沉积物作为循环体系中容纳有机碳的优良储库端元,能够有效封存大气温室气体,对地质历史时期的气候演替具有重要调控作用。本研究旨在探讨典型深水沉积过程与有机碳埋藏之间的耦合机制,为构建“陆架边缘-陆坡-深海盆地有机质连续输运体系”及“深水有机碳埋藏金字塔模型”提供理论依据。基于对全球各海域典型深水有机碳埋藏体系的综合分析,研究认为重力流与底流是有机质深水连续输运体系的核心动力机制,(微)生物碳泵、浊流碳泵、底流碳泵和深地碳泵四者共同构筑起深水沉积碳埋藏基本格局。此外,影响深水有机碳埋藏结果的各类因素亦具有层级特征。然而,目前深水有机碳埋藏研究仍处于起步阶段,相关实例及机理研究非常匮乏,亟需提升对深水环境碳埋藏研究的重视程度。

卫星在运行中会因传感器故障导致影像出现不规则条带状缺失,影响观测要素信息的完整性。针对静止卫星遥感影像的条带状缺失,构建基于卷积神经网络的缺失数据修复模型,对比不同时相辅助数据组合下模型修复图像的精度,确定最佳辅助数据组合。在辅助数据组合中,以待修复图像的生成时间为当前时刻(t),分别采用前4个时相(t-4,t-3,t-2,t-1)以及前、后各3个时相(t-3,t-2,t-1,t+1,t+2,t+3)为输入时,模型的修复效果佳,可用于实时和延时场景下的数据修复和重建。相比其他以单时相为辅助数据的修复模型,采用多时相为辅助数据的本文模型,修复效果更好、精度更优。模型也适用于其他静止卫星影像中的条带状缺失信息的修复。

潮滩是受潮汐影响而呈现周期性淹没和出露的区域,其淹没频率可以从一定程度上反映潮滩高程。本研究利用时序合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)卫星遥感数据开展了基于潮位互补累积分布函数的潮滩地形遥感反演方法的研究,提出了基于遥感观测次数权重缩放的淹没频率校正新方法,并基于淹没频率的数学定义探究了淹没频率与潮滩高程的函数关系,构建了基于潮位互补累积分布函数的潮滩地形反演模型。以乐清湾为研究区开展方法验证,基于时序Sentinel-1卫星SAR遥感数据,成功反演了乐清湾2019—2020年与2021—2022年两期潮滩地形,并基于对应年份的ICESat-2卫星激光测高数据进行了精度验证,两期潮滩地形均方根误差分别为0.41 m与0.51 m。使用2019年的现场实测水深数据验证了2019—2020年的潮滩地形,均方根误差为0.48 m。本文提出的反演方法可以获得高精度潮滩地形,无需实测地形数据,可推广应用到潮滩地形动态监测工作中。

牡蛎礁是重要的海岸带栖息地之一,近百年来在全球范围内退化严重。伴随着牡蛎礁生态系统服务功能被逐渐认知,牡蛎礁的保护与修复工作对于全球退化海岸带生态系统的修复与保护的意义开始凸显。本文系统搜集、整理了中国天然牡蛎礁和人工修复牡蛎礁的分布信息,总结了本世纪以来中国在牡蛎礁保护与修复领域开展的主要工作及取得的成果,并结合笔者参与的温州市海岸带保护修复工程(牡蛎礁)的修复实践,详细介绍了修复技术流程,着重介绍了修复工程中采用的斜撑组合式牡蛎礁体的设计构造和礁体人工附苗技术,并提出了相应的建议,可为将来开展牡蛎礁保护与修复工作提供参考。

黑碳(black carbon,BC)主要是由生物质与化石燃料不完全燃烧产生的惰性有机碳。全球每年产生的黑碳中大约3%~10%最终埋藏于海洋沉积物中,作为惰性碳库的重要组成部分,其时空分布和源-汇过程对于理解全球碳循环和气候演化具有重要意义。本文基于已发表的全球近千个海洋沉积物中的黑碳数据进行再分析,发现海洋沉积物中黑碳含量的时空差异显著,总体介于0.02~9.72 mg/g之间,平均为1.06 mg/g,占总沉积有机碳的比例平均约为15.1%。空间上,黑碳分布受沉积物粒度、有机碳含量等反映物源和沉积环境的因素控制;时间上,黑碳演化受气候演变与人类活动共同驱动。当前对海洋沉积黑碳来源的认知主要基于陆源输入主导的前提,认为河流输送、大气沉降及海岸侵蚀是其主要的输入途径。尽管已初步建立了黑碳源-汇过程的总体框架,但最新研究揭示全球中-深层海域的黑碳沉降通量显著超出当前已知的陆源输入总量,暗示着尚存在未知的或被忽略的黑碳来源,目前对海洋沉积黑碳的降解和再循环过程也所知甚少。未来亟需加强对关键区域(如深海环境)黑碳的特征研究,运用地球化学与有机分子碳同位素等学科交叉方法和新技术,深入解析海洋黑碳的源-汇过程与循环机制。

为探究潮汐作用对海水溶解性代谢物组成的影响,本研究于2023年3月采集了长江口半日潮锋面附近的海水样品,通过开展高分辨率非靶向代谢组学分析,共鉴定出1 379个代谢分子(鉴定率为6.8%),涵盖14个超级分类,其中以有机杂环化合物、苯环型化合物、脂质和类脂分子为主(占比为59.1%)。研究发现,代谢物组成明显受潮汐作用调控,其空间分布在落潮时的异质性明显高于涨潮时,揭示了潮汐运动与代谢物组成变化的不同步性。统计分析进一步表明,大部分代谢物与盐度呈明显负相关,且非保守性营养盐(硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐)对其分布特征贡献较大。这表明陆源溶解有机质输入是控制代谢物组成的重要因素,而咸淡水混合过程会改造其组成特征。此外,浊度与大部分代谢物的相关性较弱,但在悬沙锋内侧,脂质和类脂分子的百分比变化显著,表明再悬浮过程对溶解性有机质的改造作用主要发生在水动力较强的区域。对涨、落潮阶段差异性代谢物的分析发现,这些代谢物以脂质和杂环类化合物等次级代谢产物为主,其变化可能指示其受微生物群落相互作用的调节。本研究强调了短时间尺度的潮汐作用对溶解性有机质组成的影响,为理解多尺度物理过程如何调控河口有机质循环提供了新视角。

海底电缆管道在国家安全、社会经济发展与海洋生态环境保护中具有多重战略意义。本文系统回顾了海底电缆管道管理政策的发展历程,梳理了其在国际法框架与国内政策体系中的演进脉络,分析了当前我国海底电缆管道管理在行政审批、保护管理、空间管制与国家安全等方面存在的主要问题。研究认为,由于海洋开发活动日益频繁、管理政策相对滞后、国际地缘政治复杂多变等因素,海底电缆管道面临空间资源紧张、安全风险上升等挑战,提出从制度重构、系统保护、空间治理、安全保障四个维度优化管理政策,推动构建与时俱进、高效韧性的海底电缆管道治理体系,以保障国家海洋战略实施和可持续发展。

总氮(total nitrogen,TN)是衡量水体富营养化的重要指标,了解其时空变化对近海海洋生态管理有着重要意义。本研究以珠江口-江门海域为研究区,基于2021—2023年实测数据、2003—2023年MODIS和2017—2023年Sentinel-3遥感影像,筛选出与TN质量浓度高相关性波段组合,构建随机森林回归模型,并根据模型反演的TN,分析其在不同尺度下的时空特征。反演模型的精度良好(R²为0.797~0.931)。反演结果显示:2003—2023年珠江口-江门海域TN质量浓度整体呈下降趋势,其中2003—2015年质量浓度较高,2016年后显著下降;TN有明显丰/枯季变化,入海口和浅水海域的年内变化明显。本研究通过遥感反演分析了研究区TN变化趋势和分布特征,可为近岸海域污染物管控措施的制定提供依据和参考。

新型海堤生态护面块体是一种兼具优良消浪性能与生态功能的护面结构。为系统评估其消浪性能,本研究以舟山周家园山海岛为工程背景,开展了二维波浪水槽物理模型试验,系统探究了在规则波作用下,波浪周期、波高、相对水深、波陡、破波参数、块体几何尺寸(外径与高度)以及材料对反射系数的影响。研究首先通过9个工况的对比试验,验证了在物理模型试验中使用无规共聚聚丙烯(PP-R)替代发泡砼的可行性,二者反射系数的平均差值仅为1.17%。后续对护面块体消浪性能的研究表明,反射系数随波浪周期、相对水深和破波参数的增大而增大,随波高和波陡的增大而减小。在所有测试工况中,外径7.5 cm-高度10 cm和外径10 cm-高度6.5 cm的两种块体消浪性能最优,其平均反射系数分别为0.395和0.382。最后,基于试验数据,拟合得到了适用于本研究中6种护面块体的反射系数计算公式。该公式的均方根误差为0.106 9,精度较高,可为相关工程设计提供一定参考。

滨海湿地具有强大的碳捕获和储存能力,对缓解气候变暖具有重要作用,其中植被类型是影响其碳储量的重要因素。本研究测定了黄河口湿地三种典型植被(芦苇、芦苇-柽柳、翅碱蓬)表层土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)、木质素、稳定碳同位素(δ¹³C)、粒度以及铁元素含量,并对有机碳含量、来源及降解特征进行了分析。结果表明,黄河口湿地三种植被生境SOC含量为0.34%~1.85%,芦苇生境最高,平均值为0.94%,SOC含量受植被类型和黏土含量的共同影响。通过三端元蒙特卡罗模型计算发现,三种植被生境土壤有机碳以陆源(47.7%±13.2%)和植物源(36.3%±15.0%)为主,海源(16.0%±14.2%)比例较低(翅碱蓬>芦苇-柽柳>芦苇)。三种植被生境土壤木质素都表现为木本类和草本类组织的混合或单一来源,指示芦苇和翅碱蓬生境中部分土壤有机碳来自于上游黄土高原。土壤中的铁氧化物和水分可能因其对有机碳的保护和对微生物有氧呼吸的抑制作用,降低木质素的降解程度。该研究表明,土壤有机碳在不同类型植被中的分布、来源以及降解特征存在明显的差异。

河口最大浑浊带(estuarine turbidity maximum, ETM)是河口颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)向海洋输运的关键枢纽。为探讨ETM内的POC物源组成和输运特征及其驱动机制,本研究以福建九龙江口ETM内POC为研究对象,系统地采集了ETM内小时分辨率的水文参数、水平输运POC(过滤法)和垂向沉降POC(沉积捕获器)样品,并测试了POC的有机碳同位素等指标;最后,利用蒙特卡洛端元模型和经验正交函数等方法,分析并探讨了ETM内POC的物源组成、输运模式及其驱动机制。研究结果显示,ETM内的POC来源呈现显著时空差异:表层POC以河流源为主(35.5%),底层POC以沉积源为主(35.1%),沉降POC也以沉积源为主(在涨潮高流速期达65%)。底层POC质量浓度(0.8~8.4 mg·L^-1)与底层潮流平均流速大小(绝对值范围为0~0.5 m·s^-1)呈显著正相关。颗粒物沉降通量的峰值(227.1 mg·cm^-2·h^-1)出现在低流速期(剖面平均流速<0.2 m·s^-1)。基于以上结果,本研究分析发现潮流流速是调控九龙江口ETM内POC来源与输运过程的关键动力因子,潮流流速的大小、方向与持续时间,共同调控着POC的水平输运、再悬浮效应及垂向混合过程,进而决定了POC的物源组成与质量浓度。具体表现为:1)潮流流速与POC质量浓度呈显著正相关,高潮流流速引发的沉积物再悬浮是沉积源POC输入的主导因素;2)涨、落潮的周期性交替是控制河流源与海洋源POC相对贡献率变化的主导因素;3)流速垂向层化结构(尤其在落潮期)则控制着不同来源POC的垂向混合程度。最后,本研究从潮流流速对ETM内POC来源和输运过程调控作用的角度,总结了不同潮汐阶段ETM内POC的输运模型:涨潮期,潮流作用引发海洋源POC输入,但同时因高流速引发沉积物再悬浮,使得沉积源POC整体占主导;低流速的高平潮期,颗粒以沉降过程为主,沉积物再悬浮作用减弱,河流源或海洋源POC占比相对上升,沉积源POC贡献率降低但整体上仍占主导;落潮期,河流源POC因落潮流驱动而输入增加,且表层高流速对沉积源POC再悬浮的促进作用有限,三种来源POC的占比情况与前序涨潮高流速持续时长密切相关,一般持续时间越长,沉积源POC主导现象越显著;低流速的低平潮期,颗粒也以沉降过程为主,三种物源POC占比整体上持平。该研究结果可为进一步理解ETM内POC的源-汇过程提供参考。

海岛生态系统具有资源特殊性和生态系统脆弱性,科学评估土地利用变化对海岛生态系统固碳等服务功能的影响,对海岛可持续发展管理具有重要意义。浙江省洞头列岛具有典型的海岛生态系统,经历了填海造陆等开发利用和蓝色海湾建设等保护修复的改造,可作为构建土地利用变化对海岛海岸带生态系统固碳等服务功能影响评估方法及探讨管理措施成效的良好样本。本研究以洞头列岛为例,构建了基于XGBoost算法的土地利用分类模型,获得了1988—2023年共12期(每3年1期)土地利用分类数据(精度91.52%)。在此基础上,计算了洞头列岛林地、盐沼和滩涂等主要生态系统固碳量变化;结合社会经济统计数据,构建了洞头列岛“经济发展-土地利用-固碳功能”耦合协调度模型,探讨了洞头列岛30多年发展过程中的经济和生态耦合协调度。研究结果显示,1988—2023年间,由于自然淤长以及人为围垦造陆等作用,洞头列岛陆域总面积增加了34.97%;主要生态系统总固碳量和净固碳量累计总量分别为49.45 万t和46.13 万t,基本呈现震荡上升趋势;固碳主要源于林地和滨海湿地(滩涂和盐沼),累计固碳量分别为25.44 万t和24.01 万t。洞头列岛的“经济发展-土地利用-固碳功能”在2006—2023年间耦合协调程度处于协调状态。整体上耦合协调度受到土地利用变化影响较大,生态修复工程可以提高土地利用和固碳功能的综合评价指数,进而提高整体的耦合协调度。本研究可为海岛海岸带社会经济发展和生态环境保护规划提供科学理论和数据支撑。