您的位置:中国科技新闻网 > 前沿发现 > 把脉海洋 守护一方
把脉海洋 守护一方
发表时间 2017-11-27 09:29 来源 本站原创

  ——记国家海洋局第二海洋研究所柴扉研究员及其团队

  编者按:海洋是生命的摇篮,孕育了人类在内的生命万物,铸就了独特的生命奇迹。从太空遥望我们赖以生存的地球,宛如一颗蔚蓝色的宝石,其中最为璀璨的,便是占据地球表面积71%的深蓝色海洋。人类作为地球生命顶层的物种,既依赖于地球得以生活,又对这个星球的自然环境产生重要的影响,而广阔的海洋也经历着深远的变化。渔业资源的过度捕捞、近海生态环境的破坏、二氧化碳的过度排放、海平面上升……如此种种,无不令人警醒。对于人类而言,海洋负担着全球的水体循环系统运转,影响并决定着全球的气候变化,并且是全球污染物的“终点站”;然而海洋对气候调节、资源供给、污染吸收的能力终究是有限的,如何更深入的了解海洋,避免过度开发和利用海洋,关乎人类和地球生命的未来。国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室主任柴扉研究员心系海洋科学研究与发展,作为一名海洋研究专家,20多年来,他带领着卓越的团队,以改善我国近海生态环境状况、加深对北极变化过程的认识、提升北太平洋生态系统预测为重点,在海洋生态环境研究等诸多方面取得了国际一流的成果,并做出了突出的贡献。

  海洋面积辽阔,储水量巨大,因而长期以来是地球上最稳定的生态系统。由陆地流入海洋的各种物质被海洋接纳,而海洋本身却没有发生显著的变化。然而近几十年,随着世界工业的发展,海洋的污染也日趋严重,使局部海域环境发生了很大变化,并有继续扩展的趋势。近年来,赤潮、绿潮、极端缺氧等有害生态现象频繁出现在我国近海。海洋生态环境的破坏,已为人类敲响警钟。而生态环境的任何改变,都极有可能导致海洋生态系统、生物多样性、渔业资源的变化,进而影响人类社会的可持续发展。柴扉说:“我们迫切需要减少科学上的不确定性,摸清和掌握整个生态系统、尤其是地球上最大的碳库——海洋的碳收支清单,以及海洋酸化对海洋生态系统的影响。”

  柴扉研究员2012年至2015年期间曾任美国缅因大学海洋学院院长,2016年起任国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验实验室主任。长期从事物理-生物地球化学模型的研究工作,研究方向包括生物地球化学模型研发及其在太平洋和边缘海的应用;营养盐在海洋中的输送对初级生产力和碳循环的影响;铁对全球生产力和碳循环的影响;人类活动对全球气候和边缘海环境的影响;海洋生态系统预测等。在海洋生态环境模拟与预测、生态环境演变机制等方面取得了国际一流的成果,并做出了突出的贡献。柴扉研究员及其团队近期的研究成果主要包括以下两个方面:开发了国际领先的海洋生物地球化学系统模型以及海洋动力-生态耦合模型,为研究和预测海洋生态动力学演变过程提供了关键手段和方法;利用海洋数值模式、海洋立体观测、卫星遥感等手段,揭示了气候变化对太平洋及边缘海碳循环和生态环境的影响过程,对中国海碳循环和重要生态过程都有深入的研究和重要的发现。

  跨学科创新研究,收获硕果累累

  海洋被称为“生命的摇篮”,地球上的生命起源于海洋,海洋也是人类蓝色的资源宝库,保护海洋的生态环境,就是保护人类自己。海水作为地球表层的重要组成,是一种含有多种溶解盐类的水溶液。在海水中,水占96.5%左右,其余则主要是各种各样的溶解盐类和矿物,还有来自大气中的氧、二氧化碳和氮等溶解气体。海水中的溶解物质不仅影响着海水的物理化学特征,而且也为海洋生物提供了营养物质和生存环境,对于生命具有特别重要的意义。

  对于远古人类而言,广阔无垠的海洋神秘莫测,进入近现代,随着科研水平的提升,借助各种先进的器具和方式方法,人类逐渐揭开了海洋之神的面纱。但是海洋那博大无比的体量和丰富复杂的内涵,也决定了对其开展研究工作需要具备各学科广博的知识储备,物理、化学、地质学、生物学等等,简直无所不包。多年来,柴扉一直围绕着各学科交叉探索海洋的秘密。在他看来,多学科的交叉背景能使自己更加宏观、多角度地看待复杂的海洋生态系统。

  上世纪80年代,柴扉就读于中国海洋大学(原山东海洋学院)物理海洋学专业,开启了一段海洋探索之旅,从此再也没有离开过。在普林斯顿大学攻读硕士期间,柴扉得到了杜克大学Richard T. Barber教授的赏识,并鼓励他毕业后到杜克大学跟随他从事生物海洋学研究。而在此之前的10余年,柴扉一直从事着海洋动力学方面的研究,并打下了良好的基础。在硕士毕业之际,他选择了到杜克大学尝试新的研究方向——生物海洋学。

  转向一个新的研究方向,对柴扉来说是一次大胆的尝试。不过,仔细权衡之下,他还是愿意抓住这个机会。毕竟,到新的研究领域闯荡一番,也是他的兴趣所在。而长期以来积累的数理基础,让他在生物海洋学领域开辟了另一片天地——除了从事海洋现场观测,还可以将所收集的数据进行量化分析,这也成就了他之后在海洋生态模式方面的卓越成就。

  博士毕业后,他很自然地选择了美国缅因大学。事实上,在杜克大学攻读博士期间,他就成为了美国缅因大学海洋系的研究助理教授。20多年来,尽管其他单位对他提出不少邀请,他仍然不为所动,从未离开。2012年,他开始担任该校海洋学院的院长。

  相对来说,缅因大学海洋学院的学科比较综合,涉及海洋生物、海洋政策管理、渔业资源等各个不同的方向。在美国所有大学中,缅因大学的海洋本科教育排在全国前列,海洋科学研究也在全国25名以内。

  “美国缅因大学比较小,但这也正是它的特色所在。大家都很团结,相处和睦,而且更有利于学科交叉。”他说,整个学校,特别是同一个学院的人会有更多的机会在一起交流,虽然大家做不同的方向,但是很有可能相互启发,做一些交叉性的项目。在担任院长期间,柴扉更是体会到学科交叉的重要性。“我知道同事发表了什么文章,做了什么项目,通过了解他们的研究内容,让我能从一个比较宏观、多学科的角度来更好地认识海洋。”

  在美国期间,他先后主持和参加了美国国家科学基金委、美国国家航空航天局和美国国家海洋与大气局30项研究项目,曾被聘为美国、中国等国家基金委和重大项目评审专家。在国际著名学术刊物上发表论文和专著120篇,其中2篇论文发表于《Science》期刊,论文引用总量达5500余次 (Google Scholar)。

  当被问及取得这些成果背后的秘诀是什么时,柴扉笑着说:“学科交叉是一个很重要的方面。我们的项目涉及物理海洋、生物海洋以及生态动力学,我们的观察资料也来自多个方面,如卫星遥感、历史和现场的观测资料,它们可以验证和改进我们建立的数值模型。而一旦有了数值模型,就像天气预报一样,我们可以做不同时间尺度的海洋环境要素预测。”

  相比之下,柴扉觉得在交叉研究方面,我国海洋学发展空间还很大,尤其是如何从宏观角度把握整个海洋学的研究。“近年来,中国对整个海洋科学研究的投入几乎呈指数级增长。可以说,我国迎来了一个很好的海洋研究时代,但同时也存在一些问题。比如在资助方面的布局,不需要都集中于深海和大洋的探测,近岸的环境也有许多问题需要我们去考虑。”在他看来,整个海洋观测系统也需要将物理、生物、化学、气候、气象等方面结合起来,而不是只关注某一个方面。此外,缺乏多方面人才的交流和资料信息共享也是阻碍中国海洋发展的一个很大的瓶颈。

  为了改变这一局面,柴扉打算从项目开始做起,通过项目攻关,组建起一个注重多学科交叉的团队,培养一批具有新思维的海洋学家以及未来海洋界的领军人物。他说:“中国需要跨学科的思考方法和跨学科人才的培养。”

  关注全球变暖,心忧人类前途

  柴扉的研究内容涵盖了海洋生态学科的众多领域:营养盐在海洋中的输送,对初级生产力和碳循环的影响;铁对全球生产力和碳循环的影响;人类活动对全球气候和边缘海环境的影响;海洋生态系统预测;极地生态系统对全球气候变暖的响应……总的来说,弄清海洋如何调控全球碳循环以及海洋生态环境的演变机制是他关注的两大研究方向。

  他郑重指出,由于人类过度使用化石燃料,大量的二氧化碳被释放到整个地球系统中,其中26%的二氧化碳被海洋吸收,44%的二氧化碳停在了大气当中。日积月累,如今大气中的二氧化碳浓度超过400PPM,这是过去一百万年以来从未出现过的现象。

  “这个浓度,依照目前的趋势,还会继续增长。而且二氧化碳作为温室气体,肯定会造成全球变暖。如今全球变暖的温度已经接近1.0℃。过多的热量集中到海洋里面,这是否会导致海洋吸收二氧化碳的能力改变,这一切还有很多未知和不确定。”

  柴扉坦言,海洋碳循环是全球碳循环的重要组成部分,但人类目前对其了解甚少,更是难以预测未来的变化趋势。如果海洋吸收二氧化碳的能力降低,将会导致更多的二氧化碳停留在大气当中,加重温室效应。因此,利用物理和生物化学模型及观测资料、弄清海洋吸收二氧化碳能力的控制因子,是他和许多科学家致力要解决的问题。

  另一方面,全球变暖导致了气候环境的变化,不仅使得海水温度升高,还将伴随海水酸化。而海洋生态环境作为有机的统一体,任何海域某一要素的变化,都有可能对邻近海域或者其他要素产生直接或间接的影响和作用。人类的某些活动叠加在海洋生态环境变化之上,例如对鱼类的过度捕捞,使得海洋中的渔业资源急速下降,导致海洋生态结构的改变;过多使用化肥,导致海水富营养化,产生赤潮等一系列生态灾害性事件。

  日益变化的生态环境在人类活动相对集中的中低纬度地区已可见一斑,而在全球气候变暖的大趋势下,受到海冰相关的各类反馈作用影响,北极地区的海表温度增长速度更是全球其他地区的两倍以上,这就是所谓的“北极放大效应”。北极地区的加速变暖使北冰洋海水的温度、盐度及化学特性发生了显著改变,进而对北冰洋生态环境和生物种群产生了重要的影响。

  由于北冰洋的气候条件限制,北冰洋海洋生态环境的观测资料在时空尺度上都非常有限,未来北冰洋生态环境将如何变化,更是对海洋科学发展的巨大挑战。柴扉勇于接受这一严峻的考验,他领导的极地研究团队,利用海洋生态动力学模型,经过对目前有限的观测资料的验证,便得以在这一领域大展拳脚。目前柴扉正积极参与全球尖端的北极大气-海洋-海冰-生态观测计划,建立一套适用于北极地区的海洋生态动力学耦合模型,力求实现北极地区海洋生态环境动力学的精确计算,重点研究全球气候变暖大环境下北冰洋生态稳定性、生物多样性、营养盐循环和初级生产力变化等关键过程,解决北极海冰面积和厚度剧烈变化过程中浮游生态系统和海冰生态系统的响应等国际前沿热点问题。

  全球变暖对人类及地球生物将会产生怎样的影响,目前来说还有很大的不确定性,这绝不是杞人忧天或者危言耸听,需要像柴扉这样的科学家进一步做更加深入的研究。在此过程中,客观的刻画海洋生态环境至关重要,然而目前观测的方式在时间与空间方面仍有较明显的局限,利用考察船的现场测绘虽然可以获得现场丰富的物理、生物、化学数据,但对于广阔的海洋而言,时空覆盖率均远远不足;基于人造卫星的遥感技术,虽然可以进行长时间的全球海洋观测,但其观测深度仅局限于海表面,对于海洋内部的生态环境仍然“鞭长莫及”。因此,人们对于全球变暖带来的海洋生态环境的变化仍然知之甚少。

  柴扉准确把握了科技前沿发展的方向,密切关注全球生物地球化学浮标(Bio-Argo)的应用前景。尽管过去的10年间,美国、法国、日本、澳大利亚等国家已投放了部分此类浮标,柴扉在回国之初,就把推动中国生物地球化学浮标技术的发展作为己任,搭建生物地球化学Argo浮标技术与科研团队,购置近二十台仪器设备,使我国的观测水平跻身世界前列。通过参与组建全球生物地球化学浮标阵列,未来实现全面覆盖时空尺度的四维海洋生态观测已成为可能,也为应对全球气候变化及其对海洋生态系统的影响打下了坚实的基础。

  作为“国际生物地球化学Argo计划”指导委员会的中国代表,柴扉召集并组织了“生物地球化学Argo技术与应用国际研讨会”等国际交流活动,奠定了我国在该国际计划和Bio-Argo应用中的重要地位。在参与国际活动的同时,柴扉还心系中国自主浮标技术的研发,目前正与相关单位共同推动国产温盐Argo浮标向生物地球化学综合浮标的拓展,这不仅能够大幅提升我国主导的海洋生态环境观测技术,也是为了全面提升国产海洋仪器的“硬实力”,实现我国海洋科学与技术事业的全面发展。

  建立生物地球化学模型,应对海洋环境恶化

  生物依赖环境,环境影响生物的生存和繁衍。当占据地球表面积71%的海洋生态环境遭受破坏,尤其是可能带来我们不可预知的后果时,弄清海洋生态系统的演变机理及其预测就变得格外重要,这也一直是国际海洋科学的重大前沿问题。

  “海洋生态系统的演变包含了非常复杂的物理与生物化学过程,一方面,生态系统的结构、功能及时空演变受物理、化学和生物过程的控制;另一方面,生态系统变化也会影响碳循环及全球气候变化等物理、化学过程。”

  面对如此复杂的系统,柴扉首先建立了生物化学系统模型(简称“CoSiNE”),该模型描述了多种浮游植物和浮游动物受环境因素(如温度、光、流场等)以及各种营养盐(如氮、磷、硅和铁等)的影响,以及海洋中的碳循环。

  通过将该模式与区域动力学模型(简称“ROMS”)耦合,他建立了ROMS-CoSiNE耦合模式。该耦合模式已被成功用来研究北太平洋初级生产力的年代际变化,赤道太平洋海域营养盐的时空变化,铁元素以及硅元素在高营养盐低叶绿素海域对浮游植物以及整个生态系统的影响,以及中国南海初级生产力受环境因素的影响等。紧接着,他又将ROMS-CoSiNE同渔业模式耦合,来分析以及预报渔业资源(如金枪鱼和鳀鱼)的种群和数量分布,以及温度和初级生产力对鱼类分布及生长过程的影响。

  这些模型的建立和完善,为研究和预测海洋生物动力学演变过程提供了关键手段和方法。目前,他已成功将该些模型应用于中国近海,揭示了气候变化对太平洋及边缘海碳循环的影响过程,并量化了边缘海碳的过程和收支平衡的变化规律。

  面向未来,柴扉更希望能够将模型应用于前沿的科学研究和实际的发展规划中。在今年国家自然科学基金委重点项目的资助列表中,柴扉主持的“北太平洋铁的来源与传输及其对上层海洋生态系统的影响”顺利立项。该项目将以海洋中的铁作为研究对象,通过测量大气沉降、陆源输送、垂直混合等不同过程引入海表层铁的含量,将观测结果引入到物理-生态-铁耦合模式中,更为精准的描绘北太平洋中铁元素的分布状况以及未来的变化趋势。由于人类活动对自然环境产生的压力不断加剧,沙尘暴频率增加、全球变暖导致的海水层结加剧、海洋酸化引起的铁元素状态变化,都将对北太平洋铁元素的含量及初级生产力造成影响,通过模型更好地对未来进行预测和模拟,有助于人类发现环境问题,并制定更为科学的发展方案。

  虽然取得了一些成果,但在柴扉看来,他还有很长的路要走。每当谈起海洋生态环境变化趋势,他的心情总是沉重的。“在人类活动和全球变化双重压力影响下,我国近海生态环境持续恶化,生态环境安全和海洋经济可持续发展受到严重威胁。我们亟需从科学的角度阐明我国近海生态环境变化的核心机制,并发展物理—生态耦合数值预报技术,提升我国海洋环境安全保障能力。”

  为此,2016年,由他负责的国家重点研发计划“海洋环境安全保障”重点专项——中国近海与太平洋高分辨率生态环境数值预报系统已经开始启动。该项目拟针对我国近海与邻近太平洋,通过化整为零将海域划分为黄渤海、东海和南海三个海区,分别构建高分辨率、高精度物理-生态耦合预报模式,再化零为整构建整个海域的数值预报系统。通过融合多源的观测数据,自主研发海洋生态环境业务化数值预报系统。这一项目的顺利实施,不仅能够奠定我国在生态预报领域的世界领先水平,更能够有效对我国近海与邻近太平洋生态系统进行完整、全面、精确的刻画,最终改善和提高生态系统状况,实现生态环境可持续发展的大国计划。

  “通过项目研究,我们不仅能了解和认识生态环境变化的规律,更重要的一点是为中国近海的经济发展提供一些科学的建议。”柴扉总结道。

  加强学术交流,点燃创新之火

  目前,我国科技部仅有5个海洋类国家重点实验室,分别位于浙江、山东、上海、福建和广东。卫星海洋环境动力学国家重点实验室是浙江唯一一个海洋类国家重点实验室。2016年3月,柴扉正式就任该实验室新一届主任。他说:“我的任务就是让实验室的三个大方向有更好的交叉与交流。”

  卫星海洋环境动力学国家重点实验室于2006年7月由科技部批准建设,2009年12月通过验收。实验室是在国家海洋局海洋动力过程与卫星海洋学重点实验室的基础上重新组建,聚集了国家海洋局第二海洋研究所在物理海洋、海洋遥感和海洋生态环境等传统优势学科的优秀人才。

  该实验室有三个主要研究方向:海洋卫星遥感技术与应用、海洋动力过程与生态环境、大洋环流与气候变化;同时设有四大公共支撑平台,即卫星地面站、Argo数据中心、海洋调查设备部和数值计算中心。

  柴扉介绍说,该实验室以卫星海洋学、海洋环流动力学和近海环境关键过程为重点研究内容,以国家海洋环境安全和海洋生态系统产出与服务中的重大需求为牵引,以卫星遥感和Argo浮标等海洋观测新技术为重要手段,开展多学科交叉与整合研究,重点解决在中国近海及邻近洋区中所面临的海洋环境科学问题。

  为了更好地促进不同方向之间的交叉,柴扉首先从团队文化建设着手。他认为,“一个和谐的文化氛围能够让每一个人都能感受到温暖,形成一种归属感,同时也促进大家相互交流”。在硬件设施方面,柴扉特意打造了一个温馨的公共空间,团队活动的许多照片也被贴到了墙上。在这里,大家可以随意喝茶、聊天。“平时大家都很忙,但是我希望在吃午饭的时候,大家可以坐下来聊一聊,而不是在电脑桌上吃。当然,主要还是让大家有这个意识。一般我在研究所里,也会经常来这泡杯咖啡或茶,看谁在这里就找谁聊天。”

  提升实验室的学术气氛也是柴扉的期望之一。他说:“一个好的学术气氛能够让大家主动去了解新的东西,比如今天有一个讲座,虽然和你做的不是直接相关的,但是你要看它是不是带来新的信息,要考虑人家是如何做的。”

  一直以来,实验室都比较注重国际交流与合作。这在柴扉看来,是一个很好的传统。不同学科背景的人“碰撞”在一起,才能擦出更多的火花。目前,实验室通过访问学者、开放课题、星火系列学术论坛等多种平台,让国内外知名科学家和青年学者来实验室访问和交流,并开展实质性的合作研究工作。

  此外,他们每年还通过暑期夏令营、海洋开放日、科技活动周等多种形式,面向社会公众和高校学生开放,传播海洋科学知识,吸引学生来实验室继续深造。实验室还多次举办国内外学术会议和培训班,提升其国内外影响力。

  以人为本,建设卓越团队

  科研事业取得进展,关键在人,及由人组成的团队。人是团队最宝贵的资源。多年来,柴扉坚持把“以人为本”团队发展的永恒主题,关心人、尊重人、激励人,建成了一支卓越、高效、优秀的团队。

  柴扉说:“目前,海洋高端人才短缺情况非常严重;我们海洋二所一方面要加大本土科研人才的扶持和培养,使之成为国际海洋界的领军人物;另一方面,急需加大力度引进海外人才。”目前全国越来越多的高校开始建立海洋学院,许多沿海省份的大学和研究所,都在科技部和各省的支持下在积极引进海洋人才,竞争非常激烈。如何吸引人才并保障人才落户后的产出,是当下需要积极推进的工作。

  在实验室团队建设方面,柴扉也十分注重人员组成的多样性。他认为,组建任何团队首先要以人为本,要让每一个团队成员感受到自己的价值,然后给他们创造一个平等交流的环境,没有高低之分,让他们的思维相互碰撞,产生出其不意的想法。

  “我正在有意识地发展团队。比如,一个小团队是3到5人,过一段时间,我会建议他们重新组队,再去研究其他的问题。每一个团队里的学术交流都是平等,可能有时候我也会错,我希望他们能够挑战我。”正是在这样先进的团队管理理念指导之下,柴扉凝结了一批敢想敢干的青年科学家团队,成员各自分工,又合同协作,紧密围绕着我国和世界生态环境的前沿科学研究砥砺前行。

  面向未来,奋斗正当时

  21世纪是海洋的世纪,习近平总书记讲得更直接,“21世纪是太平洋世纪”,从这个角度讲,把海洋列为国家整个大的发展战略,既是民族复兴之路,也是时代之所需。据统计,海洋中生物资源总量高达400~600亿吨,生物物种达18万种之多,是陆地物种的3倍,能够为人类提供1000倍于现有耕地所能提供的食物,是未来人类摄取蛋白质的主要来源。

  21世纪海洋科学的前沿问题可以归纳为以下6个方面:一是认识今天正在变化的海洋、气候和水循环。二是海洋观测与预测,即观测海洋中发生的现象、过程以及预测与这些有关的事件。三是复杂的近岸问题。现在全球几乎40%的人口居住在离海岸100公里的范围内,日益加剧的人类活动对近岸、近海环境带来巨大影响。四是非平衡生态系统问题。建设海洋强国不能以牺牲海洋环境为代价,否则不可持续。五是研究海洋的底部,热液和冷泉的发现让我们对海底有了新的认识,海底是漏的。六是洋壳与板块动力学。在这些科学问题的背后,有人类居住的环境问题,有食品的问题,有矿产资源和能源的问题等。科学与人类社会、经济发展的需求是相辅相成的。

  海洋科学传统上包括物理海洋、海洋地质、生物海洋、化学海洋四个学科。但今天海洋科学的发展不仅需要四大学科的深度交叉,而且也需要分子、机器人、通信、纳米、卫星等技术学科的支撑,以及大气、数学、信息、生命、管理等相关学科的融合渗透。如柴扉研究员所强调的那样,只有各学科有效交叉结合,才能做好海洋科学研究,满足国家战略发展需求,解决全人类共同的问题。

  我国海洋科研事业长期滞后于国外,导致专业人才的匮乏,如今正处于大刀阔斧的发展中,将来必定在该领域有所建树。未来,随着陆地资源的了匮乏,面对资源资源丰富而尚未研究透彻的海洋来说,无疑是个巨大的诱惑。随着国家科学技术的进步以及财力的投入,海洋研究必定将来大有可为。

  为了将更多的时间放在重点实验室上,柴扉去年辞掉了美国缅因大学海洋研究院院长的职位。在接下来的2、3年里,他将花大部分时间在国内重点实验室。他说,等自己将缅因大学剩下的工作做完之后,他便要全身心投入国内的研究工作。

  “到2050年,中国近海的生态环境将发生怎样的变化?整个生物的生产力是高了还是低了?溶解氧是多还是少?海洋的酸化有多严重……”这些都是他将要用毕生所学去回答的问题。前路漫漫,创新科研,永远在路上,奋斗正当时。