问题概述：海洋碳循环是全球碳循环的关键环节，也是当今全球变化科学研究的前沿领域之一。自工业革命以来海洋吸收了约48%的人为排放CO2，是地表系统中最大的碳库，亦是吸收人为排放CO2最大的汇区 (Libes, 2009)。作为海洋储碳的重要途径，生物泵一直是海洋碳循环的核心研究内容之一，而新近提出的微型生物碳泵亦是近年来碳循环的热点研究主题(Jiao et al., 2011)。生物泵是浮游植物通过光合作用将海水中的无机碳转变成颗粒有机碳，通过自身沉降和浮游动物摄食等一系列生物地球化学过程，并最终向深层海洋传输的过程。微生物碳泵则是通过微型生物的作用将活性的溶解有机碳转化为惰性有机碳，从而增加在海洋中的停留时间。

迄今国际上全面推动了一系列海洋生态系统储碳相关研究计划，包括全球海洋通量联合研究（Joint Global Ocean Flux Studies, JGOFS）、海洋生物地球化学和海洋生态系统整合研究计划(Integrated Marine Biogeochemistry and Ecosystem Research, IMBER)、海洋碳与生物地球化学（Ocean Carbon Biogeochemistry, OCB）等。中国对边缘海碳循环过程及储碳机理研究已有一定基础和重要国际影响力。近年来，在国家重点基础研究发展计划、重大研究计划和国家自然科学基金重点项目等的支持下，我国开展了与国际同步的海洋碳循环和储碳机制研究，取得了重要进展，如基本确认东海总体上是大气CO2的汇区，南海则总体表现为大气CO2的源，提出“微型生物碳泵”储碳新途径，并引领该领域的研究。

作为海洋储碳的重要途径，生物泵和微型生物碳泵都由生物过程驱动，必然受到生态系统结构和各种过程的影响与调控。通常认为驱动海洋储碳量的决定性因素是浮游植物初级生产力，然而近年来很多研究发现二者并不存在简单的线性耦合关系。海洋上层生物群落结构，特别是浮游植物群落组成、浮游动物的摄食打包和垂直迁移、微型生物有机碳代谢等各种生物类群的生命活动都被认为是引起这种非线性耦合关系的因素。这些生物对有机碳的传递、转化、降解、矿化和再生产等过程产生显著的影响，极大地调控整个海洋生态系统的储碳效率。近年来，海洋储碳过程研究的已经从真光层逐渐向知之甚少的弱光层和无光层拓展。从整体上看，海洋生物群落具有非常丰富的物种和功能多样性，它们在不同时空尺度上构建了强大而复杂的“新陈代谢机器”，调控生态系统的固碳和储碳过程。但是，目前针对该领域的相关机制研究还非常缺乏，尤其是对生态系统内有机碳代谢过程以及不同生态系统之间的差异了解极其有限，对这些过程的调控机理也认知甚少。

更为急迫的是，当前从生物个体乃至整个生态系统正面临全球变化（海洋酸化、暖化等）造成的重大环境胁迫。例如研究表明，海洋吸收CO2导致海洋酸化，研究已经证实酸化进程的持续发展将会对现有许多海洋生物造成重大威胁 (Busch et al., 2015)，但是遗憾的是，这些威胁对海洋生态系统固碳和储碳过程造成的影响及其机制尚不清楚，也无法了解海洋生态系统如何对全球变化产生反馈作用。这是急待解决的重大基础科学问题。造成这种认识不足的根本原因还是对以生物群落织主控的海洋储碳过程及其调控机理仍然有许多不明之处 (Busch et al., 2015)。迄今，针对浮游生态系统的全球变化研究（如酸化），主要以单种的室内培养、自然群落的中尺度围隔实验、现场过程研究以及数值模型研究等几种手段。室内培养实验简单易控、旨在阐明机制但对生态系统响应的认识有限，现场研究环境因素复杂、虽注重生态系统变化但较难厘清变化的关键过程和驱动因子。如何将二者有机的联系起来，并利用现场和数值模型研究结果，从单种到群落、从微观机制到宏观过程，系统的认识全球变化对生态系统固碳和储碳过程的影响，是当前及今后研究的难点和重点。另外，利用重建古环境与古气候记录，探讨海洋沉积碳库与气候环境变化和人类活动的关联，可从更长时间尺度上认识海洋生态系统储碳对全球变化的响应。然而，由于缺乏合适的研究手段，难以获得高时间分辨率的沉积记录，限制了对沉积碳库变动与全球变化关联的认识。

综上所述，如何阐明典型海洋生态系统固碳过程和储碳机制，评估全球变化（如酸化、暖化等）的影响，并进一步探寻古海洋记录和现代过程关联，建立沉积碳库变动与全球变化联系仍是当前国内外全球变化海洋生态学研究的最新前沿课题，也是海洋生态系统与全球变化研究的核心科学问题。

重要意义：本问题取得突破后获得的经济社会效益及相关指标主要包括学术研究、高等教育和人才培养、公众科普传播等几个方面。

在学术研究方面，本科学问题取得突破后将显著提升我国在全球变化相关领域，特别是海洋生态系统固碳和储碳过程、酸化影响和碳库变动等几个方向的基础科学研究水平。此问题的研究成果必须建立在获取、整理、更新和发布相关研究基础数据库的基础上，利用已有技术方法及针对关键科学问题而建立的新技术和新方法，通过系统研究，归纳总结出典型海洋生态系统固碳、储碳及其对全球变化响应的规律，并提出相关领域的新理论。另外，本科学问题的突破将推动多学科交叉，提升其他相关基础科学领域（海洋资源和环境、深海科学与技术、卫星遥感和应用、气候变化等）的研究水平。与此同时，本科学问题的研究成果将服务于我国各级政府相关政策制定与实施（资源开发与利用、环境问题和对策、气候变化和应对、海洋生态保护和发展规划等），也为我国在国际气候谈判和合作中提供科学依据。

在高等教育和人才培养方面，本科学问题的研究将推动相关领域高等学校和研究所建设国际一流的研究平台和创新团队，完善我国相关科学领域（全球变化生态学、海洋环境科学）本科生-硕士生-博士生培养体系，为全球变化相关领域培养一批具有国际化视野和研究潜力的高质量毕业生，也有助于支持和激励青年人才在新理论、方法、技术等各方面进行创新，为青年人才成长创造更有利的条件。

在公众科普传播方面，该科学问题的研究工作将极大的推动海洋、环境和生态等基础科学领域开展论坛、专题展览和其他文化活动。另外，通过国内外海洋、环境和生态研究成果交流与合作，传播科普知识，加强海洋可持续发展、低碳环保、绿色生活等方面的宣传力度，提高公众的海洋意识和环保意识。

此外，在海洋增汇和减缓气候变化方面，也存在潜在巨大的经济效益，该重大科学问题和难题的解决可为海洋碳增汇以及地球环境工程（Geoengineering）提供强大的科技支撑。