我们选择北冰洋欧亚海盆为重点观测区，该区域是海底热液系统最为集中的区域，且上层海洋生态系统受到了铁的限制（Rijkenberg et al., 2018）。海底探测工作和热液喷口微生物的研究将集中在加克洋中脊区域。由于元素随洋流扩散，海水和生态系统的工作将扩充到欧亚海盆，并适度外延。Aurora热液区（6°W）和加克洋中脊85-100°E区域分别是已经确定活动热液喷口和具有最高程度的综合地质与地球物理调查的区域，本项目拟在这两个区域建立两个长期观测系统。通过多学科综合观测和建模，拟认识北冰洋碳循环和生态基线，评估与预测人类活动压力对北冰洋的影响。

本项目的科学活动是为了获取北冰洋缺失的海底岩石圈和外部圈层之间的碳循环和生态系统作用的知识，为应对全球变化下北冰洋面临的重要危机提供科学数据和决策支持。分别包括：历史资料的新观测和实验、数值模型构建和完整数据集及数据库。

1 新观测和实验

综合组织协调珍贵的北极现场调查机会，使用最新的观测技术及传感器，形成多要素的连续、长期、高效、近实时观测系统，观测北冰洋海底岩石圈、热液喷口、海底生物和追踪元素运移，获取长久以来缺失的高精度、长时间序列的海底岩石圈、生物圈、水圈和冰冻圈的关键数据，形成多圈层相互作用的认识。项目将针对冰区与深海的特殊环境，开发新式的无人自主观测技术并组建数套从海底至冰面的冰区长期、原位、多要素、可近实时获取资料的观测系统。使用水下机器人在重点区域进行高精度、高分辨率测绘，并鼓励使用载人潜器进行生态系统的观察和取样；在热液喷口进行原位光学、声学、热量观测和原位过滤与分析；构建由海底至冰面的多学科、多要素长期实时观测系统，获取全深度的长期观测资料。采集数据通过现场接驳和卫星传输等方式近实时传输到实验室。计划组织5-6个现场调查航次，其中在未来3年组织2-3个现场考察航次。

结合海面船载装备，使用AUV、Glider、ROV等对关键研究区的海底进行高精度、高分辨率的测绘，并适当使用载人潜器，获取关键的地形、水层和生物栖息地等信息。使用长周期广角海底地震仪、新型浮沉式海洋地震仪和光纤地震仪等传感器进行长期天然地震观测，利用一种新型的小型热流探针对海底热通量进行长期原位观测，获得喷口区域构造岩浆活动和能量通量变化的规律。在热液喷口进行原位的照相、激光拉曼测量、声学监听、原位过滤、原位质谱仪分析和流量计测量等工作，获取热液喷口活动元素、热、生物通量及时变数据。

本项目将开发一个容纳多学科多要素实验的深海碳观测平台，进行海底热液/冷流的综合观测，并整合最先进的自动化培养和深海过滤装置，用于分析原位条件下细菌的活性和降解能力。同时，为了配合活性Fe的观测，无沾污的Fe采样系统将用于海底热液的研究。计划在重点目标海区同步实施原位调查和模拟实验，以检验深海主要环境因子与碳储存形态之间关系。观测平台的范围和规模将取决于观测技术和财政能力，在实施中将尽可能的利用新型传感器，并保证数量，以获得观测网络数据的较高的时空覆盖率。

为研究北冰洋海底活动对上层海洋生态系统的影响，拟构建海底和海洋上下水层的冰区长期原位观测系统。该系统涉及地球物理、物理海洋、海洋化学和生物等多学科。该系统包括：海底观测采样部分，如海底着陆器（Lander）等；水柱采样部分，如沉积物捕获器、Bio-Argo等；海水表层采样部分，如浮游植物采样器、大体积过滤器等；冰下观测采样部分，综合使用冰基剖面仪（ITP）、水下无人机、水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统（UVP）、水下激光粒度仪（LISST）等设备，配合多种生化传感器（营养盐、叶绿素等），对北冰洋海底和海洋上下水层进行多要素原位、连续和长期观测，从而采集海底活动释放的微量元素（如Fe等），测量其浓度，追踪其扩散范围，并分析其对上层海洋生态系统的影响。借助北冰洋的特点，设计不依赖科考船的冰基综合观测系统，构建冰漂观测链，可以在海盆中部观测长达数月之久。这些设备有助于认识并厘清在气候变化胁迫下北冰洋上层冰-海系统的生态响应。

2数字建模

针对当前碳循环和生态模型中，过少关注上层冰水界面和深部海洋、海底界面关系的现状，开发包括海底输入和深部海洋过程的新模型。整合海底构造-火山过程、生物地球化学循环以及微生物代谢等多学科资料，来建模分析海底活动对深海碳收支和生态系统的影响。利用现有独立的海底岩浆构造模型、海底热液动力模型、生态模型、物理-海冰模型，基于本项目获取的最新的数据，开发高分辨率地质、物理、海冰、化学、生态耦合的综合数字模型。该模型可对观测和实验获得的数据实时反馈，对基岩-沉积物、沉积物-水界面、下层海洋-上层海洋界面、海-冰-气界面等界面的生物、化学通量进行新的计算，从而更准确的评估海底岩浆、构造、热液活动、冷水循环等对碳循环及生态系统可能的作用，并预测在全球变化、海冰融化、生物北迁等自然环境演替和航道开发、旅游激增、海底光缆等人类活动压力下，海底活动对北冰洋碳库稳定、碳收支平衡和相应生态响应的影响。

3 完整的数据模型和数据库

拟议的十年项目计划建立一个开放式、跨学科、实时动态更新的北极数据库。该数据库作为项目数据发布、共享、建模和应用的创新性平台，将有效整合观测数据与科学研究，促进海洋多圈层物质交互对碳循环和生态环境影响的认识，为全球治理和人类活动规范提供决策知识和建议。在适当保护贡献者的优先使用的基础上，最大程度增强数据库的可访问性。该数据库计划由4个层级组成，分别为数据存储、研究建模、数字世界呈现和应用层级。

1）数据存储层级：该数据库将汇集北冰洋新的和已有观测数据，按照不同学科和观测数据类型进行分类存储，并对数据分配可解析的数字对象识别符（DOI），促进观测数据的访问、搜索和获取。存储的数据类型包括：汇编集成北冰洋岩石圈的结构、构造特征、岩浆物质特征及来源、热液羽状流分布及元素特征；不同圈层的碳收支和相关生物地球化学资料；热液生物、地质、水文等与碳和生态系统相关关系方面的数据；北冰洋各圈层的微生物代谢资料。作为综合性数据库，数据库将支持文本、图像、表格、代码、音频和视频等多种数据存储格式。此外，数据库还具备数据备份、编辑等数据管理功能，以及数据深度分析和大数据分析等分析功能，便于研究人员对数据进行管理和分析。数据库还可为研究者提供个人专属研究数据库，用于存储、管理和共享软件、代码、模型、算法以及协议等相关研究材料。研究者可直接将数据集和材料链接到所要发表的研究论文中，以提高观测数据的传播性、可发现性和可重用性。

2）研究功能层级：数据库将具有可视化、交互式操作的建模功能。用户可根据需求，在数据库平台利用最新的观测数据和研究模型，建立适用于北冰洋的多圈层（岩石圈–冰冻圈–水圈-生物圈）物质交换模型，并实现快速计算和模拟结果的便捷输出。利用数据库平台的可视化技术和人工智能技术，可对模拟结果进行实时展示、分析和解释，并对可能产生的生态环境影响作出预测和判断。

3）数字世界呈现层级：数据库平台不仅能够真实展示海底观测网的实时监测音频、视频等数据，还可以利用沉浸式虚拟现实技术对观测现象、模拟结果以及可能的生态环境影响进行虚拟展示。

4）应用层级：数据库平台将支持一键发布功能，可将研究建模层级和数字世界层级的相关研究产品，以文字、图片或视频的形式发布到多媒体平台，促进公众、科学界和政府及时了解、认识相关研究进展和成果，寻求解决各种环境问题的科学方法，以实现北冰洋的健康保护和科学治理。