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科技日报记者 陈曦

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海洋在全球气候变化和碳循环过程中发挥着重要作用,日前南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室胡献刚教授与中国科学院院士、清华大学化学系李景虹合作,将环境化学大数据与人工智能技术(机器学习)结合,揭示了气候变化(温度升高、二氧化碳浓度等)对海洋浮游植物丰度、生产力的影响,并预测了未来不同RCP情景(典型浓度路径,用来指示未来温室气体排放、污染等情景)对海洋浮游植物生产力的影响,得出减少温室气体的排放及人为污染是维持海洋浮游植物丰度、多样性,以及海洋生物固碳能力的必要措施。相关成果发表在国际学术期刊《自然·气候变化》上。

发展海洋碳汇、提升海洋碳汇能力是助力我国实现碳达峰碳中和目标的重要工作。今年8月,科技部等九部门联合印发了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》,明确提出了与海洋生物碳汇密切相关的蓝色碳汇等负碳技术能力提升行动。

“在海洋中,浮游植物可以通过光合作用固碳、储碳,从而降低大气中的二氧化碳浓度,调节全球气候变暖。”胡献刚介绍,海洋环境化学(温度、二氧化碳浓度、营养盐、污染物等)决定了海洋浮游植物的多样性和结构功能,进而通过影响海洋浮游植物的光合作用调控海洋碳汇。

受人类活动及污染物排放的影响,海洋环境化学正在发生剧烈变化,对海洋碳汇能力产生了巨大影响,然而海洋环境化学与浮游生物固碳的量化关系仍然存在认知不足,从而制约了海洋生物碳汇的科学评估及管控措施的制定。

团队研究发现,海洋环境化学因素对浮游植物影响可能存在多种因素(温度、二氧化碳浓度、营养盐、污染物等)的叠加或抵消等作用,利用常规的数理统计模型很难构建二者的复杂关系。

基于此,团队通过挖掘海洋环境化学大数据,利用多种机器学习模型,预测了8种环境化学变量对1500多种海洋浮游生物丰富度、多样性的影响,通过海洋实际监测数据验证了模型的可靠性,并实现了模型在时间、空间上的稳定迁移,识别了海洋环境化学对全球海洋浮游植物响应的敏感性区域及关键制约因素,得出了海洋环境化学条件引起浮游植物多样性剧烈变化的可能临界点,为海洋生物多样性保护和海洋生物碳汇能力提升提供了重要参考。

不过,胡献刚也补充道:“虽然气候条件,比如温度和二氧化碳是影响海洋浮游植物环境效应的关键因素,但是其他海洋环境化学因素,比如硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等也不能忽视,其中热带海洋区域受环境化学影响可能更加敏感。人工智能在生态环境大数据分析领域的应用处于起步阶段,我国应该在该领域集中优势人力物力,通过科技创新助力我国碳中和目标的实现