船运排放铁、铜、镉、锌、钒对海洋初级生产力的影响

Shipping plays a crucial role in the global trade and economic globalization. Due to rapid increases in shipping emissions, there are emerging concerns on its impact on the marine ecosystems. Despite limited in-lab studies on the effects of nutritional and toxical elements on phytoplankton, the regional impacts of shipping emissions on the marine ecosystems are poorly understood with debates. Our project aims to study the influence of atmospheric emissions, transport and deposition of Fe, Cu, Cd, Zn and V from shipping on the marine ecosystems using an Earth System model. We will improve the existing shipping emission inventory by updating the emission factors for Fe, Cu, Cd, Zn and V and reducing the uncertainty in emissions. Subsequently, we will simulate the spatial-temporal distributions of atmospheric deposition, chlorophyll a and chemical substances in the seawater and compare the modeled concentrations with satellite and in-situ measurements. Finally, we will evaluate the impact of shipping emissions on the marine ecosystems by analyzing chlorophyll a concentrations, phytoplankton biomass and primary production in the oceans.

船运在全球贸易和经济一体化中具有不可替代的作用，了解船运对海洋环境的影响已成为基础科学研究的重大需求。过去关于船运排放对海洋浮游植物影响的研究多处于实验室水平，缺乏区域和全球尺度的模拟研究，船运排放到大气中的营养和毒性元素沉降到海洋对初级生产力的影响已有报道，但其影响强度和长期效应缺乏评估且存在争议。本项目拟使用地球系统模型，选择铁、铜、镉、锌、钒五种代表性金属元素，评估船运排放营养和毒性元素对海洋初级生产力的影响。本项目为改进已有船运排放清单，将更新铁、铜、镉、锌、钒船舶发动机排放因子，降低排放不确定性，提高排放清单时空分辨率，使用大气化学传输模型与海洋模型相耦合的地球系统模型，模拟大气沉降、海水盐离子浓度、表层叶绿素含量、浮游植物生物量及海洋初级生产力，并将模拟结果与水色卫星和海洋观测进行比较，评估船运排放营养和毒性元素对海洋初级生产力的影响。

船运是全球贸易不可或缺的运输工具。随着全球船运规模的增加，全球和区域的船舶数量、长度以及总吨位数都在日益增长，船运过程中由于燃油排放的各类污染物总量也在快速增长，航运对全球生态环境造成了无法忽视的影响，其主要包括：第一，船运排放的CO2是导致全球气候变化和温度升高的主要温室气体，妨碍了《巴黎协定》关于升温限制的温室气体减排计划；第二，船运排放的气态污染物NOx等和颗粒态污染物PM2.5等会导致区域空气质量的下降，从而增加呼吸系统和心血管疾病发生的概率，但这些影响主要局限于沿海地区；第三，船舶排放的PM组分包括Fe、N、P、Cu等元素会进入海洋生态系统，进一步对全球碳循环产生影响。为了对船运排放进行控制，需要获取一个实时、高分辨、自下而上的航运排放清单，其中包含详细的部门信息，以减少估算环境影响时的误差。目前，国内外在高分辨船运排放清单的研究上已取得相关进展，但船舶静态数据的缺失和排放因子测试工作的有限性导致目前的全球高分辨船运排放清单存在较大的不确定性。基于以上问题，本项目首先对船运排放清单建立过程中所需的静态数据和排放因子补充进行介绍，并基于补充的排放因子数据，结合高分辨率AIS数据，建立了全球船运过程中由于燃油排放CO2、NOx、Fe、Cu、Cd、Zn、V和P的排放清单，系统分析了船运不同污染物的排放特征，基于排放清单评估了补充静态数据和补充排放因子对船运排放清单结果的影响，最后，在高分辨排放清单的基础上，探讨了船运排放的责任分配与碳减排的潜在贡献。本项目结果可为全球船运排放的未来模式研究和政策制定提供了一定的数据支撑。