**章 科学展望 An Outlook on Science
　　1.1陆地生态系统在碳中和中的潜力展望
　　郝天象徐丽于贵瑞
　　(中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室）
　　气候变化是人类正面临的严峻挑战之一[1]。目前，全球变暖趋势仍在持续，我国 是全球气候变化的敏感区。1951？2021年，中国升温速率（0.26°C/10a)高于同期 全球平均水平（0.15°C/10 a)[2]。积极应对气候变化已然成为全球共识，《巴黎协定》 提出了把全球平均气温较工业化前水平的升温控制在2°C以内，并努力实现升温在 1.5°C以内的目标，形成了 2020年后全球气候治理总体格局[3]。二氧化碳（C02)是 大气中*重要的温室气体，约占全球人为温室气体净排放总量的3/4，其中以化石燃 料及工业过程C02排放为主，占净排放总量的近2/3[4，5]。美国国家海洋与大气管理 局（NOAA)全球监测实验室（Global Monitoring Laboratory， GML)监测数据①显 示，1959？2022年，夏威夷冒纳罗亚（MamiaLoa)大气基线观测站大气中C02浓度 持续攀升。2021年全球C02平均浓度达到415. 7 ppm？的历史新高；2020？2021年， C02浓度增速高于过去10年的平均年增长率M。国际社会必须在2025年前实现碳达 峰[7]，2050年前实现碳中和，才有可能实现《巴黎协定》的气候治理目标（将21世 纪全球平均气温上升幅度控制在2°C以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期水 平之上1.5°0以内)《2020年9月22日，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，国家主席习近平代 表我国向世界做出庄严承诺：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策 和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中 和。”[8]实现碳达峰碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局做 出的重大战略决策，是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革[9a°]。我国“双碳”行 动具有重大战略意义，是应对世界百年未有之大变局、推动中华民族伟大复兴的宏伟 举措，是促进科技进步与绿色转型发展、催生新型生态经济、推进生态文明建设的宏 观战略。
　　据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC)定义，碳中和是指化石燃料燃烧、 工业过程、农业及土地利用活动排放等人为活动导致的碳排放量与通过人为措施产生 的生态系统碳吸收量和通过碳捕集、利用与封存（CCUS)等各种技术产生的碳吸收 量之间的平衡[11]。尽管能源活动与工业活动是碳排放的主要来源，能源转型和工业减 排是实现“双碳”目标的关键途径，但在关键性、颠覆性能源技术还没有取得突破之 前，通过人为生态工程建设，巩固和提升生态系统固碳能力，是行之有效、极具规 模、绿色安全、经济合理的技术途径，被认为是实现“双碳”行动的“压舱石”及社 会经济发展的“稳定器”[12]。
　　根据“全球碳计划”发布的《2022年全球碳预算》报告，2012？2021年，陆地 生态系统每年吸收了约29%的全球人为碳排放量[13]。2010？2020年，我国陆地生态 系统的碳汇？为每年10亿？15亿tC02，约占我国人为碳排放量的13%[14]。从《京 都议定书》（1997年）、《哥本哈根协议》（2009年）到《巴黎协定》（2015年），生态 系统碳保护与增汇都被认为是应对气候变化的重要途径。
　　综上所述，陆地生态系统碳汇对实现“双碳”目标、应对气候变化的意义重大。 围绕陆地生态系统碳循环，国内外学者已开展了大量研究，显著提升了对陆地生态系 统碳源汇功能的认识[1517]。但是，由于调査资料、观测手段、碳计量方法与碳循环模 型的局限性，陆地生态系统碳汇功能研究还存在诸多薄弱之处，在陆地生态系统碳收 支、碳储量及其时空格局、固碳增汇技术及其潜力预测等方面仍存在很大的不确定性。 精准评估陆地生态系统碳通量与储量及其时空动态特征，揭示气候变化和人类活动双重 影响下的陆地生态系统碳汇能力变化及其内在机制，构建基于自然生态系统的陆地碳源 汇演变过程与增汇措施，整合分析理论和方法学体系，预测未来陆地生态系统碳汇变化 和各类措施的固碳潜力等，都是未来陆地生态系统碳汇科研工作所面临的重大挑战。
　　一、陆地生态系统碳循环
　　在全球范围内，生物过程是地球系统结构与功能的调控者与塑造者。其中，陆地 生态系统无疑是主要的参与者，控制着地球表层系统中大气圈、水圈、土壤圈、岩石 圈和生物圈之间的能量流动和物质循环。
　　大气中的co2被陆地植物通过光合作用吸收并转化为有机物形态储存在植物中， 形成总初级生产力，其中部分以根系分泌物、植物残体和微生物残体等形式迁移到土壤中。部分光合作用产生的有机碳通过植物自身呼吸作用（自养呼吸，包括地上部呼 吸和根系呼吸）和土壤动物与微生物作用（异养呼吸）以ca形式返回大气；未完全分 解的有机质存留在土壤中，或经过漫长的地质年代形成化石燃料储藏在地下，或在人为 和自然扰动下以ca形式释放到大气。这两条途径共同形成了大气一植物一土壤一大气 的整个陆地生态系统碳循环过程（图1)。从ca吸收和释放过程来看，陆地生态系统碳 汇是指植物通过光合作用吸收大气中的cq，并将其固定在植被和土壤中，从而减少大 气中ca浓度的过程[18];反之，由于人类活动（如土地利用变化、管理措施等）或自 然过程（森林火灾、病虫害等）导致生态系统向大气释放ca的过程则称为碳源。
　　植物光合作用所形成的有机碳，扣除自养呼吸排放的碳，所剩的这部分有机碳 (即净初级生产力），部分以植被的地上生物量（如叶、枝、干）碳库和地下生物量 (根系）碳库的形式蓄积在植物碳库中，主要是以淀粉、可溶性糖等非结构性碳水化 合物和木质素、纤维素、果胶等结构性碳水化合物等有机碳形态存在；部分被动物和 微生物取食用于新陈代谢，在动物碳库中沿着食物链、食物网流动，*终以co2、排 泄物或动物残体等形式进人大气或土壤；部分以凋落物、根系分泌物等有机物质形态 进人土壤，被土壤动物和微生物分解，未完全分解的残体和分解后形成的含碳有机物 储存在土壤有机碳库中。同时，土壤还可以通过无机碳过程直接吸收大气中的 C02[19，2°]。在土壤高pH、富钙化环境下，存在SOC (土壤有机碳，soil organic car-bon)-C02-HC03_体系；在干旱、半干旱地区碱性、富钙化环境下，则为SOC -C02 - HCO3- - CaC03体系。土壤有机质分解释放C02，水解成HCOr和H+，经过 碳酸氢盐的溶解，沉淀形成碳酸盐，产生的H+以及酸沉降等其他外源H+输人，会 使CaC03溶解；而在干旱、C02分压较小和土壤高pH的情况下，产生的H+被土壤 OH_中和，可促进CaC03的形成。相比于土壤有机碳循环研究，以碳酸盐为主的土 壤无机碳循环的定量研究仍较为薄弱，且对土壤有机碳循环与无机碳循环间的周转机 制的认识也并不清楚。
　　二、陆地生态系统碳储量与碳汇能力 (-)国际研究进展
　　陆地生态系统具有巨大的碳库，其碳库增加或减少都可能导致大气ca浓度的显著 变化，进而对全球碳收支平衡产生深刻影响[13]。相比于大气和海洋，陆地生态系统*为 复杂且不确定，主要是由于除了地表存在丰富多样的植被类型外，陆地还包含碳储量巨大 的土壤圈，同时与大气和海洋等其他圈层存在多界面和多种过程的碳交换和碳传输[18]。过 去几十年，国内外学者利用涡度相关通量观测系统、森林/草地资源清査数据、“应对气候 变化的碳收支认证及相关问题”专项调査数据或遥感观测数据等对陆地生态系统固碳速率、 碳繼、碳组分分酿其变化规律开展了大量研究，显著提升了对碳循环的认识[1W7]。
　　2016年，全球陆地生态系统碳储量为12. 74万亿t C02 (3477. 8 Pg C)，其中植 被碳储量（地上部+地下部）为1. 62万亿t C02 (441. 2 Pg C) ， 土壤有机碳储量 (土壤厚度范围为0？2 m)为11.13万亿t C02 C3036. 5 Pg C)[21]。全球陆地生态系 统固碳速率为（125±33)亿tC02/a，约占同期人为活动碳排放量的29. 6%，且过去 60年全球陆地生态系统碳汇量逐渐增大，从20世纪60年代的（一7±33)亿tC02/a (弱碳源）增加至21世纪头十年的（70±40)亿t C02/a[22]。
　　(二）我国陆地生态系统碳储量与碳汇研究
　　据统计，2004？2014年我国陆地生态系统碳储量为3652. 7亿t，其中植被碳储量 为555. 1亿t，土壤有机碳储量（土壤厚度范围为0？1 m)为3097. 6亿t，以森林和 草地生态系统为主[14]。
　　中国陆地生态系统碳汇监测研究经历了从基于单个生态站的长期定位研究，到多 站点层次的观测一研究一示范的初步网络化，在中国陆地生态系统碳汇格局研究方面 取得了积极进展。例如，利用不同时期森林清査资料，基于连续生物量换算因子法评 估了我国森林生物量的动态变化，发现我国森林生态系统是个显著的碳汇[23];基于遥
　　

目录
加强科技基础能力建设（代序） 侯建国 i
前言 中国科学院《科学发展报告》课题组 ix
**章科学展望 1
1.1陆地生态系统在碳中和中的潜力展望 郝天象徐丽于贵瑞 3
1.2 21世纪生物医学的三个主要发展趋势 吴家睿 18
第二章科学前沿 35
2.1伽马射线天文学的新时代 曹臻 37
2.2 21世纪物理的“乌云”—“缪子反常磁矩疑难”迎来曙光 李亮 45
2.3蛋白质结构预测：现状和相关问题的未来展望 周耀旗 杨建益 彭珍玲 55
2.4合成生物制造 李寅 65
第三章2021年中国科研代表性成果 75
3.1黎曼流形的极限空间及应用 江文帅 77
3. 2 “慧眼”卫星证认快速射电暴起源于磁星SGR J1935+2154 李承奎 80
3.3 “太极一号”迈出中国空间引力波探测的**步 罗子人张敏胡文瑞等 86
3.4量子计算优越性研究 彭礼超钟翰森王辉等 90
3.5科学家实现超导“分段费米面” 郑浩贾金锋 94
3.6水气变换反应制氢新进展 马丁 97
3.7柔性高分辨X射线成像新技术 陈秋水杨黄浩 100
3.8分子尺度揭示界面水分子结构在电催化反应中的关键作用 李剑锋 104
3.9脊椎动物从水生到陆生演化的遗传创新机制 毕旭鹏张国捷 107
3.10新型冠状病毒RNA加帽过程新机制及核苷类似物对其抑制机制的研究 黄羽岑 闫利明 饶子和等 111
3.11冠状病毒跨种识别的分子机制 齐建勋 王奇慧 刘科芳等 116
3.12提高中晚期鼻咽癌疗效的高效低毒治疗新模式 马骏 120
3.13异源四倍体野生稻快速从头驯化 张静昆 孟祥兵 余泓等 124
3.14鸟类迁徙路线成因和长距离迁徙关键基因 谷中如 林婷婷 詹祥江 127
3.15全脑单神经元多样性研究及信息学大数据平台 刘力娟 刘裕峰 赵苏君等 131
3.16全新世温度演变的几点新认识及其不足 张旭 郝硕 孙宇辰 134
3.17地表物质深循环与原始俯冲在32. 3亿年前出现 王孝磊 王迪 李军勇等 139
3.18气候模式系统性偏差导致未来强厄尔尼诺发生频次被髙估 罗京佳 唐韬 彭珂等 143
3.19 “嫦娥五号”月球样品揭示月球演化奥秘 李献华 杨蔚 胡森等 148
3. 20地球极区电离层上空发现“太空台风” 张清和 152
第四章科技领域与科技战略发展观察 157
4.1基础前沿领域发展观察 黄龙光边文越张超星等 159
4.2生命健康与医药领域发展观察 许丽 王玥 李祯祺等 172
4.3生物科技领域发展观察 丁陈君 陈方 郑颖等 184
4.4农业科技领域发展观察 袁建霞 邢颖 196
4.5生态环境领域发展观察 廖琴 *建升 曾静静等 208
4.6地球科学领域发展观察 郑军卫 刘文浩 张树良等 222
4.7海洋科学领域发展观察 高峰 王金平 魏艳红等 235
4.8空间科学领域发展观察 杨帆 韩淋 王海名等 247
4.9信息科技领域发展观察 唐川 杨况骏瑜 张娟等 259
4.10能源科技领域发展观察 陈伟 岳芳 汤匀等 272
4.11材料制造领域发展观察 万勇 黄健 冯瑞华等 289
4.12重大科技基础设施发展观察 董璐 李宜展 王志强等 300
4.13世界主要国家和组织科技创新战略与体制机制发展观察 叶京 李宏 张秋菊等 313
4.14世界主要国家和组织国际科技合作与竞争态势发展观察 王文君 李宏 刘栋等 322
第五章重要科学奖项巡礼 331
5.1呼唤复杂系统研究，应对自然与社会挑战——2021年度诺贝尔物理学奖评述 陈晓松 333
5.2不对称有机催化——2021年度诺贝尔化学奖评述 余金生 周剑 339
5.3温度及触觉受体的发现及研究——2021年度诺贝尔生理学或医学奖评述 闫致强 346
5.4 2021年度图灵奖获奖者简介 唐川 黄茹 353
5.5 2021年度未来科学大奖获奖者简介 叶京 356
5.6 2022年诺贝尔自然科学奖简介 贾晓琪 王海霞 360
5.7 2022年度菲尔兹奖获奖者简介 赵晶 聂吉冉 365
5.8 2022年度沃尔夫数学奖获奖者简介 赵晶 370
5.9 2022年度图灵奖获奖者简介 黄茹唐川 372
5.10 2022年度泰勒环境成就奖获奖者简介 廖琴 375
5.11 2022年未来科学大奖获奖者简介 贾晓琪 378
第六章中国科学发展建议 383
6.1发展自主、可持续的基础软件技术与产业的建议 中国科学院学部咨询课题组 385
6. 2关于协同水土资源与环境治理保障国家粮食安全的对策建议 中国科学院学部咨询课题组 390
6.3全球化新格局下全方位吸引国际一流科技人才的政策建议 中国科学院学部咨询课题组 395
附录 401
附录一 2021年中国与世界十大科技进展 403
附录二 2021年中国科学院、中国工程院新当选院士名单 413
附录三2021年香山科学会议学术讨论会一览表 419
附录四2021年中国科学院学部“科学与技术前沿论坛”一览表 421
附录五2022年中国与世界十大科技进展 422
附录六2022年香山科学会议学术讨论会一览表 433
附录七2022年中国科学院学部“科学与技术前沿论坛” 一览表 435
CONTENTS
Enhance Basic Scientific and Technological Capacity i
Preface ix
Chapter 1 An Outlook on Science 1
1.1 Perspectives on the Terrestrial Ecosystem in the Context of Carbon Neutralization 17
1.2 Three Main Trends for Biomedicine in 21st Century 33
Chapter 2 Frontiers in Sciences 35
2.1 The New Era of 7-ray Astronomy 44
2.2 A Cloud over the 21st Century Physics ：“Muon Anomalous Magnetic Moment Conundrum” Sees the Dawn 53
2.3 Protein Structure Prediction： Current Status and Future Prospect of Related Problems 64
2.4 Biomanufacturing Driven by Synthetic/Engineered Biosystems 74
Chapter 3 Representative Achievements of Chinese Scientific Research in 2021 75
3.1 Gromov-Hausdorff Limit of Riemannian Manifolds and Applications 79
3.2 HXMT Identification of a Non-thermal X-ray Burst from SGR J1935+2154 84
3.3 Taiji-1 Toward the First Step of Chinese Space-Borne Gravitational Wave Detection Mission 89
3.4 Quantum Computational Advantages 93
3.5 Scientists Release Segmented Fermi Surface 96
3.6 New Progress in H2-Production by Water-Gas Shift (WGS) Reaction 99
3.7 A Next-Generation Technology for Flexible High-Resolution X-ray Imaging 102
3.8 Revealing the Key Role of Interfacial Water Structure in Electrocatalytic Reactions at the Molecular Scale 106
3.9 Genomic Innovations Contribute to the Water to Land Transition of Vertebrates 110
3.10 A Mechanism for SARS-CoV-2 RNA Capping and Its Inhibition by Nucleotide Analogue Inhibitors 115
3.11 Host Range of Corona viruses and Their Structural Basis 119
3.12 A New Therapeutic Strategy with High Efficacy and Low Toxicity to Improve Prognosis of Patients with Nasopharyngeal Carcinoma 122
3.13 A Route to de novo Domestication of Wild Allotetraploid Rice 126
3.14 Formation of Bird Migration Routes and Key Gene for Long Distance Migration 130
3.15 Diversity of Single Neurons at Whole-Brain Scale Is Effectively Studied Using a Big Data Informatics Platform 133
3.16 New Insights of Holocene Temperature Evolution and Their Shortcomings 138
3.17 Onset of Deep Recycling of Supracrustal Materials and Proto-subduction at 3. 23 Billion Years Ago 142
3.18 Over-Projected Pacific Warming and Extreme El Nino Frequency due to CMIP5 Common Biases 146
3.19 Chang’e-5 Lunar Samples Reveal the Mystery of the Evolution of the Moon 151
3.20 Space Hurricanes had been Discovered over the Earth’s Polar Lonosphere 155
Chapter 4 Observations on Development of Science and Technology 157
4.1 Basic Sciences and Frontiers 171
4.2 Life Health and