UVP6圖像原位采集系統(tǒng)助力揭示海洋雪形態(tài)對(duì)碳輸出的調(diào)控作用

近日，法國(guó)索邦大學(xué)主導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在安哥拉海盆慢流區(qū)利用搭載UVP6的BGC-Argo浮標(biāo)開(kāi)展了為期一年的連續(xù)觀測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋雪形態(tài)、沉降速度與垂直衰減的原位同步量化，揭示了顆粒物形態(tài)對(duì)生物碳泵效率的關(guān)鍵調(diào)控作用，為改進(jìn)海洋碳循環(huán)模型提供了重要依據(jù)。

研究背景
生物碳泵（BCP）是海洋調(diào)節(jié)全球氣候的核心過(guò)程，通過(guò)將表層光合作用固定的有機(jī)碳向深海輸送，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期碳封存。其中，顆粒物沉降貢獻(xiàn)了約90%的垂直碳通量。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為粒徑是決定沉降速度的主導(dǎo)因素，但近年來(lái)離體實(shí)驗(yàn)和理論分析指出，顆粒形態(tài)（孔隙度、密實(shí)度、幾何形狀）同樣重要，甚至可能超越粒徑的影響。然而，由于原位觀測(cè)技術(shù)限制，自然海洋雪形態(tài)與其沉降行為之間的關(guān)系長(zhǎng)期缺乏系統(tǒng)量化。此外，海洋中層（100-1000 m）碳供給與代謝需求失衡、碳通量衰減機(jī)制不明等問(wèn)題，也亟需高分辨率原位觀測(cè)數(shù)據(jù)予以破解。

“UVP6水下顆粒物和浮游動(dòng)物圖像原位采集系統(tǒng)”與生物地球化學(xué)Argo浮標(biāo)的結(jié)合，為解析上述難題提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

研究過(guò)程
2021年5月至2022年4月，科研團(tuán)隊(duì)在安哥拉海盆慢流區(qū)（圖1）部署搭載UVP6的BGC-Argo浮標(biāo)（WMO 6903096），以每3天一次的頻率完成0-1000 m剖面觀測(cè)，直至浮標(biāo)回收，獲取覆蓋完整年周期的高分辨率數(shù)據(jù)集。

UVP6（圖2）作為核心觀測(cè)模塊，能夠原位采集100 μm至數(shù)毫米的顆粒物圖像，并精準(zhǔn)提取了27項(xiàng)顆粒物的關(guān)鍵形態(tài)特征（面積、周長(zhǎng)、灰度、圓度等）�；�于這些特征，通過(guò)多種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將海洋雪劃分為四種形態(tài)類型——絮狀物（多孔蓬松）、聚集體（致密大顆粒）、絲狀物（細(xì)長(zhǎng)，可能含藍(lán)藻）和球狀物（小而圓，可能為糞球），并估算各類型海洋雪的沉降速度和衰減指數(shù)。浮標(biāo)同時(shí)搭載多種傳感器，結(jié)合衛(wèi)星遙感和拉格朗日診斷分析輸出事件的水動(dòng)力背景。
 

 圖1 BGC-Argo浮標(biāo)在安哥拉地區(qū)的部署位置及一年漂移軌跡，實(shí)心圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)六次輸出事件

 

圖2 UVP6水下顆粒物和浮游動(dòng)物圖像原位采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

UVP6數(shù)據(jù)顯示研究期間識(shí)別出7次表層海洋雪輸出事件（圖3，圖4），其中6次形成向深層的輸出羽流。前五次事件以球狀物和絲狀物為主，這與上升流驅(qū)動(dòng)的浮游植物水華相關(guān)；最后一次事件以聚集體為主，可能與剛果河海岸輸入有關(guān)。

 圖3 垂直分層的宏觀顆粒物濃度時(shí)間序列，灰色陰影標(biāo)記六次輸出事件

  
圖4 宏觀顆粒物通量的深度-時(shí)間分布，紅色豎線分隔六次事件

UVP6獲取的高分辨率圖像經(jīng)分類后，成功識(shí)別出四種具有明確形態(tài)差異的海洋雪類型（圖5）：絮狀物、聚集體、絲狀物和球狀物。

在相同粒徑范圍（1.02-1.29 mm）內(nèi)，球狀物和聚集體沉降最快（46±24 m/d和35±9 m/d），絮狀物和絲狀物較慢（16±4 m/d和18±6 m/d）。所有顆粒（>100 μm）沉降速度隨粒徑增大而增加（10-150 m/d），但同一粒徑下不同形態(tài)差異顯著（圖6），證實(shí)形態(tài)對(duì)沉降速度的獨(dú)立控制作用。本研究估算的原位沉降速度顯著低于離體實(shí)驗(yàn)，表明傳統(tǒng)方法可能高估真實(shí)沉降速率。
 

 圖5（a）四種形態(tài)海洋雪類型示例（絮狀物、聚集體、絲狀物、球狀物）；（b）各形態(tài)的平均形態(tài)特征（周長(zhǎng)、圓度、灰度）

圖6 不同形態(tài)海洋雪的沉降速度與粒徑關(guān)系

球狀物衰減最弱（b=0.27±0.23），聚集體居中（b=0.88±0.3），絮狀物和絲狀物衰減最強(qiáng)（b≈1.8）。隨深度增加，絮狀物和絲狀物比例下降，球狀物比例上升，表明密實(shí)顆粒更易輸送到深層。衰減主要發(fā)生在表層200 m內(nèi)，與微生物降解和浮游動(dòng)物攝食有關(guān)。

圖7 不同形態(tài)海洋雪的衰減指數(shù)與粒徑關(guān)系

典型冗余分析顯示，溫度、溶解氧、密度等環(huán)境變量與顆粒形態(tài)組成顯著相關(guān)（圖8），上升流驅(qū)動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入和物理水團(tuán)結(jié)構(gòu)共同調(diào)控顆粒物生產(chǎn)與輸出過(guò)程。

圖8 環(huán)境變量與四種形態(tài)海洋雪的關(guān)系

研究結(jié)論
本研究揭示了海洋雪形態(tài)在驅(qū)動(dòng)碳輸出中的核心作用，為改進(jìn)生物碳泵模型、評(píng)估海洋碳封存潛力提供了新的觀測(cè)依據(jù)和方法學(xué)支撐。未來(lái)結(jié)合多平臺(tái)自主觀測(cè)設(shè)備協(xié)同部署，UVP6將為完善全球氣候模型碳循環(huán)參數(shù)化方案、精準(zhǔn)評(píng)估海洋碳匯潛力提供堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
 
參考文獻(xiàn)
1.Soviadan Y D, Beck M, Habib J, et al. Marine snow morphology drives sinking and attenuation in the ocean interior[J]. Biogeosciences, 2025, 22(14): 3485-3502.