UVP6助力揭示海洋雪形态调控碳输出机制

近期，法国索邦大学主导的科研团队，将UVP6搭载于BGCArgo浮标，在南纬050°开展跨海区周年性原位观测，探究海洋雪形态对颗粒归宿及生物碳泵输出效率的调控机制，厘清海洋雪地理、季节及垂直变化规律，为海洋生物地球化学模型参数优化提供了关键观测依据。

研究背景

海洋生物碳泵（Biological Carbon Pump，BCP）是海洋调节全球气候的核心机制，将表层浮游植物固定的有机碳以沉降颗粒输送至深海，实现长期碳封存。海洋雪（粒径＞500 μm）是颗粒有机碳垂直输出的主要载体，其沉降、降解与转化过程直接调控海-气之间的CO₂交换。过往研究多以颗粒粒径解释海洋雪沉降行为，而颗粒形状、密实度、孔隙、透明度等形态属性对沉降速率和通量衰减的调控作用，仍缺少大尺度原位观测证据。

海洋雪形态呈现连续变化的颗粒谱，因此难以实现天然的离散分类。与此同时，针对大洋中层（100-1000 m）碳通量衰减的主控机制，学界也仍存有争议。受限于观测手段，传统沉积物捕获器不仅难以捕捉海洋雪的瞬时输出事件，也无法获取颗粒形态相关信息。在此背景下，UVP6水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统与BGC-Argo浮标实现耦合，能够完成大洋无人值守的原位成像采样，从而为破解上述一系列科学难题提供了关键技术途径。

研究过程

2020-2023 年，研究团队投放4台搭载UVP6-LP的BGC-Argo浮标，覆盖赤道、安哥拉、本格拉、塔斯马尼亚4个海区，涵盖寡营养、上升流富营养生态系统。浮标完成0-1000 m周期性垂直剖面，获取周年颗粒图像数据集。

UVP6作为核心观测模块，能够原位采集100 μm至数毫米的颗粒物图像，并自动提取面积、圆度、灰度等多项形态参数。同时，其自带的EcoTaxa浮游生物大数据共享平台自动识别浮游生物，获得桡足类、根足虫、束毛藻等群落信息。后续采用无监督聚类将海洋雪分为5个父类：flake（片状）、fluffy（蓬松状）、agglomerated（聚集状）、dark（暗色状）、elongated（细长状），进一步细分为17个子类形态（图1）。浮标同步采集环境参数，并结合卫星数据开展后续研究。

图1 浮标部署位置（Equator赤道、Angola安哥拉、Benguela本格拉、Tasmania塔斯马尼亚）、海洋雪形态示例（最右侧）及各站点浮游生物丰度（左下角表格）

图2 UVP6水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统

实验结果

1. 纬度季节共同驱动海洋雪形态分异

低纬度表层常年以蓬松、片状海洋雪为主（图1），季节变化微弱；高纬度塔斯马尼亚春夏细长型颗粒占比升高，冬季暗色颗粒占优。群落上，低纬度以根足虫、束毛藻为主，高纬度桡足类、磷虾占优势。拉格朗日叶绿素分析表明，海洋雪形成需要数天至数周的凝聚聚集过程。

2.混合层底部普遍发生颗粒形态转换

蓬松、片状、细长颗粒在生物混合层深度之下丰度急剧下降；暗色、聚集状颗粒在100‑400 m深度维持甚至增加（图3）。该“透明向不透明颗粒转变"主要由混合层底部浮游动物摄食排泄驱动，浮游动物充当“守门员"改造颗粒，该机制跨纬度普适。

图3 五类海洋雪0-1000 m时间-深度热力图；红线：生物混合层MLD_bio；白虚线：30 m/d理论沉降；颜色代表颗粒浓度（part/m³）

3.海洋雪形态主导碳转移效率（TE）

以像素灰度积分的“平面面积浓度（PAC）"为生物量代理，计算不同形态海洋雪转移效率。片状、细长型TE＜5%；聚集状TE＜20%；暗色颗粒TE可达20%-80%。同一形态在不同纬度效率差异很小，证明形态比纬度环境对碳转移效率的控制作用更强。沉降羽流偏移特征同样证实暗色致密颗粒沉降更快。

图4 各类型颗粒碳转移效率散点图；横坐标：颗粒类型（17类细分海洋雪、MiP显微颗粒、MaP宏观颗粒、PAC平面面积浓度）；纵坐标：转移效率比值

4.环境-生物共同调控表层颗粒

RDA冗余分析表明，表层海洋雪形态受温盐、表观耗氧量调控，总解释度44%；环境单独解释18%，浮游生物单独解释8%，二者交互贡献26%。片状、蓬松、聚集颗粒与暖水环境、根足虫丰度正相关；细长颗粒与高纬冷水、桡足类丰度正相关。中层解释度下降，但高纬度夏季输出脉冲仍可穿透中层。

图5 混合层RDA冗余分析排序图。红色箭头代表17种细分海洋雪形态M1-M17；蓝色箭头为环境因子与浮游生物类群；符号颜色区分4个海区；符号大小区分冬夏季节

研究结论

研究证明，即便海洋雪形态呈连续谱，依托UVP6原位成像依然可以划分出具备生态与生物地球化学意义的形态类群；颗粒大小、密度、形状是决定海洋雪大洋归宿的三大核心属性，有限的形态分类即可满足需求。

UVP6与BGC-Argo浮标耦合，实现开阔大洋大纬度跨度、长时序的海洋雪形态原位观测。将形态信息纳入生物碳泵模型，有助于改善颗粒沉降与通量衰减的模拟效果，为评估全球海洋碳封存潜力提供数据支撑。未来通过多平台组网观测，UVP6将进一步推动全球尺度海洋雪动态过程的研究。

参考文献

1.Stemmann L, Nocera A, Arlaud M, et al. The role of morphology in setting the fate of marine snow in the open ocean [Preprint]. 2026, DOI:10.21203/rs.3.rs9280596/v1