UVP6助力揭示海洋雪形态对碳输出的调控作用

近日，法国索邦大学主导的科研团队在安哥拉海盆慢流区利用搭载UVP6的BGC-Argo浮标开展了为期一年的连续观测，首次实现对海洋雪形态、沉降速度与垂直衰减的原位同步量化，揭示了颗粒物形态对生物碳泵效率的关键调控作用，为改进海洋碳循环模型提供了重要依据。

生物碳泵（BCP）是海洋调节全球气候的核心过程，通过将表层光合作用固定的有机碳向深海输送，实现长期碳封存。其中，颗粒物沉降贡献了约90%的垂直碳通量。传统观点认为粒径是决定沉降速度的主导因素，但近年来离体实验和理论分析指出，颗粒形态（孔隙度、密实度、几何形状）同样重要，甚至可能超越粒径的影响。然而，由于原位观测技术限制，自然海洋雪形态与其沉降行为之间的关系长期缺乏系统量化。此外，海洋中层（100-1000 m）碳供给与代谢需求失衡、碳通量衰减机制不明等问题，也亟需高分辨率原位观测数据予以破解。

“UVP6水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统”与生物地球化学Argo浮标的结合，为解析上述难题提供了关键技术支撑。

2021年5月至2022年4月，科研团队在安哥拉海盆慢流区（图1）部署搭载UVP6的BGC-Argo浮标（WMO 6903096），以每3天一次的频率完成0-1000 m剖面观测，直至浮标回收，获取覆盖完整年周期的高分辨率数据集。

UVP6（图2）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，并精准提取了27项颗粒物的关键形态特征（面积、周长、灰度、圆度等）。基于这些特征，通过多种统计学方法，将海洋雪划分为四种形态类型——絮状物（多孔蓬松）、聚集体（致密大颗粒）、丝状物（细长，可能含蓝藻）和球状物（小而圆，可能为粪球），并估算各类型海洋雪的沉降速度和衰减指数。浮标同时搭载多种传感器，结合卫星遥感和拉格朗日诊断分析输出事件的水动力背景。

图1 BGC-Argo浮标在安哥拉地区的部署位置及一年漂移轨迹，实心圆点对应六次输出事件

图2 UVP6水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统

1. 识别六次间歇性输出事件：

UVP6数据显示研究期间识别出7次表层海洋雪输出事件（图3，图4），其中6次形成向深层的输出羽流。前五次事件以球状物和丝状物为主，这与上升流驱动的浮游植物水华相关；最后一次事件以聚集体为主，可能与刚果河海岸输入有关。

图3 垂直分层的宏观颗粒物浓度时间序列，灰色阴影标记六次输出事件

图4 宏观颗粒物通量的深度-时间分布，红色竖线分隔六次事件

2. 发现四种海洋雪形态，证实形态对沉降速度的调控作用：

UVP6获取的高分辨率图像经分类后，成功识别出四种具有明确形态差异的海洋雪类型（图5）：絮状物、聚集体、丝状物和球状物。

在相同粒径范围（1.02-1.29 mm）内，球状物和聚集体沉降最快（46±24 m/d和35±9 m/d），絮状物和丝状物较慢（16±4 m/d和18±6 m/d）。所有颗粒（>100 μm）沉降速度随粒径增大而增加（10-150 m/d），但同一粒径下不同形态差异显著（图6），证实形态对沉降速度的独立控制作用。本研究估算的原位沉降速度显著低于离体实验，表明传统方法可能高估真实沉降速率。

图5（a）四种形态海洋雪类型示例（絮状物、聚集体、丝状物、球状物）；（b）各形态的平均形态特征（周长、圆度、灰度）

图6 不同形态海洋雪的沉降速度与粒径关系

3. 揭示形态驱动的衰减差异（图7）：

球状物衰减最弱（b=0.27±0.23），聚集体居中（b=0.88±0.3），絮状物和丝状物衰减最强（b≈1.8）。随深度增加，絮状物和丝状物比例下降，球状物比例上升，表明密实颗粒更易输送到深层。衰减主要发生在表层200 m内，与微生物降解和浮游动物摄食有关。

图7 不同形态海洋雪的衰减指数与粒径关系

4. 环境因子调控作用：

典型冗余分析显示，温度、溶解氧、密度等环境变量与颗粒形态组成显著相关（图8），上升流驱动的营养盐输入和物理水团结构共同调控颗粒物生产与输出过程。

图8 环境变量与四种形态海洋雪的关系

本研究揭示了海洋雪形态在驱动碳输出中的核心作用，为改进生物碳泵模型、评估海洋碳封存潜力提供了新的观测依据和方法学支撑。未来结合多平台自主观测设备协同部署，UVP6将为完善全球气候模型碳循环参数化方案、精准评估海洋碳汇潜力提供坚实数据基础。

参考文献

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.

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