HYDRO-BIOS沉降物捕集器助力海洋碳通量研究

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德国汉堡大学与莱布尼茨热带海洋研究中心科研团队，依托德国HYDRO-BIOS公司的沉降物捕集器，在本格拉上升流海域进行了十余年的连续观测，系统揭示了浮游动物迁移与底层水氧化还原环境对碳垂向输送和沉积保存的关键调控作用。

海洋“生物碳泵”是将大气二氧化碳转化为颗粒有机碳（POC）并输送至深海的核心过程，对全球碳循环与气候调节至关重要。然而，碳从表层向海底的输送受浮游动物活动、水体含氧量及颗粒物沉降路径等多种因素影响，其通量与最终归宿仍存在较大不确定性。营养盐丰富、生产力高的上升流系统是研究碳输出与保存机制的天然实验室。本格拉上升流系统作为全球四大东边界上升流系统之一，其北部与南部子系统在水团结构、氧含量及生物群落方面差异显著，为探究碳通量调控机制提供了理想的对比场景。

长期以来，直接测定海洋中沉降的颗粒物通量存在技术挑战。沉降物捕集器作为一种能够原位、长期收集水体中沉降颗粒的设备，已成为量化碳垂直通量、解析其组成与动态的关键工具。其中，德国HYDRO-BIOS公司生产的系列沉降物捕集器，凭借其可靠的设计与长期稳定运行能力，在全球海洋生物地球化学循环研究中得到了广泛应用。

研究团队在本格拉上升流系统北部（nBUS）与南部（sBUS）分别布设了长期锚系式沉降物捕集器，持续观测超过十年（2009~2022年）。并在2019~2021年利用16套自由漂浮式沉降物捕集器阵列进行了三个航次的强化观测。 

图1 研究区域表层沉积物中的POC浓度空间分布。黄色星号表示自由漂浮式沉降物捕集器阵列投放站位；红色菱形表示长期锚系站位

长期锚系式沉降物捕集器：采用德国HYDRO-BIOS公司多通道沉降物捕集器MST12（图2）。该设备配备12个独立样品瓶，可按预设程序（9~40天间隔）自动旋转，实现对不同时间段颗粒物的连续收集。捕集器布放在近海底约64m和100m水深处，长期监测该层的颗粒物沉降通量。

自由漂浮式沉降物捕集器阵列：使用HYDRO-BIOS公司Saarso单通道沉降物捕集器（图3），每套自由漂浮式沉降物捕集器阵列搭载4~7个捕集器，布放深度从50m至500m不等。配备浮力单元与GPS定位系统，便于追踪和回收。

两种沉降物捕集器的沉降筒直径与长度比例均为1：4，该设计能最大程度的防止已经收集到的沉降物被海流冲出来，确保样品的准确性和代表性。

图2 多通道沉降物捕集器MST12

图3 单通道沉降物捕集器

所有样品瓶在布放前经HgCl?和浓盐水预处理以抑制微生物降解。回收后，样品经1mm筛网分离，大于1mm部分认定为游泳生物，小于1mm部分认定为被动沉降颗粒。通过过滤、干燥及元素分析，分别计算出“主动POC通量”（生物活体贡献）和“被动POC通量”（颗粒沉降贡献）。

1.浮游动物的关键作用：研究首次在本格拉系统量化了不同类群浮游动物对碳通量的直接贡献。结果表明，桡足类在主动碳输送中占主导地位（在nBUS和sBUS分别贡献约55.7%和46.2%的主动POC通量）。总体而言，南部子系统的主动POC通量是北部的近3倍，尤其在表层100m内差异显著。

图4 不同浮游动物类群在主动POC通量中所占的平均比例

Amph–端足类，Cope–桡足类，Deca–十足类，Euph–磷虾类，Ostr–介形类，Ptero–翼足类，Fish–鱼类幼体，Gela–胶质类生物，Zoo–未进一步鉴定的浮游动物 

2.被动通量的衰减规律：尽管两地生物活动强度不同，但测得的被动POC通量却非常接近。该通量随水深增加而衰减的趋势（图5），符合经典的Martin通量衰减模型。通过拟合数据，得到了适用于本格拉海区的衰减参数，证实了即便在动态的上升流区，颗粒碳的平均输出行为仍具有可预测的系统性规律。

图5 观测到的POC通量随水深变化的散点图，并叠加拟合了不同衰减系数（b值）的Martin曲线 

3.氧气对碳保存的决定性影响：研究发现，尽管两地的碳输出通量相似，但北部子系统沉积物表面的POC浓度远高于南部（图1），形成了显著的“富碳泥带”。这与北部更强烈、更持久的近底层缺氧区直接相关（图6）。低氧环境显著减缓了微生物对沉降有机碳的降解速率，从而极大地提升了碳在沉积物中的埋藏与保存效率。

 图6 nBUS和sBUS子系统示意图

绿色箭头及其大小表征主动输送路径；黑色曲线表示基于Martin曲线的被动POC通量；红色与蓝色箭头指示上升流源水团的贡献及输入路径；深棕色区域代表北部子系统存在的富POC泥带，该特征在南部子系统中缺失

这项结合长期锚系与短期漂浮观测的综合研究，清晰揭示了海洋碳泵在本格拉上升流系统中的运作细节：浮游动物（尤以桡足类为主）是碳主动输送的关键载体；被动碳通量符合物理衰减规律，受生产力和水深控制；底层水低氧环境是促进碳在沉积物中长期保存的决定性因素。

研究印证了HYDRO-BIOS沉降物捕集器在精确量化碳通量、解析碳泵过程方面的关键作用，为理解海洋碳汇机制及气候响应提供了坚实数据基础。

参考文献

1.Meiritz,L.C.,Rixen,T.,van der Plas,A.K.,Lamont,T.,and Lahajnar,N.:The influence of zooplankton and oxygen on the particulate organic carbon flux in the benguela Upwelling System,Biogeosciences,21,5261-5276,http://doi.org/10.5194/bg-21-5261-2024,2024.

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