UVP6-LP助力南大西洋渦旋碳泵研究

近期，法國(guó)索邦大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)借助BGC-Argo浮標(biāo)搭載的UVP6-LP系統(tǒng)（水下顆粒物和浮游動(dòng)物圖像原位采集系統(tǒng)），系統(tǒng)揭示了南大西洋渦旋邊緣區(qū)域海洋雪的異常集中現(xiàn)象及其與中尺度渦旋動(dòng)力學(xué)的耦合機(jī)制。

研究背景

海洋作為地球zui大的碳匯，其生物碳泵（Biological Carbon Pump，BCP）每年吸收約2.3 Pg有機(jī)碳，其中約90%通過海洋雪（>0.5 mm的有機(jī)聚集體）的自然沉降實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)認(rèn)知認(rèn)為，海洋雪主要通過重力沉降緩慢下沉至深海。然而，近年研究發(fā)現(xiàn)，中尺度渦旋及亞中尺度鋒面可通過增強(qiáng)垂直混合過程，形成“粒子注入泵”（Particle Injection Pump，PIP），顯著提升碳的深層封存潛力。

南大西洋西南部的開普盆地因本格拉上升流、厄加勒斯洋流和南大西洋洋流的復(fù)雜相互作用，成為中尺度渦旋活動(dòng)的熱點(diǎn)區(qū)域。本研究運(yùn)用UVP6-LP成像技術(shù)，旨在揭示海洋雪在渦旋邊緣區(qū)的動(dòng)態(tài)行為及其與水動(dòng)力條件的耦合關(guān)系。

研究方法

2021年4月至2022年9月，研究團(tuán)隊(duì)在開普盆地（圖1）利用BGC-Argo浮標(biāo)搭載UVP6-LP系統(tǒng)（法國(guó)HYDROPTIC公司開發(fā)）（圖2），對(duì)0.1-16 mm的水下物體進(jìn)行原位成像，并通過Ecotaxa平臺(tái)將這些物體進(jìn)行分類，進(jìn)而區(qū)分浮游生物與海洋雪顆粒。同時(shí)，儀器自帶的軟件測(cè)量了顆粒大小、形狀、亮度等特征，以對(duì)物體的形態(tài)進(jìn)行分析，此外，還根據(jù)顆粒尺寸和類型估算了有機(jī)碳質(zhì)量。

圖1 浮標(biāo)在東南大西洋整個(gè)部署期間的浮動(dòng)軌跡（2021年4月-2022年9月）

圖2 法國(guó)HYDROPTIC公司水下顆粒物和浮游動(dòng)物圖像原位采集系統(tǒng)UVP6-LP

研究結(jié)果

1.三次深層輸送事件

在17個(gè)月觀測(cè)中，UVP6-LP于渦旋交界區(qū)識(shí)別出3次顯著事件（2021年10月、12月及2022年3月）：

中層顆粒激增：在150-600m深度，大型海洋雪（>0.5 mm）濃度達(dá)背景值2-7倍（圖3）。

圖3 輸出特征區(qū)內(nèi)外MiP POC（微米級(jí)顆粒）與MaP POC（宏觀顆粒）的垂向分布對(duì)比

形態(tài)垂向分層：表層以細(xì)長(zhǎng)顆粒為主（可能為硅藻鏈），而中層以致密聚集體為主（300-600m層占比47%）（圖4d），表明高密度顆粒更易沉入深層。

圖4 基于形態(tài)特征的PCA與K均值聚類結(jié)果；（d）三次事件中不同深度層形態(tài)組比例

2.物理-生物協(xié)同作用（圖5）

碳輸送過程分為三階段：

（1）聚集階段：春季藻華為顆粒形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，渦旋邊緣的水體匯聚促進(jìn)顆粒碰撞結(jié)合。

（2）穿透混合層：致密聚集體依靠自身重量下沉，穿過約100m深的表層混合層。

（3）物理增強(qiáng)輸送：渦旋交界處的強(qiáng)下沉流（亞中尺度過程）將顆粒加速輸送到600m以深，速度超過純重力沉降。

關(guān)鍵證據(jù)：中層顆粒高濃度區(qū)伴隨低表觀氧消耗（AOU）（相關(guān)性r=-0.59），表明水體近期接觸過表層，支持垂向快速輸送理論。

圖5 渦旋邊緣碳輸送機(jī)制示意圖

3. 與傳統(tǒng)機(jī)制的對(duì)比

此前提出的“渦旋泵”僅影響50-100m厚水層，而本研究的鋒面驅(qū)動(dòng)輸送貫穿整水柱，深度與強(qiáng)度顯著更高。

研究結(jié)論

本研究借助BGC-Argo浮標(biāo)搭載的UVP6-LP系統(tǒng)，揭示了南大西洋渦旋邊緣存在高效碳輸送機(jī)制：在渦旋界面強(qiáng)鋒區(qū)，垂直流場(chǎng)與重力沉降協(xié)同作用，顯著提升有機(jī)碳向深海的輸運(yùn)效率。該工作為理解生物泵在復(fù)雜海洋環(huán)流系統(tǒng)中的作用提供了新視角。

UVP6-LP通過高分辨率成像與形態(tài)學(xué)分析證實(shí)：致密聚集體具有快速沉降特性，效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)粒徑模型預(yù)測(cè)值；物理-生物耦合過程（鋒面泵）是深層碳封存的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，該技術(shù)為解析生物泵與物理泵的耦合機(jī)制提供了新證據(jù)。

參考文獻(xiàn)

1. Accardo A, Laxenaire R, Baudena A, et al. Intense and localized export of selected marine snow types at eddy edges in the South Atlantic Ocean[J]. Biogeosciences, 2025, 22(5): 1183-1201.