圖像原位采集系統UVP6-LP助力南大西洋渦旋碳泵研究

近期，法國索邦大學科研團隊借助BGC-Argo浮標搭載的UVP6-LP系統（水下顆粒物和浮游動物圖像原位采集系統），系統揭示了南大西洋渦旋邊緣區域海洋雪的異常集中現象及其與中尺度渦旋動力學的耦合機制。

研究背景
海洋作為地球最大的碳匯，其生物碳泵（Biological Carbon Pump，BCP）每年吸收約2.3 Pg有機碳，其中約90%通過海洋雪（>0.5 mm的有機聚集體）的自然沉降實現。傳統認知認為，海洋雪主要通過重力沉降緩慢下沉至深海。然而，近年研究發現，中尺度渦旋及亞中尺度鋒面可通過增強垂直混合過程，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雜相互作用，成為中尺度渦旋活動的熱點區域。本研究運用UVP6-LP成像技術，旨在揭示海洋雪在渦旋邊緣區的動態行為及其與水動力條件的耦合關系。

研究方法
2021年4月至2022年9月，研究團隊在開普盆地（圖1）利用BGC-Argo浮標搭載UVP6-LP系統（法國HYDROPTIC公司開發）（圖2），對0.1-16 mm的水下物體進行原位成像，并通過Ecotaxa平臺將這些物體進行分類，進而區分浮游生物與海洋雪顆粒。同時，儀器自帶的軟件測量了顆粒大小、形狀、亮度等特征，以對物體的形態進行分析，此外，還根據顆粒尺寸和類型估算了有機碳質量。

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

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

研究結果

1.三次深層輸送事件
在17個月觀測中，UVP6-LP于渦旋交界區識別出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）濃度達背景值2-7倍（圖3）。

圖3 輸出特征區內外MiP POC（微米級顆粒）與MaP POC（宏觀顆粒）的垂向分布對比

形態垂向分層：表層以細長顆粒為主（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 基于形態特征的PCA與K均值聚類結果；（d）三次事件中不同深度層形態組比例

2.物理-生物協同作用（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基礎，渦旋邊緣的水體匯聚促進顆粒碰撞結合。
（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）物理增強輸送：渦旋交界處的強下沉流（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。

關鍵證據：中層顆粒高濃度區伴隨低表觀氧消耗（AOU）（相關性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 渦旋邊緣碳輸送機制示意圖

3. 與傳統機制的對比
此前提出的“渦旋泵”僅影響50-100m厚水層，而本研究的鋒面驅動輸送貫穿整水柱，深度與強度顯著更高。

研究結論
本研究借助BGC-Argo浮標搭載的UVP6-LP系統，揭示了南大西洋渦旋邊緣存在高效碳輸送機制：在渦旋界面強鋒區，垂直流場與重力沉降協同作用，顯著提升有機碳向深海的輸運效率。該工作為理解生物泵在復雜海洋環流系統中的作用提供了新視角。

UVP6-LP通過高分辨率成像與形態學分析首次證實：致密聚集體具有快速沉降特性，效率遠超傳統粒徑模型預測值；物理-生物耦合過程（鋒面泵）是深層碳封存的關鍵驅動力，該技術為解析生物泵與物理泵的耦合機制提供了新證據。

參考文獻
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.