UVP浮游动物图像原位采集系统助力海脊上升流生物碳泵增强效应研究
近期，中国科学院海洋研究所研究团队通过对热带西北太平洋经向断面调查，对比研究了暖涡（WE）、冷涡（CE）和九州-帕劳海脊（KPR）区域的初级生产力、颗粒物动态及碳输出过程。借助水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统（UVP）等设备，发现KPR区域上升流有更高营养盐输入，输出效率显著高于其他区域，揭示了海脊上升流对寡营养海域生物碳泵的强化作用。
研究背景
生物碳泵（BCP）通过将表层有机碳输送至深海，在调节大气CO2浓度中起关键作用。然而，海底地形（如洋中脊）对BCP的影响尚未被充分研究。热带西北太平洋作为典型寡营养海域，传统上被认为BCP效率较低，但九州-帕劳海脊（KPR）作为该区域的显著地形特征，已被证实通过内潮混合驱动深层上升流。此前研究多关注中尺度涡旋对碳循环的影响，而海脊地形诱导上升流对生物碳泵的调控机制仍属未知。本研究通过比较海脊与涡旋系统对碳输出过程的影响差异，为理解寡营养海域碳封存机制提供新视角。
传统对颗粒有机碳通量的研究主要依赖沉降物捕集器，该方法虽能直接测量沉降通量，但受限于投放时间分辨率低（通常数天至数周），难以捕捉短时程变化，且成本高昂、操作复杂，难以实现大范围空间覆盖。
法国HYDROPTIC公司的UVP水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统解决了这一难题。UVP是一种高分辨率水下成像系统，主要用于在已知水体下对水中的大型颗粒物（>100 μm）进行量化，同时能够记录大型颗粒物和浮游动物（>700 μm）的水下原位图片。UVP工作深度可达6000 m，具有高度灵活性，为解析海脊等复杂地形对生物碳泵的影响提供了有力的技术支撑。
传统对颗粒有机碳通量的研究主要依赖沉降物捕集器，该方法虽能直接测量沉降通量，但受限于投放时间分辨率低（通常数天至数周），难以捕捉短时程变化，且成本高昂、操作复杂，难以实现大范围空间覆盖。
法国HYDROPTIC公司的UVP水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统解决了这一难题。UVP是一种高分辨率水下成像系统，主要用于在已知水体下对水中的大型颗粒物（>100 μm）进行量化，同时能够记录大型颗粒物和浮游动物（>700 μm）的水下原位图片。UVP工作深度可达6000 m，具有高度灵活性，为解析海脊等复杂地形对生物碳泵的影响提供了有力的技术支撑。
研究过程
2015年12月，研究团队搭载“科学”号考察船在热带西北太平洋沿西北-东南断面开展调查，共设置9个站位，跨越暖涡（WE，站D1）、背景区（BR，站D3-D5）、冷涡（CE，站D7-D9）和九州-帕劳海脊区（KPR，站D11、D12）四个区域。在每个站位，UVP搭载于CTD采水器布放至2000 m，获取水下颗粒物的垂直剖面数据。此后利用UVP获取的粒径谱数据，结合统计模型估算150 m、1000 m和2000 m三个深度的颗粒有机碳（POC）通量，并以150 m处POC通量与真光层初级生产力的比值计算碳输出效率（e-ratio）。
图1. 水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统（UVP6，最新型号）
实验结果
1.KPR区域营养盐和初级生产力较高
KPR和冷涡区域均观测到温跃层和营养盐的明显抬升，但KPR上升流携带的营养盐浓度更高。上层200 m营养盐积分结果显示，KPR区域的溶解无机氮、磷酸盐和硅酸盐均显著高于其他区域（图2）。KPR区域初级生产力达142.05 mg C m-2 d-1，是BR背景区的4倍，叶绿素a积分浓度（22.1 mg m-2）也明显高于冷涡区（19.84 mg m-2）和背景区（17.96 mg m-2）。
图2. 营养盐浓度的横断面分布与研究区域200 m以上深度综合营养盐清单
2.KPR区域颗粒物体积浓度和大型颗粒占比最高
KPR区域上层200 m颗粒物体积浓度最高，冷涡区次之，暖涡和背景区最低（图3）。尤为显著的是，KPR区域大颗粒（ESD ≥ 500 μm）在全水柱中的占比均明显高于其他站位，D12站大型颗粒占总颗粒物体积的48%，其他站位通常低于20%。KPR区域浮游动物丰度（0.32 ind L-1）在上层150 m也明显高于其他站位（<0.15 ind L-1）。
图3. 沿样带不同深度层PVC和相应水柱清单的剖面分布图
3.KPR区域POC通量全水柱显著增强
KPR区域在200 m、1000 m和2000 m的POC通量分别为9.04±6.74、5.52±0.10和3.09±1.96 mg C m-2d-1，分别是冷涡区的2.8至5.7倍，是背景区的5.9至11.4倍。站D12在25 m处POC通量达62 mg C m-2d-1，在2000 m仍保持5.04 mg C m-2d-1，显著高于其他站位（图4）。
图4. POC通量沿样带不同深度层的剖面分布图
4.KPR区域碳输出效率最高
KPR区域碳输出效率（e-ratio）在D12站达10%，显著高于冷涡、暖涡和背景区。相关性分析表明，真光层POC通量与颗粒物体积浓度、浮游动物丰度和大型颗粒占比呈显著正相关，与水深和小颗粒占比呈显著负相关（图5）。海脊诱导上升流通过促进浮游植物聚集和浮游动物包装作用，增加了大型颗粒物的比例，从而增强了全水柱的碳输出。
图5. POC通量与环境和生物之间的皮尔逊相关系数（R）图
研究结论
研究首次揭示了九州-帕劳海脊诱导上升流对热带西北太平洋生物碳泵的显著增强作用：（1）海脊诱导上升流携带的营养盐浓度较高，使KPR区域上层营养盐积分浓度居四区之首；（2）KPR区域初级生产力、叶绿素a和颗粒物体积浓度均显著高于其他区域；（3）大型颗粒占比与POC通量呈显著正相关；（4）KPR区域碳输出效率远高于冷涡和暖涡区域。
本研究充分展现了UVP在海洋碳循环研究中的巨大应用价值，使得从表层至2000 m全水柱颗粒物粒径谱的高分辨率原位观测成为可能，为POC通量估算和生物碳泵效率评估提供了关键数据支撑。作为国际公认的海洋颗粒物原位观测利器，UVP正持续助力我国深海碳循环与生态研究迈向新高度。
参考文献
Guo S J, Zhu M L, Zheng S, et al. Impacts of ridge-induced upwelling on the biological carbon pump in the tropical Northwestern Pacific[J]. EGUsphere [preprint], 2026, 597, https://doi.org/10.5194/egusphere-2026-597, 2026.
