HYDRO-BIOS沉降物捕集器在海洋碳通量研究中的應(yīng)用

德國(guó)漢堡大學(xué)與萊布尼茨熱帶海洋研究中心科研團(tuán)隊(duì)，依托德國(guó)HYDRO-BIOS公司的沉降物捕集器，在本格拉上升流海域進(jìn)行了十余年的連續(xù)觀測(cè)，系統(tǒng)揭示了浮游動(dòng)物遷移與底層水氧化還原環(huán)境對(duì)碳垂向輸送和沉積保存的關(guān)鍵調(diào)控作用。

研究背景
海洋“生物碳泵”是將大氣二氧化碳轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)碳（POC）并輸送至深海的核心過程，對(duì)全球碳循環(huán)與氣候調(diào)節(jié)至關(guān)重要。然而，碳從表層向海底的輸送受浮游動(dòng)物活動(dòng)、水體含氧量及顆粒物沉降路徑等多種因素影響，其通量與最終歸宿仍存在較大不確定性。營(yíng)養(yǎng)鹽豐富、生產(chǎn)力高的上升流系統(tǒng)是研究碳輸出與保存機(jī)制的天然實(shí)驗(yàn)室。本格拉上升流系統(tǒng)作為全球四大東邊界上升流系統(tǒng)之一，其北部與南部子系統(tǒng)在水團(tuán)結(jié)構(gòu)、氧含量及生物群落方面差異顯著，為探究碳通量調(diào)控機(jī)制提供了理想的對(duì)比場(chǎng)景。

長(zhǎng)期以來，直接測(cè)定海洋中沉降的顆粒物通量存在技術(shù)挑戰(zhàn)。沉降物捕集器作為一種能夠原位、長(zhǎng)期收集水體中沉降顆粒的設(shè)備，已成為量化碳垂直通量、解析其組成與動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵工具。其中，德國(guó)HYDRO-BIOS公司生產(chǎn)的系列沉降物捕集器，憑借其可靠的設(shè)計(jì)與長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行能力，在全球海洋生物地球化學(xué)循環(huán)研究中得到了廣泛應(yīng)用。

研究過程
研究團(tuán)隊(duì)在本格拉上升流系統(tǒng)北部（nBUS）與南部（sBUS）分別布設(shè)了長(zhǎng)期錨系式沉降物捕集器，持續(xù)觀測(cè)超過十年（2009~2022年）。并在2019~2021年利用16套自由漂浮式沉降物捕集器陣列進(jìn)行了三個(gè)航次的強(qiáng)化觀測(cè)。

圖1 研究區(qū)域表層沉積物中的POC濃度空間分布。黃色星號(hào)表示自由漂浮式沉降物捕集器陣列投放站位；紅色菱形表示長(zhǎng)期錨系站位

長(zhǎng)期錨系式沉降物捕集器：采用德國(guó)HYDRO-BIOS公司多通道沉降物捕集器MST12（圖2）。該設(shè)備配備12個(gè)獨(dú)立樣品瓶，可按預(yù)設(shè)程序（9~40天間隔）自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)間段顆粒物的連續(xù)收集。捕集器布放在近海底約64m和100m水深處，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)該層的顆粒物沉降通量。

自由漂浮式沉降物捕集器陣列：使用HYDRO-BIOS公司Saarso單通道沉降物捕集器（圖3），每套自由漂浮式沉降物捕集器陣列搭載4~7個(gè)捕集器，布放深度從50m至500m不等。配備浮力單元與GPS定位系統(tǒng)，便于追蹤和回收。

兩種沉降物捕集器的沉降筒直徑與長(zhǎng)度比例均為1：4，該設(shè)計(jì)能最大程度的防止已經(jīng)收集到的沉降物被海流沖出來，確保樣品的準(zhǔn)確性和代表性。

圖2 多通道沉降物捕集器MST12

圖3 Saarso單通道沉降物捕集器

 
所有樣品瓶在布放前經(jīng)HgCl₂和濃鹽水預(yù)處理以抑制微生物降解。回收后，樣品經(jīng)1mm篩網(wǎng)分離，大于1mm部分認(rèn)定為游泳生物，小于1mm部分認(rèn)定為被動(dòng)沉降顆粒。通過過濾、干燥及元素分析，分別計(jì)算出“主動(dòng)POC通量”（生物活體貢獻(xiàn)）和“被動(dòng)POC通量”（顆粒沉降貢獻(xiàn)）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1.浮游動(dòng)物的關(guān)鍵作用：研究首次在本格拉系統(tǒng)量化了不同類群浮游動(dòng)物對(duì)碳通量的直接貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，橈足類在主動(dòng)碳輸送中占主導(dǎo)地位（在nBUS和sBUS分別貢獻(xiàn)約55.7%和46.2%的主動(dòng)POC通量）�？傮w而言，南部子系統(tǒng)的主動(dòng)POC通量是北部的近3倍，尤其在表層100m內(nèi)差異顯著。

圖4 不同浮游動(dòng)物類群在主動(dòng)POC通量中所占的平均比例。Amph–端足類，Cope–橈足類，Deca–十足類，Euph–磷蝦類，Ostr–介形類，Ptero–翼足類，F(xiàn)ish–魚類幼體，Gela–膠質(zhì)類生物，Zoo–未進(jìn)一步鑒定的浮游動(dòng)物

2.被動(dòng)通量的衰減規(guī)律：盡管兩地生物活動(dòng)強(qiáng)度不同，但測(cè)得的被動(dòng)POC通量卻非常接近。該通量隨水深增加而衰減的趨勢(shì)（圖5），符合經(jīng)典的Martin通量衰減模型。通過擬合數(shù)據(jù)，得到了適用于本格拉海區(qū)的衰減參數(shù)，證實(shí)了即便在動(dòng)態(tài)的上升流區(qū)，顆粒碳的平均輸出行為仍具有可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)性規(guī)律。

圖5 觀測(cè)到的POC通量隨水深變化的散點(diǎn)圖，并疊加擬合了不同衰減系數(shù)（b值）的Martin曲線

3.氧氣對(duì)碳保存的決定性影響：研究發(fā)現(xiàn)，盡管兩地的碳輸出通量相似，但北部子系統(tǒng)沉積物表面的POC濃度遠(yuǎn)高于南部（圖1），形成了顯著的“富碳泥帶”。這與北部更強(qiáng)烈、更持久的近底層缺氧區(qū)直接相關(guān)（圖6）。低氧環(huán)境顯著減緩了微生物對(duì)沉降有機(jī)碳的降解速率，從而極大地提升了碳在沉積物中的埋藏與保存效率。

 圖6 nBUS和sBUS子系統(tǒng)示意圖。綠色箭頭及其大小表征主動(dòng)輸送路徑；黑色曲線表示基于Martin曲線的被動(dòng)POC通量；紅色與藍(lán)色箭頭指示上升流源水團(tuán)的貢獻(xiàn)及輸入路徑；深棕色區(qū)域代表北部子系統(tǒng)存在的富POC泥帶，該特征在南部子系統(tǒng)中缺失

研究結(jié)論
這項(xiàng)結(jié)合長(zhǎng)期錨系與短期漂浮觀測(cè)的綜合研究，清晰揭示了海洋碳泵在本格拉上升流系統(tǒng)中的運(yùn)作細(xì)節(jié)：浮游動(dòng)物（尤以橈足類為主）是碳主動(dòng)輸送的關(guān)鍵載體；被動(dòng)碳通量符合物理衰減規(guī)律，受生產(chǎn)力和水深控制；底層水低氧環(huán)境是促進(jìn)碳在沉積物中長(zhǎng)期保存的決定性因素。
研究印證了HYDRO-BIOS沉降物捕集器在精確量化碳通量、解析碳泵過程方面的關(guān)鍵作用，為理解海洋碳匯機(jī)制及氣候響應(yīng)提供了堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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, https://doi.org/10.5194/bg-21-5261-2024, 2024.