ZooSCAN和UVP浮游動物采集掃描分析系統(tǒng)助力海洋碳輸出機制研究

近日，廈門大學(xué)科研團(tuán)隊通過調(diào)查研究，系統(tǒng)揭示了北太平洋西部海域浮游動物晝夜垂直遷移（Diel Vertical Migration，DVM）強度與表層初級生產(chǎn)力之間的耦合關(guān)系，并明確了DVM對暮光帶顆粒物動態(tài)及有機碳輸出的重要驅(qū)動作用。在該研究中，法國HYDROPTIC公司的UVP及ZooSCAN等作為核心裝備，為解析海洋生物碳泵的空間異質(zhì)性提供了高分辨率、高精度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
 

浮游動物晝夜垂直遷移被廣泛認(rèn)為是地球上規(guī)模最大的生物遷移行為。該行為通過夜間在表層攝食、日間返回深層的策略，將表層有機碳以呼吸代謝、排泄產(chǎn)物、糞便顆粒及個體死亡等形式向深海輸送，形成“主動碳通量”。DVM介導(dǎo)的“主動碳通量”在某些海區(qū)可占全部碳輸出的50%以上，對全球碳循環(huán)具有深遠(yuǎn)影響。

DVM強度在不同海域表現(xiàn)出顯著差異，然而，其遷移生物量與遷移幅度如何受環(huán)境因子調(diào)控，尤其是與初級生產(chǎn)之間的關(guān)系，尚缺乏系統(tǒng)性研究。為此，科研團(tuán)隊在北太平洋西部的廣闊海域，圍繞溫度與生產(chǎn)力的強緯度梯度展開綜合調(diào)查。
 

研究基于2020年和2022年夏季的兩個航次，在北太平洋西部沿12.5°N至41.5°N（采樣站位見圖1），累計完成了34次分層拖網(wǎng)與85次CTD/顆粒物剖面觀測。
 

 圖1 2020年和2022年夏季北太平洋西部MultiNet與UVP采樣站位、凈初級生產(chǎn)力梯度、上層700m浮游動物綜合豐度和生物量

將UVP搭載于CTD采水器上，以20Hz的采樣頻率，原位采集大于100μm的顆粒物與浮游動物圖像，并對100~5000μm顆粒物的粒徑譜進(jìn)行精細(xì)劃分，計算顆粒物豐度、粒徑分布及POC通量，構(gòu)建從真光層至700m暮光帶的垂直高分辨率圖譜。

此外，本研究采用MultiNet多聯(lián)網(wǎng)在0~700m水體進(jìn)行分層采樣，之后結(jié)合ZooSCAN成像與Ecotaxa分類的方法，獲取浮游動物的群落結(jié)構(gòu)與生物量數(shù)據(jù)。

整合遙感與實測環(huán)境參數(shù)，量化初級生產(chǎn)力NPP、真光層深度、水體透明度等對DVM強度的直接與間接效應(yīng)。

圖2 ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)

圖3 MultiNet浮游生物連續(xù)采樣網(wǎng)


圖4 新一代UVP水下顆粒物和浮游動物圖像原位采集系統(tǒng)

 

遷移生物量與NPP呈強正相關(guān)（路徑系數(shù)0.75），高NPP區(qū)域平均遷移生物量較寡營養(yǎng)區(qū)高出兩個數(shù)量級。

遷移幅度受真光層深度與水體透明度共同作用，真光層越淺、水體越透明，遷移距離越大，高生產(chǎn)力區(qū)個體遷移更深。

圖5 各采樣站位浮游動物白天、夜間及遷移的生物量；遷移生物量及遷移比例與NPP之間的關(guān)系

UVP剖面數(shù)據(jù)顯示，白天暮光帶的顆粒物豐度、大顆粒比例及POC通量顯著升高，其垂直分布與浮游動物DVM的晝夜位移高度吻合。
顆粒物晝夜差異的峰值深度隨NPP升高而上移，表明浮游動物通過糞便快速沉降、捕食擾動及個體死亡等行為，顯著影響深層顆粒物組成與通量。
 

 圖6 低、中、高NPP區(qū)域>100μm顆粒物豐度的晝夜垂直分布；計算得到的POC通量的晝夜垂直分布；顆粒物粒徑分布斜率的晝夜變化
 

 圖7 低、中、高NPP區(qū)域POC通量和浮游動物呼吸通量的晝夜差異剖面，顯示二者在垂直分布上具有相似性

DVM所驅(qū)動的主動碳通量在低、中、高NPP區(qū)域分別約占POC總通量的37%、26%與10%，表明其在貧營養(yǎng)海域具有相對更高的碳輸出效率。

本研究首次在北太平洋西部海域闡明，初級生產(chǎn)力是調(diào)控浮游動物DVM強度及其碳輸出效率的核心環(huán)境因子。

UVP與ZooSCAN所提供的高時空分辨率數(shù)據(jù)，為揭示浮游動物遷移行為與暮光帶碳循環(huán)之間的耦合機制提供了重要的觀測依據(jù)，凸顯了光學(xué)成像技術(shù)在推進(jìn)海洋生物地球化學(xué)過程研究中的關(guān)鍵價值。
展望未來，ZooSCAN、UVP系列設(shè)備將繼續(xù)支撐全球多尺度海洋碳循環(huán)觀測，為氣候模型的完善與海洋碳匯評估提供堅實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。