ZooSCAN和UVP共同助力海洋碳输出机制研究

近日，厦门大学科研团队通过调查研究，系统揭示了北太平洋西部海域浮游动物昼夜垂直迁移（Diel Vertical Migration，DVM）强度与表层初级生产力之间的耦合关系，并明确了DVM对暮光带颗粒物动态及有机碳输出的重要驱动作用。在该研究中，法国HYDROPTIC公司的UVP及ZooSCAN等作为核心装备，为解析海洋生物碳泵的空间异质性提供了高分辨率、高精度的关键数据。

研究背景

浮游动物昼夜垂直迁移被广泛认为是地球上规模最大的生物迁移行为。该行为通过夜间在表层摄食、日间返回深层的策略，将表层有机碳以呼吸代谢、排泄产物、粪便颗粒及个体死亡等形式向深海输送，形成“主动碳通量”。DVM介导的“主动碳通量”在某些海区可占全部碳输出的50%以上，对全球碳循环具有深远影响。

DVM强度在不同海域表现出显著差异，然而，其迁移生物量与迁移幅度如何受环境因子调控，尤其是与初级生产之间的关系，尚缺乏系统性研究。为此，科研团队在北太平洋西部的广阔海域，围绕温度与生产力的强纬度梯度展开综合调查。

研究方法

研究基于2020年和2022年夏季的两个航次，在北太平洋西部沿12.5°N至41.5°N（采样站位见图1），累计完成了34次分层拖网与85次CTD/颗粒物剖面观测。

图1为2020年和2022年夏季北太平洋西部MultiNet与UVP采样站位、净初级生产力梯度、上层700m浮游动物综合丰度和生物量。

图1

将UVP搭载于CTD采水器上，以20Hz的采样频率，原位采集大于100μm的颗粒物与浮游动物图像，并对100~5000μm颗粒物的粒径谱进行精细划分，计算颗粒物丰度、粒径分布及POC通量，构建从真光层至700m暮光带的垂直高分辨率图谱。

此外，本研究采用MultiNet多联网在0~700m水体进行分层采样，之后结合ZooSCAN成像与Ecotaxa分类的方法，获取浮游动物的群落结构与生物量数据。

整合遥感与实测环境参数，量化初级生产力NPP、真光层深度、水体透明度等对DVM强度的直接与间接效应。

图2 ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统

图3 MultiNet浮游生物连续采样网

图4 新一代UVP水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统

研究结果

1.DVM强度受初级生产力显著调控（图5）：

迁移生物量与NPP呈强正相关（路径系数0.75），高NPP区域平均迁移生物量较寡营养区高出两个数量级。

迁移幅度受真光层深度与水体透明度共同作用，真光层越浅、水体越透明，迁移距离越大，高生产力区个体迁移更深。

图5为各采样站位浮游动物白天、夜间及迁移的生物量；迁移生物量及迁移比例与NPP之间的关系。

图5

2.浮游动物行为驱动颗粒物动态（图6，图7）：

UVP剖面数据显示，白天暮光带的颗粒物丰度、大颗粒比例及POC通量显著升高，其垂直分布与浮游动物DVM的昼夜位移高度吻合。

颗粒物昼夜差异的峰值深度随NPP升高而上移，表明浮游动物通过粪便快速沉降、捕食扰动及个体死亡等行为，显著影响深层颗粒物组成与通量。

图6为低、中、高NPP区域>100μm颗粒物丰度的昼夜垂直分布；计算得到的POC通量的昼夜垂直分布；颗粒物粒径分布斜率的昼夜变化。

图7为低、中、高NPP区域POC通量和浮游动物呼吸通量的昼夜差异剖面，显示二者在垂直分布上具有相似性。

图6

图7

3.主动碳输出贡献随营养级变化：

DVM所驱动的主动碳通量在低、中、高NPP区域分别约占POC总通量的37%、26%与10%，表明其在贫营养海域具有相对更高的碳输出效率。

研究结论

本研究首次在北太平洋西部海域阐明，初级生产力是调控浮游动物DVM强度及其碳输出效率的核心环境因子。

UVP与ZooSCAN所提供的高时空分辨率数据，为揭示浮游动物迁移行为与暮光带碳循环之间的耦合机制提供了重要的观测依据，凸显了光学成像技术在推进海洋生物地球化学过程研究中的关键价值。

展望未来，ZooSCAN、UVP系列设备将继续支撑全球多尺度海洋碳循环观测，为气候模型的完善与海洋碳汇评估提供坚实数据基础。

参考文献

1.Xu Z, Zheng Z, Xu C, et al. Primary production drives varied zooplankton migration strength and twilight‐zone particle dynamics across ecological gradients in the western North Pacific[J]. Limnology and Oceanography, 2025, 70: 1621–1635.