德國漢堡大學與萊布尼茨熱帶海洋研究中心科研團隊，依托德國HYDRO-BIOS公司的沉降物捕集器，在本格拉上升流海域進行了十余年的連續(xù)觀測，系統(tǒng)揭示了浮游動物遷移與底層水氧化還原環(huán)境對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)化為顆粒有機碳（POC）并輸送至深海的核心過程，對全球碳循環(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物活動、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制的天然實驗室。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)控機制提供了理想的對比場景。

長期以來，直接測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、解析其組成與動態(tài)的關(guān)鍵工具。其中，德國HYDRO-BIOS公司生產(chǎn)的系列沉降物捕集器，憑借其可靠的設(shè)計與長期穩(wěn)定運行能力，在全球海洋生物地球化學循環(huán)研究中得到了廣泛應用。

研究過程
研究團隊在本格拉上升流系統(tǒng)北部（nBUS）與南部（sBUS）分別布設(shè)了長期錨系式沉降物捕集器，持續(xù)觀測超過十年（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行了三個航次的強化觀測。

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；紅色菱形表示長期錨系站位

長期錨系式沉降物捕集器：采用德國HYDRO-BIOS公司多通道沉降物捕集器MST12（圖2）。該設(shè)備配備12個獨立樣品瓶，可按預設(shè)程序（9~40天間隔）自動旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對不同時間段顆粒物的連續(xù)收集。捕集器布放在近海底約64m和100m水深處，長期監(jiān)測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度比例均為1：4，該設(shè)計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和濃鹽水預處理以抑制微生物降解�；厥蘸螅瑯悠方�(jīng)1mm篩網(wǎng)分離，大于1mm部分認定為游泳生物，小于1mm部分認定為被動沉降顆粒。通過過濾、干燥及元素分析，分別計算出“主動POC通量”（生物活體貢獻）和“被動POC通量”（顆粒沉降貢獻）。

實驗結(jié)果
1.浮游動物的關(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物對碳通量的直接貢獻。結(jié)果表明，橈足類在主動碳輸送中占主導地位（在nBUS和sBUS分別貢獻約55.7%和46.2%的主動POC通量）�？傮w而言，南部子系統(tǒng)的主動POC通量是北部的近3倍，尤其在表層100m內(nèi)差異顯著。

圖4 不同浮游動物類群在主動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–未進一步鑒定的浮游動物

2.被動通量的衰減規(guī)律：盡管兩地生物活動強度不同，但測得的被動POC通量卻非常接近。該通量隨水深增加而衰減的趨勢（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)，證實了即便在動態(tài)的上升流區(qū)，顆粒碳的平均輸出行為仍具有可預測的系統(tǒng)性規(guī)律。

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

3.氧氣對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濃度遠高于南部（圖1），形成了顯著的“富碳泥帶”。這與北部更強烈、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沉降有機碳的降解速率，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輸送路徑；黑色曲線表示基于Martin曲線的被動POC通量；紅色與藍色箭頭指示上升流源水團的貢獻及輸入路徑；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
這項結(jié)合長期錨系與短期漂浮觀測的綜合研究，清晰揭示了海洋碳泵在本格拉上升流系統(tǒng)中的運作細節(jié)：浮游動物（尤以橈足類為主）是碳主動輸送的關(guān)鍵載體；被動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)境是促進碳在沉積物中長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，為理解海洋碳匯機制及氣候響應提供了堅實數(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.