近日，廈門大學科研團隊整合原位光學觀測與機器學習方法，系統揭示了南海（熱帶邊緣海）顆粒物濃度與粒徑結構的時空異質性及其物理與生態驅動機制，并基于區域優化的粒徑譜模型，高分辨率估算了顆粒有機碳輸出通量。在該研究中，UVP作為核心觀測設備，為解析邊緣海生物碳泵的空間異質性提供了高分辨率、高精度的關鍵數據。

研究背景

邊緣海雖僅占全球海洋面積的7%~8%，卻貢獻了約28%的海洋初級生產力和高達80%的有機碳埋藏，在全球碳循環中發揮著與其面積不相稱的重要作用。南海作為北太平洋最大的熱帶邊緣海，受季風、河流沖淡水、渦旋和黑潮入侵等多重物理過程共同影響，生態系統復雜，碳通量時空變異性強。然而，傳統觀測手段（如瓶采、原位泵和沉積物捕獲器）勞動強度大且時空分辨率不足；衛星遙感雖可實現大范圍評估，但僅限于海洋表層，無法獲取垂直結構信息。這些限制導致對低緯度邊緣海顆粒物動態及其碳輸出效率的認識長期存在較大不確定性。

為此，研究團隊引入了法國HYDROPTIC公司的UVP水下顆粒物和浮游動物圖像原位采集系統（圖1）。該系統可搭載于CTD采水器，在布放過程中以20 Hz的頻率連續采集水體中大于100 μm的顆粒物和浮游動物圖像，具備米級垂直分辨率，可覆蓋從表層至深海的完整剖面。與傳統方法相比，UVP能原位、非侵入式地獲取顆粒物豐度、粒徑組成和體積濃度等關鍵參數，為揭示顆粒物垂直動態及碳輸出過程提供了數據基礎。

圖1 水下顆粒物和浮游動物圖像原位采集系統（UVP6-HF，最新型號）

研究過程

研究基于覆蓋春、夏、秋、冬四季的多個航次，在南海67個站位（圖2）使用UVP獲取顆粒物剖面圖像，計算顆粒物體積濃度（BV）和粒徑譜斜率（β）。之后結合17個環境變量，采用隨機森林模型重建月平均、深度分辨的BV和β氣候態場。并在此基礎上，基于本地優化的粒徑譜模型，估算真光層底部POC（顆粒有機碳）輸出通量及其輸出效率（e-ratio）。

圖2 南海顆粒物特征重建的采樣站位與隨機森林模型性能

實驗結果

1. 顆粒物時空分布特征：

南海BV呈現明顯的沿岸高、離岸低的空間梯度，最高值出現在珠江口沖淡水和越南上升流區（圖3）。在垂直方向上，BV在約80米的深葉綠素最大層出現峰值；β隨深度增加而增大，表明深層以小顆粒為主，反映了微生物降解與浮游動物碎屑化過程。

圖3 四個子區域BV與粒徑譜斜率垂向剖面（紅：珠江口；紫：越南上升流；藍：北部海盆；綠：南部海盆）

2. 季節動態與區域差異：

所有區域的BV主峰值均出現在冬季（圖4），由東北季風驅動的混合作用增強營養鹽供給所致（圖5）。珠江口和越南上升流區在夏季出現BV次峰值，分別由河流輸入和渦旋上升流驅動。多數區域β與BV呈負相關，但珠江口夏季兩者同步升高，提示存在以小顆粒占優的生態響應。

圖4 真光層平均BV（上）與β（下）季節分布（春、夏、秋、冬）

圖5 各子區域月平均BV、β、氮鹽濃度及微微型浮游植物對總葉綠素a貢獻

3. POC輸出通量與效率：

經本地優化模型估算，南海真光層底部的POC輸出通量年均值為111.7±6.0 Tg C yr^-1，輸出效率為17.5±0.9%，顯著高于典型低緯度海區（約7%，圖6），已接近亞極區水平。而全球尺度模型則顯著低估了南海的通量，低估幅度約為2.5倍（圖7）。

圖6 （a）本地優化模型估算的真光層底部年均POC輸出通量；（b）基于吸收模型的年均凈初級生產力（NPP）；（c）輸出效率（e-ratio），即POC輸出與NPP比值

圖7 本研究與其他模型POC輸出估算對比，誤差條表示傳遞誤差

研究結論

本研究基于原位UVP觀測與機器學習重建，系統揭示了南海顆粒物濃度與粒徑結構的時空異質性及其物理與生態驅動機制，證實該邊緣海的碳輸出效率遠超典型低緯度海域，主要歸因于季風混合、上升流和河流輸入等區域物理過程。此外，全球尺度模型因缺乏對邊緣海復雜過程的高分辨率表征，難以準確估算其碳輸出能力。

UVP作為核心觀測裝備，在獲取高垂直分辨率顆粒物原位數據方面發揮了不可替代的作用，為融合光學觀測與數據驅動模型研究海洋碳循環提供了范例。

參考文獻

1. Xu, Z., Huang, Y., Xu, F., Wang, Y., Fan, W., Li, W., et al. (2026). Physical and ecological forcings drive the particle dynamics and enhanced carbon export efficiency in the tropical marginal sea. Geophysical Research Letters, 53, e2025GL118489.