近期，美国国家海洋和大气管理局太平洋海洋环境实验室（NOAA PMEL）、华盛顿大学、阿拉斯加大学费尔班克斯分校、GEOMAR基尔海洋研究中心等机构科研团队，借助法国HYDROPTIC公司的UVP水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统，在南大洋两条GO-SHIP重复水文断面上获取290万张原位颗粒物图像，结合深度学习无监督聚类实现大规模自动分类，首次揭示了“蓬松聚集体输出路径”与“浮游动物介导输出路径”两条向深海输送碳的通路。成果发表于《Global Biogeochemical Cycles》。
研究背景
海洋生物碳泵通过颗粒物重力沉降将表层光合固碳输送至深海，是海洋长期封存大气二氧化碳的核心机制。据估算，海洋每年输出5–12 Pg有机碳，但仅有约10%能抵达1000 m以深。中层海洋（200–1000 m）中的摄食、分解与聚集过程决定了碳能否进入深层长期封存，却因采样困难而认知匮乏。此外，颗粒物的形态——密度、孔隙度、矿物含量等——决定其沉降速度与再矿化速率，传统的后向散射、光束透射、沉积物捕集器和POC bulk测量均无法提供形态信息。
原位成像技术UVP5可在不损伤脆弱海洋雪和活体浮游动物的前提下进行无损观测：单帧采样水体约0.88 L、最高20 Hz，单次剖面可记录0.06–27 mm的颗粒，覆盖从表层直达6000 m的全深度剖面；配合深度学习技术，可对海量图像进行大规模自动分类，让碎屑颗粒这一占图像约90%、长期难以归类的主要成分得到生态学意义的划分。
研究过程
研究基于美国GO-SHIP计划两个航次：2018年3月13日–5月9日“Palmer”号S04P航次（太平洋扇区，沿约67°S，159°E–74°W）与2019年4月16日–5月11日“Thompson”号I06S航次（非洲扇区，沿约30°E，33–69°S）。高清型UVP5（编号SN-207）搭载于CTD玫瑰花架，随之下潜至6000 m，两条断线共获取117条全深度剖面：S04P获75条剖面、210.6万张图像，I06S获42条剖面、77.5万张图像，全程24小时连续采样以消除昼夜偏差。
图1. 法国HYDROPTIC公司UVP水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统（论文使用UVP5型号）
图像经ZooProcess软件处理后上传EcoTaxa平台，采用Morphocluster深度学习无监督聚类协议，将约260万张图像（占总量91%）归入74个层级聚类，最终整合为46个碎屑类别与61个活体类别，分属8大超类：蓬松聚集体、致密聚集体、纤维、粪粒，以及甲壳类、根足虫、凝胶浮游动物和束毛藻。所有类别均经人工逐页验证，分类错误率控制在5%以内。
图2. 研究海区与采样站位：S04P（绿色）与I06S（洋红色）两条GO-SHIP断线及南大洋主要锋面分布
实验结果
1. AI分类揭示八大颗粒类群的差异分布。 深度学习聚类将不同形态的颗粒清晰区分：四大碎屑超类在周长、圆度、灰度与结构上差异显著（p<0.001）。蓬松聚集体是最丰富的颗粒类型（10–750 ind./m³），其后为致密聚集体（最高734 ind./m³）和粪粒（最高577 ind./m³）；纤维在亚极区表层最高达2319 ind./m³，可能源于长链硅藻。
图3. UVP图像AI分类体系：四大碎屑超类（蓬松聚集体、致密聚集体、粪粒、纤维）与四大活体超类（束毛藻、根足虫、甲壳类、凝胶浮游动物）的形态学差异及代表性图像
2. “蓬松聚集体输出路径”：藻华碎屑直达3000 m。 太平洋扇区边界带表层叶绿素a最高处，碎屑丰度达600 ind./m³，其中93%为蓬松聚集体；这些表层形成的植食性碎屑衰减缓慢，在1000–3000 m仍保持122 ind./m³，直至3000–6000 m层仍占碎屑的87%，表明藻华聚集体可快速沉降并直抵深海。
3. “浮游动物介导输出路径”：次表层摄食“打包”碳输出。 非洲扇区边界带表层几乎无颗粒，但500–1000 m的次深层聚集了大量甲壳类摄食者；抽样检查的77个桡足类中60个（78%）触角呈主动摄食姿态，证实其在原位活跃摄食。其下方3000–6000 m的深渊层中，粪粒与致密聚集体富集（合计约35 ind./m³，占碎屑31%–52%且随深度增加），支持“中层摄食者将慢速碎屑重新包装为快速下沉粪粒”的机制。
图4. 两条输出路径的对比：左侧“蓬松聚集体输出路径”中藻华碎屑直沉深海，右侧“浮游动物介导输出路径”中中层摄食者在500–1000 m活跃摄食、粪粒与致密聚集体在3000 m以深富集
4. 快速沉降与长期封存。 将2019年4月23日5000 m处观测的粪粒回溯至当年1月14日卫星观测的表层叶绿素a高值斑块，推算表观沉降速度达51.5 m/d。研究估计，抵达3000 m以深的颗粒可封存碳约750–1000年，远长于仅抵达1000 m时的200–300年。
图5. 两条碳输出路径概念模型：(a)蓬松聚集体输出路径与(b)浮游动物介导输出路径
研究结论
该研究证实南大洋存在两条并行且机制迥异的碳输出路径：高生产力条件下的蓬松聚集体快速沉降路径，以及中层浮游动物摄食驱动的粪粒输出路径——后者将碳的“再包装”过程推向了远超传统采样范围的500–1000 m深度。二者均可将碳输送至数千米的长期封存深度，表明全水柱观测对准确估算生物碳泵及评估海洋碳移除（mCDR）技术至关重要。
法国HYDROPTIC公司的UVP5在此次研究中展现了卓越性能：其原位无损成像与大体积采样能力完整捕捉了从表层到6000 m的颗粒物群落，117条全深度剖面积累的290万张图像为深度学习分类提供了坚实数据基础，颗粒形态学信息成功照亮了传统手段无法企及的深海碳输出路径，为该项南大洋生物碳泵研究提供了关键技术支撑。
参考文献
O'Daly S H, Hennon G M M, Kelly T B, Kiko R, Lekanoff R M, Pretty J L, Schröder S-M, McDonnell A M P. High-Resolution Particle Imaging Reveals the Importance of Phytodetrital Aggregate Flux and Mesopelagic Grazing for Carbon Storage in the Southern Ocean. Global Biogeochemical Cycles, 2026, 40(8): e2025GB008685. DOI: 10.1029/2025GB008685
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