2025年，加拿大达尔豪斯大学联合德国阿尔弗雷德·魏格纳极地海洋研究所（AWI）等机构的科研团队，借助法国HYDROPTIC公司的UVP6水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统，首次实现了对大于600 µm棕囊藻（Phaeocystis）群体的高时空分辨率原位定量，记录了拉布拉多海的大规模棕囊藻水华与威德尔海的群体沉降事件，并证实这类“庞然大物”对混合层以下碳通量的贡献出人意料地低。
研究背景
棕囊藻是全球广布的定鞭藻门浮游植物，常在近海与大洋形成大规模群体水华。水华期间，成百上千个细胞包埋在黏多糖基质中形成直径100 µm至数毫米的球形或云状群体，深刻影响碳收支、食物网结构与气候过程（如二甲基硫释放）。随着气候变暖，棕囊藻在拉布拉多海及北极海域的生物量占比持续上升，其对生物碳泵的影响成为亟待回答的科学问题。
然而，棕囊藻群体结构极其脆弱：传统采水与显微计数会在采样中破坏群体，多数固定剂又会溶解群体基质，导致丰度与生物量长期被错误估算，其碳输出贡献因此难以量化。原位成像虽是非破坏性定量的理想手段，却很少被用于棕囊藻水华观测——上一代UVP5的全球数据集中甚至从未记录到棕囊藻水华。UVP6针对透明海洋生物优化的光学系统，为破解这一难题提供了可能。
研究过程
团队整合了南北两个高纬度系统的UVP6数据。在拉布拉多海，2022年5月11日至6月10日BELAS-1航次（R/V Celtic Explorer）期间，将UVP6-HF高频型号挂载于CTD采水架上进行剖面观测：拍摄频率25 Hz，每帧对应0.68 L水体，像素分辨率73 µm，机载自动分割记录大于600 µm的颗粒图像，并与CTD温盐深数据逐帧对应。在威德尔海，锚系BGC-1（69°00.07′S, 27°00.07′W）搭载UVP6-LP于约250 m深度以0.2 Hz频率连续观测逾半年（2021年10月至2022年3月），同锚系44 m处的远程采水器每周采集水样用于18S rRNA扩增子测序，实现影像与分子数据的互证。
图像经UVPapp处理后上传EcoTaxa平台，以随机森林算法分类并人工校验。团队还利用5个棕囊藻培养株（P. pouchetii、P. globosa、P. antarctica等）在实验室进行UVP6成像比对，确认野外群体中圆形、椭球形及豆形、边缘光滑、灰度值高（214±11，指示低碳含量与透明基质）的目标即为棕囊藻群体。
图1. 法国HYDROPTIC公司UVP6水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统
实验结果
拉布拉多海：近10万个群体勾勒水华消亡全过程。 航次捕获了一场异常偏早、偏大的春季水华的衰亡期。表层水温低于4°C，混合层初期仅约20 m，次表层叶绿素a极大值超过6 mg m-3。棕囊藻群体集中于上层150 m：水华衰亡初期混合层内丰度不足4个/L，而40–70 m深处高达11个/L；混合层加深至约80 m后群体遍布其中；5月31日后各深度丰度骤降至近零。观测期末归一化生物量粒径谱斜率下降15%、群体圆度随深度降低10%，指示衰老群体正被输出真光层。全航次共成像约95,000个大群体（最大约3 mm）。
图2. 拉布拉多海2022年春季水华衰亡期的环境条件与棕囊藻群体丰度：(a) 站位图；(b) 温度；(c) 叶绿素a；(d) >600 µm棕囊藻群体丰度，白线为混合层深度
威德尔海：表层峰值与深层沉降相隔两个月。 锚系UVP6在250 m深度记录到2022年1–3月的群体沉降事件，2月初峰值丰度仅0.026个/L；而44 m处的18S测序显示棕囊藻在两个月前已是表层最丰富的浮游植物类群之一。按文献报道的14 m/d群体沉速，200 m深度差仅需约14天，实际滞后却长4倍——说明绝大多数群体在上层被再矿化，仅极小部分抵达250 m。
图3. 威德尔海中部棕囊藻季节动态：(a) 锚系位置；(b) 44 m处18S rRNA相对读长丰度（绿）与250 m处UVP6群体丰度（橙）
碳账本：生物体积占比可观，碳通量贡献极低。 水华衰亡期，大群体占拉布拉多海上层150 m大颗粒（>600 µm）生物体积的比例最高达55%，但换算为碳后仅占总颗粒碳的0.4%（积分碳生物量至多11.5 mg C m-2）。碳通量方面，表层群体通量虽可超10 mg C m-2 d-1，至多占大颗粒通量的15%，100 m以下骤降至不足0.5%；通量衰减系数b高达1.8–7.8，生物碳泵效率至多0.03，远低于常见值（>0.2），比整体颗粒（0.13–0.49）低一个数量级。威德尔海更甚：峰值时群体通量仅占大颗粒通量的0.25%，12月至2月积分通量0.66 mg C m-2，不足大颗粒积分通量的0.01%。
图4. 大棕囊藻群体对大颗粒POC通量的贡献：(a) 拉布拉多海100 m；(b) 威德尔海250 m，深蓝为大颗粒通量，浅蓝为棕囊藻群体通量，绿色为小颗粒通量
研究结论
研究首次以原位影像证明：大棕囊藻群体虽体积庞大，却因碳含量与沉速双低，在上层海水即被摄食与再矿化，对混合层以下碳输出的贡献微乎其微——这也意味着仅依据粒径分布估算的传统POC通量很可能被高估。随着棕囊藻水华在全球范围扩张，原位高时空分辨率观测对评估其生物地球化学影响不可或缺。
法国HYDROPTIC公司的UVP6在此次研究中展现了卓越性能：针对透明生物优化的光学系统使其能够清晰捕获前任UVP5从未记录到的脆弱棕囊藻群体；UVP6-HF高频型号（25 Hz）与CTD采水架无缝集成实现剖面精细观测，UVP6-LP低功耗型号则在南极锚系上无人值守运行逾半年，充分验证了其在剖面、锚系乃至冰下平台的多平台适应性；配合EcoTaxa图像分类与机器学习流程，为全球棕囊藻监测网络的构建提供了成熟工具链。
参考文献
Laget, M., Rogge, A., Wietz, M., Musselman, L., Hu, Y.-Y., McGinty, N., Tuo, S.-H., Holtappels, M., Finkel, Z. V., & Waite, A. M. (2025). In situ imaging of large colonial Phaeocystis quantifies inefficient carbon export. Research Square https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-7773706/v2
相关产品链接
