2020年，德国奥尔登堡大学团队用一台搭载 OceanPack™ 红外气体分析模块的自主漂流浮标，配合浮箱（floating chamber）技术，在帝汶海、西太平洋、北大西洋与挪威峡湾现场测定了 CO₂ 的传输速度 k₆₆₀。这是首次在自然条件下，把“海表微层（SML）表面活性物质浓度”与“现场 k₆₆₀”配对量化：表面活性物质在 200 µg Teq·l^-1 以上时使 k₆₆₀ 显著下降 23%，出现天然“油膜带（slick）”时进一步下降 62%，据此全球 CO₂ 通量估计需下调约 19%。

一、研究背景

海洋与大气之间的气体交换速率由传输速度 k 决定，长期以来它被参数化为风速 U₁₀ 的二次或三次函数。然而海表最外侧数十微米——厚度通常仅 60—100 µm 的海表微层——是气体交换的第一道关口，那里富集着生物来源的表面活性物质。这些物质会在界面形成扩散层，抑制气体通过；当浓度足够高时，海面还会出现平滑的、抑制短波的天然油膜带。

此前，表面活性物质对 k 的抑制虽被反复讨论，却始终没有被“现场”量化：理论模型存在 20%—50% 的偏差，水槽实验与人工单分子膜外场实验只能给出间接证据，估计抑制幅度在 30% 以内。缺的正是同一时空下既有现场 k、又有 SML 化学表征的“配对数据”。

二、观测平台与方法

原文对测量系统给出了明确描述：pCO₂ 由红外气体分析仪测定（OceanPack™，SubCtech GmbH，德国；量程 0—3000 µatm，精度 ±1.5%）。这一模块被集成在自主漂流浮标上，随浮标漂移完成现场 pCO₂ 与通量的连续观测。

研究依托两个航次：2016 年 10 月 10 日至 11 月 8 日在帝汶海与西太平洋的 FK161010 航次，以及 2017 年 7 月 8—28 日在北大西洋与挪威峡湾的 HE491 航次。

SML 采样借助一台遥控研究双体船“海表扫描器”完成：6 个旋转玻璃圆盘（直径 60 cm、厚 0.8 cm）在船体运动中持续采集表层膜，共获得 89 个 SML 样品，实测厚度约 80 µm；同步采集其下方水体（ULW）样品。样品低温保存在保温水样采集器中。

k₆₆₀ 的现场测定，则交给一台自主漂流浮标。浮标配备浮箱，可同时测量大气、水下 1.2 m 处以及浮箱内部的 pCO₂。其中 pCO₂ 由集成在浮标上的 OceanPack™ 高精度非色散红外气体分析模块完成，量程 0—3000 µatm，精度 ±1.5%。一个完整测量循环为：先测水相 pCO₂ 40 分钟，再做两次浮箱内测量、每次 15 分钟；每次测量前浮箱内的空气被环境空气完全置换。浮箱法是当时唯一能在数分钟至数小时尺度上评估海气通量的技术，但会因额外扰动而偏高；为此研究用两台声学多普勒流速仪测量湍流（一台置于浮箱正下方、带惯性运动单元，一台置于浮箱外）以校正偏差，箱内另装温湿压传感器监控条件。

测得的 k 统一换算为标准 k₆₆₀；低风（< 3.7 m·s^-1）时施密特数指数取 2/3，高风时取 1/2。表面活性物质浓度用交替伏安法测定，以非离子型表面活性剂标准物质标定，结果以 Triton X-100 当量（µg Teq·l^-1）表示。

图1. 德国SubCtech公司 OceanPack 浮标式 pCO₂ 分析系统（本研究中集成于自主漂流浮标，配合浮箱法现场测定海气 CO₂ 通量）

三、主要结果

图2. 现场 k₆₆₀ 随风速的变化与二次回归（据 Mustaffa et al., 2020 报道的回归系数重绘）

第一，风速并不能解释 k₆₆₀ 的全部变化。 现场 k₆₆₀ 跨度为 1.5—85.1 cm·h^-1，对应风速 0.4—7.0 m·s^-1。本研究回归得到 k₆₆₀ = 9.4 ( ± 4.9 ) + 0.6 ( ± 0.1 ) × U₁₀²，整体高于既有风速参数化的区间（k₆₆₀ = 0.25 U₁₀² 至 0.39 U₁₀²），趋势与某些外场观测接近，但数值仍低于其预测。高风速下并未出现预期的最高 k₆₆₀，说明近表层湍流之外的机制在起主导作用。

第二，存在一个清晰的“浓度阈值”。 在表面活性物质浓度低于 200 µg Teq·l^-1 时，k₆₆₀ 数据离散度极大（2.1—63.0 cm·h^-1，平均 20.3 ± 17.2，n = 41），且与浓度无显著线性关系（R² = 0.024，p = 0.165）；而一旦浓度超过 200 µg Teq·l^-1，k₆₆₀ 便显著下降 23%。由低浓度区过渡到中等浓度区，平均 k₆₆₀ 降幅达 73%；若仅比较 200 µg Teq·l^-1 上下两侧，平均降幅可达 78%，且离散明显收窄。

图3. k₆₆₀ 随 SML 表面活性物质浓度的变化，虚线为 200 µg Teq·l^-1 阈值（据 Mustaffa et al., 2020 报道重绘）

第三，天然油膜带的影响更大。 在西太平洋 FK161010 航次的 4 号站，研究者遇到由束毛藻（Trichodesmium sp.）表层暴发形成的连片天然油膜带，其 SML 表面活性物质平均浓度高达 2925 ± 1704 µg Teq·l^-1（n = 5）。在此条件下 k₆₆₀ 额外下降 62%。综合已知的油膜带覆盖率，作者估算全球 CO₂ 通量需下调约 19%。

第四，存在两个“端元”。 SML 表面活性物质浓度在 52—4760 µg Teq·l^-1 之间（n = 94），且 SML 与下方水体的浓度高度相关（R² = 0.921，p < 2.2 × 10^-16，n = 84）。西太平洋是全球最贫营养的海区之一，其表面活性物质低至 82 ± 21 µg Teq·l^-1（n = 13），对应平均 k₆₆₀ 高达 47.9 ± 18.8 cm·h^-1（n = 35）；北大西洋为 139 ± 36 µg Teq·l^-1（n = 8），平均 k₆₆₀ 为 38.9 ± 10.1 cm·h^-1（n = 17）。这意味着，若在西太平洋这类低表面活性物质海域沿用并非为此类环境建立的风速参数化，CO₂ 通量将产生约 20% 的误差。分区域看，挪威峡湾在无油膜带条件下通量被高估 16%、有油膜带时 19%；西太平洋与北大西洋则分别为最高约 20%（无油膜带）与 7%（有油膜带）。

值得注意的是，风速与表面活性物质对 k₆₆₀ 的交互作用并不显著（双因素方差分析 p = 0.701），说明两者基本独立作用；低风区平均 k₆₆₀ 仅 6.4 ± 7.4 cm·h^-1（n = 50），远低于中、高风区（分别为 24.6 ± 21.8 与 24.0 ± 23.3 cm·h^-1）。

四、结论与科学意义

研究给出一个明确的判断：仅靠风速无法令人满意地预测自然水体的气体传输速度，表面活性物质对 k₆₆₀ 的抑制在自然海况下真实且可观。在 SML 表面活性物质普遍超过 200 µg Teq·l^-1 的广大海区，忽视这一效应将系统性高估海气 CO₂ 通量。由此，作者建议把表面活性物质浓度（无论取 SML 还是下方水体）纳入 k 的参数化框架，并重新审视全球碳通量估计中的不确定度。

五、对海洋碳与温室气体观测的启示

这项工作为“自主平台＋现场测量”提供了范例：一台可漂流十余小时的浮标，凭借浮箱与红外气体分析模块，就能在传统走航观测难以覆盖的海况下获得高时空分辨率的 pCO₂ 与通量数据，并可与化学采样、湍流测量同步进行。

从作业环节看，这类观测对气体分析单元的要求相当具体：一是测量循环必须可编程——本研究中“水相 40 分钟＋浮箱两次各 15 分钟”的节奏要能由平台自动切换，中间还要完成空气置换；二是量程与精度要覆盖现场变化——0—3000 µatm、±1.5% 的量程配置正好包容了从贫营养西太平洋到束毛藻油膜带的全部读数；三是体积与功耗要能与浮标、无人艇等小型载体共处，才谈得上在传统走航难以覆盖的海况下布放。对 OceanPack 而言，其在小型自主平台上体积小、功耗低、集成度高的特点，恰好适配漂流浮标、无人艇、锚系浮标等各类载体，使“微层—表层—大气”的同步观测成为可能。当观测网络向更细的尺度、更恶劣的环境延伸时，把气体交换的化学调控机制一并纳入观测设计，是提升碳通量估算可信度的务实方向。

参考文献

1. Mustaffa, N. I. H., Ribas-Ribas, M., Banko-Kubis, H. M., & Wurl, O. Global reduction of in situ CO₂ transfer velocity by natural surfactants in the sea-surface microlayer. Proceedings of the Royal Society A, 2020, 476(2234): 20190763. DOI: 10.1098/rspa.2019.0763

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