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ZooSCAN助力浮游動(dòng)物群落對(duì)海洋環(huán)境變化響應(yīng)機(jī)制的研究
閱讀：507 發(fā)布時(shí)間：2022-7-8近年來，中科院海洋所及海洋二所的研究團(tuán)隊(duì)借助ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)，分別對(duì)南海北部浮游動(dòng)物樣品進(jìn)行分析，揭示了南海北部中型浮游動(dòng)物群落的粒徑和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)受不同季節(jié)海洋環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制。
研究背景
浮游動(dòng)物在海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，它們是從初級(jí)生產(chǎn)者向更高營(yíng)養(yǎng)水平進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵組成部分，還通過多種機(jī)制（如糞便顆粒、蛻皮、尸體、海洋雪和晝夜垂直遷移）影響海洋的碳循環(huán)，另外，浮游動(dòng)物的粒徑?jīng)Q定了其在浮游食物網(wǎng)中的地位和生態(tài)系統(tǒng)功能，它的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)在描述海洋群落方面也很重要。
中國南海（SCS）是一個(gè)半封閉的邊緣海，具有復(fù)雜的中尺度物理過程，在不同的季節(jié)，經(jīng)常受到各種中尺度渦流的影響，并能通過改變營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度和食物供應(yīng)來改變浮游動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)，從而影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
缺乏對(duì)中型浮游動(dòng)物群落粒徑譜和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的研究，會(huì)影響對(duì)南海生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移過程的完整理解。本文結(jié)合了自然資源部第二海洋研究所、中國科學(xué)院海洋研究所在中國南海進(jìn)行的三項(xiàng)研究，詳述了ZooSCAN在助力研究浮游動(dòng)物群落對(duì)不同季節(jié)南海環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制時(shí)發(fā)揮的重要作用。
研究過程
中國科學(xué)院海洋研究所的專家（Liu H, Zhu M, Guo S, et al.，Zhang W, Sun X, Zheng S, et al.）分別于2017年3月（春季）、2015年夏季和2014年秋季在南海北坡進(jìn)行采樣調(diào)查，通過對(duì)環(huán)境參數(shù)的測(cè)定及對(duì)浮游動(dòng)物（生物量、豐度、生物體積、粒徑結(jié)構(gòu)、分類組成及標(biāo)準(zhǔn)化生物量粒徑譜（NBSS））的采樣分析，評(píng)估浮游動(dòng)物分布受南海北部中尺度海流的影響。
而自然資源部第二海洋研究所的專家（Chen Y, Lin S, Wang C, et al.）從2014年12月26日至2015年1月25日通過對(duì)冬季南海北部海域中浮游動(dòng)物的生物量、豐度、標(biāo)準(zhǔn)化生物量粒徑譜（NBSS）空間變化特征的研究，分析了高度變化的海洋環(huán)境對(duì)中型浮游動(dòng)物群落粒徑結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的影響。
a. 春季
b.夏季和秋季
c.冬季
圖1.不同季節(jié)南海采樣站位地圖
a. 春季；b.夏季和秋季；c.冬季
在相關(guān)研究中，收集到的浮游動(dòng)物樣品經(jīng)粗過濾后均使用法國HYDROPTIC公司ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)（圖2）進(jìn)行測(cè)量。在使用過程中，直接將處理好的浮游動(dòng)物樣品倒入ZooSCAN的掃描區(qū)域中進(jìn)行掃描，得到含豐富信息的浮游動(dòng)物樣品圖片；然后，使用ZooSCAN配套的ZooProcess軟件對(duì)樣品圖片進(jìn)行處理，得到浮游動(dòng)物數(shù)量、不同浮游動(dòng)物的等效球體直徑(ESV)(mm)，長(zhǎng)軸（major）、短軸（minor）等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，由此計(jì)算浮游動(dòng)物個(gè)體的生物量、豐度和生物體積等參數(shù)。
以浮游動(dòng)物等效球體體積(ESV)(mm3)來計(jì)算生物量，計(jì)算公式：
ESV =(4/3)π(ESD/2)3。
豐度=個(gè)體數(shù)量*稀釋比例/過水體積
生物體積=(4/3)π(Major/2)(Minor/2)2
利用ZooSCAN攜帶的軟件和浮游動(dòng)物圖像數(shù)據(jù)庫，將浮游動(dòng)物分為不同的分類群，以統(tǒng)計(jì)各個(gè)浮游生物分類群的生物量、豐度及粒徑結(jié)構(gòu)等信息。
圖2. 浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)ZooSCAN
圖3. ZooSCAN掃描的浮游動(dòng)物圖片
此外，采用常規(guī)方法，測(cè)得海水的溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素含量、營(yíng)養(yǎng)鹽等環(huán)境參數(shù)，用于研究海洋環(huán)境的變化趨勢(shì)。
春季
春季，南海北部出現(xiàn)了中尺度反氣旋渦旋。與反氣旋渦旋內(nèi)部區(qū)域相比，在渦旋的邊緣和外部區(qū)域清楚地觀察到了浮游動(dòng)物生物量、豐度和生物體積的升高（表1），這與1-2mm粒徑級(jí)的浮游動(dòng)物比例顯著增加有關(guān)。橈足類是浮游動(dòng)物的主要貢獻(xiàn)者（圖4），占總豐度的68.7%和總生物體積的51.5%。相似性分析表明，反氣旋渦旋內(nèi)部和外部的浮游動(dòng)物粒徑結(jié)構(gòu)和分類學(xué)群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異。小型浮游動(dòng)物的分布與水團(tuán)的分布格局密切相關(guān)。反氣旋渦旋可以通過改變局部條件影響浮游動(dòng)物的晝夜垂直遷移，并與反氣旋渦旋內(nèi)部明顯的晝夜變化有關(guān)。
表1.2017年3月（春季）南海北坡浮游動(dòng)物干重(mg m-3)、碳重(mg C m-3)、豐度(ind. m-3)和生物體積(mm-3m-3)比較
注：Group A：渦旋內(nèi)側(cè)；Group B：渦旋邊緣；Group C：渦旋外側(cè)
圖4. 每組中的浮游動(dòng)物分類組成：（a）總豐度，（b）總生物體積，（c）0.2-0.5 mm粒徑級(jí)的生物體積，（d）0.5-1 mm粒徑級(jí)的生物體積，（e）1-2 mm粒徑級(jí)和（f）2-5 mm粒徑級(jí)的生物體積。
夏季和秋季
對(duì)2015年夏季和2014年秋季南海北坡浮游動(dòng)物豐度、生物體積和分布進(jìn)行的評(píng)估結(jié)果表明，橈足類是這兩個(gè)季節(jié)最主要的浮游動(dòng)物（表2，表3）。夏季浮游動(dòng)物豐度顯著高于秋季。南海浮游生物群落與穩(wěn)定態(tài)的浮游生物群落不同，具有顯著的季節(jié)和群際變化。穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)NBSS斜率一般為-1，斜率越陡，小型個(gè)體越多，大型個(gè)體越少，生態(tài)轉(zhuǎn)移效率較低。而本研究中小型浮游生物是夏季的主要群體，導(dǎo)致NBSS斜率比秋季觀察到的斜率更陡峭（圖5）。
浮游生物的分布與中尺度洋流的地理過程相結(jié)合。南中國海水（SCSW）和黑潮水（KW）區(qū)域（Group A）的浮游生物NBSS斜率（-0.99）比SCSW、KW和陸架水（SHW）區(qū)域（Group B）的NBSS斜率（-0.90）更陡（圖6）。
表2 南海北坡夏季浮游動(dòng)物信息
表3 南海北坡秋季浮游動(dòng)物信息
優(yōu)勢(shì)類群以*表示
圖5. 浮游生物NBSS季節(jié)變化
圖6. 南海北坡2組浮游生物的平均NBSS。Group A：南中國海水（SCSW）和黑潮水（KW）區(qū)域；Group B：SCSW、KW和陸架水（SHW）區(qū)域。
冬季
對(duì)冬季南海北部海域中浮游動(dòng)物的生物量、豐度、標(biāo)準(zhǔn)化生物量粒徑譜（NBSS）空間變化特征（圖7）的研究分析發(fā)現(xiàn)，在河羽（PRP）和冷渦區(qū)（LCE），觀察到了中型浮游動(dòng)物群落較高的生物量、豐度和NBSS截距；還在河流羽流和黑潮（KI）入侵過程中，觀察到了毛顎動(dòng)物總生物量與草食動(dòng)物/雜食動(dòng)物總生物量的比值（RTCH）顯著偏高，證明該地區(qū)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。
圖7.冬季南海北部海域中浮游動(dòng)物的變化特征：（a）生物量[mg m-3]、（b）NBSS截距、（c）NBSS斜率、（d）NBSS線性擬合、（e）毛顎類與草食動(dòng)物/雜食動(dòng)物的總生物量之比、（f）毛顎類與草食動(dòng)物/雜食動(dòng)物的平均個(gè)體生物量之比的箱型圖。
總結(jié)
海洋所及海洋二所的專家通過對(duì)不同季節(jié)南海北部海域中浮游動(dòng)物的生物量、豐度、標(biāo)準(zhǔn)化生物量粒徑譜（NBSS）等空間變化特征的研究，分析了高度變化的海洋環(huán)境對(duì)中型浮游動(dòng)物群落粒徑結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的影響。這些研究充分地揭示了南海北部中型浮游動(dòng)物群落的粒徑和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)受不同季節(jié)下海洋環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制。
ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)在海洋生態(tài)調(diào)查研究領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。