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ZooSCAN助力浮游動物群落對海洋環(huán)境變化響應(yīng)機制的研究
閱讀：476 發(fā)布時間：2022-7-8近年來，中科院海洋所及海洋二所的研究團隊借助ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)，分別對南海北部浮游動物樣品進行分析，揭示了南海北部中型浮游動物群落的粒徑和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)受不同季節(jié)海洋環(huán)境變化的響應(yīng)機制。
研究背景
浮游動物在海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，它們是從初級生產(chǎn)者向更高營養(yǎng)水平進行能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵組成部分，還通過多種機制（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，并能通過改變營養(yǎng)物質(zhì)的濃度和食物供應(yīng)來改變浮游動物的群落結(jié)構(gòu)，從而影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
缺乏對中型浮游動物群落粒徑譜和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的研究，會影響對南海生態(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行的三項研究，詳述了ZooSCAN在助力研究浮游動物群落對不同季節(jié)南海環(huán)境變化的響應(yīng)機制時發(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行采樣調(diào)查，通過對環(huán)境參數(shù)的測定及對浮游動物（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，評估浮游動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日通過對冬季南海北部海域中浮游動物的生物量、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)境對中型浮游動物群落粒徑結(jié)構(gòu)和營養(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，收集到的浮游動物樣品經(jīng)粗過濾后均使用法國HYDROPTIC公司ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)（圖2）進行測量。在使用過程中，直接將處理好的浮游動物樣品倒入ZooSCAN的掃描區(qū)域中進行掃描，得到含豐富信息的浮游動物樣品圖片；然后，使用ZooSCAN配套的ZooProcess軟件對樣品圖片進行處理，得到浮游動物數(shù)量、不同浮游動物的等效球體直徑(ESV)(mm)，長軸（major）、短軸（minor）等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，由此計算浮游動物個體的生物量、豐度和生物體積等參數(shù)。
以浮游動物等效球體體積(ESV)(mm3)來計算生物量，計算公式：
ESV =(4/3)π(ESD/2)3。
豐度=個體數(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物圖像數(shù)據(jù)庫，將浮游動物分為不同的分類群，以統(tǒng)計各個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. 浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)ZooSCAN
圖3. ZooSCAN掃描的浮游動物圖片
此外，采用常規(guī)方法，測得海水的溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素含量、營養(yǎng)鹽等環(huán)境參數(shù)，用于研究海洋環(huán)境的變化趨勢。
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物生物量、豐度和生物體積的升高（表1），這與1-2mm粒徑級的浮游動物比例顯著增加有關(guān)。橈足類是浮游動物的主要貢獻者（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。小型浮游動物的分布與水團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. 每組中的浮游動物分類組成：（a）總豐度，（b）總生物體積，（c）0.2-0.5 mm粒徑級的生物體積，（d）0.5-1 mm粒徑級的生物體積，（e）1-2 mm粒徑級和（f）2-5 mm粒徑級的生物體積。
夏季和秋季
對2015年夏季和2014年秋季南海北坡浮游動物豐度、生物體積和分布進行的評估結(jié)果表明，橈足類是這兩個季節(jié)最主要的浮游動物（表2，表3）。夏季浮游動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，小型個體越多，大型個體越少，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物信息
表3 南海北坡秋季浮游動物信息
優(yōu)勢類群以*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
對冬季南海北部海域中浮游動物的生物量、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，觀察到了毛顎動物總生物量與草食動物/雜食動物總生物量的比值（RTCH）顯著偏高，證明該地區(qū)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。
圖7.冬季南海北部海域中浮游動物的變化特征：（a）生物量[mg m-3]、（b）NBSS截距、（c）NBSS斜率、（d）NBSS線性擬合、（e）毛顎類與草食動物/雜食動物的總生物量之比、（f）毛顎類與草食動物/雜食動物的平均個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不同季節(jié)南海北部海域中浮游動物的生物量、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)境對中型浮游動物群落粒徑結(jié)構(gòu)和營養(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物群落的粒徑和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)受不同季節(jié)下海洋環(huán)境變化的響應(yīng)機制。
ZooSCAN浮游動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。