ZooSCAN助力浮游动物群落对海洋环境变化响应机制的研究

近年来，中科院海洋所及海洋二所的研究团队借助ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统，分别对南海北部浮游动物样品进行分析，揭示了南海北部中型浮游动物群落的粒径和营养结构受不同季节海洋环境变化的响应机制。

研究背景

浮游动物在海洋生态系统中发挥着重要的作用，它们是从初级生产者向更高营养水平进行能量转移的关键组成部分，还通过多种机制（如粪便颗粒、蜕皮、尸体、海洋雪和昼夜垂直迁移）影响海洋的碳循环，另外，浮游动物的粒径决定了其在浮游食物网中的地位和生态系统功能，它的营养结构在描述海洋群落方面也很重要。

中国南海（SCS）是一个半封闭的边缘海，具有复杂的中尺度物理过程，在不同的季节，经常受到各种中尺度涡流的影响，并能通过改变营养物质的浓度和食物供应来改变浮游动物的群落结构，从而影响海洋生态系统的结构。

缺乏对中型浮游动物群落粒径谱和营养结构的研究，会影响对南海生态系统能量转移过程的完整理解。本文结合了自然资源部第二海洋研究所、中国科学院海洋研究所在中国南海进行的三项研究，详述了ZooSCAN在助力研究浮游动物群落对不同季节南海环境变化的响应机制时发挥的重要作用。

研究过程

中国科学院海洋研究所的专家（Liu H, Zhu M, Guo S, et al.，Zhang W, Sun X, Zheng S, et al.）分别于2017年3月（春季）、2015年夏季和2014年秋季在南海北坡进行采样调查，通过对环境参数的测定及对浮游动物（生物量、丰度、生物体积、粒径结构、分类组成及标准化生物量粒径谱（NBSS））的采样分析，评估浮游动物分布受南海北部中尺度海流的影响。

而自然资源部第二海洋研究所的专家（Chen Y, Lin S, Wang C, et al.）从2014年12月26日至2015年1月25日通过对冬季南海北部海域中浮游动物的生物量、丰度、标准化生物量粒径谱（NBSS）空间变化特征的研究，分析了高度变化的海洋环境对中型浮游动物群落粒径结构和营养结构的影响。

图1.不同季节南海采样站位地图

a. 春季；b.夏季和秋季；c.冬季

在相关研究中，收集到的浮游动物样品经粗过滤后均使用法国HYDROPTIC公司ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统（图2）进行测量。在使用过程中，直接将处理好的浮游动物样品倒入ZooSCAN的扫描区域中进行扫描，得到含丰富信息的浮游动物样品图片；然后，使用ZooSCAN配套的ZooProcess软件对样品图片进行处理，得到浮游动物数量、不同浮游动物的等效球体直径(ESV)(mm)，长轴（major）、短轴（minor）等关键数据，由此计算浮游动物个体的生物量、丰度和生物体积等参数。

以浮游动物等效球体体积(ESV)(mm3)来计算生物量，计算公式：

ESV =(4/3)π(ESD/2)3。

丰度=个体数量*稀释比例/过水体积

生物体积=(4/3)π(Major/2)(Minor/2)2

利用ZooSCAN携带的软件和浮游动物图像数据库，将浮游动物分为不同的分类群，以统计各个浮游生物分类群的生物量、丰度及粒径结构等信息。

图2. 浮游动物图像扫描分析系统ZooSCAN

图3. ZooSCAN扫描的浮游动物图片

此外，采用常规方法，测得海水的温度、盐度、溶解氧、叶绿素含量、营养盐等环境参数，用于研究海洋环境的变化趋势。

春季，南海北部出现了中尺度反气旋涡旋。与反气旋涡旋内部区域相比，在涡旋的边缘和外部区域清楚地观察到了浮游动物生物量、丰度和生物体积的升高（表1），这与1-2mm粒径级的浮游动物比例显著增加有关。桡足类是浮游动物的主要贡献者（图4），占总丰度的68.7%和总生物体积的51.5%。相似性分析表明，反气旋涡旋内部和外部的浮游动物粒径结构和分类学群落结构存在显著差异。小型浮游动物的分布与水团的分布格局密切相关。反气旋涡旋可以通过改变局部条件影响浮游动物的昼夜垂直迁移，并与反气旋涡旋内部明显的昼夜变化有关。

表1.2017年3月（春季）南海北坡浮游动物干重(mg m^-3)、碳重(mg C m^-3)、丰度(ind. m^-3)和生物体积(mm^-3m^-3)比较

注：Group A：涡旋内侧；Group B：涡旋边缘；Group C：涡旋外侧

图4. 每组中的浮游动物分类组成：（a）总丰度，（b）总生物体积，（c）0.2-0.5 mm粒径级的生物体积，（d）0.5-1 mm粒径级的生物体积，（e）1-2 mm粒径级和（f）2-5 mm粒径级的生物体积。

对2015年夏季和2014年秋季南海北坡浮游动物丰度、生物体积和分布进行的评估结果表明，桡足类是这两个季节最主要的浮游动物（表2，表3）。夏季浮游动物丰度显著高于秋季。南海浮游生物群落与稳定态的浮游生物群落不同，具有显著的季节和群际变化。稳定生态系统NBSS斜率一般为-1，斜率越陡，小型个体越多，大型个体越少，生态转移效率较低。而本研究中小型浮游生物是夏季的主要群体，导致NBSS斜率比秋季观察到的斜率更陡峭（图5）。

浮游生物的分布与中尺度洋流的地理过程相结合。南中国海水（SCSW）和黑潮水（KW）区域（Group A）的浮游生物NBSS斜率（-0.99）比SCSW、KW和陆架水（SHW）区域（Group B）的NBSS斜率（-0.90）更陡（图6）。

表2 南海北坡夏季浮游动物信息

表3 南海北坡秋季浮游动物信息

优势类群以*表示

图5. 浮游生物NBSS季节变化

图6. 南海北坡2组浮游生物的平均NBSS。Group A：南中国海水（SCSW）和黑潮水（KW）区域；Group B：SCSW、KW和陆架水（SHW）区域。

对冬季南海北部海域中浮游动物的生物量、丰度、标准化生物量粒径谱（NBSS）空间变化特征（图7）的研究分析发现，在河羽（PRP）和冷涡区（LCE），观察到了中型浮游动物群落较高的生物量、丰度和NBSS截距；还在河流羽流和黑潮（KI）入侵过程中，观察到了毛颚动物总生物量与草食动物/杂食动物总生物量的比值（RTCH）显著偏高，证明该地区营养结构不稳定。

图7.冬季南海北部海域中浮游动物的变化特征：（a）生物量[mg m-3]、（b）NBSS截距、（c）NBSS斜率、（d）NBSS线性拟合、（e）毛颚类与草食动物/杂食动物的总生物量之比、（f）毛颚类与草食动物/杂食动物的平均个体生物量之比的箱型图。

总结

海洋所及海洋二所的专家通过对不同季节南海北部海域中浮游动物的生物量、丰度、标准化生物量粒径谱（NBSS）等空间变化特征的研究，分析了高度变化的海洋环境对中型浮游动物群落粒径结构和营养结构的影响。这些研究充分地揭示了南海北部中型浮游动物群落的粒径和营养结构受不同季节下海洋环境变化的响应机制。

ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统在海洋生态调查研究领域发挥着越来越重要的作用。