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)、分類組成及標準化生物量粒徑譜（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、標準化生物量粒徑譜（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。

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，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。

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。

對冬季南海北部海域中浮游動物的生物量、豐度、標準化生物量粒徑譜（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、標準化生物量粒徑譜（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。

1. Liu H, Zhu M, Guo S, et al. Effects of an anticyclonic eddy on the distribution and community structure of zooplankton in the South China Sea northern slope[J]. Journal of Marine Systems, 2020, 205: 103311.

2. Zhang W, Sun X, Zheng S, et al. Plankton abundance, biovolume, and normalized biovolume size spectra in the northern slope of the South China Sea in autumn 2014 and summer 2015[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2019, 167: 79-92.

3. Chen Y, Lin S, Wang C, et al. Response of size and trophic structure of zooplankton community to marine environmental conditions in the northern South China Sea in winter[J]. Journal of Plankton Research, 2020, 42(3): 378-393.