ZooSCAN在浮游动物群落特征与水温关系研究中的应用

在海洋生态系统中，浮游动物占据着食物链的一个ZX位置，它是初级生产力向高营养级进行传递的中间传递者，也是浮游食物网、物质循环及能量流动的关键组成部分（图1），并且在海洋生物地球化学循环中也起着重要的作用。因此，它们的丰度、生物量、群落和粒径结构的变化是体现整个生态系统是否健康的重要指标。

图1 海洋浮游动物参与的碳循环途径（Steinberg, D. K., & Landry, M. R., 2017）

近年来，变暖被认为是未来海洋生态系统变化的Z重要因素之一。目前，许多研究者已经发现了变暖会影响浮游动物的群落结构。因此，研究水温变暖下的海洋浮游动物群落及其变化，对海洋生态系统的变化及健康状况具有重要的意义。

      ZG科学院海洋研究所的王卫成博士等（Wang et al., 2018）对胶州湾及其邻近黄海海域进行了长期（2005–2012）的采样观测实验，以期揭示该海域浮游动物群落结构、丰度和生物量与水温变化的关系。2005年-2012年的每年8月中旬，王博士均采用160μm网径的垂直拖网分别于胶州湾站位5（36°06′00″N, 120°15′00″E）及胶州湾口附近的黄海海域站位10（35°59′00″N, 120°25′30″E）进行表层采样（图2），采集到的浮游动物样品立即保存在5%的中性甲醛海水溶液中。与此同时，使用CTD仪器测得每个站位的表层水、5m、10m及底部的温度、盐度等数据。

图2 胶州湾及其邻近黄海海域站位5和站位10位置（Wang et al., 2018）

保存好的浮游动物样品随后利用法国HYDROPTIC公司生产的ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统（图3）进行分析。在这个过程中，选用15cm×24cm 的样品框, 将样品分样至适宜密度后倒入样品框中进行扫描, 扫描精度为 4800dpi，得到浮游动物样品的图片；之后使用仪器配套的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ESD值、主轴长度、副轴长度等生物学信息，便于统计浮游动物的丰度、生物量、粒级等信息；此外，利用仪器携带的PkID软件上的数据库，可以对被检测对象自动进行浮游动物种类分类，以便对不同类群的浮游动物进行生物学统计。

计算公式：

丰度（个体数/m3）=浮游动物数量*(稀释倍数/拖网体积)；

生物量（mm3/ m3）=浮游动物个体体积*(稀释倍数/拖网体积)；

除夜光虫外，浮游动物体积（mm3）=（4/3π）*（主轴/2）*（副轴/2）；

夜光虫体积（mm3）=4/3π*（ESD/2）3

其中，拖网体积可通过网口面积乘以网被拖过的垂直距离计算得到；每个浮游动物的主轴、副轴长度及ESD值（μm）可以通过ZooSCAN设备的软件计算得到。

图3 浮游动物图像扫描分析系统ZooSCAN 

      通过对站位5及站位10的样品进行数据观察分析后发现，年份间显著的水温差在两个采样站点都能明显观察到，且2005-2012年期间水体呈现出整体变暖趋势（图4）。

图4 2005-2012年8月份两个采样站点平均温度年际变化（Wang et al., 2018）

a. 站位5；c. 站位10

而对站位5及站位10的浮游动物数据计算得到：站位5的浮游动物丰度和生物量分别为1938.5 ~24800个体/m3及70.8 ~1480.1 mm3/m3；站位10的浮游动物丰度和生物量分别为73.1 ~16914.3个体/m3及19.6 ~640.7 mm3/m3（表1、表2）。总体来说，站位5的浮游动物丰度及生物量高于站位10。此外，利用ZooSCAN携带的浮游动物自动分类软件PkID共分类得到了12个不同的浮游动物类群：被囊类、双壳类幼虫、毛颚类、枝角类、桡足类、十足目幼虫、棘皮幼虫、水母类、多毛类幼虫、无节幼虫、夜光虫及其他浮游动物等（图5、图6）。其中，浮游动物种类以桡足类Z多，分别占站位5总丰度的66.9%和站位10总丰度的75.6%。

表1 2005-2012年8月份，站位5已分类的浮游动物的丰度和生物量值（Wang et al., 2018）

表2 2005-2012年8月份，站位10已分类的浮游动物的丰度和生物量值（Wang et al., 2018）

图5 2005-2012年夏末各浮游动物类群在两个采样点的相对丰度（Wang et al., 2018）

a. 站位5；b. 站位10

图6 2005-2012年夏末各浮游动物类群在两个采样点的相对生物量（Wang et al., 2018）

a. 站位5；b. 站位10

在观察了浮游动物主要类群的年际变化后发现，在2005年至2012年间，某些类群的丰度和生物量整体下降。这种减少在桡足类、被囊类和水母类中尤为明显。

图7 2005-2012年8月份各浮游动物类群丰度（个体数/m3）年际变化（Wang et al., 2018）

a.桡足类；b.夜光虫；c.被囊类；d.毛颚类；e.水母类；f.季节浮游生物

左侧栏：站位5；右侧栏：站位10

图8 2005-2012年8月份各浮游动物类群生物量（mm3/ m3）年际变化（Wang et al., 2018）

a.桡足类；b.夜光虫；c.被囊类；d.毛颚类；e.水母类；f.季节浮游生物

左侧栏：站位5；右侧栏：站位10

在王博士的整个研究周期中，他发现浮游动物数量逐渐减少，特别是桡足类。此外，他还观察到小型桡足类的比例增加，而整个桡足类的平均尺寸有所减小，他认为水温的增加可能是导致这些变化的原因。然而考虑到本研究时间尺度的局限性，他建议进行进一步的长期监测调查。

总体来说，王博士借助ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统快速的获得了胶州湾及其邻近黄海海域长期的浮游动物群落结构、丰度和生物量数据，初步揭示了水温变化与水体中浮游动物群落结构、丰度和生物量之间的关系，这对该海域的生态系统变化及健康状况具有重要的指导意义。

参考文献

1. Wang, W., Sun, S., Zhang, F., Sun, X., & Zhang, G. (2018). Zooplankton community structure, abundance and biovolume in Jiaozhou Bay and the adjacent coastal Yellow Sea during summers of 2005–2012: relationships with increasing water temperature. Journal of Oceanology and Limnology, 36(5), 1655-1670.

2. Steinberg, D. K., & Landry, M. R. (2017). Zooplankton and the ocean carbon cycle. Annual Review of Marine Science, 9, 413-444.