ZooSCAN在浮游动物群落特征与水温关系研究中的应用
时间：2020-02-26 阅读：401
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中心位置，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。
*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*（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*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*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。