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ZooSCAN在浮游動物群落特征與水溫關系研究中的應用
閱讀：1572 發(fā)布時間：2020-2-26在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，浮游動物占據(jù)著食物鏈的一個中心位置，它是初級生產力向高營養(yǎng)級進行傳遞的中間傳遞者，也是浮游食物網(wǎng)、物質循環(huán)及能量流動的關鍵組成部分（圖1），并且在海洋生物地球化學循環(huán)中也起著重要的作用。因此，它們的豐度、生物量、群落和粒徑結構的變化是體現(xiàn)整個生態(tài)系統(tǒng)是否健康的重要指標。
圖1 海洋浮游動物參與的碳循環(huán)途徑（Steinberg, D. K., & Landry, M. R., 2017）
近年來，變暖被認為是未來海洋生態(tài)系統(tǒng)變化的重要因素之一。目前，許多研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了變暖會影響浮游動物的群落結構。因此，研究水溫變暖下的海洋浮游動物群落及其變化，對海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化及健康狀況具有重要的意義。
中國科學院海洋研究所的王衛(wèi)成博士等（Wang et al., 2018）對膠州灣及其鄰近黃海海域進行了長期（2005–2012）的采樣觀測實驗，以期揭示該海域浮游動物群落結構、豐度和生物量與水溫變化的關系。2005年-2012年的每年8月中旬，王博士均采用160μm網(wǎng)徑的垂直拖網(wǎng)分別于膠州灣站位5（36°06′00″N, 120°15′00″E）及膠州灣口附近的黃海海域站位10（35°59′00″N, 120°25′30″E）進行表層采樣（圖2），采集到的浮游動物樣品立即保存在5%的中性甲醛海水溶液中。與此同時，使用CTD儀器測得每個站位的表層水、5m、10m及底部的溫度、鹽度等數(shù)據(jù)。
圖2 膠州灣及其鄰近黃海海域站位5和站位10位置（Wang et al., 2018）
保存好的浮游動物樣品隨后利用法國HYDROPTIC公司生產的ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)（圖3）進行分析。在這個過程中，選用15cm×24cm 的樣品框, 將樣品分樣至適宜密度后倒入樣品框中進行掃描, 掃描精度為 4800dpi，得到浮游動物樣品的圖片；之后使用儀器配套的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ESD值、主軸長度、副軸長度等生物學信息，便于統(tǒng)計浮游動物的豐度、生物量、粒級等信息；此外，利用儀器攜帶的PkID軟件上的數(shù)據(jù)庫，可以對被檢測對象自動進行浮游動物種類分類，以便對不同類群的浮游動物進行生物學統(tǒng)計。
計算公式：
豐度（個體數(shù)/m3）=浮游動物數(shù)量*(稀釋倍數(shù)/拖網(wǎng)體積)；
生物量（mm3/ m3）=浮游動物個體體積*(稀釋倍數(shù)/拖網(wǎng)體積)；
除夜光蟲外，浮游動物體積（mm3）=（4/3π）*（主軸/2）*（副軸/2）；
夜光蟲體積（mm3）=4/3π*（ESD/2）3
其中，拖網(wǎng)體積可通過網(wǎng)口面積乘以網(wǎng)被拖過的垂直距離計算得到；每個浮游動物的主軸、副軸長度及ESD值（μm）可以通過ZooSCAN設備的軟件計算得到。
圖3 浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)ZooSCAN
通過對站位5及站位10的樣品進行數(shù)據(jù)觀察分析后發(fā)現(xiàn)，年份間顯著的水溫差在兩個采樣站點都能明顯觀察到，且2005-2012年期間水體呈現(xiàn)出整體變暖趨勢（圖4）。
圖4 2005-2012年8月份兩個采樣站點平均溫度年際變化（Wang et al., 2018）
a. 站位5；c. 站位10
而對站位5及站位10的浮游動物數(shù)據(jù)計算得到：站位5的浮游動物豐度和生物量分別為1938.5 ~24800個體/m3及70.8 ~1480.1 mm3/m3；站位10的浮游動物豐度和生物量分別為73.1 ~16914.3個體/m3及19.6 ~640.7 mm3/m3（表1、表2）?？傮w來說，站位5的浮游動物豐度及生物量高于站位10。此外，利用ZooSCAN攜帶的浮游動物自動分類軟件PkID共分類得到了12個不同的浮游動物類群：被囊類、雙殼類幼蟲、毛顎類、枝角類、橈足類、十足目幼蟲、棘皮幼蟲、水母類、多毛類幼蟲、無節(jié)幼蟲、夜光蟲及其他浮游動物等（圖5、圖6）。其中，浮游動物種類以橈足類多，分別占站位5總豐度的66.9%和站位10總豐度的75.6%。
表1 2005-2012年8月份，站位5已分類的浮游動物的豐度和生物量值（Wang et al., 2018）
表2 2005-2012年8月份，站位10已分類的浮游動物的豐度和生物量值（Wang et al., 2018）
圖5 2005-2012年夏末各浮游動物類群在兩個采樣點的相對豐度（Wang et al., 2018）
a. 站位5；b. 站位10
圖6 2005-2012年夏末各浮游動物類群在兩個采樣點的相對生物量（Wang et al., 2018）
a. 站位5；b. 站位10
在觀察了浮游動物主要類群的年際變化后發(fā)現(xiàn)，在2005年至2012年間，某些類群的豐度和生物量整體下降。這種減少在橈足類、被囊類和水母類中尤為明顯。
圖7 2005-2012年8月份各浮游動物類群豐度（個體數(shù)/m3）年際變化（Wang et al., 2018）
a.橈足類；b.夜光蟲；c.被囊類；d.毛顎類；e.水母類；f.季節(jié)浮游生物
左側欄：站位5；右側欄：站位10
圖8 2005-2012年8月份各浮游動物類群生物量（mm3/ m3）年際變化（Wang et al., 2018）
a.橈足類；b.夜光蟲；c.被囊類；d.毛顎類；e.水母類；f.季節(jié)浮游生物
左側欄：站位5；右側欄：站位10
在王博士的整個研究周期中，他發(fā)現(xiàn)浮游動物數(shù)量逐漸減少，特別是橈足類。此外，他還觀察到小型橈足類的比例增加，而整個橈足類的平均尺寸有所減小，他認為水溫的增加可能是導致這些變化的原因。然而考慮到本研究時間尺度的局限性，他建議進行進一步的長期監(jiān)測調查。
總體來說，王博士借助ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)快速的獲得了膠州灣及其鄰近黃海海域長期的浮游動物群落結構、豐度和生物量數(shù)據(jù)，初步揭示了水溫變化與水體中浮游動物群落結構、豐度和生物量之間的關系，這對該海域的生態(tài)系統(tǒng)變化及健康狀況具有重要的指導意義。