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近期，海洋二所王春生研究員團(tuán)隊(duì)借助ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)對東海的浮游生物樣品進(jìn)行粒徑多樣性分析，獲得的關(guān)鍵數(shù)據(jù)解釋了東海西部浮游動(dòng)植物生物量之間的時(shí)空不匹配現(xiàn)象，為進(jìn)一步驗(yàn)證粒徑多樣性假說在實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)或?qū)嶒?yàn)中的可靠性提供了方法。相關(guān)成果以“Seasonal variation in size diversity: Explaining the spatial mismatch between phytoplankton and mesozooplankton in fishing grounds of the East China Sea”為題發(fā)表于Ecological Indicators期刊（IF=4.96，中科院二區(qū)）。孫棟副研究員為論文第一作者，劉鎮(zhèn)盛研究員和王春生研究員為論文的共同通訊作者。

 

研究背景

東海（ECS）是重要的漁場。在以往的實(shí)地研究中，一直發(fā)現(xiàn)東海中浮游植物的種群數(shù)量與浮游動(dòng)物生物量之間沒有正相關(guān)關(guān)系。這種現(xiàn)象稱為“浮游植物和中型浮游動(dòng)物之間的不匹配”或“Z/P的變異”。

 

在浮游生態(tài)系統(tǒng)中，物種之間的營養(yǎng)關(guān)系會(huì)受到群落粒徑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈調(diào)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)化粒徑譜（NBSS）的斜率和群落粒徑多樣性被認(rèn)為是粒徑結(jié)構(gòu)框架中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，水生群落中食肉動(dòng)物的存在會(huì)阻礙初級生產(chǎn)者向植食性動(dòng)物傳遞能量的效率，即當(dāng)中型浮游動(dòng)物處于較強(qiáng)的捕食壓力下時(shí)，它們對浮游植物的控制較弱。此外，還有人認(rèn)為大型的初級生產(chǎn)者是中型浮游動(dòng)物的初選擇，初級生產(chǎn)者的粒徑結(jié)構(gòu)變化將影響沿海水域浮游植物和浮游動(dòng)物之間的營養(yǎng)關(guān)系。因此，浮游動(dòng)物標(biāo)準(zhǔn)化粒徑譜（NBSS）的斜率、浮游動(dòng)物群落粒徑多樣性、浮游動(dòng)物食性魚類的捕食壓力及較大型初級生產(chǎn)者的存在都可能會(huì)造成東海出現(xiàn)浮游植物和中型浮游動(dòng)物之間不匹配的現(xiàn)象。

研究成果

研究團(tuán)隊(duì)在東海西部的32個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了采樣（圖1）。在2019年1月、4月、7月和10月進(jìn)行的4個(gè)航次中，總共收集了122個(gè)中型浮游動(dòng)物樣本用于數(shù)據(jù)分析。

 

圖1. 中國東海西部兩個(gè)重要漁場的海流和采樣站點(diǎn)圖。在每個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行浮游生物采樣和環(huán)境調(diào)查。箭頭表示中國臺灣暖流（TWC）和東海沿岸流（ECSCC）。

 

收集到的樣品使用法國HYDROPTIC公司的ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)（圖2）進(jìn)行測量。在使用過程中，直接將處理好的浮游動(dòng)物樣品倒入ZooSCAN 11cm×24cm的掃描區(qū)域中進(jìn)行掃描, 每次掃描通常測量500-4000個(gè)個(gè)體，掃描精度為4800dpi，以得到浮游動(dòng)物樣品的圖片；之后使用儀器配套的ZooProcess軟件對樣品圖片進(jìn)行處理，得到浮游動(dòng)物數(shù)量、不同浮游動(dòng)物的等效球體直徑（ESD）等關(guān)鍵生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，由此計(jì)算浮游動(dòng)物個(gè)體的粒徑、生物量；此外，利用儀器攜帶的軟件上的數(shù)據(jù)庫，可以對被檢測對象自動(dòng)進(jìn)行浮游動(dòng)物種類分類，以便對不同類群的浮游動(dòng)物進(jìn)行生物學(xué)統(tǒng)計(jì)。

圖2. 浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)ZooSCAN

 

此外，采用標(biāo)準(zhǔn)方法測得單位面積浮游動(dòng)物食性魚類的生物量（kg km^-2），代表對中型浮游動(dòng)物的捕食壓力。測得>20 μm Chl a/總Chl a的比值作為浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)的代用指標(biāo)，代表較大的初級生產(chǎn)者。

使用線性混合效應(yīng)模型（LMM）研究Z/P如何受到浮游動(dòng)物群落粒徑多樣性、NBSS斜率、浮游動(dòng)物食性魚類的捕食壓力以及較大的初級生產(chǎn)者比率的影響。以此來驗(yàn)證造成浮游植物和中型浮游動(dòng)物之間不匹配的四個(gè)假設(shè)：（a）中型浮游動(dòng)物標(biāo)準(zhǔn)化粒徑譜（NBSS）更平坦的斜率提高了Z/P；（b）較高的中型浮游動(dòng)物粒徑多樣性增強(qiáng)了Z/P；（c）來自浮游動(dòng)物食性魚類的更強(qiáng)的捕食壓力降低了Z/P；（d）規(guī)模較大的初級生產(chǎn)者提高了Z/P。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明log₂（Z/P）存在較強(qiáng)的季節(jié)性變化。春季中，粒徑多樣性是重要的解釋變量（p = 0.004）。夏季中，粒徑多樣性、NBSS斜率和浮游動(dòng)物食性魚類的生物量都是重要的解釋變量（p < 0.05），兩個(gè)重要的解釋變量（粒徑多樣性和NBSS斜率）顯示出相似的解釋力（ΔAIC = 0.18），表明它們都是可靠的預(yù)測因子。秋季中，也是僅有浮游動(dòng)物的粒徑多樣性與Log₂（Z/P）呈正相關(guān)（p = 0.017）。浮游動(dòng)物食性魚類生物量的模型解釋Log₂（Z/P）的空間變異（夏季AIC = 132.80，秋季 AIC = 110.12）現(xiàn)象。然而，它不能支持假設(shè)c（即來自浮游動(dòng)物食性魚類更強(qiáng)的捕食壓力降低了Log₂（Z/P）），因?yàn)長MM顯示Log₂（Z/P）與浮游動(dòng)物食性魚類生物量之間顯著正相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：除冬季外，浮游動(dòng)物的粒徑多樣性影響了各個(gè)季節(jié)的Z/P空間變化。浮游動(dòng)物的體型強(qiáng)烈地預(yù)測了浮游動(dòng)物和浮游植物之間的營養(yǎng)相互作用。此外，浮游動(dòng)物的NBSS斜率也是影響浮游生態(tài)系統(tǒng)中Z/P的重要因素，但其僅在夏季與Z/P顯著相關(guān)。假設(shè)c（來自浮游動(dòng)物食性魚類更強(qiáng)的捕食壓力）不能在每個(gè)季節(jié)都得到支持。假設(shè)d（規(guī)模較大的初級生產(chǎn)者）也沒有在每個(gè)季節(jié)得到支持。

在ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)的助力下，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了東海西部浮游植物與中型浮游動(dòng)物生物量之間空間不匹配（Z/P的變異）的假設(shè)，并得出結(jié)論：除冬季外，浮游動(dòng)物的粒徑多樣性是東海中各季節(jié)Z/P空間變化的*佳解釋。

該研究受到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2018YFC1406304）和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（42076122, 41976091）的共同資助。