近期，中國科學院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室柯志新研究員團隊基于ZooSCAN圖像分析的方法，研究了南海深處浮游動物的垂直分布特征以及冷泉區(qū)甲烷氣體滲漏對上方水體浮游動物群落結(jié)構(gòu)和垂直分布的影響，為評估冷泉區(qū)海底甲烷滲漏的生態(tài)效應(yīng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

研究背景

海洋食物網(wǎng)普遍存在著“大粒級攝食小粒級”的現(xiàn)象，這樣導致其物質(zhì)積累和能量流動沿著“由小到大”的方向。這一特點有利于通過特定生物群落的粒徑級分布了解生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及其對環(huán)境變化的響應(yīng)。生物的等效球徑、等效橢球體積、干重、元素含量等各種表示粒徑級大小的參數(shù)都被應(yīng)用于粒徑譜的構(gòu)建。近年來，圖像掃描自動識別技術(shù)在浮游生物研究上得到了廣泛應(yīng)用，該技術(shù)將研究者從繁重的顯微鏡檢工作中解放出來，能夠簡化粒徑譜構(gòu)建的工作量。

處于活動狀態(tài)的冷泉是甲烷水合物或其他碳氫化合物從海床往外滲漏的地帶。海底碳氫化合物的滲漏能夠?qū)ι戏剿�體的生物群落產(chǎn)生持續(xù)性的影響，自養(yǎng)微生物的化能合成過程可以發(fā)生在遠離滲漏處上百米的區(qū)域。目前，“海馬”冷泉區(qū)上方水體的浮游動物分布及甲烷滲漏對其群落結(jié)構(gòu)的影響尚未見報道。

研究過程

柯志新研究員的研究團隊于2020年9月在“海馬”冷泉區(qū)設(shè)置了5個調(diào)查站位（ROV1-ROV5，圖1），各個站位均使用德國HYDRO-BIOS公司的浮游生物連續(xù)采樣網(wǎng)MultiNet（圖2）于1250m以淺的水域采集浮游動物樣品（每個站位采集9個水層，分別為：0~25m，25~50m，50~100m，100~200m，200~400m，400~600m，600~800m，800~1000m，1000~1250m）。

圖1.“海馬”冷泉區(qū)采樣站位示意圖

圖2.浮游生物連續(xù)采樣網(wǎng)MultiNet 

采集到的浮游動物樣品使用法國HYDROPTIC公司的浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)（ZooSCAN，圖3、圖4）進行掃描成像和自動分類，并使用ZooSCAN自帶的軟件對浮游動物個體的形態(tài)學信息進行測量，用于計算浮游動物的等效橢球體積，以此來構(gòu)建浮游動物的粒徑譜和標準化生物量譜（NBSS）。

計算公式：

1.等效橢球體積：
V=(4π/3) * (major/2) * (minor/2)^2
其中，major和minor分別為ZooSCAN軟件計算的浮游動物個體長軸長和短軸長。

2. 標準化生物量譜（NBSS）：
log2(Ai/∆V) = alog2Vi+b
其中，Vi為各個粒徑的等效橢球體積上限，Ai代表該粒徑級的總生物量，∆V代表粒徑級間隔。

圖3.浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)ZooSCAN

圖4. ZooSCAN掃描的浮游生物圖片

研究結(jié)果

該研究的結(jié)果顯示：浮游動物豐度和生物量主要集中在0~100m水層，低于100m后，浮游動物的豐度和生物量隨水深增加均快速下降，在1000~1250水層平均分別僅為8.33ind·m-3和12.10mm3·m-3。

圖5.“海馬”冷泉0-1250m浮游動物總豐度（ind·m-3）和總生物量（mm3·m-3）的垂直分布

總的來說，橈足類是各水層浮游動物的優(yōu)勢類群（圖6），膠質(zhì)類浮游動物在深層中的占比上升。冷泉滲漏活動強烈的ROV1站位與活動較弱的ROV5站位在0~200m水層小粒徑級的生物量組成相似，但在600~1250m水層的粒徑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出兩種不同的模式。在600~1250m水層，ROV5站的大粒徑級水母貢獻了一半以上的生物量，而ROV1站的生物量主要存在于各粒徑級的橈足類貢獻。

圖6.“海馬”冷泉區(qū)0~200m，200~600m和600~1250m浮游動物豐度和生物量組成

“海馬”冷泉區(qū)不同站位和水層NBSS斜率的變動范圍為-0.94~-0.57，截距的變化范圍為-2.10~5.94（圖7）。從表層到底層，NBSS基本呈現(xiàn)斜率逐漸增大而截距逐漸減小的趨勢。這反映了浮游生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平從表到底逐漸下降，但浮游食物網(wǎng)的能量傳遞效率逐漸增加。

甲烷氣體滲漏強度最大的ROV1站位在1000~1250m水層表現(xiàn)出異常的粒徑譜特征，NBSS的斜率a顯著低于同水層其他站位，同時在600~800m水層出現(xiàn)浮游動物豐度的相對高值，推測該站位的浮游動物群落結(jié)構(gòu)可能受到冷泉區(qū)甲烷滲漏的影響。  圖7.“海馬”冷泉區(qū)各站位水層標準化生物量譜基本參數(shù)

總結(jié)

中國科學院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室的專家們通過對“海馬”冷泉區(qū)不同水層的浮游動物豐度、生物量及粒徑譜進行研究，分析了隨水深變化和不同甲烷滲漏強度下浮游動物的垂直分布情況，為評估該區(qū)域的生態(tài)效應(yīng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

使用ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)構(gòu)建粒徑譜較傳統(tǒng)方法而言更加便捷、高效，可以與其他方法構(gòu)建的粒徑譜參數(shù)相互比較，具有推廣、應(yīng)用到更多海域的研究中的潛力！
 

論文相關(guān)信息：

1. 李若飛, 柯志新, 李開枝, 等. 基于ZooScan圖像分析的 “海馬” 冷泉區(qū)浮游動物垂直分布特征[J]. 熱帶海洋學報, 2022: 0-0.