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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：1412 發布時間：2020-2-26在海洋生態系統中，浮游動物占據著食物鏈的一個中心位置，它是初級生產力向高營養級進行傳遞的中間傳遞者，也是浮游食物網、物質循環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整個生態系統是否健康的重要指標。
圖1 海洋浮游動物參與的碳循環途徑（Steinberg, D. K., & Landry, M. R., 2017）
近年來，變暖被認為是未來海洋生態系統變化的重要因素之一。目前，許多研究者已經發現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，對海洋生態系統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網徑的垂直拖網分別于膠州灣站位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、鹽度等數據。
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（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軟件上的數據庫，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計。
計算公式：
豐度（個體數/m3）=浮游動物數量*(稀釋倍數/拖網體積)；
生物量（mm3/ m3）=浮游動物個體體積*(稀釋倍數/拖網體積)；
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，拖網體積可通過網口面積乘以網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ZooSCAN
通過對站位5及站位10的樣品進行數據觀察分析后發現，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的浮游動物數據計算得到：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）。總體來說，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現，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/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，他發現浮游動物數量逐漸減少，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、豐度和生物量數據，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，這對該海域的生態系統變化及健康狀況具有重要的指導意義。