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構和垂直分布的影響，為評估冷泉區(qū)海底甲烷滲漏的生態(tài)效應提供了基礎數(shù)據(jù)。

研究背景

海洋食物網普遍存在著“大粒級攝食小粒級"的現(xiàn)象，這樣導致其物質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)的結構、功能及其對環(huán)境變化的響應。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)都被應用于粒徑譜的構建。近年來，圖像掃描自動識別技術在浮游生物研究上得到了廣泛應用，該技術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對上方水體的生物群落產生持續(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構的影響尚未見報道。

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)設置了5個調查站位（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

研究結果

該研究的結果顯示：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水層的粒徑結構表現(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)的生產力水平從表到底逐漸下降，但浮游食物網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構可能受到冷泉區(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

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)效應提供了基礎數(shù)據(jù)。

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

論文相關信息：

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.