ZooSCAN助力山东沿海浮游动物动态研究

近日，中国科学院海洋研究所科研团队借助ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统，对中国山东沿海水域浮游动物群落的季节动态及其能量传递效率进行了系统评估，并深入揭示了其生态功能与主要环境影响机制。

研究背景

浮游动物是海洋食物网中的关键环节，在能量传递和物质循环中发挥重要作用。它们不仅联结初级生产者与高营养级生物，还通过参与海洋生物泵和颗粒物垂直通量等过程，显著影响海洋生物地球化学循环。气候变化、海水理化参数以及海洋动力过程的变化，都可能改变浮游动物的丰度、粒径结构及空间分布。

山东沿海水域受黄河等多条河流输入及黄海、渤海水团交汇影响，具有复杂的物理环境和丰富的浮游动物多样性，是该区域多种经济鱼类的重要产卵和索饵场所。然而，针对该区域浮游动物群落结构及其能量传递效率的系统研究仍相对缺乏。因此，本研究旨在深入解析该区域浮游动物的群落特征与能量传递效率，为全面理解海洋生态系统的功能与健康状态提供依据。

研究方法

研究于2022年春季（5月）、夏季（8月）和2022-2023年冬季（12月及次年2月）在山东沿海的16个站点（图1）进行了浮游动物采样。样品采集后立即使用5%福尔马林海水溶液固定保存，并同步采集海水环境参数。

固定后的浮游动物样品采用ZooSCAN系统进行高分辨率扫描（4800 dpi），获取浮游动物数字图像，并利用配套软件进行图像处理、形态参数分析及种类鉴定。基于所获取的形态学参数（如长轴、短轴、等效球体直径等），研究计算了标准化生物量粒径谱（NBSS）、分类多样性指数（H'）、粒径多样性指数（μ）、平均等效球径（ESD）及肉食性与草食/杂食性浮游动物生物量比（RTCH）等功能性指标，从而评估浮游动物群落结构及能量传递效率。

图1 调查区域及采样站位

研究结果

1.环境特征：水温、盐度和溶解氧均表现出显著的季节和空间差异（表1）。夏季水温最高（25.77±1.53°C），冬季最低（3.57±1.57°C）。叶绿素a浓度在渤海区域始终较高。

表1 不同季节环境因子平均值（±SD）及变化范围。

2.群落结构与粒径分布：研究共鉴定出16个浮游动物类群，其中桡足类（Copepod）在各季节均占据优势（图2）。春季和冬季以小型个体（ESD: 0.2–0.5 mm）为主，而夏季中大型个体（>4 mm）比例显著上升。浮游动物丰度和生物量均在春季达到最高，莱州湾养殖区始终呈现高值（图3）。

图2 山东近海海域浮游动物群落结构及粒径分布的季节性变化。

（a）基于相对丰度的分类结构；（b）基于相对生物体积的分类结构；（c）基于相对丰度的粒径结构；（d）基于相对生物体积的粒径结构。

图3 山东近海不同季节浮游动物数量及生物体积的空间分布；

a-d：不同季节浮游动物数量（个/m3）的空间分布；e-h：不同季节浮游动物生物体积（mm3/m3）的空间分布。

3.能量传递效率（图4）：春季NBSS斜率最缓（-0.91）、截距最高（10.99），粒径多样性指数最大（1.84±0.32），RTCH值最低（0.16±0.22），表明该季节能量传递效率最高。夏季尽管斜率较缓，但由于水母类生物占比较高，导致能量向高营养级传递的效率降低。

图4 山东近海不同季节各类浮游动物功能指标的箱线图。

（a）香农-维纳多样性指数；（b）NBSS斜率；（c）NBSS截距；（d）粒径多样性指数；（e）平均ESD；（f）RTCH。

4.环境驱动因素：冗余分析（RDA）（图5）表明，春季浮游动物群落主要受盐度和叶绿素a浓度影响；夏季和冬季则主要受水温控制；溶解氧在冬季也成为显著影响因子。

图5 山东近海不同季节浮游动物丰度RDA与环境因子关系研究中的物种注释：

App.：被囊动物幼体；Cha.：毛颚动物；Cop.：桡足类；Cru.：甲壳类；Mys.：糠虾类；Med.：水母类；Ami.：端足类；Tha.：海樽类；Biv.：双壳类；Gas.：腹足类；Poly.：多毛类；Noc.：夜光虫；Nau.：桡足类无节幼体；lar.：鱼卵及仔鱼；Oph.：海蛇尾类

研究结论

本研究通过多指标综合评价，揭示了山东沿海浮游动物群落结构及其能量传递效率具有明显的季节差异，其中，春季为能量传递效率最高的季节。

ZooSCAN技术的应用实现了浮游动物类群与粒径结构的高通量、标准化分析，为相关研究提供了可靠方法支持。环境因子中，水温、盐度和叶绿素a是驱动浮游动物动态的关键因素。研究表明，近岸水域由于营养盐输入充足，初级生产力较高，但能量向高营养级传递的效率低于外海。该研究为山东沿海生态系统的管理、保护和可持续利用提供了科学依据，建议未来结合长期监测与控制实验，进一步揭示气候变化与人类活动对海洋能流途径的影响。