ZooSCAN技术揭秘南海冷泉区浮游动物群落结构组成！

近期，中国科学院热带海洋生物资源与生态重 点实验室柯志新研究员团队基于ZooSCAN图像分析的方法，研究了南海深处浮游动物的垂直分布特征以及冷泉区甲烷气体渗漏对上方水体浮游动物群落结构和垂直分布的影响，为评估冷泉区海底甲烷渗漏的生态效应提供了基础数据。

研究背景

海洋食物网普遍存在着“大粒级摄食小粒级”的现象，这样导致其物质积累和能量流动沿着“由小到大”的方向。这一特点有利于通过特定生物群落的粒径级分布了解生态系统的结构、功能及其对环境变化的响应。生物的等效球径、等效椭球体积、干重、元素含量等各种表示粒径级大小的参数都被应用于粒径谱的构建。近年来，图像扫描自动识别技术在浮游生物研究上得到了广泛应用，该技术将研究者从繁重的显微镜检工作中解放出来，能够简化粒径谱构建的工作量。

处于活动状态的冷泉是甲烷水合物或其他碳氢化合物从海床往外渗漏的地带。海底碳氢化合物的渗漏能够对上方水体的生物群落产生持续性的影响，自养微生物的化能合成过程可以发生在远离渗漏处上百米的区域。目前，“海马”冷泉区上方水体的浮游动物分布及甲烷渗漏对其群落结构的影响尚未见报道。

研究过程

柯志新研究员的研究团队于2020年9月在“海马”冷泉区设置了5个调查站位（ROV1-ROV5，图1），各个站位均使用德国HYDRO-BIOS公司的浮游生物连续采样网MultiNet（图2）于1250m以浅的水域采集浮游动物样品（每个站位采集9个水层，分别为：0~25m，25~50m，50~100m，100~200m，200~400m，400~600m，600~800m，800~1000m，1000~1250m）。

近期，中国科学院热带海洋生物资源与生态重 点实验室柯志新研究员团队基于ZooSCAN图像分析的方法，研究了南海深处浮游动物的垂直分布特征以及冷泉区甲烷气体渗漏对上方水体浮游动物群落结构和垂直分布的影响，为评估冷泉区海底甲烷渗漏的生态效应提供了基础数据。

研究背景

海洋食物网普遍存在着“大粒级摄食小粒级”的现象，这样导致其物质积累和能量流动沿着“由小到大”的方向。这一特点有利于通过特定生物群落的粒径级分布了解生态系统的结构、功能及其对环境变化的响应。生物的等效球径、等效椭球体积、干重、元素含量等各种表示粒径级大小的参数都被应用于粒径谱的构建。近年来，图像扫描自动识别技术在浮游生物研究上得到了广泛应用，该技术将研究者从繁重的显微镜检工作中解放出来，能够简化粒径谱构建的工作量。

处于活动状态的冷泉是甲烷水合物或其他碳氢化合物从海床往外渗漏的地带。海底碳氢化合物的渗漏能够对上方水体的生物群落产生持续性的影响，自养微生物的化能合成过程可以发生在远离渗漏处上百米的区域。目前，“海马”冷泉区上方水体的浮游动物分布及甲烷渗漏对其群落结构的影响尚未见报道。

研究过程

柯志新研究员的研究团队于2020年9月在“海马”冷泉区设置了5个调查站位（ROV1-ROV5，图1），各个站位均使用德国HYDRO-BIOS公司的浮游生物连续采样网MultiNet（图2）于1250m以浅的水域采集浮游动物样品（每个站位采集9个水层，分别为：0~25m，25~50m，50~100m，100~200m，200~400m，400~600m，600~800m，800~1000m，1000~1250m）。

图1.“海马”冷泉区采样站位示意图

  图2.浮游生物连续采样网MultiNet

采集到的浮游动物样品使用法国HYDROPTIC公司的浮游动物图像扫描分析系统（ZooSCAN，图3、图4）进行扫描成像和自动分类，并使用ZooSCAN自带的软件对浮游动物个体的形态学信息进行测量，用于计算浮游动物的等效椭球体积，以此来构建浮游动物的粒径谱和标准化生物量谱（NBSS）。

计算公式：

1.等效椭球体积：

V=(4π/3) * (major/2) * (minor/2)^2

其中，major和minor分别为ZooSCAN软件计算的浮游动物个体长轴长和短轴长。

2. 标准化生物量谱（NBSS）：

log2(Ai/∆V) = alog2Vi+b

其中，Vi为各个粒径的等效椭球体积上限，Ai代表该粒径级的总生物量，∆V代表粒径级间隔。

图3.浮游动物图像扫描分析系统ZooSCAN

图4. ZooSCAN扫描的浮游生物图片

研究结果

该研究的结果显示：浮游动物丰度和生物量主要集中在0~100m水层，低于100m后，浮游动物的丰度和生物量随水深增加均快速下降，在1000~1250水层平均分别仅为8.33ind·m-3和12.10mm3·m-3。

图5.“海马”冷泉0-1250m浮游动物总丰度（ind·m-3）和总生物量（mm3·m-3）的垂直分布

总的来说，桡足类是各水层浮游动物的优势类群（图6），胶质类浮游动物在深层中的占比上升。冷泉渗漏活动强烈的ROV1站位与活动较弱的ROV5站位在0~200m水层小粒径级的生物量组成相似，但在600~1250m水层的粒径结构表现出两种不同的模式。在600~1250m水层，ROV5站的大粒径级水母贡献了一半以上的生物量，而ROV1站的生物量主要存在于各粒径级的桡足类贡献。

图6.“海马”冷泉区0~200m，200~600m和600~1250m浮游动物丰度和生物量组成

“海马”冷泉区不同站位和水层NBSS斜率的变动范围为-0.94~-0.57，截距的变化范围为-2.10~5.94（图7）。从表层到底层，NBSS基本呈现斜率逐渐增大而截距逐渐减小的趋势。这反映了浮游生态系统的生产力水平从表到底逐渐下降，但浮游食物网的能量传递效率逐渐增加。

甲烷气体渗漏强度Z大的ROV1站位在1000~1250m水层表现出异常的粒径谱特征，NBSS的斜率a显著低于同水层其他站位，同时在600~800m水层出现浮游动物丰度的相对高值，推测该站位的浮游动物群落结构可能受到冷泉区甲烷渗漏的影响。 

图7.“海马”冷泉区各站位水层标准化生物量谱基本参数

总结

中国科学院热带海洋生物资源与生态重 点实验室的专家们通过对“海马”冷泉区不同水层的浮游动物丰度、生物量及粒径谱进行研究，分析了随水深变化和不同甲烷渗漏强度下浮游动物的垂直分布情况，为评估该区域的生态效应提供了基础数据。

使用ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统构建粒径谱较传统方法而言更加便捷、高效，可以与其他方法构建的粒径谱参数相互比较，具有推广、应用到更多海域的研究中的潜力！

论文相关信息：

1. 李若飞, 柯志新, 李开枝, 等. 基于ZooScan图像分析的 “海马” 冷泉区浮游动物垂直分布特征[J]. 热带海洋学报, 2022: 0-0.