近期，海洋二所王春生研究員團隊借助ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統對東海的浮游生物樣品進行粒徑多樣性分析，獲得的關鍵數據解釋了東海西部浮游動植物生物量之間的時空不匹配現象，為進一步驗證粒徑多樣性假說在實際生態系統或實驗中的可靠性提供了方法。相關成果以“Seasonal variation in size diversity: Explaining the spatial mismatch between phytoplankton and mesozooplankton in fishing grounds of the East China Sea”為題發表于Ecological Indicators期刊（IF=4.96，中科院二區）。孫棟副研究員為論文第一作者，劉鎮盛研究員和王春生研究員為論文的共同通訊作者。

 

研究背景

東海（ECS）是重要的漁場。在以往的實地研究中，一直發現東海中浮游植物的種群數量與浮游動物生物量之間沒有正相關關系。這種現象稱為“浮游植物和中型浮游動物之間的不匹配”或“Z/P的變異”。

 

在浮游生態系統中，物種之間的營養關系會受到群落粒徑結構的強烈調節。標準化粒徑譜（NBSS）的斜率和群落粒徑多樣性被認為是粒徑結構框架中的兩個關鍵參數。另外，有研究發現，水生群落中食肉動物的存在會阻礙初級生產者向植食性動物傳遞能量的效率，即當中型浮游動物處于較強的捕食壓力下時，它們對浮游植物的控制較弱。此外，還有人認為大型的初級生產者是中型浮游動物的初選擇，初級生產者的粒徑結構變化將影響沿海水域浮游植物和浮游動物之間的營養關系。因此，浮游動物標準化粒徑譜（NBSS）的斜率、浮游動物群落粒徑多樣性、浮游動物食性魚類的捕食壓力及較大型初級生產者的存在都可能會造成東海出現浮游植物和中型浮游動物之間不匹配的現象。

研究成果

研究團隊在東海西部的32個站點進行了采樣（圖1）。在2019年1月、4月、7月和10月進行的4個航次中，總共收集了122個中型浮游動物樣本用于數據分析。

 

圖1. 中國東海西部兩個重要漁場的海流和采樣站點圖。在每個站點進行浮游生物采樣和環境調查。箭頭表示中國臺灣暖流（TWC）和東海沿岸流（ECSCC）。

 

收集到的樣品使用法國HYDROPTIC公司的ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統（圖2）進行測量。在使用過程中，直接將處理好的浮游動物樣品倒入ZooSCAN 11cm×24cm的掃描區域中進行掃描, 每次掃描通常測量500-4000個個體，掃描精度為4800dpi，以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、不同浮游動物的等效球體直徑（ESD）等關鍵生態學數據，由此計算浮游動物個體的粒徑、生物量；此外，利用儀器攜帶的軟件上的數據庫，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。

圖2. 浮游動物圖像掃描分析系統ZooSCAN

 

此外，采用標準方法測得單位面積浮游動物食性魚類的生物量（kg km^-2），代表對中型浮游動物的捕食壓力。測得>20 μm Chl a/總Chl a的比值作為浮游植物粒徑結構的代用指標，代表較大的初級生產者。

使用線性混合效應模型（LMM）研究Z/P如何受到浮游動物群落粒徑多樣性、NBSS斜率、浮游動物食性魚類的捕食壓力以及較大的初級生產者比率的影響。以此來驗證造成浮游植物和中型浮游動物之間不匹配的四個假設：（a）中型浮游動物標準化粒徑譜（NBSS）更平坦的斜率提高了Z/P；（b）較高的中型浮游動物粒徑多樣性增強了Z/P；（c）來自浮游動物食性魚類的更強的捕食壓力降低了Z/P；（d）規模較大的初級生產者提高了Z/P。

統計結果表明log₂（Z/P）存在較強的季節性變化。春季中，粒徑多樣性是重要的解釋變量（p = 0.004）。夏季中，粒徑多樣性、NBSS斜率和浮游動物食性魚類的生物量都是重要的解釋變量（p < 0.05），兩個重要的解釋變量（粒徑多樣性和NBSS斜率）顯示出相似的解釋力（ΔAIC = 0.18），表明它們都是可靠的預測因子。秋季中，也是僅有浮游動物的粒徑多樣性與Log₂（Z/P）呈正相關（p = 0.017）。浮游動物食性魚類生物量的模型解釋Log₂（Z/P）的空間變異（夏季AIC = 132.80，秋季 AIC = 110.12）現象。然而，它不能支持假設c（即來自浮游動物食性魚類更強的捕食壓力降低了Log₂（Z/P）），因為LMM顯示Log₂（Z/P）與浮游動物食性魚類生物量之間顯著正相關。

實驗結果證明：除冬季外，浮游動物的粒徑多樣性影響了各個季節的Z/P空間變化。浮游動物的體型強烈地預測了浮游動物和浮游植物之間的營養相互作用。此外，浮游動物的NBSS斜率也是影響浮游生態系統中Z/P的重要因素，但其僅在夏季與Z/P顯著相關。假設c（來自浮游動物食性魚類更強的捕食壓力）不能在每個季節都得到支持。假設d（規模較大的初級生產者）也沒有在每個季節得到支持。

在ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統的助力下，研究團隊驗證了東海西部浮游植物與中型浮游動物生物量之間空間不匹配（Z/P的變異）的假設，并得出結論：除冬季外，浮游動物的粒徑多樣性是東海中各季節Z/P空間變化的*佳解釋。

該研究受到了國家重點研發計劃課題（2018YFC1406304）和國家自然科學基金面上項目（42076122, 41976091）的共同資助。