近期，海洋二所王春生研究員團隊借助ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統對東海的浮游生物樣品進(jìn)行粒徑多樣性分析，獲得的關(guān)鍵數據解釋了東海西部浮游動(dòng)植物生物量之間的時(shí)空不匹配現象，為進(jìn)一步驗證粒徑多樣性假說(shuō)在實(shí)際生態(tài)系統或實(shí)驗中的可靠性提供了方法。相關(guān)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(fā)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）是中國最重要的漁場(chǎng)。在以往的實(shí)地研究中，一直發(fā)現東海中浮游植物的種群數量與浮游動(dòng)物生物量之間沒(méi)有正相關(guān)關(guān)系。這種現象稱(chēng)為“浮游植物和中型浮游動(dòng)物之間的不匹配”或“Z/P的變異”。

在浮游生態(tài)系統中，物種之間的營(yíng)養關(guān)系會(huì )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(gè)關(guān)鍵參數。另外，有研究發(fā)現，水生群落中食肉動(dòng)物的存在會(huì )阻礙初級生產(chǎn)者向植食性動(dòng)物傳遞能量的效率，即當中型浮游動(dòng)物處于較強的捕食壓力下時(shí)，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(chǎn)者是中型浮游動(dòng)物的首選，初級生產(chǎn)者的粒徑結構變化將影響沿海水域浮游植物和浮游動(dòng)物之間的營(yíng)養關(guān)系。因此，浮游動(dòng)物標準化粒徑譜（NBSS）的斜率、浮游動(dòng)物群落粒徑多樣性、浮游動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)的捕食壓力及較大型初級生產(chǎn)者的存在都可能會(huì )造成東海出現浮游植物和中型浮游動(dòng)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(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了采樣（圖1）。在2019年1月、4月、7月和10月進(jìn)行的4個(gè)航次中，總共收集了122個(gè)中型浮游動(dòng)物樣本用于數據分析。

圖1. 中國東海西部?jì)蓚€(gè)重要漁場(chǎng)的海流和采樣站點(diǎn)圖。在每個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行浮游生物采樣和環(huán)境調查。箭頭表示臺灣暖流（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(dòng)物圖像掃描分析系統（圖2）進(jìn)行測量。在使用過(guò)程中，直接將處理好的浮游動(dòng)物樣品倒入ZooSCAN 11cm×24cm的掃描區域中進(jìn)行掃描, 每次掃描通常測量500-4000個(gè)個(gè)體，掃描精度為4800dpi，以得到浮游動(dòng)物樣品的圖片；之后使用儀器配套的ZooProcess軟件對樣品圖片進(jìn)行處理，得到浮游動(dòng)物數量、不同浮游動(dòng)物的等效球體直徑（ESD）等關(guān)鍵生態(tài)學(xué)數據，由此計算浮游動(dòng)物個(gè)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(dòng)進(jìn)行浮游動(dòng)物種類(lèi)分類(lèi)，以便對不同類(lèi)群的浮游動(dòng)物進(jìn)行生物學(xué)統計。

圖2. 浮游動(dòng)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(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)的生物量（kg km^-2），代表對中型浮游動(dòng)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(chǎn)者。

使用線(xiàn)性混合效應模型（LMM）研究Z/P如何受到浮游動(dòng)物群落粒徑多樣性、NBSS斜率、浮游動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)的捕食壓力以及較大的初級生產(chǎn)者比率的影響。以此來(lái)驗證造成浮游植物和中型浮游動(dòng)物之間不匹配的四個(gè)假設：（a）中型浮游動(dòng)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(dòng)物粒徑多樣性增強了Z/P；（c）來(lái)自浮游動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)的更強的捕食壓力降低了Z/P；（d）規模較大的初級生產(chǎn)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，粒徑多樣性是唯一重要的解釋變量（p = 0.004）。夏季中，粒徑多樣性、NBSS斜率和浮游動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)的生物量都是重要的解釋變量（p < 0.05），兩個(gè)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(dòng)物的粒徑多樣性與Log₂（Z/P）呈正相關(guān)（p = 0.017）。浮游動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)生物量的模型最適合解釋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(lái)自浮游動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)更強的捕食壓力降低了Log₂（Z/P）），因為L(cháng)MM顯示Log₂（Z/P）與浮游動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)生物量之間顯著(zhù)正相關(guān)。

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

在ZooSCAN浮游動(dòng)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(dòng)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(dòng)物的粒徑多樣性是東海中各季節Z/P空間變化的最佳解釋。

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

論文相關(guān)信息：

Sun D, Chen Y, Feng Y, et al. Seasonal variation in size diversity: Explaining the spatial mismatch between phytoplankton and mesozooplankton in fishing grounds of the East China Sea. Ecological Indicators, 2021, 131: 108201.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1470160X21008669.

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浮游動(dòng)物圖像分析掃描系統