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ZooSCAN助力解析膠州灣浮游動物年際驅動機制
閱讀：76 發(fā)布時間：2025-5-27近期，福建農(nóng)林大學科研人員基于ZooSCAN圖像分析的方法，利用九年的綜合生物和環(huán)境數(shù)據(jù)，揭示了膠州灣中型浮游動物群落時間變異性的多尺度驅動機制。
研究背景
膠州灣是位于中國黃海的一個典型半封閉海灣，受人類活動與自然變化的雙重影響，近年來面臨富營養(yǎng)化、水母暴發(fā)及ji端降水等環(huán)境的挑戰(zhàn)。浮游動物作為海洋食物網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，既是初級生產(chǎn)者與高營養(yǎng)級生物之間的紐帶，也是生物地球化學循環(huán)的關鍵參與者。然而，浮游動物群落的動態(tài)受多重因素調控，包括自下而上（如營養(yǎng)鹽輸入、浮游植物生產(chǎn)力）和自上而下（如捕食壓力）的驅動機制。盡管已有研究探討了這些機制在不同生態(tài)系統(tǒng)中的作用，但在復雜環(huán)境變化的背景下，二者如何相互作用并主導群落變化仍不明確。膠州灣頻繁的水母暴發(fā)與ji端降水事件為研究這一科學問題提供了理想場景。
本研究通過2003-2011年的長期監(jiān)測，旨在解析浮游動物群落的時空變化規(guī)律，明確環(huán)境驅動因子與水母捕食的相對貢獻，為全球氣候變化下的海岸帶生態(tài)管理提供科學依據(jù)。
研究方法
研究在膠州灣北部A3站（36°9′N, 120°15′E）開展，采用錐形浮游生物網(wǎng)進行垂直拖網(wǎng)采樣，每月中旬采樣一次（2003年5月至2011年12月，除2011年1月至5月外）。
圖1 中國膠州灣位置（左）和膠州灣北部A3采樣站位置（右）
浮游動物樣品通過ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)進行成像、分析，并使用系統(tǒng)自帶的軟件對浮游生物進行自動識別，將浮游生物圖像分類為七個類群，包括橈足類、被囊動物、毛顎動物、小型水母、枝角類、浮游幼蟲及夜光蟲，并經(jīng)過手動驗證確保分類的準確性。
圖2 ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)
數(shù)據(jù)分析采用聚類分析、Spearman等級相關分析和線性回歸分析等方法，探究浮游動物動態(tài)與環(huán)境變量之間的關系。
研究結果
研究期間，降雨、水溫、鹽度和葉綠素a濃度均表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化。浮游動物群落豐度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性模式，春季開始增加，夏季達到高峰，秋季迅速下降。
圖3 2003 - 2011年膠州灣北部采樣站位浮游動物總數(shù)和主要浮游動物類群的季節(jié)變化箱線圖
圖4 浮游動物豐度（indm?3）與環(huán)境變量之間的Spearman相關性
橈足類在浮游動物群落中占主導地位，其豐度變化主導了浮游動物群落的季節(jié)性波動。然而，浮游動物豐度的年際變異性顯著，2009年和2011年（水母暴發(fā)年份）豐度低谷，而2005年和2008年豐度最高。
聚類分析將研究年份分為非水母暴發(fā)期和水母暴發(fā)期，水母暴發(fā)期間，浮游動物總豐度顯著降低，群落結構發(fā)生變化，小型水母和毛顎動物的相對豐度增加。此外，水母暴發(fā)還導致浮游動物粒徑結構變化，小型浮游動物（尤其是小型橈足類）豐度顯著降低。
圖5 （a）浮游動物總量的年際變化；（b）膠州灣北部采樣站位5-8月高峰期浮游動物年最大豐度數(shù)據(jù)；NJBP（非水母暴發(fā)期），JBP（水母暴發(fā)期）
圖6 （a）總浮游動物及主要類群的豐度比較；（b）膠州灣北部采樣站位5-8月高峰期非水母暴發(fā)期與水母暴發(fā)期浮游動物類群豐度組成對比
浮游動物年最大豐度與降雨和葉綠素a濃度顯著正相關，與水溫無顯著相關性。這表明浮游動物群落的動態(tài)變化主要受資源供應（自下而上控制）和捕食壓力（自上而下控制）的共同影響。在水母暴發(fā)年份，自上而下的控制作用更為顯著，水母的大量捕食導致浮游動物豐度下降；而在水母未大量出現(xiàn)的年份，浮游動物豐度主要受葉綠素a濃度和降雨等自下而上因素的影響。
圖7 總浮游動物年最大豐度與高峰期（5-8月）環(huán)境變量的線性回歸分析
研究結論
本研究利用九年的綜合生物和環(huán)境數(shù)據(jù)，揭示了膠州灣中型浮游動物群落時間變異性的多尺度驅動機制。主要包括：
浮游動物群落表現(xiàn)出相似的季節(jié)性變化模式，豐度在晚春和夏季達到高峰，秋冬季節(jié)降至低谷，主要受降雨、水溫和葉綠素a濃度的控制。
浮游動物豐度的年際變異性顯著，受水母大量出現(xiàn)時的強烈捕食作用影響，同時在水母未大量出現(xiàn)的年份受葉綠素a濃度和降雨的自下而上控制。
研究表明，自上而下和自下而上的控制因素共同決定了膠州灣中型浮游動物群落的年際變化，且自上而下的控制作用強度大于自下而上。
本研究為深入理解浮游動物群落動態(tài)提供了重要見解，對全球氣候變化背景下經(jīng)歷大型水母暴發(fā)和ji端降雨事件的沿海生態(tài)系統(tǒng)具有借鑒意義。
參考文獻
1. Wang W, Wang N, Wang Y, et al. Evaluating top-down and bottom-up drivers of temporal mesozooplankton community variability in a temperate semi-enclosed bay, China[J]. Marine Pollution Bulletin, 2024, 209: 117149.