ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统助力北白令海浮游动物群落研究

2023年11月，日本北海道大学的专家Shino Kumagai基于ZooSCAN浮游动物图像扫描分析的研究方法，对2017年和2018年的北白令海浮游动物群落结构和粒径组成进行了调查，并对两个年份的结果进行了比较，以评估北白令海海冰减少对浮游动物粒径组成的影响。
 

研究背景

白令海北部位于浅海陆架上，由于其受到不同水团的影响，导致海域内不同地区的生物量和营养水平也有着较大的变化。近年来的卫星观测记录值显示，白令海北部季节性冰盖的持续时间和面积均出现减少的现象，并在2018年冬天达到了历史最低点。海冰范围的减少导致了早期海冰融化，并影响了生态系统内的几个营养级，出现了如浮游植物繁殖延迟，鱼类种群向北转移，海鸟数量减少等现象。
 

浮游动物粒径的大小反映了其营养水平，而鱼类也会根据浮游动物的粒径选择猎物，因此，确定浮游动物的粒径组成不仅对评估生态系统结构很重要，而且对确定其作为更高营养级食物资源的潜力也很重要。
 

Shino Kumagai在本实验中，利用ZooSCAN对白令海浮游动物群落结构和粒径组成进行了调查、比较，以评估海冰减少对浮游动物粒径组成以及捕食者-猎物的相互作用的影响。
 

研究方法
浮游动物采样于2017年7月11-22日和2018年7月2-12日期间进行；采样地点位于白令海北部（62°10′- 66°44′N，166°30′- 174°05′W；图1）；采样水层为海底上方5m（22 - 71m）至水表。
 

图1 白令海北部采样站位，彩色箭头表示该地区的主要洋流

采集到的浮游动物样品在实验室内用浮游动物图像扫描分析系统ZooSCAN（图2）进行分析。用其自带的软件Zooprocess对浮游动物个体的形态学信息进行测量，计算出浮游动物的椭圆体积（Volume，mm3）、等效球直径（ESD，μm）及生物体积（Biovolume：mm3m-2）等，并使用Ecotaxa浮游生物大数据共享平台（图3）对浮游动物进行识别和分类。此外，基于生物体积对浮游动物群落进行了聚类分析；基于粒径组成进行NBSS分析。

图2 浮游动物图像扫描分析系统ZooSCAN

图3 Ecotaxa浮游生物大数据共享平台

研究结果
基于所有浮游动物类群生物体积的聚类分析结果显示，浮游动物群落可分为Y2017N、Y2017S、Y2018三个类群，相似性分别为62%和65%（图4A）。其中，Y2017N组的特点是生物量低，产量低；Y2017S组的特点是生物量高，产量高，该类群主要由Calanus属生物组成；Y2018组的特点是生物量低，但产量高，该类群主要由小型桡足类和双壳类组成。

图4 A.基于浮游动物生物量的聚类分析结果；B.三大类群的水平分布；C.每个类群的总生物量和物种组成

对三个类群进行基于粒径组成的NBSS分析。结果表明，Y2018的斜率（-0.8241）显著大于Y2017N和Y2017S的斜率（分别为-0.6843和-0.7464，图5），而NBSS的截距在各组之间没有显著差异。各组之间的物种组成不同。
 

NBSS的结果表明，2017年的次级生产力最高，存在捕食者和猎物的相互作用，表明该地区为鱼类幼体提供了大量的食物。相反，小型桡足类和双壳类幼虫在2018年的数量较多，这可能与海冰减少有关。

图5 三大类群的物种组成、生物量分布以及NBSS线

研究结论
ZooSCAN在评估北白令海浮游动物粒径组成、生物量以及捕食者和猎物的相互作用方面发挥了重要作用。

海冰减少对北白令海的浮游动物群落产生了深远影响。了解这些变化可以帮助预测该地区的生态状况和生物生产力的变化，并为未来的渔业管理提供指导。

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1. Kumagai S, Matsuno K, Yamaguchi A. Zooplankton size composition and production just after drastic ice coverage changes in the northern Bering Sea assessed via ZooScan[J]. Frontiers in Marine Science, 2023.