ZooSCAN助力解析胶州湾浮游动物年际驱动机制

近期，福建农林大学科研人员基于ZooSCAN图像分析的方法，利用九年的综合生物和环境数据，揭示了胶州湾中型浮游动物群落时间变异性的多尺度驱动机制。

研究背景

胶州湾是位于中国黄海的一个典型半封闭海湾，受人类活动与自然变化的双重影响，近年来面临富营养化、水母暴发及ji端降水等环境的挑战。浮游动物作为海洋食物网的核心环节，既是初级生产者与高营养级生物之间的纽带，也是生物地球化学循环的关键参与者。然而，浮游动物群落的动态受多重因素调控，包括自下而上（如营养盐输入、浮游植物生产力）和自上而下（如捕食压力）的驱动机制。尽管已有研究探讨了这些机制在不同生态系统中的作用，但在复杂环境变化的背景下，二者如何相互作用并主导群落变化仍不明确。胶州湾频繁的水母暴发与ji端降水事件为研究这一科学问题提供了理想场景。

本研究通过2003-2011年的长期监测，旨在解析浮游动物群落的时空变化规律，明确环境驱动因子与水母捕食的相对贡献，为全球气候变化下的海岸带生态管理提供科学依据。

研究方法

研究在胶州湾北部A3站（36°9′N, 120°15′E）开展，采用锥形浮游生物网进行垂直拖网采样，每月中旬采样一次（2003年5月至2011年12月，除2011年1月至5月外）。

图1 中国胶州湾位置（左）和胶州湾北部A3采样站位置（右）

浮游动物样品通过ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统进行成像、分析，并使用系统自带的软件对浮游生物进行自动识别，将浮游生物图像分类为七个类群，包括桡足类、被囊动物、毛颚动物、小型水母、枝角类、浮游幼虫及夜光虫，并经过手动验证确保分类的准确性。

图2 ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统

数据分析采用聚类分析、Spearman等级相关分析和线性回归分析等方法，探究浮游动物动态与环境变量之间的关系。

研究结果

研究期间，降雨、水温、盐度和叶绿素a浓度均表现出显著的季节性变化。浮游动物群落丰度呈现明显的季节性模式，春季开始增加，夏季达到高峰，秋季迅速下降。

图3 2003 - 2011年胶州湾北部采样站位浮游动物总数和主要浮游动物类群的季节变化箱线图

图4 浮游动物丰度（indm−3）与环境变量之间的Spearman相关性

桡足类在浮游动物群落中占主导地位，其丰度变化主导了浮游动物群落的季节性波动。然而，浮游动物丰度的年际变异性显著，2009年和2011年（水母暴发年份）丰度低谷，而2005年和2008年丰度最高。

聚类分析将研究年份分为非水母暴发期和水母暴发期，水母暴发期间，浮游动物总丰度显著降低，群落结构发生变化，小型水母和毛颚动物的相对丰度增加。此外，水母暴发还导致浮游动物粒径结构变化，小型浮游动物（尤其是小型桡足类）丰度显著降低。

图5 （a）浮游动物总量的年际变化；（b）胶州湾北部采样站位5-8月高峰期浮游动物年最大丰度数据；NJBP（非水母暴发期），JBP（水母暴发期）

图6 （a）总浮游动物及主要类群的丰度比较；（b）胶州湾北部采样站位5-8月高峰期非水母暴发期与水母暴发期浮游动物类群丰度组成对比

浮游动物年最大丰度与降雨和叶绿素a浓度显著正相关，与水温无显著相关性。这表明浮游动物群落的动态变化主要受资源供应（自下而上控制）和捕食压力（自上而下控制）的共同影响。在水母暴发年份，自上而下的控制作用更为显著，水母的大量捕食导致浮游动物丰度下降；而在水母未大量出现的年份，浮游动物丰度主要受叶绿素a浓度和降雨等自下而上因素的影响。

图7 总浮游动物年最大丰度与高峰期（5-8月）环境变量的线性回归分析

研究结论

本研究利用九年的综合生物和环境数据，揭示了胶州湾中型浮游动物群落时间变异性的多尺度驱动机制。主要包括：

浮游动物群落表现出相似的季节性变化模式，丰度在晚春和夏季达到高峰，秋冬季节降至低谷，主要受降雨、水温和叶绿素a浓度的控制。

浮游动物丰度的年际变异性显著，受水母大量出现时的强烈捕食作用影响，同时在水母未大量出现的年份受叶绿素a浓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决定了胶州湾中型浮游动物群落的年际变化，且自上而下的控制作用强度大于自下而上。

本研究为深入理解浮游动物群落动态提供了重要见解，对全球气候变化背景下经历大型水母暴发和ji端降雨事件的沿海生态系统具有借鉴意义。

参考文献

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.