近日，中國科學(xué)院海洋研究所科研團(tuán)隊(duì)基于ZooSCAN成像技術(shù)，揭示了南海北部春季氣旋渦旋/反氣旋渦旋對(duì)浮游動(dòng)物粒徑譜和能量傳遞的調(diào)控機(jī)制。

研究背景

海洋浮游動(dòng)物作為連接初級(jí)生產(chǎn)者與高營養(yǎng)級(jí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其群落結(jié)構(gòu)和能量傳遞效率影響著海洋生態(tài)系統(tǒng)的功能。中尺度渦旋作為海洋中普遍存在的物理過程，可以通過強(qiáng)烈的垂向運(yùn)動(dòng)調(diào)控營養(yǎng)鹽的輸運(yùn)路徑：氣旋渦旋誘發(fā)上升流，將深層富營養(yǎng)水體輸送至透光層；而反氣旋渦旋則能夠推動(dòng)表層寡營養(yǎng)水體下沉。這種物理作用顯著改變了基礎(chǔ)生產(chǎn)力的格局，進(jìn)而重塑浮游動(dòng)物的分布格局。

南海北部作為西太平洋最大的邊緣海，年均渦旋活動(dòng)頻繁，但兩類渦旋對(duì)浮游動(dòng)物能量傳遞效率的垂向調(diào)控機(jī)制卻仍不明確，尤其在季節(jié)性過渡的春季。本研究聚焦該關(guān)鍵期，通過現(xiàn)場采樣結(jié)合ZooSCAN先進(jìn)成像技術(shù)，系統(tǒng)解析氣旋渦旋與反氣旋渦旋對(duì)浮游動(dòng)物粒徑譜特征及能量傳遞效率的調(diào)控作用，揭示物理-生物耦合作用機(jī)制。

研究方法

2023年4月，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，在南海北部（18°–20°N，111°–116°E）劃定1個(gè)氣旋渦旋（CE）及2個(gè)反氣旋渦旋（AE）區(qū)域，并基于此布設(shè)20個(gè)采樣站點(diǎn)（圖1）。在各采樣站點(diǎn)采用Midi型多聯(lián)網(wǎng)（MultiNet，圖2）垂直分層拖網(wǎng)，采集0–25、25–50、50–100、100–200、200–300 m等5個(gè)離散水層的浮游動(dòng)物樣品。

采集到的浮游動(dòng)物樣品經(jīng)甲醛固定后，通過浮游動(dòng)物專用分樣器分樣，確保每份子樣品中含個(gè)體數(shù)目為500–1500個(gè)，之后使用浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)ZooSCAN（圖3）獲取浮游動(dòng)物高清圖像；使用ZooSCAN自帶的軟件獲取每個(gè)個(gè)體的長軸、短軸及等效球徑等形態(tài)學(xué)參數(shù)，同時(shí)利用軟件將浮游動(dòng)物圖像自動(dòng)識(shí)別為12個(gè)類群（橈足類、毛顎類、磷蝦等），并經(jīng)過手動(dòng)驗(yàn)證確保分類的準(zhǔn)確性。獲取的形態(tài)學(xué)信息及分類學(xué)信息，用于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 南海北部的采樣站位圖。紅色圓圈表示反氣旋渦旋區(qū)（AC），藍(lán)色圓圈表示氣旋渦旋區(qū)（CE）。黑色三角形表示位于每個(gè)渦旋系統(tǒng)內(nèi)的采樣站。

                                                                                                                               圖2 多聯(lián)網(wǎng)MultiNet 

                                                                                                   圖3 浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)ZooSCAN

研究結(jié)果

1. 環(huán)境特征差異

氣旋渦旋區(qū)域表層水溫（17.69 ± 0.35°C）、Chl-a（0.17 ± 0.03 μg/L）顯著高于反氣旋渦旋區(qū)域（19.08 ± 0.32°C；0.16 ± 0.02 μg/L），但溶氧值DO較低（147.70 ± 2.40；161.47 ± 5.37 μmol/L）。

氣旋渦旋半徑（116.4 ± 5.4 km）、振幅（15.4 ± 1.0 cm）及旋轉(zhuǎn)速度（37.3 ± 0.7 cm/s）均大于反氣旋渦旋。

2. 浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)

氣旋渦旋區(qū)域上層300m浮游動(dòng)物總豐度、生物體積及碳生物量顯著高于反氣旋渦旋區(qū)域（p<0.05），其中小型橈足類占比超70%（圖4，表1）。

                                                              圖4 2023年4月南海北部氣旋和反氣旋渦旋上層300米浮游動(dòng)物總生物量的箱線圖。

                                         表1 南海北部氣旋式和反氣旋式渦旋上層300米浮游動(dòng)物類群的總生物量

3. 能量傳遞效率特征

關(guān)鍵能量傳遞效率指標(biāo)顯示：氣旋渦旋區(qū)域的歸一化生物體積粒徑譜NBSS斜率更平坦（-0.82±0.07）、平均粒徑（0.66mm）與粒徑多樣性（2.35±0.13）更大，肉食/草食豐度比（0.10±0.01）更低，表明能量傳遞效率更高。

垂直剖面上，生產(chǎn)力隨深度遞減，但能量傳遞效率在深層（200-300m）呈反彈趨勢(shì)；反氣旋渦旋區(qū)域在0-25m層呈現(xiàn)更平坦的NBSS斜率與更高的粒徑多樣性（圖5-6）。

圖5 2023年4月南海北部上層300米內(nèi)受氣旋渦旋和反氣旋渦旋影響的浮游動(dòng)物功能性指標(biāo)箱線圖。（a）NBSS斜率；（b）NBSS 截距；（c）ESD；（d）粒徑多樣性指數(shù)；（e）食肉浮游動(dòng)物與食草/雜食浮游動(dòng)物豐度比；（f）食肉浮游動(dòng)物與食草/雜食浮游動(dòng)物生物體積比。

                                      圖6 2023年4月南海北部氣旋渦旋和反氣旋渦旋中浮游動(dòng)物功能性指標(biāo)的垂直分布

研究結(jié)論

氣旋渦旋通過營養(yǎng)鹽上升流促進(jìn)大型浮游動(dòng)物發(fā)育，顯著提升了上層300m水層的能量傳遞效率；而反氣旋渦旋在0-25m水層中因生物聚集效應(yīng)形成了局部高效區(qū)。垂直方向上，深層能量傳遞效率反彈揭示了浮游動(dòng)物群落對(duì)寡營養(yǎng)環(huán)境的適應(yīng)性策略。

本研究借助ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)，證實(shí)了海洋渦旋動(dòng)力學(xué)是調(diào)控南海能量流動(dòng)的關(guān)鍵物理驅(qū)動(dòng)因素。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，ZooSCAN有望在海洋生態(tài)學(xué)研究中發(fā)揮更加重要的作用，為人類認(rèn)識(shí)和保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)更多力量。

參考文獻(xiàn)

1.Wang, S., Zhang, F., Chi, X., Li, Q., Zang, W., & Sun, S. (2025). Zooplankton size structure and energy transfer characteristics under the influence of mesoscale eddies in the northern South China Sea during spring: Insights from ZooScan imaging. Journal of Geophysical Research: Oceans, *130*, e2025JC022560