近日，中國科學(xué)院海洋研究所科研團隊基于ZooSCAN成像技術(shù)，揭示了南海北部春季氣旋渦旋/反氣旋渦旋對浮游動物粒徑譜和能量傳遞的調(diào)控機制。
研究背景
海洋浮游動物作為連接初級生產(chǎn)者與高營養(yǎng)級的關(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，可以通過強烈的垂向運動調(diào)控營養(yǎng)鹽的輸運路徑：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，年均渦旋活動頻繁，但兩類渦旋對浮游動物能量傳遞效率的垂向調(diào)控機制卻仍不明確，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浮游動物粒徑譜特征及能量傳遞效率的調(diào)控作用，揭示物理-生物耦合作用機制。
研究方法
2023年4月，研究團隊結(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個氣旋渦旋（CE）及2個反氣旋渦旋（AE）區(qū)域，并基于此布設(shè)20個采樣站點（圖1）。在各采樣站點采用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個離散水層的浮游動物樣品。
采集到的浮游動物樣品經(jīng)甲醛固定后，通過浮游動物專用分樣器分樣，確保每份子樣品中含個體數(shù)目為500–1500個，之后使用浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)ZooSCAN（圖3）獲取浮游動物高清圖像；使用ZooSCAN自帶的軟件獲取每個個體的長軸、短軸及等效球徑等形態(tài)學(xué)參數(shù)，同時利用軟件將浮游動物圖像自動識別為12個類群（橈足類、毛顎類、磷蝦等），并經(jīng)過手動驗證確保分類的準(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渦旋系統(tǒng)內(nèi)的采樣站。
圖2 多聯(lián)網(wǎng)MultiNet
圖3 浮游動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. 浮游動物群落結(jié)構(gòu)
氣旋渦旋區(qū)域上層300m浮游動物總豐度、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；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）食肉浮游動物與食草/雜食浮游動物豐度比；（f）食肉浮游動物與食草/雜食浮游動物生物體積比。
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物群落對寡營養(yǎng)環(huán)境的適應(yīng)性策略。
本研究借助ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統(tǒng)，證實了海洋渦旋動力學(xué)是調(diào)控南海能量流動的關(guān)鍵物理驅(qū)動因素。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. https://doi.org/10.1029/2025JC022560
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