ZooSCAN成像系統助力南海渦旋能效調控機制研究

近日，中國科學院海洋研究所科研團隊基于ZooSCAN成像技術，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控機制。

研究背景

海洋浮游動物作為連接初級生產者與高營養級的關鍵環節，其群落結構和能量傳遞效率影響著海洋生態系統的功能。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控營養鹽的輸運路徑：氣旋渦旋誘發上升流，將深層富營養水體輸送至透光層；而反氣旋渦旋則能夠推動表層寡營養水體下沉。這種物理作用顯著改變了基礎生產力的格局，進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控機制卻仍不明確，尤其在季節性過渡的春季。本研究聚焦該關鍵期，通過現場采樣結合ZooSCAN先進成像技術，系統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，研究團隊結合衛星遙感數據，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）區域，并基于此布設20個采樣站點（圖1）。在各采樣站點采用Midi型多聯網（MultiNet，圖2）垂直分層拖網，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目為500–1500個，之后使用浮游動物圖像掃描分析系統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學參數，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），并經過手動驗證確保分類的準確性。獲取的形態學信息及分類學信息，用于后續的統計分析。

圖1 南海北部的采樣站位圖。紅色圓圈表示反氣旋渦旋區（AC），藍色圓圈表示氣旋渦旋區（CE）。黑色三角形表示位于每個渦旋系統內的采樣站。

圖2 多聯網MultiNet 

圖3 浮游動物圖像掃描分析系統ZooSCAN

研究結果

1. 環境特征差異
氣旋渦旋區域表層水溫（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）及旋轉速度（37.3 ± 0.7 cm/s）均大于反氣旋渦旋。

2. 浮游動物群落結構
氣旋渦旋區域上層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
關鍵能量傳遞效率指標顯示：氣旋渦旋區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；反氣旋渦旋區域在0-25m層呈現更平坦的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米內受氣旋渦旋和反氣旋渦旋影響的浮游動物功能性指標箱線圖。（a）NBSS斜率；（b）NBSS 截距；（c）ESD；（d）粒徑多樣性指數；（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的垂直分布

研究結論

氣旋渦旋通過營養鹽上升流促進大型浮游動物發育，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形成了局部高效區。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環境的適應性策略。

本研究借助ZooSCAN浮游動物圖像掃描分析系統，證實了海洋渦旋動力學是調控南海能量流動的關鍵物理驅動因素。未來，隨著技術的不斷進步，ZooSCAN有望在海洋生態學研究中發揮更加重要的作用，為人類認識和保護海洋生態系統貢獻更多力量。

參考文獻
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.