《Nature》綜述：UVP6在海洋浮游動物監(jiān)測和建模中的應(yīng)用

摘要：隨著全球氣候變化的加劇，浮游動物的生態(tài)系統(tǒng)功能正在發(fā)生變化。而目前，由于采樣技術(shù)及方法的限制，浮游動物監(jiān)測存在數(shù)據(jù)不足及覆蓋范圍地理空缺的問題。最新發(fā)表的Nature綜述文章提出將傳統(tǒng)研究工具（網(wǎng)采）與新技術(shù)（原位成像）和組學(xué)相結(jié)合的方法，以監(jiān)測浮游動物種群，并特別提出：可以利用UVP6幫助提供關(guān)于浮游動物的觀測數(shù)據(jù)。

浮游動物是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它們是初級生產(chǎn)者與魚類、海洋哺乳動物和海鳥等更高營養(yǎng)級之間進行能量轉(zhuǎn)移的重要途徑，并通過直接和間接的反饋方式影響海洋生物地球化學(xué)循環(huán)。近年來，對浮游動物生理學(xué)、群落組成和分布進行的研究表明，浮游動物對海洋氣候變化非常敏感。由于海洋溫度升高，浮游動物發(fā)生了許多重要的變化，如物候?qū)W、分布范圍和粒徑結(jié)構(gòu)等方面的轉(zhuǎn)變，并進而改變生物地球化學(xué)循環(huán)、能量傳遞途徑和人類從海洋獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

圖1 浮游動物在生物碳泵中的作用

2023年2月2日，Nature Communications期刊中發(fā)表了一篇綜述性文章，該綜述評估了浮游動物對海洋氣候變化的關(guān)鍵響應(yīng)，并探討了其對生物碳泵和高營養(yǎng)級相互作用的影響，最后提出了當(dāng)前對浮游動物進行長期監(jiān)測的限制和未來對全球浮游動物研究的展望。

作者指出，海洋變暖和地區(qū)性氣候事件（如海洋熱浪、厄爾尼諾現(xiàn)象、北大西洋震蕩等）的出現(xiàn)最易使浮游動物產(chǎn)生三種“普遍”反應(yīng)：

（1）物候時間發(fā)生變化。通常是春季或夏季物種較早出現(xiàn)，秋季物種較晚出現(xiàn)。

（2）地理范圍出現(xiàn)移動。在海水變暖的條件下，一些浮游動物物種通常會向極地和/或更深的水層移動，以保持其核心在最佳水溫范圍內(nèi)。

（3）浮游動物粒徑變化。隨著海洋持續(xù)變暖，較小的橈足類物種可能會占主導(dǎo)地位，對漁業(yè)生產(chǎn)和碳封存會產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)。

此外，氣候變化影響浮游動物的行為和粒徑結(jié)構(gòu)后，進而會對漁業(yè)生產(chǎn)和碳封存產(chǎn)生復(fù)雜的連鎖反應(yīng)。文章提到，由于環(huán)境條件的變化，浮游動物元素化學(xué)計量會發(fā)生變化，同時，隨著海洋變暖，浮游動物的呼吸將加速，但是消化和排泄的變化不明確，這些不確定性與浮游動物物候?qū)W、分布范圍和粒徑結(jié)構(gòu)的不確定性相結(jié)合，使得在未來條件下無法準確預(yù)測浮游動物如何調(diào)節(jié)生物碳泵。

另外，浮游動物群落的變化可能會影響高一級捕食者，因此需要進一步加強浮游動物數(shù)據(jù)的監(jiān)測和管理。

圖2 浮游動物呼吸、消化和排泄過程的潛在變化方向

目前全球長期浮游動物監(jiān)測項目仍存在數(shù)據(jù)不足及覆蓋范圍地理空缺的問題，因此，作者提出了一種綜合采樣方法：將傳統(tǒng)研究工具（網(wǎng)采）與新技術(shù)（原位成像）和組學(xué)相結(jié)合，以監(jiān)測浮游動物種群，并模擬其在全球變化的未來情景。

其中，作者特意指出可以利用水下顆粒物和浮游動物圖像原位采集系統(tǒng)（UVP6）來獲取浮游動物原位圖像，并將其與浮游生物網(wǎng)、ARGO浮標、CTD及衛(wèi)星的生物地球化學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提供關(guān)于浮游動物如何受到環(huán)境影響的觀測數(shù)據(jù)。作者尤其建議可以在偏遠海域和監(jiān)測較少的沿海地區(qū)來部署ARGO浮標網(wǎng)絡(luò)和UVP，以此幫助填補這一地理的浮游動物知識缺口。

圖3 將傳統(tǒng)的浮游動物采樣方法與現(xiàn)代采樣技術(shù)相結(jié)合

UVP6-LP主要用于在已知水體體積下對水中的大型顆粒物（>80μm）進行量化，同時能夠記錄大型顆粒物和浮游動物（>700μm）的水下原位圖片。它的最大操作深度達6000m，專為低速，空間有限及功率低的載體而設(shè)計，如剖面浮標，滑翔機，浮標，系泊設(shè)備，水下機器人等。

圖4 UVP6-LP布放在載體上

將UVP6-LP拍攝得到的浮游動物圖片進行處理后上傳到EcoTaxa網(wǎng)站，可以利用網(wǎng)站上已有的庫或自己已創(chuàng)建的庫對圖片進行自動鑒定、分類。同時，也可以根據(jù)篩選條件繪制相應(yīng)的顆粒物粒徑譜等。此外，用戶也可以在網(wǎng)站上對自己感興趣的區(qū)域、項目進行搜索瀏覽。

在綜述的最后，作者指出，在目前存在的科學(xué)研究中，有81%的浮游動物長期監(jiān)測數(shù)據(jù)未公開，這妨礙了科學(xué)界對生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化問題的回答。

為了更好地了解全球變化對浮游動物豐度、生物量和多樣性的影響，需要從研究者、資助者和雜志等多方面努力，確保關(guān)鍵性長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的公開。此外，作者呼吁建立區(qū)域和全球性的網(wǎng)絡(luò)，促進國際合作，在國界之間進行持續(xù)的觀測。

參考文獻

1. Ratnarajah L, Abu-Alhaija R, Atkinson A, et al. Monitoring and modelling marine zooplankton in a changing climate[J]. Nature Communications, 2023, 14 (1): 564.

2. Picheral, M. et al. The Underwater Vision Profiler 6: an imaging sensor of particle size spectra and plankton, for autonomous and cabled platforms. Limnol. Oceanogr. Methods 20, 115–129 (2021).

3. Picheral, M. et al. The Underwater Vision Profiler 5: an advanced instrument for high spatial resolution studies of particle size spectra and zooplankton. Limnol. Oceanogr. Methods 8, 462–473 (2010).