近期，法國(guó)索邦大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，基于ZooSCAN成像系統(tǒng)與EcoTaxa浮游生物大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，對(duì)法國(guó)海洋保護(hù)區(qū)—伊魯瓦海海洋自然公園進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)14年（2010–2023年）的系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)，繪制出一幅浮游生物在復(fù)雜水文環(huán)境中動(dòng)態(tài)變化的生態(tài)圖景，深刻揭示了浮游生物群落隨沿岸至離岸環(huán)境梯度變化的內(nèi)在規(guī)律。

研究背景

浮游生物作為海洋食物網(wǎng)的基石與碳循環(huán)的關(guān)鍵推動(dòng)者，其群落變化是衡量海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)。伊魯瓦海位于英吉利海峽與大西洋的交匯處，受烏尚特鋒面影響顯著，形成了得天獨(dú)厚的沿岸-離岸環(huán)境梯度，為研究浮游生物響應(yīng)環(huán)境因子的一系列過(guò)程提供了一個(gè)理想的天然實(shí)驗(yàn)室。然而，該海域研究一直存在一個(gè)關(guān)鍵短板：缺乏一套系統(tǒng)性的浮游生物數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)必須兼具高度的分類(lèi)一致性與可溯源的形態(tài)信息。

為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地融合傳統(tǒng)顯微鏡技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字成像方法，構(gòu)建了一套涵蓋浮游植物與浮游動(dòng)物的開(kāi)放式數(shù)據(jù)集，旨在揭示這一保護(hù)區(qū)內(nèi)浮游生物群落的長(zhǎng)期演變規(guī)律及其背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

研究方法

研究在伊魯瓦海布設(shè)兩條斷面（B與D）及三個(gè)沿岸站點(diǎn)，開(kāi)展季節(jié)性采樣（圖1）。浮游植物通過(guò)顯微鏡由同一名專(zhuān)家全程鑒定，確保了分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性；浮游動(dòng)物樣本則全部通過(guò)ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化成像（圖2）。

圖1 伊魯瓦海海洋自然公園的采樣區(qū)

 圖2 ZooSCAN浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)

ZooSCAN作為專(zhuān)業(yè)的浮游動(dòng)物圖像掃描分析系統(tǒng)，能夠生成高分辨率的16位灰度圖像。結(jié)合ZooProcess軟件，系統(tǒng)可自動(dòng)提取每個(gè)個(gè)體的形態(tài)特征參數(shù)（如長(zhǎng)軸、短軸、面積、灰度等），并精確估算生物體積與豐度。所有圖像均上傳至EcoTaxa浮游生物大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，經(jīng)由機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)分類(lèi)后，再由專(zhuān)家進(jìn)行人工校驗(yàn)，最終將浮游動(dòng)物精準(zhǔn)歸類(lèi)為103個(gè)生物類(lèi)群（圖3），確保了數(shù)據(jù)兼具高通量處理與高分類(lèi)準(zhǔn)確度的雙重優(yōu)勢(shì)。

圖3 ZooSCAN為20個(gè)豐富的分類(lèi)群拍攝的浮游生物圖像示例

研究結(jié)果

1.浮游植物研究共鑒定出573個(gè)分類(lèi)單元，主要以隱藻、不等鞭毛藻、甲藻和納米鞭毛蟲(chóng)為主導(dǎo)類(lèi)群。豐度呈現(xiàn)出顯著的年際波動(dòng)，高峰期出現(xiàn)在2011年與2022年，但未形成一致的沿岸—離岸分布梯度（圖4，圖5）。群落結(jié)構(gòu)在沿岸站點(diǎn)與斷面之間表現(xiàn)出差異性，例如莫萊內(nèi)站與桑島站在某些年份出現(xiàn)了獨(dú)特的藍(lán)藻豐度高峰。

圖4 浮游植物平均豐度的時(shí)空動(dòng)態(tài)（2010-2022）

圖5 浮游植物群落組成的時(shí)空動(dòng)態(tài)（2010-2022）

2. 在浮游動(dòng)物方面，研究共獲取了832,830張有效個(gè)體圖像，構(gòu)建了包含650個(gè)樣本的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)集。分析結(jié)果顯示，橈足類(lèi)是優(yōu)勢(shì)類(lèi)群，占總豐度的50%以上（圖6，圖7）。浮游動(dòng)物豐度呈現(xiàn)出明顯的近岸高、離岸低的梯度分布，尤其在D斷面的近岸站點(diǎn)（如D1）常年維持較高水平。群落結(jié)構(gòu)在空間分布上表現(xiàn)出顯著的梯度特征：橈足類(lèi)與枝角類(lèi)在近岸水域比例更高，而軟體動(dòng)物與尾索動(dòng)物則在離岸站點(diǎn)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。值得注意的是，南部斷面（D）的尾索動(dòng)物比例顯著高于北部斷面（B）。

圖6 浮游動(dòng)物平均豐度的時(shí)空動(dòng)態(tài)（2010-2023）

圖7 浮游動(dòng)物群落組成的時(shí)空動(dòng)態(tài)（2010-2023）

研究結(jié)論

本研究借助ZooSCAN實(shí)現(xiàn)了浮游動(dòng)物樣本的高效數(shù)字化與標(biāo)準(zhǔn)化分析，結(jié)合浮游植物專(zhuān)家鑒定，成功構(gòu)建了一套兼具時(shí)空廣度與分類(lèi)精度的長(zhǎng)期生態(tài)數(shù)據(jù)集。研究結(jié)果表明，伊魯瓦海浮游生物群落受到沿岸—離岸環(huán)境梯度與烏尚特鋒面過(guò)程的顯著影響，而其群落結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)達(dá)十余年的觀測(cè)中保持相對(duì)穩(wěn)定，展現(xiàn)出該海洋保護(hù)區(qū)所具有的生態(tài)韌性。

該數(shù)據(jù)集的開(kāi)放共享不僅為海洋保護(hù)區(qū)的科學(xué)管理與管理成效評(píng)估提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐，也為浮游生物多樣性監(jiān)測(cè)和功能性狀研究提供了寶貴資源。ZooSCAN與EcoTaxa的協(xié)同應(yīng)用，充分展現(xiàn)了成像技術(shù)在提升海洋生態(tài)觀測(cè)效率、標(biāo)準(zhǔn)化等方面的巨大潛力與應(yīng)用價(jià)值。

論文相關(guān)信息

1.Drago, L., Cailliau, C., Pouline, P., et al. Long-term plankton and environmental monitoring dataset from the Marine Protected Area of the Iroise Marine Natural Park (2010–2023) in the Iroise Sea, North Atlantic. ESSD, 2025.