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关注海洋浮游生物探索海洋生态系统演变规律——中国科学院海洋研究所孙晓霞研究员

2014-12-24

孙晓霞,女,中国科学院海洋研究所研究员,博士生导师,胶州湾国家野外科学观测研究站副站长,是中国海洋学研究委员会(SCOR)副秘书长,国际海洋生物地理信息系统(OBIS)科学指导委员会委员,国际海洋生物普查计划(Census of Marine Life, CoML2001-2010)中国委员会秘书长,全球海洋生物多样性大会国际科学指导委员会委员。主要从事海洋浮游生态学研究,主持国家自然科学基金、中科院重要方向群项目、中科院战略先导科技专项子课题、“973”课题等研究。已发表研究论文40余篇,SCI收录10余篇,参与编写专著多部。2008年获中国科学院沈阳分院优秀青年学者奖,2014年获中国生态系统研究网络科技贡献奖。

浮游生物是海洋生态系统中极为重要的类群,是海洋食物网的基础和关键组成部分。浮游生物的种类组成和数量变动会引起整个海洋生态系统结构与功能的改变。在全球气候变化和人类活动的共同影响下,我国近海许多区域浮游生物群落结构发生很大变化。一方面,受气候变化影响,暖水种种类和数量增加,分布格局发生改变;另一方面,受人类活动影响,富营养化问题突出,营养盐结构偏离平衡状态,引起浮游生物群落结构改变。部分海域浮游植物出现由硅藻占优势转向甲藻占优,而浮游动物则出现胶质类浮游动物增多、饵料浮游动物数量下降、浮游动物小型化等现象。因浮游生物暴发引起的有害藻华、水母灾害等生态异常现象为我国近海生态系统健康状况敲响了警钟。深入进行浮游生物的观测与研究是探究海洋生态系统变化的基础。

1.黄东海生态系统基础生产力格局及变动趋势研究

海洋生物生产力水平的高低直接决定海洋的食物产出,对其变动规律和控制因素的了解是保证海洋生物资源可持续开发利用的基础。海洋初级生产力作为整个生物生产力的基础,是海洋渔业资源评估、水质评价、水团划分、上升流分析及整个生态系统功能研究中不可缺少的重要内容。随着全球CO2浓度的持续升高,中国近海生物固碳能力的估算亦是当前国家重大需求之一。依托中国科学院重要方向群项目和中国科学院先导科技专项,孙晓霞研究员系统开展了黄东海基础生产力格局及关键控制过程研究和黄东海浮游生物固碳速率研究。自2008年以来,系统研究了黄东海初级生产力及浮游生物时空分布格局、季节变化、长期变化特征。通过比较研究,发现近二十余年来黄东海基础生产力分布格局发生较大变化。与不同历史时期相比,黄海北部初级生产力升高现象较为显著。整个黄海的初级生产力总体表现为升高的趋势,这一现象与全球中低纬度初级生产力呈现下降趋势并不一致。

通过对胶州湾生态系统长期变化的研究进一步证明,受气候变化和人类活动的共同影响,近二十年来胶州湾浮游植物群落发生很大变化,优势种更替现象明显,甲藻类浮游植物在胶州湾的数量逐年增加,浮游植物暖水种数量的增加亦非常显著。浮游动物中水母类和被囊类等胶质浮游动物丰度增加显著,而饵料性浮游动物桡足类的丰度与比例则显著降低。

上述研究证明,我国近海许多典型区域基础生产力并未呈现下降趋势,但浮游生物种类组成发生了改变,这种变化通过食物网的级联效应,会对近海渔业资源等产生重大影响。这一成果为我国近海生物资源潜力估算、海洋生态系统长期演变、生态系统动力学模式研究以及我国近海生物固碳能力估算等提供了最基本的依据。

2.图像自动识别技术在我国海洋浮游生物生态学中的应用研究

浮游生物群落结构的变动是引起我国近海生态系统结构与功能变化的重要原因,也是当前海洋生态灾害频发的重要原因之一。受长期观测资料的限制以及观测手段的局限性,目前缺乏足够的证据来证明浮游生态系统内部究竟发生哪些变化。综观当前我国近海浮游生物群落结构变化特征,急需解决两个方面的问题:一是浮游生物群落内部是否发生优势种类的改变及其变化规律研究,二是浮游生物向小型化方向发展的证据。在当前的浮游生物研究中,主要使用浮游生物网具进行样品采集并进行人工镜检分类计数,一方面耗时、费力,数据获取严重滞后,难以开展大尺度、长时间序列的浮游生物群落结构研究,另一方面,难以获得浮游生物粒级结构等特征数据,无法对浮游生物群落结构是否向小型化方向发展作出判断。

基于此,要开展大尺度、长时间序列浮游生物生态学研究,急需解决浮游生物观测的半自动化或者自动化问题。孙晓霞研究员基于浮游生物图像自动识别方法,进行黄东海浮游动物生态学的研究。建立了我国近海浮游生物图像数据库并进行性能验证。通过本项研究,对于黄东海绝大部分浮游生物类群,图像识别的准确率可以达到80%以上。对于毛颚类、桡足类、夜光虫、磷虾、圆筛藻等类群的识别准确率可以高达90%以上。在此基础上,进一步发展了图像识别方法在黄东海浮游生物体积变动、粒径谱及生物量研究中的应用。通过建立桡足类、毛颚类、水母类等浮游动物优势类群体长、面积和体积等形态特征参数与湿重、干重及碳、氮含量的转换方程,实现了浮游生物生物量及碳氮含量的自动化估算,为浮游生物重要类群生物量的快速获取奠定了重要的方法基础。通过该方法的研究,能够在短时间内获得长时间序列的浮游生物类群粒级结构、生物量、碳氮含量等许多使用传统方法难以获得的生态学参数,从而能够更好地揭示浮游生物群落结构的变动规律与趋势。

3.陆坡及大洋生态系统浮游生物多样性及生物生产过程

邻近大洋对我国近海生态系统有重要影响,在近海生态系统演变研究基础上,正在开展南海陆坡生态系统、热带西太平洋浮游生物群落结构与功能研究,系统揭示我国近海生态系统演变机理。依托“973”项目,重点研究南海陆坡区浮游植物关键功能群和初级生产力结构的时空变化及其对物理-生物地球化学耦合过程和生物调控过程的响应;初级生产产品向经典食物链和微食物环的传输及其潜在贡献;浮游动物功能群分布格局及动态变化与浮游植物功能群分布格局及数量变动之间的互动关系;浮游动物功能群对浮游植物功能群的捕食压力与转换效率;浮游动物功能群的结构与数量变化与中层鱼变动的耦合关系。依托中国科学院战略先导科技专项,重点研究热带西太平洋典型区域(黑潮源区、暖池区及海山周边海域)生源要素分布规律及其变化特征;浮游生物以及生产力的水平格局与垂直变化,为研究邻近大洋对我国近海生态系统的影响奠定重要基础。