浮游生物泵助力法國(guó)索邦大學(xué)科學(xué)家進(jìn)行棘皮動(dòng)物幼體的垂直分布研究

法國(guó)索邦大學(xué)科學(xué)家Morgane Guillam基于浮游生物泵原位大體積過(guò)濾的采樣方法，采集了法國(guó)布雷斯特灣和杜阿爾內(nèi)灣兩個(gè)不同水動(dòng)力環(huán)境條件下的棘皮動(dòng)物幼體，并進(jìn)行了系統(tǒng)分析，探索了棘皮動(dòng)物幼體在垂直方向上的不同分布和擴(kuò)散模式。

研究背景

棘皮動(dòng)物在許多海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，其種群密度的爆發(fā)和死亡易交替、周期性地出現(xiàn)，這種豐度迅速而劇烈的變化可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、恢復(fù)力和功能產(chǎn)生重要的生態(tài)后果，但目前人們對(duì)出現(xiàn)這種極端現(xiàn)象的原因知之甚少。一些人認(rèn)為可能是由人為因素造成的，如水質(zhì)退化，海洋資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，甚至是引入入侵物種；也有人認(rèn)為，棘皮動(dòng)物物種本身的特定生活史（如體外受精、浮游營(yíng)養(yǎng)化幼體發(fā)育）也可能介導(dǎo)了其成蟲(chóng)種群豐度的變化。
 

棘皮動(dòng)物幼體的擴(kuò)散取決于水環(huán)境物理特性（主要是局部流體動(dòng)力學(xué)）和不同的生物特性（產(chǎn)卵行為、浮游幼體持續(xù)時(shí)間、活躍幼體行為、幼體死亡率和定居行為等）之間復(fù)雜的相互作用。不同的幼體行為（如垂直位置的調(diào)節(jié)、主動(dòng)垂直遷移、被動(dòng)下沉）可能會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)局地尺度水平分布的差異。目前，人們對(duì)棘皮類幼體的垂直遷移行為過(guò)程知之甚少。
 

本研究以水動(dòng)力環(huán)境對(duì)比鮮明的杜阿爾內(nèi)灣和布雷斯特灣作為研究地點(diǎn)，基于不同的水動(dòng)力環(huán)境差異條件下，研究棘皮動(dòng)物幼體在垂直方向上的不同分布和擴(kuò)散模式。
 

研究過(guò)程

采樣工作于2014年7月16-17日和2015年7月16-17日進(jìn)行，采樣地點(diǎn)分別位于布雷斯特灣和杜阿爾內(nèi)灣的中心區(qū)域（圖1），采樣日期處于目標(biāo)物種（蛇尾類幼體）的長(zhǎng)時(shí)間繁殖期。

圖1 布列塔尼（法國(guó)）布列斯特灣（Br）和杜阿爾內(nèi)灣（Dz）采樣點(diǎn)的位置。

每小時(shí)在3個(gè)不同深度（1.5-3m，10-12m和17-26m，分別對(duì)應(yīng)表面、溫躍層和近底水層）采集棘皮動(dòng)物幼體樣品，使用可潛入水中的浮游生物泵（圖2）進(jìn)行采樣。本次研究使用的浮游生物泵來(lái)自KC Denmark A/S公司，型號(hào)為23.570，由泵和收集器兩部分組成。泵由不銹鋼制成，流量為300L/min。本研究采用80μm網(wǎng)目，可以收集所有目標(biāo)物種的所有幼體階段。采集的樣品使用96%乙醇保存，以待后續(xù)分析。此外，使用ADCP、CTD、PAR等設(shè)備，并結(jié)合三維水動(dòng)力模型MARS，研究了采樣區(qū)域的局部流體動(dòng)力學(xué)。

圖2 KC Denmark A/S公司浮游生物泵，型號(hào)23.570

研究結(jié)果

兩個(gè)海灣的水溫垂直剖面存在差異。在杜阿爾內(nèi)灣，整個(gè)調(diào)查過(guò)程中水柱分層，溫躍層位于8.9-15.6 m之間（圖3），水溫變化范圍為14.6（底部）-19.8°C（水表），日間最高。相反，在布雷斯特灣，沒(méi)有觀察到垂直分層，溫度在16.6 ~ 17.5℃之間變化。杜阿爾內(nèi)灣的模擬流速范圍在2.10-5 ~ 0.27 ms-1之間，流速隨深度而變化，表層較高，向底部降低，且水流方向隨潮汐變化，夜間在9m深度觀察到動(dòng)態(tài)分層，水流方向反轉(zhuǎn)；而布雷斯特灣的模擬流速范圍在2.10-5 ~ 0.48 ms-1之間，水流速度在垂直方向上是均勻的。
 

圖3 杜阿爾內(nèi)灣（左欄）和布列斯特灣（右欄）環(huán)境參數(shù)的垂直剖面圖。

對(duì)蛇尾幼體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析后的結(jié)果顯示：在杜阿爾內(nèi)灣，海蛇尾（Ophiocomina nigra）幼體占優(yōu)勢(shì)，占總幼體豐度的82%；而在布雷斯特灣，脆刺蛇尾（Ophiothrix fragilis）幼體以78%的豐度占優(yōu)勢(shì)。在杜阿爾內(nèi)灣，海蛇尾幼體主要分布在水表（3 m）和中層水體（10-12 m），且晝夜有差異。夜間01:00至次日清晨，水表幼體濃度較高（圖4）；白天，海蛇尾幼體主要分布在溫躍層及以下。而在布雷斯特灣（圖5），幼體垂直分布均勻，夜間和白天的垂直分布沒(méi)有顯著差異。
 

圖4 杜阿爾內(nèi)灣3種水深下棘皮類幼體的濃度與晝夜和潮汐的關(guān)系
 

圖5 布雷斯特灣3種水深下棘皮類幼體的濃度與晝夜和潮汐的關(guān)系

研究結(jié)論

本文在兩個(gè)對(duì)比鮮明的水動(dòng)力環(huán)境中，研究了蛇尾類幼體的垂直分布情況，并發(fā)現(xiàn)在布雷斯特灣，由于強(qiáng)烈的垂直混合作用，所有幼體都均勻分布在水柱中；相反，杜阿爾內(nèi)灣，觀察到海蛇尾幼體的晝夜垂直遷移現(xiàn)象，幼體在夜間上升到水表。兩個(gè)海灣中的這些不同模式證實(shí)了潮流對(duì)幼體通量的影響。

參考文獻(xiàn)

1. Guillam M, Bessin C, Blanchet-Aurigny A, et al. Vertical distribution of brittle star larvae in two contrasting coastal embayments: implications for larval transport[J]. Scientific Reports, 2020, 10(1): 12033.