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2022年  第44卷  第2期

封面
2022 年 2 期封面
2022, 44(2): .
摘要:
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2022 年 2 期目录
2022, 44(2): 1-3.
摘要:
海洋信息科学
基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型
董子意, 杜震洪, 吴森森, 李亚东, 张丰, 刘仁义
2022, 44(2): 123-131. doi: 10.12284/hyxb2022038
摘要:
海洋中尺度涡对浮游生物的分布、能量和盐分的输送具有非常重要的影响,海洋中尺度涡的自动检测是监测、分析中尺度涡时空变化的重要基础。针对传统基于物理特征检测海洋中尺度涡的方法存在受限于人工设计参数导致精度不高的问题,本文依据海洋卫星反演的海表面高度图,提出了一种基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型。该模型在海洋中尺度涡的特征提取阶段嵌入了卷积注意力机制,使得模型能够关注于海表面高度图中最具有类别区分度的区域,同时引入了残差学习机制解决了网络过深导致模型难以训练的问题。本文以南大西洋的卫星海表面高度数据集为例开展实验验证,结果表明,本文提出的模型海洋中尺度涡检测准确率达到了93.28%,显著优于EddyNet等现有模型。模型可为海洋学家通过海表面高度探测中尺度涡提供可靠技术方法。
深度边缘光谱U-Net海水网箱养殖信息提取
柯丽娜, 翟宇宁, 范剑超
2022, 44(2): 132-142. doi: 10.12284/hyxb2022026
摘要:
网箱养殖是海水养殖的重要类型之一,传统网箱养殖目标光谱特征受近岸植被、水体影响较大,易出现噪声问题。新型深海网箱养殖目标离岸较远,但养殖目标海面框体部分较小,与自然水体光谱相似性较高,难以实现有效提取。本文提出深度边缘光谱U-Net模型对两种海水网箱养殖类型进行养殖信息提取。该模型通过Canny算子双边滤波算法去除波段运算后冗余光谱信息,提取边缘光谱特征并利用U-Net跳跃连接结构将其与深度卷积网络特征相融合,经softmax分类器逐像素分类实现网箱养殖信息提取。以海南近岸网箱养殖与深海网箱养殖为研究对象进行养殖信息提取,经实验对比所提方法在传统近岸网箱目标上精确度达到97.35%,新型深海网箱目标上提取精度达98.99%,其提取结果明显优于传统无监督算法和典型深度学习网络模型。
海洋化学
应用稳定同位素技术研究江苏近海食物网营养结构的季节性变化
陆亚楠, 张瑞, 张虎, 张硕, 高世科
2022, 44(2): 1-10. doi: 10.12284/hyxb2022040
摘要:
本研究基于稳定同位素技术对江苏近海春、夏、秋季采集的不同生物类群(鱼类、甲壳类、头足类和底栖动物等)进行稳定同位素的分析,利用SIBER模型计算不同季节消费者的营养生态位,并计算出6种营养结构的量化指标。结果表明,3个季节的δ13C值、δ15N值均差异不显著(p>0.05)。春季δ13C值范围为−24.47‰~−14.50‰,δ15N值范围为6.86‰~(14.98±0.49)‰,营养级范围为1.52 ~(4.28±0.17);夏季δ13C值的范围为−19.86‰~−14.44‰,δ15N值范围为5.79‰~(12.54±3.50)‰,营养级范围为1.25 ~3.52,;秋季δ13C值的范围为(−22.17±4.90)‰~(−14.21±0.36)‰,δ15N值范围为6.30‰~(14.60±0.51)‰,营养级范围1.34 ~(4.15±0.14)。各个季节的食物网结构稳定,一些消费者的营养生态位出现不同程度的重叠现象。其中,春季的食物来源较为广泛,生物营养层次和群落多样性更高;夏季消费者的食物来源更加丰富,但生态位分化程度较低;秋季的食物网结构比较单一,但营养生态位分布较广。本研究结果为进一步评估江苏近海渔业生态系统的营养结构奠定了基础,也为江苏近海渔业环境保护和渔业资源的恢复与管理提供一定科学依据和参考基础。
UTEVA树脂分离纯化珊瑚中铀、钍的改进研究
汤震宇, 瞿建国, 张安余, 李秀保, 杜金洲
2022, 44(2): 11-20. doi: 10.12284/hyxb2022046
摘要:
珊瑚是记录海洋环境变化信息的载体之一,测定其U/Ca比值可重建海水温度或测定Th/U同位素比值可计算年龄重建海平面高度等。准确测定珊瑚中U、Th含量及同位素比值是提取所记载的海洋环境变化信息的前提,其难点在于高Ca基体分离和痕量U、Th富集纯化。基于此,本研究拟采用UTEVA树脂改进了一步富集分离珊瑚中U、Th的前处理方法,并联合高分辨电感耦合等离子体质谱仪测定U、Th含量。结果证明:上样介质HNO3浓度由3 mol/L降至2 mol/L不影响U、Th的吸附效率,用2 mL Milli-Q水可将U完全洗脱,U、Th的全流程空白值(mean±1σ, n =12)分别为(1.32±0.65) pg、(2.05±0.63)pg,显著降低了U的全流程空白值。测定了3个海南滨珊瑚中U含量(mean±1σn=6),分别为(3.46±0.02 )μg/g、(2.67±0.05)μg/g、(2.15±0.07)μg/g,Th含量(mean±1σn=6)分别为(10.12±0.24)ng/g、(4.82±0.10)ng/g、(5.62±0.12)ng/g,测定精度均在3.3%以内,U、Th加标回收率分别为97.9%~100.9%、97.3%~99.7%,方法准确度高,精密度好。本研究可为测定珊瑚等碳酸盐类样品中U、Th含量及其同位素提供准确、简便和快速的样品前处理方法。
海带中抑藻活性化合物的分离及抑藻活性分析
孙颖颖, 朱文轩, 周静, 庄丽雯, 毛奕淋, 赵秀芳, 王长海
2022, 44(2): 143-154. doi: 10.12284/hyxb2022042
摘要:
以2 000 g海带为原料、米氏凯伦藻为测试微藻,采用甲醇浸提、液液萃取、硅胶柱层析、Sephadax LH-20凝胶柱层析和硅胶薄层层析等分离方法,纯化可能具有抑藻活性的化合物,制备到5个薄层纯样品,B21(1.39 g)、B131(0.51 g)、B132(0.48 g)、C211(0.016 g)和C212(0.020 g)。经鉴定,B21、B131、B132、C211和C212依次为7-羟基庚酸、十四酸、十六酸、十八酸和油酸,均是第一次从海带中分离获得。此5种脂肪酸对塔玛亚历山大藻、强壮前沟藻、赤潮异弯藻、米氏凯伦藻、球形棕囊藻和中肋骨条藻的生长表现出选择性抑制作用,其中7-羟基庚酸具有较为广泛的抑藻活性。除塔玛亚力山大藻之外,在浓度为50 μg/mL时,7-羟基庚酸对其他5种赤潮微藻生长的抑制作用与硫酸铜和重铬酸钾对它们生长的抑制作用接近,生长抑制率超过71%(第4天);十四酸在浓度为50 μg/mL时对强壮前沟藻、米氏凯伦藻和中肋骨条藻生长也有明显的抑制作用,第4天时对它们的生长抑制率在57%以上。在此基础上,第一次确定了7-羟基庚酸、十四酸、十六酸和十八酸对强壮前沟藻、赤潮异弯藻、米氏凯伦藻、球形棕囊藻和中肋骨条藻生长的半抑制效应浓度(EC50~96 h),7-羟基庚酸对塔玛亚历山大藻生长的EC50~96 h也是第一次被确定。与硫酸铜和重铬酸钾对每种赤潮微藻生长的EC50~96 h比较,7-羟基庚酸和十四酸在抑制强壮前沟藻上具有明显的抑藻优势。
海洋生物
山东近海底层鱼类资源空间异质性
吴桢, 张崇良, 薛莹, 纪毓鹏, 任一平, 徐宾铎
2022, 44(2): 21-28. doi: 10.12284/hyxb2022072
摘要:
本文根据2016−2017年山东近海渔业资源底拖网季度调查数据,应用多项空间自相关指标和变异函数,分析了山东近海底层鱼类资源的空间自相关性与空间异质性。结果表明,山东近海底层鱼类资源呈现出显著的空间聚集格局,存在着空间自相关性,其中在春季、夏季和冬季的空间自相关性较强,在秋季的空间自相关性较弱。从空间分布上来看,底层鱼类相对资源量指数高值区在春季、夏季位于山东半岛南部海域,在秋季、冬季高值区的范围大幅减小,而低值区四季均集中在莱州湾附近。变异函数的参数表明,秋季具有较强的块金效应,随机部分的空间异质性占总空间异质性的76.0%,春季、夏季和冬季随机部分的空间异质性仅占总空间异质性的26.2%、27.7%和23.6%。山东近海底层鱼类的空间自相关性和空间异质性呈现一定的季节变化,其与水温等环境因子的变化有较大关系。
舟山群岛东侧海域蟹类群落结构及其与环境因子的关系
牛威震, 韩磊, 俞存根, 郑基, 许永久, 颜文超
2022, 44(2): 29-38. doi: 10.12284/hyxb2022034
摘要:
根据2018年4月(春季)和10月(秋季)在舟山群岛东侧海域(29°10′25.54"~30°45′00"N,122°53′3.88"~124°48′28.31"E)开展的渔业资源底拖网调查所获得的蟹类数据,研究了该海域蟹类资源的种类组成、优势种、生物多样性等群落结构特征,同时分析了蟹类数量分布及其群落结构与温、盐等环境因子之间的关系。结果表明,调查海域春、秋季蟹类种类共有40种,隶属于12科,23属;其中,春季优势种为双斑鲟(Charybdis bimaculata),秋季优势种为双斑鲟和三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus),均为广温、广盐性种类;秋季丰富度指数(D)及Shannon-Wiener多样性指数(H')高于春季,而Pielou均匀度指数(J')则相差不大;独立样本T检验方法显示,春、秋两季渔获量之间存在显著性差异(p<0.01);根据聚类分析与非度量多维标度排序分析,春、秋季蟹类均可划分为4个组群,SIMPER分析结果显示,秋季群落相似性大于春季;典范对应分析结果表明,底层水温和表层盐度是影响调查海域蟹类群落结构及数量分布的主要环境因子。
长山列岛邻近海域褐牙鲆资源丰度的时空分布及其与环境因子的关系
徐晓卉, 纪毓鹏, 薛莹, 张崇良, 刘晓慧, 任一平, 徐宾铎
2022, 44(2): 39-45. doi: 10.12284/hyxb2022036
摘要:
本文根据2016−2017年在长山列岛邻近海域开展的渔业资源和环境季度调查数据,利用两阶段广义可加模型分析了该海域褐牙鲆资源丰度的时空分布及其与相关因子之间的关系。结果表明,长山列岛邻近海域褐牙鲆资源丰度具有明显的季节变化,春、秋季资源丰度高于冬、夏季;褐牙鲆春、秋季主要分布在120.5°~122.5°E水域,夏、冬季则向外海适宜水温水域移动;褐牙鲆出现概率主要受季节、底层盐度和底层水温的影响,在盐度31左右时出现概率较大;褐牙鲆相对资源量大小主要受底层盐度及水深影响,在水深33 m上下相对资源量较大。长山列岛邻近水域褐牙鲆资源丰度具有明显时空异质性,受到多重因素的共同影响。
海州湾秋季鱼类β多样性组分分析及其与环境因子的关系
李雪童, 徐宾铎, 薛莹, 任一平, 张崇良
2022, 44(2): 46-56. doi: 10.12284/hyxb2022048
摘要:
由于过度捕捞等人类活动的胁迫,近年来海州湾渔业资源严重衰退。为了解海州湾鱼类β多样性的变化特征及其影响因素,本研究根据2013−2017年秋季在海州湾及其邻近海域进行的渔业资源底拖网调查数据,采用Sørenson相异性指数等方法计算了调查站位间以及海州湾海域整体的鱼类β多样性,并将β多样性分解为周转和嵌套两个组分,分析其时空变化特征。结合海州湾环境数据,采用广义非相似性模型分析海州湾鱼类β多样性及其组分与环境因子的关系。结果表明,海州湾鱼类β多样性及其周转和嵌套组分在年际间呈现不同程度的波动态势,浅水区的波动较为明显,深水区其次,海州湾整体则维持在较为稳定的状态;鱼类群落组成以周转模式变化。海水盐度和叶绿素a浓度是影响β多样性及其周转的主要因素,两者累计的模型偏差解释率分别为28.05%和23.33%,温度的影响相对较小;广义非相似性模型对嵌套组分的解释率较低。本研究深入解析了海州湾鱼类β多样性的时空特征及其影响因素,旨在为建立海洋保护区、优化海洋保护策略提供科学依据。
基于皮肤转录组的半滑舌鳎无眼侧黑化相关基因的筛选鉴定
赵娜, 何晓旭, 贾磊, 朱春华, 张博
2022, 44(2): 57-66. doi: 10.12284/hyxb2022044
摘要:
半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)作为比目鱼(Pleuronectiformes)中的代表物种,是我国沿海地区重要的海水经济鱼类。半滑舌鳎体色异常的问题长期以来一直困扰着从业者。导致体色变化的原因多种多样,遗传因素是最根本原因。针对半滑舌鳎无眼侧黑化的研究多在环境、营养、生理、常见色素基因克隆等方面展开,新的功能基因挖掘工作欠缺。本研究选取半滑舌鳎不同体色皮肤进行转录组测序,通过差异基因GO和KEGG富集比对分析,在可能的6条黑色素相关的KEGG通路中筛查差异基因并对差异表达最为显著的10个基因进行了实时荧光定量聚合酶链式反应的验证。本研究找出了半滑舌鳎无眼侧黑化表达显著变化的5个功能基因,分别为txndc、alox15b、ptgs2、ptgisPTGIS、atp1a2ap<0.05)。其中txndc、alox15b、ptgs2、ptgis基因在黑化组中表达水平高于对照组;功能方面,有3个基因均与花生四烯酸(AA)有一定的相关性,这为多不饱和脂肪酸参与半滑舌鳎体色异常的分子调控机制提供了一定的理论支持。
基于转录组测序技术对调控毕加索小丑鱼(Picasso clownfish)白化体征关键基因的研究
何丽斌, 黄镇, 吴水清, 郑乐云
2022, 44(2): 67-76. doi: 10.12284/hyxb2022050
摘要:
毕加索小丑鱼(Picasso clownfish)因其皮肤中的白色斑块分布杂乱抽象而得名,同时也由于其白色斑块的形成无规律性和稀缺性,属于名贵的小丑鱼,因此,解析毕加索小丑鱼的皮肤白斑形成机制,可以为毕加索小丑鱼的人工育种提供理论依据。在本研究中,我们对3种体色毕加索小丑鱼的背鳍和臀鳍之间的身体相同部位3种色块(黑色、黄色、白色)的皮肤进行进行了转录组测序。研究结果显示,与黄色和黑色皮肤组织相比,在白色皮肤组织中存在大量差异表达基因。其中与黑色素产生相关的信号通路(例如黑色素生成、Hedgehog信号通路和Wnt信号通路)中的基因在白色皮肤组织中呈下调表达趋势。进一步对3种颜色皮肤组织中参与黑色素生成途径的基因进行详细分析,发现上游调控基因(如ednrbamitfa)表达量从黑色到黄色至白色皮肤组织中逐步下调,但下游参与黑色素合成的核心基因(包括tyrtyrp1bdct)则在白色皮肤组织中表达出现显著下调。最后,本研究通过荧光定量PCR验证了转录组数据的可靠性。本研究结果将为今后人为干扰基因表达从而达到调控小丑鱼体色提供理论依据。
缢蛏糖原磷酸化酶基因多态性与糖原含量的关联分析
陈燕园, 林志华, 刘圣, 姚韩韩, 董迎辉
2022, 44(2): 77-83. doi: 10.12284/hyxb2022068
摘要:
为探究缢蛏糖原磷酸化酶基因(Sc-GPH)与糖原含量的关系,本研究克隆获得Sc-GPH cDNA全长,检测其在不同组织、不同月份的表达模式,并在Sc-GPH基因编码区筛选与糖原含量关联的SNP位点。结果表明,Sc-GPH cDNA全长为3 963 bp,开放阅读框为2 541 bp,编码846个氨基酸;氨基酸序列多重比对和系统发育树显示,缢蛏与欧洲大扇贝、虾夷扇贝、长牡蛎等贝类亲缘关系较近,而与哺乳类、甲壳类、昆虫类亲缘关系较远。实时荧光定量PCR结果显示,Sc-GPH在8个组织中均有表达,其中在外套膜和足中表达量最高(p<0.01),推测与其糖原存储能力有关;不同月份的缢蛏外套膜和足中,Sc-GPH在8月表达量最高,而此时糖原含量较低,说明Sc-GPH的表达可能受缢蛏生殖周期的影响。以缢蛏“甬乐1号”群体为实验材料,在Sc-GPH基因编码区筛选到4个与糖原含量相关SNP位点,其中c.930T>C位点在台州野生群体中得到进一步验证,该位点为高糖原缢蛏分子标记辅助选育提供了候选标记。
瘤背石磺体腔细胞分类、免疫相关酶特性及初步转录组学分析
吕庭莉, 杲绍强, 张虎, 张易婵, 陈鹏, 王嘉伟, 乔帼, 杨伯平, 张明明
2022, 44(2): 84-93. doi: 10.12284/hyxb2022066
摘要:
瘤背石磺(Onchidium struma)广泛分布于潮间带和潮下带,是海洋生物向陆地生物辐射进化的重要代表,也是环境监测的指示生物。为丰富瘤背石磺的基础免疫学资料,本文研究了瘤背石磺体腔细胞的类别、细胞密度和体腔液免疫相关酶活性,并通过RNA-Seq测序获得体腔细胞转录本,进行生物信息学分析。结果表明,瘤背石磺主要有变形细胞、球形细胞和色素细胞3种不同类型的体腔细胞,其中,球形细胞数量最多,色素细胞数量最少;在无任何外源刺激下,体腔液内酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、超氧化物歧化酶和酚氧化酶等抗氧化酶和免疫相关酶均具有活性,且超氧化物歧化酶和酚氧化酶活性最高;转录组学分析显示,体腔细胞中共组装出63 097个Unigenes,KEGG将这些Unigenes主要注释到“信号转导” “运输和分解代谢” “内分泌系统” “翻译” “折叠、分选和降解”等信号通路。研究结果将利于进一步揭示瘤背石磺的体腔液及其体腔细胞在机体免疫防御过程中的作用,丰富瘤背石磺的基础免疫学资料。
刺参(Apostichopus japonicus)幼参对高温和低盐协同胁迫的生理响应:生长和诱导型热休克蛋白基因表达
于姗姗, 李学玉, 何振平, 王青林, 孙桂清, 付仲
2022, 44(2): 94-101. doi: 10.12284/hyxb2022058
摘要:
全球气候变化背景下的极端高温和强降雨频发天气导致的养殖池塘持续性的高温和低盐环境给刺参池塘养殖带来了严峻的挑战。为了研究刺参对高温和低盐环境的生理响应,本实验分析了高温和低盐协同胁迫对刺参幼参生长及诱导型hsp70hsp90基因表达的影响。实验设置4个温度梯度(16℃、20℃、24℃和28℃)和3个盐度梯度(22、27和32),共12个不同的胁迫组。经过40 d的长期胁迫,研究发现,随着温度的升高和盐度的降低,幼参的体重增加量减少,并在高温、低盐组出现体重负增长。长期胁迫提高了刺参幼参的诱导型hsp70hsp90基因表达量,从而在一定程度上增强了对极端天气的抵抗能力。同时,高温下盐度22处理组刺参幼参诱导型hsp70hsp90基因的表达量较盐度27条件下低。双因子方差分析结果显示,高温和低盐对幼参特定生长率和诱导型hsp70hsp90基因表达量的交互作用均不显著,并且盐度对诱导型hsp70hsp90基因表达量没有显著的影响。因此,相较低盐,高温对刺参幼参的影响更大,可作为刺参育种的选择压力。在高温期应该采取有效措施降低海水温度,并防止极端天气造成的养殖水体温度分层。该研究丰富了刺参生理生态学理论,可为刺参良种选育工作提供思路,并为指导极端天气下刺参生产实践活动提供一定的理论依据。
一种环境敏感型造礁石珊瑚Pocillopora sp.共生虫黄藻和细菌的生态特征
梁甲元, 邓传奇, 许勇前, 覃良云, 陈金妮, 葛瑞琪, 黄学勇, 余克服
2022, 44(2): 102-112. doi: 10.12284/hyxb2022032
摘要:
在气候和人类活动的长期影响下,南海珊瑚礁演变出生境各异的珊瑚礁生态系统。珊瑚对特殊生境的适应离不开体内共生微生物类群的调节。分析共生微生物的生态特征有助于了解珊瑚的环境适应机制,同时可以对珊瑚未来的进化趋势做出评估。本研究从南海低纬度的南沙群岛(NS)和西沙群岛(XS)以及相对高纬度的海南陵水(LS)3个珊瑚礁区采集一种环境敏感型造礁珊瑚Pocillopora sp.,分析关键共生微生物(虫黄藻和细菌)的群落结构特征和生物量以及与环境的相关性。结果表明:(1)共生虫黄藻的群落组成在NS、XS与LS之间存在较大差异,NS和XS珊瑚共生虫黄藻的主导系群分别为D1、C1d和C42,而LS则为C42、C1d、C1p、C1和C1t;(2)共生细菌的群落组成均以变形菌(Proteobacteria)、拟杆菌(Bacteroidetes)和厚壁菌(Firmicutes)为主导系群,而具有光合作用功能的蓝细菌(Cyanobacteria)则随着纬度的升高,其相对丰度显著升高(从NS的0.95%到LS的8.18%,p<0.05);(3)在细胞数量方面,随着纬度的升高,共生虫黄藻的密度显著升高(从(3.39±0.49)×105 cells/cm2升至(8.90±0.65)×105 cells/cm2p=0.001<0.05),在相对高纬度的LS同样有着更高的珊瑚共生细菌16S rRNA基因拷贝数(p=0.001<0.05);(4)环境因子相关性分析表明,具有潜在耐热性质的虫黄藻亚系群D1与海表温度和透明度呈正相关,而在LS珊瑚中占主导的虫黄藻C42以及蓝细菌的相对丰度则与海表温度呈显著负相关,与营养盐浓度呈显著正相关。本研究对南海的环境敏感型珊瑚Pocillopora sp.的环境适应微生态机制以及未来进化趋势提供了一个较全面的认识。
鼠尾藻(Sargassum thunbergii)固碳能力对流速的响应
赵志方, 秦松, 刘正一, 唐君玮, 肖圣志, 钟志海
2022, 44(2): 113-122. doi: 10.12284/hyxb2022030
摘要:
流动的海水可以为海藻的生长提供所需的营养物质,对其生长和繁殖起到了非常重要的作用,而当前的生理生态学模拟实验,大多忽略了这一重要的环境因子。大型海藻虽然被认为是第4类“蓝碳”,但关于其固碳能力的研究较少。本研究设计了一种可以调节流速的大型海藻固碳能力测量系统,既可以测量大型海藻的净光合速率、呼吸速率和对无机氮、无机磷的吸收速率,也可以测量可溶性有机碳的释放速率。结果显示,与静止(0 m/s)相比,中流速(0.033 m/s)和高流速(0.094 m/s)均能提高鼠尾藻的净光合速率、净初级生产力、可溶性有机碳释放速率以及对无机氮、无机磷的吸收速率,且最大值均出现在高流速下。此外,鼠尾藻的可溶性有机碳释放速率随净初级生产力的提高而提高。本测量系统可为大型海藻固碳能力的研究提供切实可行的参考。