当前对海洋生态系统的研究主要有两种方式,一种是从从宏观尺度研究整个海洋生态系统与地球生态系统的相互关系,另一种是从微观尺度研究海洋中的个体或群体与海洋环境的相互耦合关系,但是介于这两种尺度之间存在着微生态系统。海洋中的浮游生物的种类和分布十分广泛,这些微小的浮游生物与周围的环境相互作用,共同构成了相对独立的生态系统,称为微生态系统。研究这种微生态系统内浮游生物和周围环境的相互作用机制,有助于建立和完善海洋浮游生物种群模型,进一步探索海洋物理过程和生态过程。对这个尺度问题的研究难点在高分辨率与大视场这两个矛盾的要求,目前的观测技术无法达到。基于此目的,本文充分利用本课题组的全息测量技术优势,在总结之前的实验基础上,建立了两套数字显微全息实验系统,并应用于浮游动植物的观测。重点在于：结合全息三维记录和重现的优势在视场有限的情况下从轴向扩展观测范围；结合模式识别理论,发现对目标生物体具有识别价值的参数系统,提高全息测量和分析的自动化程度；根据全息测量的精度,适当放宽对分辨率的限制,扩大视场,涵盖更广泛的微生态系统特征尺度。本文以数字显微全息技术为核心,建立了两套不同的实验光路,垂直显微全息测量系统和水平显微全息测量系统,这两种光路是根据不同生物的特点,分别针对不同的浮游生物进行全息测量。根据生物体的差异,对数字显微全息系统中设备参数进行了优化测量,包括系统分辨率的测量校准、显微镜头的选取原则以及全息记录距离对再现效果的影响等。主要结果有：分别实现了浮游生物不同尺度的代表生物样品的全息测量,包括圆筛藻细胞(Coscinodiscus),褶皱臂尾轮虫(Brachionus plicatilis),卤虫(Brine Shrimp)幼体和隆线溞(Daphnia carinata);测量和提取了浮游生物的周长、面积、圆等效直径、七个不变矩等特征参数,并分别应用于识别隆线溞和圆筛藻在自由水体内的身体姿态变化；应用高倍显微全息系统对圆筛藻自由沉降过程中的水动力学参数进行了直接测量,包括圆筛藻姿态的变化、速度和加速度的变化,为研究圆筛藻与典型流动结构的耦合研究奠定了基础。