穩(wěn)定同位素在魚類耳石生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用

譚魯玉

摘要：耳石中不同穩(wěn)定同位素在魚類生態(tài)學(xué)研究中已成為熱點(diǎn)。本文分別從魚類食性分析和營養(yǎng)級(jí)確定、生活史探討以及標(biāo)記放流方面，介紹了穩(wěn)定同位素技術(shù)在耳石中的應(yīng)用與發(fā)展，以期推動(dòng)漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：魚類；耳石；穩(wěn)定同位素

1引言

耳石是一種沉積在魚類后腦兩側(cè)內(nèi)耳膜迷路系統(tǒng)中的碳酸鈣晶體，其鈣質(zhì)生長帶和有機(jī)環(huán)帶圍繞著中心核交替形成，構(gòu)成明暗交替的生長帶，具有聽覺和平衡定向的作用（高永華，2009）。硬骨魚類有矢耳石、星耳石和微耳石，其中矢耳石最大，常被用作魚類研究的理想材料。耳石因獨(dú)有的特性被廣泛應(yīng)用，首先隨耳石形成明暗交替的日周輪應(yīng)用于年齡的判讀；其次由于其非細(xì)胞性和代謝惰性，沉積在耳石中的礦物質(zhì)不會(huì)因饑餓被重吸收，記錄著魚類個(gè)體生活過程中的生物、化學(xué)和物理環(huán)境信息，作為天然的標(biāo)記物用來揭示魚類生活史及其經(jīng)歷的環(huán)境變化；最后耳石樣品操作簡便，省時(shí)省力，成本低（熊英，2015）。

穩(wěn)定性同位素是天然存在于生物體內(nèi)的一種中性的、不具有放射性的同位素；具有相同質(zhì)子數(shù)，但不同中子數(shù)導(dǎo)致其質(zhì)量數(shù)不同的元素，不會(huì)隨時(shí)間而衰變的元素稱為穩(wěn)定性同位素。自首次出現(xiàn)測量同位素的質(zhì)譜儀以來，穩(wěn)定同位素技術(shù)引起了世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。該技術(shù)利用同位素分餾效應(yīng)，因其質(zhì)量和鍵能的微差異，導(dǎo)致不同化學(xué)分子間，或同一分子但不同相之間的同位素組成不同，且具有檢測快速、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)（鄭永飛，2000），被廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、地球化學(xué)、生態(tài)學(xué)以及農(nóng)業(yè)方面，用以追蹤元素所經(jīng)歷的物化反應(yīng)與路徑（林光輝，2010）。

2耳石穩(wěn)定同位素在魚類生態(tài)學(xué)中所解決的問題

2.1魚類食性分析和營養(yǎng)級(jí)確定

傳統(tǒng)的魚類食性分析和營養(yǎng)級(jí)的確定采用的是胃含物分析法，雖然該方法比較直觀，能反映瞬時(shí)的攝食情況，但工作量巨大，不能反映魚類長期食性變化，且不能避免分辨胃含物消化吸收的難易程度所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差（蔡德陵，2003）。而生物內(nèi)碳穩(wěn)定同位素的比值（δ13C）與其食物相近，在相鄰營養(yǎng)級(jí)之間僅有<1‰的富集，可以反映生物同化吸收的物質(zhì)來源；而氮穩(wěn)定同位素的比值（δ15N）在相鄰營養(yǎng)級(jí)之間具有較高的富集系數(shù)，隨營養(yǎng)級(jí)的增加而逐漸升高，平均為3.4‰，可以反映在食物網(wǎng)中的營養(yǎng)級(jí)位置。耳石主要由碳酸鈣鹽結(jié)晶形成，無機(jī)礦物質(zhì)含量占整個(gè)耳石的 95% 以上，δ13C是由魚類食物內(nèi)的碳和水環(huán)境里的溶解態(tài)無機(jī)碳（DIC）混合產(chǎn)生的，其中耳石中DIC比例約為17%～30%，而δ13C可能主要受到魚體新陳代謝、食性和營養(yǎng)來源的影響；δ15N主要來源于耳石中有機(jī)物蛋白質(zhì)種類和含量；因此耳石中δ13C和δ15N被應(yīng)用于魚類食性分析和營養(yǎng)級(jí)確定。Kirsten and Dettman（2010）研究發(fā)現(xiàn)隨著食物鏈的遞增，生物體內(nèi)累積的δ15N與營養(yǎng)級(jí)存在正相關(guān)性，進(jìn)一步驗(yàn)證耳石中的δ15N可以揭示水域生態(tài)系統(tǒng)中魚類營養(yǎng)級(jí)位置和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2.2魚類生活史

耳石中碳氧穩(wěn)定同位素值具有獨(dú)特的性質(zhì)，蘊(yùn)含大量生物學(xué)和生態(tài)學(xué)信息，反映魚類經(jīng)歷的外在環(huán)境變化，其中氧同位素值長久以來被用作測量所在環(huán)境溫度和鹽度的指標(biāo)，并應(yīng)用在生物性沉積物、貝類、無脊椎動(dòng)物等的古氣候重建，近年也應(yīng)用在魚類研究中，追溯個(gè)體的溫度變化、應(yīng)用在族群辨認(rèn)、遷徙路徑的判斷、仔稚魚出生地、攝食場的判定，以及深海魚深度的回推；而耳石中的碳同位素分布與水環(huán)境分布不平衡，主要與生產(chǎn)者、新陳代謝速率和食物來源有關(guān)，可以指示食性轉(zhuǎn)換、性腺發(fā)育程度、棲息地變化以及所處緯度的高低。因此耳石中δ13 C、δ18 O可以反映魚類經(jīng)歷的環(huán)境生活史，可以作為自然標(biāo)記物探索魚類種群的連通性和差異性，辨別種群空間結(jié)構(gòu)。 Killingley（1983）用δ18O研究了加利福尼亞灰鯨（Eschrichtius gibbosus Erxleben）在不同海域的生活情況，隨后Killingley又用δ18O和δ13 C對(duì)龜在河口區(qū)與沿海區(qū)的洄游進(jìn)行了探討。 Gao and Beamish（1999）利用大馬哈魚耳石中碳氧穩(wěn)定同位素特征作為棲息地的指標(biāo)，無論魚類生活在出生地還是洄游到不同海域，來辨別魚類種群。一些學(xué)者通過對(duì)不同海域的犬牙石魚耳石中穩(wěn)定性同位素δ13 C、δ18 O的分析，確定了5個(gè)不同海域的犬牙石魚 （Cynoscion regalis） 出生地和資源群單元的差異，判別成功率達(dá) 60%～81%。

2.3魚類標(biāo)記放流

漁業(yè)資源增殖放流是恢復(fù)漁業(yè)資源、保護(hù)生物多樣性和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。因此開展標(biāo)志-放流-回捕工作是一種極其有效的途徑，也是一種研究魚類生活史和資源評(píng)估管理的重要方法。標(biāo)志放流技術(shù)可以分為標(biāo)記和標(biāo)志兩種不同的方法，前者包括外標(biāo)記（剪鰭、烙印和染色等）、天然標(biāo)記（體形差異、耳石和骨骼中元素的特異性積累等）和化學(xué)標(biāo)記（元素標(biāo)記和熒光標(biāo)記）等，不需給魚體附加有形的標(biāo)記物；后者多指用有形標(biāo)記物附著在魚體以便識(shí)別的方法，主要包括外標(biāo)志（標(biāo)記物附于魚體外）、內(nèi)標(biāo)志（標(biāo)記物植入魚體內(nèi)）和能發(fā)射無線電或超聲波的遙測標(biāo)志等（李勝杰，2008）。然而這些標(biāo)記方法造成影響魚類生長、對(duì)魚類造成死亡率、標(biāo)志脫標(biāo)、持續(xù)時(shí)間短、回捕效果不佳及費(fèi)用高等問題（張?zhí)昧郑?003）。同位素標(biāo)志技術(shù)作為一種兼具體內(nèi)標(biāo)志和體外標(biāo)志的標(biāo)記方法，能夠做到快速大量地標(biāo)記不同生活史階段的魚類，包括卵、仔魚、幼魚以及成魚；并可以根據(jù)生活史階段、環(huán)境因素以及實(shí)驗(yàn)條件的不同選擇不同的標(biāo)記方式，例如注射、投喂、浸染等。與其他標(biāo)志方法相比，該方法操作過程需要時(shí)間較少、成本較低；產(chǎn)生的標(biāo)記維持時(shí)間長；能夠廣泛應(yīng)用于魚類的各個(gè)生活史階段（從受精卵到成魚），標(biāo)志效果比較一致；標(biāo)記過程簡易便于操作，恢復(fù)過程也容易進(jìn)行，對(duì)標(biāo)志魚的刺激較小。不同學(xué)者采用標(biāo)記方法識(shí)別魚類耳石穩(wěn)定同位素，如通過注射法將137Ba注入魚的親體中，檢測發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定同位素Ba隔代培育傳遞到仔稚魚耳石。另外采用不同濃度的δ137Ba和δ86Sr對(duì)鱸魚浸泡不同時(shí)間，觀察耳石的標(biāo)記效果，發(fā)現(xiàn)耳石出現(xiàn)顯而易見的標(biāo)記帶。

3應(yīng)用前景

耳石非細(xì)胞性和代謝惰性及保存時(shí)間長等特性，已備受諸多學(xué)者的青睞，若結(jié)合穩(wěn)定同位素技術(shù)探討魚類生態(tài)學(xué)問題，其應(yīng)用前景十分廣泛。目前，國內(nèi)在這方面的研究相對(duì)較少，今后需加大投入和深入開展研究，以推動(dòng)我國漁業(yè)資源可持續(xù)利用的發(fā)展，促進(jìn)漁業(yè)資源的保護(hù)。

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