人工條件下溫度變化對南極大磷蝦個體腹足擺動和生存狀態的影響

李 帥，邱盛堯，黃洪亮，楊嘉樑，李靈智

（1.煙臺大學海洋學院，山東煙臺 264005；2.中國水產科學研究院東海水產研究所，農業農村部遠洋與極地漁業創新重點實驗室，上海 200090）

南極大磷蝦（Euphausia superba），隸屬于節肢動物門，甲殼綱，磷蝦目，磷蝦科，磷蝦屬，是南大洋海洋生態系統的關鍵物種。南極大磷蝦身體較透明，具紅褐色斑點，具發光器，體長一般為30～60 mm，最大體長可超過60 mm，年齡可達5～7年。南極大磷蝦身體比重比水大，如果停止游泳會沉入水底［1-3］，其5對腹足與8對胸足有效地保證了南極大磷蝦的濾食與游泳。溫度條件不僅是影響南極大磷蝦資源分布及豐度的重要因素，同時也是影響其生存狀態的關鍵因子，相關研究多側重于溫度與南極大磷蝦的分布和豐度之間的關系［4-12］。近年來，南極大磷蝦個體對溫度變化的適應性研究越來越受到關注［13-15］。本研究分析了人工條件下不同溫度環境南極大磷蝦生存狀態和腹足擺動頻率的變化特征，并從不同體長組分析其對溫度變化的適應性，以進一步了解環境條件對南極大磷蝦生存狀態的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗活體樣本采集

暫養實驗活體磷蝦采集時間為2019年4月15日到2019年4月25日（表1），采集地點為南設得蘭群島附近海域。為了保證實驗磷蝦的活性，磷蝦活體采集根據實驗時間采取分批采樣，首先將取樣的活體磷蝦放入自然海水中暫養24～48 h，然后改變溫度條件進行實驗。

表1 南極大磷蝦樣本采集時間和實驗時間Tab.1 Samp ling time and experimental time of Euphausia superba

1.1.2 暫養與實驗環境控制

南極大磷蝦活體暫養在中國大型尾滑道拖網加工船“龍騰”輪的加工車間，暫養容器為不透明方形暫養箱，暫養用水取自船艙外冷海水，暫養水體容積為0.06 m3，暫養實驗期間每隔8 h換水一次。南極大磷蝦溫度變化實驗在“龍騰”輪船艙進行，實驗室溫度為6.2～12.1℃，均溫8.74℃。實驗裝置由38 cm×25 cm×9 cm實驗箱及200 mL透明聚乙烯瓶組成。實驗升溫變化通過實驗水體與船艙溫差實現，降溫變化通過冷凍自然海冰控制。海冰冷凍環境溫度≤-18℃，降溫海冰由1塊蓋冰與2塊側冰組成。實驗環境溫度通過電子溫度計測量，誤差范圍在±0.1℃。

1.2 實驗方法

溫度梯度變化實驗分晝夜兩組進行，兩組實驗連續進行，共15個批次，每批次設置10個平行樣本（其中有2個樣本活性較低，未進行實驗），溫度梯度變化實驗在實驗環境鹽度和光照度保持穩定狀態下進行。在實驗過程中，利用電子溫度計全程測量實驗水溫。實驗觀察為持續觀察，無時間間隔，通過Canon單反數碼相機觀察記錄不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動與存活狀態，相機型號為EOS 800D，傳感器類型為CMOS，濾鏡直徑為58 mm，支持全高清攝像，單個平行樣本拍攝時間為30～90 s。

1.2.1 漸變升溫

漸變升溫實驗中，將實驗活體樣本由暫養水體轉入水溫為1℃（初始水溫）的200 mL容器中，利用船艙內部溫度（6.2～12.1℃）與容器內初始水溫的溫差使200 mL容器內水溫逐漸升高，升溫變化范圍為1～5℃，升溫順序為1、2、3、4、5℃，溫度誤差在 ±0.1℃。

1.2.2 驟變降溫

驟變降溫實驗與漸變升溫實驗連續進行，期間不進行水體轉換，當實驗水溫達到5℃后，將裝有實驗樣本的200 mL透明聚乙烯瓶放入裝有海冰的實驗箱中實現溫度下降，以5℃為初始水溫，驟降到0℃和 -0.5℃，溫度誤差在 ±0.1℃。

1.2.3 生存狀態的劃分

根據實驗過程中南極大磷蝦個體游動狀態的變化，將其生存狀態劃分為垂直游動、水平游動、螺旋游動、橫臥和死亡5種生存狀態，用于分析漸變升溫與驟變降溫對南極大磷蝦生存狀態及腹足擺動頻率差異的影響。

1.2.4 樣本體長測量

為了分析不同體長組的南極大磷蝦對溫度變化的適應性，本實驗對全部實驗樣本的體長進行測定，體長測定方法為：即從額角的尖端至尾肢的最末端，測量工具為電子游標卡尺，測量精度為0.01 mm，測量樣本共計148尾。

1.3 數據統計和分析

南極大磷蝦腹足擺動頻率運用EXCEL軟件進行處理，對各溫度梯度下擺動頻率的數據采用平均值、最大值和最小值表示，單位為次·s-1。利用SPSSStatistics 22軟件分別對漸變升溫和驟變降溫實驗中不同溫度梯度南極大磷蝦個體腹足擺動頻率進行單因素ANOVA差異檢驗，以P＜0.001作為差異顯著水平；對腹足擺動頻率晝夜差異進行了獨立樣本T檢驗，以P＜0.05作為差異顯著水平；對不同體長組間擺動頻率進行兩因素差異檢驗，以P＜0.05作為差異顯著水平。南極大磷蝦體長頻次統計時以3 mm為組距。

2 結果與分析

2.1 實驗樣本體長

對148尾實驗樣本進行測量，體長范圍為28.79～56.75 mm，平均體長為 42.59 mm，其中37～49 mm的樣本較多，占總數的 71.66%（圖1）。

2.2 漸變升溫實驗

2.2.1 不同溫度梯度腹足擺動頻率差異

漸變升溫實驗中，對不同溫度梯度南極大磷蝦個體腹足擺動頻率進行單因素ANOVA差異檢驗，可見df＝4，F＝1.057，P＞ 0.05，各溫度梯度間腹足擺動頻率差異不顯著。由表2可知，腹足擺動頻率變化范圍為1.30～4.60次·s-1，平均擺動頻率最高值出現在 4℃梯度，為 2.89次·s-1，最低值出現在 3℃梯度，為 2.76次·s-1。最大擺動頻率變化范圍為4.00～4.60次·s-1，最大值出現在4℃，最小值出現在2、3℃溫度梯度。最小擺動頻率變化范圍為1.30～1.60次·s-1，最大值出現在1℃，最小值出現在2、3、4℃。與1℃相比，腹足擺動頻率平均變化率在4℃梯度最大，為 4.02%，上升比例為54.05%；平均變化率最小出現在3℃梯度，為-0.43%，擺動頻率增加比例僅為44.59%。在3℃梯度，腹足平均擺動頻率低于漸變升溫試驗組其他溫度梯度，腹足擺動頻率增加比例低于下降比例，但在4～5℃梯度，平均擺動狀態又恢復到初溫水平，甚至在4℃梯度達到最高值，腹足擺動頻率上升比例均超過50%（表2，表3）。

圖1 南極大磷蝦體長組Fig.1 Body length of Euphausia superba

表2 不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動頻率Tab.2 W iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod under different tem peratures

表3 不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動頻率的變化率Tab.3 Change rate of Euphausia superba’s p leopod under different tem peratures

2.2.2 腹足擺動頻率晝夜差異

對晝夜兩組南極大磷蝦腹足擺動頻率進行統計，并對溫度梯度進行了獨立樣本T檢驗，T＝4.124，df＝738，P＜0.05，結果表明不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動頻率存在顯著的晝夜差異性。腹足最大擺動頻率白天變化范圍為4.00～4.30次·s-1，晚上則為 3.70～4.60次·s-1。腹足最小擺動頻率白天變化范圍1.30～1.90次·s-1，晚上為1.30～1.60次·s-1。腹足平均擺動頻率白天變化范圍為2.85～2.97次·s-1，晚上為2.62～2.80次·s-1（表 4）。

2.2.3 不同體長組腹足擺動頻率變化

對不同體長組間擺動頻率進行兩因素差異檢驗，可見df＝9，F＝3.266，P＜0.05，各組間擺動頻率差異顯著。腹足平均擺動頻率在1.70～3.11次·s-1，最大值出現在34～37 mm體長組，最小值出現在28～31 mm體長組。1～5℃梯度平均擺動頻率最大值集中在31～40 mm之間，且體長分布較為連續。各溫度梯度最小值多集中出現在28～31 mm和55～58 mm兩個體長組，但體長分布不連續。平均擺動頻率平均值最大為2.97次·s-1，出現在34～37 mm體長組；平均擺動頻率平均值最小為2.10次·s-1，出現在55～58 mm體長組（表5）。

2.2.4 南極大磷蝦生存狀態及腹足擺動頻率變化

不同溫度梯度下南極大磷蝦不同生存狀態的個體比例及其腹足平均擺動頻率如表6所示。在1～5℃梯度中，南極大磷蝦個體橫臥狀態個體的比例最高，占47.97% ～54.05%，最高出現在3℃梯度，最低出現在2℃梯度；其平均擺動頻率范圍在2.61～2.75次·s-1，最高出現在4℃梯度，最低出現在3℃梯度。垂直游動狀態占19.60% ～26.35%，其平均擺動頻率為 2.90～3.08次·s-1，最高出現在4℃梯度，最低出現在3℃梯度。水平游動狀態占22.30%～29.73%，其平均擺動頻率范圍在2.96～3.10次·s-1，最高出現在5℃梯度，最低出現在2℃梯度。螺旋游動狀態比例小，僅占0.68% ～2.03%，最高出現在2℃梯度，3～5℃梯度均為0.68%；其平均擺動頻率范圍在2.40～3.50次·s-1，最高出現在4℃梯度，最低出現在5℃梯度。

表4 不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動頻率的晝夜差異Tab.4 Differences of w iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod between day and night under different temperatures

表5 南極大磷蝦不同體長組的腹足平均擺動頻率Tab.5 W iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod w ith different body lengths

2.3 驟變降溫實驗

2.3.1 不同溫度梯度腹足擺動頻率差異

在驟變降溫實驗中，對不同溫度梯度變化下南極大磷蝦個體腹足擺動頻率進行單因素ANOVA差異檢驗，可見df＝2，F＝5.093，P＜0.001，各溫度梯度間腹足擺動頻率差異顯著。由表7可知，腹足擺動頻率變化范圍為0.80～4.60次·s-1，平均擺動頻率最高值出現在5℃梯度，為2.83次·s-1，最低值出現在 -0.5℃梯度，為2.47次·s-1。最大擺動頻率變化范圍為4.10～4.60次·s-1，最大值出現在 -0.5℃，最小值出現在0℃梯度。最小擺動頻率變化范圍為0.80～1.40次·s-1，最大值出現在5℃，最小值出現在-0.5℃。與5℃相比，腹足擺動平均變化率分別為-5.54%和-8.70%，腹足擺動頻率上升比例僅為29.63%和27.69%（表7，表8）。

2.3.2 晝夜兩組溫度梯度變化實驗

對晝夜兩組南極大磷蝦腹足擺動頻率進行統計，并對溫度梯度進行了獨立樣本T檢驗，T＝0.897，df＝411，P＞ 0.05，結果表明不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動頻率晝夜差異性不顯著。腹足最大擺動頻率白天變化范圍為3.90～4.10次·s-1，晚上則為3.80～4.60次·s-1。腹足最小擺動頻率白天變化范圍 0.80～1.60次·s-1，晚上為0.90～1.40次·s-1。腹足平均擺動頻率變化范圍為2.47～2.85次·s-1，晚上為2.44～2.80次·s-1（表9）。

表6 不同溫度梯度下南極大磷蝦各生存狀態的個體比例及其腹足平均擺動頻率Tab.6 Survival state and w iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod under different tem peratures

表7 不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動頻率Tab.7 W iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod under different tem peratures

表8 不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動頻率的變化率Tab.8 Change rate of w iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod under different tem peratures

表9 不同溫度梯度下南極大磷蝦腹足擺動頻率的晝夜差異Tab.9 Differences of w iggling frequency of Euphausia superba’s p leopod between day and night under different temperatures

2.3.3 不同體長組腹足擺動頻率變化

對不同體長組間擺動頻率進行兩因素差異檢驗，可見df＝9，F＝2.260，P＜0.05，各組間擺動頻率差異顯著。腹足平均擺動頻率在1.79～2.99次·s-1，最大值出現在34～37 mm體長組，最小值出現在49～52 mm體長組，平均擺動頻率最大值集中在31～40 mm之間，且體長分布較為連續。平均擺動頻率平均值最大為2.76次·s-1，出現在34～37 mm體長組；平均擺動頻率平均值最小為2.10次·s-1，出現在55～58 mm體長組（表10）。

2.3.4 南極大磷蝦生存狀態及腹足擺動頻率變化

不同溫度梯度下南極大磷蝦不同生存狀態的個體比例及其腹足平均擺動頻率如表11所示，南極大磷蝦橫臥狀態個體的比例最高，占46.62%～52.03%，最高出現在5℃梯度，最低出現在-0.5℃梯度；其平均擺動頻率范圍在2.35～2.66次·s-1，最高出現在 5℃梯度，0℃和-0.5℃梯度平均擺動頻率均為2.35次·s-1。垂直游動狀態占24.32%～26.35%，其平均擺動頻率為2.61～2.95次·s-1，最高出現在5℃梯度，最低出現在-0.5℃梯度。水平游動狀態占為16.22% ～22.30%，其平均擺動頻率范圍在2.61～3.10次·s-1，最高出現在 5℃梯度，最低出現在-0.5℃梯度。螺旋游動狀態比例很小，在5℃、0℃和-0.5℃梯度均為0.68%；其平均擺動頻率范圍在2.40～2.70次·s-1，最高出現在0℃梯度，最低出現在5℃梯度。磷蝦個體死亡現象只出現在0℃和-0.5℃兩個梯度中，占比分別為8.78%和12.16%。

表10 南極大磷蝦不同體長組的腹足平均擺動頻率Tab.10 W iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod w ith different body lengths

表11 不同溫度梯度下南極大磷蝦各生存狀態的個體比例及其腹足平均擺動頻率Tab.11 Survival state and w iggling frequency of Euphausia superba’s p leopod under different temperatures

3 討論

3.1 南極大磷蝦對溫度變化的適應性

南大洋溫度的升高，對南極海域產生了深刻的影響［16］，南極大磷蝦作為南極洲生態系統的關鍵物種，其生存狀態也受到溫度條件變化的影響，國內外學者對此開展了一些研究［17-19］。本文通過觀察南極大磷蝦個體腹足擺動頻率在漸變升溫和驟變降溫過程中的變化來研究南極大磷蝦對溫度變化的適應性。實驗結果表明，溫度漸變升溫過程對南極大磷蝦的腹足擺動頻率的影響較小，驟變降溫過程對南極大磷蝦的腹足擺動頻率影響較大。南極大磷蝦腹足擺動頻率在1～3℃的減少反應和在3～5℃的增加反應可以看出，南極大磷蝦在1～5℃時對溫度的漸變有較好的生存適應性，與楊文杰等［17］提出的南極大磷蝦對0～6℃溫度變化有較強的適應能力一致。在驟變降溫實驗中，與5℃相比，溫度驟降后有70%以上個體腹足擺動頻率有降低反應，且腹足擺動頻率變化幅度較大，由此可見南極大磷蝦在溫度驟降過程中生存適應性較差。李瑩春等［15］通過加入浮冰的方式模擬南極大磷蝦在浮冰下緣的生存環境，分析得出南極大磷蝦活體的活性有較好保持性。AARSET和 TORRES［20］研究表明，南極大磷蝦對低溫的可承受臨界溫度為-9℃，而本文出現的腹足擺動頻率降低的反應可能與短時間內溫度持續升高后驟降有關。

3.2 對溫度變化適應性的晝夜差異

諸多研究表明，南極大磷蝦有集群習性，且具有典型的晝夜移動特征［21-22］，這種對晝夜變化的適應性也有可能在個體生存狀態中有所反映。本實驗結果表明在漸變升溫過程中，南極大磷蝦腹足擺動頻率對溫度變化具有顯著的晝夜差異性，驟變降溫過程無明顯差異。1～5℃梯度，白天腹足平均擺動頻率均高于晚上，一定程度上表明南極大磷蝦在白天有較好的活躍性，且對溫度漸變升溫和驟變降溫的適應性優于晚上。南極大磷蝦腹足擺動可能與南極大磷蝦生活習性有關，KAWAGUCHI等［23］研究認為食物和光照強度對南極大磷蝦的游泳模式和集群行為有影響，南極大磷蝦在較明亮的光線下形成更緊密的集群，在形成高密度集群時，磷蝦個體會快速地朝同一方向游泳，加快擺動頻率是其加速游動的重要方式［24］。KILS［24］認為，南極大磷蝦通過不停地擺動附肢以控制身體不下沉。本文雖是對南極大磷蝦個體腹足擺動頻率的研究，但長期形成的生活習性可能對其腹足擺動頻率有一定的影響。在漸變升溫實驗中，白天組最大擺動頻率值在3～4℃出現轉折，最小擺動頻率除4℃梯度外，均白天高于晚上。由此可以推斷，3～4℃梯度是影響南極大磷蝦對漸變升溫晝夜差異的主要梯度。驟變降溫實驗中：0℃梯度的腹足平均擺動頻率、最大擺動頻率和最小擺動頻率均是白天高于晚上；-0.5℃梯度的腹足平均擺動頻率、最大擺動頻率和最小擺動頻率均為白天小于晚上，說明南極大磷蝦在0～-0.5℃梯度內具有較為一致的適應性。

3.3 不同體長組適應性差異

南極大磷蝦體長的變化一定程度上能夠反映其生長狀態，基于體長頻度法估算南極大磷蝦年齡結構是一種較為傳統的研究方法［25-27］。本文通過分析不同體長組在漸變升溫和驟變降溫過程中腹足擺動頻率變化，發現不同體長組南極大磷蝦腹足擺動頻率差異顯著，各溫度梯度平均擺動頻率最大值集中在31～40 mm體長組之間，且分布體長較為連續，最小值則集中出現在最大和最小兩個體長組。由此可見，31～40 mm體長組對溫度變化的適應性較強，而最大和最小體長組個體的適應性最弱。目前，對南極大磷蝦溫度適應性的研究多為對其生存狀態的研究［15，17］，一些學者對游泳姿態和游泳行為進行了研究［24，28］，但對溫度變化下的游泳行為和不同年齡階段的游泳行為研究較少。本實驗由于實驗環境和不同年齡結構活體獲取的難度性，無法系統研究不同年齡南極大磷蝦對溫度的適應性，只能通過分析不同體長南極大磷蝦對溫度變化的適應性，因此存在一些不足。

3.4 溫度對南極大磷蝦生存狀態的影響

游泳能力大小對磷蝦的生長和存活至關重要［29］，通過設置漸變升溫和驟變降溫實驗對比分析南極大磷蝦腹足擺動頻率的變化，有利于從升溫和降溫兩個方向研究南極大磷蝦的生存狀態變化。從本次實驗結果可以看出，無論是漸變升溫過程還是驟變降溫過程，南極大磷蝦橫臥比例均高于其他生存狀態，其腹足平均擺動頻率也相對較小，南極大磷蝦個體死亡現象只出現在0℃和-0.5℃兩個梯度中。楊文杰等［17］認為，南極大磷蝦的適宜臨界海水溫度為7℃左右，當水溫達到7～14℃時，實驗個體開始出現不同程度的不適現象，當溫度達到13℃時，南極大磷蝦出現休克或死亡現象，而本文驟變降溫實驗中，當溫度驟降至0℃時便出現死亡現象，由此可見驟變降溫過程對南極大磷蝦的生存狀態影響大于漸變升溫過程。

目前，在南極大磷蝦調查海域進行現場暫養實驗，有利于獲取高質量的南極大磷蝦活體樣本，國內外學者通過現場暫養實驗對南極大磷蝦的生長、游泳等行為狀態及耐受性進行了研究［31-32］，獲得了寶貴的參考資料，但受海上科研設備限制，現場暫養實驗難度較大，效果也較難得到保證。本實驗在方案設計、實驗條件、實驗材料等方面依然存在一定的缺陷，尤其是由于南極大磷蝦活體獲取的難度性，無法確定南極大磷蝦群體的年齡結構，因此，本實驗所得到的結果可能會存在一定誤差，實驗各環節的質量仍有待提高，但本研究結果也為南極大磷蝦對溫度變化的適應性研究提供了一定的參考資料。

致謝：中國水產有限公司 “龍騰”輪船長、政委、各位船員在室驗過程中給予幫助，謹致謝忱！