北太平洋柔魚不同群體耳石日增量對海洋環境的響應研究

韓霈武，王巖，方舟,2,3,4,5*，陳新軍,2,3,4,5

( 1. 上海海洋大學 海洋科學學院, 上海 201306；2. 大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室, 上海 201306；3. 國家遠洋漁業工程技術研究中心, 上海 201306；4. 農業農村部大洋漁業開發重點實驗室, 上海 201306；5. 農業農村部大洋漁業資源環境科學觀測實驗站, 上海 201306)

1 引言

柔魚（Ommastrephes bartramii）廣泛分布于北太平洋亞熱帶海域[1-2]，是我國主要捕撈的大洋性魷魚之一[3]。作為重要的大洋性經濟頭足類，柔魚在海洋生態系統中占有重要地位，日本于1974年開始商業性捕撈[2]，我國于1994年進行規模性捕撈，年產量基本穩定在6×104～10×104t[4]。目前，依據地理分布和產卵時間的不同，以170°E為界限，北太平洋柔魚可分為兩個地理產卵群體：170°E以東的東部群體（秋生群體），產卵高峰期為9-11月，捕撈作業時期在5-6月；170°E以西的西部群體（冬春生群體），產卵高峰期為2-4月，捕撈作業時期在7-10月[5]。作為一種短生命周期的海洋物種，不同群體個體差異較大，其生長易受到外界因素的影響[6-7]。其中，海洋環境的變化被認為是影響大洋性魷魚生長的最主要因素[8-9]，但目前其對不同柔魚群體的影響機制尚不明確。

年齡估算和生長分析可以為種群結構和生長差異提供重要信息[10]。頭足類耳石是位于平衡囊中的一對硬組織，是頭足類生態信息的良好載體[11]，具有結構穩定、生長紋清晰規則等特性，并且其生長貫穿頭足類整個生命歷程，一旦沉積，其成分不會被重吸收或改變[12-14]，因而其微結構和生長特性可以用于揭示個體生命周期及生長規律[15]。耳石增量生長一般是指通過碳酸鈣和蛋白質的差異以基本恒定速率進行沉積[16]。當其受到環境條件的影響時，會表現出一定的種內差異[16-17]。目前，針對環境變化對頭足類耳石影響的研究較少，而在海洋魚類耳石中，Maillet和Checkley[18]及Gallego等[19]證實了一些物理因素（如風暴和湍流）與魚類耳石增量寬度減小有關，其認為風暴和湍流會導致營養物質的分散，從而影響其生長和補充率。Sun等[20]研究發現，一些環境因素（如溫度和混合層深度等）也會對耳石日增量寬度產生一定的影響。因此，耳石日增量寬度的變化能夠很好地反映海洋環境對其所產生的影響。

柔魚分布廣泛，洄游距離長，盡管目前對柔魚的洄游路線有所了解，但對其每個生長階段的棲息位置仍無法準確判斷。近年來，通過硬組織微量元素與環境所建立的關系，可以基本推測出具備足夠游泳能力的成魚期柔魚個體在其被捕獲前的棲息分布范圍[21]。因此，本文選取北太平洋不同海域采集的柔魚成魚期樣本，選取柔魚個體在捕撈前30 d的耳石輪紋日增長信息，結合梯度森林法（Gradient Forest Method, GFM）找出影響耳石日增量的關鍵因子；同時使用廣義加性模型（Generalized Additive Model, GAM），以耳石日增量寬度為自變量，篩選出的產生影響的關鍵環境因子為因變量，從而探究不同群體柔魚在索餌時期個體生長對關鍵環境因子的響應方式，以期為北太平洋柔魚的種群生長差異及資源評估與管理提供數據支撐和參考依據。

2 材料與方法

2.1 樣本概況

2.1.1 樣本來源

柔魚樣本來源于2010-2016年的5-10月，采樣地點集中于北太平洋海域（40°～46°N，150°～161°E；38°～41°N，170°E～171°W）（圖1）。柔魚樣本由舟山寧泰遠洋漁業有限公司的“寧泰61”號魷釣船采集，每年往返一個航次。漁船在作業時，一般5-6月會在東部進行作業，7月后進入西部海域作業，其作業時間連續，均遵循隨機采樣的相關原則，并按照《海洋調查規范 第6部分：海洋生物調查》（GB/T 12763.3-2007）進行[22]。采集的柔魚樣本經冷凍保存運回實驗室進行生物學分析。詳細信息見表1。

圖1 北太平洋柔魚采樣站點Fig. 1 Sampling stations of Ommastrephes bartramii in the North Pacific

表1 北太平洋柔魚樣本基本信息Table 1 Basic information of Ommastrephes bartramii in the North Pacific

2.1.2 樣本選取

頭足類的生活史階段可分為胚胎期、仔魚期、稚魚期、亞成魚期和成魚期[1]。經相關研究表明，東部海域個體基本為秋生群體，其優勢日齡分布范圍在180～320 d，一般認為大于6個月（180 d）的個體即達到成魚期；西部海域個體基本為冬春生群體，其優勢日齡分布范圍在110～240 d，一般認為大于4個月（120 d）的個體即達到成魚期[6,9]。為保證不同群體個體處在同一生長階段，使得數據具有可比性，本文只挑選兩個群體的成魚個體進行后續耳石日生長分析。共計秋生群個體184尾，冬春生群個體204尾。

2.2 研究區域及其概況

2.2.1 研究區域

根據柔魚短生命周期和“產完卵即死”的生物學特性[5]，本研究所選取的成魚均為性成熟個體，基本處于個體生長中后期階段，具有良好的游泳能力。此外，研究表明，柔魚的最大游泳速度為20 km/d[23]，同時由于受到黑潮及其延伸海流的影響，其洄游方向通常為自西向東，自南向北[21]。因此，根據其游泳速度和方向確定了柔魚個體捕撈前30 d的活動范圍。其研究范圍為34°～46°N，144°～161°E（西部海域）和32°～41°N，164°E～171°W（東部海域）（圖2）。

圖2 北太平洋柔魚采樣區域與研究區域Fig. 2 Sampling area and study area of Ommastrephes bartramii in the North Pacific

2.2.2 概況

北太平洋海域廣闊，具有獨特的地理位置和復雜的海流系統[24]。其中，高溫高鹽的黑潮和低溫低鹽的親潮是該海域的兩大流系[4]。寒暖流的交匯使得大量的營養鹽在此富集，成為許多浮游生物的聚集地，為漁場的形成提供了條件[25]。兩股海流一般在35°～40°N處交匯，匯集后繼續向東延伸，在160°E以西的海域其交匯勢力較強，鋒面明顯，等溫線分布密集，而在160°E以東的海域僅受黑潮和親潮續流的影響，交匯勢力較弱，鋒面不明顯，等溫線分布較為稀疏[25]（圖2）。因此，不同群體所處區域不同，其環境狀況也不同，對其年齡結構、生長特征的影響也會存在著不同。

2.3 耳石研磨和日增量寬度讀取

耳石的研磨參照文獻[26]，將研磨好的耳石切片置于連有電荷耦合元件（Charge-Coupled Device, CCD）的光學顯微鏡下進行拍照，利用Photoshop圖像處理軟件對圖片進行疊加處理。在計數過程中，每個耳石的日輪分別計數兩次，每次計數的日輪數與均值的差值低于5%，則認為日輪計數準確，否則重新計數[26]，最后根據捕撈日期與所得日齡相減得到孵化時間。所得的日齡和孵化高峰期如表1所示。利用ImageJ測量每個耳石最后30 d的日增量寬度，在讀取的過程中，每個耳石的日增量寬度分別讀取兩次，以確保準確性。以往耳石日齡主要沿長軸方向進行讀取，但由于其紋路的走向及寬度差異大，且末端的生長紋并不清晰，并不利于研究近期生長情況，因此，本研究中所有的日輪計數和日輪寬度測量均沿短軸進行（圖3）。

圖3 柔魚耳石微結構及日齡、日增量測量方向Fig. 3 Microstructure of statolith and measurement direction of age and daily increment for Ommastrephes bartramii

2.4 環境數據的選擇與下載

溫度是影響頭足類種群生長和繁殖的重要因素[21]，不同水層溫度也影響種群的分布與遷移[27]。相關研究發現[28]，柔魚的資源豐度與100 m水層水溫的相關性較好?；旌蠈由疃龋∕ixed Layer Depth, MLD）的變化反映了湍流混合強度的變化，可以影響著種群餌料生物的分布以及豐度[29]。葉綠素a濃度（ChlorophyllaConcentrations, CHL）是衡量水體中浮游植物生物量的主要指標，可以表征該海域的生產力[30]。海表面高度（Sea Surface Height, SSH）則反映了海水流速、流向等海洋環境狀況，其值大于平均海面高度則代表著海流的輻合或涌升，海流的輻合和涌升使得該海域的營養鹽豐富[31]。此外，海流是影響著個體的洄游距離和游泳方向的環境變量之一[21]，而海表面鹽度（Sea Surface Salinity, SSS）的變化會對個體的滲透壓產生影響，從而影響個體的新陳代謝、生長等[32]。因此選擇這些環境變量作為研究耳石日增量的指標（表2）。

表2 關鍵環境變量對柔魚耳石日增量寬度的GAM分析Table 2 The key environment variables on daily increment width in Ommastrephes bartramii based on the generalized additive model (GAM) analyses

環境數據中海表面溫度（Sea Surface Temperature,SST）、100 m水層海水溫度（Sea water temperature at the depth of 100 m, Temp_100）、SSS、MLD、SSH、水平流速（Zonal Current Velocity, ZV）和垂直流速（Vertical Current Velocity, VV）的數據來自美國大學夏威夷研究中心（http://apdrc.soest.hawaii.edu/las/v6），空間分辨率為0.25°×0.25°；CHL數據來自Ocean Watch官方網站（https://oceanwatch.pifsc.noaa.gov/），空間分辨率為0.05°×0.05°。將所有日環境變量平均值和柔魚個體耳石日增量寬度平均值按時間順序一一對應。所有下載的環境變量的空間分辨率均由Matlab軟件處理為0.5°×0.5°。

2.5 數據處理

（1）根據捕撈日期往前推30 d，測量耳石日齡最后30 d的每日輪紋增量寬度。在不同群體中，將樣本的每日增量寬度和相應的環境變量取平均值，以獲得給定日期的生長和環境數據。利用方差分析檢驗不同群體的每日增量寬度是否存在差異。

（2）采用GFM對所有環境變量進行篩選，選出影響耳石日增量寬度的關鍵環境變量，其中，以平均日增量寬度作為相應變量，將環境變量作為預測變量[20]。模型的構建采用“gradientForest”軟件包進行分析[33]。

（3）利用GAM對梯度森林法中選取的前4個關鍵環境變量進行進一步分析，以表明耳石日增量寬度與環境因子的定量關系。把影響因子引入GAM模型之前，對前4個環境變量進行方差膨脹因子分析[34]，發現環境變量間存在共線性。為避免這一現象，將不同群體的耳石日增量寬度建模為單個環境變量的平滑函數。因此，GAM模型的表達式為

式中，lnWt是表示第t天耳石增量寬度的響應變量；Vt是表征關鍵環境變量的預測變量；S為自然立方樣條平滑；ε為誤差項。對數變換后的日增量寬度數據服從正態分布。以赤池信息準則（Akaike Information Criterion, AIC）來衡量模型擬合優度，其值越小，表明模型的擬合效果越好[35]，同時利用F檢驗評估各因子的顯著性[36]。模型的構建采用“mgcv”軟件包進行分析。

3 結果

3.1 耳石日生長

方差分析表明，不同群體間耳石日增量寬度存在顯著性差異（F=103.17,p<0.01）。在秋生群體中，耳石的日增量寬度范圍為0.57～0.85 μm，平均值為0.75 μm，在4月18日達到最大值，隨后在5月中旬開始下降（圖4a）。冬春生群體中，耳石的日增量寬度范圍為0.61～1.06 μm，平均值為0.88 μm，在7月17日達到最大值，隨后在8月初開始下降（圖4b）?？傮w而言，無論哪種群體，柔魚在索餌期耳石日增量寬度隨著時間的推移，均先增加后減?。▓D4）；冬春生柔魚耳石的日增量寬度要比秋生群體的日增量寬度寬（圖5）。

圖4 不同群體柔魚的耳石平均日增量寬度Fig. 4 Mean daily increment width of statolith of Ommastrephes bartramii for different cohorts

圖5 不同群體柔魚耳石平均日增量寬度分布Fig. 5 Distribution of mean daily increment width of statolith of Ommastrephes bartramii for different cohorts

3.2 關鍵環境變量篩選

根據GFM篩選環境變量，結果表明，對于秋生群體，選擇Temp_100、SST、SSS和MLD作為影響耳石日增量寬度變化的關鍵環境變量（圖6a）；其中耳石日增量寬度分別對Temp_100（14.2～14.3℃）、SST（15.5～16℃）、SSS（34.20～34.25）和MLD（50～100 m）存在較強的閾值響應（圖7a）。對于冬春生群體，選擇Temp_100、MLD、SSH和CHL作為影響耳石日增量寬度變化的關鍵環境變量（圖6b）；其中耳石日增量寬度分別對Temp_100（11.0～11.5℃）、MLD（25～35 m）、SSH（20～22 cm）和CHL（0.4～0.5 mg/L）存在較強的閾值響應（圖7b）。

圖6 環境變量對不同群體柔魚耳石平均日增量寬度的權重Fig. 6 Weight of environmental variables on statolith mean daily increment width of Ommastrephes bartramii for different cohorts

圖7 不同環境因子對秋生群體（a1-a4）和冬春生群體（b1-b4）柔魚耳石日增量寬度的累積重要性Fig. 7 Cumulative importance of different environmental factors in relation to daily increment width of statolith of Ommastrephes bartramii for autumn cohort (a1-a4) and winter-spring cohort (b1-b4)

3.3 關鍵環境變量與耳石日增量寬度關系

GAM分析表明，耳石日增量寬度與GFM篩選的關鍵環境變量存在顯著關系（p<0.01），這表明GAM與GFM對關鍵變量的選取具有一致性。對于秋生群體，GAM結果認為Temp_100為最重要的環境變量，其AIC為-401.7045，R2為0.958，總體偏差解釋率為96.2%；對于冬春生群體，也選取了Temp_100作為解釋耳石增量生長的最佳模型，其AIC為-519.3610，R2為0.921，總體偏差解釋率為92.6%（表2）。

對于秋生群體，當Temp_100在14.1～14.4℃范圍內，隨著溫度的增加，耳石日增量寬度逐漸減??；當SST為15～18℃時，耳石日增量寬度逐漸減??；當SSS低于34.15時，耳石日增量寬度隨著SSS的增加先增加后略微減小，而當SSS大于34.15時，耳石日增量寬度迅速增加；當MLD在50～150 m范圍內，耳石日增量寬度隨著MLD的增加逐漸增加，在150 m以深，耳石日增量寬度呈下降趨勢（圖8a）。

對于冬春生群體，當Temp_100在10.5～11.5℃范圍內，隨著溫度的增加，耳石日增量寬度逐漸減小。當MLD在20～60 m范圍內，隨著MLD的增加，耳石日增量寬度逐漸減小。當SSH在16～19 cm范圍內，耳石日增量寬度隨著SSH的增加逐漸增加，大于19 cm后，耳石日增量寬度呈下降趨勢。當CHL在0.2～0.6 mg/L范圍內，耳石日增量寬度隨濃度增加呈下降趨勢，大于0.6 mg/L時，耳石日增量略微上升，大于0.8 mg/L時，耳石日增量又呈下降趨勢（圖8b）。

圖8 基于GAM的關鍵環境變量對秋生群體（a1-a4）和冬春生群體（b1-b4）柔魚耳石平均日增量寬度的影響Fig. 8 Effective of key environment variables on mean daily increment width of Ommastrephes bartramii for autumn cohort (a1-a4) and winter-spring cohort (b1-b4) based on GAM

4 討論

4.1 日齡組成與生長模式

本研究結果表明，柔魚的最大日齡為345 d，約為1 a。不同群體柔魚的日齡組成存在較大的差異，秋生群體柔魚的最大日齡和平均日齡分別為345 d和263 d，而冬春生群體的最大日齡和平均日齡較小，分別為271 d和166 d。Liu等[37]研究發現，哥達斯加海域的莖柔魚(Dosidicus gigas)壽命小于智利和秘魯海域莖柔魚的壽命，并認為這是由空間分布引起的。柔魚為短生命周期物種，因此不同群體空間分布不同、棲息水域的環境不同均可能導致其日齡組成存在較大的差異。

耳石的日增量寬度可以作為表征個體生長發育的指標[16]，隨著個體的發育，耳石日增量寬度會逐漸增加再降低[38-39]。本研究中，秋生和冬春生群體耳石日增量寬度都呈現出先增加后減小的變化趨勢（圖4）。此變化趨勢體現了柔魚個體的生長歷程：性未成熟期，生長迅速，性成熟后生長逐漸緩慢。同時棲息水域溫度的升高也會使得日增量寬度增加[20]。秋生群體雌性個體于5月份洄游至亞北極邊界海域，6-7月繼續向北洄游，到達42°～46°N的南部海域；而冬春生群體個體在5-8月到達親潮、黑潮混合區（35°～40°N），8-10月 洄 游至40°～46°N的海域[23]。秋生和冬春 生群體柔魚都是從低緯度洄游至高緯度，其棲息水域的溫度也由高漸低（圖9）。此外，相比于秋生群體，冬春生群體耳石日增量寬度更寬。研究表明[40]，攝食強度的增加也會使得日增量寬度增大。在親潮、黑潮的交匯區，海水垂直移動加強，營養鹽富集，初級生產力較高，有更多的餌料生物在此聚集，本研究中的混合層深度在不同群體重要性上差異也有所體現（圖6），從而造成冬春生群體柔魚的攝食強度高于秋生群體[7]，即冬春生群體柔魚的生長快于秋生群體。Yatsu等[6]也發現，太平洋西部海域柔魚的生長速度快于中東部海域。

圖9 不同群體柔魚索餌場100 m水層水溫分布Fig. 9 Distribution of Temp_100 for different cohorts of Ommastrephes bartramii in feeding ground

4.2 關鍵因子的選擇

北太平洋柔魚在副熱帶產卵場和亞北極索餌場之間進行季節性洄游，不同群體洄游時期和洄游路線不同[41]，導致其同一時期所處的棲息水域環境也不同。因此，導致影響耳石增量寬度的環境因素也不盡相同。其中，Temp_100被認為是影響秋生和冬春生群體耳石日增量寬度的最重要的環境變量。柔魚具有垂直洄游移動現象，其棲息水層一般在0～300 m，仔魚時期，柔魚通常分布于0～25 m，成體后的柔魚則會下潛到更深的水層中[42]。Zumholz[43]發現黵烏賊（Gonatus fabricii）也具有這一現象，幼體生活在海水表層，而成體則向具有較冷水溫的深水海域移動。因此，較深層的水溫對索餌時期的柔魚生長影響更為顯著。MLD的分布與表層溫鹽有著密切的聯系，并且存在較大的季節性變化。在北太平洋，MLD最大可以達到300 m，并且從1月維持到4月，而從春季到夏季MLD逐漸變淺，秋季到冬季又會逐漸變深[44]。不同群體柔魚的洄游時間具有季節性差異，導致個體生長在洄游過程中受MLD的影響較為明顯。此外，Chen和Chiu[45]研究表明，北太平洋中部海域柔魚的分布受SST和SSS的影響較大。這與本文秋生群體的結果一致。SSH表征著海水動力學，代表著海水的涌升和輻射[31]；而CHL則表征餌料的豐富程度，代表著該水域的初級生產力[30]。冬春生群體所處海域的黑潮、親潮交匯勢力強，使得海水發生擾動，海水中深層的營養鹽被帶到上層，使得該海域的餌料豐富[23]，因此對冬春生群體柔魚產生顯著影響。頭足類幼體游泳能力弱，使得群體隨海流進行移動[21]，而到達亞成魚期和成魚期時，其游泳能力較強，受到海流的影響較弱。本研究的對象為索餌時期的柔魚，其生活史大多數處于中后期階段，擁有較強的游泳能力，因此個體生長與流速（ZV與VV）關系不大。

4.3 關鍵環境因子對不同群體柔魚生長影響

柔魚具有晝夜垂直洄游習性，其生長不僅受到SST的影響，還會受到水溫垂直結構的影響[28,46]。水溫影響著個體的生長與繁殖，過高的水溫會影響海洋生物的新陳代謝，使得代謝速率和活動水平下降[47]。GAM分析表明，秋生和冬春生群體耳石日增量與水溫呈負相關性，表明此區域水溫會減緩柔魚的生長，柔魚可能會往更適合其生存的水層移動。MLD表征著大氣和海洋之間的動量、能量、物質的交換[29]。較淺的混合層通過物理生物過程獲得更強的光照和更多的浮游生物[48]，提高該海域的餌料豐富度，因此，對于秋生群體，當MLD在50～150 m范圍內時，光照較強，餌料也較多，有助于柔魚的生長；當MLD的深度過高（大于150 m），光照較弱，餌料也較少，對柔魚的生長產生了抑制作用。而對于冬春生群體，160°E以西海域的寒暖流交匯劇烈，海表面溫度較高，較淺的水層就存在著溫躍層，大約在20～50 m之間[49]，當MLD在20～60 m時，受到溫躍層的影響，導致上下水層對流受到阻礙，使得下層水溶解氧下降，多數餌料生物生長受到影響，而餌料生物的減少也限制了柔魚生長[50]。Yu等[51]研究也表明，冬春生群體柔魚更傾向生存在MLD較淺（15.5～18.5 m）的海域。

鹽度是影響柔魚生長的另一重要環境變量。研究表明，鹽度對魷魚的影響往往表現在間接方面，其間接影響是通過水團、海流等來表現的[4]。本研究發現，SSS與秋生群體耳石日增量寬度基本呈正相關，表明此區域的SSS適合秋生群體的生長。SSH主要與海流、水團等海水動力學信息有關[31]。隨著SSH的增加，海流會輻合和涌升，使得深層的營養鹽上升，海水表層的初級生產力增加，浮游生物密度增加[52]，加速柔魚的生長，當SSH大于19 m時，GAM表明SSH與耳石日增量呈負相關，這可能是由于初級生產力過高，浮游生物過度繁殖，使得水體中的氧氣消耗過多[53-54]，從而抑制了柔魚的生長。較低的CHL表明此區域餌料較低，從而抑制柔魚個體的生長，而當CHL達到一定量后，餌料豐富，使得個體生長較快。因此，北太平洋不同區域環境的差異導致影響柔魚不同群體的環境因子存在差異，其影響機理也有所不同。

4.4 總結

本文通耳石日增量寬度與環境變量的結合，探究了不同群體柔魚個體成魚期生長對主要環境變量的響應方式，比較了不同群體柔魚所受環境的影響，得到了較好的結果。這也證實了利用耳石這一硬組織研究柔魚個體生長與環境間的關系是可行的。同時，也應該注意到，由于目前對其每個生長階段的棲息位置并不確定，因此本文只分析了其成魚期對環境變量的響應，未能分析柔魚早期與環境變量的關系。為此，在今后的研究中應采集產卵場的柔魚樣本，利用耳石生長紋探究柔魚生長與海洋環境的關系，從而分析個體早期生長規律的影響因素。