基于耳石微化學的大洋河刀鱭生境履歷研究

張 健楊培民姜 濤胡宗云朱春月張伯序劉忠航楊 健,胡玉海

(1.遼寧省淡水水產科學研究院遼寧省水生動物病害防治重點實驗室,遼陽 111000;2.中國水產科學研究院淡水漁業(yè)研究中心漁業(yè)微化學實驗室,無錫 214081;3.南京農業(yè)大學無錫漁業(yè)學院,無錫 214081)

刀鱭(Coilia nasus)隸屬于鯡形目、鳀科、鱭屬[1],又名刀魚、鳳尾魚等。刀鱭在我國主要分布于黃渤海、東海及各通海河流和與之相通的附屬湖泊內,遼寧省境內遼河、鴨綠江和大洋河均有自然分布的群體[2—4]。

大洋河位于遼東半島,發(fā)源于遼寧省岫巖縣千山山脈東側,經哨子河、龍王廟、黃土坎最終流入黃海,是一條單獨入海河流。大洋河流程164 km,流域面積6200 km2,是遼河、鴨綠江之間的最大河流[1,4]。近年來,由于人類活動等原因遼河和鴨綠江已很難見到刀鱭蹤影,目前遼寧僅在大洋河可見小規(guī)模刀鱭漁汛。與長距離洄游的長江刀鱭和黃河刀鱭不同,因受大洋河下游荒地攔河壩的影響,大洋河刀鱭無法越壩上溯,洄游和棲息范圍僅限于河口至壩下約30 km[5]距離。該河段河道較為開闊,河水污染較小,河口區(qū)受徑流和潮流影響,浮游動植物資源較豐富[6],其優(yōu)越的生境條件和較短的洄游距離可能導致其具有獨特的生境履歷。

耳石位于硬骨魚類內耳中,其主要成分為碳酸鈣,并含有多種礦質元素。其中鍶(Sr)和鈣(Ca)元素在耳石微化學技術研究中作為反演魚類生境履歷特征被廣泛運用。目前,基于耳石微化學的刀鱭生境履歷研究主要集中在長江、黃河群體,而有關大洋河刀鱭生境履歷的系統(tǒng)研究尚未見報道。本研究采用電子探針微區(qū)分析技術(EPMA),通過探明大洋河河口及3個不同河段所采刀鱭矢耳石中Sr/Ca比值變化及Sr元素面分布狀況,來較為詳細地探討其在不同鹽度自然水體中的溯河洄游習性及生境履歷特征,辨識其不同的生態(tài)類型,并與我國其他水域刀鱭耳石微化學的相關研究結果進行比較,以期為科學準確地掌握大洋河刀鱭生活習性、制定大洋河刀鱭資源保護和關鍵生境修復策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

2020年7月和9月在大洋河下游荒地攔河壩至河口區(qū)共設置4處采樣點如圖1(各點位與河口間距離: 紅旗溝約30 km、石山橋約25 km、肖家園約15 km),用三層流刺網(長160 m、高3 m、網目5、4和5 cm)共采集刀鱭樣本20尾(紅旗溝6尾、肖家園2尾、石山橋3尾和河口9尾),現場測量其體長、體質量,在實驗室依據徐鋼春等[7,8]報道的方法判斷其雌雄和性成熟度(表1),并取出矢耳石(以下簡稱耳石),使用去離子水清洗后,置于室溫晾干待用。另取7—13節(jié)脊椎骨洗刷后,用1%雙氧水浸泡2h,蒸餾水沖洗后晾干,置于解剖鏡下統(tǒng)計明暗帶輪紋數鑒定刀鱭年齡,并用鱗片和鰓蓋骨輔助確定刀鱭年齡。

表1 大洋河采集刀鱭的樣本信息Tab.1 Sample information ofCoilia nasusfrom Dayang River

圖1 大洋河刀鱭樣本采集地點Fig.1 Sample sites ofCoilia nasusin Dayang River

1.2 耳石分析前處理

耳石樣品使用環(huán)氧樹脂(Epofix,丹麥司特爾公司)包埋固定后,切掉多余樹脂,使用研磨機(Discoplan-TS,丹麥司特爾公司)進行粗磨至耳石核心即將暴露,再用1200目和4000目砂紙精磨,打磨同時用金相顯微鏡(C3230B,上海精密儀器儀表有限公司)觀察,直至耳石核心完全暴露,最后用拋光機(Roto Pol-35,丹麥司特爾公司)結合拋光液和絨布拋光盤進行拋光至表面無明顯劃痕。所有樣品使用Milli-Q (Simplicity,美國密理博公司)水超聲清洗5min后,于烘箱內37℃過夜烘干,隨后使用真空鍍膜機(JEE-420,日本電子株式會社)蒸鍍碳膜(36 A,25s)。

1.3 耳石微化學分析

參考Yang等[9]的方法,使用X射線電子探針微區(qū)分析儀 (JXA-8100型,日本電子株式會社)分析耳石樣品,自耳石核心沿最長徑至耳石邊緣的一條直線進行定量線分析。EPMA加速電壓和電子束電流分別為15 kV和2×10-8A,束斑直徑為5 μm,每點駐留時間15s,以間距10 μm自耳石核心至邊緣的最長徑連續(xù)打點測定。標準樣品取用碳酸鈣(CaCO3)和鈦酸鍶(SrTiO3)。定量線分析后,再對耳石樣品進行面分析,以便獲得耳石過核心面Sr含量分布分色圖譜。加速電壓和電子束電流為15 kV和5×10-7A,束斑直徑為5 μm,像素為8 μm×8 μm,每點駐留時間為30ms。

1.4 淡水系數FC

參考Jiang等[10]給出的淡水系數公式FC=Lf/LT,式中Lf為自耳石核心開始連續(xù)對應淡水生境Sr/Ca≤3的耳石半徑長度;LT為耳石的定量線分析長軸。

1.5 數據處理

數據采用Excel2016進行統(tǒng)計分析,使用SPSS19.0進行非參數檢驗(Mann-WhitneyU-test)。引入分析格局轉變(Regime shifts)的STARS(Sequentialttest Analysis of Regime Shifts)方法,當多于1個連續(xù)點出現顯著變化(基于數據方差和t檢驗的P值),將視為“轉變”,生成新的移動平均。因此,本研究設定截斷長度CL=10,Huber權重為1,置信度P=0.1,按照慣例耳石Sr/Ca比值標準化為Sr/Ca×103。依據長江、黃河及日本有明海及周邊水域刀鱭不同鹽度生境Sr/Ca的研究結果[9,11,12],結合4處采樣點位鹽度監(jiān)測值(紅旗溝、石山橋和肖家園鹽度在0.09‰—0.15‰;河口鹽度在0.55‰—9.80‰),本研究以此為參考,將大洋河刀鱭的耳石微化學特征分為3種類型: Sr/Ca≤3(藍色)、(3—7)(綠色)、＞7(黃-紅色),分別對應淡水、半咸水和海水。

2 結果

2.1 Sr/Ca比值的動態(tài)變化

定量線分析結果顯示(表2),大洋河刀鱭耳石樣本Sr/Ca比值變化較為復雜,個體間生長階段存在一定的差異,表現出不同的生境“履歷”。根據上述耳石Sr/Ca比值可將大洋河刀鱭劃分為3種生境模式。第一種模式,包括DYH 01、02、03、04、06、07、08、09、10、11和18個體。此類刀鱭個體耳石自核心開始的第一階段低值區(qū)Sr/Ca 比值為1.49—2.69,淡水區(qū)域徑長為170—670 μm,淡水系數Fc在0.08—0.46。刀鱭個體在淡水區(qū)域孵化生長一段時間,進入第二變化階段后棲息于半咸水和海水之間,待繁殖季到來,溯河洄游至淡水區(qū)域;第二種模式,包括DYH 12、13、14、15、16和17個體。此類刀鱭第一階段低值區(qū)Sr/Ca比值為1.93—2.67,淡水區(qū)域徑長為150—900 μm,淡水系數Fc在0.08—0.52。此類刀鱭個體淡水孵化后,進入第二變化階段后,長期棲息于半咸水和海水中,直至河口區(qū)被捕獲;第三種模式,包括DYH 05、19和20個體。第一階段低值區(qū)Sr/Ca比值為1.97—2.75,淡水區(qū)域徑長為220—340 μm,淡水系數Fc在0.11—0.18。該類刀鱭個體生境履歷較為多變,淡水區(qū)孵化生長時間短,進入第二變化階段后在半咸水和淡水區(qū)域多次轉換,其中DYH 05和19變化階段多達9次,直至被漁獲。

表2 大洋河刀鱭耳石鍶鈣比微化學變化Tab.2 Flutuation of Sr/Ca microchemistry in otoliths ofCoilia nasusfrom Dayang River

2.2 Sr含量的分色圖譜比較

Sr含量的分色圖譜結果更能直觀清晰地顯示出大洋河刀鱭個體的生境履歷特征。從圖2可知,大洋河刀鱭20個樣本耳石核心區(qū)域均為藍色,表明大洋河刀鱭為淡水起源。DYH 07、08、12、13、14、15、16和17個體耳石藍色核心區(qū)外僅表現為Sr含量中值和高值的藍綠色、黃綠色或紅色同心環(huán),而DYH 01、02、03、04、05、06、09、10、11、18、19和20個體耳石藍色核心外表現為Sr中值區(qū)(黃綠色)和低值區(qū)(藍色)交替變化,這與定量線分析結果(表2)完全相同。

圖2 大洋河刀鱭耳石Sr含量面分析Fig.2 Two-dimensional imaging of Sr concentration in otoliths ofC.nasusfrom the Dayang River

3 討論

3.1 大洋河刀鱭的生境履歷特征

魚類耳石伴隨魚類持續(xù)生長,環(huán)境元素經過魚體吸收不斷的沉積在耳石中而不會被分解[13]。基于此特性,近年來耳石微化學分析技術受到廣泛關注,尤其是Sr和Ca元素比值變化在了解洄游性魚類生活史中的生境履歷和“三場一通道”中常有報道。叢旭日等[14]、軒中亞等[15]、姜濤等[16]和盧明杰等[17]利用耳石微化學技術證實了東平湖、洞庭湖、鄱陽湖和信江存在洄游型刀鱭;陳婷婷等[18,19]和李孟孟等[20]利用耳石微化學技術完成了南京江段刀鱭、靖江段刀鱭、安徽和縣江段刀鱭生境履歷重建。本研究完成了對大洋河刀鱭耳石微化學分析,客觀真實地反映了大洋河刀鱭生活史中不同的生境履歷,為大洋河刀鱭資源保護提供可靠依據。

本研究中所有刀鱭個體Sr/Ca比值均從低值階段(≤3藍色)開始,說明大洋河刀鱭與長江刀鱭[19,20]同為淡水孵化起源。大洋河刀鱭經過一段時間生長發(fā)育后進入第二變化階段,在半咸水(＞3且≤7綠色)和海水(＞7黃紅色)區(qū)域完成越冬和育肥。大洋河刀鱭越冬后的刀鱭個體間表現出不同的生境履歷,DYH 01、02、03、04、06、07、08、09、10、11和18越冬后在4—8月繁殖季節(jié)溯河洄游,Sr/Ca比值降低至＜3,面分析過渡至藍色(除DYH 07和08外;圖2)。該類刀鱭生境履歷較為規(guī)律,完成了淡水孵化-半咸水(咸水)越冬-淡水繁殖的過程,與Yang等[10]描述的洄游型刀鱭一致。DYH 07和08個體較為特殊,其捕獲位置為淡水區(qū)域,但其耳石邊緣并未出現Sr/Ca比值＜3和藍色同心環(huán),這是因為Sr在耳石沉積富集過程存在一定的“時滯效應”[21],表明DYH 07和08個體進入淡水時間較短,耳石尚未響應生境的變化。相同的情況在長江刀鱭[22]和黃河刀鱭[13]上也有報道。DYH 14個體進入第二變化階段后,定量線分析和面分析均顯示該類刀鱭越冬育肥、生長直至性成熟一直棲息于Sr/Ca較高的中值河口區(qū),而未進入淡水區(qū)域。需要注意的是,面分布顯示DYH 12、13、15、16和17個體顯示在完成早期淡水生境履歷后,上述個體出現了多次淡藍色的環(huán)帶,對應線分析也在3左右多次波動。與之相比DYH 09和10等在上溯前顯示出明顯的藍色和低鍶鈣比(＜3)特征。上述情況反應相較于后者選擇離河口較遠的近岸海域棲息,前者可能選擇了易受沖淡水和潮汐影響的河口水域棲息。相似情況在錢塘江口刀鱭群體中也有發(fā)現[10,23]。上述多樣性的情況也印證了刀鱭在海中不集群生活的特性[24]。值得注意的是,本研究中多數上溯親魚耳石邊緣鍶鈣比值已經下降,且多數個體已降至3以下,面分析也顯示出多數個體邊緣已有藍色印跡,上述情況與親魚在淡水水域捕獲的情況相一致。另外,大洋河刀鱭雌雄達到完全性成熟體長分別為245和231 mm[5],結合表1中年齡和性成熟度,這些個體雖為淡水孵化起源,但達到完全性成熟后未發(fā)生溯河洄游產卵現象。此類刀鱭生活史的改變,一種可能是因為短距離溯河洄游中淡水區(qū)停留時間很短,產卵后迅速降河至河口區(qū),而耳石中元素富集變化不顯著;亦或是這些個體不進入淡水區(qū)產卵,其產卵場在非淡水區(qū)(如河口)[20]。DYH 05、19和20刀鱭個體生境履歷較為復雜多變,耳石藍色核心區(qū)外緣表現為中值區(qū)(黃綠色)和低值區(qū)(藍色)的多次交替變化(表2和圖2)。大洋河刀鱭洄游水域屬于感潮河段,受每月大潮期及雨季強降水的影響較大,大洋河水位變化明顯,刀鱭會隨著潮流溯河洄游或降河入海,這可能是該類刀鱭耳石表現淡水和半咸水交替變化的主要原因。另外,黑褐新康蝦(Neomysis awatschensis)是大洋河下游常見的浮游動物,也是大洋河刀鱭重要的天然餌料[1],每年4月開始棲息在肖家園下游(淡水)至河口區(qū)(半咸水)河段,這正值大洋河刀鱭越冬后生長和性腺發(fā)育的重要時點。DYH 05、19和20個體往返于兩處河段的覓食行為,不僅為魚體提供必要的能量補充,也表現出該類刀鱭對不同鹽度棲息地的靈活利用。

淡水系數Fc可有效區(qū)分洄游性魚類早期生活史階段對淡水生境的依存程度[11]。本研究提出的3種生活史模式中刀鱭個體雖均為淡水起源,但其個體間淡水依存程度仍然存在一定的差異。根據表2中Fc值的高低,可將大洋河刀鱭早期淡水生境分為短暫停留型和適度停留型。短暫停留型刀鱭Fc值在0.08—0.26 (共13尾),其經過短暫發(fā)育后隨潮流降河至河口區(qū)索餌生長,該類刀鱭對淡水依存度不高,幼體對鹽度變化具有較強的適應性;適度停留型刀鱭Fc值在0.36—0.52 (共7尾),該類刀鱭淡水依存度較高,待生長發(fā)育到一定程度后降河至河口半咸水區(qū)進行越冬和育肥。通過對上述兩種類型刀鱭個體Fc的研究,反映了大洋河刀鱭幼魚分批降河入海的特點,同時也反映出幼魚在短距離洄游通道中能夠靈活選擇不同索餌場的特性。

3.2 大洋河刀鱭的生活史模式

根據大洋河刀鱭洄游通道中產卵場、索餌場和越冬場設置了4處采樣點。通過對4個樣點刀鱭的線、面分析發(fā)現樣點間刀鱭和同一樣點刀鱭存在一定的共性和差異性。紅旗溝、石山橋和肖家園所有個體以及河口部分個體(DYH 18、19和20)具有洄游特征,均表現淡水-半咸水(咸水)-淡水的生境履歷,而河口捕獲的DYH 12、13、14、15、16和17刀鱭個體與上述刀鱭個體不同,線、面分析清晰直觀地顯示了該類刀鱭進入第二階段后無淡水區(qū)活動經歷,僅發(fā)生了淡水-半咸水(咸水)的生境履歷過程。另外,從表1和表2分析得出,DYH 7、8、9、10和11刀鱭個體雖為1齡,性成熟度僅為Ⅱ期,但仍會在繁殖季同性成熟刀鱭一同溯河洄游,證明大洋河刀鱭上溯洄游與個體年齡和性成熟度無明顯關聯,這與管衛(wèi)兵等[25]、盧明杰等[17]提出的長江刀鱭在1齡和性腺發(fā)育Ⅰ—Ⅲ期便可溯河洄游結論一致。本研究通過線、面分析與年齡、性成熟度等生物學特征相結合,更明確了不同點位刀鱭個體的生境履歷特點,也充分體現了耳石微化學技術對大洋河刀鱭生境履歷的客觀性和準確性。

4 結論

刀鱭作為遼寧地區(qū)主要的經濟魚類,近年來資源量急劇衰退,資源保護工作已迫在眉睫[1]。本研究首次通過多點采樣,較為詳細地完成了對大洋河下游荒地攔河壩至河口4處點位刀鱭耳石微化學較為系統(tǒng)地分析和比較,客觀完整地反映了大洋河刀鱭生活史中不同的生境履歷,并依據洄游特性和淡水系數(Fc)分別劃分了不同的生態(tài)類型。由此證明,大洋河刀鱭同其他水域洄游性刀鱭一樣,利用耳石微化學技術反演其生境履歷是準確和可靠的。但為更進一步精準地判斷大洋河刀鱭洄游履歷,在今后的工作中將對大洋河下游區(qū)域背景進行詳細調查研究。綜上這些有針對性的結果可為大洋河刀鱭“三場一通道”的定位和保護及資源的可持續(xù)利用和合理管理提供重要而急需的理論基礎。