厄爾尼諾-南方濤動(dòng)對(duì)秘魯外海莖柔魚耳石形態(tài)的影響

李建華，高春霞，劉必林，王 巖，張伊寧

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；4.國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；5.大連海洋大學(xué)，遼寧大連 116023）

莖柔魚（Dosidicus gigas）是柔魚科（Ommastrephidae）的一種重要經(jīng)濟(jì)捕撈種類，廣泛分布于東太平洋加利福尼亞（37°N）至南智利（47°S）、南北美洲海岸線至140°W 的上升流及高餌料豐度海域［1－3］。同時(shí)，秘魯外海莖柔魚具有在夏秋季向淺岸洄游、冬季向深水洄游的季節(jié)性洄游特征［4］。莖柔魚僅有1～2年的短生命周期，因此其整個(gè)生活史過程對(duì)棲息地環(huán)境以及大尺度氣候事件的變化極為敏感［5－6］。已有研究發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）事件會(huì)影響莖柔魚漁場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)而造成其資源發(fā)生空間上的變化［7］。目前已有使用外部輪廓分析法比較不同年間秘魯外海莖柔魚耳石形態(tài)差異的報(bào)道［8］，但未見采用傳統(tǒng)形態(tài)法分析ENSO事件對(duì)秘魯外海莖柔魚耳石影響的報(bào)道。因此，本研究依據(jù)我國(guó)魷釣船于2013—2016年和2020年在秘魯外海生產(chǎn)期間采集的莖柔魚的耳石作為研究對(duì)象，通過傳統(tǒng)形態(tài)分析法分析不同ENSO事件年間秘魯外海莖柔魚耳石形態(tài)差異，并分析其生長(zhǎng)特性的年間差異，以期為秘魯外海莖柔魚漁業(yè)生物學(xué)及基于耳石形態(tài)的莖柔魚種群鑒定研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 采樣時(shí)間和范圍

選取2013—2016年和2020年7—11月的秘魯外海莖柔魚樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，樣本由中國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)魷釣技術(shù)組提供，均采集于秘魯外海，采樣時(shí)間、數(shù)量、站位信息如表1所示。每一站點(diǎn)所采集的樣本均從漁獲物中隨機(jī)取樣，采集后的莖柔魚樣本直接在魷釣船上冷凍，隨后通過運(yùn)輸船運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1.2 ENSO事件

根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和氣候大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）網(wǎng)站（https：／／origin.cpc.ncep.noaa.gov／products／analysis＿monitoring／ensostuff／ONI＿v5.php）發(fā)布的尼諾指數(shù)（Ni?o index，NI）可知，當(dāng)NI＞0.5即為發(fā)生厄爾尼諾事件，當(dāng)NI＜－0.5即為發(fā)生拉尼娜事件，當(dāng)－0.5≤NI≤0.5時(shí)，即為正常時(shí)期。因此將采樣時(shí)間分為3類年份，2013和2014年為正常年份，2015年為厄爾尼諾年，2016年和2020年為拉尼娜年，其中2016年為厄爾尼諾轉(zhuǎn)拉尼娜年，2020為正常轉(zhuǎn)拉尼娜年。

1.3 研究方法

1.3.1 生物學(xué)測(cè)定和耳石提取

將樣本在實(shí)驗(yàn)室室溫下自然解凍，以防止外界因素對(duì)莖柔魚樣本造成影響。解凍后對(duì)莖柔魚進(jìn)行生物學(xué)測(cè)定，測(cè)定內(nèi)容包括胴長(zhǎng)（mantle length，ML）、體質(zhì)量（body weight，BW）、性別以及性腺發(fā)育程度，其中，胴長(zhǎng)測(cè)定數(shù)值精確到1mm，體質(zhì)量測(cè)定數(shù)值精確到1 g，性腺發(fā)育程度測(cè)定根據(jù)LIPIN＇SKI和UNDERHILL［9］的鑒定方法，將莖柔魚的性腺發(fā)育分為5個(gè)階段（Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期和Ⅴ期），Ⅰ～Ⅱ期為未成熟階段，Ⅲ～Ⅴ期為成熟階段。從莖柔魚頭部的平衡囊內(nèi)取出耳石后，放入盛有75%濃度的乙醇溶液的離心管中進(jìn)行保存，以除去耳石表面附著的軟膜和有機(jī)物質(zhì)。

1.3.2 耳石外部形態(tài)測(cè)量

對(duì)左、右耳石進(jìn)行t檢驗(yàn)顯示，左、右耳石形態(tài)學(xué)指標(biāo)無(wú)顯著差異（P＞0.05），因此，統(tǒng)一選取左側(cè)耳石進(jìn)行分析。將去除附著物的耳石置于奧林巴斯CX23顯微鏡下以40倍放大進(jìn)行電荷耦合器（charge-coupled device，CCD）拍照，利用FCSnap專業(yè)測(cè)量軟件進(jìn)行耳石形態(tài)測(cè)定，測(cè)定的9個(gè)形態(tài)參數(shù)如圖1所示，包括耳石總長(zhǎng)（total statolith length，TSL）、最大寬度（maximum width，MW）、翼區(qū)長(zhǎng)（wing length，WL）、翼區(qū)寬（wing width，WW）、吻區(qū)長(zhǎng)（rostrum length，RL）、吻區(qū)寬（rostrum width，RW）、背側(cè)區(qū)長(zhǎng)（dorsal lateral length，DLL）、側(cè)區(qū)長(zhǎng)（lateral dome length，LDL）和吻側(cè)區(qū)長(zhǎng)（rostrum lateral length，RLL）。形態(tài)參數(shù)由兩人分別測(cè)量，若兩者測(cè)得結(jié)果誤差超過5%，則重新測(cè)量，最終取兩者測(cè)量的平均值，測(cè)量結(jié)果精確到1μm。

圖1 莖柔魚耳石各區(qū)和形態(tài)參數(shù)示意圖Fig.1 Dome and morphometric parameters of D.gigas’s statolith

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 耳石形態(tài)差異分析

為消除莖柔魚個(gè)體差異對(duì)耳石形態(tài)值的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)化公式對(duì)莖柔魚各個(gè)耳石形態(tài)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

式中，Yi和分別表示第i個(gè)個(gè)體標(biāo)準(zhǔn)化前和標(biāo)準(zhǔn)化后的耳石形態(tài)參數(shù)值，MLm和MLi分別表示胴長(zhǎng)的平均值和個(gè)體i的胴長(zhǎng)值，b為回歸參數(shù)，具體參考LLEONART等［10］的文獻(xiàn)。利用Levene’s法進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，不滿足齊性方差時(shí)將數(shù)據(jù)反正弦或平方根處理，同時(shí)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，利用單因素方差分析（one-way ANOVA）對(duì)不同年份耳石形態(tài)參數(shù)進(jìn)行差異分析。文中標(biāo)準(zhǔn)化后的形態(tài)參數(shù)以形態(tài)參數(shù)加下標(biāo)小寫字母s表示，如TSLs表示標(biāo)準(zhǔn)化后的TSL。

1.4.2 主成分分析

為探究表征秘魯外海莖柔魚耳石的形態(tài)參數(shù)，對(duì)5年樣本進(jìn)行主成分分析。

1.4.3 耳石生長(zhǎng)差異分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果，利用不同的生長(zhǎng)模型（線性、指數(shù)、對(duì)數(shù)、冪函數(shù)）擬合耳石形態(tài)參數(shù)與胴長(zhǎng)之間的關(guān)系。根據(jù)赤池信息準(zhǔn)則（Akaike information criterion，AIC）選取最適方程，利用協(xié)方差分析（ANCOVA），以各個(gè)耳石形態(tài)參數(shù)作為協(xié)變量，分析不同海洋環(huán)境年莖柔魚耳石的生長(zhǎng)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 耳石形態(tài)特征分析

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的耳石形態(tài)值進(jìn)行ANOVA方差分析發(fā)現(xiàn)，雌、雄個(gè)體間各個(gè)形態(tài)參數(shù)不存在顯著差異（P＞0.05），因此下述分析不區(qū)分性別。由圖1可知，莖柔魚的耳石具有柔魚科耳石共性的外部形態(tài)特征，即具有明顯的翼區(qū)、吻區(qū)、背區(qū)和側(cè)區(qū)。通過TSLs和MWs來看，拉尼娜年（2016年和2020年）耳石偏小，而厄爾尼諾年（2015年）耳石偏大，正常年份（2013年和2014年）耳石大小居中（表2）。

表2 不同年份莖柔魚標(biāo)準(zhǔn)化后的耳石形態(tài)參數(shù)Tab.2 Standardized morphometrics of statolith of D.gigas in different years（μm）

表3為不同年份莖柔魚耳石形態(tài)方差分析結(jié)果。多重比較（Tukey-HSD）發(fā)現(xiàn)，拉尼娜年（2016年和2020年）與其他各年間存在顯著差異的形態(tài)參數(shù)最多，且2016年和2020年的耳石間也存在有顯著性差異的形態(tài)參數(shù)。相比拉尼娜年份，正常年份之間（2013年和2014年）耳石形態(tài)則較為相似，僅有少數(shù)形態(tài)參數(shù)存在顯著差異。

表3 不同年份莖柔魚耳石形態(tài)參數(shù)方差分析Tab.3 Variance analysis of statolith morphometrics of D.gigas in different years

2.2 主成分分析

莖柔魚耳石9個(gè)形態(tài)參數(shù)的主成分分析結(jié)果如表4所示，5個(gè)因子解釋形態(tài)值的貢獻(xiàn)率分別為40.043%、26.366%、11.827%、8.587%和4.283%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)91.106%。第1主成分中，TSL負(fù)荷值最大，RW 負(fù)荷值最??；該主成分與各個(gè)形態(tài)參數(shù)均呈正相關(guān)。第2主成分中，WW 的負(fù)荷值最大；第2主成分與WW、DLL呈正相關(guān)，與RW、RLL呈負(fù)相關(guān)。第3主成分中，RL負(fù)荷值最大，且第3主成分與RL呈負(fù)相關(guān)。第4主成分中，RW 負(fù)荷值最大，且第4主成分與RW呈正相關(guān)。第5主成分中，DLL負(fù)荷值最大，且第5主成分與DLL呈負(fù)相關(guān)。

表4 莖柔魚耳石9個(gè)形態(tài)參數(shù)的5個(gè)主成分負(fù)荷值和貢獻(xiàn)率Tab.4 Loading values and contribution rates of 5 principal components for 9 m orphologic parameters of D.gigas’s statolith

根據(jù)主成分負(fù)荷值大小，選取負(fù)荷值較大的形態(tài)參數(shù)作為表征參數(shù)。因此，秘魯外海莖柔魚耳石長(zhǎng)度表征參數(shù)為TSL、RL和DLL，耳石寬度表征參數(shù)為WW 和RW。

2.3 耳石形態(tài)與胴長(zhǎng)的關(guān)系

總體上，莖柔魚耳石各區(qū)隨著胴長(zhǎng)的增加而增大，擬合結(jié)果顯示，5個(gè)形態(tài)表征參數(shù)中，TSLs、DLLs和WWs與胴長(zhǎng)之間存在顯著相關(guān)性（P＜0.05），而RLs和RWs與胴長(zhǎng)之間不存在顯著相關(guān)性（P＞0.05）。根據(jù)AIC準(zhǔn)測(cè)，選取最適生長(zhǎng)方程，結(jié)果如表5所示。其中，2013年和2015年均為線性模型；2014年和2020年均為指數(shù)模型；2016年，TSLs與胴長(zhǎng)的關(guān)系為指數(shù)模型，WWs與胴長(zhǎng)的關(guān)系為線性模型，DLLs與胴長(zhǎng)的關(guān)系為冪函數(shù)模型。從協(xié)方差分析（ANCOVA）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3個(gè)耳石形態(tài)參數(shù)與胴長(zhǎng)的關(guān)系在不同年間均存在極顯著差異（P＜0.01）。

表5 不同海洋環(huán)境年莖柔魚耳石形態(tài)參數(shù)與胴長(zhǎng)之間的生長(zhǎng)模型Tab.5 G row th models ofm orphometrics and mantle length of D.gigas in differentmarine environm ent years

2.4 不同海洋環(huán)境年耳石形態(tài)差異

2.4.1 耳石整體形態(tài)差異

如圖2-A所示，厄爾尼諾年（2015年）耳石整體形態(tài)偏大，具有較大的TSL和MW；正常年份（2013年和2014年）耳石大小居中；而拉尼娜年（2016年和2020年）耳石整體形態(tài)偏小，其中，2016年的TSL和MW 為各年中最小。

圖2 不同海洋環(huán)境年莖柔魚耳石形態(tài)差異Fig.2 M orphological differences of D.gigas’s statolith in differentmarine environment years

2.4.2 耳石翼區(qū)形態(tài)差異

如圖2-B所示，厄爾尼諾年（2015年），莖柔魚耳石的翼區(qū)較大；正常年份（2013年和2014年）的翼區(qū)較厄爾尼諾年（2015年）??；拉尼娜年（2016年和2020年），耳石的翼區(qū)最小。

2.4.3 耳石吻區(qū)形態(tài)差異

如圖2-C所示，厄爾尼諾年（2015年），耳石具有長(zhǎng)且窄的吻區(qū)；拉尼娜年（2016年和2020年），耳石具有短且寬的吻區(qū)；正常年份（2013年和2014年）的吻區(qū)大小介于兩個(gè)氣候事件年耳石吻區(qū)大小之間。

3 討論

3.1 耳石形態(tài)特征

耳石作為頭足類重要的硬組織之一，被廣泛應(yīng)用于頭足類種群鑒別、年齡鑒定以及空間分布推測(cè)等研究［11－13］。不同頭足類耳石各區(qū)的大小不完全相同［14］。莖柔魚的耳石與同科的北太平洋柔魚（Ommastrephesbartramii）一樣，均具有明顯的翼區(qū)、吻區(qū)、背區(qū)和側(cè)區(qū)4個(gè)主要分區(qū)［15］。與本研究莖柔魚耳石相比，阿根廷滑柔魚（Illex argentinus）背區(qū)較小，吻區(qū)下端未超過翼區(qū)［16］。

有研究表明，耳石形態(tài)特征與頭足類棲息水層有關(guān)，因此，生活在上層水域的莖柔魚具有長(zhǎng)且窄的吻區(qū)和寬大的翼區(qū)［17－18］。ARKHIPKIN 和BJORKE［19］發(fā)現(xiàn)，頭足類的耳石在幼體階段呈水滴狀。隨著個(gè)體生長(zhǎng)，耳石逐漸增大，各區(qū)逐漸形成［20］。然而，莖柔魚生長(zhǎng)過程中耳石的生長(zhǎng)速度存在變化，賈濤等［21］發(fā)現(xiàn)，哥斯達(dá)黎加外海莖柔魚260～300 mm的個(gè)體耳石生長(zhǎng)速度較快，隨后呈減慢的趨勢(shì)；王韞沛等［18］發(fā)現(xiàn)，東太平洋赤道海域莖柔魚耳石生長(zhǎng)速度隨胴長(zhǎng)增加先由快變慢，在胴長(zhǎng)大于350 mm后耳石生長(zhǎng)速度又加快。這種生長(zhǎng)“拐點(diǎn)”的不同，可能是造成不同頭足類耳石形態(tài)差異和不同海域同種頭足類耳石形態(tài)差異的原因［18，22－23］。

3.2 形態(tài)表征參數(shù)選取

通過主成分分析選取出的代表耳石形態(tài)的表征參數(shù)已被廣泛應(yīng)用于頭足類耳石形態(tài)研究［15，18，24－29］。本研究通過主成分分析篩選出TSL、RL和DLL作為耳石長(zhǎng)度表征參數(shù)，WW 和RW 作為耳石寬度表征參數(shù)，說明耳石總長(zhǎng)、翼區(qū)和吻區(qū)的變化能夠較好地反映耳石形態(tài)變化。研究表明，不同頭足類的耳石形態(tài)表征參數(shù)不同，其中TSL作為主要的耳石長(zhǎng)度參數(shù)，被廣泛選取為頭足類耳石形態(tài)表征參數(shù)（表6），說明TSL 是表征耳石形態(tài)特征最顯著的指標(biāo)［15，18，24－29］。不同海域的同種頭足類耳石形態(tài)表征參數(shù)選擇也存在差異，哥斯達(dá)黎加外海、智利外海、東太平洋赤道海域以及本研究中秘魯外海的莖柔魚均選擇TSL為耳石長(zhǎng)度表征參數(shù)，而其他表征參數(shù)則不完全相同［18，24－25］。這可能是由于莖柔魚個(gè)體差異導(dǎo)致的，研究表明，東太平洋赤道海域和哥斯達(dá)黎加外海莖柔魚個(gè)體遠(yuǎn)小于秘魯和智利外海海域［18，30］。除個(gè)體大小因素外，季節(jié)性捕撈和海域環(huán)境差異也可能是造成這種現(xiàn)象的原因，目前尚未見相關(guān)結(jié)論報(bào)道，因此后續(xù)還需深入開展不同海域同種頭足類耳石形態(tài)表征參數(shù)選取研究。

表6 不同頭足類耳石的形態(tài)表征參數(shù)Tab.6 M orphological representative parameters of statolith for different cephalopods

3.3 ENSO對(duì)耳石形態(tài)的影響

ENSO事件是太平洋主要的氣候事件之一，對(duì)該海域內(nèi)的漁業(yè)資源豐度、空間分布及棲息地環(huán)境都會(huì)造成影響［31－32］。在厄爾尼諾和拉尼娜事件的影響下，短生命周期的莖柔魚資源量發(fā)生巨大波動(dòng)［33］。有研究表明，北太平洋柔魚在不同氣候條件下，資源量發(fā)生變動(dòng)的同時(shí)，其耳石的形態(tài)特征和生長(zhǎng)也存在著年間差異［15］，本研究結(jié)果與其一致。同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)，耳石形態(tài)參數(shù)與胴長(zhǎng)的關(guān)系在不同年間也存在顯著差異（表5），莖柔魚的個(gè)體生長(zhǎng)可能對(duì)這種關(guān)系造成影響，另外，這種現(xiàn)象也可能是由于外界環(huán)境變化導(dǎo)致的。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，耳石的形態(tài)會(huì)受到外界環(huán)境因素如溫度、二氧化碳以及海洋酸化等的影響［34－36］。比如，水溫等海洋環(huán)境因素變化可能影響不同年間莖柔魚的耳石沉積速率，進(jìn)而導(dǎo)致耳石形態(tài)存在差異。此外，秘魯外海莖柔魚主要棲息于上升流海域，厄爾尼諾發(fā)生期間，海平面上升，升高的水溫會(huì)導(dǎo)致上升流速度變慢，從而降低了浮游植物的密度［32］。而拉尼娜發(fā)生期間，上升流相對(duì)較強(qiáng)，淺層營(yíng)養(yǎng)鹽較為充足，初級(jí)生產(chǎn)力較高，形成了適宜莖柔魚生長(zhǎng)的環(huán)境條件［32，37］。汪惠瓊等［38］研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生厄爾尼諾的年份莖柔魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)較正常年份低，這可能使得莖柔魚的生長(zhǎng)產(chǎn)生年間差異，間接導(dǎo)致耳石形態(tài)與胴長(zhǎng)關(guān)系產(chǎn)生差異。

本研究發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾年（2015年），莖柔魚耳石具有長(zhǎng)且窄的吻區(qū)以及較大的翼區(qū)；拉尼娜年（2016年和2020年），莖柔魚耳石具有短且寬的吻區(qū)以及較小的翼區(qū)；正常年份（2013年和2014年）的耳石形態(tài)介于這二者之間。這與胡貫宇［8］利用外部輪廓分析法得出的結(jié)果一致。耳石能夠調(diào)節(jié)頭足類淋巴液流動(dòng)，感知游泳加速度，頭足類活動(dòng)能力強(qiáng)時(shí)，對(duì)耳石感知加速度的需求降低，因此耳石生長(zhǎng)可能較慢；反之，當(dāng)其活動(dòng)能力弱時(shí)，對(duì)耳石感知加速度的需求升高，導(dǎo)致耳石生長(zhǎng)加快［39］。海水溫度升高除了會(huì)影響頭足類食物豐度，還會(huì)影響大洋性頭足類的游泳能力和垂直分布：厄爾尼諾事件的發(fā)生導(dǎo)致水溫異常變化，可能會(huì)限制莖柔魚的游泳能力，使厄爾尼諾年的莖柔魚棲息于水深較淺的海域以保證其晝夜垂直移動(dòng)的行為；而拉尼娜事件發(fā)生期則相反［32，37，40－41］。有研究表明，耳石形態(tài)可能與頭足類所處水層深度有關(guān)，底層種類具有較大的耳石、短且寬的吻區(qū)以及較窄的翼區(qū)；上層種類具有較小的耳石、長(zhǎng)且窄的吻區(qū)以及較寬的翼區(qū)［14，42］。陸化杰等［17］通過對(duì)比不同種類的頭足類耳石各區(qū)的大小情況，發(fā)現(xiàn)柔魚類耳石形態(tài)特征與其棲息水深有密切關(guān)聯(lián)，也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。因此，ENSO事件所引起的環(huán)境變化可能會(huì)從攝食生態(tài)和游泳能力等方面限制莖柔魚的攝食和空間分布，進(jìn)而導(dǎo)致莖柔魚的耳石形態(tài)產(chǎn)生差異。

本研究初步分析了ENSO事件可能對(duì)莖柔魚耳石形態(tài)造成的影響，為后續(xù)利用耳石進(jìn)行莖柔魚種群鑒定、生活史研究提供了科學(xué)依據(jù)，也為研究氣候變化對(duì)頭足類硬組織生長(zhǎng)的影響提供了參考。在將來的研究中，擬建立海洋環(huán)境因子對(duì)耳石形態(tài)參數(shù)影響的效應(yīng)模型，進(jìn)而分析影響因子的主次性，以期為莖柔魚的生態(tài)學(xué)研究提供更多的數(shù)據(jù)支持。