陸化杰, 陳新軍,*,方 舟

1 上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306 2 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 201306 3 上海海洋大學大洋漁業(yè)可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室, 上海 201306

西南大西洋阿根廷滑柔魚耳石元素組成

陸化杰1,2,3, 陳新軍1,2,3,*,方 舟1

1 上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306 2 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 201306 3 上海海洋大學大洋漁業(yè)可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室, 上海 201306

耳石微量元素越來越廣泛地被用于頭足類群體劃分、洄游史等領(lǐng)域的研究。根據(jù)我國魷釣船2007、2008和2010年在西南大西洋生產(chǎn)期間采集的阿根廷滑柔魚樣本，利用激光剝蝕電感等離子質(zhì)譜法(Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, LA-ICP-MS)按不同群體、不同性別和不同生長階段，分析了33枚阿根廷滑柔魚耳石的元素組成及分布特性。結(jié)果表明，阿根廷滑柔魚耳石主要由56種元素組成，含量最多的前10種元素分別為鈣Ca、鍶Sr、鈉Na、磷P、鉀K、鐵Fe、鎂 Mg、鋇Ba、硼B(yǎng)、鎵Ga。方差分析表明(ANOVA)，不同性別間Ca、Sr、Na、P、K、Fe、 Mg、Ba、B、Ga都不存在顯著性差異(P>0.05)。冬季孵化群和秋季孵化群間耳石的Sr、Na、Mg、Ba和B存在顯著性差異(P<0.05)，Ca、P、K、Fe和Ga則不存在顯著性差異(P>0.05)。耳石的核心區(qū)、后核心區(qū)、暗區(qū)和外圍區(qū)等不同部位間的Na、Ba和Ga不存在顯著性差異(P>0.05)， Ca、Sr、P、K、Fe、Mg和B則存在顯著性差異(P<0.05)。研究表明，Sr和Mg含量及其分布特性最適合用于研究阿根廷滑柔魚的群體劃分、洄游史等漁業(yè)生態(tài)學特性。

阿根廷滑柔魚; 耳石; 元素組成; 西南大西洋

耳石(statolith)是頭足類調(diào)節(jié)自身平衡的硬組織[1]，其生長貫穿整個生命周期，具有不可逆的沉積過程[2]，儲存了包括反映日齡的生長輪紋[3]、反映生長環(huán)境變化的微量元素[4]等重要信息。近些年來，基于頭足類耳石微量元素、同位素等微化學成份分析的研究方法，逐漸成為頭足類漁業(yè)生物學和漁業(yè)生態(tài)學研究的一種重要手段[5- 9]。阿根廷滑柔魚Illexargentinus廣泛分布于22°—54°S的西南大西洋海域，主要集中于35°—52°S海域[10]，資源量豐富[11]，是重要經(jīng)濟頭足類之一，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用[12],也是我國魷釣漁業(yè)重要的目標種類之一[13]。為此，本研究根據(jù)中國魷釣船2007、2008和2010年在西南大西洋海域生產(chǎn)期間采集的阿根廷滑柔魚耳石樣本，利用激光剝蝕電感等離子質(zhì)譜法(Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, LA-ICP-MS)[6,14]，分析西南大西洋阿根廷滑柔魚耳石元素分布與組成，探討不同性別、不同孵化群體、不同耳石部位元素的沉積特性，為利用耳石元素研究阿根廷滑柔魚漁業(yè)生態(tài)學奠定基礎。

圖1 阿根廷滑柔魚采樣分布圖 Fig.1 Sampling locations for I. argentinus in the southwestern Atlantic Ocean

1 材料和方法

1.1 材料來源

樣本來自“新世紀52號”和“浙遠漁807號”專業(yè)魷釣船。時間為2007年2—5月、2008年3—5月和2010年1—3月，采集海域分別為40°02′S —46°53′S、57°55′W— 60°43′W，45°03′S —46°57′S、60°02′W— 60°47′W 和45°17′S —47°14′S、60°0′5W — 60°47′W(圖1)。樣本采集后立即冷凍保存，帶回實驗室分析。

1.2 生物學測量及耳石提取

實驗室解凍后對阿根廷滑柔魚進行生物學測定，包括胴長(Mantel length，ML)、體重(Body weight, BW)，對性別、性成熟度進行目測，標準參考Lipinski[15]。胴長測定精確至1 mm，重量精確至1 g。

用鑷子輕輕將耳石從平衡囊取出、編號，存放于盛有95%乙醇溶液的1.5 mL離心管中，以便溶解、清除包裹耳石的軟膜和表面的有機物質(zhì)。

1.3 樣本日齡鑒定及群體劃分

利用耳石生長紋研究樣本的日齡并進行群體劃分，具體參照陸化杰和陳新軍[16]。以采樣日期(站位)選取樣本(日期間隔長)，并考慮個體大小、性別比例、孵化日期(不同孵化時間)等指標，選取33尾樣本(表1)，利用激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)對其耳石微區(qū)進行元素測定，測定完畢后，對打點位置進行日齡鑒定。一對耳石中的另外一枚用于測定耳石整體元素組成。樣本詳細信息見表1。

表1 激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測試樣本列表Table 1 Statolith samples to be tested by LA-ICP-MS

1.4 元素測定

1.4.1 總體元素測定

耳石樣品取出后，放入7 mL特弗隆帶蓋小瓶中，加入120 μL的硝酸，然后放在120 °C的電熱板上蒸干。然后再次加入120 μL的硝酸，確保樣品完全溶解，在120 °C的電熱板上再次蒸干。最后趁熱加入250 μL含50×10-9的5%硝酸溶液，蓋上蓋子等待電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICPMS)測試[6]。

1.4.2 耳石微區(qū)元素測定

圖2 阿根廷滑柔魚耳石微區(qū)元素分析打樣點(1: 核心區(qū),2:后核心區(qū),3—4:暗區(qū),5—7:外圍區(qū))Fig.2 Analysis points in one of ground statolith of I. argetntinus (Spot 1was in N, Spot 2 was in DZ, Spots 3—4 were in P, Spots 5—7 were in PZ, respectively)

耳石微區(qū)元素含量分析在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室(GPMR)利用LA-ICP-MS完成。日齡鑒定以后，由耳石中心至背區(qū)邊緣，在耳石的核心區(qū)(Nuclear, N)(1個取樣點)、后核心區(qū)(Postnuclear, PN)(1個取樣點)、暗區(qū)(Dark Zone, DZ)(2個取樣點)、外圍區(qū)(Peripheral Zone, PZ)(3個取樣點)，共選取7個取樣點[6, 17](圖2)。激光剝蝕系統(tǒng)為Geolas 2005，ICP-MS 為Agilent 7500a。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調(diào)節(jié)靈敏度，二者在進入ICP之前通過一個T型接頭混合。在等離子體中心氣流(Ar+He)中加入了少量氮氣，以提高儀器靈敏度、降低檢出限和改善分析精密度[18]。每個時間分辨分析數(shù)據(jù)包括大約20—30 s的空白信號和50 s的樣品信號，詳細的儀器操作條件[19- 20]見表2。

為校正標準，采用多外標、無內(nèi)標法對元素含量進行定量計算。對分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量計算)采用軟件ICPMSDataCal完成[19]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

(1)統(tǒng)計分析阿根廷滑柔魚耳石元素種類及主要元素組成，并選取含量前10位的元素進行分析。

(2)利用方差分析方法，分析不同性別、不同孵化群體及不同耳石部位(代表不同生長階段)耳石主要元素值的變化是否存在顯著性差異[21]。

(3)量化耳石各區(qū)主要元素的變化特性。

表2 LA-ICP-MS工作參數(shù)Table 2 Analytical parameters of LA-ICP-MS

2 結(jié)果

2.1 耳石元素組成

分析表明，阿根廷滑柔魚耳石中共檢測出Ca等56種元素，其中Ca主要以CaCO3形式存在，各剝蝕點元素總重量的(97.24±0.27)%，含量前10位的元素分別為鈣Ca (389025.201±1060.999) mg/kg、鍶Sr(7081.959±552.485) mg/kg、鈉Na(4707.471±469.436) mg/kg、磷P(416.129±266.052) mg/kg、鉀K(223.338±105.227) mg/kg、鐵Fe(82.228±12.667) mg/kg、鎂 Mg(68.413±56.065) mg/kg、鋇Ba(9.715±1.857) mg/kg、硼B(yǎng)(6.111±1.471) mg/kg、鎵Ga(1.221±0.254) mg/kg。其余元素分別為釔Sn(0.367±0.208) mg/kg、鈧Ce(0.005±0.054) mg/kg、銻Sb(0.036±0.049) mg/kg、鋅Zn(1.073±1.892) mg/kg、銣Rb(0.143±0.158) mg/kg、錳Mn(1.392±2.689) mg/kg、鎳Ni(0.483±0.833) mg/kg、銅Cu(1.098±2.228) mg/kg、釩V(0.011±0.019) mg/kg、釹Nd(0.002±0.005) mg/kg、鈮Nb(7±0.002)×10-4mg/kg、鍺Ge(0.072±0.088) mg/kg、鑭La(0.001±0.004) mg/kg、鎢W(0.003±0.008) mg/kg、釤Sm(0.002±0.006) mg/kg、硒Sc(0.026±0.021) mg/kg、釔Y(0.008±0.006) mg/kg、鉬Mo(0.019±0.038) mg/kg、鉻Cd(0.029±0.081) mg/kg、鈷Co(0.033±0.017) mg/kg、鉛Pb(0.283±0.149) mg/kg、鈦Ti(0.501±3.889) mg/kg、鉻Cr(0.496±0.849) mg/kg、鉿Hf(0.002±0.008) mg/kg、鐠Pr(6±0.001)×10-4mg/kg、鈥Ho(4±0.001)×10-4mg/kg、鈾U(0.016±0.012) mg/kg、鋯Zr(0.005±0.017) mg/kg、鋁Al(1.487±0.661) mg/kg、鋰Li(1.921±1.503) mg/kg、銀Ag(0.053±0.045) mg/kg、鉺Er(8±0.002)×10-4mg/kg、鈦Ti(0.501±3.889) mg/kg、釓Gd(0.001±0.004) mg/kg、鉍Bi(0.002±0.003) mg/kg、鈹Be(3.3±0.007)×10-3mg/kg、鐿Yb(0.001±0.003) mg/kg、鉭Ta(4±0.001)×10-3mg/kg、釷Th(9±0.004)×10-4mg/kg、鋱Tb(6±0.004)×10-4mg/kg、銩Tm(5±0.003)×10-4mg/kg、銫Cs(0.021±0.055) mg/kg、镥Lu(4±0.001)×10-3mg/kg、硅Si(0.983±1.262) mg/kg、鏑Dy(0.001±0.003) mg/kg和銪Eu(0.001±0.002) mg/kg。

2.2 不同性別間耳石元素差異

方差分析表明，排在前10位的阿根廷滑柔魚耳石元素含量性別間均不存在顯著性差異，具體為：Ca (F0.0322=0.8577,P>0.05)、Sr(F0.089=0.766,P>0.05)、Na(F0.051=0.822,P>0.05)、P (F0.061=0.806,P>0.05)、K(F0.098=0.755,P>0.05)、Fe(F0.019=0.888,P>0.05)、Mg (F0.951=0.331,P>0.05)、Ba(F0.823=0.365,P>0.05)、B(F0.184=0.669,P>0.05)、Ga (F0.073=1.271,P>0.05)。

2.3 不同孵化群體間耳石元素差異

方差分析表明，冬季孵化群和秋季孵化群間耳石元素Ca (F0.0322=0.8577,P>0.05)、 P (F0.061=0.806,P>0.05)、K (F0.098=0.755,P>0.05)、Fe (F0.019=0.888,P>0.05)、Ga (F0.073=1.271,P>0.05)不存在顯著性差異，而Sr (F0.569=0.04,P<0.05)、Na (F11.996=0.000,P<0.05)、Mg (F9.094=0.000,P<0.05)、Ba (F3.021=0.029,P<0.05)、B (F3.121=0.048,P<0.05)存在顯著性差異。不同群體Sr、Na、Mg、Ba、B隨著日齡變化如圖3所示。Sr、Na、B盡管在數(shù)量上存在顯著性差異，但兩個群體間的變化趨勢一致，都是冬季孵化群高于秋季孵化群體。Sr隨著日齡的增加而先增加后減小，并且在日齡為120 d時達到峰值，然后減??；Na則隨著日齡增加而先減小再增加，并且在日齡為270 d時達到峰值，此后減??；B隨著日齡增加也先減小后增加，冬季孵化群在180 d時達到最小值，秋季孵化群則在120d時含量最小。Mg的含量冬季孵化群也高于秋季孵化群體，但變化趨勢不一致，冬季孵化群隨著日齡增加而減小，日齡為270 d時達到最小值，此后略有增加；秋季孵化群體則隨著日齡的增加而先減小后增加，并且日齡為60 d時最小，此后逐漸增加。Ba的含量不同群體間數(shù)量、變化趨勢都不一致，冬季孵化群體隨著日齡的增加先減小后增加，而秋季孵化群體則先增加后減小，并且日齡小于120 d時冬季孵化群體高于秋季群體，而150—270 d時，則秋季孵化群體高于冬季孵化群體(圖3)。

圖3 阿根廷滑柔魚耳石元素隨日齡變化分布圖Fig.3 Distribution of elements by age in statolith of I. argentinus

2.4 不同耳石部位主要元素差異

雖然不同群體間阿根廷滑柔魚耳石元素存在顯著性差異，但不同耳石部位間元素變化趨勢基本一致(圖4)： Ca、Sr、P、K和B在N 區(qū)、PN區(qū)、DZ和PZ都存在顯著性差異(P< 0.05)，其中Ca呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，Sr從N區(qū)到DZ區(qū)逐漸增加，之后急劇下降，總體呈現(xiàn)一個倒“U”型，P和K總體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢， B先減小到DZ區(qū)以后急劇增加，總體呈現(xiàn)一個正“U”型；Fe只有在DZ和PZ區(qū)存在顯著性差異(P< 0.05)，并且呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(圖4f)；Mg只有N區(qū)和PZ區(qū)存在顯著性差異(P< 0.05)，呈現(xiàn)先增加后減小趨勢；而Na、Ba和Ga則不存在顯著性差異(P> 0.05)(圖4)。

3 分析和討論

3.1 耳石元素組成

研究結(jié)果表明，阿根廷滑柔魚耳石含有 Ca等56種元素，含量前10位的元素分別為Ca、Sr、Na、P、K、Fe、Mg、Ba、B、Ga。而馬金[22]對西北太平洋柔魚耳石的研究表明，其耳石含有鈣Ca等47種元素，其中Ca含量最高，其它按含量大小分別是Na、Sr、K、Fe、Mg、Zn、Cu、Ba、Ni等。Liu等[23]的研究顯示，秘魯外海莖柔魚耳石含有Ca等47種元素，前10位分別為Ca、Sr、Na、Si、K、Mg、Ba、Mn、Zn和Li。對比表明，雖然同屬于柔魚科，但西南大西洋阿根廷滑柔魚、西北太平洋柔魚和秘魯外海莖柔魚耳石中主要元素并不完全相同，這可能和它們不同的分布海域相關(guān)，也可能和耳石自身的元素沉積特性有關(guān)，因為頭足類耳石元素的沉積不光受到溫度、鹽度、食物、光照等環(huán)境因子的影響[24]，同時也受生長發(fā)育、新陳代謝等內(nèi)在因素的影響[25]。

3.2 不同性別間耳石元素差異

不同性別間阿根廷滑柔魚耳石元素含量前10位的Ca、Sr、Na、P、K、Fe、Mg、Ba、B、Ga的含量都不存在顯著性差異。Doubleday[26]研究發(fā)現(xiàn)毛利蛸(Octopusmaorum) 和蒼白蛸 (Octopuspallidus) 耳石中微量元素除了Ni 和 Co以外，都不存在性別間差異。Durholtz 等[27]研究顯示，真槍烏賊 (Loligovulgaris)耳石中Sr和Ca的沉積也不存在性別間的差異，這些結(jié)果在本研究中得到了驗證。在目前出版的文獻中，未見雌雄個體洄游方式與路線不同的同一頭足類，因此對于同一群體，不同性別的個體經(jīng)歷的生活史相同，如果元素的沉積存在性別間差異，說明個體對于元素的吸收受到自身新陳代謝的影響大于海洋環(huán)境的影響[25]，

3.3 不同孵化群體耳石元素差異

研究結(jié)果表明，冬季孵化群體和秋季孵化群體Sr、Na、Mg、Ba和B存在顯著性差異，而Ca、P、K、Fe和Ga則不存在差異性。元素Sr、Na、Mg、Ba和B的含量存在群體間的顯著性差異性，可能和不同孵化群體經(jīng)歷的不同的孵化時間、不同的孵化地點、不同生活環(huán)境相關(guān)和不同的攝食特性相關(guān)[6,24- 25]。Zumholz等[24]通過對烏賊(Sepiaofcinalis)耳石微量元素的研究，認為其Ca、Ba和Sr的沉積與生長環(huán)境中的鹽度密切相關(guān)，并且Sr在耳石上的含量與其生活海域的溫度成反比。Durholtz等[27]通過對毛利蛸耳石中的微量元素分析，發(fā)現(xiàn)除了Cu 和 Zn以外，微量元素Pb、Mn、Mg、砷As、Co 和 Ba都存在地域間的差異。元素Ca、P、K、Fe和Ga含量不存在群體間的差異，可能說明這些元素的沉積特性不適合用于研究阿根廷滑柔魚的群體劃分。

圖4 LA-ICP-MS測定的不同耳石部位阿根廷滑柔魚耳石元素分布Fig.4 Element measured with LA-ICP-MS in different growth zone in statolith of I. argentinus from the nucleus to the edge

3.4 不同耳石部位元素差異

在阿根廷滑柔魚耳石含量前10位的元素中，除了Na、Ba和Ga外，Ca、Sr、P、K、Fe、Mg和B在耳石不同部位的含量均存在顯著性差異。這些顯著性差異可能與耳石不同的生長階段所經(jīng)歷的生活環(huán)境有關(guān)。Durholtz等[27]研究表明，真槍烏賊耳石微量元素幼魚期，Sr主要聚集在翼區(qū)及附近區(qū)域，而Ca則在側(cè)區(qū)含量最高。不同微量元素在頭足類耳石不同的部位分布的差異性，不利于利用微量元素研究頭足類的群體劃分，但一些學者認為頭足類胚胎期耳石的微量沉積特性可以用于研究頭足類群體劃分[26]。

3.5 Sr和Mg研究洄游史的優(yōu)越性

本研究結(jié)果表明，阿根廷滑柔魚耳石含量前10位的元素中，Ca、P、K、Fe和Ga含量不存在群體間的差異，這就意味著不可能利用這些元素研究阿根廷滑柔魚洄游史。因為，對于短生命周期的頭足類，不同的孵化群體所經(jīng)歷的洄游路線不同[16]，即生長的海洋環(huán)境不同，而這些元素的沉積不存在顯著性差異，說明海洋環(huán)境并不是影響這些元素沉積的主要因素。本研究結(jié)果還表明，不同耳石部位間阿根廷滑柔魚耳石Na、Ba和Ga的沉積不存在顯著性差異。而在阿根廷滑柔魚的整個生命周期中，不同耳石部位對應不同的成長階段，而不同的生長階段所面臨的生活環(huán)境不同(海洋環(huán)境不同)[6, 10]，這些元素的沉積不存在顯著性差異，也同樣意味著海洋環(huán)境對其沉積的影響不顯著，因此，Na、Ba和Ga也不適合用于研究阿根廷滑柔魚洄游史。含量前十位的元素中，只有Sr和Mg的沉積，即不存在性別間差異、又存在群體間和不同耳石部位間差異，綜上所述，Sr和Mg最適合用于研究阿根廷滑柔魚的生活史。

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An analysis of element composition in the statoliths ofIllexargentisnussquid in the Southwest Atlantic Ocean

LU Huajie1,2,3, CHEN Xinjun1,2,3,*, FANG Zou1

1CollegeofMarineSciences,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China2NationalEngineeringResearchCenterforOceanicFisheries,Shanghai, 201306,China3KeyLaboratoryofSustainableExploitationofOceanicFisheriesResources,MinistryofEducation,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306，China

The shortfin squid,Illexargentinus, is a neritic-oceanic species distributed along the continental shelf and slope waters of Uruguay, Argentina and the Falkland Islands in the Southwestern Atlantic Ocean between latitudes 20° S and 55°S. They occur more abundantly in the area of 35°—52°S，which supports an important jigging fishery on the Patagonian shelf and plays a significant role in the regional ecosystem.I.argentinusis an opportunistic species having rapid growth, a short life cycle, opportunistic feeding, and a high degree of intrapopulation differentiation. Statoliths of cephalopods are small calcareous structures with high resistance to erosion and recording important information all through its life. It is usually used for estimating ages and growth, identifying population structures by analyzing their microstructure, deducing possible migratory routes and reconstructing habitat environment of cephalopods by the analysis of trace elements and isotopes in statolith.Illexargentinussupports an important commercial fishery in the southwest Atlantic. Understanding of population structure, migration and early life history are essential in sustainable exploitation and management of this squid. Elements of 33 statoliths ofI.argentinescollected in the Southwest Atlantic Ocean during 2007, 2008 and 2010 by Chinese squid jig fishing fleets were analyzed with Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) for different hatching groups, sexes and life history stages. The results indicated that the statolith ofI.argentinuscontained 56 elements, and calcium (Ca), strontium (Sr), sodium (Na), phosphorus (P), potassium (K), iron (Fe), magnesium (Mg), barium (Ba), boron (B), gallium (Ga) were the ten most abundant elements. The analysis of variance (ANOVA) showed that there was no significant difference in all element distributions between sexes (P>0.05); however, significant difference existed in the Sr, Na, Mg, Ba, B (P<0.05) and no significant difference was found in the Ca, P, K, Fe and Ga between different hatching groups (P>0.05). Significant difference existed in all of the ten most abundant elements except for Na, Ba and Ga among different growth zones including nuclear part, postnuclear part, dark zone and peripheral zone in statolith (P<0.05). This study suggested that Sr and Mg were the best two trace elements to be used in the study of the population structure and life history ofI.argentines.

Illexargentinus; statolith; trace element; Southwest Atlantic Ocean

國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)化專項(2159999); 國家863計劃(2012AA092303); 國家自然科學基金(NSFC41276156); 上海市科技創(chuàng)新行動計劃(12231203900); 上海市捕撈學重點學科(S30702); 農(nóng)業(yè)部大洋漁業(yè)資源環(huán)境科學觀測實驗站的資助

2013- 03- 26;

日期:2014- 03- 25

10.5846/stxb201303260514

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xjchen@shou.edu.cn

陸化杰, 陳新軍,方舟.西南大西洋阿根廷滑柔魚耳石元素組成.生態(tài)學報,2015,35(2):297- 305.

Lu H J, Chen X J, Fang Z.An analysis of element composition in the statoliths ofIllexargentisnussquid in the Southwest Atlantic Ocean.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):297- 305.