高世科, 黃金玲, 于雯雯, 張 虎, 張 碩*

(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306; 2.上海海洋大學(xué)海洋文化與法律學(xué)院，上海 201306；3.江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇 南通 226007)

呂泗漁場(chǎng)位于東、黃海交界處, 因其魚類和餌料資源豐富而成為中國(guó)重要的漁場(chǎng)之一。近年來(lái), 對(duì)呂泗漁場(chǎng)的研究主要集中在水文、沉積物及生物群落等宏觀層面上[1-3], 利用穩(wěn)定同位素技術(shù)的呂泗漁場(chǎng)近岸海域夏季主要生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)也有報(bào)道[4], 而基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的魚類個(gè)體營(yíng)養(yǎng)生態(tài)學(xué)的研究則相對(duì)較少, 尤其是一些經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的洄游性魚類。

多數(shù)海洋魚類在發(fā)育過(guò)程中存在食性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象, 并且由于個(gè)體規(guī)格的差異導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)級(jí)變動(dòng), 這種現(xiàn)象甚至比種間差異更顯著[5-6]。小黃魚(Larimichthyspolyactis)、棘頭梅童魚(Collichthyslucidus)是呂泗漁場(chǎng)兩種比較重要的中小型經(jīng)濟(jì)魚類, 當(dāng)前, 這兩種魚類面臨環(huán)境惡化、過(guò)度捕撈、非法漁具使用等嚴(yán)峻考驗(yàn), 導(dǎo)致種群數(shù)量日漸衰退、魚類質(zhì)量下降[7]。研究表明, 食性相同的這兩種魚類營(yíng)養(yǎng)級(jí)存在差異, 海州灣差值為0.40[8]、東黃海為0.76～0.80[9]、長(zhǎng)江口為0.46～0.56[10], 其原因除了與海域餌料環(huán)境差異有關(guān), 還與體長(zhǎng)規(guī)格密不可分[11]。

以傳統(tǒng)的胃含物分析法為基礎(chǔ), 開展對(duì)魚類食性及營(yíng)養(yǎng)級(jí)的分析已有許多報(bào)道, 但該方法工作量大, 存在較大片面性和局限性, 且只能反映個(gè)體短期內(nèi)的食性特征[12]。目前, 碳(δ13C)、氮(δ15N)穩(wěn)定同位素技術(shù)能夠更精確地闡明生物體內(nèi)的能量流動(dòng)和走向。該技術(shù)不僅被用于定性分析海域生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu), 其中的同位素量化指標(biāo)還常被用來(lái)研究生物群落營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)及食性特征[13]。因此, 建立魚類個(gè)體規(guī)格與碳、氮穩(wěn)定同位素比值間的關(guān)系, 對(duì)了解魚類的生活史具有重要意義。

本研究旨在運(yùn)用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù), 對(duì)比、分析呂泗漁場(chǎng)兩種經(jīng)濟(jì)石首魚科的碳氮穩(wěn)定同位素特征及其隨個(gè)體發(fā)育的變化規(guī)律, 結(jié)合IsoSource模型, 初步闡明其食性特征及潛在的食性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象, 為深入研究呂泗漁場(chǎng)的生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)研究提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究于2018年9月在呂泗漁場(chǎng)近岸海域的18個(gè)不同站位(32°23.140′—32°59.504′N, 121°17.509′—122°11.161′E, 圖1)進(jìn)行單船底拖網(wǎng)調(diào)查。調(diào)查船為270 kW的單拖漁船, 平均拖速3.64 kn, 每站拖網(wǎng)時(shí)間25 min左右。使用標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型浮游生物網(wǎng)采集浮游動(dòng)物, 使用Ⅲ型浮游生物網(wǎng)采集浮游植物, 分別使用底層有翼單囊底拖網(wǎng)[規(guī)格為125.32 m×59.1 m(36.0 m)]采集游泳生物, 同時(shí)使用采水器采集2 L水樣用于測(cè)定懸浮顆粒有機(jī)物(Particle Organic Matter, POM), 以及抓斗式采泥器采集底質(zhì)用于測(cè)定底質(zhì)有機(jī)物(Sedimental Organic Matter, SOM), 所有樣品經(jīng)過(guò)冰鮮后, 運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室冰凍保存[14]。

圖1 調(diào)查站位

1.2 樣品預(yù)處理

本研究共采集57條小黃魚和60條棘頭梅童魚作為樣品(表1)。樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室, 將兩種魚類的體長(zhǎng)組分成10個(gè)等級(jí), 以10 mm為一個(gè)分界(表1), 而后測(cè)定基礎(chǔ)生物學(xué)指標(biāo)(體長(zhǎng)、體重), 最后收集適量背部白肌肉在-44.6 ℃冷凍干燥后研磨, 待測(cè)[11]。

表1 不同體長(zhǎng)小黃魚和棘頭梅童魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)

將浮游動(dòng)物樣品挑出雜質(zhì)并清養(yǎng)1～2 h空胃后選出優(yōu)勢(shì)種, 將浮游植物樣品挑出雜質(zhì)并先后濾過(guò)100 μm和20 μm篩絹, 用蒸餾水靜置后, 取上清液抽濾在經(jīng)過(guò)500 ℃灼燒5 h的Whatman GF/F 玻璃纖維濾膜上。

水體POM用80目孔徑篩絹過(guò)濾, 再抽濾至經(jīng)過(guò)500 ℃預(yù)灼燒5 h的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜上。

底質(zhì)SOM在60 ℃恒溫干燥24 h, 研磨后用10%鹽酸酸化(去除碳酸鹽干擾)[15], 同等條件下再次烘干、研磨, 經(jīng)過(guò)63 μm的篩絹分篩待測(cè)。

1.3 樣品分析

碳、氮穩(wěn)定同位素分析在自然資源部第三海洋研究所同位素分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行, 使用德國(guó)進(jìn)口的Vario Isotope Cube-Isoprime元素分析儀, 用蛋白質(zhì)和乙酰苯胺來(lái)校準(zhǔn)準(zhǔn)確度和精密度, 以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)PeeDee石灰?guī)r中的碳和大氣氮作為參考標(biāo)準(zhǔn), 用下列公式來(lái)表示碳、氮穩(wěn)定同位素的自然豐度：

(1)

式(1)中：δ表示穩(wěn)定同位素豐度,X為13C或者15N；λ為13C/12C或者15N/14N的比值。

營(yíng)養(yǎng)級(jí)的確定采用Qu等(2016)重新編譯、矯正過(guò)的公式[16], 如下：

(2)

式(2)中：TL表示所計(jì)算生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)；δ15Nsample為系統(tǒng)消費(fèi)者氮穩(wěn)定同位素比值；δ15Nbaseline為該系統(tǒng)基準(zhǔn)生物的氮穩(wěn)定同位素比值；Δδ15N為相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的富集度(Trophic Enrichment Factor), 本研究選取POM作為基線生物, 同時(shí)沿用Post(2002)研究穩(wěn)定同位素計(jì)算營(yíng)養(yǎng)級(jí)的3.4‰作為營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集度[17]。

1.4 IsoSource模型分析

根據(jù)質(zhì)量守恒原理, 利用Phillips等(2003)[18]不斷完善編譯的IsoSource模型來(lái)定性分析和計(jì)算各個(gè)碳源對(duì)消費(fèi)者的貢獻(xiàn)率，原理如下：

δjM=AδjA+BδjB+CδjC

(3)

δkM=AδkA+BδkB+CδkC

(4)

(5)

式(3)至(5)中：jM、kM為消費(fèi)者M(jìn)的兩種同位素j、k的比值；A、B、C為食物源；為食物對(duì)消費(fèi)者的貢獻(xiàn)率。在海域食物網(wǎng)中, 浮游植物、POM、SOM常被作為營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)和潛在碳源來(lái)反映各類生物的潛在食源貢獻(xiàn)比例, 因此被本研究選用。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

站點(diǎn)圖使用ArcGIS 10.3[ESRI (USA)]繪制；基于δ13C和δ15N值和標(biāo)準(zhǔn)化的歐氏距離, 使用PRIMER V5軟件包進(jìn)行組間連接等級(jí)聚類分析(Hierarchical Cluster Analysis)；沿用Origin2018和Excel 2019進(jìn)行圖表的繪制；其余數(shù)據(jù)處理與分析均通過(guò)Excel 2019和SPSS 25.0(Inc., Chicago,IL, USA)來(lái)完成；Pearson相關(guān)分析和線性回歸是用來(lái)確定魚類不同體長(zhǎng)組與δ13C、δ15N值之間的關(guān)系。使用方差分析(ANOVA)來(lái)檢測(cè)兩種魚類間的同位素特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種魚類的δ13C、 δ15N值特征

如圖2所示, 兩種魚類的δ13C、δ15N值范圍均較廣, 小黃魚的δ13C值范圍為～18.90‰～15.40‰, 均值為(～16.50±0.66)‰,δ15N值范圍為8.33‰～11.77‰, 均值為10.52±0.59‰；棘頭梅童魚的δ13C值范圍為～18.67‰～12.81‰, 均值為(～16.61±0.98)‰,δ15N值范圍為8.07‰～11.42‰, 均值為(9.69±0.79)‰。對(duì)所有樣品進(jìn)行單因素方差分析的結(jié)果表明, 不同體長(zhǎng)組間小黃魚和棘頭梅童魚的穩(wěn)定碳同位素差異不顯著(p>0.05), 而穩(wěn)定氮同位素差異顯著(p<0.05)。

圖2 小黃魚和棘頭梅童魚的δ13C、δ15N值特征

基于δ13C和δ15N值和標(biāo)準(zhǔn)化的歐氏距離, 對(duì)兩種魚類不同體長(zhǎng)組進(jìn)行聚類分析, 結(jié)果如圖3所示。小黃魚的體長(zhǎng)組可分成兩大組, 包括>140～190 mm、>130～140 mm、>120～130 mm、>80～90 mm一組和剩余的體長(zhǎng)組；棘頭梅童魚的體長(zhǎng)組可分為>140～190 mm、>130～140 mm一組和剩余體長(zhǎng)組。聚類分析的結(jié)果比較符合兩種魚類δ13C-δ15N比值分布的結(jié)果(圖2)。

圖3 兩種魚類不同體長(zhǎng)組δ13C、δ15N值的聚類分析

兩種魚類的δ15N值隨體長(zhǎng)的增加而增大, 小黃魚的δ15N值差值為3.44‰, 棘頭梅童魚的δ15N值差值為3.35‰。兩者的差值均與Post(2002)研究消費(fèi)者和食物間的氮同位素分餾時(shí)確定的δ15N富集平均值3.40‰[17]十分接近。這一結(jié)果一方面反映出隨著個(gè)體增大, 生物體的δ15N值也出現(xiàn)增加趨勢(shì)；另一方面, 不論從魚類的個(gè)體發(fā)育還是系統(tǒng)發(fā)育層面上來(lái)看, 本研究的這一結(jié)論都加以驗(yàn)證了15N重同位素在魚類體內(nèi)富集現(xiàn)象的普遍性。

本研究中兩種魚類的δ15N值均是隨體長(zhǎng)增加而增大, 使用Pearson指數(shù)分析得到兩組數(shù)據(jù)間的相關(guān)性較弱(0.20.05)[19]；在王田田等(2013)的研究中, 青鱗小沙丁魚(Sardinellazuna)和黃鯽(Setipinnatenuifilis)的δ13C值隨著叉長(zhǎng)的增加而增加, 存在顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.05)[20]。而在Ji等(2011)的研究中, 夏季長(zhǎng)江口小黃魚的δ13C值隨著體長(zhǎng)的增加而減少(p<0.05)[11]。由于小黃魚的攝食模式比較復(fù)雜, 在每年7月到9月的產(chǎn)卵、越冬和索餌期間, 會(huì)從河口遷徙至開放海域[11], 造成棲息場(chǎng)所的差異(如水深、食物來(lái)源等)[21]。而棘頭梅童魚的食物組成隨著棲息海域(羅源灣和東海北部)的改變差異不大[22-23]。以上可能是本研究?jī)煞N魚類體長(zhǎng)與δ13C值間相關(guān)性極弱的原因。此外, 長(zhǎng)江口和本研究采樣區(qū)域離岸的遠(yuǎn)近程度不一致, 而通過(guò)Vizzini等(2006)的研究, 近岸和遠(yuǎn)岸海域各類消費(fèi)者和有機(jī)物的δ15N值變化顯著, 而δ13C值變化不顯著[24], 因此導(dǎo)致兩種魚類δ13C值出現(xiàn)不確定性變化的原因, 尚有待進(jìn)一步研究。

圖4 小黃魚和棘頭梅童魚不同體長(zhǎng)組和δ13C、δ15N值之間的線性關(guān)系

2.2 兩種魚類的營(yíng)養(yǎng)級(jí)特征

從表1可以看出, 小黃魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)范圍為2.68～3.18, 平均值為2.99±0.15；棘頭梅童魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)范圍為2.67～3.22, 平均值為2.86±0.18。利用無(wú)重復(fù)雙因素方差分析得知, 除體長(zhǎng)為>60～70 mm、>130～140 mm和>140～190 mm的棘頭梅童魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)大于小黃魚之外, 其余體長(zhǎng)組小黃魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)要顯著高于棘頭梅童魚(p<0.05)。

使用不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)公式會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生差異, 本研究使用POM[δ15N:(3.58±0.42)‰]作為基線和Post(2002)[17]的3.40‰作為營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集度計(jì)算兩種魚類的營(yíng)養(yǎng)級(jí)。圖5顯示了兩種魚類不同體長(zhǎng)組營(yíng)養(yǎng)級(jí)增加的趨勢(shì)圖, 小黃魚(2.99)比棘頭梅童魚(2.86)平均高出0.14個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)(p<0.05)。研究表明, 小黃魚和棘頭梅童魚早期幼魚的食性主要以浮游生物為主, 成體后小黃魚食性逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)橐孕⌒汪~類和蝦類為主[21], 而棘頭梅童魚的棲息水層比小黃魚高, 食性范圍也比小黃魚廣, 但由于棘頭梅童魚的齒尖細(xì), 鰓耙細(xì)長(zhǎng)且數(shù)目多, 屬于浮游生物食性魚類[23], 因此從食性方面來(lái)看, 也能夠解釋本研究的結(jié)論。

圖5 不同體長(zhǎng)小黃魚和棘頭梅童魚營(yíng)養(yǎng)級(jí)變化趨勢(shì)圖

與長(zhǎng)江口相同體長(zhǎng)組的小黃魚相比, 本研究小黃魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)差異不顯著(p<0.05，因長(zhǎng)江口海域只提供δ15N值, 故沿用本研究的條件計(jì)算營(yíng)養(yǎng)級(jí)), 但各體長(zhǎng)組棘頭梅童魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)與東海北部相比差異較顯著(p>0.05), 較東海北部海域平均低了0.4個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)[23]。產(chǎn)生這種差異的因素很多, 不僅與海域的餌料基礎(chǔ)和環(huán)境因素有關(guān), 還和研究方法相關(guān)[19]。有研究表明, 胃含物分析只能反映魚類短時(shí)間內(nèi)的攝食情況, 且分析時(shí)容易忽略一些小型、易消化的餌料種類, 可能導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)級(jí)出現(xiàn)偏差[25]。

2.3 潛在碳源的δ13C、 δ15N值特征

潛在碳源的δ13C值在浮游植物的-24.27‰到SOM的-20.24‰之間變化, 均值為-22.64‰, 跨度為4.03‰；潛在碳源的δ15N值從POM的3.58‰變化到浮游植物的4.30‰, 均值為3.82‰, 跨度為0.72‰(表2)。

表2 潛在碳源的δ13C和δ15N值

利用單因素方差分析來(lái)檢驗(yàn)不同食源之間碳穩(wěn)定同位素比值的顯著性差異, 結(jié)果顯示, 各食源碳同位素比值之間均呈顯著差異(p<0.05)。

2.4 IsoSource模型結(jié)果

以上述三大潛在碳源為基礎(chǔ)貢獻(xiàn), 對(duì)兩種魚類的潛在食源貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。結(jié)果(圖6)表明, 浮游植物對(duì)小黃魚的碳源貢獻(xiàn)范圍在15.60%(>60～70 mm)～62.20%(>100～110 mm), 均值為43.38%, 對(duì)棘頭梅童魚的碳源貢獻(xiàn)范圍為23.10%(>70～80 mm)～80.30%(>140～190 mm), 均值為36.38%。

圖6 三大潛在碳源對(duì)不同體長(zhǎng)小黃魚和棘頭梅童魚的貢獻(xiàn)率

POM變化不明顯, 對(duì)小黃魚的碳源貢獻(xiàn)范圍為10.90%(>50～60 mm)～20.00%(>60～70 mm), 均值為15.02%, 對(duì)棘頭梅童魚的碳源貢獻(xiàn)范圍為1.80%(>140～190 mm)～21.70%(>130～140 mm), 均值為16.32%。

SOM對(duì)小黃魚的碳源貢獻(xiàn)范圍為23.70%(>100～110 mm)～68.00%(>50～60 mm), 均值為40.66%, 對(duì)棘頭梅童魚的碳源貢獻(xiàn)范圍為17.90%(>140～190 mm)～58.30%(>70～80 mm), 均值為43.70%。因此判定小黃魚和棘頭梅童魚的潛在碳源主要是浮游植物和SOM。

從潛在碳源的角度能夠更清楚判斷和說(shuō)明魚類的食性轉(zhuǎn)變規(guī)律。在本研究中, 隨著兩種魚類體長(zhǎng)的增加, 浮游植物對(duì)兩種魚類的碳源貢獻(xiàn)比例逐漸增大, 相反的, SOM的碳源貢獻(xiàn)比例逐漸減小。盡管如此, 浮游植物和SOM對(duì)小黃魚的碳源貢獻(xiàn)比例在隨體長(zhǎng)增加的過(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)較大的現(xiàn)象。研究表明, 小黃魚主要以小型魚類、甲殼類、頭足類、矢狀類和多毛類為食[21], 這與小黃魚雜食性的食性特征分不開。郭斌等(2010)的研究表明, 當(dāng)體長(zhǎng)小于80 mm時(shí), 小黃魚主要以橈足類、糠蝦類和少數(shù)蝦類為食, 當(dāng)體長(zhǎng)大于80 mm時(shí), 小黃魚的食性開始轉(zhuǎn)向小型魚類和蝦類[26]。本研究的結(jié)果表明, 當(dāng)小黃魚體長(zhǎng)小于80 mm時(shí), 浮游植物的平均碳源貢獻(xiàn)比例為27.17%；當(dāng)小黃魚體長(zhǎng)大于80 mm時(shí), 浮游植物的平均碳源貢獻(xiàn)比例為50.33%, 揭示了小黃魚食性的潛在轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。而棘頭梅童魚潛在食性轉(zhuǎn)變的體長(zhǎng)臨界值比小黃魚高, 為110 mm。這一結(jié)論反映了棘頭梅童魚在生活史中轉(zhuǎn)變食性的行為可能比小黃魚晚。

POM的貢獻(xiàn)比例最低, 魏虎進(jìn)等(2014)在研究象山港海洋牧場(chǎng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn), 相對(duì)于浮游植物和SOM, POM的相對(duì)碳源貢獻(xiàn)率最小[27], 佐證了本研究的結(jié)論。此外, 中國(guó)各大海域POM對(duì)水生動(dòng)物的碳源貢獻(xiàn)比例均未發(fā)生太大變化[27-28], 本研究也不例外, 因此可以推測(cè)POM對(duì)兩種魚類幼體到成體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的影響并不明顯。

3 結(jié)論

綜上所述, 與通過(guò)比較δ15N值及營(yíng)養(yǎng)級(jí)的傳統(tǒng)方法相比,結(jié)合潛在碳源對(duì)兩種魚類各體長(zhǎng)組的影響,更能有力驗(yàn)證兩種魚類潛在食性的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。本研究結(jié)果表明, 小黃魚和棘頭梅童魚的潛在碳源主要是浮游植物和SOM。小黃魚食性轉(zhuǎn)變的體長(zhǎng)臨界點(diǎn)為80 mm, 而棘頭梅童魚為110 mm, 反映了棘頭梅童魚在生活史中轉(zhuǎn)變食性行為的發(fā)生時(shí)間可能比小黃魚晚。