基于耳石形態特征的南海鳶烏賊群體判別分析

李 波，陽秀芬，邱星宇，王錦溪，周倍合，謝嘉儀，顏云榕,2,3

（1.廣東海洋大學水產學院 / 2.廣東海洋大學南海漁業資源監測與評估中心，廣東 湛江 524088；3.廣東海洋大學深圳研究院海洋漁業信息化技術中心，廣東 深圳 518000）

鳶烏賊（Sthenoeuthis oualaniensis）[1]為大洋性頭足類，分布于印度洋和太平洋的亞熱帶、熱帶海域，在中國南海外海分布廣泛。近年來，南海近海漁業資源隨著捕撈漁船功率增加和捕撈強度加強而嚴重衰退。分布于南海外海的鳶烏賊由于資源豐富，資源開發潛力大，成為南海遠洋漁業資源開發的重要種類，也是南海大型燈光罩網船的重要漁獲對象，具有重要經濟和研究價值[2-4]。

我國科研工作者對南海鳶烏賊開展資源開發、生物學特征、營養級、耳石形態與生長特征的相關研究[5-13]。由于頭足類耳石具有物種特征信息，且不易變形，耳石形態學分析在物種鑒定和群體識別領域得到了一定應用，例如對頭足類耳石輪紋的研究[14]。對于頭足類耳石的研究，國內外學者集中于耳石外形特征分析[15-17]，通過耳石輪紋研究年齡與生長[18-21]，通過耳石形態進行種群鑒定[22-23]，以及耳石微量元素等相關研究[24]。但是關于使用南海鳶烏賊耳石形態特征進行群體判別的相關研究未見報道。群體判別是漁業資源評估的基礎，本研究嘗試通過觀測并分析鳶烏賊耳石形態結構的特征，分析鳶烏賊耳石形態在不同群體之間的差異性，為南海鳶烏賊資源管理與合理開發利用提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料來源

本研究的鳶烏賊樣本采集于南海外海，采集時間為2012年2月至2013年1月。經-20 ℃低溫保存帶回實驗室進行相關后續研究。調查所用漁船為“瓊儋州15029”“桂防漁97819”和“桂北漁80208”燈光罩網作業漁船，采樣海域為 109°25′E－117°25′E，5°25′N－20°75′N，其采用站點分布見圖1。

圖1 采樣站點Fig.1 Map of sampling site

1.2 樣本處理

在實驗室將采集的鳶烏賊進行各項形態生物學測量后，對其進行解剖，將胃與性腺進行質量測量，記錄飽滿度及性成熟度分期等。其中胴長（Mantel length, ML）測量精確度為1 mm，質量與純體質量測量精確度為 1 g，性腺質量測量精確度為0.1 g，性腺成熟度分為5期（I～V）。

每尾鳶烏賊樣本提取1對耳石進行研究，共取得鳶烏賊右耳石樣品268枚，其中雌性166枚、雄性102枚。將取出的耳石放入離心管中，加入體積分數75%乙醇溶液，以便于清除包裹在耳石上的軟膜及其表面有機物質，待使用超聲波儀清洗掉耳石的表面污物后，將耳石置于60 ℃烘箱中經過8 h烘干，本研究統一使用鳶烏賊左耳石作為測量樣本，使用鳶烏賊右耳石作為拍照樣本，使用精確值為0.1 mg的精密電子天平測量質量。

清洗與測量完成后，將鳶烏賊右耳石置于載玻片上，然后放在附帶有CCD拍照裝置的OLYMPUS SZX2-ILLD解剖鏡（×40）下進行觀察（目鏡OLYMPUS SZX2—TR30 qc10192， 物 鏡OLYMPUS SDF PLAPO 1×PF）并拍照。拍照時須將右耳石的凸面朝上，利用Spot專業圖像測量軟件對所獲得的圖像進行測量，以獲得耳石各形態參數值。測量前，應設置好Spot軟件的各物理參數，確保測量的準確性，具體包括對耳石總長（Total statolith length, TSL）、最大寬度（Maximum width,MW）、側區長（Lateral dome length, LDL）、背側區長（Ventral dorsal dome length, DLL）、吻側區長（Rostrum lateral dome length, RLL）、吻區長（Rostrum length, RL）、吻區寬（Rostrum width,RW）、翼區長（Wing length, WL）和翼區寬（Wing width, WW）9項形態參數（圖2）進行測量，耳石形態參數測量精確至1 μm。由2人分別進行測量，若2次測量誤差不超過5%，則取其平均值作為參數值，否則需重新進行測量。

1.3 數據統計分析

在本研究中，為降低胴長對數據分析造成的干擾，在對數據進行處理之前對鳶烏賊胴長及各項形態參數進行對數[lg(x+ 1.1)]處理[25]。運用SPSS19.0軟件對9個耳石形態參數進行主成分分析，得到各主成分的負載系數與貢獻率，選取主要長度參數與寬度參數作為其全部形態參數的表征參數；結合冪函數[26-27]、線性函數和指數函數[28]等模型分別擬合鳶烏賊胴長（ML, mm）與耳石表征參數的函數關系，選取最佳模型并給出各項表征參數的函數關系式與擬合度，以此表示鳶烏賊耳石形態參數與胴長的關系。

在開展基于耳石形態分析的群體識別研究時，為消除鳶烏賊因異速生長對判別結果造成的偏差，對各項參數進行消除體長效應的標準化處理，方法如下：

（1）協方差分析校正方法[29]：

（2）異速生長校正方法[30]：

（3）比值校正方法[20]：

式中：M0是原始鳶烏賊耳石參數測量值，Mstd1、Mstd2、Mstd3分別是按協方差校正、異速生長校正、比值校正后的鳶烏賊耳石參數標準值，L0是鳶烏賊標準胴長，L平均是所有鳶烏賊胴長的平均值，參數b是對數處理后胴長與耳石形態參數的線性回歸斜率。

圖2 耳石形態參數及各區分布Fig.2 Scheme of morphometric measurements and each dome of statolith

按照采樣站點，將鳶烏賊樣本分為南沙、東沙和中沙西沙3個群體[31]；按照胴長將鳶烏賊樣本分為中型群（ML＞130 mm）、混合群（130 mm≥ML＞95mm）和微型群（ML≤95 mm）3個群體[21]。運用SPSS19.0軟件分別對3種不同校正法處理后的耳石形態參數標準值進行典則判別函數分析，使用耳石形態參數對南沙、東沙、和中沙西沙3個不同海域以及中型群、混合群和微型群3個不同體型群體進行判別，獲得各地理群體與各體型群體根據耳石形態參數判別后的成功率，并使用各自判別得分做判別函數圖觀察判別狀況。

2 結果

2.1 耳石形態特征

觀測表明，南海鳶烏賊耳石在形態上具有鮮明的翼區、吻區、側區和背區結構，各區域能明顯區分，其中翼區寬大，側區次之，吻區長窄，背區稍小（圖2），其胴長與耳石形態特征參數如表1。

表1 鳶烏賊胴長及耳石形態參數Table 1 Mantel length and statolith parameters of Sthenoeuthis oualaniensis

2.2 主成分分析

分別對標準化后雌、雄個體耳石的9項形態參數數據進行主成分分析并將其負荷作最大方差正交旋轉（表2），結果顯示，雌、雄性樣本的前 3個主要成分累計貢獻率均高于74%，雄性樣本前3項主成分解釋形態參數的貢獻率分別為45.932%、15.358%、13.277%，累計貢獻率為74.566%；雌性樣本前 3主成分解釋形態參數的貢獻率分別為62.593%、11.046%、10.393%，累計貢獻率為84.032%。

表2 鳶烏賊前3個主成分的特征值與貢獻率Table 1 Loadings of S.oualaniensis principal Eigenvalues and contributions of the first three principal components of elliptic Fourier descriptors

主成分分析表明，雄性樣本第1主成分中耳石的 TSL、MW、LDL、DLL、WL有較大正相關，其形態參數負載系數均在0.57以上，其中DLL的載荷系數最大為0.915；第2主成分與RLL有較大正相關，其形態參數負載系數為 0.864；第 3主成分與 WW 有較大正相關，其形態參數負載系數為0.791。

雌性樣本第1主成分中耳石的TSL、MW、LDL、DLL、RLL、RL、WL有較大正相關，其形態參數負載系數均在0.42以上，其中WL的載荷系數最大為0.881；第2主成分與DLL有較大正相關，其形態參數負載系數為0.791；第3主成分與WW有較大正相關，其形態參數負載系數為0.890。

根據鳶烏賊雌、雄樣本主成分載荷以及各個成分所占貢獻率，第1主成分的貢獻率最為明顯，綜合觀察可得鳶烏賊的耳石長度參數 TSL、LDL、DLL、WL和寬度參數MW可代替9項形態參數來描述耳石的形態特征。分別使用指數函數、線性函數、對數函數和冪函數對挑選出的5項表征參數與鳶烏賊胴長進行擬合，可得該5項參數與鳶烏賊胴長有較強線性函數關系，其線性函數關系如表3。

表3 鳶烏賊耳石主要形態參數與胴長的關系Table 3 Relationship between main parameters ofstatolith and mantle length for S.oualaniensis

2.3 判別函數分析

分別使用協方差分析校正、異速生長校正和比值校正后的鳶烏耳石形態參數標準值按不同海域和不同體型群體進行判別分析（表4、5）。分析表明，3個海域鳶烏賊之間存在較大差異性，通過不同校正方法得到的判別成功率也有所不同，使用協方差分析校正法對南沙、東沙和中沙西沙3個海域判別的成功率分別為53.3%、38.3%、41.2%，綜合正確分類為43.3%；用異速生長校正法對3個海域判別的成功率分別為48.3%、68.3%、46.6%，綜合正確分類為49.3%；用比值校正法對3個海域判別的成功率分別為53.3%、56.7%、64.9%，綜合正確分類為60.4%，其海域判別區分度為中沙西沙群體＞東沙群體＞南沙群體。

分析表明，3個體型群體鳶烏賊之間也存在較大差異性，通過不同校正方法得到的判別成功率也有所不同，使用協方差分析校正法對微型群、混合群和中型群3個群體判別的成功率分別為71.4%、36.8%、31.8%，綜合正確分類為38.4%；用異速生長校正法對3個群體判別的成功率分別為75.0%、44.4%、71.0%，綜合正確分類為58.2%；用比值校正法對 3個群體判別的成功率分別為 92.9%、90.2%、81.3%，綜合正確分類為86.9%，其體型判別區分度為微型群＞混合群＞中型群。

根據判別函數分析的判別得分，分別繪制3個海域以及3個群體的判別得分散點圖（圖3、4）。由圖可知，在海域判別中，比值校正法能夠解釋60.4%的群體間變異，可以比較有效的將中沙西沙鳶烏賊群體同其他群體區分開，異速生長校正法可以有效的將東沙鳶烏賊群體同其他群體區分開，但對南沙和中沙西沙地理群體判別效果較差；在體型群體判別中，比值校正法能夠解釋高達86.9的群體間差異，可以有效將微型群、混合群和中型群3個群體區分開，從函數圖中可以明顯看出從微型群到中型群的變化，混合群體處于其間過度位置。

表4 3個海域鳶烏賊群體判別結果Table 4 Discrimination results of three sea areas of S.oualaniensis

表5 3個體型群鳶烏賊判別結果Table 5 Discrimination results of three body groups of S.oualaniensis

圖3 不同海域鳶烏賊的判別函數Fig.3 Discriminant function of different sea areas of S.oualaniensis

圖4 不同群體鳶烏賊的判別函數Fig.4 Discriminant function of different groups of S.oualaniensis

3 討論

3.1 耳石形態特征

鳶烏賊屬于頭足類柔魚科，其耳石與隸屬柔魚科其他種類一樣，在個體生長的早期階段，耳石結構相對簡單，形似水滴狀，側區與背區相對于吻區和翼區來說，比較明顯，而吻區則比較小，翼區尚未形成[14]；隨著個體發育，各區也逐漸成型，分割線也將越來越清晰，其成型分割點年齡為 100～110 d，此時 ML約為 100 mm[32]，在本研究中樣品的ML范圍為79～233 mm，大部分大于100 mm，其耳石形態分區均已明顯，便于進行耳石形態分析研究。在本研究中的成熟鳶烏賊，其耳石具有明顯的背區、翼區、吻區與側區結構，翼區寬大，側區次之，背區稍小，吻區長窄。這與劉必林等[20]研究的印度洋西北海域成體鳶烏賊耳石具有側區和翼區寬大背區小、吻區長窄的外部形態特征相似；與馬金等[33]研究的西太平洋柔魚耳石具有翼區寬大、側區和背區次之、吻區長狹特征相似；與陸化杰等[17]研究的智利外海的莖柔魚耳石具有吻區翼區寬大和吻區長狹特征相似；以及與姜艷娥等[9]研究的南海中部海域鳶烏賊的耳石具有翼區寬大和吻區長狹的特征相似。這些柔魚科種群雖然分布于不同海域，但是均棲息于表層至1 500 m的水層，具有相似的耳石形態結構，說明影響耳石形態結構的因素之一是棲息水層。棲息于水體上層的柔魚科種群耳石規模小，具有吻區前段長狹、側區寬的特點。

3.2 耳石形態參數的主成分與胴長關系

通過主成分分析結果表明 TSL、MW、LDL、DLL和WL可作為表征耳石形態特征的參數，其中TSL、WL、LDL和DLL可以代表耳石長度形態的特征，MW則表征寬度的特征。這一結果同其他的柔魚科物種之間有所區別，如劉必林等[20]所發表的印度洋西北海域鳶烏賊耳石形態的表征參數為TSL、MW、LDL、DLL、RLL、WL；馬金等[33]所研究的西北太平洋柔魚耳石的表征參數為TSL、RL、WL、RW、WW；陸化杰等[17]所研究的智利外海莖柔魚耳石形態的表征參數為TSL、WL、RLL、MW；姜艷娥等[9]所研究的南海中部鳶烏賊耳石形態的表征參數為TSL、吻區長（RSL）、WL、MW、DLL。說明不同海域或者不同柔魚種類的耳石長度和寬度的表征參數具有一定的差異性。

在本研究中鳶烏賊耳石的表征特征參數TSL、WL、LDL、DLL和 MW與胴長（ML）呈顯著的線性函數關系，各個參數的關系式中TSL與ML的b值最大，說明耳石總長和翼區長生長速度相對較快，其余形態參數關系式中b值較小，說明其余參數生長相對比較緩慢；而關系式中除側區長a值為1.672外，其余參數均高于2.0，說明側區長生長的絕對速度較緩慢。在劉必林等[20]發表的印度洋西北海域鳶烏賊耳石形態中的表征參數與胴長均呈現較好的冪函數關系；在馬金等[33]所研究的西北太平洋柔魚耳石形態中表征參數與胴長使用冪函數擬合效果較好；在陸化杰等[17]所研究的智利外海莖柔魚耳石形態中表征參數與胴長關系在雄性樣本中呈冪函數關系，在雌性樣本中呈線性關系；姜艷娥等[9]研究的南海中部海域鳶烏賊耳石形態中，表征參數 TSL、WL、MW 與胴長呈對數關系，RSL、DLL與胴長呈線性關系。也說明不同海域或者不同柔魚種類的表征參數與胴長的關系具有一定差異性。

造成差異的原因一方面是采樣區域不同，其溫度、鹽度等生存環境不同，導致其在生長發育時耳石形態有些許差異；另一方面，本研究采用燈光罩網的捕撈方式采樣，可以獲得中微小性個體，不同于魷釣的的采樣方式，難以獲得胴長較小的個體，這也會影響其部分形態參數的貢獻率。

3.3 數據校正在群體識別中的對比

由于海洋生物的個體生長差異可能會對耳石形態參數造成顯著影響，所以進行耳石形態參數分析研究時，對形態參數進行消除體長效應的數據校正是十分重要的，通過數據校正可以減小不同個體異速生長所造成的偏差[29]。在本研究中選取了協方差分析校正、異速生長校正和比值校正3種校正方法，通過不同校正方法進行地理群體判別，分別得到了43.3%（38.3%～53.3%）、49.3%（46.6%～68.3%）和 60.4%（53.3%～64.9%）的總體成功率，可見在判別的穩定程度上，比值校正法在地理群體判別中效果較明顯。但是對于不同地理群體的識別，判別表現各有不同，異速生長判別對東沙海域的判別效果顯著。總的來看，3種校正對地理群體的總體判別成功率影響并無十分明顯的差異。比值校正對于各個群體判別波動較小，結果更加穩定。綜合來看，對于地理群體的判別不同的校正方法并無明顯優劣之分，而比值校正法更適合本研究中地理群體的判別。研究表明，通過耳石形態對南海鳶烏賊地理群體的判別基本可以實現，3個不同海域的鳶烏賊耳石形態有比較明顯的差異性，與當前對于南海鳶烏賊地理群體[31]的劃分結果一致，選取合適的校正方法能夠提升總體判別成功率，減少不同地理群體的判別波動性。

在不同體型群體判別時，3種校正方法分別得到了38.4%（31.8%～71.4%）、58.2%（44.4%～71.0%）和 86.9%（81.3%～92.9%）的總體成功率，不同于地理群體的判別，比值校正法在判別穩定程度和不同群體的識別成功率上都有十分顯著的效果；而異速生長校正對中型群和微型群班別效果顯著，對混合群體判別成功率較低，從而降低了總體成功率。雖然3種校正方法對總體判別成功率影響差異十分顯著，但是最高總體判別成功率的比值校正判別結果并不符合當前鳶烏賊研究中的群體劃分，反觀經異速生長校正的判別，其混合群的判別中較大比例判別為微型群和中型群，這符合對鳶烏賊混合群體中同時存在微型群和中型群的定義[21]，則表明通過異速生長校正的判別更適合本研究。綜合來看，不同校正方法總體判別成功率的高低并不能完全代表判別效果的優劣，更需要結合對研究樣本的了解，選擇符合研究判別結果。使用耳石形態參數判別群體，只要選擇合適的耳石形態特征的參數[34]，選擇合適的數據校正及處理方法，就能有效對群體進行判別。選擇什么樣的參數進行判別研究以及是否有其他因子會對判別造成偏差，還有待進一步研究。

4 結論

本研究發現，南海鳶烏賊耳石形態呈現出翼區寬大、側區次之、背區稍小、吻區長窄的特點；其耳石形態參數通過主成分分析所得的TSL、MW、LDL、DLL、WL等5項參數可作為表征參數代替9項形態參數來描述耳石的形態特征，其表征參數與胴長呈現線性指數關系；3種校正方式對地理群體的判別差異性不顯著，比值校正法具有較好的穩定性，對不同體型群體判別時，比值校正法的穩定程度和識別成功率較顯著，兩種判別中，微型群體和中沙西沙群體與其他群體存在較高的區分度。