呂泗漁場兩種石首魚科魚類營養生態學特征：來自穩定同位素的證據

高世科, 黃金玲, 于雯雯, 張 虎, 張 碩*

(1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306; 2.上海海洋大學海洋文化與法律學院，上海 201306；3.江蘇省海洋水產研究所，江蘇 南通 226007)

呂泗漁場位于東、黃海交界處, 因其魚類和餌料資源豐富而成為中國重要的漁場之一。近年來, 對呂泗漁場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], 利用穩定同位素技術的呂泗漁場近岸海域夏季主要生物營養級也有報道[4], 而基于穩定同位素技術的魚類個體營養生態學的研究則相對較少, 尤其是一些經濟價值較高的洄游性魚類。

多數海洋魚類在發育過程中存在食性轉變的現象, 并且由于個體規格的差異導致營養級變動, 這種現象甚至比種間差異更顯著[5-6]。小黃魚(Larimichthyspolyactis)、棘頭梅童魚(Collichthyslucidus)是呂泗漁場兩種比較重要的中小型經濟魚類, 當前, 這兩種魚類面臨環境惡化、過度捕撈、非法漁具使用等嚴峻考驗, 導致種群數量日漸衰退、魚類質量下降[7]。研究表明, 食性相同的這兩種魚類營養級存在差異, 海州灣差值為0.40[8]、東黃海為0.76～0.80[9]、長江口為0.46～0.56[10], 其原因除了與海域餌料環境差異有關, 還與體長規格密不可分[11]。

以傳統的胃含物分析法為基礎, 開展對魚類食性及營養級的分析已有許多報道, 但該方法工作量大, 存在較大片面性和局限性, 且只能反映個體短期內的食性特征[12]。目前, 碳(δ13C)、氮(δ15N)穩定同位素技術能夠更精確地闡明生物體內的能量流動和走向。該技術不僅被用于定性分析海域生態系統的食物網結構, 其中的同位素量化指標還常被用來研究生物群落營養結構及食性特征[13]。因此, 建立魚類個體規格與碳、氮穩定同位素比值間的關系, 對了解魚類的生活史具有重要意義。

本研究旨在運用碳、氮穩定同位素技術, 對比、分析呂泗漁場兩種經濟石首魚科的碳氮穩定同位素特征及其隨個體發育的變化規律, 結合IsoSource模型, 初步闡明其食性特征及潛在的食性轉變現象, 為深入研究呂泗漁場的生態系統營養動力學研究提供科學的理論基礎資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究于2018年9月在呂泗漁場近岸海域的18個不同站位(32°23.140′—32°59.504′N, 121°17.509′—122°11.161′E, 圖1)進行單船底拖網調查。調查船為270 kW的單拖漁船, 平均拖速3.64 kn, 每站拖網時間25 min左右。使用標準Ⅰ型浮游生物網采集浮游動物, 使用Ⅲ型浮游生物網采集浮游植物, 分別使用底層有翼單囊底拖網[規格為125.32 m×59.1 m(36.0 m)]采集游泳生物, 同時使用采水器采集2 L水樣用于測定懸浮顆粒有機物(Particle Organic Matter, POM), 以及抓斗式采泥器采集底質用于測定底質有機物(Sedimental Organic Matter, SOM), 所有樣品經過冰鮮后, 運回實驗室冰凍保存[14]。

圖1 調查站位

1.2 樣品預處理

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)。樣品運回實驗室, 將兩種魚類的體長組分成10個等級, 以10 mm為一個分界(表1), 而后測定基礎生物學指標(體長、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[11]。

表1 不同體長小黃魚和棘頭梅童魚的營養級

將浮游動物樣品挑出雜質并清養1～2 h空胃后選出優勢種, 將浮游植物樣品挑出雜質并先后濾過100 μm和20 μm篩絹, 用蒸餾水靜置后, 取上清液抽濾在經過500 ℃灼燒5 h的Whatman GF/F 玻璃纖維濾膜上。

水體POM用80目孔徑篩絹過濾, 再抽濾至經過500 ℃預灼燒5 h的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜上。

底質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, 經過63 μm的篩絹分篩待測。

1.3 樣品分析

碳、氮穩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驗室進行, 使用德國進口的Vario Isotope Cube-Isoprime元素分析儀, 用蛋白質和乙酰苯胺來校準準確度和精密度, 以標準物質PeeDee石灰巖中的碳和大氣氮作為參考標準, 用下列公式來表示碳、氮穩定同位素的自然豐度：

(1)

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

營養級的確定采用Qu等(2016)重新編譯、矯正過的公式[16], 如下：

(2)

式(2)中：TL表示所計算生物的營養級；δ15Nsample為系統消費者氮穩定同位素比值；δ15Nbaseline為該系統基準生物的氮穩定同位素比值；Δδ15N為相鄰營養級間的富集度(Trophic Enrichment Factor), 本研究選取POM作為基線生物, 同時沿用Post(2002)研究穩定同位素計算營養級的3.4‰作為營養級富集度[17]。

1.4 IsoSource模型分析

根據質量守恒原理, 利用Phillips等(2003)[18]不斷完善編譯的IsoSource模型來定性分析和計算各個碳源對消費者的貢獻率，原理如下：

δjM=AδjA+BδjB+CδjC

(3)

δkM=AδkA+BδkB+CδkC

(4)

(5)

式(3)至(5)中：jM、kM為消費者M的兩種同位素j、k的比值；A、B、C為食物源；為食物對消費者的貢獻率。在海域食物網中, 浮游植物、POM、SOM常被作為營養基礎和潛在碳源來反映各類生物的潛在食源貢獻比例, 因此被本研究選用。

1.5 數據處理及分析

站點圖使用ArcGIS 10.3[ESRI (USA)]繪制；基于δ13C和δ15N值和標準化的歐氏距離, 使用PRIMER V5軟件包進行組間連接等級聚類分析(Hierarchical Cluster Analysis)；沿用Origin2018和Excel 2019進行圖表的繪制；其余數據處理與分析均通過Excel 2019和SPSS 25.0(Inc., Chicago,IL, USA)來完成；Pearson相關分析和線性回歸是用來確定魚類不同體長組與δ13C、δ15N值之間的關系。使用方差分析(ANOVA)來檢測兩種魚類間的同位素特征。

2 結果與討論

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)‰。對所有樣品進行單因素方差分析的結果表明, 不同體長組間小黃魚和棘頭梅童魚的穩定碳同位素差異不顯著(p>0.05), 而穩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值和標準化的歐氏距離, 對兩種魚類不同體長組進行聚類分析, 結果如圖3所示。小黃魚的體長組可分成兩大組, 包括>140～190 mm、>130～140 mm、>120～130 mm、>80～90 mm一組和剩余的體長組；棘頭梅童魚的體長組可分為>140～190 mm、>130～140 mm一組和剩余體長組。聚類分析的結果比較符合兩種魚類δ13C-δ15N比值分布的結果(圖2)。

圖3 兩種魚類不同體長組δ13C、δ15N值的聚類分析

兩種魚類的δ15N值隨體長的增加而增大, 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)研究消費者和食物間的氮同位素分餾時確定的δ15N富集平均值3.40‰[17]十分接近。這一結果一方面反映出隨著個體增大, 生物體的δ15N值也出現增加趨勢；另一方面, 不論從魚類的個體發育還是系統發育層面上來看, 本研究的這一結論都加以驗證了15N重同位素在魚類體內富集現象的普遍性。

本研究中兩種魚類的δ15N值均是隨體長增加而增大, 使用Pearson指數分析得到兩組數據間的相關性較弱(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值隨著叉長的增加而增加, 存在顯著相關關系(p<0.05)[20]。而在Ji等(2011)的研究中, 夏季長江口小黃魚的δ13C值隨著體長的增加而減少(p<0.05)[11]。由于小黃魚的攝食模式比較復雜, 在每年7月到9月的產卵、越冬和索餌期間, 會從河口遷徙至開放海域[11], 造成棲息場所的差異(如水深、食物來源等)[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]。以上可能是本研究兩種魚類體長與δ13C值間相關性極弱的原因。此外, 長江口和本研究采樣區域離岸的遠近程度不一致, 而通過Vizzini等(2006)的研究, 近岸和遠岸海域各類消費者和有機物的δ15N值變化顯著, 而δ13C值變化不顯著[24], 因此導致兩種魚類δ13C值出現不確定性變化的原因, 尚有待進一步研究。

圖4 小黃魚和棘頭梅童魚不同體長組和δ13C、δ15N值之間的線性關系

2.2 兩種魚類的營養級特征

從表1可以看出, 小黃魚的營養級范圍為2.68～3.18, 平均值為2.99±0.15；棘頭梅童魚的營養級范圍為2.67～3.22, 平均值為2.86±0.18。利用無重復雙因素方差分析得知, 除體長為>60～70 mm、>130～140 mm和>140～190 mm的棘頭梅童魚的營養級大于小黃魚之外, 其余體長組小黃魚的營養級要顯著高于棘頭梅童魚(p<0.05)。

使用不同的營養級公式會導致計算結果產生差異, 本研究使用POM[δ15N:(3.58±0.42)‰]作為基線和Post(2002)[17]的3.40‰作為營養級富集度計算兩種魚類的營養級。圖5顯示了兩種魚類不同體長組營養級增加的趨勢圖, 小黃魚(2.99)比棘頭梅童魚(2.86)平均高出0.14個營養級(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向為以小型魚類和蝦類為主[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, 鰓耙細長且數目多, 屬于浮游生物食性魚類[23], 因此從食性方面來看, 也能夠解釋本研究的結論。

圖5 不同體長小黃魚和棘頭梅童魚營養級變化趨勢圖

與長江口相同體長組的小黃魚相比, 本研究小黃魚的營養級差異不顯著(p<0.05，因長江口海域只提供δ15N值, 故沿用本研究的條件計算營養級), 但各體長組棘頭梅童魚的營養級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個營養級[23]。產生這種差異的因素很多, 不僅與海域的餌料基礎和環境因素有關, 還和研究方法相關[19]。有研究表明, 胃含物分析只能反映魚類短時間內的攝食情況, 且分析時容易忽略一些小型、易消化的餌料種類, 可能導致營養級出現偏差[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檢驗不同食源之間碳穩定同位素比值的顯著性差異, 結果顯示, 各食源碳同位素比值之間均呈顯著差異(p<0.05)。

2.4 IsoSource模型結果

以上述三大潛在碳源為基礎貢獻, 對兩種魚類的潛在食源貢獻進行分析。結果(圖6)表明, 浮游植物對小黃魚的碳源貢獻范圍在15.60%(>60～70 mm)～62.20%(>100～110 mm), 均值為43.38%, 對棘頭梅童魚的碳源貢獻范圍為23.10%(>70～80 mm)～80.30%(>140～190 mm), 均值為36.38%。

圖6 三大潛在碳源對不同體長小黃魚和棘頭梅童魚的貢獻率

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

SOM對小黃魚的碳源貢獻范圍為23.70%(>100～110 mm)～68.00%(>50～60 mm), 均值為40.66%, 對棘頭梅童魚的碳源貢獻范圍為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明魚類的食性轉變規律。在本研究中, 隨著兩種魚類體長的增加, 浮游植物對兩種魚類的碳源貢獻比例逐漸增大, 相反的, SOM的碳源貢獻比例逐漸減小。盡管如此, 浮游植物和SOM對小黃魚的碳源貢獻比例在隨體長增加的過程中出現波動較大的現象。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, 當體長小于80 mm時, 小黃魚主要以橈足類、糠蝦類和少數蝦類為食, 當體長大于80 mm時, 小黃魚的食性開始轉向小型魚類和蝦類[26]。本研究的結果表明, 當小黃魚體長小于80 mm時, 浮游植物的平均碳源貢獻比例為27.17%；當小黃魚體長大于80 mm時, 浮游植物的平均碳源貢獻比例為50.33%, 揭示了小黃魚食性的潛在轉變現象。而棘頭梅童魚潛在食性轉變的體長臨界值比小黃魚高, 為110 mm。這一結論反映了棘頭梅童魚在生活史中轉變食性的行為可能比小黃魚晚。

POM的貢獻比例最低, 魏虎進等(2014)在研究象山港海洋牧場食物網結構時發現, 相對于浮游植物和SOM, POM的相對碳源貢獻率最小[27], 佐證了本研究的結論。此外, 中國各大海域POM對水生動物的碳源貢獻比例均未發生太大變化[27-28], 本研究也不例外, 因此可以推測POM對兩種魚類幼體到成體生長發育過程的影響并不明顯。

3 結論

綜上所述, 與通過比較δ15N值及營養級的傳統方法相比,結合潛在碳源對兩種魚類各體長組的影響,更能有力驗證兩種魚類潛在食性的轉變現象。本研究結果表明, 小黃魚和棘頭梅童魚的潛在碳源主要是浮游植物和SOM。小黃魚食性轉變的體長臨界點為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變食性行為的發生時間可能比小黃魚晚。