厄爾尼諾-南方濤動對秘魯外海莖柔魚耳石形態的影響

李建華，高春霞，劉必林，王 巖，張伊寧

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.農業農村部大洋漁業開發重點實驗室，上海 201306；3.大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室，上海 201306；4.國家遠洋漁業工程技術研究中心，上海 201306；5.大連海洋大學，遼寧大連 116023）

莖柔魚（Dosidicus gigas）是柔魚科（Ommastrephidae）的一種重要經濟捕撈種類，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，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，因此其整個生活史過程對棲息地環境以及大尺度氣候事件的變化極為敏感［5－6］。已有研究發現，厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）事件會影響莖柔魚漁場環境，進而造成其資源發生空間上的變化［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差異的報道［8］，但未見采用傳統形態法分析ENSO事件對秘魯外海莖柔魚耳石影響的報道。因此，本研究依據我國魷釣船于2013—2016年和2020年在秘魯外海生產期間采集的莖柔魚的耳石作為研究對象，通過傳統形態分析法分析不同ENSO事件年間秘魯外海莖柔魚耳石形態差異，并分析其生長特性的年間差異，以期為秘魯外海莖柔魚漁業生物學及基于耳石形態的莖柔魚種群鑒定研究提供基礎數據支持。

1 材料與方法

1.1 采樣時間和范圍

選取2013—2016年和2020年7—11月的秘魯外海莖柔魚樣本進行實驗分析，樣本由中國遠洋漁業魷釣技術組提供，均采集于秘魯外海，采樣時間、數量、站位信息如表1所示。每一站點所采集的樣本均從漁獲物中隨機取樣，采集后的莖柔魚樣本直接在魷釣船上冷凍，隨后通過運輸船運回實驗室進行實驗分析。

1.2 ENSO事件

根據美國國家海洋和氣候大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）網站（https：／／origin.cpc.ncep.noaa.gov／products／analysis＿monitoring／ensostuff／ONI＿v5.php）發布的尼諾指數（Ni?o index，NI）可知，當NI＞0.5即為發生厄爾尼諾事件，當NI＜－0.5即為發生拉尼娜事件，當－0.5≤NI≤0.5時，即為正常時期。因此將采樣時間分為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年為厄爾尼諾轉拉尼娜年，2020為正常轉拉尼娜年。

1.3 研究方法

1.3.1 生物學測定和耳石提取

將樣本在實驗室室溫下自然解凍，以防止外界因素對莖柔魚樣本造成影響。解凍后對莖柔魚進行生物學測定，測定內容包括胴長（mantle length，ML）、體質量（body weight，BW）、性別以及性腺發育程度，其中，胴長測定數值精確到1mm，體質量測定數值精確到1 g，性腺發育程度測定根據LIPIN＇SKI和UNDERHILL［9］的鑒定方法，將莖柔魚的性腺發育分為5個階段（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取出耳石后，放入盛有75%濃度的乙醇溶液的離心管中進行保存，以除去耳石表面附著的軟膜和有機物質。

1.3.2 耳石外部形態測量

對左、右耳石進行t檢驗顯示，左、右耳石形態學指標無顯著差異（P＞0.05），因此，統一選取左側耳石進行分析。將去除附著物的耳石置于奧林巴斯CX23顯微鏡下以40倍放大進行電荷耦合器（charge-coupled device，CCD）拍照，利用FCSnap專業測量軟件進行耳石形態測定，測定的9個形態參數如圖1所示，包括耳石總長（total statolith length，TSL）、最大寬度（maximum width，MW）、翼區長（wing length，WL）、翼區寬（wing width，WW）、吻區長（rostrum length，RL）、吻區寬（rostrum width，RW）、背側區長（dorsal lateral length，DLL）、側區長（lateral dome length，LDL）和吻側區長（rostrum lateral length，RLL）。形態參數由兩人分別測量，若兩者測得結果誤差超過5%，則重新測量，最終取兩者測量的平均值，測量結果精確到1μm。

圖1 莖柔魚耳石各區和形態參數示意圖Fig.1 Dome and morphometric parameters of D.gigas’s statolith

1.4 數據處理

1.4.1 耳石形態差異分析

為消除莖柔魚個體差異對耳石形態值的影響，采用標準化公式對莖柔魚各個耳石形態參數進行標準化：

式中，Yi和分別表示第i個個體標準化前和標準化后的耳石形態參數值，MLm和MLi分別表示胴長的平均值和個體i的胴長值，b為回歸參數，具體參考LLEONART等［10］的文獻。利用Levene’s法進行方差齊性檢驗，不滿足齊性方差時將數據反正弦或平方根處理，同時進行正態檢驗，利用單因素方差分析（one-way ANOVA）對不同年份耳石形態參數進行差異分析。文中標準化后的形態參數以形態參數加下標小寫字母s表示，如TSLs表示標準化后的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參數，對5年樣本進行主成分分析。

1.4.3 耳石生長差異分析

根據主成分分析結果，利用不同的生長模型（線性、指數、對數、冪函數）擬合耳石形態參數與胴長之間的關系。根據赤池信息準則（Akaike information criterion，AIC）選取最適方程，利用協方差分析（ANCOVA），以各個耳石形態參數作為協變量，分析不同海洋環境年莖柔魚耳石的生長差異。

2 結果與分析

2.1 耳石形態特征分析

通過對標準化后的耳石形態值進行ANOVA方差分析發現，雌、雄個體間各個形態參數不存在顯著差異（P＞0.05），因此下述分析不區分性別。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特征，即具有明顯的翼區、吻區、背區和側區。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 不同年份莖柔魚標準化后的耳石形態參數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方差分析結果。多重比較（Tukey-HSD）發現，拉尼娜年（2016年和2020年）與其他各年間存在顯著差異的形態參數最多，且2016年和2020年的耳石間也存在有顯著性差異的形態參數。相比拉尼娜年份，正常年份之間（2013年和2014年）耳石形態則較為相似，僅有少數形態參數存在顯著差異。

表3 不同年份莖柔魚耳石形態參數方差分析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個形態參數的主成分分析結果如表4所示，5個因子解釋形態值的貢獻率分別為40.043%、26.366%、11.827%、8.587%和4.283%，累計貢獻率達91.106%。第1主成分中，TSL負荷值最大，RW 負荷值最??；該主成分與各個形態參數均呈正相關。第2主成分中，WW 的負荷值最大；第2主成分與WW、DLL呈正相關，與RW、RLL呈負相關。第3主成分中，RL負荷值最大，且第3主成分與RL呈負相關。第4主成分中，RW 負荷值最大，且第4主成分與RW呈正相關。第5主成分中，DLL負荷值最大，且第5主成分與DLL呈負相關。

表4 莖柔魚耳石9個形態參數的5個主成分負荷值和貢獻率Tab.4 Loading values and contribution rates of 5 principal components for 9 m orphologic parameters of D.gigas’s statolith

根據主成分負荷值大小，選取負荷值較大的形態參數作為表征參數。因此，秘魯外海莖柔魚耳石長度表征參數為TSL、RL和DLL，耳石寬度表征參數為WW 和RW。

2.3 耳石形態與胴長的關系

總體上，莖柔魚耳石各區隨著胴長的增加而增大，擬合結果顯示，5個形態表征參數中，TSLs、DLLs和WWs與胴長之間存在顯著相關性（P＜0.05），而RLs和RWs與胴長之間不存在顯著相關性（P＞0.05）。根據AIC準測，選取最適生長方程，結果如表5所示。其中，2013年和2015年均為線性模型；2014年和2020年均為指數模型；2016年，TSLs與胴長的關系為指數模型，WWs與胴長的關系為線性模型，DLLs與胴長的關系為冪函數模型。從協方差分析（ANCOVA）結果發現，3個耳石形態參數與胴長的關系在不同年間均存在極顯著差異（P＜0.01）。

表5 不同海洋環境年莖柔魚耳石形態參數與胴長之間的生長模型Tab.5 G row th models ofm orphometrics and mantle length of D.gigas in differentmarine environm ent years

2.4 不同海洋環境年耳石形態差異

2.4.1 耳石整體形態差異

如圖2-A所示，厄爾尼諾年（2015年）耳石整體形態偏大，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）耳石整體形態偏小，其中，2016年的TSL和MW 為各年中最小。

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

2.4.2 耳石翼區形態差異

如圖2-B所示，厄爾尼諾年（2015年），莖柔魚耳石的翼區較大；正常年份（2013年和2014年）的翼區較厄爾尼諾年（2015年）?。焕崮饶辏?016年和2020年），耳石的翼區最小。

2.4.3 耳石吻區形態差異

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

3 討論

3.1 耳石形態特征

耳石作為頭足類重要的硬組織之一，被廣泛應用于頭足類種群鑒別、年齡鑒定以及空間分布推測等研究［11－13］。不同頭足類耳石各區的大小不完全相同［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、吻區、背區和側區4個主要分區［15］。與本研究莖柔魚耳石相比，阿根廷滑柔魚（Illex argentinus）背區較小，吻區下端未超過翼區［16］。

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

3.2 形態表征參數選取

通過主成分分析選取出的代表耳石形態的表征參數已被廣泛應用于頭足類耳石形態研究［15，18，24－29］。本研究通過主成分分析篩選出TSL、RL和DLL作為耳石長度表征參數，WW 和RW 作為耳石寬度表征參數，說明耳石總長、翼區和吻區的變化能夠較好地反映耳石形態變化。研究表明，不同頭足類的耳石形態表征參數不同，其中TSL作為主要的耳石長度參數，被廣泛選取為頭足類耳石形態表征參數（表6），說明TSL 是表征耳石形態特征最顯著的指標［15，18，24－29］。不同海域的同種頭足類耳石形態表征參數選擇也存在差異，哥斯達黎加外海、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為耳石長度表征參數，而其他表征參數則不完全相同［18，24－25］。這可能是由于莖柔魚個體差異導致的，研究表明，東太平洋赤道海域和哥斯達黎加外海莖柔魚個體遠小于秘魯和智利外海海域［18，30］。除個體大小因素外，季節性捕撈和海域環境差異也可能是造成這種現象的原因，目前尚未見相關結論報道，因此后續還需深入開展不同海域同種頭足類耳石形態表征參數選取研究。

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

3.3 ENSO對耳石形態的影響

ENSO事件是太平洋主要的氣候事件之一，對該海域內的漁業資源豐度、空間分布及棲息地環境都會造成影響［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生巨大波動［33］。有研究表明，北太平洋柔魚在不同氣候條件下，資源量發生變動的同時，其耳石的形態特征和生長也存在著年間差異［15］，本研究結果與其一致。同時，本研究還發現，耳石形態參數與胴長的關系在不同年間也存在顯著差異（表5），莖柔魚的個體生長可能對這種關系造成影響，另外，這種現象也可能是由于外界環境變化導致的。相關研究發現，耳石的形態會受到外界環境因素如溫度、二氧化碳以及海洋酸化等的影響［34－36］。比如，水溫等海洋環境因素變化可能影響不同年間莖柔魚的耳石沉積速率，進而導致耳石形態存在差異。此外，秘魯外海莖柔魚主要棲息于上升流海域，厄爾尼諾發生期間，海平面上升，升高的水溫會導致上升流速度變慢，從而降低了浮游植物的密度［32］。而拉尼娜發生期間，上升流相對較強，淺層營養鹽較為充足，初級生產力較高，形成了適宜莖柔魚生長的環境條件［32，37］。汪惠瓊等［38］研究發現，發生厄爾尼諾的年份莖柔魚的營養級較正常年份低，這可能使得莖柔魚的生長產生年間差異，間接導致耳石形態與胴長關系產生差異。

本研究發現，厄爾尼諾年（2015年），莖柔魚耳石具有長且窄的吻區以及較大的翼區；拉尼娜年（2016年和2020年），莖柔魚耳石具有短且寬的吻區以及較小的翼區；正常年份（2013年和2014年）的耳石形態介于這二者之間。這與胡貫宇［8］利用外部輪廓分析法得出的結果一致。耳石能夠調節頭足類淋巴液流動，感知游泳加速度，頭足類活動能力強時，對耳石感知加速度的需求降低，因此耳石生長可能較慢；反之，當其活動能力弱時，對耳石感知加速度的需求升高，導致耳石生長加快［39］。海水溫度升高除了會影響頭足類食物豐度，還會影響大洋性頭足類的游泳能力和垂直分布：厄爾尼諾事件的發生導致水溫異常變化，可能會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的行為；而拉尼娜事件發生期則相反［32，37，40－41］。有研究表明，耳石形態可能與頭足類所處水層深度有關，底層種類具有較大的耳石、短且寬的吻區以及較窄的翼區；上層種類具有較小的耳石、長且窄的吻區以及較寬的翼區［14，42］。陸化杰等［17］通過對比不同種類的頭足類耳石各區的大小情況，發現柔魚類耳石形態特征與其棲息水深有密切關聯，也驗證了這一觀點。因此，ENSO事件所引起的環境變化可能會從攝食生態和游泳能力等方面限制莖柔魚的攝食和空間分布，進而導致莖柔魚的耳石形態產生差異。

本研究初步分析了ENSO事件可能對莖柔魚耳石形態造成的影響，為后續利用耳石進行莖柔魚種群鑒定、生活史研究提供了科學依據，也為研究氣候變化對頭足類硬組織生長的影響提供了參考。在將來的研究中，擬建立海洋環境因子對耳石形態參數影響的效應模型，進而分析影響因子的主次性，以期為莖柔魚的生態學研究提供更多的數據支持。