黃海中部近岸產卵場小黃魚卵子的自然死亡特征?

曲寧新,葉振江??,張文超,王藝翰,張藝笑,蔣慧東,張新貴,盧志光

(1. 中國海洋大學水產學院,山東 青島 266003; 2. 日照山海天旅游度假區海洋發展局,山東 日照 276827)

海洋魚類作為人類食品供給的重要資源,其早期生活史階段對環境變化較為敏感,卵與仔魚存活情況可造成補充量顯著的年際波動,是影響資源變動的關鍵因素[1-3]。魚類早期補充失敗或不足會影響種群親體數量,種群在卵、仔魚、稚魚等不同早期發育階段數量的過度衰減甚至缺失都會導致成魚數量減少,漁獲產量降低,這就需要其在后續成魚階段用更高的成活率進行補償,以維持種群年齡和長度組成結構的平衡[4-5]。魚類自然死亡可代表魚種在外界干擾下種群數量的變化,魚卵、仔稚魚、幼魚死亡率的變動對種群數量的影響程度遠高于成魚階段[6]。量化分析災難性事件發生后魚類早期生命階段死亡對種群生物量和漁獲量變動的影響,估計影響的持續時間,亦是衡量種群恢復力的重要基礎[7]。影響種群數量變動的機制相當復雜,確定這些機制如何受到氣候和捕撈的影響一直是支持可持續漁業管理的主要研究目標,也是基于生態系統的漁業管理的關鍵組成部分,這尤其適用于探究物理環境對早期生活史階段存活、死亡以及輸運過程的影響,以及仔稚魚與其食物來源是否匹配[8]。因此,評估和預測魚類早期生活史階段死亡,評估經濟魚類種群補充即將進入漁業的情況,這對漁業管理來說至關重要。

國內外對海洋魚類早期發育階段的自然死亡已有了一些研究報道。Iseki等在東海將調查樣品中發育異常和物理損傷的鳀魚(Engraulisjaponicus)魚卵定性為死亡,并根據不同水層魚卵死亡的比例,探索了魚卵死亡后沉降的特征[9];萬瑞景等利用發育畸形的卵子數量占總樣品數量的比例研究了黃渤海鳀魚卵子的自然死亡特征[10];Kim等假設魚卵階段和卵黃囊期仔魚階段的死亡率相似,基于每日產卵量和魚卵數據構建了朝鮮半島海域鳀魚卵死亡率曲線,計算得到魚卵春季死亡率為0.33～1.23 d-1,夏季死亡率為0.78～1.69 d-1[11];李日嵩等利用物理-生物耦合輸運模型探索了卵仔魚輸運過程對東海日本鯖(Scomberjaponicus)個體存活的影響[12]。對于魚卵死亡的影響機制,研究認為內源性遺傳因素(如卵黃囊質量、油球質量和卵子大小)對卵子死亡存在顯著的影響[13],同時環境因素和捕食則是最重要的2個外源性原因[14-17]。目前國內關于魚類早期發育階段個體死亡的研究主要基于室內受控試驗下觀察等溫度、鹽度、酸堿度、污染物等因子對魚卵和仔魚的發育、生長和存活的影響[18-20],但對近海天然產卵生境經濟魚類的魚卵死亡特性、變動機制及對資源動態的影響機理尚不清晰,漁業保護與管理缺乏科學基礎。

小黃魚(Larimichthyspolyactis)是石首魚科近海暖溫性底層重要經濟魚類,廣泛分布于中國東海、黃海和渤海以及朝鮮半島西岸海域,近年在中國年漁獲量可高達28萬t[21],在中國海洋漁業中占有重要的經濟地位。黃海中部近岸水域是影響黃海漁業資源的重要產卵場,對黃海魚類種群的補充作用非常重要[22]。本文利用2013—2018年春季在黃海中部近海開展魚類浮游生物綜合調查獲得的數據,基于馬爾科夫鏈構建魚類卵子死亡評估模型[23],分析黃海小黃魚卵子自然死亡情況,旨在探索小黃魚卵子自然死亡的特征及變動機制,深入了解環境因素對小黃魚早期補充過程的影響,為小黃魚資源動態研究提供科學依據,為中國海洋漁業資源的科學管理與利用提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源

研究數據來自在黃海中部近岸海域進行的魚類浮游生物調查,調查時間為2013年5—6月、2015年5月、2017年4—6月和2018年5—6月,共計11個航次。為保持分析空間范圍一致,提高數據統計分析的可靠性,根據調查區域與小黃魚魚卵分布特征,將研究區域限定于34.4°N—35.6°N、119°E—121°E,水深20 m以淺區域,研究海域及站位分布詳見表1、圖1。海上調查系租用漁船進行,其中2013年為37.28～134.23 kW漁船,2015和2017年為193.88 kW漁船,2018年為298.28 kW馬力漁船。利用水平拖網方式采集魚卵,2013年采用淺水Ⅰ型網(網口直徑0.5 m,網目0.505 mm),后續年份使用大型浮游生物網(網口直徑0.8 m,網目0.505 mm),每站位水平拖網10 min,拖網船速2～3 kn,網口皆附流量計(型號:Hydrobios 438110)以觀測濾水量,對魚卵數量進行標準化(單位:ind./100 m3)。樣品采集后立即保存在5%的甲醛/海水緩沖溶液中,調查結束后運回到實驗室,基于形態學方法進行魚卵種類和發育分期鑒定[15]。溫度、鹽度、水深等產卵場環境數據來自各站位調查時同步進行的CTD環境觀測。分期鑒定標準采用Bunn等[15]的方法,將硬骨魚類胚胎發育分成6個時期(見圖2):①Ⅰa期:從魚卵受精開始,經由連續分裂產生一個細胞團;②Ⅰb期:胚盤持續發育,形成一個環狀(類似戒指),直到首個原腸胚出現的跡象為止;③Ⅱ期:從原腸胚出現開始至胚孔關閉,最終胚體長至繞卵黃囊半周;④Ⅲ期:尾芽生長超出卵黃囊,結束時胚體圍卵黃囊3/4周,該時期眼開始發育,胚體出現可見色素斑;⑤Ⅳ期:尾巴持續生長直至胚體包住整個卵黃囊,胚體首尾相連;⑥Ⅴ期:尾部繼續生長而超過頭部,眼上開始出現色素,胚胎孵化。

(a—c: 2013年5—6月; d: 2015年5月; e: 2017年4月、2018年5月; f: 2017年5月上旬; g: 2017年5月下旬; h: 2017年6月、2018年6月。 a—c: May—June,2013; d: May,2015; e: April,2017 and May,2018; f: Early May,2017; g: Late May,2017; h: June,2017 and June,2018.)圖1 調查航次與站位分布Fig.1 Survey cruises and stations distribution

圖2 魚類Ⅰa期至Ⅴ期胚胎發育示意圖 [15]Fig.2 Schematic diagram of fish embryonic development from stages Ⅰa to Ⅴ[15]

表1 調查航次、日期、站位與樣品組成Table 1 Survey cruise,date,stations and samples composition

1.2 數據處理與分析

1.2.1 聚合站位 依據海洋魚類卵子分期數目比例估算死亡參數時,由于魚類產卵位置、時刻及卵子輸運過程的復雜性,在任何一個單獨的調查站位,采集的卵子樣品可能來自于不同的產卵時間、空間位置或產卵批次,普遍會存在某個魚種魚卵數目為零或某一發育時期數量大于前一時期的問題,難以對單獨站位的卵子死亡進行估算。為此,國際上相關卵子死亡的研究一般是采用聚合站位的方法進行數據分析[23-25]。參照此方法,本研究中我們以每個航次調查區域為一個分析單元,將限定研究區域內所有站位獲得的分期卵子數據整合在一起,解決單獨站位卵子發育階段數量組成不規則的問題,基于馬爾科夫鏈原理對每個調查航次的小黃魚卵子死亡進行評估[23]。

1.2.2 胚胎發育模型 不同溫度下卵子發育的速率是解析魚卵自然死亡的基礎生物學參數。Fox C. J.等人提出魚卵發育時間與發育溫度符合雙參數模型[26]:

E=α+β×lnT。

(1)

式中:E為魚卵發育時間(單位:d/℃);T為魚卵孵化時的平均水溫(單位:℃);α和β為模型參數。利用該模型及已有報道的小黃魚卵子發育數據可建立小黃魚胚胎發育模型,用于卵子自然死亡的評估[27-29]。

1.2.3 魚卵自然死亡評估模型 參考Portilla等人的方法,將魚卵孵化過程視作馬爾科夫鏈,認為魚卵由一個時期發育至下一個時期或在該時期死亡這兩個事件符合競爭性的泊松分布,構建相關評估公式模型[23]。

模型中,魚卵發育至下一時期發生死亡的概率用公式表示為

(2)

式中:mk為小黃魚魚卵在第k發育階段發生死亡的概率;πk為魚卵屬于第k發育階段的概率,可利用魚卵各發育階段的數量比例計算;λk為單位時間內魚卵成功發育至下一階段的事件發生次數,通過下式估計:

(3)

式中:tk為魚卵在第k階段成功發育至下一階段的時間,系通過現場觀測水溫和胚胎發育模型的數據獲得。

同時,使用zk代表卵子在第k階段的瞬時死亡率,即魚卵在第k階段數量發生指數衰減的速率;tk為魚卵在發育階段的平均時間;可用下式估算zk:

(4)

由于小黃魚初始總產卵量未知,無法評估Ⅰ期卵子的自然死亡情況,本文假設小黃魚Ⅰ期與Ⅱ期自然死亡率相同[23],僅對Ⅱ期至Ⅴ期卵子自然死亡率進行評估。

1.2.4 統計分析 使用 SPSS 18.0 統計軟件進行數據的統計分析。采用斯皮爾曼秩相關系數(Spearman’s rank correlation)分析魚卵自然死亡情況與環境因子之間的關系。小黃魚卵子為浮性卵,卵子發育受海洋表層環境影響較大,因此選擇水深(Depth)、海水表層溫度(Sea surface temperature,SST)、海水表層鹽度(Sea surface salinity,SSS)、離岸距離(Offshore distance)和魚卵豐度(Fish egg abundance)分析環境對魚卵自然死亡的影響。分析所用環境數據為各航次的各個站位現場觀測數據的算術平均值,死亡概率、瞬時死亡率為各航次小黃魚整體魚卵數據的評估結果。為保障數據分析的可靠性,在進行調查的11個航次中,本文僅使用小黃魚卵子樣品數量在29粒以上的2013年3個航次,及2015年5月、2017年5月和2018年5月共6個航次的數據用于卵子自然死亡分析。同時,考慮到樣品中Ⅳ、Ⅴ期階段的小黃魚卵子數量相對較少,本文以Ⅱ期魚卵數據分析環境因子對卵子自然死亡的影響。

2 結果

2.1 小黃魚胚胎發育模型

利用FOX C.J.提出的胚胎發育公式,結合文獻[26]中的小黃魚卵子發育數據,建立了小黃魚胚胎發育模型(見圖3)。小黃魚卵子發育各時期的胚胎發育公式如下:

圖3 小黃魚魚卵各階段發育時間與溫度關系Fig.3 Relationship between the duration of the egg stage and developmental temperature for the small yellow croaker

(5)

式中:y為魚卵發育時間(單位:d),x為魚卵孵化時的平均水溫(單位:℃)。

在卵子的各個發育階段,隨發育溫度提高,小黃魚卵子發育時間縮短。

2.2 小黃魚卵子不同發育階段的自然死亡

利用6個航次的調查數據分析表明,小黃魚Ⅱ期卵子死亡概率在0.80～0.98范圍變化,平均0.87;Ⅲ期卵子死亡概率0.05～0.81,平均0.46;Ⅳ期卵子死亡概率0.62～0.78,平均0.68,具體見圖4。

圖4 小黃魚卵子各發育階段的死亡概率Fig.4 Interstage mortality probability of small yellow croaker eggs at various developmental stages

小黃魚Ⅱ期卵子瞬時死亡率在16.43～364.24 d-1范圍變化,平均93.50 d-1,其中部分航次死亡概率超過0.90,導致所求瞬時死亡率較高超過100 d-1;Ⅲ期卵子瞬時死亡率0.09～16.94 d-1,平均5.66 d-1;Ⅳ期卵子瞬時死亡率3.18～7.31 d-1,平均4.83 d-1,詳見圖5。調查中未發現Ⅴ期卵子,該階段卵子自然死亡情況未進行評估。

圖5 小黃魚卵子各發育階段的瞬時死亡率Fig.5 Interstage instantaneous mortality rate of small yellow croaker eggs at various developmental stages

2.3 環境因子對卵子自然死亡的影響

各航次小黃魚Ⅱ期卵子自然死亡情況及對應的環境特征見表2、圖6、圖7。由表2可見卵子自然死亡率2017—2018年5月下旬較2013—2015年顯著上升。斯皮爾曼相關性分析表明,海表溫度、海表鹽度、離岸距離、水深、卵子密度5個因子與小黃魚卵子Ⅱ期死亡概率(m2)與瞬時死亡率(Z2)皆未呈顯著相關關系(P>0.05)。

圖6 小黃魚Ⅱ期卵子死亡概率及棲息地環境Fig.6 Mortality probability and habitat environmental characteristics of stage Ⅱ eggs of small yellow croaker

圖7 小黃魚Ⅱ期卵子瞬時死亡率及棲息地環境Fig.7 Instantaneous mortality rate and habitat environmental characteristics of stageⅡeggs of small yellow croaker

表2 小黃魚Ⅱ期卵子自然死亡及棲息地環境特征Table 2 Natural mortality of stageⅡeggs and habitat environmental characteristics of small yellow croake

3 討論

3.1 小黃魚魚卵自然死亡特征

本文結果表明,小黃魚卵子發育過程中發育早期階段的自然死亡率要高于晚期,其中Ⅱ期階段死亡率最高。小黃魚卵子早期高死亡率的原因可能是魚類卵子早期更脆弱、更容易受到外界環境影響[17]。這種現象在其他研究中亦有發現,如Rogers曾發現黑線鱈的魚卵最高死亡率出現在Ⅱ期[30],Buslov和Smirnov報道黃線狹鱈卵最高死亡率出現在Ⅰ期和Ⅲ期[31]。小黃魚Ⅳ期卵子死亡概率較Ⅲ期顯著上升,同時調查中未采集到Ⅴ期小黃魚卵子,代表Ⅴ期階段可能有偏高的自然死亡率。這種Ⅳ—Ⅴ期卵子自然死亡率的上升與一些魚種的研究結果類似,可能與卵子發育后期胚體可視性增強,受到捕食的機率增大有關[32]。

本文結果中,小黃魚Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ期卵子的瞬時死亡率平均值為93.50、5.66和4.83 d-1。研究表明,東北大西洋的大西洋鯖(Scomberscombrus)和竹莢魚(Trachurustrachurus)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期卵子瞬時死亡率平均值都小于1 d-1[23]。小黃魚卵子自然死亡系數較上述2種魚類偏高,其更深層的遺傳和環境影響機制尚需進一步探索[23]。目前小黃魚人工繁育已經成功,針對小黃魚卵子發育過程中發育早期階段的自然死亡過程,可采集不同發育階段的受精卵,結合室內實驗進行進一步的驗證。

3.2 環境對魚卵自然死亡的影響

影響海洋魚類卵子自然死亡的因素相當復雜,涉及內源性與外源性兩個方面。魚卵大小與卵內脂肪含量成正比,卵子脂肪含量高有助于抵御更惡劣的環境;親魚的基因也可能影響卵子質量[33-35]。影響卵子自然死亡的外源性因素包括環境、捕食、寄生蟲、海洋污染等[36],其中環境和捕食是最重要的2個因素[14-16]。一般認為,環境溫度是影響海洋魚卵死亡的重要環境因子。關于阿根廷無須鱈(Merlucciushubbsi)和日本鯖(Scomberomorusniphonius)的研究表明,魚卵可以通過代謝保持卵內溫度以適應外界環境,在適宜的溫度范圍內,溫度升高能加快魚卵發育速度,可以使個體快速通過比較脆弱的魚卵階段,降低個體被捕食造成的死亡概率[37-39]。基于實驗結果對大西洋鱈魚卵子死亡的研究表明,溫度可通過影響胚胎發育時間、卵子大小影響卵子死亡,當溫度過低或過高超出卵子適宜孵化溫度范圍時,魚卵會出現胚胎畸形和死亡情況[40]。海水鹽度是影響海洋魚類卵子死亡的另一環境因素。對大西洋鱈魚卵子死亡的研究表明,在低鹽環境下,魚卵發育前期階段死亡率較高,但胚胎發育到原腸期魚卵的死亡率較低[41]。亦有研究表明,魚卵輸運過程受到洋流產生的機械壓力、氧氣交換等因素的影響,可導致魚卵死亡率上升[42-44]。海洋污染是影響魚卵生存的另一潛在因素。石油污染物進入魚卵內部后會與脂溶性物質結合并引起遺傳物質改變造成畸形等疾病,魚卵被卷入石油污染區時可互相粘連、卵膜空隙堵塞最終窒息死亡[45];重金屬污染物能通過卵膜的間隙進入內部,引起魚卵胚胎發育停滯、畸形甚至是魚卵死亡,或造成孵出的仔魚活力下降、行為遲緩[46];近岸水體富營養化可促進浮游植物的大量繁殖,消耗氧氣遠超過補充,形成低氧環境,且大量藻類遮蔽光線、影響浮游生物運動,部分有毒物質會對生物產生嚴重危害,亦可能給產卵場魚類卵子生存帶來威脅[47-49]。

本文研究表明,海表溫度、海表鹽度、離岸距離、水深、卵子密度5個因子與小黃魚卵子Ⅱ期死亡均未呈現顯著影響。筆者認為這并不代表海域環境對小黃魚卵子自然死亡沒有影響。由于魚卵死亡研究的特殊性,單個站位不同發育時期卵子的數量衰減往往都是不正常的[23],這客觀上造成必須以整個航次某種魚類的全部樣品數據評估卵子自然死亡,這樣一是產卵場內部不同空間的環境差異及對卵子自然死亡的潛在影響有可能被同化,二是用于評估的原始數據量受限,一些常規的環境影響評估手段,如廣義加性模型分析等,都需要30個航次以上的調查數據才可以實施。中國海洋魚類早期生活史研究起步較晚,數據積累和研究體系尚不完整。除了室內生態實驗手段外[18,40-42],針對天然產卵水域卵子自然死亡的調查與研究尚需不斷地積累和探索,以闡明溫度、鹽度、生物、幼體早期輸運等對卵子自然死亡的影響。

3.3 海洋魚類卵子自然死亡評估方法

基于Portilla等提出的馬爾科夫鏈模型估算自然海域魚卵自然死亡并廣泛應用于魚類產卵量計算、種群豐度評估等[50-51]。如前所述,由于同一站位采集的卵子來源非常復雜,受到產卵時間、空間、產卵親魚等綜合因素的影響,基于個別站位的調查數據難以開展卵子死亡的估算,因此一般采用聚合站位的方法進行處理[23-24],這客觀上使得可用于分析的數據單元總量偏小。在數據量受限條件下,一些量化的研究手段如GAM模型分析、混合效應模型分析等統計手段無法應用。在調查與研究過程中探索經濟魚類產卵發生的時刻、水層及擴散過程,摸索和開發一套基于魚類產卵策略及幼體擴散水動力學模型的魚卵自然死亡外業調查方案,擺脫聚合站位方法的局限,提高產卵場魚卵自然死亡的評估效果,這可能是本領域未來研究的一個方向。