基于耳石微化學(xué)的烏蘇里白鮭生境履歷分析

王繼隆 劉 偉 王 臣 李培倫 唐富江 姜 濤 楊 健

(1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所, 哈爾濱 150070; 2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心, 長江中下游漁業(yè)生態(tài)環(huán)境評價與資源養(yǎng)護重點實驗室, 無錫 214081)

烏蘇里白鮭(Coregonus ussuriensisBerg)屬鮭形目, 鮭科, 白鮭屬, 為北極淡水魚類區(qū)系復(fù)合體魚類, 主要分布于黑龍江流域及俄羅斯西伯利亞、薩哈林等水域, 是典型的冷水性魚類。近年來由于棲息地破壞、過度捕撈等因素造成烏蘇里白鮭資源衰退, 已被列入《中國瀕危動物紅皮書(魚類)》目錄[1—3]。目前國內(nèi)對烏蘇里白鮭的研究較少, 僅在其資源調(diào)查、基礎(chǔ)生物學(xué)、生化特點及遺傳多樣性方面開展一些研究[4—6]。對烏蘇里白鮭的生活史、生境履歷等方面尚未開展系統(tǒng)研究, 尤其對其生活史特征還不甚了解。根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者研究可知, 烏蘇里白鮭夏季分布于冷水性河流、河口區(qū)等區(qū)域[7], 但是無法對生活史特征詳細(xì)解釋。我國境內(nèi)黑龍江流域烏蘇里白鮭具有典型的季節(jié)性分布特征, 每年冬季、春季在黑龍江干流以及烏蘇里江、松花江等較大支流可見其種群分布, 春季、夏季逐漸消失, 季節(jié)性的洄游特征明顯?；谘芯繀^(qū)域的限制, 無法全面調(diào)查烏蘇里白鮭的種群分布特征, 對其生活史特征并不清楚。耳石元素的微化學(xué)分析(如元素鍶、鈣的分析)在研究魚類生活史履歷中應(yīng)用廣泛[8—11]。本研究將采用X射線電子探針微區(qū)分析技術(shù)(EPMA), 通過研究耳石微化學(xué)特征來判斷烏蘇里白鮭的洄游生態(tài)類型, 并反演其關(guān)鍵生境履歷。這將有助于了解烏蘇里白鮭的生活史特征, 填補該項研究的空白。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究于2013年12月和2014年1月共采集4尾烏蘇里白鮭樣本, 樣本采捕于黑龍江干流綏濱、同江街津口段、松花江干流湯原段(圖 1)。采捕網(wǎng)具為冰下定置刺網(wǎng), 網(wǎng)目大小為10 cm。樣品帶回實驗室測量、解剖, 取出矢耳石, 經(jīng)去離子水清洗后,室溫干燥后待用。

1.2 耳石微化學(xué)方法

元素微化學(xué)分析統(tǒng)一選用左矢耳石為實驗材料, 使用環(huán)氧樹脂將耳石樣品包埋、固定, 用耳石切割機、磨拋機將耳石切割、打磨, 精磨至耳石核心區(qū)域, 采用有機織布拋光盤拋光, 使耳石核心完全暴露且表面無明顯劃痕。將處理后的耳石樹脂塊放入MQ水中超聲清洗5min, 室溫晾干24h。完全晾干后將樣品置于真空鍍膜機(JEE-420, 日本電子株式會社)中蒸鍍碳膜(36A, 25S)。

線定量分析: 標(biāo)準(zhǔn)樣品使用碳酸鈣CaCO3和鈦酸鍶SrTiO3; 機器條件為加速電壓15 kV, 電子束電流2.0×10-8A, 每點駐留時間為15S。此外分析束斑直徑和間距分別為5和10 μm。

面分布分析: 機器條件為加速電壓15 kV, 電子束電流5.0×10-7A, 每點駐留時間為30mS; 束斑直徑5 μm, 像素7 μm×7 μm。

表 1 烏蘇里白鮭樣本信息Tab. 1 Samples information of Coregonus ussuriensis

圖 1 樣品采集點Fig. 1 Sampling sites

1.3 淡水系數(shù)FC(Freshwater coefficient)

根據(jù)Jiang等[12]的公式,FC=Lf/LT

式中Lf為自耳石核心沿最長半徑方向至對應(yīng)淡水生境(低Sr/Ca)區(qū)域結(jié)束時的徑長,LT為定量線分析時從耳石核心至邊緣的耳石徑長。該系數(shù)反映了洄游性魚類早期生活在淡水環(huán)境中的時間占整個生活史時間的比例, 也體現(xiàn)了洄游性魚類對淡水生境的依存程度。

2 結(jié)果

2.1 烏蘇里白鮭耳石Sr/Ca值的定量線分析

烏蘇里白鮭樣本共4尾(表 1), 叉長為28.3—38.4 cm, 體重為288.3—717.5 g, 通過耳石年輪鑒定年齡為2—4齡。

定量線分析結(jié)果表明(圖 2), 烏蘇里白鮭耳石Sr/Ca值波動較為復(fù)雜, Sr/Ca值波動范圍為0.62—18.81,耳石核心附近的Sr/Ca值較低, 樣本CU01、CU02、CU03和CU04第一階段的Sr/Ca值分別為4.91、2.00、4.97和4.27, 隨后數(shù)值呈現(xiàn)有規(guī)律的波動。最后一階段Sr/Ca值分別為7.74、6.19、7.09和8.34。

由表 2可見, 烏蘇里白鮭個體耳石樣品的Sr/Ca比值的變化規(guī)律較為相似, 但個體間存在一定的差異。樣本CU01年齡為2齡, 耳石自核心至邊緣Sr/Ca比值顯著變化分為5個階段, 第一階段是從核心至距核心550 μm處, 共56個測點, Sr/Ca比值為4.91±0.82; 第二階段是550—920 μm處, 共37個測點, Sr/Ca比值為10.95±1.42; 第三階段是920—1010 μm,共9個測點, Sr/Ca比值為8.31±1.11; 第四階段是1010—1440 μm處, 共43個測點, Sr/Ca比值為11.74±1.24; 第五階段是1440—1780 μm (耳石的最邊緣處)處, Sr/Ca比值為7.74±1.22。樣本CU02、CU03和CU04的年齡為3齡、4齡和4齡, 耳石自核心至邊緣Sr/Ca比值顯著變化分別分為5、9和9個階段, 每一階段Sr/Ca值均高低值交替分布, 數(shù)值的變化規(guī)律基本一致。

2.2 烏蘇里白鮭耳石Sr含量的面分布

耳石Sr含量的面分析更能直觀的展示魚類個體的生境特征。面分析結(jié)果顯示, 4個烏蘇里白鮭樣本的個體類型較為相似, 整個耳石剖面均包含3種顏色: 藍、黃、紅, 這3種顏色分別代表鍶含量濃度值依次遞增。耳石中心區(qū)域均呈現(xiàn)藍色, 自核心區(qū)域向外擴展呈現(xiàn)黃色、紅色及淡藍色區(qū)域等交替出現(xiàn)。4個樣本的耳石核心區(qū)域均為Sr低值區(qū)(圖中藍色區(qū)域)且低值區(qū)范圍差別不大。幾個樣本中耳石黃色、紅色和少量的藍色區(qū)域交替出現(xiàn), 耳石最外部均呈現(xiàn)黃色條帶。各顏色區(qū)域面積因個體不同而存在差異?？梢? 耳石鍶元素面分析的分布規(guī)律和線分析中耳石Sr/Ca值的結(jié)果一致。

3 討論

3.1 烏蘇里白鮭的生境“履歷”

目前關(guān)于烏蘇里白鮭生活史方面的研究幾乎空白, 僅在《黑龍江流域魚類》中有對烏蘇里白鮭分布有較為詳細(xì)的描述: 烏蘇里白鮭夏季分布于冷水支流或黑龍江河道中, 在黑龍江河口也有分布,也進入咸水水域, 并且夏季在黑龍江下游及河口有較多烏蘇里白鮭幼魚分布, 冬季在黑龍江河道和大支流中過冬, 但是對此現(xiàn)象無法給出合理的解釋[7]。因研究區(qū)域限制, 國內(nèi)未對烏蘇里白鮭生活史方面進行相關(guān)研究。

圖 2 烏蘇里白鮭耳石矢狀面從核心(0)到邊緣定量線分析記錄到的Sr/Ca值變化Fig. 2 Fluctuations of otoliths Sr/Ca concentration ratios along line transects from the core (0) to the edge in otoliths of Coregonus ussuriensis

魚類耳石一生中都在持續(xù)生長, 體內(nèi)吸收的元素沉浸在耳石中而不會被分解, 其中微量元素來自周圍水體環(huán)境中而不是自身生理變化, 這種特性表明耳石能夠反演魚類生活史環(huán)境的特征信息[13,14]。耳石鍶元素濃度與淡水河流、河口區(qū)、海水三種水體中的鹽度成正相關(guān)關(guān)系[15-18]。因此, 耳石鍶元素濃度能夠反演其棲息環(huán)境的水體鹽度[19-22]。魚類的生態(tài)類型多種多樣, 同種類魚類中也存在洄游與不洄游的類群, 如鰻鱺、鳳鱭、刀鱭、短頜鱭等[19,21,23-26]。研究魚類的洄游特性時, 不能按魚類種類一概而論, 需要確切的科學(xué)依據(jù), 耳石鍶鈣比值分析就是一種科學(xué)有效的方法。

魚類耳石鍶鈣比值高低反映了其棲息水環(huán)境的鹽度水平, 例如在淡水環(huán)境生活階段的刀鱭其耳石Sr/Ca比值小于3, 在半咸水水域中為3—7, 在外海水域則大于7[23]。4個烏蘇里白鮭樣品耳石Sr/Ca比值在核心區(qū)均小于5(2—4.97), 耳石面分析結(jié)果(圖 3)顯示核心區(qū)呈現(xiàn)藍色, 說明其均在淡水環(huán)境中孵化。這4個樣本均在淡水河流中捕獲, 在最后生活階段(耳石最邊緣區(qū)域)的Sr/Ca值在6.19—8.34, 該區(qū)域Sr/Ca值比核心區(qū)高。這種現(xiàn)象一方面是由于鍶離子在耳石中的沉積具有“時滯效應(yīng)”[27,28],烏蘇里白鮭從咸水水域洄游至淡水河流中由于體內(nèi)新陳代謝等生理反應(yīng)導(dǎo)致其元素在耳石上的沉積具有一定的滯后性。另一方面魚類不同生長階段鍶元素在耳石上沉積的具有一定的差異性, 耳石鍶元素的沉積除受水體鹽度的影響外, 還受到生長、年齡、食物和環(huán)境壓力的影響[21]。

根據(jù)分析結(jié)果CU01和CU03個體在淡水中孵化并生活一段時間后, 即進入河口半咸水水域和海洋咸水水域(Sr/Ca值分別處于8.42—13.73和8.01—11.18, 圖 3黃色至紅色區(qū)域)。隨后在淡水和咸水之間有規(guī)律的往返(圖 3黃色區(qū)域和紅色區(qū)域交替出現(xiàn)), 最后一階段由河口或海洋洄游至淡水河流(圖 3邊緣處為藍至黃色)。CU01和CU03 Sr/Ca值峰值達到18.81和13.57, 反映了其具有在咸水水域生活的履歷?？梢奀U01和CU03個體具有溯河洄游特征, Sr/Ca值波動反映了其在不同生長階段的環(huán)境鹽度變化。CU02和CU04個體Sr/Ca值和鍶濃度分布色彩圖(圖 3)也存在一定的規(guī)律性,但不如CU01和CU03個體顯著。耳石核心區(qū)的Sr/Ca值小于5, 說明在淡水中孵化, 第二階段中Sr/Ca值有所上升(分別為3.17—5.60和3.66—6.38),但不如CU01和CU03個體增加顯著。這可能有2方面的原因: (1)該個體進入河口水域(鹽度較低);(2)由于季節(jié)變化引起魚類生長、攝食等差異, 導(dǎo)致鍶元素的沉積受到影響以及Sr/Ca值的波動。在第三階段Sr/Ca值有所下降, 說明其進入淡水中生活,第四階段Sr/Ca值上升(CU02最大達到9.3, CU04最大達11.4), 而后Sr/Ca值呈現(xiàn)波動變化?？梢奀U02和CU04個體第四階段進入了半咸水區(qū)或者短暫進入咸水區(qū), 之后在淡水和咸水水域內(nèi)交替往返。本研究首次確證了烏蘇里白鮭溯河洄游群體的存在, 但是個體之間在淡水、咸水中停留的時間長短具有差異。

表 2 烏蘇里白鮭耳石中鍶和鈣的微化學(xué)變化Tab. 2 Fluctuation of Sr and Ca microchemistry in otoliths of Coregonus ussuriensis

3.2 烏蘇里白鮭的生活史模式

采用鱗片和耳石鑒定了4個烏蘇里白鮭樣本的年齡(圖 4), 通過耳石輪紋及Sr元素的面分布圖對比分析可知, 烏蘇里白鮭的年輪特征和Sr/Ca值的周期性變化密切相關(guān)。以CU04個體為例, 該個體的年齡為4齡, 耳石輪紋中有4個暗帶與四個亮帶(圖 4)。對比圖 3可見, 耳石暗帶與Sr/Ca值的高值區(qū)相吻合, 明帶與Sr/Ca值的低值區(qū)相吻合, 其他3個個體情況也是如此。一般來說夏、秋季耳石生長快, 對應(yīng)暗色環(huán)帶, 冬、春季生長緩慢則對應(yīng)亮色環(huán)帶。這表明烏蘇里白鮭夏、秋季Sr/Ca值較高,其分布于河口或者咸水水域; 冬、春季Sr/Ca值較低, 分布于淡水水域。這較好解釋了夏、秋季在黑龍江水域基本看不到烏蘇里白鮭, 冬、春季出現(xiàn)在黑龍江流域的原因。因此, 可以推斷烏蘇里白鮭夏季洄游至下游淡水、河口、海洋區(qū)域, 秋、冬季則上溯返回黑龍江水域。

據(jù)調(diào)查烏蘇里白鮭屬于多次產(chǎn)卵魚類, 性成熟年齡在4齡[7], 繁殖期間并不停食。CU03和CU04個體已經(jīng)發(fā)育成熟并已成功繁殖, 這也確證了烏蘇里白鮭在淡水中繁殖, 據(jù)調(diào)查成熟個體生殖洄游的同時也伴隨索餌和越冬洄游。CU01和CU02個體未發(fā)育成熟, 也表現(xiàn)出季節(jié)性溯河洄游的特點, 未成熟個體主要是越冬洄游和索餌洄游。

圖 3 烏蘇里白鮭耳石鍶含量的面分析Fig. 3 Otolith Sr content of Coregonus ussuriensis with X-ray intensity mapping analysis

圖 4 烏蘇里白鮭耳石年輪特征Fig. 4 Features of otolith annual ring for Coregonus ussuriensis

淡水指數(shù)反應(yīng)魚類對淡水環(huán)境的依賴程度[12,29],本研究中烏蘇里白鮭4個樣本的淡水指數(shù)并不相同(0.12—0.40)。烏蘇里白鮭產(chǎn)沉黏性卵, 幼魚孵出后便順流而下進入下游水域, 當(dāng)年進入河口和咸水水域。淡水指數(shù)的不同反應(yīng)出了烏蘇里白鮭產(chǎn)卵場位置、環(huán)境的差異以及烏蘇里白鮭個體間生活史的差異。

本研究中4個烏蘇里白鮭樣本間的生活史特征存在一定的差異, 但烏蘇里白鮭耳石Sr/Ca值的年度變化規(guī)律基本一致。烏蘇里白鮭在淡水中繁殖、孵化, 部分群體在淡水中生活一段時間后當(dāng)年夏季進入咸水區(qū), 秋、冬季返回淡水河流, 表現(xiàn)出周期性的季節(jié)洄游。另一部分群體也具有季節(jié)洄游特征, 在河口或海洋停留時間較短或者有時不進入咸水區(qū)。本研究表明4個烏蘇里白鮭樣本都具有咸水水域生活的履歷。本研究依據(jù)以往學(xué)者的研究結(jié)果將耳石鍶鈣比值區(qū)域進行了初步劃分[30], 尚不能精確計算烏蘇里白鮭耳石在不同水域環(huán)境中的鍶鈣比值。據(jù)調(diào)查夏季在黑龍江流域的冷水性河流中(如湯旺河)發(fā)現(xiàn)烏蘇里白鮭群體, 該群體的生活史可能會有新的特征。目前由于樣本的限制,無法更加全面、詳盡的研究揭示烏蘇里白鮭的生態(tài)類型及生活史特征, 今后還需增加樣本做進一步研究。