基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的東南太平洋公海莖柔魚攝食生態(tài)分析

操亮亮，劉必林,2,3,4,5*，李建華

(1.上海海洋大學 海洋科學學院,上海 201306;2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點實驗室,上海 201306;3.國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 201306;4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點實驗室,上海 201306;5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)資源環(huán)境科學觀測實驗站,上海 201306)

莖柔魚Dosidicusgigas廣泛分布于東太平洋30°N～40°S海域，棲息在海表至1 200米水層[1]。它是世界上最大的頭足類漁業(yè)資源，據(jù)FAO報告顯示，2018年其產(chǎn)量達到89.2萬t[2]。莖柔魚位于海洋生態(tài)系統(tǒng)中層，具有承上啟下的作用，它既是大型魚類、哺乳動物、海鳥等的捕食對象，同時自身又捕食甲殼類、魚類、頭足類等[3-4]。與此同時，作為兇猛貪婪的機會主義者，莖柔魚對餌料沒有很高的選擇性，且殘食現(xiàn)象嚴重[5]。

目前，柔魚類攝食生態(tài)研究方法主要有胃含物和穩(wěn)定同位素分析法，其中胃含物分析法只能對尚未消化或者難以消化的生物個體進行鑒定，因此，往往低估了攝食營養(yǎng)水平，此外，該分析法只能分析近期的攝食狀況，而不能反映長期的攝食信息[6]。穩(wěn)定同位素分析法是近年來興起的新技術(shù)，其在海洋生態(tài)系統(tǒng)研究中已得到了廣泛應用[7-9]。生物組織中的碳、氮穩(wěn)定同位素(δ13C、δ15N)不僅能反映捕食者的食物組成，而且能揭示其一段時間內(nèi)的攝食偏好[10]。δ13C在整個食物網(wǎng)中變動不大，主要用來指示初級消費者的食物來源[11]。δ15N在海洋生物中主要指示生物的營養(yǎng)水平，較高營養(yǎng)水平生物擁有較高的δ15N[12]。為此，本研究中利用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)分析東南太平洋厄瓜多爾和秘魯公海莖柔魚的攝食生態(tài)及其營養(yǎng)生態(tài)位，以期揭示莖柔魚隨個體生長的攝食習性轉(zhuǎn)變。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用114尾莖柔魚(厄瓜多爾公海53尾，秘魯公海61尾)樣本由中國魷釣生產(chǎn)船于2019年6—12月在東南太平洋厄瓜多爾、秘魯公海生產(chǎn)時采集(圖1、表1)。

圖1 莖柔魚樣本采集站點Fig.1 Sampling sites of jumbo squid Dosidicus gigas

表1 東南太平洋莖柔魚樣本信息Tab.1 Sampling information on jumbo squid Dosidicus gigas in the southeast Pacific Ocean

1.2 方法

1.2.1 生物學測定 將采集的所有樣品在上海海洋大學海洋科學學院生物學實驗室解凍后進行生物學測量和觀測，主要包括胴長(mm)、性腺成熟度、攝食等級等。在胴體前端剪取約2 cm×2 cm肌肉塊，置于5 mL離心管中，于-20 ℃冷凍保存。

1.2.2 穩(wěn)定同位素分析 肌肉去除外層表皮并用超純水清洗，在冷凍干燥機內(nèi)-55 ℃下干燥24 h后用混合型球磨儀研磨成粉末。稱取1.0 mg粉末并用錫紙包被后送入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(ISOPRIME 100)和元素分析儀(vario ISOTOPE cube)中進行穩(wěn)定同位素測定，結(jié)果以δ13C和δ15N值形式來表示，其計算公式如下:

δX=(Rsample/Rstandard-1)×1000。

(1)

其中:X為13C或15N;Rsample為13C/12C(或15N/14N)；δ13C值以PDB值(pee dee belemnite)為標準，δ15N值以大氣氮為標準。Rstandard為標準值，樣品測定過程中，每10個樣品放入3個實驗室標準品(蛋白質(zhì) δ13C=-26.98‰，δ15N=5.96‰)校準碳、氮穩(wěn)定同位素(分析精度為0.06‰),穩(wěn)定同位素測定在上海海洋大學穩(wěn)定同位素分析實驗室進行。肌肉脂質(zhì)中不包含氮，不會顯著改變δ15N值，會顯著改變δ13C值[13]，本文中莖柔魚脂質(zhì)C∶N值范圍為3.0～3.5，脂質(zhì)含量較低，可以不做脫脂處理。

1.2.3 廣義可加模型分析 利用廣義可加模型(generalized additive model,GAM)對莖柔魚肌肉δ13C、δ15N和胴長進行相關(guān)性分析，計算公式為

δX=s(L)+ε。

(2)

其中：δX為測定的肌肉穩(wěn)定同位素值(δ13C、δ15N)；s為自然立方樣條平滑；L為胴長(mm)。根據(jù)F值檢驗評估因子影響的顯著性[14-15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)Layman等[16]的方法繪制厄瓜多爾、秘魯公海莖柔魚δ13C、δ15N生態(tài)位寬度，并計算貝葉斯標準橢圓面積(SEAc)和重疊比例。利用t檢驗進行不同海域δ13C、δ15N值的顯著性分析，顯著性水平α=0.05。利用Kolmogorov-Smirnov檢驗(K-S檢驗)進行不同性腺等級δ13C、δ15N差異分析。利用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計分析，用R語言mgcv軟件包(GAM模型)和SIBER軟件包(貝葉斯標準橢圓)進行同位素繪圖及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定同位素值

厄瓜多爾、秘魯公海莖柔魚胴長范圍分別為215～300 mm(253.8 mm±24.5 mm)、220～290 mm(254.0 mm±15.5 mm)，兩者不存在顯著性差異(P>0.05)。厄瓜多爾公海，莖柔魚δ13C范圍為-19.81‰～-17.38‰(-18.55‰±0.56‰)，δ15N范圍為9.36‰～14.43‰(11.22‰±0.84‰)；雄性個體δ13C為-18.71‰±0.54‰，δ15N為11.00‰±0.64‰;雌性個體δ13C為-18.36‰±0.56‰，δ15N為11.19‰±0.91‰(圖2、圖3)。秘魯公海，莖柔魚肌肉δ13C范圍為-20.77‰～-17.90‰(-19.83‰±0.45‰)，δ15N范圍為7.65‰～13.60‰(8.97‰±1.10‰)；雄性個體δ13C為-19.81‰±0.40‰，δ15N為8.82‰±0.74‰；雌性個體δ13C為-19.859‰±0.412‰，δ15N為9.053‰±1.21‰(圖2、圖3)。厄瓜多爾莖柔魚肌肉的δ13C、δ15N均顯著高于秘魯公海(P<0.05)。

圖2 東南太平洋公海莖柔魚肌肉δ13C與δ15N的關(guān)系Fig.2 Relationship between δ13C and δ15 N in muscle of jumbo squid Dosidicus gigas in the high seas of southeast Pacific Ocean

圖3 東南太平洋公海莖柔魚雌、雄個體δ13C與δ15N的關(guān)系Fig.3 Relationship between δ13C and δ15N in female and male jumbo squid Dosidicus gigas in the high seas of southeast Pacific Ocean

2.2 莖柔魚胴長對肌肉δ13C、δ15N的影響

對肌肉GAM模型分析表明：厄瓜多爾公海莖柔魚胴長對肌肉δ13C無顯著性影響(P>0.05)，胴長對δ13C偏離解釋率為2.11%；秘魯公海莖柔魚胴長對肌肉δ13C影響顯著(P<0.05)，δ13C在胴長220～270 mm范圍內(nèi)緩慢減少，胴長>270 mm時δ13C值隨胴長的增長迅速升高，胴長對肌肉δ13C偏差解釋率為75.80%(表2、圖4)。

圖4 東南太平洋公海莖柔魚胴長對肌肉δ13C的影響Fig.4 Effects of mantle length on δ13C in muscle of jumbo squid Dosidicus gigas in the high seas of southeast Pacific Ocean

厄瓜多爾公海莖柔魚胴長對肌肉δ15N無顯著性影響(P>0.05)，胴長對肌肉δ13N偏離解釋率為0.70%；秘魯公海莖柔魚胴長對肌肉δ15N影響顯著(P<0.05)，δ15N在胴長為220～230 mm時減小，胴長為230～270 mm時δ15N無顯著性變化，胴長>270 mm時δ15N值隨著胴長的增長而迅速升高，胴長對肌肉δ13C偏離解釋率為65.10%(表2、圖5)。莖柔魚胴長在200～280 mm時，秘魯公海莖柔魚肌肉δ13C、δ15N低于厄瓜多爾公海；胴長>280 mm時，秘魯公海莖柔魚肌肉δ15N高于厄瓜多爾公海(圖5)。

圖5 東南太平洋公海莖柔魚胴長對肌肉δ15N的影響Fig.5 Effects of mantle length on δ15N in muscle of jumbo squid Dosidicus gigas in the high seas of southeast Pacific Ocean

表2 莖柔魚胴長與肌肉δ13C、δ15N的GAM模型分析Tab.2 GAM tests between mantle length and δ13C and δ15 N in muscle of jumbo squid Dosidicus gigas

2.3 不同性別莖柔魚胴長對δ13C、δ15N的影響

對性別GAM模型分析表明：在厄瓜多爾公海，雌、雄個體胴長對δ13C均無顯性著影響(P>0.05)，雄性個體胴長對δ15N無顯著性影響(P>0.05)，但雌性個體胴長對δ15N有顯著性影響(P<0.05)，在秘魯公海，莖柔魚雌、雄個體胴長對δ13C、δ15N均無顯著性影響(P>0.05),莖柔魚雌、雄個體δ13C在胴長250 mm附近達到最大值，雌、雄個體δ15N在胴長220～270 mm范圍內(nèi)無顯著性變化(表3、圖6)。

圖6 東南太平洋公海莖柔魚胴長對雌、雄個體肌肉δ13C、δ15N的影響Fig.6 Effects of mantle length on δ13C and δ15N in muscle of female and male jumbo squid Dosidicus gigas in the high seas of southeast Pacific Ocean

表3 莖柔魚雌、雄個體肌肉δ13C、δ15N與胴長的GAM模型分析Tab.3 GAM tests of δ13C and δ15N in muscle of female and male of mantle length in jumbo squid Dosidicus gigas

2.4 營養(yǎng)生態(tài)位

基于莖柔魚肌肉δ13C、δ15N繪制的貝葉斯標準橢圓顯示(圖7)，秘魯公海莖柔魚生態(tài)位(SEAc=2.182‰)寬度大于厄瓜多爾公海(SEAc=1.462‰)，兩者重疊比例為16.12%。厄瓜多爾公海莖柔魚雌性個體生態(tài)位(SEAc=1.672‰)寬度大于雄性個體(SEAc=0.662‰)，兩者重疊比例為35.73%；秘魯公海雌性個體生態(tài)位寬度(SEAc=1.542‰)大于雄性個體(SEAc=0.632‰)，兩者重疊比例為34.76%；兩海域雌性個體生態(tài)位均高于雄性個體(圖8)。

圖7 東南太平洋公海莖柔魚營養(yǎng)生態(tài)位Fig.7 Trophic niche of jumbo squid Dosidicus gigas in the high seas of southeast Pacific Ocean

圖8 東南太平洋公海莖柔魚雌、雄個體營養(yǎng)生態(tài)位Fig.8 Trophic niche of male and female jumbo squid Dosidicus gigas in the high seas of southeast Pacific Ocean

2.5 不同性腺等級間莖柔魚δ13C、δ15N的差異

厄瓜多爾、秘魯公海莖柔魚性腺等級為Ⅰ～Ⅳ期，其中Ⅰ和Ⅱ期未成熟個體較多，缺少Ⅴ期成熟個體(圖9)。在厄瓜多爾公海，莖柔魚隨著個體發(fā)育，δ13C在Ⅰ～Ⅲ期無顯著性差異(P>0.05)，δ15N在Ⅰ～Ⅲ期隨著性腺等級增加顯著減小(P<0.05)；在秘魯公海，莖柔魚δ13C在性腺等級Ⅲ期最大(P<0.05)，而δ15N在性腺等級Ⅱ期最大(P<0.05)，此后隨著性腺等級的增加，δ15N開始減小。

圖9 莖柔魚不同性腺等級δ13C、δ15N分布Fig.9 δ13C and δ15N of jumbo squid Dosidicus gigas with different gonadal maturity

3 討論

3.1 穩(wěn)定同位素海域差異

3.2 莖柔魚胴長對肌肉δ13C、δ15N的影響

海洋和生物地球化學過程的差異會導致基線生物δ13C和δ15N發(fā)生強烈的時空變化[26]。Argüelles等[27]對東太平洋厄瓜多爾沿岸莖柔魚研究發(fā)現(xiàn)，δ15N存在顯著的緯度梯度變化。本研究中GAM模型結(jié)果顯示，隨著胴長的增加，厄瓜多爾公海莖柔魚肌肉δ13C、δ15N無顯著變化，這表明厄瓜多爾公海在同位素基線和攝食作用的共同影響下，莖柔魚肌肉δ13C、δ15N在胴長組間的差異小。本研究中秘魯公海57條莖柔魚樣本于同一站點采集，海洋同位素基線對莖柔魚肌肉δ13C、δ15N影響小，攝食差異是莖柔魚不同胴長組間δ13C、δ15N差異的重要原因，秘魯公海莖柔魚肌肉δ13C在胴長200～270 mm范圍內(nèi)顯著減小，表明小個體莖柔魚在近岸水域進行攝食，隨著胴長的增長，莖柔魚具有不同的攝食和洄游方式，這與Liu等[28]的研究結(jié)果一致；當胴長>270 mm時，莖柔魚肌肉δ13C值快速升高，表明大個體莖柔魚向近岸海域洄游進行攝食，大個體莖柔魚具有較為廣泛的洄游和攝食活動。本研究中秘魯公海莖柔魚δ15N在胴長230～270 mm范圍內(nèi)無顯著性變化，表明小個體莖柔魚攝食結(jié)構(gòu)單一，當胴長>270 mm時，莖柔魚肌肉δ15N隨著胴長的增大而顯著升高，表明大個體莖柔魚攝食營養(yǎng)能力迅速提高，胴長>280 mm時，秘魯公海莖柔魚肌肉δ15N高于厄瓜多爾公海，表明在這一階段秘魯公海莖柔魚攝食更高營養(yǎng)級的食物。值得一提的是，在厄爾尼諾氣候條件下，盡管食物資源匱乏，莖柔魚可能通過殘食快速獲取食物，這與Markaida等[29]分析厄爾尼諾氣候條件下莖柔魚胃含物的結(jié)果一致。本研究中厄瓜多爾公海，莖柔魚胴長對雌、雄個體肌肉δ13C無顯著性影響，胴長>250 mm時，莖柔魚雄性個體 δ13C開始減小,胴長>270 mm時，雄性個體δ15N大于雌性個體。莖柔魚雄性個體的發(fā)育要早于雌性個體[30-31]，隨著雄性個體的發(fā)育，雄性個體開始向較深水域移動攝食高營養(yǎng)的食物資源。本研究中秘魯公海莖柔魚胴長對δ13C、δ15N無顯著性影響，δ13C在雌、雄個體間差異不大，表明厄爾尼諾氣候條件下會從攝食空間、時間及食物資源方面限制莖柔魚攝食和洄游空間[32-33]，胴長>270 mm時，雌性個體δ15N開始增加，雌性個體攝食水平提高。

3.3 生態(tài)位海域差異

Fang等[34]對北太平洋海域柔魚秋生群體和冬春群體角質(zhì)顎δ13C、δ15N研究發(fā)現(xiàn)，兩個群體存在生態(tài)位差異，這種差異可能是不同地理種群的不同生長速率、洄游路線和攝食差異所導致。Gong等[35]對東南太平洋莖柔魚肌肉穩(wěn)定同位素研究發(fā)現(xiàn)，莖柔魚在秘魯公海具有較高的生態(tài)位。本研究發(fā)現(xiàn)，厄瓜多爾公海莖柔魚肌肉δ13C、δ15N值顯著高于秘魯公海，厄瓜多爾公海莖柔魚具有較低的生態(tài)位，表明其受到同位素基線和攝食作用的共同影響，δ13C、δ15N在胴長間差異小，表明莖柔魚具有較低的生態(tài)位。秘魯公海莖柔魚采集的樣本中，海洋同位素基線差異小，因此，攝食差異可能是這一海域莖柔魚生態(tài)位差異的重要原因。本研究中，當胴長>270 mm，秘魯公海莖柔魚δ13C、δ15N顯著升高，表明厄爾尼諾氣候條件下，莖柔魚可能通過殘食來提高攝食營養(yǎng)，莖柔魚肌肉δ13C、δ15N在胴長組間差異大，表明莖柔魚具有較高的生態(tài)位。雌性和雄性生物位于不同棲息環(huán)境可以減少種內(nèi)競爭[36-37]，本研究中發(fā)現(xiàn)，厄瓜多爾、秘魯公海，莖柔魚雌性個體生態(tài)位均高于雄性個體。Fang等[38]發(fā)現(xiàn)，北太平洋柔魚雌性個體比雄性個體攝食器官角質(zhì)顎尺寸更大，雌性個體攝食能力較強。莖柔魚雌性個體在生長過程中能量消耗大，對食物資源和能量需求較高[39]。隨著生長過程中的食物需求和攝食能力的提高，莖柔魚雌性個體具有較高的生態(tài)位。

3.4 不同性腺等級間莖柔魚δ13C、δ15N的差異

短生命周期的頭足類生長速率快,能量代謝率高,通過攝食用于個體生長發(fā)育和繁殖[31,40]。本研究中厄瓜多爾公海，莖柔魚隨著個體發(fā)育，在性腺等級Ⅰ～Ⅲ期時，莖柔魚δ13C值無明顯變化，莖柔魚棲息環(huán)境無顯著變化，但在性腺等級Ⅲ～Ⅳ期時莖柔魚開始向高生產(chǎn)力海域進行洄游攝食，這與Liu等[41]的研究結(jié)果一致。方舟等[42]對柔魚攝食器官角質(zhì)顎研究發(fā)現(xiàn)，在不同性腺等級個體間其角質(zhì)顎形態(tài)存在顯著差異。這說明隨著攝食器官的不斷完善，莖柔魚攝食能力和攝食強度開始提高，莖柔魚開始攝食較大和較高營養(yǎng)的餌料生物。本研究中，莖柔魚個體在性腺等級Ⅰ～Ⅳ期，莖柔魚δ15N無顯著變化，可能是受到海域同位素基線作用的影響。而秘魯公海莖柔魚δ13C值在性腺等級Ⅰ～Ⅲ期隨個體發(fā)育程度增加而增加，這表明在厄爾尼諾氣候條件下莖柔魚開始向近岸等較高生產(chǎn)力水域進行洄游，這與Hu等[43]對厄爾尼諾氣候條件下莖柔魚角質(zhì)顎δ13C的研究結(jié)果一致。莖柔魚δ15N在Ⅲ期最大，隨著個體性腺成熟度的增加，δ15N開始減小，表明莖柔魚從較高的營養(yǎng)水域向低營養(yǎng)水域進行洄游，這與Gong等[40]的研究結(jié)果一致。東南太平洋公海，莖柔魚向近岸水域進行洄游攝食，然后洄游到產(chǎn)卵場的季節(jié)性遷徙[27]。在這一過程中，海洋基線δ15N開始減小，在厄爾尼諾氣候條件下，由于食物資源的匱乏，莖柔魚δ15N受攝食因素的影響開始減少。

4 結(jié)論

1)本研究中，厄瓜多爾公海莖柔魚胴長對肌肉 δ13C、δ15N無顯著性影響(P>0.05)，而秘魯公海莖柔魚胴長則對肌肉δ13C、δ15N影響顯著(P<0.05)。

2)厄瓜多爾和秘魯公海莖柔魚生態(tài)位存在差異，秘魯公海生態(tài)位寬度大于厄瓜多爾公海，雌性個體莖柔魚在兩個海域均有較高的生態(tài)位。

3)厄瓜多爾公海莖柔魚δ13C、δ15N受同位素基線和攝食作用共同影響，秘魯公海莖柔魚δ13C、δ15N主要受攝食作用影響。

4)一般地，脂質(zhì)的存在會影響肌肉中的δ13C值，而對δ15N值無影響。本研究中莖柔魚脂質(zhì)C∶N值范圍為3.0～3.5，脂質(zhì)含量較低，可以不做脫脂處理，但是也有研究指出，莖柔魚肌肉脫脂處理后會對δ13C、δ15N產(chǎn)生一定影響[44]，因此，今后進行頭足類肌肉碳、氮穩(wěn)定同位素分析試驗時，應盡可能進行脫脂處理。