基于耳石微化学的乌苏里白鲑生境履历分析

王继隆 刘 伟 王 臣 李培伦 唐富江 姜 涛 杨 健

(1. 中国水产科学研究院黑龙江水产研究所, 哈尔滨 150070; 2. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心, 长江中下游渔业生态环境评价与资源养护重点实验室, 无锡 214081)

乌苏里白鲑(Coregonus ussuriensisBerg)属鲑形目, 鲑科, 白鲑属, 为北极淡水鱼类区系复合体鱼类, 主要分布于黑龙江流域及俄罗斯西伯利亚、萨哈林等水域, 是典型的冷水性鱼类。近年来由于栖息地破坏、过度捕捞等因素造成乌苏里白鲑资源衰退, 已被列入《中国濒危动物红皮书(鱼类)》目录[1—3]。目前国内对乌苏里白鲑的研究较少, 仅在其资源调查、基础生物学、生化特点及遗传多样性方面开展一些研究[4—6]。对乌苏里白鲑的生活史、生境履历等方面尚未开展系统研究, 尤其对其生活史特征还不甚了解。根据前苏联学者研究可知, 乌苏里白鲑夏季分布于冷水性河流、河口区等区域[7], 但是无法对生活史特征详细解释。我国境内黑龙江流域乌苏里白鲑具有典型的季节性分布特征, 每年冬季、春季在黑龙江干流以及乌苏里江、松花江等较大支流可见其种群分布, 春季、夏季逐渐消失, 季节性的洄游特征明显。基于研究区域的限制, 无法全面调查乌苏里白鲑的种群分布特征, 对其生活史特征并不清楚。耳石元素的微化学分析(如元素锶、钙的分析)在研究鱼类生活史履历中应用广泛[8—11]。本研究将采用X射线电子探针微区分析技术(EPMA), 通过研究耳石微化学特征来判断乌苏里白鲑的洄游生态类型, 并反演其关键生境履历。这将有助于了解乌苏里白鲑的生活史特征, 填补该项研究的空白。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究于2013年12月和2014年1月共采集4尾乌苏里白鲑样本, 样本采捕于黑龙江干流绥滨、同江街津口段、松花江干流汤原段(图 1)。采捕网具为冰下定置刺网, 网目大小为10 cm。样品带回实验室测量、解剖, 取出矢耳石, 经去离子水清洗后,室温干燥后待用。

1.2 耳石微化学方法

元素微化学分析统一选用左矢耳石为实验材料, 使用环氧树脂将耳石样品包埋、固定, 用耳石切割机、磨抛机将耳石切割、打磨, 精磨至耳石核心区域, 采用有机织布抛光盘抛光, 使耳石核心完全暴露且表面无明显划痕。将处理后的耳石树脂块放入MQ水中超声清洗5min, 室温晾干24h。完全晾干后将样品置于真空镀膜机(JEE-420, 日本电子株式会社)中蒸镀碳膜(36A, 25S)。

线定量分析: 标准样品使用碳酸钙CaCO3和钛酸锶SrTiO3; 机器条件为加速电压15 kV, 电子束电流2.0×10-8A, 每点驻留时间为15S。此外分析束斑直径和间距分别为5和10 μm。

面分布分析: 机器条件为加速电压15 kV, 电子束电流5.0×10-7A, 每点驻留时间为30mS; 束斑直径5 μm, 像素7 μm×7 μm。

表 1 乌苏里白鲑样本信息Tab. 1 Samples information of Coregonus ussuriensis

图 1 样品采集点Fig. 1 Sampling sites

1.3 淡水系数FC(Freshwater coefficient)

根据Jiang等[12]的公式,FC=Lf/LT

式中Lf为自耳石核心沿最长半径方向至对应淡水生境(低Sr/Ca)区域结束时的径长,LT为定量线分析时从耳石核心至边缘的耳石径长。该系数反映了洄游性鱼类早期生活在淡水环境中的时间占整个生活史时间的比例, 也体现了洄游性鱼类对淡水生境的依存程度。

2 结果

2.1 乌苏里白鲑耳石Sr/Ca值的定量线分析

乌苏里白鲑样本共4尾(表 1), 叉长为28.3—38.4 cm, 体重为288.3—717.5 g, 通过耳石年轮鉴定年龄为2—4龄。

定量线分析结果表明(图 2), 乌苏里白鲑耳石Sr/Ca值波动较为复杂, Sr/Ca值波动范围为0.62—18.81,耳石核心附近的Sr/Ca值较低, 样本CU01、CU02、CU03和CU04第一阶段的Sr/Ca值分别为4.91、2.00、4.97和4.27, 随后数值呈现有规律的波动。最后一阶段Sr/Ca值分别为7.74、6.19、7.09和8.34。

由表 2可见, 乌苏里白鲑个体耳石样品的Sr/Ca比值的变化规律较为相似, 但个体间存在一定的差异。样本CU01年龄为2龄, 耳石自核心至边缘Sr/Ca比值显著变化分为5个阶段, 第一阶段是从核心至距核心550 μm处, 共56个测点, Sr/Ca比值为4.91±0.82; 第二阶段是550—920 μm处, 共37个测点, Sr/Ca比值为10.95±1.42; 第三阶段是920—1010 μm,共9个测点, Sr/Ca比值为8.31±1.11; 第四阶段是1010—1440 μm处, 共43个测点, Sr/Ca比值为11.74±1.24; 第五阶段是1440—1780 μm (耳石的最边缘处)处, Sr/Ca比值为7.74±1.22。样本CU02、CU03和CU04的年龄为3龄、4龄和4龄, 耳石自核心至边缘Sr/Ca比值显著变化分别分为5、9和9个阶段, 每一阶段Sr/Ca值均高低值交替分布, 数值的变化规律基本一致。

2.2 乌苏里白鲑耳石Sr含量的面分布

耳石Sr含量的面分析更能直观的展示鱼类个体的生境特征。面分析结果显示, 4个乌苏里白鲑样本的个体类型较为相似, 整个耳石剖面均包含3种颜色: 蓝、黄、红, 这3种颜色分别代表锶含量浓度值依次递增。耳石中心区域均呈现蓝色, 自核心区域向外扩展呈现黄色、红色及淡蓝色区域等交替出现。4个样本的耳石核心区域均为Sr低值区(图中蓝色区域)且低值区范围差别不大。几个样本中耳石黄色、红色和少量的蓝色区域交替出现, 耳石最外部均呈现黄色条带。各颜色区域面积因个体不同而存在差异。可见, 耳石锶元素面分析的分布规律和线分析中耳石Sr/Ca值的结果一致。

3 讨论

3.1 乌苏里白鲑的生境“履历”

目前关于乌苏里白鲑生活史方面的研究几乎空白, 仅在《黑龙江流域鱼类》中有对乌苏里白鲑分布有较为详细的描述: 乌苏里白鲑夏季分布于冷水支流或黑龙江河道中, 在黑龙江河口也有分布,也进入咸水水域, 并且夏季在黑龙江下游及河口有较多乌苏里白鲑幼鱼分布, 冬季在黑龙江河道和大支流中过冬, 但是对此现象无法给出合理的解释[7]。因研究区域限制, 国内未对乌苏里白鲑生活史方面进行相关研究。

图 2 乌苏里白鲑耳石矢状面从核心(0)到边缘定量线分析记录到的Sr/Ca值变化Fig. 2 Fluctuations of otoliths Sr/Ca concentration ratios along line transects from the core (0) to the edge in otoliths of Coregonus ussuriensis

鱼类耳石一生中都在持续生长, 体内吸收的元素沉浸在耳石中而不会被分解, 其中微量元素来自周围水体环境中而不是自身生理变化, 这种特性表明耳石能够反演鱼类生活史环境的特征信息[13,14]。耳石锶元素浓度与淡水河流、河口区、海水三种水体中的盐度成正相关关系[15-18]。因此, 耳石锶元素浓度能够反演其栖息环境的水体盐度[19-22]。鱼类的生态类型多种多样, 同种类鱼类中也存在洄游与不洄游的类群, 如鳗鲡、凤鲚、刀鲚、短颌鲚等[19,21,23-26]。研究鱼类的洄游特性时, 不能按鱼类种类一概而论, 需要确切的科学依据, 耳石锶钙比值分析就是一种科学有效的方法。

鱼类耳石锶钙比值高低反映了其栖息水环境的盐度水平, 例如在淡水环境生活阶段的刀鲚其耳石Sr/Ca比值小于3, 在半咸水水域中为3—7, 在外海水域则大于7[23]。4个乌苏里白鲑样品耳石Sr/Ca比值在核心区均小于5(2—4.97), 耳石面分析结果(图 3)显示核心区呈现蓝色, 说明其均在淡水环境中孵化。这4个样本均在淡水河流中捕获, 在最后生活阶段(耳石最边缘区域)的Sr/Ca值在6.19—8.34, 该区域Sr/Ca值比核心区高。这种现象一方面是由于锶离子在耳石中的沉积具有“时滞效应”[27,28],乌苏里白鲑从咸水水域洄游至淡水河流中由于体内新陈代谢等生理反应导致其元素在耳石上的沉积具有一定的滞后性。另一方面鱼类不同生长阶段锶元素在耳石上沉积的具有一定的差异性, 耳石锶元素的沉积除受水体盐度的影响外, 还受到生长、年龄、食物和环境压力的影响[21]。

根据分析结果CU01和CU03个体在淡水中孵化并生活一段时间后, 即进入河口半咸水水域和海洋咸水水域(Sr/Ca值分别处于8.42—13.73和8.01—11.18, 图 3黄色至红色区域)。随后在淡水和咸水之间有规律的往返(图 3黄色区域和红色区域交替出现), 最后一阶段由河口或海洋洄游至淡水河流(图 3边缘处为蓝至黄色)。CU01和CU03 Sr/Ca值峰值达到18.81和13.57, 反映了其具有在咸水水域生活的履历。可见CU01和CU03个体具有溯河洄游特征, Sr/Ca值波动反映了其在不同生长阶段的环境盐度变化。CU02和CU04个体Sr/Ca值和锶浓度分布色彩图(图 3)也存在一定的规律性,但不如CU01和CU03个体显著。耳石核心区的Sr/Ca值小于5, 说明在淡水中孵化, 第二阶段中Sr/Ca值有所上升(分别为3.17—5.60和3.66—6.38),但不如CU01和CU03个体增加显著。这可能有2方面的原因: (1)该个体进入河口水域(盐度较低);(2)由于季节变化引起鱼类生长、摄食等差异, 导致锶元素的沉积受到影响以及Sr/Ca值的波动。在第三阶段Sr/Ca值有所下降, 说明其进入淡水中生活,第四阶段Sr/Ca值上升(CU02最大达到9.3, CU04最大达11.4), 而后Sr/Ca值呈现波动变化。可见CU02和CU04个体第四阶段进入了半咸水区或者短暂进入咸水区, 之后在淡水和咸水水域内交替往返。本研究首次确证了乌苏里白鲑溯河洄游群体的存在, 但是个体之间在淡水、咸水中停留的时间长短具有差异。

表 2 乌苏里白鲑耳石中锶和钙的微化学变化Tab. 2 Fluctuation of Sr and Ca microchemistry in otoliths of Coregonus ussuriensis

3.2 乌苏里白鲑的生活史模式

采用鳞片和耳石鉴定了4个乌苏里白鲑样本的年龄(图 4), 通过耳石轮纹及Sr元素的面分布图对比分析可知, 乌苏里白鲑的年轮特征和Sr/Ca值的周期性变化密切相关。以CU04个体为例, 该个体的年龄为4龄, 耳石轮纹中有4个暗带与四个亮带(图 4)。对比图 3可见, 耳石暗带与Sr/Ca值的高值区相吻合, 明带与Sr/Ca值的低值区相吻合, 其他3个个体情况也是如此。一般来说夏、秋季耳石生长快, 对应暗色环带, 冬、春季生长缓慢则对应亮色环带。这表明乌苏里白鲑夏、秋季Sr/Ca值较高,其分布于河口或者咸水水域; 冬、春季Sr/Ca值较低, 分布于淡水水域。这较好解释了夏、秋季在黑龙江水域基本看不到乌苏里白鲑, 冬、春季出现在黑龙江流域的原因。因此, 可以推断乌苏里白鲑夏季洄游至下游淡水、河口、海洋区域, 秋、冬季则上溯返回黑龙江水域。

据调查乌苏里白鲑属于多次产卵鱼类, 性成熟年龄在4龄[7], 繁殖期间并不停食。CU03和CU04个体已经发育成熟并已成功繁殖, 这也确证了乌苏里白鲑在淡水中繁殖, 据调查成熟个体生殖洄游的同时也伴随索饵和越冬洄游。CU01和CU02个体未发育成熟, 也表现出季节性溯河洄游的特点, 未成熟个体主要是越冬洄游和索饵洄游。

图 3 乌苏里白鲑耳石锶含量的面分析Fig. 3 Otolith Sr content of Coregonus ussuriensis with X-ray intensity mapping analysis

图 4 乌苏里白鲑耳石年轮特征Fig. 4 Features of otolith annual ring for Coregonus ussuriensis

淡水指数反应鱼类对淡水环境的依赖程度[12,29],本研究中乌苏里白鲑4个样本的淡水指数并不相同(0.12—0.40)。乌苏里白鲑产沉黏性卵, 幼鱼孵出后便顺流而下进入下游水域, 当年进入河口和咸水水域。淡水指数的不同反应出了乌苏里白鲑产卵场位置、环境的差异以及乌苏里白鲑个体间生活史的差异。

本研究中4个乌苏里白鲑样本间的生活史特征存在一定的差异, 但乌苏里白鲑耳石Sr/Ca值的年度变化规律基本一致。乌苏里白鲑在淡水中繁殖、孵化, 部分群体在淡水中生活一段时间后当年夏季进入咸水区, 秋、冬季返回淡水河流, 表现出周期性的季节洄游。另一部分群体也具有季节洄游特征, 在河口或海洋停留时间较短或者有时不进入咸水区。本研究表明4个乌苏里白鲑样本都具有咸水水域生活的履历。本研究依据以往学者的研究结果将耳石锶钙比值区域进行了初步划分[30], 尚不能精确计算乌苏里白鲑耳石在不同水域环境中的锶钙比值。据调查夏季在黑龙江流域的冷水性河流中(如汤旺河)发现乌苏里白鲑群体, 该群体的生活史可能会有新的特征。目前由于样本的限制,无法更加全面、详尽的研究揭示乌苏里白鲑的生态类型及生活史特征, 今后还需增加样本做进一步研究。