人工条件下温度变化对南极大磷虾个体腹足摆动和生存状态的影响

李 帅，邱盛尧，黄洪亮，杨嘉樑，李灵智

（1.烟台大学海洋学院，山东烟台 264005；2.中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部远洋与极地渔业创新重点实验室，上海 200090）

南极大磷虾（Euphausia superba），隶属于节肢动物门，甲壳纲，磷虾目，磷虾科，磷虾属，是南大洋海洋生态系统的关键物种。南极大磷虾身体较透明，具红褐色斑点，具发光器，体长一般为30～60 mm，最大体长可超过60 mm，年龄可达5～7年。南极大磷虾身体比重比水大，如果停止游泳会沉入水底［1-3］，其5对腹足与8对胸足有效地保证了南极大磷虾的滤食与游泳。温度条件不仅是影响南极大磷虾资源分布及丰度的重要因素，同时也是影响其生存状态的关键因子，相关研究多侧重于温度与南极大磷虾的分布和丰度之间的关系［4-12］。近年来，南极大磷虾个体对温度变化的适应性研究越来越受到关注［13-15］。本研究分析了人工条件下不同温度环境南极大磷虾生存状态和腹足摆动频率的变化特征，并从不同体长组分析其对温度变化的适应性，以进一步了解环境条件对南极大磷虾生存状态的影响。

1 材料和方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验活体样本采集

暂养实验活体磷虾采集时间为2019年4月15日到2019年4月25日（表1），采集地点为南设得兰群岛附近海域。为了保证实验磷虾的活性，磷虾活体采集根据实验时间采取分批采样，首先将取样的活体磷虾放入自然海水中暂养24～48 h，然后改变温度条件进行实验。

表1 南极大磷虾样本采集时间和实验时间Tab.1 Samp ling time and experimental time of Euphausia superba

1.1.2 暂养与实验环境控制

南极大磷虾活体暂养在中国大型尾滑道拖网加工船“龙腾”轮的加工车间，暂养容器为不透明方形暂养箱，暂养用水取自船舱外冷海水，暂养水体容积为0.06 m3，暂养实验期间每隔8 h换水一次。南极大磷虾温度变化实验在“龙腾”轮船舱进行，实验室温度为6.2～12.1℃，均温8.74℃。实验装置由38 cm×25 cm×9 cm实验箱及200 mL透明聚乙烯瓶组成。实验升温变化通过实验水体与船舱温差实现，降温变化通过冷冻自然海冰控制。海冰冷冻环境温度≤-18℃，降温海冰由1块盖冰与2块侧冰组成。实验环境温度通过电子温度计测量，误差范围在±0.1℃。

1.2 实验方法

温度梯度变化实验分昼夜两组进行，两组实验连续进行，共15个批次，每批次设置10个平行样本（其中有2个样本活性较低，未进行实验），温度梯度变化实验在实验环境盐度和光照度保持稳定状态下进行。在实验过程中，利用电子温度计全程测量实验水温。实验观察为持续观察，无时间间隔，通过Canon单反数码相机观察记录不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动与存活状态，相机型号为EOS 800D，传感器类型为CMOS，滤镜直径为58 mm，支持全高清摄像，单个平行样本拍摄时间为30～90 s。

1.2.1 渐变升温

渐变升温实验中，将实验活体样本由暂养水体转入水温为1℃（初始水温）的200 mL容器中，利用船舱内部温度（6.2～12.1℃）与容器内初始水温的温差使200 mL容器内水温逐渐升高，升温变化范围为1～5℃，升温顺序为1、2、3、4、5℃，温度误差在 ±0.1℃。

1.2.2 骤变降温

骤变降温实验与渐变升温实验连续进行，期间不进行水体转换，当实验水温达到5℃后，将装有实验样本的200 mL透明聚乙烯瓶放入装有海冰的实验箱中实现温度下降，以5℃为初始水温，骤降到0℃和 -0.5℃，温度误差在 ±0.1℃。

1.2.3 生存状态的划分

根据实验过程中南极大磷虾个体游动状态的变化，将其生存状态划分为垂直游动、水平游动、螺旋游动、横卧和死亡5种生存状态，用于分析渐变升温与骤变降温对南极大磷虾生存状态及腹足摆动频率差异的影响。

1.2.4 样本体长测量

为了分析不同体长组的南极大磷虾对温度变化的适应性，本实验对全部实验样本的体长进行测定，体长测定方法为：即从额角的尖端至尾肢的最末端，测量工具为电子游标卡尺，测量精度为0.01 mm，测量样本共计148尾。

1.3 数据统计和分析

南极大磷虾腹足摆动频率运用EXCEL软件进行处理，对各温度梯度下摆动频率的数据采用平均值、最大值和最小值表示，单位为次·s-1。利用SPSSStatistics 22软件分别对渐变升温和骤变降温实验中不同温度梯度南极大磷虾个体腹足摆动频率进行单因素ANOVA差异检验，以P＜0.001作为差异显著水平；对腹足摆动频率昼夜差异进行了独立样本T检验，以P＜0.05作为差异显著水平；对不同体长组间摆动频率进行两因素差异检验，以P＜0.05作为差异显著水平。南极大磷虾体长频次统计时以3 mm为组距。

2 结果与分析

2.1 实验样本体长

对148尾实验样本进行测量，体长范围为28.79～56.75 mm，平均体长为 42.59 mm，其中37～49 mm的样本较多，占总数的 71.66%（图1）。

2.2 渐变升温实验

2.2.1 不同温度梯度腹足摆动频率差异

渐变升温实验中，对不同温度梯度南极大磷虾个体腹足摆动频率进行单因素ANOVA差异检验，可见df＝4，F＝1.057，P＞ 0.05，各温度梯度间腹足摆动频率差异不显著。由表2可知，腹足摆动频率变化范围为1.30～4.60次·s-1，平均摆动频率最高值出现在 4℃梯度，为 2.89次·s-1，最低值出现在 3℃梯度，为 2.76次·s-1。最大摆动频率变化范围为4.00～4.60次·s-1，最大值出现在4℃，最小值出现在2、3℃温度梯度。最小摆动频率变化范围为1.30～1.60次·s-1，最大值出现在1℃，最小值出现在2、3、4℃。与1℃相比，腹足摆动频率平均变化率在4℃梯度最大，为 4.02%，上升比例为54.05%；平均变化率最小出现在3℃梯度，为-0.43%，摆动频率增加比例仅为44.59%。在3℃梯度，腹足平均摆动频率低于渐变升温试验组其他温度梯度，腹足摆动频率增加比例低于下降比例，但在4～5℃梯度，平均摆动状态又恢复到初温水平，甚至在4℃梯度达到最高值，腹足摆动频率上升比例均超过50%（表2，表3）。

图1 南极大磷虾体长组Fig.1 Body length of Euphausia superba

表2 不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动频率Tab.2 W iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod under different tem peratures

表3 不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动频率的变化率Tab.3 Change rate of Euphausia superba’s p leopod under different tem peratures

2.2.2 腹足摆动频率昼夜差异

对昼夜两组南极大磷虾腹足摆动频率进行统计，并对温度梯度进行了独立样本T检验，T＝4.124，df＝738，P＜0.05，结果表明不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动频率存在显著的昼夜差异性。腹足最大摆动频率白天变化范围为4.00～4.30次·s-1，晚上则为 3.70～4.60次·s-1。腹足最小摆动频率白天变化范围1.30～1.90次·s-1，晚上为1.30～1.60次·s-1。腹足平均摆动频率白天变化范围为2.85～2.97次·s-1，晚上为2.62～2.80次·s-1（表 4）。

2.2.3 不同体长组腹足摆动频率变化

对不同体长组间摆动频率进行两因素差异检验，可见df＝9，F＝3.266，P＜0.05，各组间摆动频率差异显著。腹足平均摆动频率在1.70～3.11次·s-1，最大值出现在34～37 mm体长组，最小值出现在28～31 mm体长组。1～5℃梯度平均摆动频率最大值集中在31～40 mm之间，且体长分布较为连续。各温度梯度最小值多集中出现在28～31 mm和55～58 mm两个体长组，但体长分布不连续。平均摆动频率平均值最大为2.97次·s-1，出现在34～37 mm体长组；平均摆动频率平均值最小为2.10次·s-1，出现在55～58 mm体长组（表5）。

2.2.4 南极大磷虾生存状态及腹足摆动频率变化

不同温度梯度下南极大磷虾不同生存状态的个体比例及其腹足平均摆动频率如表6所示。在1～5℃梯度中，南极大磷虾个体横卧状态个体的比例最高，占47.97% ～54.05%，最高出现在3℃梯度，最低出现在2℃梯度；其平均摆动频率范围在2.61～2.75次·s-1，最高出现在4℃梯度，最低出现在3℃梯度。垂直游动状态占19.60% ～26.35%，其平均摆动频率为 2.90～3.08次·s-1，最高出现在4℃梯度，最低出现在3℃梯度。水平游动状态占22.30%～29.73%，其平均摆动频率范围在2.96～3.10次·s-1，最高出现在5℃梯度，最低出现在2℃梯度。螺旋游动状态比例小，仅占0.68% ～2.03%，最高出现在2℃梯度，3～5℃梯度均为0.68%；其平均摆动频率范围在2.40～3.50次·s-1，最高出现在4℃梯度，最低出现在5℃梯度。

表4 不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动频率的昼夜差异Tab.4 Differences of w iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod between day and night under different temperatures

表5 南极大磷虾不同体长组的腹足平均摆动频率Tab.5 W iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod w ith different body lengths

2.3 骤变降温实验

2.3.1 不同温度梯度腹足摆动频率差异

在骤变降温实验中，对不同温度梯度变化下南极大磷虾个体腹足摆动频率进行单因素ANOVA差异检验，可见df＝2，F＝5.093，P＜0.001，各温度梯度间腹足摆动频率差异显著。由表7可知，腹足摆动频率变化范围为0.80～4.60次·s-1，平均摆动频率最高值出现在5℃梯度，为2.83次·s-1，最低值出现在 -0.5℃梯度，为2.47次·s-1。最大摆动频率变化范围为4.10～4.60次·s-1，最大值出现在 -0.5℃，最小值出现在0℃梯度。最小摆动频率变化范围为0.80～1.40次·s-1，最大值出现在5℃，最小值出现在-0.5℃。与5℃相比，腹足摆动平均变化率分别为-5.54%和-8.70%，腹足摆动频率上升比例仅为29.63%和27.69%（表7，表8）。

2.3.2 昼夜两组温度梯度变化实验

对昼夜两组南极大磷虾腹足摆动频率进行统计，并对温度梯度进行了独立样本T检验，T＝0.897，df＝411，P＞ 0.05，结果表明不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动频率昼夜差异性不显著。腹足最大摆动频率白天变化范围为3.90～4.10次·s-1，晚上则为3.80～4.60次·s-1。腹足最小摆动频率白天变化范围 0.80～1.60次·s-1，晚上为0.90～1.40次·s-1。腹足平均摆动频率变化范围为2.47～2.85次·s-1，晚上为2.44～2.80次·s-1（表9）。

表6 不同温度梯度下南极大磷虾各生存状态的个体比例及其腹足平均摆动频率Tab.6 Survival state and w iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod under different tem peratures

表7 不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动频率Tab.7 W iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod under different tem peratures

表8 不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动频率的变化率Tab.8 Change rate of w iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod under different tem peratures

表9 不同温度梯度下南极大磷虾腹足摆动频率的昼夜差异Tab.9 Differences of w iggling frequency of Euphausia superba’s p leopod between day and night under different temperatures

2.3.3 不同体长组腹足摆动频率变化

对不同体长组间摆动频率进行两因素差异检验，可见df＝9，F＝2.260，P＜0.05，各组间摆动频率差异显著。腹足平均摆动频率在1.79～2.99次·s-1，最大值出现在34～37 mm体长组，最小值出现在49～52 mm体长组，平均摆动频率最大值集中在31～40 mm之间，且体长分布较为连续。平均摆动频率平均值最大为2.76次·s-1，出现在34～37 mm体长组；平均摆动频率平均值最小为2.10次·s-1，出现在55～58 mm体长组（表10）。

2.3.4 南极大磷虾生存状态及腹足摆动频率变化

不同温度梯度下南极大磷虾不同生存状态的个体比例及其腹足平均摆动频率如表11所示，南极大磷虾横卧状态个体的比例最高，占46.62%～52.03%，最高出现在5℃梯度，最低出现在-0.5℃梯度；其平均摆动频率范围在2.35～2.66次·s-1，最高出现在 5℃梯度，0℃和-0.5℃梯度平均摆动频率均为2.35次·s-1。垂直游动状态占24.32%～26.35%，其平均摆动频率为2.61～2.95次·s-1，最高出现在5℃梯度，最低出现在-0.5℃梯度。水平游动状态占为16.22% ～22.30%，其平均摆动频率范围在2.61～3.10次·s-1，最高出现在 5℃梯度，最低出现在-0.5℃梯度。螺旋游动状态比例很小，在5℃、0℃和-0.5℃梯度均为0.68%；其平均摆动频率范围在2.40～2.70次·s-1，最高出现在0℃梯度，最低出现在5℃梯度。磷虾个体死亡现象只出现在0℃和-0.5℃两个梯度中，占比分别为8.78%和12.16%。

表10 南极大磷虾不同体长组的腹足平均摆动频率Tab.10 W iggling frequency of Euphausia superba’s pleopod w ith different body lengths

表11 不同温度梯度下南极大磷虾各生存状态的个体比例及其腹足平均摆动频率Tab.11 Survival state and w iggling frequency of Euphausia superba’s p leopod under different temperatures

3 讨论

3.1 南极大磷虾对温度变化的适应性

南大洋温度的升高，对南极海域产生了深刻的影响［16］，南极大磷虾作为南极洲生态系统的关键物种，其生存状态也受到温度条件变化的影响，国内外学者对此开展了一些研究［17-19］。本文通过观察南极大磷虾个体腹足摆动频率在渐变升温和骤变降温过程中的变化来研究南极大磷虾对温度变化的适应性。实验结果表明，温度渐变升温过程对南极大磷虾的腹足摆动频率的影响较小，骤变降温过程对南极大磷虾的腹足摆动频率影响较大。南极大磷虾腹足摆动频率在1～3℃的减少反应和在3～5℃的增加反应可以看出，南极大磷虾在1～5℃时对温度的渐变有较好的生存适应性，与杨文杰等［17］提出的南极大磷虾对0～6℃温度变化有较强的适应能力一致。在骤变降温实验中，与5℃相比，温度骤降后有70%以上个体腹足摆动频率有降低反应，且腹足摆动频率变化幅度较大，由此可见南极大磷虾在温度骤降过程中生存适应性较差。李莹春等［15］通过加入浮冰的方式模拟南极大磷虾在浮冰下缘的生存环境，分析得出南极大磷虾活体的活性有较好保持性。AARSET和 TORRES［20］研究表明，南极大磷虾对低温的可承受临界温度为-9℃，而本文出现的腹足摆动频率降低的反应可能与短时间内温度持续升高后骤降有关。

3.2 对温度变化适应性的昼夜差异

诸多研究表明，南极大磷虾有集群习性，且具有典型的昼夜移动特征［21-22］，这种对昼夜变化的适应性也有可能在个体生存状态中有所反映。本实验结果表明在渐变升温过程中，南极大磷虾腹足摆动频率对温度变化具有显著的昼夜差异性，骤变降温过程无明显差异。1～5℃梯度，白天腹足平均摆动频率均高于晚上，一定程度上表明南极大磷虾在白天有较好的活跃性，且对温度渐变升温和骤变降温的适应性优于晚上。南极大磷虾腹足摆动可能与南极大磷虾生活习性有关，KAWAGUCHI等［23］研究认为食物和光照强度对南极大磷虾的游泳模式和集群行为有影响，南极大磷虾在较明亮的光线下形成更紧密的集群，在形成高密度集群时，磷虾个体会快速地朝同一方向游泳，加快摆动频率是其加速游动的重要方式［24］。KILS［24］认为，南极大磷虾通过不停地摆动附肢以控制身体不下沉。本文虽是对南极大磷虾个体腹足摆动频率的研究，但长期形成的生活习性可能对其腹足摆动频率有一定的影响。在渐变升温实验中，白天组最大摆动频率值在3～4℃出现转折，最小摆动频率除4℃梯度外，均白天高于晚上。由此可以推断，3～4℃梯度是影响南极大磷虾对渐变升温昼夜差异的主要梯度。骤变降温实验中：0℃梯度的腹足平均摆动频率、最大摆动频率和最小摆动频率均是白天高于晚上；-0.5℃梯度的腹足平均摆动频率、最大摆动频率和最小摆动频率均为白天小于晚上，说明南极大磷虾在0～-0.5℃梯度内具有较为一致的适应性。

3.3 不同体长组适应性差异

南极大磷虾体长的变化一定程度上能够反映其生长状态，基于体长频度法估算南极大磷虾年龄结构是一种较为传统的研究方法［25-27］。本文通过分析不同体长组在渐变升温和骤变降温过程中腹足摆动频率变化，发现不同体长组南极大磷虾腹足摆动频率差异显著，各温度梯度平均摆动频率最大值集中在31～40 mm体长组之间，且分布体长较为连续，最小值则集中出现在最大和最小两个体长组。由此可见，31～40 mm体长组对温度变化的适应性较强，而最大和最小体长组个体的适应性最弱。目前，对南极大磷虾温度适应性的研究多为对其生存状态的研究［15，17］，一些学者对游泳姿态和游泳行为进行了研究［24，28］，但对温度变化下的游泳行为和不同年龄阶段的游泳行为研究较少。本实验由于实验环境和不同年龄结构活体获取的难度性，无法系统研究不同年龄南极大磷虾对温度的适应性，只能通过分析不同体长南极大磷虾对温度变化的适应性，因此存在一些不足。

3.4 温度对南极大磷虾生存状态的影响

游泳能力大小对磷虾的生长和存活至关重要［29］，通过设置渐变升温和骤变降温实验对比分析南极大磷虾腹足摆动频率的变化，有利于从升温和降温两个方向研究南极大磷虾的生存状态变化。从本次实验结果可以看出，无论是渐变升温过程还是骤变降温过程，南极大磷虾横卧比例均高于其他生存状态，其腹足平均摆动频率也相对较小，南极大磷虾个体死亡现象只出现在0℃和-0.5℃两个梯度中。杨文杰等［17］认为，南极大磷虾的适宜临界海水温度为7℃左右，当水温达到7～14℃时，实验个体开始出现不同程度的不适现象，当温度达到13℃时，南极大磷虾出现休克或死亡现象，而本文骤变降温实验中，当温度骤降至0℃时便出现死亡现象，由此可见骤变降温过程对南极大磷虾的生存状态影响大于渐变升温过程。

目前，在南极大磷虾调查海域进行现场暂养实验，有利于获取高质量的南极大磷虾活体样本，国内外学者通过现场暂养实验对南极大磷虾的生长、游泳等行为状态及耐受性进行了研究［31-32］，获得了宝贵的参考资料，但受海上科研设备限制，现场暂养实验难度较大，效果也较难得到保证。本实验在方案设计、实验条件、实验材料等方面依然存在一定的缺陷，尤其是由于南极大磷虾活体获取的难度性，无法确定南极大磷虾群体的年龄结构，因此，本实验所得到的结果可能会存在一定误差，实验各环节的质量仍有待提高，但本研究结果也为南极大磷虾对温度变化的适应性研究提供了一定的参考资料。

致谢：中国水产有限公司 “龙腾”轮船长、政委、各位船员在室验过程中给予帮助，谨致谢忱！