通天河2种高原鳅星耳石锶和钙的微化学特征

刘洪波，姜 涛，陈修报，杨 健

(中国水产科学研究院淡水渔业研究中心院长江中下游渔业生态环境评价和资源养护重点实验室，江苏 无锡 214081)

【研究意义】长江源区的通天河段地处青藏高原中部，这里海拔高(大于3500 m)，空气稀薄，水中溶氧量低，光照强，昼夜温差大，降水量少且不均衡，高原生态环境独特。同时，该区域构造运动活跃，曾经历青藏高原自第三世纪末期开始的多次隆起[1]，近期则表现为地震频发，是研究古环境和气候变化关系的关键区域之一[2]。特殊的生态环境孕育了适应长江源头低水温、强辐射等严酷自然条件的高海拔地区特有鱼类-高原鳅。高原鳅是鲤形目(Cypriniformes)、鳅科(Cobitidae)、条鳅亚科(Nemacheilinae)、高原鳅属(Triplophysa)的简称，生活在通天河水域的高原鳅主要有斯氏高原鳅Triplophysastoliczkae(Steindachner) 和小头高原鳅Triphophysaminuta(Hedinichthys, Li,1966)等，它们共同的生物学特点是生长缓慢,体长多在100 mm以下。虽然经济价值有限，但因是青藏高原鱼类区系的土著种，它们的存在为研究青藏高原的地理变迁与生物类群的演化提供了活标本，具有重要的科研价值。【前人研究进展】通过分析水环境中元素的含量及其变化、地理分布及其控制因素等特征来研究环境的演化及对全球气候变化的影响是国际学术界的一个研究热点[3-4]。其中流域锶(Sr)元素的来源及其物源示踪意义的研究对认知陆地-河流-海洋之间的元素变动及区域气候变化具有重要意义[5]。另一方面，水中的元素在鱼体内经过血液循环并进入内耳淋巴液等一系列生理过程后，最终会在鱼耳石生长轮上沉积并长期保存[6]。相比水温和盐度而言，水体元素浓度对鱼耳石元素富集的影响更为显著[7-8]。自然界中由于海水与淡水间Sr元素的浓度相差较大[9]，因而耳石中的Sr常被用作研究其对环境因子(主要是水体元素浓度)响应的首选[10]。【本研究切入点】本研究选择长江源区通天河段玉树巴塘水域的斯氏高原鳅和小头高原鳅进行耳石Sr元素分析，并与水体的相应元素进行对比，【拟解决的关键问题】以期获得耳石Sr元素对环境响应的相关信息，分析其来源及环境指示意义。尝试从新的角度解读高原淡水鱼耳石Sr元素地球化学特征及其可能的生态学意义。

1 材料与方法

水样在通天河上游和下游河段各采集一处(样点1和2，图1)，每个断面一次性采集原液250 mL，经0.45 μm滤膜过滤后汇入聚丙烯瓶中封装并用快递运回实验室。过滤后每份采样点原液再经0.22 μm过滤头进行第2次过滤，一份原液制成5份上机样品(30 mL/样品)，水样置于定容瓶中，加入1.5 mL硝酸(优级纯，德国Merck公司)待测。

上述两处样点10份上机水样的锶(Sr)元素用电感耦合等离子质谱仪(Agilent 7500ce ICP-MS)进行测定，利用元素标准添加回收法确认了测定精度，得到元素的回收率在80 %～102 %范围内。

图1 本研究水样(样点1，2)和鱼样(样点2)的采样点Fig.1 Sampling sites for water and fish samples in present study

鱼样均在长江源区的通天河段玉树巴塘水域捕获，斯氏高原鳅(S)和小头高原鳅(X)各3尾，其详细信息见表1。采样地点(样点2)如图1所示。

因高原鳅属鲤形目，其3对耳石比较特殊，矢耳石细长易碎，微耳石小且中间较厚，不易观察到耳石核心，星耳石近似椭圆形，厚度较为适中，参考前人研究[11]，选星耳石为本研究对象。

耳石前处理主要参照笔者实验室前期的方法[12-13]，即取出星耳石样本，用去离子水洗净并干燥后，将其用AB 胶固定在包埋盒底座上固化约20 min，然后将其整体包埋于环氧树脂(EpoFix，丹麦Struers公司)中。待包埋样本38 ℃烘干12 h以上后，对其切割及碾磨(Discoplan-TS型，丹麦Struers公司)。耳石样本经粗磨至精磨后使耳石核心面暴露，再经磨抛机(LaboPol-35，丹麦Struers公司)表面抛光。最后于Milli-Q水超声波水浴5 min后晾干，经真空镀膜机(JEE-420，日本电子株式会社)镀碳(C)膜后，用电子微探针分析仪(JXA-8100， 日本电子株式会社)从其核心顺着最长轴依次向边缘进行Sr、钙(Ca)含量进行定量线分析测定，或对耳石过核心截面Sr强度进行面分布图谱分析。仪器分析时的设定条件如表2所示。测定结果标准物质为钛酸锶(SrTiO3)和碳酸钙(CaCO3)来检验。

表1 斯氏高原鳅(S)和小头高原鳅(X)的基本数据

表2 本研究电子微探针分析仪的测定参数

由于耳石中Sr的含量受环境影响大而Ca含量波动幅度小，按国际惯例，将Sr浓度标准化为Sr:Ca×103比值。参考 STARS (Sequentialt-test analysis of regime shifts)方法[14-16]，运用Excel 2013导出和分析数据。稳态转换依截断长度为10、置信度水平为0.1、权重为1参数来设定。参考前期研究[17]来区分不同Sr、Ca背景的生境，即耳石对应低Sr或Sr/Ca比生境(Sr∶Ca×103值≤3，相当于淡水)、高锶Sr或Sr/Ca比生境的分别为(Sr∶Ca×103值>3，相当于河口半咸水或海水)；在相应耳石Sr含量强度面分布分析上，二者分别对应于蓝色或绿黄色、红色图谱。

耳石年龄的鉴定参照姜涛等(2016)[18]的方法，将电子微探针分析完成后的星耳石使用5 %EDTA进行酸蚀处理，每间隔2 s 取出，用去离子水清洗和观察，直至获得较清晰的年轮。

2 结果与分析

水样点1 Sr的测定结果为(4645±87) μg/L，水样点2 Sr的测定结果为(932±37) μg/L，两地水样Sr浓度相差约5倍(图2)。

图2 通天河2个样点水样中的Sr含量Fig.2 Sr concentration of water samples from 2 sampling sites along Tongtianhe river

3尾斯氏高原鳅和3尾小头高原鳅星耳石从核心(0 μm)至边缘Sr∶ Ca定量线分析结果见图3，样本Sr元素16色强度面分布图谱分析结果见图4。

3尾斯氏高原鳅耳石的Sr元素含量面分布分析图谱可将其分为2种生态类型，S1为一类，呈深蓝色，属常年生活在低Sr水域；S2和S3为一类，分析图呈现Sr含量较高的浅绿、浅蓝条带，栖息水域与S1明显不同。耳石定量线分析的Sr∶Ca值中S1<2，3

图3 通天河水域斯氏高原鳅(S)和小头高原鳅(X)耳石从核心(0 μm)到边缘电子探针定量线分析Sr∶Ca值(按惯例标准化成Sr∶Ca×103)的变化Fig.3 Fluctuation of Sr∶ Ca ratios (standardized to Sr∶ Ca×103 customarily) of electron microprobe analysis along line transects from the core (0 μm) to the edge in otoliths of T. stoliczkae (S) and T. minuta (X) from the Tongtianhe river

3尾小头高原鳅星耳石Sr含量强度分析图显示其均在低Sr的水域出生，出生后X1继续在原来的水域觅食生长，X3有不同深浅蓝色条带交互，其活动范围比X1略大。X2的条带更加丰富，1龄左右开始移动至高Sr(红色或绿色条带)的水域生活直至被本研究捕获。线定量分析图显示Sr∶Ca：X1，X3<3，2

3 讨论与结论

长江源在青海境内称通天河[19]，从采样点1的上游至采样点2的下游玉树巴塘水域，跨越1000多公里[20]，占据了青藏高原中腹的广大地带[21]。该区域河流的特点是岩性复杂，溶解的化学成分含量高，并且有区域性差异[20,22]。从本研究的结果看，通天河河水Sr元素含量呈现上游高下游低的特征(图2)，但总体上仍远高于中国中东部地区地表水Sr含量(平均值139 μg/L)[23]和世界河流Sr元素含量平均值78 μg/L[5]，其Sr/Na比值与海水一致[4,22]。随着海拔的升高，长江源区的年平均降雨量逐渐减少，年平均蒸发量逐渐增加[20]。河水的化学成分以蒸发岩类溶解为主[4,22]，湖泊里大量的蒸发岩是二叠系海相-海陆相交替沉积造成的[20]，是新生代以来青藏高原大面积崛起的结果，而水中Sr元素的含量更成为当时高原古环境和气候变化的关键证据[2]。

分析鱼类耳石中Sr元素的特征某种程度上可以反映青藏高原的构造格局变化与水体环境的关系。斯氏高原鳅S1、小头高原鳅X1和X3耳石的Sr∶Ca值<3，其Sr含量面分布分析图均呈现对应淡水生境的蓝色，应该是常年生活在Sr元素较低的下游区，这里受印度洋气流的影响，相对较为暖和湿润，年降雨量约是上游的2倍[20]，因而稀释了水中元素的浓度。而小头高原鳅X2耳石的Sr∶Ca值甚至高达15、斯氏高原鳅S2和S3的Sr∶Ca值亦在3～9之间、两类鱼的Sr元素面分布图亦呈现了红色(X2)、绿色(S2、S3)等高Sr环境特征，与通天河上游水中检测出的高Sr含量一致，推测原因可能是由于该地区青藏高原地形抬高，阻挡了来自海洋的湿润气候进入，气候变干，河水中溶解态的Sr含量较高所致。因此斯氏高原鳅和小头高原鳅不同的生活史型与青藏高原第三世纪末期开始隆起导致的环境改变密切相关。

生物地理学(Biogeography)[24]是研究生物地理分布格局、规律及成因的一门交叉学科[25]。青藏高原地区独有的鱼类资源与自然环境的关系吸引了学者的广泛兴趣。如金沙江上游的主要经济冷水鱼——裂腹鱼(Schizothoraxspp.) 的3个类型(原始型、特化型和高度特化型)的分布区就与青藏高原隆起的3个主要阶段有对应关系[1]。通过种内分子钟估算的方法得出了东方高原鳅(Triplophysaorientalis)的种群遗传结构与青藏高原的隆升基本吻合的结论[26]。而对生活在水体-沉积物之间的鱼类而言，以离子替换(如Sr代替Ca)或其它方式进入耳石中的微量元素的成分与水体的化学成分密切相关[7,27]，因此耳石可以成为研究古环境变迁的理想材料。

本文通过分析青藏高原地区的独有鱼类-高原鳅星耳石中Sr和Sr/Ca值的特征，发现斯氏高原鳅和小头高原鳅均存在无高Sr履历和有高Sr履历2种生活史型，与长江源通天河段上游水域Sr高、下游水域Sr相对较低的环境背景值相吻合，其高Sr值的来源应该与青藏高原隆起导致的高原环境和气候变化密切相关。