2015, Vol. 35文章信息
- 陆化杰, 陈新军, 方舟
- LU Huajie, CHEN Xinjun, FANG Zou
- 西南大西洋阿根廷滑柔鱼耳石元素组成
- An analysis of element composition in the statoliths of Illex argentisnus squid in the Southwest Atlantic Ocean
- 生态学报, 2015, 35(2): 297-305
- Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(2): 297-305
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201303260514
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文章历史
- 收稿日期：2013-03-26
- 网络出版日期：2014-03-25
2. 国家远洋渔业工程技术研究中心, 上海 201306;
3. 上海海洋大学大洋渔业可持续开发省部共建教育部重点实验室, 上海 201306
2. National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai, 201306, China;
3. Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
耳石(statolith)是头足类调节自身平衡的硬组织[1]，其生长贯穿整个生命周期，具有不可逆的沉积过程[2]，储存了包括反映日龄的生长轮纹[3]、反映生长环境变化的微量元素[4]等重要信息。近些年来，基于头足类耳石微量元素、同位素等微化学成份分析的研究方法，逐渐成为头足类渔业生物学和渔业生态学研究的一种重要手段[5, 6, 7, 8, 9]。阿根廷滑柔鱼Illex argentinus广泛分布于22°—54°S的西南大西洋海域，主要集中于35°—52°S海域[10]，资源量丰富[11]，是重要经济头足类之一，在海洋生态系统中起着重要的作用[12],也是我国鱿钓渔业重要的目标种类之一[13]。为此，本研究根据中国鱿钓船2007、2008和2010年在西南大西洋海域生产期间采集的阿根廷滑柔鱼耳石样本，利用激光剥蚀电感等离子质谱法(Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry,LA-ICP-MS)[6, 14]，分析西南大西洋阿根廷滑柔鱼耳石元素分布与组成，探讨不同性别、不同孵化群体、不同耳石部位元素的沉积特性，为利用耳石元素研究阿根廷滑柔鱼渔业生态学奠定基础。
1 材料和方法 1.1 材料来源样本来自“新世纪52号”和“浙远渔807号”专业鱿钓船。时间为2007年2—5月、2008年3—5月和2010年1—3月，采集海域分别为40°02′S —46°53′S、57°55′W— 60°43′W，45°03′S —46°57′S、60°02′W— 60°47′W 和45°17′S —47°14′S、60°0′5W — 60°47′W(图 1)。样本采集后立即冷冻保存，带回实验室分析。
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| 图 1 阿根廷滑柔鱼采样分布图 Fig. 1 Sampling locations for I. argentinus in the southwestern Atlantic Ocean |
实验室解冻后对阿根廷滑柔鱼进行生物学测定，包括胴长(Mantel length，ML)、体重(Body weight,BW)，对性别、性成熟度进行目测，标准参考Lipinski[15]。胴长测定精确至1 mm，重量精确至1 g。
用镊子轻轻将耳石从平衡囊取出、编号，存放于盛有95%乙醇溶液的1.5 mL离心管中，以便溶解、清除包裹耳石的软膜和表面的有机物质。
1.3 样本日龄鉴定及群体划分利用耳石生长纹研究样本的日龄并进行群体划分，具体参照陆化杰和陈新军[16]。以采样日期(站位)选取样本(日期间隔长)，并考虑个体大小、性别比例、孵化日期(不同孵化时间)等指标，选取33尾样本(表 1)，利用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)对其耳石微区进行元素测定，测定完毕后，对打点位置进行日龄鉴定。一对耳石中的另外一枚用于测定耳石整体元素组成。样本详细信息见表 1。
| 采样年份 sampling year | 日龄 Age /d | 经度 Longitude | 纬度 Latitude | 胴长 Mantle length/ mm | 体重 Body weight /g | 性成熟度 Sexual maturity stage | 性别 Sex | 孵化月份 Hatchling month |
| 2007 | 270 | 60°39′ | 45°37′ | 205 | 165 | Ⅰ | 雌性 | 5 |
| 2007 | 269 | 60°39′ | 45°47′ | 202 | 180 | Ⅰ | 雌性 | 5 |
| 2007 | 318 | 60°39′ | 45°47′ | 239 | 290 | Ⅲ | 雄性 | 3 |
| 2007 | 201 | 60°25′ | 45°25′ | 198 | 110 | Ⅰ | 雌性 | 8 |
| 2007 | 249 | 60°38′ | 45°32′ | 197 | 143 | Ⅰ | 雄性 | 6 |
| 2007 | 259 | 60°05′ | 40°02′ | 238 | 302 | Ⅳ | 雄性 | 6 |
| 2007 | 285 | 60°02′ | 42°57′ | 252 | 322 | Ⅱ | 雌性 | 6 |
| 2007 | 267 | 60°02′ | 44°59′ | 229 | 266 | Ⅳ | 雄性 | 6 |
| 2007 | 326 | 60°07′ | 45°39′ | 314 | 712 | Ⅴ | 雌性 | 6 |
| 2008 | 285 | 60°47′ | 45°37′ | 227 | 230 | Ⅱ | 雄性 | 6 |
| 2008 | 208 | 60°04′ | 45°06′ | 175 | 140 | Ⅳ | 雄性 | 8 |
| 2008 | 267 | 60°10′ | 45°13′ | 223 | 255 | Ⅳ | 雄性 | 6 |
| 2008 | 271 | 60°09′ | 45°25′ | 216 | 245 | Ⅳ | 雄性 | 7 |
| 2008 | 353 | 60°20′ | 46°26′ | 282 | 485 | Ⅳ | 雄性 | 5 |
| 2008 | 317 | 60°09′ | 46°07′ | 262 | 465 | Ⅳ | 雄性 | 6 |
| 2008 | 330 | 60°19′ | 45°18′ | 249 | 330 | Ⅳ | 雄性 | 6 |
| 2008 | 295 | 60°24′ | 46°31′ | 275 | 460 | Ⅳ | 雄性 | 7 |
| 2008 | 310 | 60°47′ | 45°37′ | 250 | 280 | Ⅱ | 雌性 | 5 |
| 2008 | 301 | 60°09′ | 46°07′ | 258 | 375 | Ⅲ | 雌性 | 6 |
| 2008 | 336 | 60°31′ | 46°32 | 316 | 690 | Ⅳ | 雌性 | 6 |
| 2010 | 301 | 60°21′ | 45°17′ | 183 | 116 | Ⅳ | 雄性 | 4 |
| 2010 | 226 | 60°21′ | 45°17′ | 215 | 160 | Ⅱ | 雌性 | 7 |
| 2010 | 310 | 60°21′ | 45°17′ | 212 | 147 | Ⅲ | 雄性 | 4 |
| 2010 | 233 | 60°21′ | 45°17′ | 195 | 109 | Ⅱ | 雌性 | 7 |
| 2010 | 339 | 60°35′ | 45°25′ | 217 | 238 | Ⅴ | 雄性 | 2 |
| 2010 | 319 | 60°13′ | 46°05′ | 236 | 309 | Ⅳ | 雄性 | 4 |
| 2010 | 329 | 60°25′ | 45°21′ | 213 | 221 | Ⅳ | 雄性 | 3 |
| 2010 | 283 | 60°35′ | 45°36′ | 222 | 200 | Ⅲ | 雌性 | 4 |
| 2010 | 301 | 60°44′ | 47°14′ | 249 | 285 | Ⅱ | 雌性 | 5 |
| 2010 | 272 | 60°34′ | 45°35′ | 197 | 182 | Ⅴ | 雄性 | 4 |
| 2010 | 332 | 60°22′ | 46°30′ | 229 | 266 | Ⅴ | 雄性 | 4 |
| 2010 | 343 | 60°22′ | 46°30′ | 216 | 214 | Ⅱ | 雄性 | 3 |
| 2010 | 368 | 60°45′ | 46°56′ | 252 | 301 | Ⅱ | 雌性 | 3 |
耳石样品取出后，放入7 mL特弗隆带盖小瓶中，加入120 μL的硝酸，然后放在120 °C的电热板上蒸干。然后再次加入120 μL的硝酸，确保样品完全溶解，在120 °C的电热板上再次蒸干。最后趁热加入250 μL含50×10-9的5%硝酸溶液，盖上盖子等待电感耦合等离子体质谱(ICPMS)测试[6]。
1.4.2 耳石微区元素测定耳石微区元素含量分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)利用LA-ICP-MS完成。日龄鉴定以后，由耳石中心至背区边缘，在耳石的核心区(Nuclear,N)(1个取样点)、后核心区(Postnuclear,PN)(1个取样点)、暗区(Dark Zone,DZ)(2个取样点)、外围区(Peripheral Zone,PZ)(3个取样点)，共选取7个取样点[6, 17] (图 2)。激光剥蚀系统为Geolas 2005，ICP-MS 为Agilent 7500a。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合。在等离子体中心气流(Ar+He)中加入了少量氮气，以提高仪器灵敏度、降低检出限和改善分析精密度[18]。每个时间分辨分析数据包括大约20—30 s的空白信号和50 s的样品信号，详细的仪器操作条件[19, 20]见表 2。
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| 图 2 阿根廷滑柔鱼耳石微区元素分析打样点 (1: 核心区,2:后核心区,3—4:暗区,5—7:外围区) Fig. 2 Analysis points in one of ground statolith of I. argetntinus (Spot 1was in N,Spot 2 was in DZ,Spots 3—4 were in P,Spots 5—7 were in PZ,respectively) |
| GeoLas 2005激光剥蚀系统参数 Parameters of Laser ablation of GeoLas 2005 | Agilent 7500a等离子质谱仪系统参数 Agilent 7500a，ICP-MS | ||
| 波长Wave length | 193 nm,excimer laser | RF功率Frequency of RF | 1350 W |
| 脉冲宽度Laser pulse | 15 ns | 等离子体流速Speed of plasma | 15.0 L/min |
| 能量密度Energy density | 14 J/cm2 | 辅助气流速Speed of added gas | 1.0 L/min |
| 斑束直径Spot diameter | 32 μm | 离子透镜设置Parameter of plasma lens | 5.4 mm |
| 频率Laser pulse frequency | 8 Hz | 剥蚀时间Time of ablated | 10 ms |
| 载气 (氦气)Sample gas (Helium) | 0.75 L/min | 检测器模式Mode of detector | Dual |
| 补偿气(氩气)Added gas (Argon) | 0.9 L/min | ||
为校正标准，采用多外标、无内标法对元素含量进行定量计算。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量计算)采用软件ICPMSDataCal完成[19]。
1.5 数据分析(1)统计分析阿根廷滑柔鱼耳石元素种类及主要元素组成，并选取含量前10位的元素进行分析。
(2)利用方差分析方法，分析不同性别、不同孵化群体及不同耳石部位(代表不同生长阶段)耳石主要元素值的变化是否存在显著性差异[21]。
(3)量化耳石各区主要元素的变化特性。
2 结果 2.1 耳石元素组成分析表明，阿根廷滑柔鱼耳石中共检测出Ca等56种元素，其中Ca主要以CaCO3形式存在，各剥蚀点元素总重量的(97.24±0.27)%，含量前10位的元素分别为钙Ca (389025.201±1060.999) mg/kg、锶Sr(7081.959±552.485) mg/kg、钠Na(4707.471±469.436) mg/kg、磷P(416.129±266.052) mg/kg、钾K(223.338±105.227) mg/kg、铁Fe(82.228±12.667) mg/kg、镁 Mg(68.413±56.065) mg/kg、钡Ba(9.715±1.857) mg/kg、硼B(6.111±1.471) mg/kg、镓Ga(1.221±0.254) mg/kg。其余元素分别为钇Sn(0.367±0.208) mg/kg、钪Ce(0.005±0.054) mg/kg、锑Sb(0.036±0.049) mg/kg、锌Zn(1.073±1.892) mg/kg、铷Rb(0.143±0.158) mg/kg、锰Mn(1.392±2.689) mg/kg、镍Ni(0.483±0.833) mg/kg、铜Cu(1.098±2.228) mg/kg、钒V(0.011±0.019) mg/kg、钕Nd(0.002±0.005) mg/kg、铌Nb(7±0.002)×10-4 mg/kg、锗Ge(0.072±0.088) mg/kg、镧La(0.001±0.004) mg/kg、钨W(0.003±0.008) mg/kg、钐Sm(0.002±0.006) mg/kg、硒Sc(0.026±0.021) mg/kg、钇Y(0.008±0.006) mg/kg、钼Mo(0.019±0.038) mg/kg、铬Cd(0.029±0.081) mg/kg、钴Co(0.033±0.017) mg/kg、铅Pb(0.283±0.149) mg/kg、钛Ti(0.501±3.889) mg/kg、铬Cr(0.496±0.849) mg/kg、铪Hf(0.002±0.008) mg/kg、镨Pr(6±0.001)×10-4 mg/kg、钬Ho(4±0.001)×10-4 mg/kg、铀U(0.016±0.012) mg/kg、锆Zr(0.005±0.017) mg/kg、铝Al(1.487±0.661) mg/kg、 锂Li(1.921±1.503) mg/kg、银Ag(0.053±0.045) mg/kg、铒Er(8±0.002)×10-4 mg/kg、钛Ti(0.501±3.889) mg/kg、钆Gd(0.001±0.004) mg/kg、铋Bi(0.002±0.003) mg/kg、铍Be(3.3±0.007)×10-3 mg/kg、镱Yb(0.001±0.003) mg/kg、钽Ta(4±0.001)×10-3 mg/kg、钍Th(9±0.004)×10-4 mg/kg、铽Tb(6±0.004)×10-4 mg/kg、铥Tm(5±0.003)×10-4 mg/kg、铯Cs(0.021±0.055) mg/kg、镥Lu(4±0.001)×10-3 mg/kg、硅Si(0.983±1.262) mg/kg、镝Dy(0.001±0.003) mg/kg和铕Eu(0.001±0.002) mg/kg。
2.2 不同性别间耳石元素差异方差分析表明，排在前10位的阿根廷滑柔鱼耳石元素含量性别间均不存在显著性差异，具体为：Ca (F0.0322＝0.8577,P＞0.05)、Sr(F0.089＝0.766,P＞0.05)、Na(F0.051＝0.822,P＞0.05)、P (F0.061＝0.806,P＞0.05)、K(F0.098＝0.755,P＞0.05)、Fe(F0.019＝0.888,P＞0.05)、Mg (F0.951＝0.331,P＞0.05)、Ba(F0.823＝0.365,P＞0.05)、B(F0.184＝0.669,P＞0.05)、Ga (F0.073＝1.271,P＞0.05)。
2.3 不同孵化群体间耳石元素差异方差分析表明，冬季孵化群和秋季孵化群间耳石元素Ca (F0.0322＝0.8577,P＞0.05)、 P (F0.061＝0.806,P＞0.05)、K (F0.098＝0.755,P＞0.05)、Fe (F0.019＝0.888,P＞0.05)、Ga (F0.073＝1.271,P＞0.05)不存在显著性差异，而Sr (F0.569＝0.04,P＜0.05)、Na (F11.996＝0.000,P＜0.05)、Mg (F9.094＝0.000,P＜0.05)、Ba (F3.021＝0.029,P＜0.05)、B (F3.121＝0.048,P＜0.05)存在显著性差异。不同群体Sr、Na、Mg、Ba、B随着日龄变化如图 3所示。Sr、Na、B尽管在数量上存在显著性差异，但两个群体间的变化趋势一致，都是冬季孵化群高于秋季孵化群体。Sr随着日龄的增加而先增加后减小，并且在日龄为120 d时达到峰值，然后减小；Na则随着日龄增加而先减小再增加，并且在日龄为270 d时达到峰值，此后减小；B随着日龄增加也先减小后增加，冬季孵化群在180 d时达到最小值，秋季孵化群则在120d时含量最小。Mg的含量冬季孵化群也高于秋季孵化群体，但变化趋势不一致，冬季孵化群随着日龄增加而减小，日龄为270 d时达到最小值，此后略有增加；秋季孵化群体则随着日龄的增加而先减小后增加，并且日龄为60 d时最小，此后逐渐增加。Ba的含量不同群体间数量、变化趋势都不一致，冬季孵化群体随着日龄的增加先减小后增加，而秋季孵化群体则先增加后减小，并且日龄小于120 d时冬季孵化群体高于秋季群体，而150—270 d时，则秋季孵化群体高于冬季孵化群体(图 3)。
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| 图 3 阿根廷滑柔鱼耳石元素随日龄变化分布图 Fig. 3 Distribution of elements by age in statolith of I. argentinus |
虽然不同群体间阿根廷滑柔鱼耳石元素存在显著性差异，但不同耳石部位间元素变化趋势基本一致(图 4)： Ca、Sr、P、K和B在N 区、PN区、DZ和PZ都存在显著性差异(P＜ 0.05)，其中Ca呈现逐渐增加的趋势，Sr从N区到DZ区逐渐增加，之后急剧下降，总体呈现一个倒“U”型，P和K总体呈现逐渐减小趋势，B先减小到DZ区以后急剧增加，总体呈现一个正“U”型；Fe只有在DZ和PZ区存在显著性差异(P＜ 0.05)，并且呈现逐渐增加趋势(图 4f)；Mg只有N区和PZ区存在显著性差异(P＜ 0.05)，呈现先增加后减小趋势；而Na、Ba和Ga则不存在显著性差异(P＞ 0.05)(图 4)。
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| 图 4 LA-ICP-MS测定的不同耳石部位阿根廷滑柔鱼耳石元素分布 Fig. 4 Element measured with LA-ICP-MS in different growth zone in statolith of I. argentinus from the nucleus to the edge |
研究结果表明，阿根廷滑柔鱼耳石含有 Ca等56种元素，含量前10位的元素分别为Ca、Sr、Na、P、K、Fe、Mg、Ba、B、Ga。而马金[22]对西北太平洋柔鱼耳石的研究表明，其耳石含有钙Ca等47种元素，其中Ca含量最高，其它按含量大小分别是Na、Sr、K、Fe、Mg、Zn、Cu、Ba、Ni等。Liu等[23]的研究显示，秘鲁外海茎柔鱼耳石含有Ca等47种元素，前10位分别为Ca、Sr、Na、Si、K、Mg、Ba、Mn、Zn和Li。对比表明，虽然同属于柔鱼科，但西南大西洋阿根廷滑柔鱼、西北太平洋柔鱼和秘鲁外海茎柔鱼耳石中主要元素并不完全相同，这可能和它们不同的分布海域相关，也可能和耳石自身的元素沉积特性有关，因为头足类耳石元素的沉积不光受到温度、盐度、食物、光照等环境因子的影响[24]，同时也受生长发育、新陈代谢等内在因素的影响[25]。
3.2 不同性别间耳石元素差异不同性别间阿根廷滑柔鱼耳石元素含量前10位的Ca、Sr、Na、P、K、Fe、Mg、Ba、B、Ga的含量都不存在显著性差异。Doubleday[26]研究发现毛利蛸(Octopus maorum) 和苍白蛸 (Octopus pallidus) 耳石中微量元素除了Ni 和 Co以外，都不存在性别间差异。Durholtz 等[27]研究显示，真枪乌贼 (Loligo vulgaris)耳石中Sr和Ca的沉积也不存在性别间的差异，这些结果在本研究中得到了验证。在目前出版的文献中，未见雌雄个体洄游方式与路线不同的同一头足类，因此对于同一群体，不同性别的个体经历的生活史相同，如果元素的沉积存在性别间差异，说明个体对于元素的吸收受到自身新陈代谢的影响大于海洋环境的影响[25]，
3.3 不同孵化群体耳石元素差异研究结果表明，冬季孵化群体和秋季孵化群体Sr、Na、Mg、Ba和B存在显著性差异，而Ca、P、K、Fe和Ga则不存在差异性。元素Sr、Na、Mg、Ba和B的含量存在群体间的显著性差异性，可能和不同孵化群体经历的不同的孵化时间、不同的孵化地点、不同生活环境相关和不同的摄食特性相关[6,24- 25]。Zumholz等[24]通过对乌贼(Sepia ofcinalis)耳石微量元素的研究，认为其Ca、Ba和Sr的沉积与生长环境中的盐度密切相关，并且Sr在耳石上的含量与其生活海域的温度成反比。Durholtz等[27]通过对毛利蛸耳石中的微量元素分析，发现除了Cu 和 Zn以外，微量元素Pb、Mn、Mg、砷As、Co 和 Ba都存在地域间的差异。元素Ca、P、K、Fe和Ga含量不存在群体间的差异，可能说明这些元素的沉积特性不适合用于研究阿根廷滑柔鱼的群体划分。
3.4 不同耳石部位元素差异在阿根廷滑柔鱼耳石含量前10位的元素中，除了Na、Ba和Ga外，Ca、Sr、P、K、Fe、Mg和B在耳石不同部位的含量均存在显著性差异。这些显著性差异可能与耳石不同的生长阶段所经历的生活环境有关。Durholtz等[27]研究表明，真枪乌贼耳石微量元素幼鱼期，Sr主要聚集在翼区及附近区域，而Ca则在侧区含量最高。不同微量元素在头足类耳石不同的部位分布的差异性，不利于利用微量元素研究头足类的群体划分，但一些学者认为头足类胚胎期耳石的微量沉积特性可以用于研究头足类群体划分[26]。
3.5 Sr和Mg研究洄游史的优越性本研究结果表明，阿根廷滑柔鱼耳石含量前10位的元素中，Ca、P、K、Fe和Ga含量不存在群体间的差异，这就意味着不可能利用这些元素研究阿根廷滑柔鱼洄游史。因为，对于短生命周期的头足类，不同的孵化群体所经历的洄游路线不同[16]，即生长的海洋环境不同，而这些元素的沉积不存在显著性差异，说明海洋环境并不是影响这些元素沉积的主要因素。本研究结果还表明，不同耳石部位间阿根廷滑柔鱼耳石Na、Ba和Ga的沉积不存在显著性差异。而在阿根廷滑柔鱼的整个生命周期中，不同耳石部位对应不同的成长阶段，而不同的生长阶段所面临的生活环境不同(海洋环境不同)[6, 10]，这些元素的沉积不存在显著性差异，也同样意味着海洋环境对其沉积的影响不显著，因此，Na、Ba和Ga也不适合用于研究阿根廷滑柔鱼洄游史。含量前十位的元素中，只有Sr和Mg的沉积，即不存在性别间差异、又存在群体间和不同耳石部位间差异，综上所述，Sr和Mg最适合用于研究阿根廷滑柔鱼的生活史。
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