海州湾海洋牧场区两种石首鱼科鱼类耳石形态特征与生长特性

张 硕, 张 潇, 高世科, 孙 文

(1. 上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306; 2.上海海洋大学大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室, 上海 201306)

耳石是沉淀在真骨鱼类内耳中的一种钙化结构,起到听觉和维持平衡的功能[1-2]。鱼类的矢耳石不仅可以作为记录其生活史的媒介,其外部形态特征还可以作为种类鉴定的依据[3-4]。王英俊等[5]根据不同矢耳石形态特征对我国海域石斑鱼属鱼类进行系统分类。区又君等[6]对4种石首鱼[黄唇鱼(Bahabaflavolabiata)、大黄鱼(Pseudosciaenacrocea)、丁氏(Waktingi)和棘头梅童鱼(Collichthyslucidus)]耳石的形态特征和微结构进行比较,并量化矢耳石、星耳石的中心核和原基,以区分不同种间的差异。研究表明,耳石的形态特征与鱼类的生长特性密不可分[7],当无法直接研究鱼类的生长情况时,可以从耳石的生长来评估鱼类的生长。例如,在胃含物分析过程中,许多饵料鱼类已被消化或残缺不全,无法得知被捕食鱼类的大小[8]。耳石具有不易被消化的特点,即使被捕食鱼类的消化程度很高,其耳石仍能保存较为完整,可以建立耳石大小与鱼体长度、重量的关系式,根据胃含物中残留耳石的大小推算被捕食鱼类的体长和体重等形态指标,近年来国外学者在该领域开展了许多相关研究[9-10],而我国对这方面的研究报道较少。

小黄鱼(Larimichthyspolyactis)和棘头梅童鱼隶属鲈形目(Perciformes)、石首鱼科(Sciaenidae),喜好栖息于温带近海的中、下水层,广泛分布在渤海、东海及黄海南部,是我国重要的中小型经济鱼类[11-12]。由于两种鱼类的表观形态学特征较为相似,因此,对比分析这两种石首鱼科鱼类的耳石形态特征与生长特性,对评估其生长和种群资源具有重要意义。

海州湾位于黄海最西面,为半封闭海湾,生物资源丰富,是我国重点保护的港湾之一[13]。近年来,过度捕捞和航道建设等一系列人为活动使渔业资源衰退严重。自2003年起,海州湾开始进行人工鱼礁建设,目的是修复受损生境、保护鱼类资源[14-15]。相比其他海域(如长江口[16]、东海[17]等),海州湾海洋牧场区域鱼类的耳石形态研究较少,尤其是针对洄游性较强的石首鱼科鱼类。选择海州湾海洋牧场区两种石首鱼科鱼类小黄鱼和棘头梅童鱼为研究对象。通过观测两种鱼类的耳石外型,探讨耳石的形态学参数与鱼类生长的关系,拟合耳石形态学参数与鱼类体长和体重的函数,为小黄鱼和棘头梅童鱼的耳石形态特征研究和耳石生长特性研究提供参考,也为研究海州湾海洋牧场区两种鱼类的生活史特征和种群资源评估提供基础资料和理论参考。

1 材料与方法

1.1 样本采集与处理

小黄鱼和棘头梅童鱼样本均于2019年、2020年秋季在海州湾海洋牧场海域采集,调查采样使用单拖渔船,取样作业海区基本覆盖了海州湾海洋牧场区海域。共捕获棘头梅童鱼87尾,小黄鱼78尾。样本采集后冰冻带回实验室,待其完全解冻,用吸水纸擦干鱼体表面水分后进行生物学测量。体长(body length, BL)测量使用精度为0.01 cm的钢尺,体重(body weight, BW)测量使用精度为0.01 g的电子秤。

解剖鱼体后取出矢耳石,置于无水酒精中浸泡24 h后,清洗晾干,使用分析天平(0.000 1 g)称取左矢耳石重量(otolith weight, OW)。随后将左矢耳石置于Nikon ZOOM645S体视显微镜下采用CCD拍照,利用YRMV 1.0图像分析软件测量两种鱼类左矢耳石的长直径(long diameter, LD)和短直径(short diameter, SD),长直径为耳石的最大长度,短直径为通过耳石中心与长直径垂直的最大宽度。

1.2 数据分析

利用线性函数、指数函数、对数函数、幂函数等关系式,拟合耳石长、耳石宽以及耳石重与体长和体重之间的关系;以及耳石长和耳石宽与鱼体重之间的关系。利用赤池信息准则(AIC)选取拟合函数类型,AIC值最小的模型为最适模型[18]。AIC计算公式:AIC=2k+n×ln(RSS/n),其中,k为模型参数个数,n为样本数量,RSS为残差平方和。

使用随机森林预测模型[19],根据耳石形态学参数预测鱼类体长,分析两种鱼类之间的差异,并得出耳石形态参数对体长和体重的贡献率。同时使用平均绝对误差(mean absolute error, MAE)衡量预测值和真实值之间误差的平均值,MAE值越低,表明预测值与真实值越接近[20]。随机森林模型在Python软件中实现。

利用Excel 2019及SPSS 25.0软件对所测实验数据进行统计分析,对两种鱼类矢耳石的形态指标进行单因素方差分析(one way ANOVA),检验其显著性。

2 结果与分析

2.1 两种鱼类的体长(BL)、体重(BW)分布

采集的87尾棘头梅童鱼样本中,总样本BL范围为80～180 mm,平均值为(129±19) mm。BW范围为10.4～64.3 g,平均值为(26.37±9.81) g。采集的78尾小黄鱼样本中,总样本BL范围为110～182 mm,平均值为(136±15) mm。BW范围为15.5～69.67 g,平均值为(29.93±11.01) g,见图1和表1。

表1 棘头梅童鱼和小黄鱼的耳石形态学参数统计结果Table 1 Statistical results of otolith morphological parameters of C. lucidus and L. polyactis

图1 棘头梅童鱼和小黄鱼的BL、BW分布Figure 1 The distribution of BL and BW of C. lucidus and L. polyactis

2.2 两种鱼类的矢耳石形态特征

小黄鱼矢耳石二维形态呈近椭圆形,边缘平滑,头部较宽,尾部稍窄,内侧具多个晶状突起。耳石不透明,不具放射性纹理,听沟较为明显且平直。棘头梅童鱼矢耳石微呈纺锤形,四周薄中间厚,头部较窄长,尾部较宽短。内侧具有少量晶状突起,边缘略透明且呈锯齿状,中间不透明,外侧听沟贯穿整个耳石,为弧形。两种鱼类矢耳石的尾部和听沟差异性较大(图2)。

a、b:小黄鱼;c、d:棘头梅童鱼。图2 小黄鱼和棘头梅童鱼耳石形状Figure 2 The morphology of sagittal otoliths of C. lucidus and L. polyactis

2.3 矢耳石与两种鱼类体长(BL)、体重(BW)的关系

2.3.1 矢耳石长直径(LD)和短直径(SD)与体长(BL)之间的关系

两种鱼类矢耳石LD和SD均随BL的增加而增大(图3),但是在整个生长期中,小黄鱼耳石LD的增长速度慢于棘头梅头鱼,SD的增长速度两者相近。棘头梅童鱼耳石LD平均值为5.39±0.52,小黄鱼耳石LD平均值为6.37±0.48,单因素方差分析结果显示两者之间存在极显著性差异(P<0.01),见表1。根据最小AIC法,棘头梅童鱼BL与矢耳石LD之间为指数关系:LD=3.430e0.004BL(R2=0.488,AIC=-13.754),小黄鱼BL与矢耳石LD之间为线性关系,关系式为LD=0.018BL+3.875(R2=0.343,AIC=10.249),见表2。棘头梅童鱼耳石SD平均值为4.04±0.40,小黄鱼耳石SD平均值为4.06±0.32,单因素方差分析结果显示两者之间无显著性差异(P>0.05),见表1。棘头梅童鱼BL与矢耳石SD之间关系更适用指数函数,其关系式为SD=2.606e0.003BL(R2=0.463,AIC=-62.57)。小黄鱼BL与矢耳石SD之间的关系更符合线性函数,其关系式为SD=0.013BL+2.299(R2=0.401,AIC=-61.95),见图4和表2。通过函数关系图可以看出棘头梅童鱼耳石SD的增长速度前期较为缓慢,而后期逐渐增加,小黄鱼则为匀速增长。

表2 棘头梅童鱼和小黄鱼的耳石形态学参数与基础生物学参数间关系Table 2 The relationship between otolith morphologic parameters and basic biological parameters of C. lucidus and L. polyactis

图3 棘头梅童鱼和黄鱼矢耳石LD与BL关系Figure 3 The relationship between sagittal otolith LD and BL of C. lucidus and L. polyactis

图4 棘头梅童鱼和黄鱼矢耳石SD与BL的关系Figure 4 The relationship between sagittal otolith SD and BL of C. lucidus and L. polyactis

2.3.2 矢耳石长直径(LD)、短直径(SD)与鱼体重(BW)之间的关系

棘头梅童鱼和小黄鱼耳石的LD和SD均随BW的增加而增大。根据最小AIC法,棘头梅童鱼矢耳石LD与BW之间的关系呈幂函数相关,关系式为LD=2.545BW0.233(R2=0.753,AIC=-23.250)。小黄鱼矢耳石LD与BW之间的关系呈幂函数相关,关系式为LD=3.429BW0.185(R2=0.642,AIC=4.504),见图5和表2。小黄鱼和棘头梅童鱼耳石LD和SD的增长速率均随着体重的上升而下降。

图5 棘头梅童鱼和小黄鱼矢耳石LD与BW关系Figure 5 The relationship between sagittal otolith LD and BW of C. lucidus and L. polyactis

棘头梅童鱼矢耳石SD与BW之间呈幂函数相关,关系式为SD=1.970BW0.224(R2=0.714,AIC=-71.401)。小黄鱼矢耳石SD与BW之间呈幂函数相关,关系式为SD=2.360BW0.1613(R2=0.526,AIC=-64.293),见图6和表2。

2.3.3 矢耳石重(OW)与鱼体长(BL)、体重(BW)之间的关系

棘头梅童鱼和小黄鱼耳石LD和SD均随BL、BW的增加而增大。棘头梅童鱼OW平均值为0.046±0.015,小黄鱼OW平均值为0.067±0.014,单因素方差分析结果显示两者之间存在极显著差异(P<0.01)(表1)。根据最小AIC法,棘头梅童鱼BL与OW之间呈指数关系,关系式为OW=0.008e0.013BL(R2=0.634,AIC=-704.685)。小黄鱼BL与OW之间也呈指数关系,关系式为OW=0.021e0.008BL(R2=0.546,AIC=646.098),见图7和表2。

图7 棘头梅童鱼和小黄鱼OW与BL关系Figure 7 The relationship between sagittal OW and BL of C. lucidus and L. polyactis

棘头梅童鱼BW与OW之间呈显著的线性函数关系,关系式为OW=0.001BW+0.008(R2=0.898,AIC=-812.448)。小黄鱼BW与OW之间呈显著的线性函数关系,关系式为OW=0.001BW+0.034(R2=0.847,AIC=-693.154),见图8和表2。从图 7和图 8可以看出,棘头梅童鱼和小黄鱼OW与BL之间的生长关系相差较大,而OW与BW之间的生长关系相差较小,这说明BL会影响BW的生长。

图8 棘头梅童鱼和小黄鱼OW与BW关系Figure 8 The relationship between sagittal OW and BW of C. lucidus and L. polyactis

2.4 两种鱼类的矢耳石生长特性

2.4.1 矢耳石长直径(LD)与短直径(SD)之间的关系

棘头梅童鱼矢耳石LD与SD之间呈显著的线性关系,其表达式为LD=1.164SD+0.691(R2=0.732,n=87)。小黄鱼矢耳石LD与SD之间也呈线性关系,表达式为LD=1.132SD+1.782(R2=0.541,n=78)(图9)。棘头梅童鱼SD与LD的比值平均值为0.76±0.09,而小黄鱼SD与LD的比值平均值为0.61±0.03(图10)。这说明小黄鱼的矢耳石形态更加窄长,棘头梅童鱼的矢耳石更加宽圆,长直径与短直径比值相对稳定,也表明了两种鱼类耳石的中心核的相对位置基本不变。

图9 棘头梅童鱼和小黄鱼矢耳石LD与SD关系Figure 9 The relationship between sagittal otolith LD and SD of C. lucidus and L. polyactis

图10 棘头梅童鱼和小黄鱼矢耳石LD/SD与BL、BW关系Figure 10 The relationship between LD/SD ratio and BL/BW of C. lucidus and L. polyactis

2.4.2 矢耳石长直径(LD)、短直径(SD)与耳石重(OW)之间的关系

棘头梅童鱼矢耳石LD和SD与OW之间均呈显著的幂函数相关(P<0.05),关系式为OW=0.0004LD2.831(R2=0.798,AIC=-762.241),OW=0.0008SD2.901(R2=0.780,AIC=-762.241),见图11。小黄鱼矢耳石LD和SD与OW之间均呈显著的指数函数关系(P<0.05),见表2,关系式为OW=0.008e0.337LD(R2=0.778,AIC=-762.241),OW=0.0010e0.470SD(R2=0.666,AIC=-663.811),见图12。从图11和图12可以看出,小黄鱼耳石LD、SD与OW的生长关系相比棘头梅童鱼较为平稳,说明在生长过程中小黄鱼OW的变化范围更大。

图11 棘头梅童鱼矢耳石LD和SD与OW关系Figure 11 The relationship between LD and SD of sagittal otolith and OW of C. lucidus

图12 小黄鱼矢耳石LD和SD与OW关系Figure 12 The relationship between LD and SD of sagittal otolith and OW of L. polyactis

2.5 基于随机森林模型的预测

2.5.1 耳石形态参数的贡献率

随机森林模型结果显示,OW对两种鱼类BL和BW的贡献率明显高于其他参数(表3)。除耳石SD对小黄鱼体长的贡献率高于LD外,耳石SD的贡献率不超过0.06,为最低值。小黄鱼与棘头梅童鱼之间差异不大。

表3 棘头梅童鱼和小黄鱼各耳石参数对体长、体重贡献率Table 3 Contribution rate of otolith morphological parameter to body length and body weight of C. lucidus and L. polyactis

2.5.2 随机森林预测结果的准确率

利用耳石形态参数对两种鱼类BL和BW的预测结果如图13和图14所示。棘头梅童鱼和小黄鱼BL的预测值与测量值之间的平均绝对误差(MAE)分别为0.993 2 cm、0.622 5 cm,预测准确度为91.69%、95.35%。BW的预测值与测量值之间的MAE分别为1.57 g、1.96 g,预测准确度为94.01%、93.04%,整体预测结果较好。单因素方差分析(ANOVA)结果显示,小黄鱼和棘头梅童鱼的耳石仅在LD间差异性显著(P<0.05),SD和OW间的差异性不显著(P>0.05)。

图13 棘头梅童鱼和小黄鱼的BL预测值和测量值对比Figure 13 Comparison of predicted and measured values of BL of C. lucidus and L. polyactis

图14 棘头梅童鱼和小黄鱼的BW预测值和测量值对比Figure 14 Comparison of predicted and measured values of BW of C. lucidus and L. polyactis

3 讨论

3.1 两种鱼类的耳石形态分析

形态的种间差异,耳石被认为是鉴定和分类鱼类物种的一种较为成熟的方法,国内外已有众多研究人员对耳石的形态进行研究。如Zhao等[21]通过判别分析研究了黄、渤海黑鳃梅童鱼和棘头梅童鱼耳石形态的差异情况,总体的分类成功率较高;叶振江等[22]利用耳石形态学分析手段探讨日本鲈(Lateolabraxjaponicus)与花鲈(L.maculates)的耳石种间差异。耳石形态分析不仅可以判别不同的鱼种,还可以区分不同群体的鱼类种群,例如,郭泽豪等[23]通过对耳石形态指标进行多元统计分析,鉴定我国近海龙头鱼群体;宋超等[24]分析研究了长江口及邻近海域4个不同地理群体凤鲚矢耳石的形态差异情况。棘头梅童鱼和小黄鱼的耳石在形状和听沟有所差异。研究表明,石首鱼科耳石的听沟也是区别种属间的标志特征之一[25],可以利用耳石听沟较好地鉴定两种鱼类。研究中确认可以通过听沟形态鉴别出棘头梅童鱼和小黄鱼,但不足之处在于未对听沟形态差异的具体分析进行深入研究。

3.2 矢耳石形态与两种鱼类生长关系

研究鱼类耳石形态可以更准确地确定鱼类的生活史和生长。研究表明,鱼类仔鱼期的矢耳石形状更接近于圆形,当进入稚鱼期,耳石形态才趋于稳定[26],所以常用耳石生长来评估鱼体的生长。在摄食生态学研究中,往往只有耳石残留在鱼胃里[27],耳石的形态特征(如长度、宽度和重量)对评估鱼类生物学指标、生物量、资源量等参数至关重要。首次在海州湾海洋牧场区域研究棘头梅童鱼和小黄鱼耳石形态的测量值(LD、SD和OW)与鱼体体长、体重的关系,补充该区域这两种鱼类的基础信息,研究结果将有助于了解该区域的海洋营养动力学。

区又君等[17]研究发现,珠江口的棘头梅童鱼矢耳石的LD、SD与体长、体重之间均呈幂函数关系。麻秋云等[28]研究的胶州湾12种饵料鱼类,耳石各类指标与体长间的关系均为极显著的线性相关。还有研究表明,同龄大黄鱼(Larimichthyscrocea)的耳石,半径和鱼体体长呈现显著正相关[6]。在本研究中,棘头梅童鱼和小黄鱼耳石的LD、SD与体长则呈指数关系,与体重呈幂函数关系。这可能与鱼类种类、栖息地、食性来源,亦或是水环境差异有关[29]。一方面,本研究的样本均为成鱼,缺少仔稚鱼和幼鱼,而成鱼期和幼鱼期耳石大小与鱼体间的函数关系可能完全不同,这种体长取值范围的不同是结果产生偏差的主要原因;另一方面,研究表明鱼类左右矢耳石的形态大小也存在显著差异[30]。这种耳石的双边不对称揭示了鱼类在受污染水环境中发育过程的可变性,体型较大的个体与不良环境接触时间较长,耳石会出现比幼鱼具有更大程度的不对称性[30]。这也许是本研究各项拟合方程中R2普遍偏低的原因之一。两种鱼类体重与OW之间的拟合效果最好(棘头梅童鱼:R2=0.898,小黄鱼:R2=0.847)(表2),有研究表明耳石的形成取决于蛋白质的沉积过程,且肉食性鱼类和杂食性鱼类相比耳石形状更加细长[31],复杂性更高,因此可以解释鱼类耳石生长与摄食情况可能有着密切联系。本研究中两种石首鱼科鱼类的矢耳石SD与LD之比均趋于稳定,棘头梅童鱼稳定于0.75,小黄鱼稳定于0.6,与区又君等[17]和方聪等[32]的研究一致。在今后的研究中,在鱼类的不同生活史阶段计算两个以上的拟合方程更为合适,同时需要将鱼类的左右矢耳石分开处理,严格把控不对称性现象的发生。

3.3 两种鱼类矢耳石生长特征

矢耳石LD、SD均随鱼类体长的增加而增大,但其函数模型拟合效果不佳,除了实验操作过程中参数测量存在误差之外,样本数量较少可能也是原因之一。此外,采样区域、水深范围及采样时间的不同也可导致耳石形态的改变。鱼类食性存在季节性差异,导致摄食强度不同。这是否会影响耳石的生长速率和形态,有待继续研究。

研究利用随机森林对两种鱼类的体长和体重进行预测,整体预测效果较好。小黄鱼和棘头梅童鱼体长的预测准确率为91.69%和95.35%,残差分布基本聚集在(-0.46～0.14) cm;体重的预测准确率为94.01%和93.04%,残差分布聚集在(-0.41～0.18) g,预测结果和观测值相差不大。体长小于12 cm的个体,预测结果不理想,分析原因可能是本次研究体长小于12 cm的个体样本数量有限,使得该体长组的模型训练不够充分,从而对结果产生了一定的影响。因此,在今后的研究中应进一步补充研究样本量,加大样本覆盖的体长组,让模型的预测结果更加准确。总的来说,在当前大数据广泛应用的背景下,随机森林机器作为一种可靠的机器学习方法,在未来耳石外型的研究中将会有较好的前景。尤其在胃含物分析中,利用胃中已经被消化的被捕食对象的耳石来预测其体长或者体重[33-34]将有助于更准确地判明捕食对象的食物组成和来源。