鸢乌贼(Sthenoteuthis oualaniensis)广泛分布在印度洋、太平洋的赤道和亚热带海域, 在西北印度洋分布尤其广泛(叶旭昌等, 2004)。我国于2003年首次对西北印度洋鸢乌贼资源分布及渔场特征等进行了调查, 取得了良好效果。近几年西北印度洋鸢乌贼已经是我国头足类渔业重要的捕捞对象(邵锋等, 2008; 王洪浩等, 2021)。近年来稳定同位素技术逐渐成为生态学研究中的一种重要手段, 相对于传统胃含物分析法, 该方法局限性小, 并且可以对生物长期食性特征进行定量研究(Ibanez et al, 2008; 李云凯等, 2014)。生物体组织中的碳、氮稳定同位素可提供较长时间的摄食及物质能量传递等信息, 因此可以通过生物体硬组织连续取样对个体或种群一定时期内的摄食习性和栖息环境进行研究(Guerra et al, 2010; 陆化杰等, 2014a; Liu et al, 2018; 刘娜, 2020)。由几丁质和蛋白质分子构成的内壳结构具有从尾椎向头部生长的特性(Lorrain et al, 2011), 这一特性使其成为头足类整个生活史信息记录的良好载体(Cherel et al, 2009a), 可用于其渔业生物学的研究(Cherel et al, 2009b; Vander Zanden et al, 2010), 而且内壳结构具有形态稳定、易提取、研磨方便等优点, 越来越受到学者的关注(Lorrain et al, 2011; Queirós et al, 2019)。然而, 目前为止, 国内外尚没有利用内壳碳氮稳定同位素开展西北印度洋鸢乌贼摄食生态的研究。鉴于此, 本研究根据2019年3~5月中国灯光罩网渔船在西北印度洋生产调查期间采集的鸢乌贼样本, 对内壳叶轴进行连续切割, 对切割后各片段的碳、氮稳定同位素进行测定, 通过分析个体间的营养生态位关系和内壳片段上稳定同位素比值的连续序列, 探究鸢乌贼生长发育过程中摄食习性变化, 以期为后续利用内壳结构研究其摄食习性和种群特征等提供方法参考。

1 材料与方法 1.1 材料来源和生物学测定

本研究样品采集于西北印度洋, 采集时间为2019年3~5月, 采集海域为西北印度洋13°12′~19°42′N、61°17~67°43′E, 共采集1 009尾样本, 样本经冷冻保存运回实验室。样本解冻后, 对其胴长(mantle length, ML)、体重(body weight, BW)等基础生物学数据进行测量, 对性别、性腺成熟度等进行目测和鉴定, 测量时胴长精确至0.1 cm, 体重精确至0.1 g。

1.2 内壳处理

考虑样本时空分布, 个体大小和性成熟等渔业生物学特性, 在不同采样时间和采样地点选取不同大小、性腺成熟度和不同性别的鸢乌贼样本各6尾作为研究对象, 分别标记为S₁, S₂, S₃, …, S₁₂, 解剖后取出内壳, 分别标记为G₁, G₂, G₃, …, G₁₂。使用超纯水对内壳进行清洗, 去除内壳表面残留的有机物质。从早期生长端沿着生长方向叶轴中线每2 cm进行标记分段(Li et al, 2017), 测量每段内壳距离近端的长度(以生长方向为正值), 按标记将其叶轴沿V型生长纹进行切段处理(图 2), 分段将处理的内壳片段放入冷冻干燥机, 在–50 ℃条件下冷冻干燥24 h, 使用混合型球磨仪将片段磨碎成粉末(Li et al, 2017)。

1.3 稳定同位素分析

碳稳定同位素比值(δ¹³C)和氮稳定同位素比值(δ¹⁵N)的测定, 具体见文献(贡艺, 2015)。每12个样品中放入3个标准样以确保实验结果的精确度, 分析精度为0.05‰ (δ¹³C)和0.06‰ (δ¹⁵N) (Li et al, 2017)。稳定同位素测定在上海海洋大学稳定同位素分析实验室进行。

1.4 数据处理

使用RStudio软件中的siar程序包计算δ¹³C-δ¹⁵N双位图中各凸多边形的面积(total area of convex hull, TA)和矫正标准椭圆面积(corrected the standard ellipse area, SEAc), 用来表示鸢乌贼的生态位宽幅和核心生态位, 并绘制出营养生态位图(汪惠琼等, 2020), 分析鸢乌贼不同个体之间的营养生态位关系; 对内壳片段稳定同位素序列进行分析, 对比分析雌、雄鸢乌贼群体间的差异, 并讨论其群体摄食情况。

2 结果与分析 2.1 样本组成

本研究所选取的12尾鸢乌贼体重范围为311.9~ 479.5 g, 胴长范围为21.5~25.3 cm。具体基础生物学数据参见表 1。

2.2 鸢乌贼内壳稳定同位素分析结果

通过内壳片段稳定同位素分析, 结果显示内壳叶轴切割片段的δ¹³C变化范围为–18.70‰~ –17.42‰ (1.28‰); δ¹⁵N的变化范围为7.21‰~ 10.67‰ (3.46‰), 详见表 2。雄性个体δ¹³C值范围为–18.67‰~–17.24‰ (1.43‰), 雌性个体δ¹³C值范围为–18.70~–17.85‰ (0.85‰); 雌雄个体δ¹⁵N值变化范围相近, 雄性个体7.21‰~10.22‰ (3.01‰), 雌性个体7.37‰~10.67‰ (3.30‰), 雌、雄个体δ¹³C、δ¹⁵N平均值的变化趋势情况如图 3。方差分析(Analysis of variance, ANOVA)表明, 鸢乌贼雌、雄个体内壳δ¹³C不存在显著性差异(P > 0.05), δ¹⁵N存在显著性差异(P < 0.05)。

2.3 鸢乌贼营养生态位

鸢乌贼内壳C、N稳定同位素分析结果可以反映个体间的营养生态位关系, 根据Hammerschlag-Peyer等(2011)提出的个体营养生态位变化研究框架, 以本研究中同位素测定结果数据绘制出营养生态位图(图 4, 图 5)。

结果显示, 12尾鸢乌贼的营养生态位均存在相互重叠的现象。雌性的生态位宽幅(TA)和核心生态位(SEAc)值分别为0.36²‰和1.58²‰; 雄性的TA和SEAc值分别为0.615²‰和2.35²‰, 雄性群体的TA和SEAc值均大于雌性群体。

2.4 鸢乌贼生长对δ¹³C和δ¹⁵N的影响

ANOVA分析表明, 雌、雄个体内壳叶轴生长对δ¹³C均没有显著影响(P > 0.05), 但雌、雄个体内壳叶轴生长对δ¹⁵N均有影响显著(F=2.84, P < 0.05; F=5.15, P < 0.05)。

δ¹³C值随着内壳长度的增加呈现稳定趋势, 而δ¹⁵N值前期上下波动较为平稳, 雌性个体在内壳长度生长到6 cm (内壳生长距近端–16 cm~–10 cm阶段)后δ¹⁵N值呈现持续增大的趋势, 当雄性个体内壳长度生长到8 cm (内壳生长距近端–18 cm~–10 cm阶段)后δ¹⁵N值逐渐升高(图 6)。δ¹⁵N的变化表明其摄食对象和栖息环境在一定时期内发生了变化。

3 讨论 3.1 鸢乌贼内壳稳定同位素分析

生物体内C、N稳定同位素比值受到生物个体摄食和生活环境等的影响。δ¹⁵N在不同营养级间具有富集效应, 因此可用于指示生物在食物网中的营养层次(Deniro et al, 1981), δ¹³C则可以反映出摄食变化与栖息环境的改变(李忠义等, 2005), 多用于追溯生物栖息地和洄游模式。Ruiz-Cooley等(2012)分析了大洋性头足类肌肉δ¹³C值和δ¹⁵N值与纬度、离岸距离和胴长的关系, 结果表明δ¹³C值和δ¹⁵N值与个体生长和纬度变化无固定趋势, 但均随离岸距离增大而降低。通过对鸢乌贼内壳连续切割片段的碳、氮稳定同位素的分析, 可以了解鸢乌贼在不同生活时期的食性转变以及栖息地环境的变化情况(Perez et al, 1996; Ruiz-Cooley et al, 2010)。鸢乌贼洄游规律虽没有明确定论, 但相关研究表明, 在印度洋海域鸢乌贼个体大小随着纬度变化由南向北增长趋势显著(Nesis, 1977; 陈新军等, 2007)。在本研究中西北印度洋鸢乌贼在内壳生长长度 < 8 cm (内壳生长距近端–18 cm~–10 cm阶段)的范围内δ¹³C平均值变化范围介于–18.28‰~ –18.03‰ (0.25‰) (图 3), 且不同个体δ¹³C值的分散程度逐渐增大, 这表明鸢乌贼幼体在产卵场附近水域摄食, 随着个体的生长, 鸢乌贼行动能力增强, 其不同个体间活动和摄食方式有不同的选择; 随着个体继续生长, δ¹³C值也逐渐增加, 表明此时期个体开始趋向于近岸水域摄食, 随着个体增长鸢乌贼摄食对象发生了改变。与本研究结果相似, 在Merten等(2017)对翼柄柔鱼的研究中所有个体的δ¹³C值都大幅波动, 并在内壳长度达到20 cm后显著增加。操亮亮等(2022)对秘鲁公海茎柔鱼的研究中δ¹³C值也发现相似的变化趋势, 肌肉的δ¹³C值在胴长200~270 mm范围内显著减小, 胴长 > 270 mm后δ¹³C值升高, 表明其开始转向近岸海域摄食, 与本研究中鸢乌贼内壳δ¹³C值发生变化的时期有所不同, 这可能是由头足类不同群体间的生长差异造成的。

内壳片段中δ¹⁵N变化产生的原因主要是鸢乌贼食性发生改变, 另一原因是不同海域碳氮稳定同位素基线对鸢乌贼δ¹⁵N产生了影响。西北印度洋鸢乌贼内壳δ¹⁵N平均值在内壳长度 < 8 cm (内壳生长距近端–18 cm~–10 cm阶段)范围内变化很小, 表明早期幼体活动能力受限, 摄食对象结构单一; 随着内壳生长, δ¹⁵N平均值的变化范围介于8.10‰~9.88‰ (提升1.78‰), 鸢乌贼摄食能力随着个体的生长逐渐提高, 摄食更高营养层级的食物。有研究认为, 鸢乌贼生活前期多以甲壳类生物为食, 随着个体的生长而逐渐转向摄食营养级较高的鱼类和头足类(Rodhouse, 2005)。这一研究结果与鸢乌贼的生存策略相符, 即摄食方式由早期阶段随水流进行被动随机摄食逐渐转化为主动选择性的摄食(Stephens et al, 1986; Sajikumar et al, 2018), 这与谢嘉仪等(2021)对南沙海域鸢乌贼的营养级关系研究结论一致, 即随着个体的生长营养级大小出现明显增长的趋势。随着内壳长度的增加, δ¹⁵N值并没有趋于平稳, 仍有增长的趋势, 这可能与采样环境中营养物质有关, 也可能是鸢乌贼个体尚未达到最高的摄食水平, 鸢乌贼的垂直移动也可能对δ¹⁵N值产生影响。有研究提出, 在鸢乌贼胃组织中微塑料含量与年龄有显著的线性相关关系(陆化杰等, 2021a, 2022), 微塑料污染也可能对同位素测定产生影响, 后续可深入研究。

3.2 鸢乌贼营养生态位差异

自然存在的碳、氮稳定同位素可以反映食物来源和食物网中的营养水平信息(Hobson et al, 1992; Peterson, 1999), 利用内壳各片段δ¹⁵N和δ¹³C值绘制出鸢乌贼的营养生态位图可以很直观地反映个体之间生态位关系(Hammerschlag-Peyer et al, 2011)。Fang等(2015)比较北太平洋东、西部的柔鱼群体角质颚中δ¹⁵N值, 发现两个群体的摄食生态位分散, 重叠很小。而在本研究中12尾鸢乌贼的生态位相互有不同程度的重叠, 即可能在其生活史过程中, 个体的食物和生活环境相似。对雌、雄个体生态位分析结果表明雌雄生态位发生重叠, 说明雌雄个体在不同阶段摄食对象的营养等级存在差异, 同时也可能存在群体间摄食竞争关系, 本研究与张宇美(2014)对南海鸢乌贼摄食习性的研究结果一致。通常生态位宽度越大表明其对空间食物资源的利用和对环境的适应能力越强, 本研究中雄性群体的TA和SEAc值均大于雌性群体, 表明雄性群体营养生态位宽幅较雌性群体范围更广, 陆化杰等(2014b)的研究中发现, 雄性样本明显少于雌性, 且雄性鸢乌贼个体较雌性个体偏小, 这些因素让雄性鸢乌贼在种内竞争中处于劣势, 因此雄性鸢乌贼需要拓宽生态位宽度以满足生存需求, 这一结果与谢嘉仪等(2021)对南沙海域鸢乌贼的研究结果一致。而Kato等(2016)在分析茎柔鱼稳定同位素时发现, 雌、雄茎柔鱼群体在摄食、洄游过程存在差异, 雄性个体在较狭窄的纬度范围内觅食, 与本研究中雄性群体占有更大的生态位恰好相反, 这可能与头足类不同种类间摄食习性差异有关, 也可能与采样季节和个体大小等有关, 后续还需要开展深入研究。

3.3 鸢乌贼生长对δ¹³C和δ¹⁵N的影响

鸢乌贼摄取食物体内的营养物质, 其中部分蛋白质分子和几丁质构成了内壳的稳定结构(Perez et al, 1996; Ruiz-Cooley et al, 2010; 李云凯等, 2014)。有研究发现, 在海洋生态系统中海水温度、光照强度和海水中CO₂浓度等差异会导致基线生物的δ¹³C和δ¹⁵N发生时空变化(Germain et al, 2013; Ruiz-Cooley et al, 2013), 营养转移对δ¹⁵N值的影响较为显著(Mariotti, 1983), 因此洄游与摄食以及生物自身的生长代谢等过程也会对生物体内C、N稳定同位素比值产生不同影响(Deniro et al, 1981)。本研究中δ¹³C值在雌、雄群体间无显著性差异, 可能是由于厄尔尼诺的影响, 特殊的气候条件不仅会对西北印度洋鸢乌贼生长产生影响(陆化杰等, 2020; 汪惠琼等, 2020; 陆化杰等, 2021b), 而且海水温度等条件对鸢乌贼活动和摄食空间范围也有限制, 使得鸢乌贼群体活动受限, 导致δ¹³C值在雌、雄群体间的差异不明显。内壳生长对δ¹⁵N影响显著(P < 0.05), 可能由于头足类随着胴长增加, 食性发生改变, 营养级提高导致的。雌性群体当内壳长度 > 6 cm (内壳生长距近端–16 cm~–10 cm阶段)时δ¹⁵N值逐渐增加, 表明此时摄食水平开始提高, 对食物的选择逐渐转向营养等级较高的物种, 这一结果与张宇美等(2013)的研究相同。δ¹⁵N值在雌性个体中明显高于雄性个体, 这表明雌、雄群体在对食物营养级的选择上有所不同, 雌性群体摄食等级高于雄性群体, 这可能是因为雌性个体在生长阶段和性腺发育过程中需要更多的能量累积。陆化杰等(2021b)的研究结果显示不同年间鸢乌贼胃饱满度雌性均高于雄性, 更多的营养获取利于雌性个体生长。张宇美等(2013)对南海鸢乌贼的研究结果也表明, 雌性个体摄食等级以3、4级为主, 雄性则以2、3级为主, 雌性群体摄食等级高于雄性群体, 且雌、雄个体摄食等级均随胴长的增加而增加, 这与本研究结果相同。结合何静茹等(2021)对西北印度洋海域鸢乌贼角质颚形态研究, 西北印度洋鸢乌贼雌性个体的角质颚结构明显大于雄性个体, 本研究中雌性群体内壳δ¹⁵平均值明显高于雄性个体, 也进一步说明了鸢乌贼雌性个体在摄食能力和摄食水平上高于雄性个体。摄食营养层级的不同也可能与雌雄个体采样时间和采样位置不同有关, 在后续研究中将会深入探讨。

4 结语

关于鸢乌贼生物学的研究多基于耳石、角质颚等硬组织结构展开, 到目前为止基于鸢乌贼内壳的研究少有报告。本研究通过对西北印度洋鸢乌贼内壳连续切段, 进行碳氮稳定同位素测定, 以定量的方法对鸢乌贼生长过程中食性转换及洄游展开初步研究, 弥补了传统胃含物研究方法的局限, 并进一步说明该方法在头足类摄食及洄游方向研究的可行性。本研究受采样时空跨度影响及缺少年龄数据, 仅反映出了鸢乌贼生活史过程中摄食和洄游的变化的大致时期, 下一步研究中可以对西北印度洋不同海域和不同季节鸢乌贼, 结合年龄数据对鸢乌贼摄食变化与洄游路径等信息进一步探索。