周孔霖　孫　松,　張　芳

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所　海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室　青島　260071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)　北京　100049;3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室　海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室　青島　266071; 4. 中國科學(xué)院海洋研究所山東膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站　青島　266071)

作為我國近海浮游動物的優(yōu)勢種,中華哲水蚤(Calanus sinicus)是黃海大型橈足類功能群的代表,在食物網(wǎng)中起到承上啟下的重要作用,其種群的數(shù)量變動將影響到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能(Sunet al,2010)。黃海冷水團區(qū)和近岸淺水區(qū)的中華哲水蚤種群擁有不同的生活策略。黃海冷水團種群全年有4—5個世代,其中春末形成的G3和G4世代能夠積累大量油脂,種群以C5期橈足類幼體(簡稱C5期)為主在初夏遷移至溫躍層以下的冷水團進行休眠度夏(王世偉,2009)。中華哲水蚤屬于溫帶種類,夏季黃海表層海水的高溫環(huán)境(＞26°C)將大大提高其死亡率,而溫躍層以下黃海冷水團的低溫環(huán)境(＜10°C)為中華哲水蚤提供庇護場所,種群因此得以保存與延續(xù)(Zhanget al,2007)。相比之下,近岸種群全年活躍,無休眠現(xiàn)象(王世偉,2009)。夏季,近岸水體垂直混合較好,中華哲水蚤因高溫脅迫死亡率高,種群豐度較低(Zhanget al,2007)。

度夏期間 C5期處于靜息狀態(tài),個體的新陳代謝、蛻皮發(fā)育和垂直移動均受到抑制,個體幾乎不攝食,僅依賴儲存的油脂維持生命(Liet al,2004; Puet al,2004; Zhouet al,2016a)。度夏前,油脂的積累程度不僅關(guān)系到中華哲水蚤能否順利度夏,也可能是度夏啟動的內(nèi)源性因子(孫松等,2011)。油脂積累過程受到多種環(huán)境因素的影響(如食物、溫度等)(Johnsonet al,2008)。然而,春末僅冷水團種群的C5期油囊體積達到全年最大,而近岸區(qū) C5期的油囊體積全年變化較小,且油囊體積與食物豐度(葉綠素a濃度)并無顯著相關(guān)性(孫松等,2011)。中華哲水蚤C5期存在晝夜垂直移動的習(xí)性,夜間能上升至溫躍層進行攝食,白天則遷移至底層(Huanget al,1993; 張芳等,2001)。Enright(1977)認為橈足類通過晝夜垂直移動能有效降低代謝消耗,從而提高對食物的利用,增加能量的積累。鑒于春末黃海近岸區(qū)與冷水團區(qū)的水團特征以及兩個區(qū)域的中華哲水蚤C5期油脂積累程度均存在較大的差異,我們推測這一時期黃海溫躍層和冷水團的形成有利于 C5期的油脂積累,然而其具體作用尚不明確。

本研究對春末黃海冷水團內(nèi)外、冷水團區(qū)溫躍層上下的中華哲水蚤C5期呼吸率、油囊體積等形態(tài)特征以及種群結(jié)構(gòu)進行比較研究,探索冷水團對 C5期油脂積累的影響作用,為中華哲水蚤度夏機制的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料與方法

1.1　調(diào)查站位與樣品采集

于 2014年春末搭載“科學(xué)三號”科學(xué)考察船參加戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項黃東海航次的調(diào)查。各站位溫度等水文數(shù)據(jù)由CTD(Seabird SBE9)現(xiàn)場測定(共64個站位),數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院海洋研究所于非研究員提供。根據(jù)往年 5、6月份黃海冷水團的經(jīng)驗范圍,在南黃海冷水團水域選取3個站位(3400-8、3500-10和3600-8),近岸淺水區(qū)選取2個站位(3500-4和3875-5)進行中華哲水蚤 C5期幼體的現(xiàn)場呼吸率測定實驗(如圖 1所示)?，F(xiàn)場實驗自5月28日開始,并于6月6日結(jié)束。采樣時間均處于夜間或凌晨(19:50—次日05:03)。

圖1　現(xiàn)場實驗站位圖Fig.1　Map of field experiment stations

在冷水團區(qū),為研究溫躍層上下中華哲水蚤 C5期形態(tài)特征與呼吸率的差異,用北太平洋分層網(wǎng)(網(wǎng)口內(nèi)徑: 80cm; 篩絹孔徑: 330μm)從底層(離海底4m)至溫躍層下界垂直拖取浮游生物作為各站位底層樣品,從溫躍層下界到表層拖取浮游生物作為各站位表層樣品。在近岸區(qū)2個站位,用大型浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)口內(nèi)徑: 80cm; 篩絹孔徑: 505μm)從底層至表層垂直拖取樣品。以上活體樣品均小心轉(zhuǎn)移到裝有預(yù)冷海水的保溫桶中暫存。每個站位另用大型浮游生物網(wǎng)從底層至表層拖取浮游生物樣品一份,以 5%甲醛海水溶液固定,用以分析中華哲水蚤種群豐度和各發(fā)育階段組成。

1.2　呼吸率的測定

將現(xiàn)場采集的活體樣品移至船載實驗室內(nèi),通過肉眼挑選大小相似、健康完整的中華哲水蚤C5期幼體,在解剖鏡(Nikon SMZ645)下確認其發(fā)育階段,并暫存于預(yù)冷的過濾海水中。培養(yǎng)瓶采用 500mL的棕色磨口玻璃瓶,每組實驗分別有三個實驗瓶和空白瓶。將 C5期個體經(jīng)過濾海水清洗后,小心轉(zhuǎn)移到實驗瓶中,每瓶約20只。用虹吸法移入過濾海水,蓋上瓶蓋并用封口膜密封,瓶中不留氣泡。培養(yǎng)瓶置于培養(yǎng)箱(江南SPX-270)中黑暗培養(yǎng)24—27小時,培養(yǎng)溫度與現(xiàn)場底溫一致。培養(yǎng)結(jié)束后,用虹吸法從各培養(yǎng)瓶中取兩份水樣(每份約 130mL),并參照國家海洋調(diào)查規(guī)范測定溶解氧濃度。培養(yǎng)后的C5期經(jīng)計數(shù)確認后保存于 5%甲醛海水溶液中。培養(yǎng)實驗所用海水均經(jīng) 0.45μm醋酸纖維膜過濾并曝氣,隨后存放于培養(yǎng)箱中預(yù)冷。

鑒于橈足類的呼吸率受生物量的影響(Ikedaet al,2001),本文采用基于生物量的呼吸率(Carbon-weightspecific oxygen consumption rate,OCR)來描述各站位C5期的呼吸率。呼吸率的計算公式為:

式中,0.7為將氧質(zhì)量轉(zhuǎn)為相應(yīng)體積的系數(shù),C和C0分別是實驗瓶和空白瓶的溶解氧濃度(mg/L),V(mL)為培養(yǎng)瓶的體積,n為橈足類個數(shù),t(h)為培養(yǎng)時間,CW(mg)為 C5期的平均含碳量,OCR的單位為μLO2/(mgC·h)。CW 由體長(PL)估算(Uye,1988):

此外,根據(jù)個體碳含量(CW)和培養(yǎng)溫度(T)估算C5期的常規(guī)呼吸率(OCRE)作為參考值(Ikedaet al,2001):

1.3　固定樣品的處理與分析

在解剖鏡(Zeiss Stemi SV11 Apro)下對現(xiàn)場實驗樣品進行測量,測量指標包括 C5期幼體的前體部體長(PL)、體寬(PW),油囊長(OL)和油囊寬(OW)。根據(jù) Svetlichny等(2006)的公式計算中華哲水蚤前體部的體積(Prosome Volume,PV)和油囊體積(Oil Sac Volume,OSV):

公式(2)中油囊體積可用于表示橈足類油脂積累的程度。鑒于油囊體積受到個體大小的影響(Milleret al,2000),因此本文選用油囊體積百分數(shù)(Oil sac volume proportion,OSV%)來描述C5期油脂積累的情況,即油囊體積占其前體部體積的百分比(孫松等,2011):

在解剖鏡下對浮游生物大網(wǎng)樣品進行分類鑒定。C3期以及更小發(fā)育期幼體的體寬小于 505μm,因此本研究僅對中華哲水蚤C4期、C5期、雄體和雌體進行計數(shù)。

1.4　統(tǒng)計方法

本文統(tǒng)計分析均使用SPSS(16.0)完成。對各站位中華哲水蚤C5期的形態(tài)特征與呼吸率進行方差分析和T檢驗。若方差分析結(jié)果差異顯著,選用 S-N-K方法(Student-Newman-Keuls test)進行多重比較以分析不同站位間的差異。采用Pearson相關(guān)系數(shù)進行相關(guān)性分析。

2　結(jié)果

2.1　水文特征

根據(jù)底層水溫10°C等溫線對黃海冷水團的范圍進行估計(翁學(xué)傳等,1982)。春末,冷水團站位的溫躍層已經(jīng)形成(圖2),黃海冷水團初具規(guī)模(圖1)。結(jié)果顯示: 黃海中部的3500-10和3600-8站位于南黃海冷水團范圍內(nèi),其溫躍層均在次表層出現(xiàn),厚度分別為19和 25m,溫差為 6.7°C和 9.2°C,溫躍層的平均強度為0.3°C/m和0.5°C/m; 黃海中部3400-8雖然位于冷水團外緣,但其次表層有較厚的溫躍層(24m),躍層上下溫差為7.9°C,平均強度為0.3°C/m,其水溫環(huán)境與3500-10和3600-8兩站相似,因此將這三個站位劃分為冷水團站位。近岸3500-4站位于冷水團外,溫躍層最薄(3m),溫差為 3.2°C,強度為 1.1°C/m; 黃海北部近岸 3875-5站表層水溫變化大,溫躍層厚度為10m,溫差為5.4m,平均強度為0.5°C/m。

圖2　各站位水溫垂直分布圖Fig.2　Vertical profiles of temperature in each station

2.2　種群豐度與發(fā)育階段

如圖 3所示,中華哲水蚤的豐度在各站位相近,范圍為184.6—271.0ind./m3。各站位中華哲水蚤橈足類幼體所占比例較高,其中 C5期所占比例為26%—53%,C4期所占比例為16%—83%。3500-10和3400-8兩個站位成體比例低(分別為4%和7%),其余三個站位的成體比例較高(22%—38%)。近岸兩個站位種群的性比(雌體/雄體)分別為0.8和1.7,冷水團種群的性比值范圍為4.4—12。

圖3　春末黃海中華哲水蚤種群豐度與各發(fā)育階段比例Fig.3　Population abundance and proportions of different development stages in the Yellow Sea in late Spring

2.3　C5期形態(tài)特征與呼吸率

各站位中華哲水蚤 C5期幼體的體長相似,平均為 2.02—2.20mm。各站位 C5期的 OSV%存在差異,3500-10站底層的 C5期油囊體積最大,OSV%為(22.6±6.1)%。冷水團站位底層的C5期OSV%均顯著高于表層以及近岸的 C5期(圖 4; ANOVA,F7,16=11.997,P=0.000)。

圖4　各站位中華哲水蚤C5期的油囊體積百分數(shù)(OSV%)Fig.4　The oil sac proportions(OSV%) of C5s in each station注: a、b、c代表顯著性差異,P＜0.05

各站位C5期的呼吸率如圖5所示。冷水團站位的呼吸率為 1.93—3.71μLO2/(mgC·h),其中表層與底層的 C5期呼吸率無顯著差異(T檢驗,t=0.161,P=0.874)。近岸兩個站位 C5期的呼吸率相似,平均值為 4.04和 4.28μLO2/(mgC·h)(T檢驗,t=0.649,P=0.552)。冷水團內(nèi) C5期的呼吸率顯著低于近岸種群,平均值是近岸種群的 68%(T檢驗,t=-3.750,P=0.001)。各站位的呼吸率與培養(yǎng)溫度(r=0.011,P=0.958)和 OSV%(r=-0.181,P=0.397)均無顯著相關(guān)性。近岸和3600-8站表層C5期的呼吸率均與常規(guī)呼吸率的估計值相近。冷水團其它站位C5期的呼吸率則低于常規(guī)呼吸率的估計值,是后者的 46%—76%(圖 5)。

圖5　各站位中華哲水蚤C5期的呼吸率與培養(yǎng)溫度Fig.5　Oxygen consumption rate at stage C5s and temperature in each station

3　討論

3.1　春末黃海冷水團中華哲水蚤的種群結(jié)構(gòu)分析

王世偉(2009)根據(jù) C5期的體長頻數(shù)分布描述了南黃海冷水團區(qū)中華哲水蚤全年世代交替的情況。與其研究結(jié)果相比,春末冷水團區(qū) C5期的體長處于2007年4—5月的水平,應(yīng)屬于G3、G4世代。然而冷水團區(qū)僅3600-8站的C5期占種群比例較高(53%),其余兩個站位C5期僅占種群的10%和26%,遠遠小于度夏種群的C5期所占比例(74%和84%)(Zhouet al,2016a),由此推測此時度夏種群的主體尚未完全形成。此外,冷水團區(qū)C5期的OSV%雖然大于近岸種群,但仍未達到全年的最高水平(30%)(孫松等,2011)。由此推測,本研究中冷水團區(qū)的中華哲水蚤仍處于度夏前的準備階段。

度夏前,冷水團區(qū)3500-10和3400-8兩個站位的中華哲水蚤種群以C4期為主,各占總體豐度的71%和83%。此外,C3期的豐度分別為36.6和8.1ind./m3,分別是C5期豐度的53%和35%。由于C3期的前體部寬度(235.29—388.01μm)小于本研究采樣網(wǎng)具的篩絹孔徑(505μm),C3期的實際豐度應(yīng)高于實測值。根據(jù)室內(nèi)培養(yǎng)實驗的研究結(jié)果,中華哲水蚤在10—16°C和 10—19°C的變溫培養(yǎng)下,從 C4期發(fā)育到 C5期分別需要 4.2和 1.2天,從 C3期發(fā)育到 C5期則分別需要6.8和3.8天(Zhouet al,2016b)。5月底大量C3、C4期幼體可以在短期內(nèi)發(fā)育成C5期并積累大量的油脂,從而構(gòu)成度夏種群的主體。春末夏初,黃海表層海水升溫迅速,溫躍層逐步加強。鑒于體長與溫度的負相關(guān)關(guān)系(Uye,1988),新蛻皮發(fā)育而成的C5期的體長預(yù)計較小。這應(yīng)是 8月份度夏種群 C5期體長(1.91mm±0.12mm)比本研究 C5期短的原因之一(Puet al,2004; 王世偉,2009; Zhouet al,2016a)。

3.2　春末冷水團C5期的呼吸率與油脂積累

春季,冷水團海區(qū)表層與底層的 C5期呼吸率相似。橈足類的呼吸率主要受到溫度和個體生物量的影響(Ikedaet al,2001)。此時黃海冷水團已經(jīng)形成,溫躍層強度比夏季小。中華哲水蚤C5期具有晝夜垂直移動的習(xí)性(Huanget al,1993; 張芳等,2001),冷水團水域的表、底層群體生活環(huán)境相似,個體的體長因此相近,呼吸率也相似。然而在夏季,大西洋北部深層的極北哲水蚤(Calanus hyperboreus)的呼吸率僅為表層群體的 54%,前者處于滯育狀態(tài)而后者較為活躍(Auelet al,2003)。由此推測,本研究中冷水團內(nèi)的C5期仍未進入度夏休眠階段。

在油脂積累方面,冷水團區(qū)底層C5期的OSV%為表層的1.9—4.2倍。具有大體積油囊的C5期偏好在冷水團底部活動,這與度夏期間中華哲水蚤 C5期垂直移動減弱相吻合(Puet al,2004; Zhanget al,2007)。相似地,春末大西洋北部的飛馬哲水蚤(Calanus finmarchicus)C5期幼體在積累大量油脂后下沉至深水區(qū)并開始休眠,而表層群體繼續(xù)積累油脂或蛻皮為成體(Arashkevichet al,2004)。本研究中,溫躍層上下 C5期的體長和呼吸率均無顯著差異,應(yīng)為同一個世代的個體。由此推測,表層的 C5期比底層的“年輕”,經(jīng)過一段時間的油脂積累后會下潛至冷水團底部進行度夏。

春季,冷水團底層C5期的OSV%為近岸種群的2.4倍。在代謝方面,各站位呼吸率與溫度并無顯著相關(guān)關(guān)系。適溫條件下,中華哲水蚤的呼吸率隨溫度升高而增加(張武昌等,2000)。然而,冷水團內(nèi)C5期的呼吸率卻比水溫更低的黃海北部的近岸種群低,而后者應(yīng)處于常規(guī)代謝水平。冷水團內(nèi)C5期的平均呼吸率為常規(guī)呼吸率的46%—76%,新陳代謝活動比近岸種群弱。根據(jù)呼吸率估算呼吸所需的碳量(Liet al,2004),冷水團內(nèi) C5期的平均代謝消耗碳量為2.35μgC/(ind.·d),是近岸兩站位平均值的 73%。由此可見,冷水團區(qū)次表層較厚的溫躍層以及溫躍層以下冷水團的低溫環(huán)境有利于 C5期降低代謝消耗,從而促進油脂的積累。

油脂的積累與攝食活動有關(guān)。中華哲水蚤的攝食率隨餌料濃度的增加而增加(張武昌等,2000)。研究表明,多種哲水蚤在高餌料濃度組培養(yǎng)下比低餌料濃度組能積累更多的油脂(Hakanson,1984; Escribanoet al,1992; Hygumet al,2000; Rey-Rassatet al,2002)。然而,孫松等(2011)發(fā)現(xiàn)黃海中華哲水蚤的油脂積累與餌料濃度并無顯著相關(guān)性。除了外界環(huán)境因素的影響外,內(nèi)源性因素也可能起到重要作用(Rey-Rassatet al,2002; Tarrantet al,2008)。休眠前,哲水蚤的C5期可能存在一個能量分配問題,即C5期可以選擇將攝食所獲取的能量用于油脂積累或者蛻皮發(fā)育(Ji,2011)。夏季黃海冷水團內(nèi)外的中華哲水蚤種群恰好是這兩種不同的選擇(孫松等,2011),這可能是種群對環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果。然而大體積油囊形成的生理過程及其與多種環(huán)境因素間的相互作用尚無明確定論,需進一步研究以探討中華哲水蚤度夏休眠的啟動機制。

4　結(jié)論

5月底黃海冷水團中華哲水蚤種群應(yīng)處于度夏前的準備階段。春末是黃海中華哲水蚤油脂積累以及度夏種群形成的關(guān)鍵時期。黃海冷水團特殊的水文環(huán)境有利于中華哲水蚤 C5期幼體減少呼吸消耗,從而增加油脂積累。積累大量油脂后的C5期幼體偏向在冷水團底部活動。

致謝中國科學(xué)院海洋研究所于非研究員提供黃海水溫數(shù)據(jù),本課題組張永山和王衛(wèi)成在樣品采集上給予幫助,王世偉在樣品分析上給予指導(dǎo),謹致謝忱。

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