軒中亞 姜 濤 劉洪波 陳修報 胡玉海 楊 健 ,①

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院 江蘇 無錫 214081；2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院內(nèi)陸漁業(yè)生態(tài)環(huán)境與資源重點開放實驗室 江蘇 無錫 214081)

種群指在一定時間內(nèi)生活在一定自然空間區(qū)域內(nèi)的同種生物的所有個體的集合。種群生態(tài)學(xué)是主要研究種群的數(shù)量變化、分布特征以及種群與環(huán)境相互關(guān)系(包括種群與棲息環(huán)境的非生物因素以及環(huán)境中其他生物之間的相互作用)的一門學(xué)科(Begon et al, 1996; 吳祖立等, 2018)。在種群生態(tài)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，破解魚類種群的數(shù)量特征、生境利用、種群結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化等種群屬性是保護和合理開發(fā)漁業(yè)資源的基礎(chǔ)(Larsson et al, 2015; Arthington et al, 2016)。目前，已有耳石微結(jié)構(gòu)、耳石微化學(xué)、分子生物學(xué)標記、物理標記、電子/衛(wèi)星標記、聲學(xué)遙測技術(shù)、分布與數(shù)量數(shù)據(jù)、形態(tài)學(xué)特征和器官比率特征等大量的生物及其他學(xué)科技術(shù)被應(yīng)用于魚類種群生態(tài)學(xué)的研究中(Tanner et al, 2014; Bardarson et al, 2017; Tzadik et al, 2017)。

耳石作為具有可持續(xù)生長及代謝惰性特點(Campana, 1999; Campana et al, 2001; Thomas et al, 2019)的生物鈣化結(jié)構(gòu)，能夠提供魚類個體在其一生中所經(jīng)歷棲息地環(huán)境的信息(Tanner et al, 2014; Teichert et al, 2018; Watson et al, 2018)。耳石的生長增量可以每日為時間尺度加以計量(稱為“日輪”)；在更大的時間尺度上，其生長帶的季節(jié)性變化導(dǎo)致明顯輪紋交替而形成“年輪”。這使耳石成為一種較為可靠的年齡鑒定材料，可以獲取從仔幼魚到成魚階段的日齡/年齡和生長等生物學(xué)信息(Campana et al, 2001)。耳石可持續(xù)生長且很難代謝的特性也決定了耳石中特定位置的元素含量及組成能反映魚類在形成該部分耳石期間所經(jīng)歷的環(huán)境元素狀況(Campana, 1999; Izzoet al, 2018)。因此，耳石具有優(yōu)良的時空動態(tài)“記錄器”特性，可記錄魚類個體從出生到死亡的全部生活史的生境變化規(guī)律。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展和檢測成本的下降，對耳石元素組成細微變化的分辨能力得到了極大提高。目前，耳石微化學(xué)分析技術(shù)越來越多地被用于闡明魚類的洄游生活史(Soethet al, 2020)及用于定義種群結(jié)構(gòu)、評估資源魚群的構(gòu)成和破解種群關(guān)聯(lián)性等魚類種群生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域(Radiganet al, 2018; Burnset al, 2020; Swansonet al, 2020)。

本文將著重闡述以耳石微化學(xué)分析方法進行的魚類種群生態(tài)學(xué)研究，從耳石元素的組成特征以及耳石元素與環(huán)境、生理等因素的關(guān)系等方面歸納耳石微化學(xué)分析應(yīng)用于魚類種群生態(tài)學(xué)的理論基礎(chǔ)；通過對國內(nèi)外文獻的綜述，介紹耳石微化學(xué)分析在解決魚類的生活史特征、種群結(jié)構(gòu)、種群關(guān)聯(lián)性及生境履歷等種群生態(tài)學(xué)問題方面的進展，并展望今后應(yīng)用耳石微化學(xué)分析技術(shù)來研究魚類種群生態(tài)學(xué)問題的發(fā)展趨勢以及需要關(guān)注的科學(xué)問題。

1 魚類耳石元素組成的特征

耳石是位于硬骨魚類內(nèi)耳半規(guī)管內(nèi)的生物鈣化 結(jié)構(gòu)，用來保持聽力和平衡等感覺功能(Schulz- Mirbachet al, 2019)。耳石通常由碳酸鈣(CaCO3)(約98%)和小部分有機物(0.1%～2.3%)(可溶性和不可溶性蛋白基質(zhì))及約45種微量元素組成(Campana, 1999; Sturrocket al, 2012)。

耳石元素主要來自周圍環(huán)境，耳石元素的組成和含量主要與周圍水化學(xué)元素的生物可利用濃度及其物理化學(xué)特性(如鹽度和溫度)有關(guān)(Campana, 1999; Izzoet al, 2018; Hüssyet al, 2020)。耳石是由復(fù)雜的多細胞生物產(chǎn)生的，其沉積面不直接與周圍的水環(huán)境接觸，耳石沉積的元素需要在通過多層的生理屏障后進入血漿，然后通過淋巴膜進入內(nèi)淋巴。在進入內(nèi)淋巴后，不同的元素沉積進入耳石的過程也不相同。元素沉積進入耳石的形式有3種：替代CaCO3耳石晶格內(nèi)的Ca2+；作為晶格間隙中的夾雜物；與耳石的蛋白質(zhì)成分相結(jié)合，沉積在有機質(zhì)部分(圖1)(Campana, 1999; Izzoet al, 2016; Thomaset al, 2017; Hüssyet al, 2020)。

圖1 元素在耳石中積累的主要過程示意圖(Campana, 1999; Hüssy et al, 2020) Fig. 1 Schematic diagram of the main process of element accumulation in otolith (Campana, 1999; Hüssy et al, 2020)

耳石作為魚類生境示蹤器和重建魚類生活史水環(huán)境的指標基于以下2個基本假說：耳石化學(xué)反映了 生境水化學(xué)特征；棲息地環(huán)境條件會影響耳石元素的沉積。目前的耳石微化學(xué)研究中，Sr和Ba是能夠在耳石中直接替代Ca的最受關(guān)注的元素。Izzo等(2018)綜合大量的實驗室及野外研究的結(jié)果進行統(tǒng)合分析(meta-analysis)表明，耳石中 Sr/Ca、Ba/Ca的值和周圍水環(huán)境中這2個值呈正相關(guān)。當然，由于內(nèi)在和外 在因素影響耳石元素吸收，耳石 Sr/Ca、Ba/Ca與水化學(xué)成分之間的相關(guān)程度在不同物種和不同研究狀況中有所不同，但總體上能較好反映其在水環(huán)境中的濃度。在實驗室可控養(yǎng)殖條件下，黃尾平口石首魚(Leiostomus xanthurus)的耳石Sr/Ca與Ba/Ca與周圍水環(huán)境中各自的比值呈正相關(guān)(Bath et al, 2000)。在飼養(yǎng)條件下，布氏棘鯛(Acanthopagrus butcheri)的耳石Sr/Ca與周圍水體的 Sr/Ca及暴露時間相關(guān)(Elsdon et al, 2005)。黒翅深水三鰭鳚(Forsterygion nigripenne)耳石Sr/Ca和Ba/Ca與水環(huán)境中其含量比值呈直接線性相關(guān)(Taddese et al, 2019)。劍鳠(Sperata aor)耳石Sr/Ca、Ba/Ca和Zn/Ca的元素含量比與其周圍的水化學(xué)相應(yīng)元素的含量比正相關(guān)(Nazir et al, 2019)。

研究表明，從河流、河口到海洋，水中Sr和Ca的濃度均隨著鹽度的升高而升高，但二者升高的幅度不同(He et al, 2016)。在不同的水域環(huán)境下，Sr/Ca 值的變化趨勢不同，有的與鹽度呈線性相關(guān)(Arai et al, 2016)，有的與鹽度呈曲線相關(guān)(Walther et al, 2015; Nelson et al, 2020)?？偟内厔菔荢r/Ca值在海水中普遍較高且穩(wěn)定；在淡水中普遍較低，但變化幅度較大(Walther et al, 2015; He et al, 2016; Nelson et al, 2020)。由于耳石與水體Sr/Ca值具有相關(guān)性，而水體Sr/Ca值與鹽度之間又具有相關(guān)性，耳石 Sr/Ca值常被用來重建魚類所經(jīng)歷的鹽度環(huán)境“履歷”。許多耳石微化學(xué)研究驗證了耳石 Sr/Ca值與鹽度的正相關(guān)性。例如，Arai等(2016)在實驗室控制的鹽度梯度(0、10、20和28)條件下，對花鰻鱺(Anguilla marmorata)進行養(yǎng)殖實驗，結(jié)果表明花鰻鱺耳石中Sr/Ca值與鹽度呈顯著相關(guān)關(guān)系，為重建其自然水域洄游生活史提供了可靠的支撐。

水中Ba濃度的趨勢與Sr相反，Ba在淡水中的濃度比海水中高，隨著鹽度的上升，水中Ba含量逐漸下降；而Ba/Ca值隨鹽度升高而顯著下降(He et al, 2016; Nelson et al, 2020)。

另外，食物對耳石元素的沉積和含量組成也有貢獻，但影響較小(Woodcock et al, 2012; Chang et al, 2013; Doubleday et al, 2013)。遺傳因素(Clarke et al, 2011; Barnes et al, 2013)和生理因素(Sturrock et al, 2012; Gr?nkj?r, 2016; Grammer et al, 2017)對耳石元素組成也有影響。這些因素在分析耳石元素組成、微化學(xué)特征及與棲息地關(guān)系時需進行更加客觀的評估。

2 耳石微化學(xué)分析在魚類種群生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用

特定元素(如Sr等)在海水、淡水或水體不同地理位置中具有相當大的含量差異。另外，近海和內(nèi)陸水域的元素含量變化比外海大得多(Campana, 1999)。在耳石中這些元素可按照生長時間序列得以記錄和保存，故在魚類種群生態(tài)學(xué)研究中，耳石微化學(xué)分析可以在反演魚類生活史、評估種群結(jié)構(gòu)、評估關(guān)聯(lián)性、評估混合魚群的構(gòu)成與來源等方面發(fā)揮巨大的作用(Walther et al, 2012)。

2.1 反演資源種群的生活史和溯源關(guān)鍵棲息地

魚類生活史、不同生境利用模式及不同生活史過程的生境選擇性等是魚類生態(tài)學(xué)研究中關(guān)注的重點。傳統(tǒng)的標記、跟蹤等方法在一些活動范圍廣、魚體較小的魚類中明顯受限。耳石微化學(xué)分析可以通過破解魚類所跨越的水體不同元素的背景來研究魚類生活史，且既可以有效重建單個個體的生活史，又可在對種群內(nèi)大量個體進行分析的基礎(chǔ)上，來確定魚類種群的活動和生活史特征。

由于Sr/Ca值在淡水與海水間具有明顯區(qū)別，而在淡水支流間精細的空間尺度上往往也存在差異，且耳石Sr/Ca與水化學(xué)成分以及鹽度等環(huán)境因子之間具有相關(guān)性，因此，耳石Sr/Ca往往成為區(qū)分魚類生活史中淡水和海洋棲息地的指標，成為分析孵化場鹽度特性及判別魚類是否進行淡-半咸水-海水間洄游的有力工具。例如，M?ller等(2019)利用耳石 Sr/Ca重建了波羅的海呂根島周圍海域的白斑狗魚(Esox lucius)的生活史后發(fā)現(xiàn)，其資源群中 6%的個體的早期生活史是淡水起源，而94%的個體孵化于半咸水，表明波羅的海南部咸水灣對狗魚繁殖和資源補充具有不可或缺的重要性。Avigliano等(2018a)使用耳石Sr/Ca重建了拉普拉塔河河口的牙漢魚(Odontesthes bonariensis)的生活史，發(fā)現(xiàn)其每年在淡水和河口半咸水之間洄游，沒有發(fā)現(xiàn)定居或洄游進入海水環(huán)境的個體。

耳石生長特征(如日輪、年輪)與耳石微化學(xué)結(jié)果的聯(lián)合分析可成為反演魚類使用不同生境的持續(xù)時間和頻率的有效手段。例如，Payne Wynne等(2015)利用耳石沿核心到邊緣元素的直線分析，成功重建了美國緬因州沿岸不同河流的藍背西鯡(Alosa aestivalis)的生活史。以淡水階段對應(yīng)的耳石半徑與第1年輪對應(yīng)的耳石半徑的比例為淡水生境持續(xù)因子，發(fā)現(xiàn)不同河流的藍背西鯡早期生活史階段利用淡水生境的時間不同。發(fā)育至第1次進入高鹽度水域前在淡水環(huán)境內(nèi)生活的持續(xù)時間與淡水生境大小及淡水生境到河口外海水區(qū)域的距離呈正相關(guān)。Rohtla等(2014)利用Sr/Ca和Ba/Ca反演了江鱈(Lota lota)的生活史，也發(fā) 現(xiàn)個體間利用淡水生境持續(xù)時間具有差異性。Schoen等(2016)首先根據(jù)黃金鱸(Perca flavescens)耳石邊緣的耳石元素數(shù)據(jù)建立了海濱濕地和近岸棲息地之間的Sr/Ca和Ba/Ca指紋，然后將經(jīng)過耳石核心一直到邊緣的線上的每一個數(shù)據(jù)點判別到對應(yīng)的生境類型(使用LA-ICP-MS分析)，連續(xù)的數(shù)據(jù)點則對應(yīng)生境使用的持續(xù)時間，從而還原了黃金鱸在北美大湖區(qū)(the Great Lakes)的生活史策略。Walsworth 等(2015)對美國阿拉斯加地區(qū)的洄游型紅大麻哈魚(Oncorhynchus nerka)進行耳石元素線分析，基于Mn和Sr兩種元素判別出了魚類個體在早期生活史階段選擇利用 Black River和Chignik Lake兩處不同的淡水生境的情況及棲息時間。Teichert等(2018)利用耳石微化學(xué)多元素微化學(xué)特征判別了兔頭瓢鰭蝦虎魚(Sicyopterus lagocephalus)資源的來源河流及使用不同河流棲息地的時間特征。

國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用耳石微化學(xué)分析方法反演魚類生活史的研究也取得了不少進展。特別是針對刀鱭(Coilia nasus)開展了大量相關(guān)研究，水域涉及甌江(Jiang et al, 2014)、錢塘江(Khumbanyiwa et al, 2018)、長江口(Yang et al, 2006; Dou et al, 2012b)、長江不同江段(陳婷婷等, 2016a、b; 李孟孟等, 2017a、b)、鄱陽湖等長江及黃河沿線 6 個湖泊(Sokta et al, 2020)、洞庭湖(軒中亞等, 2020)、東海部分海區(qū)(Jiang et al, 2014)、黃海沿岸(Jiang et al, 2014)、黃河口及東平湖(叢旭日等, 2019、2022)，日本有明海及其沿岸的筑后川、六角川(Liu et al, 2018)等。Jiang 等(2014)發(fā)現(xiàn)刀鱭早期淡水生境生活史的持續(xù)時間及其在整個生活史中所占比例與其母河的長度相關(guān)。母河的長度越短，刀鱭早期生活史利用淡水生境的時間比例越小，并提出了淡水系數(shù)的概念(即個體早期淡水生活史占整個生活史的比例)，為研究洄游魚類對淡水生境的依存程度提供了一個可量化的指標。Khumbanyiwa等(2018)對刀鱭的生活史反演發(fā)現(xiàn)，在同一錢塘江內(nèi)，不同刀鱭資源的淡水系數(shù)也有顯著差異。另外，基于耳石從核心到邊緣的Sr/Ca值變化特征，長江口的鳳鱭(Coilia mystus)(楊琴等, 2019)、鯔(Mugil cephalus) (楊健等, 2010)、焦氏舌鰨(Cynoglossus joyneri)、皮氏叫姑魚(Johnius belengerii)、(Miichthys miiuy)和光澤黃顙魚(Pseudobagrus nitidus)(劉洪波等, 2018)以及青藏高原地區(qū)的斯氏高原鰍(Triplophysa stoliczkae)、小頭高原鰍( Triphophysa minuta )(劉洪波等, 2020)、大遼河口的紅狼牙虎(Odontamblyopus rubicundus) (盧明杰等, 2015)等魚類的生活史特征也成功重建。

2.2 評估資源種群的結(jié)構(gòu)

種群結(jié)構(gòu)就是自然環(huán)境中的生物種群的一定的空間分布格局。物種種群結(jié)構(gòu)的描述是種群生態(tài)學(xué)的中心目標之一，也是物種管理和保護的基礎(chǔ)(Collins et al, 2013)。了解魚類的種群結(jié)構(gòu)可以為魚類管理和保護的合適空間尺度的確定提供重要信息。遺傳信息可以用來評估魚群的種群結(jié)構(gòu)，但遺傳水平的差異需要多代積累，如果有迷航個體探索新棲息地，那么產(chǎn)生的種群間基因流也將抑制遺傳結(jié)構(gòu)的形成。因此，在一些種群間存在頻繁的基因流的情況下，分子生物學(xué)方法對種群結(jié)構(gòu)的評估靈敏性遭到挑戰(zhàn)，而耳石微化學(xué)的發(fā)展為種群結(jié)構(gòu)的研究提供了有力的支持。

研究發(fā)現(xiàn)，南美洲的洄游型魚類瑪麗鯪脂鯉(Prochilodus mariae)是一種多次生殖型魚類，每年從安第斯河?xùn)|坡的山腳下溪流洄游到季節(jié)性淹沒的洪泛區(qū)產(chǎn)卵。Collins等(2013)從微衛(wèi)星遺傳結(jié)構(gòu)和耳石微化學(xué)分析兩方面對其種群結(jié)構(gòu)進行了探索，盡管遺傳分析未發(fā)現(xiàn)遺傳結(jié)構(gòu)，但耳石微化學(xué)分析的結(jié)果顯示，來源自不同母河的個體耳石微化學(xué)信號不同，這說明親魚是來源于不同支流的繁殖種群。因此，要保證該魚種漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展就需要針對不同的繁殖群體進行分別管理。雖然于悅等(2016)利用微衛(wèi)星分子標記分析長江、贛江和鄱陽湖鰱(Hypophthalmichthys molitrix)群體遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，這些水域的4個鰱野生群體的遺傳一致性高，遺傳距離小，遺傳分化不顯著；但潘靜等(2018)對長江、贛江的鰱幼魚耳石核區(qū)元素指紋特征進行分析的結(jié)果顯示，Sr/Ca、Ba/Ca、Si/Ca和Mg/Ca等元素比值可以作為識別長江和贛江鰱群體的環(huán)境元素指紋(判別成功率在 90%以上)。耳石微化學(xué)結(jié)果為進一步分析鄱陽湖鰱群體的來源以及探究長江、贛江鰱資源群體之間是否存在交流以及交流的程度提供了難得的信息。

對于溯河洄游型魚類而言，其繁殖和孵化在淡水中進行，生長階段則在海水環(huán)境中。開闊的海洋環(huán)境可使不同來源的幼魚在相同的海洋區(qū)域生長，但到成魚階段可進行溯河洄游繁殖時，其是否具有起源地回歸繁殖的特性將是塑造這類魚種群結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素(McDowall, 2001)。在具有回歸特性的洄游魚類中，親魚以較高的精度回到其出生的產(chǎn)卵場繁殖，且其后代循環(huán)往復(fù)，則不同種群間在繁殖階段形成了明顯的空間分布格局，具有強烈的種群結(jié)構(gòu)(McDowall, 2001; Kitanishi et al, 2018)。利用耳石核心及周邊區(qū)域的元素微化學(xué)“指紋”，研究者可以重建魚類早期生活史的生境履歷，區(qū)分來源于不同產(chǎn)卵場的資源個體。如果精細對比特定水域及特定季節(jié)內(nèi)的同種魚的耳石核心元素，還能判斷洄游型個體是否具有回歸特性。Engstedt等(2014)分析了瑞典東南部相互臨近的4條河流(4個河口位于半徑50 km的范圍內(nèi))的白斑狗魚幼魚和上溯回到母河的成魚(第2年采樣)的耳石核心元素，這些樣本出生于同一年，耳石核心多元素特征證明狗魚能夠精確地回歸到其出生的河流，使狗魚種群形成了清晰的種群結(jié)構(gòu)。由于這種回歸產(chǎn)卵的行為導(dǎo)致了分離的亞種群，那么管理應(yīng)該基于不同的亞種群，而不是將其視為一個勻質(zhì)化的種群。Avigliano等(2018b)研究在河口和上游之間洄游的鈍齒巨兔脂鯉(Megaleporinus obtusidens)的耳石核心的元素指紋，在 Uruguay River、Paraná River以及它們共同的河口 Río de la Plata Estuary 等 3 處采樣點，其耳石核心多元素具有顯著差異，顯示其早期生活史階段生境的不同，構(gòu)建了河流上游和河口的3個種群間的種群結(jié)構(gòu)。

耳石微化學(xué)分析也可以給種群遺傳結(jié)構(gòu)的研究提供良好的支撐。在洄游魚類上溯的過程中，洄游通道中往往存在許多來源于不同產(chǎn)卵場的資源種群，而特定產(chǎn)卵場也可能有本應(yīng)回其他產(chǎn)卵場的迷航者。如果僅僅直接使用采樣地點的樣本作為資源種群基線(population baseline)有可能不可靠。因此，Martin等(2015)在使用耳石核心元素特征確定資源魚的產(chǎn)卵場起源之后，把來自同一河流的個體集合在一起定義為一個種群基線，發(fā)現(xiàn)西鯡(Alosa alosa)親魚展現(xiàn)出較高水平的回歸精度，種群結(jié)構(gòu)比較清晰。然而，遺傳分析顯示這個物種的遺傳結(jié)構(gòu)較為微弱。這可能驗證了耳石微化學(xué)分析所發(fā)現(xiàn)相鄰河流產(chǎn)卵場間會出現(xiàn)少量迷航者的原因。Hughes等(2014)先使用耳石微化學(xué)分析確認了澳大利亞沿岸河流中的一種后鰭鮭屬魚類(Retropinna spp.)兩側(cè)洄游(amphidromous)的生活史類型，然后基于微衛(wèi)星和mtDNA技術(shù)都發(fā)現(xiàn)了種群高度結(jié)構(gòu)化。兩側(cè)洄游的魚類在幼魚階段生活在河口或近海，對于某些兩側(cè)洄游魚類而言，不同河流來源的幼魚個體在近海區(qū)域生活，之后可能上溯到不同于其出生地的河流中生長和繁殖，這種混合導(dǎo)致遺傳上的勻質(zhì)化。Hughes等(2014)發(fā)現(xiàn)澳大利亞胡瓜魚(Osmerus mordax)不同流域個體的耳石核心多元素特征具有巨大差異，判別分析表明這些胡瓜魚都回到了出生的河流，據(jù)此推斷，該種魚類早期生活在河口，而不是更均勻的海洋環(huán)境中，從而避免了分散到不同的河流中，并形成了鮮明的遺傳分化。這些實例進一步說明耳石微化學(xué)分析方法與分子遺傳學(xué)方法的結(jié)合能更好地解析洄游魚類的種群結(jié)構(gòu)等信息。

迄今，國內(nèi)學(xué)者利用耳石微化學(xué)分析進行魚類種群結(jié)構(gòu)的研究尚不多。Dou等(2012a)利用耳石核心元素指紋研究了中國沿岸刀鱭種群的結(jié)構(gòu)。遼河口、海河口、黃河口、大沽河口及長江口等地的刀鱭耳石核心元素的判別分析結(jié)果表明，各河口間的元素指紋差異顯著，總體判別成功率可達72.7%，顯示了各個河口間刀鱭種群的空間結(jié)構(gòu)。Jiang等(2016)基于耳石核心元素指紋的分析，發(fā)現(xiàn)長江口春季幼魚來源于鄱陽湖，而長江口夏季和春季的刀鱭幼魚來源于另外不同的產(chǎn)卵場。這些結(jié)果顯示了長江流域的刀鱭起源與不同產(chǎn)卵場的情況復(fù)雜，具有種群結(jié)構(gòu)。Xuan等(2021)結(jié)合耳石微化學(xué)與分子種群遺傳學(xué)交叉的優(yōu)勢，在使用耳石微化學(xué)確認刀鱭樣本生態(tài)型的基礎(chǔ)上，對鄱陽湖、洞庭湖、長江干流等水域的刀鱭的長頜鱭類型和短頜鱭類型進行遺傳分析，認為應(yīng)將這2個類型視為2個處于早期物種形成時期的不同鱭屬物種，而2個物種內(nèi)部都有洄游生態(tài)型和淡水定居生態(tài)表型，并且物種內(nèi)生態(tài)型之間缺乏遺傳分化等一系列特征。

在一些物種內(nèi)部存在生活史的多樣性，即物種內(nèi)部不存在一個穩(wěn)定的洄游、定居型的區(qū)分，而可能是個體遵循溯河洄游行為的程度不同，在這些物種中，洄游和定居似乎反映了遺傳、個體條件和環(huán)境影響之間的相互作用(Kendall et al, 2015; Baerwald et al, 2016)。因此，由于環(huán)境變化，個體條件不同或個體對特定環(huán)境刺激的敏感性，個體可以表現(xiàn)出生命史可塑性(Baerwald et al, 2016)。一些溯河洄游魚類種群中包含一部分不遷移到海洋中而是在淡水中成熟產(chǎn)卵的個體，在一些情況下，它們的活動范圍可能很小，通常它們和進行溯河洄游的同種之間可以繁殖，其后代也可能仍進行洄游活動。這為種群結(jié)構(gòu)和種群遺傳結(jié)構(gòu)的研究帶來了巨大的挑戰(zhàn)。例如，Rodger等(2021)發(fā)現(xiàn)褐鱒(Salmo trutta)中同一地區(qū)的洄游型與定居型之間沒有明顯的遺傳差異，差異主要是地理結(jié)構(gòu)間的。該研究以溯河型褐鱒魚的表皮上有銀斑、身體細長(smolt期)，非溯河褐鱒魚表皮上沒有銀斑、仍保持幼魚顏色為標準判斷生態(tài)型，并在不同的季節(jié)采樣盡量錯開2種生態(tài)型。然而，這種方法并非完全可靠：褐鱒表現(xiàn)出的potamodromy (河流-河流和或湖泊-河流-河流遷移)也可能表現(xiàn)出銀色(Ferguson et al, 2019)，這就有可能產(chǎn)生誤判，從而可能導(dǎo)致遺傳分析產(chǎn)生混淆。對于北極紅點鮭(Salvelinus alpinus)，有的研究中洄游型與定居型分別是遺傳上穩(wěn)定的種群，不同生態(tài)型之間具有明顯的遺傳分化(Salisbury et al, 2017; Melnik et al, 2020)；另有研究則在北極紅點鮭(Moore et al, 2014)以及花羔紅點鮭(Salvelinus malma malma)中發(fā)現(xiàn)同域分布的洄游和定居的生活史形式間沒有遺傳差異，洄游和定居型之間存在條件交配策略(conditional mating tactics) (Harris et al, 2015)。需要注意的是，上述定居型和洄游型種群遺傳分化的研究都是根據(jù)形態(tài)或采樣的季節(jié)來判斷樣本中的洄游型與定居型。上述基于生態(tài)型分化的遺傳學(xué)研究，可能建立在不可靠的生態(tài)型鑒定方法上，這可能正是上述研究結(jié)果之間存在不一致的原因。在未來的研究中非常有必要在涉及洄游型與定居型之間的種群遺傳學(xué)分析之前，首先使用耳石微化學(xué)分析來準確分辨樣本的生態(tài)型。

2.3 評估資源種群的群體關(guān)聯(lián)性

魚類關(guān)聯(lián)性是指同一魚種在仔魚、幼魚和成魚等不同生活史階段所分別利用棲息地生境之間的聯(lián)系(Gibb et al, 2017; Pan et al, 2020)。對許多魚類來說，產(chǎn)卵場、育幼場、索餌場等在空間上是分離的，而仔魚、幼魚階段的擴散是連接生命歷史各階段的必經(jīng)過程。不同生活史階段的魚類種群及生境之間的關(guān)聯(lián)性往往是資源補充的前提。破解不同生活史階段基本生境之間的關(guān)聯(lián)性是魚類管理的關(guān)鍵，因為它能為漁業(yè)評估和管理確定合適的空間尺度。由于幼魚階段魚類個體較小、難以使用，限制了電子標簽、遙測技術(shù)等追蹤技術(shù)在魚類生活史不同階段的關(guān)聯(lián)性上的使用。耳石微化學(xué)分析為這一問題的解決提供了可能。由于魚類個體生長過程中獲取的元素被保存在相應(yīng)的個體發(fā)育時期形成的耳石微結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此，對應(yīng)位置的耳石元素特征可能反映相應(yīng)的魚體生長階段魚類經(jīng)過的元素水化學(xué)性質(zhì)不同的生境(Wright et al, 2018)。由于仔魚階段的高死亡率，直接通過追蹤仔魚的來源非常困難，然而，如果將已經(jīng)進入到混合種群后的幼魚或成魚階段的個體作為研究對象，使用耳石核心元素聚類分析來推測貢獻于仔魚補充的來源簇的數(shù)目，然后將不同混合種群中的來源簇數(shù)目及所占比例進行比較，即可有效推斷出仔魚擴散的空間范圍及仔魚來源與混合的生長種群間的關(guān)聯(lián)性(Wright et al, 2018)。

來源于不同產(chǎn)卵場的幼魚可能在生長區(qū)混合成大的混合魚群，對于混合魚群補充的來源和構(gòu)成比例的了解是漁業(yè)資源評估與管理的基礎(chǔ)。實際上，評估混合魚群的不同來源本質(zhì)上就是評估魚類生長區(qū)與不同的繁殖地(產(chǎn)卵場)的關(guān)聯(lián)性。Gibb等(2017)對在 蘇格蘭海岸附近的海玉筋魚(Ammodytes marinus)的耳石核心元素的聚類分析顯示有 3個可能的產(chǎn)卵場進行資源補充。孵化的仔魚經(jīng)過漂浮階段后進入4個不同生長區(qū)。在這些生長區(qū)發(fā)育后，4個生長區(qū)之間魚耳石的微化學(xué)元素成分(耳石邊緣)已經(jīng)大不相同，顯示出不同的產(chǎn)卵場與生長區(qū)之間的關(guān)聯(lián)性。Pan等(2020)對中國沿岸青島、呂四、象山、福州等4個藍點馬鮫(Scomberomorus niphonius)產(chǎn)卵場資源魚的耳石元素“指紋”進行分析，顯示未成熟的藍點馬鮫在開闊的近海水域覓食和過冬時，在很大程度上混合在一起；而在同一產(chǎn)卵場產(chǎn)卵的親魚則會有多個產(chǎn)卵場起源。在青島海域捕獲的親魚甚至可能是來源于福州水域。對耳石核心附近的元素進行聚類分析，結(jié)果顯示，仔魚可有3個來源，即南部區(qū)域產(chǎn)卵的親魚以單個來源為主，北部區(qū)域以2～3個來源為主。黃海漁業(yè)所依賴的藍點馬鮫集群受到我國沿海水域所有產(chǎn)卵場孵化來源的共同補充，而不是各個產(chǎn)卵場資源各自分離。這體現(xiàn)出藍點馬鮫這種高度活動性的魚類明顯的種群關(guān)聯(lián)性。加拿大魁北克省的薩格奈-圣·勞倫斯海洋公園保護區(qū)毛鱗魚(Mallotus villosus)的保護也是耳石微化學(xué)分析評估魚群構(gòu)成和來源的例子。耳石微化學(xué)分析表明，在該保護區(qū)中生長的 1+齡毛鱗魚主要孵化起源于位于保護區(qū)邊界之外的圣勞倫斯河口。由于其為保護區(qū)內(nèi)許多海洋動物的關(guān)鍵餌料魚，確保保護區(qū)內(nèi)外毛鱗魚上述關(guān)鍵棲息地的關(guān)聯(lián)性十分重要(Lazartigues et al, 2016)。

作為一種洄游型魚類，確定不同水域洄游型刀鱭仔魚、幼魚和成魚間的資源關(guān)聯(lián)性難度很大。Jiang等(2016)基于耳石核心元素指紋的分析，通過長江口春季刀鱭幼魚耳石核心元素與鄱陽湖內(nèi)定居的短頜鱭及進入鄱陽湖繁殖的刀鱭成魚的耳石核心元素的綜合比較，證實了長江口春季幼魚與鄱陽湖成魚的關(guān)聯(lián)性，顯示出長江口一些特定刀鱭資源的起源來自鄱陽湖內(nèi)的產(chǎn)卵場。

3 耳石微化學(xué)方法的局限性及解決途徑

耳石微化學(xué)分析方法雖然在魚類資源種群的關(guān)聯(lián)性和種群結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)揮重要作用，但其可能的局限性也需注意。

第一，耳石微化學(xué)在記錄水環(huán)境背景方面的優(yōu)勢顯著，而同一地點的水環(huán)境中元素的組成可能會隨時間發(fā)生變化，且水溫、鹽度等環(huán)境因素變化也可能影響到魚耳石微化學(xué)“指紋”。耳石作為環(huán)境變化的自然標記物，準確區(qū)分其“指紋”變化是同一地點的水環(huán)境因素所導(dǎo)致，還是該魚曾生活過另一不同水域的背景所導(dǎo)致仍非易事(Gillanders, 2005)。為了對耳石微化學(xué)分析結(jié)果進行正確解讀，在使用耳石微化學(xué)特征研究魚類生活史、不同地理區(qū)域魚類的關(guān)聯(lián)性和種群結(jié)構(gòu)時，需要先對研究水域水環(huán)境化學(xué)特征的時序穩(wěn)定性進行評估。Morissette等(2021)對加拿大圣勞倫斯河下游的支流和干流水體中的魚類耳石常見元素(Sr、Ba、Mg和Mn)進行微化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)不同支流間水體的元素含量具有空間差異，且這種差異不受季節(jié)的影響，表明支流間水化學(xué)背景差異顯著且穩(wěn)定?；诖耍趥愃购拥貐^(qū)的魚類耳石微化學(xué)數(shù)據(jù)在支流尺度上適用于重建魚類生活史、判別魚類補充來源和確定種群結(jié)構(gòu)等研究。

由于同一水域不同年份的水環(huán)境變化也可能使不同年份孵化的魚類的耳石微化學(xué)信號出現(xiàn)一些差異，這可能會導(dǎo)致在進行種群結(jié)構(gòu)分析時將同一地點不同年份的補充群體誤判為來源于不同的地理群體。要避免這種誤判，需要對研究水域內(nèi)不同年份魚的耳石微化學(xué)背景進行調(diào)查。如果存在年際間差異，起源水域判別與種群關(guān)聯(lián)性等研究只能限定用同一年份孵化的魚類個體來進行。Pangle等(2010)對Erie湖水元素及黃金鱸(Perca flavescens)的耳石微化學(xué)比較研究表明，雖然不同地理水域魚的耳石微量元素具有顯著差異，但耳石元素特征的年際變化也較大，需要每年都建立不同地點的耳石微化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以作為區(qū)分黃金鱸來源的依據(jù)。Reis-Santos等(2012)在葡萄牙沿岸幾個河口于 2年內(nèi)的每年的3個季節(jié)(春、夏和秋)分別采集Platichthys flesus和Dicentrarchus labrax的耳石進行微化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)耳石元素在年際間和季節(jié)間均有差異，但將每一年不同季節(jié)的數(shù)據(jù)混在一起后，年與年之間的判別精度很高，因此，建議以同一年孵化的個體的耳石元素作為判別基線。之后，Reis-Santos等(2013)利用可以確定來源的0齡幼魚作為河口的耳石元素基線(較早采樣)，使用耳石元素回顧性識別已移動到沿海生境的成魚(與以上作為基線的 0齡魚于同一年孵化)的河口育幼場的使用情況，發(fā)現(xiàn)不同年份主要的補充種群來源自不同的河口。

值得注意的是，不少研究表明雖然觀察到耳石元素特征在時序上的變化，但這種變化遠小于地理空間上的差異，因此，對地理種群間的判別影響較小。Martin等(2013b)研究了法國南部 Adour河流域的大西洋鮭(Salmo salar)幼魚在早期淡水生活史階段的耳石微化學(xué)和水化學(xué)特征，盡管觀察到不同年際的耳石元素組成有變化，但這種變化與地理區(qū)域差異相比很小，不影響將幼魚判別到其母河的能力。Schaffler等(2015)利用耳石核心元素可以將孵化自大壩上游和下游的阿拉巴馬西鯡(Alosa alabamae)幼魚準確地判別出來。雖然部分元素存在年際變化，但對判別結(jié)果無明顯影響。Aschenbrenner等(2016)研究了河口和海岸的亞歷山大笛鯛(Lutjanus alexandrei)的耳石微化學(xué)時空變化，發(fā)現(xiàn)河口的稚魚和亞成體(sub-adult)的耳石元素構(gòu)成連續(xù)3年之間無顯著差異，沿岸的更大一些的個體的耳石元素年際間也相似，而河口與沿岸的耳石元素構(gòu)成則具有顯著差異，表明使用耳石元素判斷亞歷山大笛鯛利用河口與沿岸等不同生境的比例的可行性?？傊谑褂枚⒒瘜W(xué)進行魚類的生活史、棲息地相關(guān)研究之前，尤其是進行種群結(jié)構(gòu)分析之前，建議首先對不同年份孵化的魚類樣本進行微化學(xué)特征年際間穩(wěn)定性的背景調(diào)查，從而確定分析方案，避免年際差異的干擾。

第二，盡管耳石微結(jié)構(gòu)分析、耳石微化學(xué)分析及其結(jié)合使?jié)O業(yè)科學(xué)發(fā)生重大變化，帶來魚類評估和漁業(yè)生態(tài)學(xué)的重大進展，然而使用耳石進行微化學(xué)分析也有不足。特別是從魚體中取出耳石的過程是致死性的。對那些瀕危及受保護的物種而言，這種分析方法的局限性非常明顯，且鱘等軟骨魚耳石的砂粒狀結(jié)構(gòu)不太適合進行微化學(xué)分析。因此，探尋一些可以用來替代耳石的其他硬組織具有特別重要的價值。理論上，擁有結(jié)構(gòu)內(nèi)元素和穩(wěn)定同位素值具有代謝惰性(或缺乏分子周轉(zhuǎn))的組織較為適合用于微化學(xué)研究(Tzadik et al, 2017)。魚類鰭條的研究顯示其作為替代耳石的硬組織的潛力。鰭條組織在研究鏟鱘(Scaphirhynchus platorynchus)生活史中不同生境的連通性中發(fā)揮了重要作用(Pracheil et al, 2019)。姜濤等(2021)研究了刀鱭胸鰭條和耳石微化學(xué)“指紋”的相似性，證明刀鱭胸鰭條可以代替耳石進行洄游習(xí)性和生境履歷等方面的研究。鰭條等硬組織作為耳石的非致死替代分析物質(zhì)，在魚類的生活史重建、種群結(jié)構(gòu)評估、補充來源判別和棲息地關(guān)聯(lián)性等方面將會具有廣泛應(yīng)用的價值，但至今相關(guān)研究仍較少，其應(yīng)用特征仍需進一步探索(Tzadik et al, 2017)。

4 展望

目前，隨著耳石微化學(xué)研究的精度的進一步提升和檢測成本的逐步下降，耳石微化學(xué)越來越多地被用于闡明魚類的種群生態(tài)學(xué)。耳石微化學(xué)分析中一些新方法的應(yīng)用需要得到高度關(guān)注。耳石87Sr/86Sr同位素比值可直接反映周圍水化學(xué)構(gòu)成(Kennedy et al, 2000; Martin et al, 2013a; Avigliano et al, 2020; Heckel et al, 2020)，而水域內(nèi)基巖的地球化學(xué)構(gòu)成及地質(zhì)構(gòu)造的年齡決定解離到水中的 Sr同位素比值(Hegg et al, 2013; Martin et al, 2013a; Garcez et al, 2015)，因此，河流水化學(xué)的87Sr/86Sr比值穩(wěn)定，經(jīng)時變化很小(Brennan et al, 2015a; Garcez et al, 2015)，這使耳石87Sr/86Sr值可以成為判斷魚類的出生來源、評估種群結(jié)構(gòu)以及反演魚類生活史的有力工具(Brennan et al, 2015b; Garcez et al, 2015; Avigliano et al, 2020; Heckel et al, 2020)，可以作為耳石元素指紋方法的重要補充或在某些87Sr/86Sr值具有顯著差異的地理環(huán)境中單獨使用。目前，Wang等(2020)已經(jīng)建立了中國境內(nèi)第一個大尺度地區(qū)范圍下的87Sr/86Sr比值背景地圖，可為研究古代與當代的生物洄游及遷徙模式提供重要的基礎(chǔ)資料。由于目前在國內(nèi)耳石 Sr同位素的研究仍屬空白，未來宜結(jié)合棲息地水化學(xué)87Sr/86Sr同位素比值特征，將耳石87Sr/86Sr盡快引入國內(nèi)魚類種群生態(tài)學(xué)等研究中，以便在更廣的時間和空間尺度上破解魚類的生活史和棲息地規(guī)律。

同時，其他一些領(lǐng)域的研究拓展也需加強。

迄今對影響耳石微化學(xué)特征的因素的認識仍然有限，還需更深入地理解為什么物種間的耳石微化學(xué)特征具有差異，以及是否可預(yù)測這些種間的差異。這將有助于將棲息地環(huán)境對耳石微化學(xué)特征的影響更有效地應(yīng)用到不同物種之間的比較之中(Nelson et al, 2019)。其次，在分析中應(yīng)盡可能地在精細的尺度下分析耳石微化學(xué)特征，這對于根據(jù)耳石微化學(xué)特征重建環(huán)境特性變化時的空間和時間尺度非常重要。

如前文所述，基于非致死、低損傷取樣的耳石替代組織(如鰭條等)還可以應(yīng)用到魚類洄游習(xí)性、生境履歷、生活史不同生境的連通性等研究中。

上述耳石或其他生物硬組織研究中的化學(xué)元素“指紋”均為環(huán)境和生理作用結(jié)合的情況下自然沉積形成的天然標記。在魚類生長的過程中，如果在其生活的水環(huán)境中添加Sr、Ba等元素，其耳石或其他硬組織上相應(yīng)形成且易于分辨的標記區(qū)同樣可作為人工標記(Thorrold et al, 2002)。這些將具有特殊的應(yīng)用優(yōu)勢(Campana, 1999)。近期國內(nèi)的相關(guān)研究已逐漸增多，如邱晨等(2019)利用 Sr對鯉(Cyprinus carpio)仔魚耳石進行標記，司飛等(2019)利用鍶標記牙鲆(Paralichthys olivaceus)耳石，王碩等(2022)利用耳石鍶標記識別(Liza haematocheila)放流群體。這些研究結(jié)果均顯示耳石上能形成明顯的標記環(huán)。這種人工耳石標記的方法在增殖放流標記中具有較強的可操作性，對今后增殖放流效果評價工作應(yīng)該可起到更重要的作用。