毛里塔尼亚海域沙丁鱼耳石微量元素特征分析

宋利明，周 旺，王 迪，Ebango Ngando Narcisse

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.上海海洋大学国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306）

沙丁鱼（Sardina pilchardus）隶属于硬骨鱼纲（Osteichthyes），鲱科（Clupeidae），沙丁鱼属，是近海暖水性洄游鱼类。沙丁鱼资源在西非渔业中占有重要地位，具有很高的经济价值。毛里塔尼亚海域位于几内亚暖流和加纳利寒流交汇区，存在较强的涌升流，初级生产力较高，是西北非海域的重要渔场之一［1－3］。耳石是鱼类内耳膜迷路内的一种碳酸钙晶体，鱼类栖息环境化学信息犹如生活史的指纹保存在耳石日轮中［4］。鱼类耳石微化学分析已成为研究鱼类生活史的重要方法之一［5］，在鱼类种群识别［6］、产卵场比较［7］、洄游生活史研究［8］等方面发挥了很好的作用。耳石日轮技术应用于早期生活史特点、产卵期或产卵场位置推算等研究［9－10］。耳石微化学分析方法主要有锶（Sr）、钡（Ba）与钙（Ca）元素含量比值分析［11］、多元素分析［12］、稳定同位素分析［13］等。鱼类耳石Sr∶Ca、Ba∶Ca与栖息环境盐度［14］和温度［15］相关，作为研究其栖息环境的指纹元素得到普遍认同［16－18］。目前国内外关于毛里塔尼亚海域沙丁鱼耳石研究大多基于耳石形态和耳石年龄测定［19－20］，对毛里塔尼亚海域沙丁鱼耳石微化学研究主要用于种群识别［21］。对毛里塔尼亚海域沙丁鱼耳石微量元素的特征进行研究，可进一步了解沙丁鱼的栖息环境，以利于开发、养护和管理沙丁鱼等小型中上层渔业资源。本研究采用激光剥蚀电感等离子质谱仪法（laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry，LA-ICP-MS）对毛里塔尼亚海域沙丁鱼耳石元素含量进行测定，分析其耳石不同年龄测定处（核心区、1龄区、2龄区与边缘区）主要元素［钠（Na）、Sr、Ba、铁（Fe）、镁（Mg）］含量与Ca含量比值的差异性，研究毛里塔尼亚海域沙丁鱼不同年龄栖息环境的变化情况，以期为今后研究毛里塔尼亚海域沙丁鱼洄游生活史及沙丁鱼资源的可持续利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料来源

2018年10月至12月在毛里塔尼亚20°10′N～21°10′N、17°10′W～17°40′W海域（图1），通过宏东国际（毛里塔尼亚）渔业发展有限公司的灯光围网船“福远渔097”，采集沙丁鱼样本219尾，叉 长（15.24±6.76）cm，体 质 量（103.51±23.48）g。沙丁鱼样本的性别鉴定和耳石采集在毛里塔尼亚宏东国际渔业发展有限公司的实验室内完成，采集沙丁鱼的矢耳石样本，编号并记录性别，置于盛有95%酒精溶液的1.5 mL离心管中保存［22］。

图1 沙丁鱼采样站点Fig.1 Sampling sites of sardine

1.2 实验方法

1.2.1 耳石预处理

耳石样本的预处理参考韩振华［23］的方法，主要包括包埋、切割、研磨、抛光及读取年龄等步骤。首先使用固化剂与冷埋树脂1∶1混合液体包埋耳石样品，待其硬化后进行切割。然后分别使用600目、1 200目、2 500目、4 000目防水耐磨砂纸，沿耳石纵切面研磨至耳石核心。耳石两面研磨至核心后，用0.3μm氧化铝绒布对耳石切片进行抛光。最后挑选日轮清晰、杂质较少的沙丁鱼耳石样品置于体式显微镜下读取日轮，边缘不清晰的耳石日轮依据邻近轮纹宽度计算，通过耳石日轮划分沙丁鱼年龄。耳石日轮由3人分别读取，日轮数与均值差值均小于5%的则视为正确日轮［24］。制备完善的耳石样本置于鱼鳞袋保存，以备测定耳石元素。

1.2.2 耳石微化学测定

利用沙丁鱼的生长方程［25］，根据体长逆算其年龄，然后乘以365 d，得到沙丁鱼的理论日龄，并根据沙丁鱼的捕捞日期和产卵期推算其生长期，用于与耳石日轮纹数比对分析。本实验共选取58枚（其中雄性25枚，雌性33枚）完整、日轮数较多的沙丁鱼耳石样品，耳石日轮范围为344～789轮，1龄以下、1～2龄和2龄以上的分别为2尾、40尾和16尾，以1～2龄为主。在武汉上谱分析科技有限责任公司，采用安捷伦电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS，Agilent 7900）和193 nm准分子激光剥蚀系统（GeoLas HD）分析耳石微量元素。耳石核心区到边缘区元素含量按年龄序列完整记录着鱼类出生至被捕获时的栖息环境变化［26］，因此本实验根据沙丁鱼耳石日轮划分，分别在核心处、0龄与1龄交汇处、1龄与2龄交汇处及边缘处各取一个测定点（图2）进行测定。测定耳石元素前使用电阻率大于18Ω的去离子水清洗耳石切片5 min，利用LA-ICP-MS测定耳石各测定点处的元素成分及含量［27］，激光剥蚀点直径44μm。每个测定点数据分析包括约25 s的空白信号和50 s的分析信号，激光剥蚀过程采用氦气（0.7 L·min－1）作为载气，氩气作为补偿气（0.8 L·min－1）用于调节灵敏 度［28］。使 用NIST610、BCR、BIR、BHVO、MACS-3、ZS参考标准作为校正的标准，每进行3～5个样品打点之后重新校正仪器参数［29］。

1.2.3 数据处理

使用ICP-MSDatacal 10.8软件，计算耳石样本中各测定点处元素成分及含量（mg·kg－1）。为了减小不同样本个体大小产生的误差，耳石微化学分析采用元素含量与耳石中Ca元素含量的比值进行分析［30］。本研究使用SPSS 25.0软件进行统计学分析，首先检验耳石各元素值的组内正态分布性（Kolmogorov-Smirnov检验）和组间方差齐次性（Levene检验）［11］，考虑到所有测定元素比值的多元效应，利用Wilcoxon统计学检验比较不同性别沙丁鱼各测定点主要元素含量与Ca含量比值差异，探讨沙丁鱼不同性别间耳石元素含量的差异；并比较耳石各测定点主要元素含量与Ca含量比值的差异，探讨毛里塔尼亚海域沙丁鱼不同年龄栖息环境的变化。如若数据不满足正态分布，可直接对其用多元方差分析，由于多元方差分析对偏离正态分布有一定的抗性，尤其是在各组样本量相等或近似相等的情况下，而且非正态分布实质上并不影响犯统计学假设检验中“弃真”错误的概率，因此可以直接进行检验，但结果中需比较对正态分布的偏离。

2 结果与分析

2.1 沙丁鱼耳石元素组成

本研究在沙丁鱼耳石中共检测出44种元素，其中Ca含量最高，为（3.13～3.98）×105mg·kg－1，平均为（3.89±0.19）×105mg·kg－1。沙丁鱼耳石9种主要元素含量高低依次为Ca、Na、Sr、Fe、Mg、Ba、锂（Li）、锰（Mn）、铜（Cu）（表1）。

表1 沙丁鱼耳石主要元素组成及含量Tab.1 Dominant trace element composition and content of sardine otolith

2.2 雌雄沙丁鱼耳石各测定点主要元素与Ca含量比值

计算25尾雄性及33尾雌性沙丁鱼耳石各测定点主要元素含量与Ca含量的比值（表2、表3），并使用符号秩（Wilcoxon）检验比较不同性别的差异。结果表明，毛里塔尼亚海域雌雄沙丁鱼各测定点Na、Sr、Fe、Mg、Ba含量与Ca含量比值均无显著性差异（P＞0.05），因此认为不同性别的沙丁鱼耳石可综合在一起分析。

表2 雄性沙丁鱼耳石各测定点主要元素含量与Ca含量的比值Tab.2 Ratio of dominant trace element content to Ca content in each region of male sardine otolith

表3 雌性沙丁鱼耳石各测定点主要元素含量与Ca含量的比值Tab.3 Ratio of dominant trace element content to Ca content in each region of female sardine otolith

2.3 沙丁鱼耳石各测定点主要元素与Ca含量比值

本研究采用Wilcoxon检验对58枚沙丁鱼耳石不同测定点处主要元素（Na、Sr、Fe、Mg、Ba）与Ca含量比值进行分析（图3），检验结果见表4。结果表明，毛里塔尼亚海域沙丁鱼耳石核心区与1龄区的Na、Sr、Fe、Mg、Ba含量与Ca含量的比值均无显著性差异（P＞0.05）；1龄区与2龄区、2龄区与边缘区除Fe与Ca元素含量比值无显著性差异（P＞0.05），其他元素与Ca元素含量比值存在显著性差异（P＜0.05）。

图3 沙丁鱼耳石各测定点Na、Sr（a）、Fe、Mg（b）、Ba（c）含量与Ca含量的比值Fig.3 Na∶Ca，Sr∶Ca（a），Fe∶Ca，Mg∶Ca（b），and Ba∶Ca（c）in each region of Sardine otolith

表4 各测定点主要元素含量与Ca含量比值之间的Wilcoxon检验结果（P值）Tab.4 Result of Wilcoxon test among dominant trace element content to Ca content at each measurement point（P value）

3 讨论

本研究结果表明，毛里塔尼亚海域沙丁鱼含有44种元素，9种主要元素根据含量高低依次为Ca、Na、Sr、Fe、Mg、Ba、Li、Mn、Cu。迄今为止，鱼类耳石中已检测出的元素约50多种［30－31］。HAMPTON等［32］对南非沿岸沙丁鱼幼鱼耳石元素的时空变化进行研究，测得20种元素，主要元素为Ca、Sr、Mg、B、Li、Ba等。CASTRO［33］对大西洋沿岸沙丁鱼耳石元素进行了分析，认为沙丁鱼耳石元素组成与其他海洋鱼类相似，主要为Ca、Na、Sr、Mg、Li、Ba、Mn。本研究与这些研究结果得到的结果基本一致。

有研究认为，鱼类耳石元素的沉积受到栖息环境的影响，也与性别和生长发育有关［5］。但本研究表明，毛里塔尼亚不同性别的沙丁鱼各年龄阶段耳石主要元素（Na、Sr、Fe、Mg、Ba）含量与Ca元素含量比值均无显著性差异（P＞0.05），毛里塔尼亚海域不同性别的沙丁鱼生活环境相近，具有相同的洄游路线，在对其洄游生活史研究时不需要分性别来研究。

本研究中，通过对毛里塔尼亚沙丁鱼耳石不同年龄测定点Sr∶Ca、Ba∶Ca、Na∶Ca、Mg∶Ca差异性分析，结果发现，沙丁鱼耳石核心处和1龄打点处Sr∶Ca、Ba∶Ca、Na∶Ca、Mg∶Ca无显著性差异（P＞0.05），1龄打点处与2龄打点处Sr∶Ca、Ba∶Ca、Na∶Ca、Mg∶Ca存在显著性差异（P＜0.05），2龄打点处与边缘处Sr：Ca、Ba：Ca、Na：Ca、Mg：Ca存在显著性差异（P＜0.05）。结果表明，毛里塔尼亚海域沙丁鱼0龄至1龄栖息环境无显著变化，1龄至2龄栖息环境发生变化，2龄至被捕获时栖息环境也发生变化。毛里塔尼亚海域沙丁鱼的洄游模式与其附近的上升流系统和塞内加尔-毛里塔尼亚热锋的季节性变化有关［34］。毛里塔尼亚海域的沙丁鱼全年产卵，主要的产卵期为10月至12月和翌年的4月至5月，在北部沿岸产卵［35］，沙丁鱼幼鱼停留在布朗角外海的浅滩上［34］。4月至5月，由于水温的升高，沙丁鱼鱼群随塞内加尔-毛里塔尼亚热锋向北部的西属撒哈拉沿岸海域洄游［36］。到11月份，随着水温的下降，毛里塔尼亚海域以北的沙丁鱼鱼群向南洄游［33］。本研究结果与这些研究结果基本一致。0龄至1龄的沙丁鱼可能停留在布朗角外海的浅滩上未发生洄游，1龄至2龄、2龄至捕获时的沙丁鱼有季节性洄游运动，在夏秋季节向北部的西属撒哈拉沿岸海域洄游，冬春季节向南洄游。这样就导致了0龄至1龄的沙丁鱼栖息环境无显著变化，1龄至2龄的沙丁鱼栖息环境发生变化、2龄至被捕获时栖息环境也发生了变化。

海洋鱼类耳石中元素Sr、Ba含量与鱼类栖息环境相关。鱼类耳石Sr∶Ca、Ba∶Ca作为研究其生活史的环境指纹元素得到普遍认同，早期的研究如ELSDON等［37］发现，海洋洄游性鱼类耳石中Sr、Ba与其生活环境中的元素浓度非常接近，并假定元素按照环境水体中相应的含量比例被吸收进入耳石，但据目前研究结果显示，元素在耳石中的沉积机制并非完全如此。WALTHER和THRROLD［38］认为，海洋鱼类耳石中的元素Sr、Ba主要来源于栖息环境的海水，贡献率分别为83%和98%。

本研究认为，Na∶Ca、Mg∶Ca也可用于研究沙丁鱼不同年龄栖息环境的变化，Fe∶Ca不适用于研究毛里塔尼亚海域沙丁鱼栖息环境的变化。原因为：1）除了Sr、Ba元素，也可以使用其他元素分析探讨海洋鱼类生活史［39－40］，尉晓英和朱国平［31］认为，Sr、Ba、Li、Mg、Mn、Cu、Zn较适用于海洋洄游鱼类生活史反演；2）鱼类耳石中Na含量与海水温度有关［41］，Mg含量与海水温度和盐度有关［37，42］；3）非洲西北部的大西洋海域海水中的元素组成还受到来自撒哈拉沙漠矿尘的影响［43－44］，毛里塔尼亚铁矿资源丰富［45－46］，这可能导致该海域中Fe的含量分布比较均匀，沙丁鱼耳石生长过程中Fe的含量变化不大。

栖息环境水域元素被鱼类摄入并转化沉积于耳石是一个复杂的过程［47－48］，今后可以结合栖息环境水体中元素的组成，分析沙丁鱼耳石各指纹元素吸收和沉积与栖息环境水体中各元素间的关系，进一步探讨沙丁鱼具体的洄游路线。另外，在今后的研究中，建议在耳石上对每个年龄轮纹选择3个以上的测定点测定元素含量，并增加样本数量，以提高研究的精度。

致谢：本研究得到了毛里塔尼亚政府的许可，并得到宏东国际（毛里塔尼亚）渔业发展有限公司兰平勇、林兰英、曾志坚、赵松辉、朱国平先生和“福远渔097”号船长及全体船员等大力支持，谨致谢意。