上海海洋大学学报  2022, Vol. 31 Issue (3): 658-669    PDF    
剑尖枪乌贼个体生长年间差异及其影响因素
薛薇1, 李楠1, 方舟1,2,3,4,5     
1. 上海海洋大学 海洋科学学院, 上海 201306;
2. 大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室, 上海 201306;
3. 国家远洋渔业工程技术研究中心, 上海 201306;
4. 农业农村部大洋渔业开发重点实验室, 上海 201306;
5. 农业农村部大洋渔业资源环境科学观测实验站, 上海 201306
摘要:根据2017—2020年拖网渔船在东海北部外海采集的剑尖枪乌贼(Uroteuthis edulis)调查数据, 分析剑尖枪乌贼的生物学特征, 并利用广义加性模型(generalized additive models, GAM)研究该海域剑尖枪乌贼的生长特性与环境的关系。结果表明, 在4年采样期间, 雌性剑尖枪乌贼的优势胴长和体质量组分别为80~160 mm和10~170g, 年间不存在显著性差异(P>0.05);雄性分别为60~180mm和10~170g, 存在年间显著性差异(P < 0.01)。协方差分析表明, 2017、2020年个体体质量-胴长关系差异显著(P<0.05), 2018、2019年个体差异不显著(P>0.05)。性成熟胴长与性腺成熟度存在年间差异, 且雌雄性成熟胴长均随水温增加而增加, 反之则减少。GAM结果表明, 胴长与25m深处水温交互作用并引入年份和季节因子的模型(M9)是最优模型, 雄性生长和性成熟过程较雌性更容易受外界环境的影响, 年份对于雄性的影响更大, 而雌性受25m深处水温的影响较大。剑尖枪乌贼的生长和性成熟与周围环境变动密切相关, 水温是重要的影响因子; 受环境变动影响和个体生存机制的制约, 在160mm胴长处, 剑尖枪乌贼雄性较雌性存在更明显的大小两种体型的群体。本研究有助于剑尖枪乌贼资源的有效养护和可持续利用, 并为其资源评估提供依据。
关键词剑尖枪乌贼    生物学    广义加性模型    环境因子    

剑尖枪乌贼(Uroteuthis edulis)属枪形目(Teuthoidea)枪乌贼科(Loliginidae)尾枪乌贼属(Uroteuthis)[1], 主要摄食鲭科幼鱼, 同时也摄食小型甲壳类、同属小型鱿鱼[2-3], 广泛分布于北海道以南的日本海侧和太平洋侧、朝鲜半岛南部、东海、南海、菲律宾海域, 目前已成为东海优势经济头足类[4]。剑尖枪乌贼生长速度快, 为一年生软体动物, 生命周期短, 繁殖群体在全年均有出现, 产卵后便死亡, 是近海重要的短生命周期物种[5]。随着人们对剑尖枪乌贼捕捞力度的增加, 近年来其在东海海域的渔获量呈现波动变化[6], 因此掌握其资源变动规律对于资源评估和保护十分重要。

剑尖枪乌贼作为短生命周期头足类, 会极大地受到周围环境的影响。研究表明, 枪乌贼类群体存在两种或多种形态, 尤其以雄性较为明显[7-11]。巴塔哥尼亚枪乌贼(Doryteuthis gahi)雄性受周围水域环境影响, 表现出基因同质而体型不同的现象, 大型群体雄性体形更细长、鳍更重[7]。福氏枪乌贼(Loligo forbesi)雌、雄群体均存在多种形态[9-10]。在日本海域和台湾海域的剑尖枪乌贼雄性存在2种体型大小不同的群体[11], 体型较大的雄性通常会比雌性大很多, 且具有支配行为, 小个体雄性的体型通常与雌性相似或小于雌性, 更易受环境的影响, 海水温度较高或较低海域中雄性小型群体较多, 海水温度适中的海域大型群体雄性较多。

很多研究结果反映了不同环境对头足类的生长繁殖存在影响, 然而目前分布于我国东海的剑尖枪乌贼其种群个体大小组成仍然不清楚, 因此本研究根据东海北部海域采集的4年生物学数据, 分析剑尖枪乌贼的生物学特征, 使用广义加性模型(generalized additive models, GAM)构建解释变量(经自然对数变换的雌雄胴长InL、年份、季节、25m深处水温T25)与响应变量(个体性成熟状况m)之间的非线性关系, 进而探究剑尖枪乌贼在不同环境下的个体形态大小和变化规律, 以期为剑尖枪乌贼渔业资源的管理保护和可持续利用等提供研究资料。

1 材料与方法 1.1 样本来源

样本来自商业拖网渔船“浙岭渔23860号”在东海北部外海作业期间的渔获物, 采样时间为2017—2021年, 采样海域为123.0°E~127.5°E,27.5°N~31.5°N, 样本相关信息见表 1。每一航次样品采集均保证采样的随机性。样本经冷冻保存运回实验室进行生物学测定。

表 1 剑尖枪乌贼样本基础信息 Tab.1 Basic information of Uroteuthis edulis sample
1.2 研究方法 1.2.1 生物学测定

在实验室常温解冻样品后, 参照《海洋调查规范-海洋生物调查》(GB/T 12763.6—2007)对解冻后样品进行生物学测定, 测定其胴长(dorsal mantle length, L)、体质量(body mass, M)、性别以及性腺成熟度。使用皮尺测量样本胴长, 精确到1mm, 电子秤称量体质量, 精确到0.1g。以MACY[12]的性腺成熟度划分标准为基础, 将剑尖枪乌贼性腺成熟度划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ期, 并将Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期判定为性成熟期。

1.2.2 数据处理

将剑尖枪乌贼4年的样本分雌、雄, 并按照不同性腺成熟度进行统计。胴长和体质量组成使用频度分析法, 组距分别设为20mm和40g。采用单因素方差分析法(ANOVA), 比较不同胴长组下性腺成熟度组成的差异和性成熟期(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期)个体胴长年间差异性。

采用线性回归法, 对雌、雄个体的体质量-胴长关系(M-L)进行年间分析, 利用协方差分析法(ANCOVA)比较年间个体体质量-胴长关系的差异, 计算公式如下:

    (1)

式中:M为样本体质量, g; L为样本胴长, mm; a为生长条件因子; b为生长参数。

LI等[13]研究表明25m深处水温对剑尖枪乌贼影响较大, 因此采用25m深处水温与2017—2020年间各月雌雄平均胴长结合, 探究不同性别个体胴长与水温的相关性。

采用广义加性模型(GAM)拟合不同性别的数据, 以确定性成熟与个体大小和环境等因素的关系。将所有样本中的性成熟情况分为两大类:Ⅰ、Ⅱ期代表未成熟样本(0), Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期代表成熟样本(1)。构建响应变量(个体性成熟状况m)与解释变量(经自然对数变换的雌雄胴长InL、年份、季节、25 m深处水温T25)的非线性关系, 在构建模型前对解释变量做共线性检验, 在模型拟合中考虑解释变量间的交互作用, 模型服从二项分布, 其表达式如下:

    (2)

式中:m为个体性成熟状况; α为拟合模型的截距; xi为各解释变量; f(xi)为各个解释变量的任意单变量平滑函数; ε为残差, 服从正态分布。

将不同组合解释变量加入上述表达式得到不同GAM模型, 利用赤池信息准则(akaike's information criterion, AIC)[14]检验不同GAM模型的拟合效果, AIC值越小, 则模型拟合效果越好[15]

25m深处水温(T25)数据来源于美国海洋和大气管理局(NOAA)网站(https://www.ngdc.noaa.gov/), 所有数据分析使用R 4.0.3和Excel 2013软件完成, GAM模型在R环境中通过“mgcv”包实现[16-17]

2 结果 2.1 体质量、胴长组成

2017—2020年雌性个体胴长范围(图 1a)分别为66~256mm、61~223mm、74~284mm、69~221mm, 优势胴长组分别为80~160mm、60~160 mm、80~160mm、100~180mm, 优势胴长组占整体样本百分比分别为75.50%、90.57%、85.88%、70.37%;雄性个体胴长范围(图 1b)分别为69~234mm、54~227mm、95~206mm、55~220 mm, 优势胴长组分别为100~180mm、60~180mm、100~160mm、60~180mm, 优势胴长组占整体样本百分比分别为80.45%、81.60%、81.52%、93.16%。

图 1 2017—2020年剑尖枪乌贼胴长与体质量组成分布 Fig. 1 Distribution of dorsal mantle length and body mass of Uroteuthis edulis from 2017 to 2020

2017—2020年雌性个体体质量范围(图 1c)分别为15~450g、13~354g、19~625g、24~348 g, 优势体质量分别为10~170g、10~130g、10~130g、10~170g, 优势体质量占整体样本的百分比分别为81.46%、84.12%、82.94%、77.78%;雄性个体体质量范围(图 1d)分别为17~356g、12~350g、41~271g、12~282g, 优势体质量分别为10~170g、10~170g、50~170g、10~170g, 优势体质量占整体样本的百分比分别为84.21%、89.15%、85.87%、93.16%。

雌性胴长组、体质量组在4年间均不存在显著性差异(P>0.05), 雄性胴长组、体质量组在4年间存在显著性差异(P < 0.05)。2017、2018、2019年胴长和体质量组成性别间不存在显著性差异(P>0.05), 2020年胴长和体质量组成性别间存在显著性差异(P < 0.05)。

2.2 体质量-胴长关系

协方差分析表明, 4年间, 2017、2020年个体体质量-胴长关系差异显著(P < 0.05), 2018、2019年个体差异不显著(P>0.05), 2017—2020年雌雄个体间体质量-胴长关系差异均显著(P < 0.05)。因此, 对2017—2020年4年间雌雄个体体质量-胴长关系进行拟合, 其结果为雌性:2017年为M=0.0009L2.364 9(R2=0.917 0, P < 0.01, n=151);2018年为M=0.000 5L2.484 7 (R2=0.953 3, P < 0.01, n=233);2019年为M=0.000 5 L2.484 7(R2=0.953 3, P < 0.01, n=170);2020年为M=0.001 9L2.211 8 (R2=0.8277, P < 0.01, n=135); 雄性:2017年为M=0.0011L2.324 1(R2=0.932 3, P < 0.01, n=133); 2018年为M=0.001 1L2.325 5 (R2=0.960 6, P < 0.01, n=212);2019年为M=0.000 5 L2.488 4(R2=0.961 5, P < 0.01, n=208);2020年为M=0.002 9L2.103 5 (R2=0.8416, P < 0.01, n=234)。见图 2

图 2 剑尖枪乌贼体质量-胴长关系 Fig. 2 Relationships between dorsal mantle length and body mass of Uroteuthis edulis
2.3 性腺成熟度组成

在2017—2020年间, 雌雄个体性成熟胴长均大于60mm, 且性成熟胴长与性腺成熟度存在年间差异(图 3)。性成熟个体年间差异性显著(P < 0.05)。

图 3 剑尖枪乌贼胴长与性腺成熟度关系 Fig. 3 Relationships between sexual maturity and dorsal mantle length of Uroteuthis edulis

在雌性样本中, 2017年优势性成熟胴长范围为140~160mm和200~220mm; 2018年个体优势性成熟胴长组为80~160mm, 其中100~120 mm最多; 2019年全年未捕到性成熟度为Ⅴ期的个体, 优势性成熟胴长组为100~140mm, 在大于180mm的个体中91%是性成熟个体; 2020年同样未捕到性成熟度为Ⅴ期的个体, 性成熟度为Ⅲ期个体在胴长大于140mm时出现, 其优势胴长为100~200mm, 其中160~180mm占比最大。

在雄性个体中, 2017年优势性成熟胴长为100~180mm, 占比最大为120~140mm个体, 性成熟个体主要集中在Ⅲ期, 性成熟度为Ⅳ、Ⅴ期时未出现胴长为60~120mm的个体; 2018年优势性成熟胴长集中在80~100mm, 100~180 mm为次优势性成熟胴长范围; 2019年雄性样本中没有出现性成熟度为Ⅳ、Ⅴ期的个体, 其中, 60~180 mm胴长范围内, 未成熟个体占比97.9%, 而在180~260mm胴长范围内, 未成熟个体占比58.8%。2020年, 性成熟度为Ⅴ期的个体数为0, 性未成熟个体占比90.2%, 性成熟个体占比9.8%, 其优势性成熟胴长分别为120~140mm和200~220mm。

2.4 胴长与25m深处水温的关系

雌、雄个体平均胴长随25m深处水温(T25)呈现相同的年际变化趋势, 从图 4波动情况可以看出, 当T25上升或下降时, 雌、雄个体胴长均表现出相应上升或下降的趋势(R2=0.38, P < 0.01)。另外, 2019年雌、雄个体平均胴长值均比2017、2018、2020年个体大, 且雌、雄平均胴长的最大值分别为206.67mm和222.50mm。

图 4 剑尖枪乌贼胴长随水温的变化关系 Fig. 4 Variation of dorsal mantle length of Uroteuthis edulis with sea temperature
2.5 GAM模型分析

使用二项分布GAM研究剑尖枪乌贼性成熟与个体大小和环境等因素的关系(表 2)。本研究中各个解释变量均不存在共线性。对于雄性个体, 最简单的模型(M1)拟合度最低, 胴长和性腺成熟度没有明显的相关性(R2=0.082);其次是引入季节因素(M3)、25m深处水温因素(M4)、年份因素(M2)的模型拟合度稍高; 拟合度最高是胴长与25m深处水温进行交互作用并引入年份和季节因子(M9)。将解释变量(年份、季节、25m深处水温)全部引入的模型(M6)拟合度明显高于引入1~2个因子的模型(M1~M5)。当解释变量其中之一与胴长交互, 其他解释变量加入模型中时, 与25m深处水温(T25)交互的模型(M9)解释率最高, 与年份交互的模型(M7)解释率次之, 与季节交互的模型(M8)解释率最低。

表 2 剑尖枪乌贼性成熟度的二项广义加性模型 Tab.2 Binomial generalized additive models applied to Uroteuthis edulis maturity data

对于雌性个体, 与雄性类似, 最简单的模型(M1)拟合度最低(R2=0.064), 但在引入单因素模型中, 可以明显看出雄性性成熟对年份因子十分敏感, 而雌性则表现出单因素25m深处水温引入的模型拟合度最好(M4), 另外发现, 解释变量25m深处水温引入的模型的解释率与全部引入的模型(M6)解释率相差不大。引入非单因素的模型解释率均超过20%, 但雌性个体拟合模型的最高解释率小于雄性的最高解释率(M9)。

3 讨论 3.1 基础生物学分析

有学者研究表明, 同一时期不同海域剑尖枪乌贼优势胴长组和体质量组均不同, 南海北部近海、北部湾及海南岛南部近海、海南岛以东近海、闽东渔场的优势胴长分别为40~130mm、50~130 mm、40~110mm、81~120mm, 优势体质量分别为4~60g、10~80g、4~30g、31~70 g [2, 18]。本研究发现, 2017—2020年东海剑尖枪乌贼的优势胴长和体质量与上述研究有所不同。可见, 该物种的种群结构波动较明显, 这可能是由于不同海域、洋流、复杂环境因子不同[5, 19-27], 导致剑尖枪乌贼个体间的差异性。也可能是由于资源受到伏季休渔制度的影响, 其优势胴长、体质量均比以往有所增加[11]

体质量-胴长生长方程可以大致反映生物生长状况, 条件因子(a)越大表明生物受外界环境影响越大[28]; 生长参数(b)可以表示生物的生长方式(b=3为等速生长; b < 3为负异速生长; b>3为正异速生长), 一般认为幼体阶段b值小于3[29-30]。有研究表明, 北太平洋东部柔鱼(Ommastrephes bartramii)[31]、东太平赤道茎柔鱼(Dosidicus gigas)[32]、台湾浅滩渔场和北部湾中国枪乌贼(Uroteuthis chinensis)[33-35]均表现出显著的负异速生长; 而秘鲁外海[36]、智利外海[37]茎柔鱼则表现为正异速生长。在本研究中, 2017—2020年剑尖枪乌贼雌雄体质量-胴长关系中参数b均小于3, 表现为负异速生长, 随着胴长的不断增加, 肥满度呈下降的趋势, 表明剑尖枪乌贼的体型随着不断生长偏向于细长状。另外, 雌性个体a值均小于雄性个体, 表明雄性个体较雌性个体更容易受环境的影响, 臧娜等[38]认为阿根廷滑柔鱼的参数a均表现为雄性大于雌性, 与本研究的结果一致。雌性个体的b值均大于雄性个体, 这与西部群体柔鱼[39]、茎柔鱼[40]的研究结果一致, 这可能与雌性个体将更多的能量投入性腺发育有关。

在一定范围内,性腺成熟度随胴长的增加而增加, 可直接反映种群的繁殖情况。本研究结果表明4年中雌性个体的性腺成熟度2019年较高, 2017年较低。优势性成熟胴长范围以160mm为分界点, 存在性成熟大、小个体群, 此分段现象在2017年和2019年较为明显; 且对于所有雌性个体, 当胴长大于220mm时, 均表现为性成熟。这可能与产卵群体有关, 有研究表明, 剑尖枪乌贼存在复杂的种群结构和洄游路线[22-23, 41]; 在东海其孵化高峰期为3—5和8月, 春、夏产卵群体为优势群体[22]; 巴塔哥尼亚枪乌贼的不同大小形态取决于不同的产卵群体以及受环境影响后的孵化时间[42]; 其迁移和性成熟度与海洋环境尤其是寒冷水团有关[43]。本研究2018年雄性样本呈现小型群体性成熟增多且性成熟持续的现象, 推测高温对剑尖枪乌贼的生长繁殖起到促进作用。PANG等[11]认为剑尖枪乌贼雄性存在两个群体, 大型群体生长较为稳定, 小型群体雄性极易受到环境的影响, 当温度升高或降低时, 小型群体占比较大, 小型群体雄性把更多的能量投入到繁殖策略中, 这与本研究结果类似。在本次研究中, 存在性未成熟大型群体和性成熟小型群体, 且分界点较为明显。这可能与剑尖枪乌贼为了适应外界多变的环境而做出适应性机制有关。

3.2 对环境变化的响应

剑尖枪乌贼是短生命周期物种, 极易受到周围生活环境的影响, 即使在一年中, 其生长变化也很明显。研究表明, 海洋环境的变化在不同的时间和空间尺度上极大影响着一年生的头足类资源丰度[20, 44]。已有研究认为水温是影响中上层渔业资源生长发育的主要环境因子[45], 雌性剑尖枪乌贼在春季的成熟个体数较多,其繁殖策略与雄性不同,即使在寒冷水域也能继续生长、性成熟[46]; 不同海域如东海北部的冷水、台湾暖流以及黑潮主干水温的变化会影响剑尖枪乌贼的渔场分布[19]

本研究对剑尖枪乌贼雌雄平均胴长与25m深处水温(T25)的关系进行分析, 考虑到物种的寿命[47]、洄游路径[48]和休渔期[49]等影响因素, 其胴长数值并非连续, 4年的雌雄个体的胴长均与25m深处水温(T25)有相同的变化趋势, 2018、2020年存在很多小型个体且覆盖范围广, 2019年优势胴长最大。根据美国NOAA气候预测中心[50]对厄尔尼诺和拉尼娜年份的报告, 2017、2020年存在拉尼娜现象, 2018年存在厄尔尼诺现象, 2019年2种现象均不存在。可见, 本研究中温度正常的年份优势胴长较大, 温度较高或较低的年份均有大量小型个体出现。该现象与PANG等[11]的研究结果一致, 温度适中更适合剑尖枪乌贼的生长, 较高或较低温度均影响其生长发育。另外, 在2019年1—4月期间, 当温度下降到一定限度后, 剑尖枪乌贼的胴长不再减小, 推测该物种雌雄个体均存在自身调节能力。可见, 剑尖枪乌贼有自身的生长策略, 极端温度确实会对该物种的生长产生影响。

广义加性模型(GAM)的限制条件少且应用灵活, 目前已被大量应用于渔业资源与环境关系的研究中[51-54]。本研究表明, 雄性对年份的解释率高于其他因子, 其次是25m深处水温(T25), 可见, 不同年份的剑尖枪乌贼生长繁殖极大地受到外部环境的影响, 而水温又是外界环境影响因子中的重要因子之一。研究表明, 剑尖枪乌贼生活在水深较浅的近海海域, 摄食及活动水层主要集中在25m水层[13]; 同时其季节分布、洄游和成熟度均会受到我国东海南部复杂的黑潮和大陆沿岸流影响[20]。这些研究均与本文的研究结果一致。本研究表明, 雌性个体所有拟合效果均同等低于雄性。这可能与剑尖枪乌贼的生存机制有关, 雌性个体除了要用一部分能量进行生长外, 还需要保留一部分能量进行性腺的发育, 因此, 在生长过程中雌性比雄性更多地受到自身基因的调控, 而较少地受到外界的影响。同时, 25 m深处水温是解释率最高的因子, 年份、季节对雌性生长影响不大, 这表明即使雌性个体生长部分受自身的调控, 但环境仍对其生长有着不可忽视的影响, 且25m深处水温对其影响较大。BOAVIDA-PORTUGAl等[55]研究表明, 剑尖枪乌贼雌性个体的繁殖策略还受到环境条件, 特别是水温的影响, 上一代的繁殖产出极大地影响了枪乌贼类等短生命周期的种群动态, 这一结果与本文的研究结论一致。

综上研究, 2017—2020年剑尖枪乌贼的生长受外界环境的影响而表现出分段的特点, 在性成熟群体中, 优势胴长大于160mm为大型群体, 小于160mm为小型群体。另外, 研究发现水温是影响剑尖枪乌贼生长最重要的因素, 尤其对于雄性个体影响更加明显。可以推测剑尖枪乌贼对多变的环境做出了一定的适应性机制, 且海水温度已成为影响头足类生长繁殖的重要海洋环境因素之一。但是剑尖枪乌贼如何适应外界环境变化以及海洋环境是如何具体影响其不同阶段生长繁殖尚未明了, 今后仍需结合生物学分析并运用更优模型, 加强对剑尖枪乌贼生长状况和周围环境变化关系的研究。

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Interannual variability of the swordtip squid (Uroteuthis edulis) and its relevant impact factors
XUE Wei1, LI Nan1, FANG Zhou1,2,3,4,5     
1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education, Shanghai 201306, China;
3. National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai 201306, China;
4. Key Laboratory of Oceanic Fisheries Exploitation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shanghai 201306, China;
5. Scientific Observing and Experimental Station of Oceanic Fishery Resources, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shanghai 201306, China
Abstract: Based on the survey data of swordtip squid (Uroteuthis edulis) collected by trawlers off the northern East China Sea from 2017 to 2020, we analyzed the biological characteristics of U.edulis, and studied the relationship between the growth characteristics of U. edulis and the environment by using generalized additive models (GAM). The results showed that during the four-year sampling period, the dominant dorsal mantle length and body weight groups of the U. edulis were 80-160mm and 10-170g for females respectively, with no significant differences (P>0.05); while the figures were 60-180mm and 10-170g for males respectively, with significant differences among years (P < 0.01). Covariance analysis showed that there were significant differences in body weight-dorsal mantle length relationship in 2017 and 2020 (P < 0.05), but no significant differences in 2018 and 2019 (P>0.05). The GAM showed that the M9 model, in which dorsal mantle length interacted with sea temperature at 25m depth and year and seasonal factors were introduced, was the optimal model. Overall, males were more susceptible than females to external environmental influences on growth. The year has a greater impact on males, while the sea temperature at 25m depth has a greater impact on females. These results indicate that the growth of squid is closely related to environmental variation, with sea temperature being an important influence factor; and males have a more pronounced group of both sizes than females at 160mm dorsal mantle length, as a result of environmental variation and individual survival mechanisms. The biological characteristics of the squid and the influence of the environment on the squid will facilitate the management and conservation of fishery resources and provide a basis for the assessment of fishery resources.
Key words: Uroteuthis edulis     biology     generalized additive models     environmental factors