基于矢耳石形態(tài)的平鲉屬(Sebastes)魚(yú)類(lèi)鑒別及研究方法比較

張鳳俠， 張秀梅*， 覃樂(lè)政， 李文濤

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 教育部海水養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266003)

基于矢耳石形態(tài)的平鲉屬(Sebastes)魚(yú)類(lèi)鑒別及研究方法比較

張鳳俠1， 張秀梅1*， 覃樂(lè)政1， 李文濤1

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 教育部海水養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266003)

分析了青島膠州灣鎧平鲉(Sebasteshubbsi)、花斑平鲉(Sebastesnigricans)和許氏平鲉(Sebastesschlegelii) 3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)的矢耳石形態(tài)特征，探究基于矢耳石形態(tài)鑒別3種魚(yú)類(lèi)的可行性。以8個(gè)耳石形狀指標(biāo)和37個(gè)橢圓傅里葉系數(shù)進(jìn)行的單因素方差分析結(jié)果基本一致，顯示鎧平鲉與許氏平鲉的耳石形態(tài)差異最大，鎧平鲉與花斑平鲉間差異最小。利用耳石形狀指標(biāo)、橢圓傅里葉系數(shù)、耳石形狀指標(biāo)與橢圓傅里葉系數(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)3種魚(yú)類(lèi)的綜合判別率均可達(dá)95%以上，判別分析散點(diǎn)圖可明顯將3種魚(yú)類(lèi)區(qū)分開(kāi)。耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的3種魚(yú)類(lèi)小規(guī)格組與2齡及以上成魚(yú)組耳石樣本的判別結(jié)果一致，表明針對(duì)不同發(fā)育階段平鲉屬魚(yú)類(lèi)，基于耳石形態(tài)的種類(lèi)鑒別均是可行的；僅使用橢圓傅里葉系數(shù)鑒別3種魚(yú)類(lèi)時(shí)綜合判別率雖高達(dá)100%，但難以快速定位3種魚(yú)類(lèi)耳石形態(tài)間，在統(tǒng)計(jì)上差異顯著而實(shí)際上微小的形狀差異所在；而使用耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)聯(lián)合判別，綜合判別率亦高達(dá)99%，且能快速找出3種魚(yú)類(lèi)耳石在矩形趨近率、形態(tài)因子、面密度等的形態(tài)差異。研究表明，耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉分析聯(lián)合判別是平鲉屬魚(yú)類(lèi)種類(lèi)鑒別及耳石形態(tài)差異分析的有效手段。

平鲉屬；耳石形態(tài)；耳石形狀指標(biāo)；橢圓傅里葉系數(shù)；鑒別

1 引言

耳石是魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)過(guò)程中沉淀在內(nèi)耳中的鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，分矢耳石(sagittae)、微耳石(lapillus)和星耳石(asteriscus)共3對(duì)。耳石隨著魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)而生長(zhǎng)[1]，一般認(rèn)為達(dá)到性成熟后耳石形態(tài)趨于穩(wěn)定[2-3]。由于耳石具有不易消化的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食魚(yú)性動(dòng)物的食性分析中[4]。研究表明，耳石形態(tài)主要受遺傳[5]、環(huán)境[6]、攝食[7]等因素影響，其中遺傳占主導(dǎo)因素[8-9]。Morales-Nin[10]認(rèn)為魚(yú)類(lèi)耳石在不同空間方向上的沉積導(dǎo)致耳石形狀不規(guī)則；Maisey[11]、葉振江[12]指出耳石形態(tài)具有高度的物種特異性和顯著的種間差異性；Begg等[13]指出采用先進(jìn)的數(shù)碼圖像分析耳石形狀為種群識(shí)別提供可能。眾多研究表明，耳石二維圖像的數(shù)學(xué)分析可以定量解釋魚(yú)類(lèi)種間、群體間的耳石形態(tài)差異，可用于魚(yú)類(lèi)種間、群體間的識(shí)別研究。

依據(jù)耳石形態(tài)，在鮨屬(Serranus)[14]、鯉科(Cyprinidae)[15]、鱭屬(Coilia)[16]、鱒屬(Salmo)[17]、四大家魚(yú)仔稚魚(yú)[18]以及熱帶鳀科(Engraulididae)[19]等魚(yú)類(lèi)的種類(lèi)鑒別中取得了較好的鑒別效果。但在耳石形態(tài)分析時(shí)，參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)分析方法不同，會(huì)顯著影響鑒別結(jié)果。目前，常用的耳石分析方法包括文字描述法[2]、可量性狀比較法[16]、地標(biāo)法[20]、耳石形狀指標(biāo)法[9]與橢圓傅里葉分析法[21]。耳石形狀指標(biāo)法運(yùn)用于九帶鮨(Serranuscabrilla)[22]、鱚屬(Sillago)[20]等的鑒別研究中；耳石橢圓傅里葉分析已成功進(jìn)行竹筴魚(yú)(Trachurustrachurus)[23]和條紋婢(Latrislineata)[24]的群體鑒別；耳石形狀指標(biāo)法結(jié)合橢圓傅里葉分析，已在黑線(xiàn)鱈(Melanogrammusaeglefinus)[25]和大西洋鱈(Gadusmorhua)[26]的鑒別中應(yīng)用。

平鲉屬(Sebastes)隸屬于鲉形目(Scorpaeniformes)鲉亞目(Scorpaenoidei)的鲉科(Scorpaenidae)，我國(guó)常見(jiàn)分布種為鎧平鲉(Sebasteshubbsi)、花斑平鲉(Sebastesnigricans)和許氏平鲉(Sebastesschlegelii)，主要分布在黃海、渤海海域，為巖礁區(qū)底層經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)。目前3種魚(yú)類(lèi)的鑒別主要依據(jù)背鰭鰭棘數(shù)、鰭條數(shù)和體側(cè)斑點(diǎn)等生物學(xué)特征。依據(jù)外部形態(tài)特征的種類(lèi)鑒別，當(dāng)樣品保存不當(dāng)時(shí)，種類(lèi)鑒別則受到限制，此時(shí)形態(tài)穩(wěn)定性較好的耳石則可作為分類(lèi)的輔助手段。截至目前，基于耳石形態(tài)的平鲉屬魚(yú)類(lèi)的種類(lèi)鑒別尚無(wú)報(bào)道，本研究以青島膠州灣的平鲉屬魚(yú)類(lèi)為研究對(duì)象，旨在探究基于耳石形態(tài)鑒別平鲉屬魚(yú)類(lèi)的可行性，為傳統(tǒng)形態(tài)分類(lèi)提供佐證和輔助資料；并比較分析不同方法對(duì)鑒別結(jié)果的影響，嘗試找出適合平鲉屬魚(yú)類(lèi)耳石分類(lèi)的研究方法，為今后開(kāi)展相關(guān)耳石研究提供基礎(chǔ)資料。

2 材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用平鲉屬樣本于2013年5-8月采自青島膠州灣海域地籠網(wǎng)和拖網(wǎng)漁獲物。種類(lèi)鑒定后測(cè)量體長(zhǎng)(精確到1 mm)、體質(zhì)量(精確到0.01 g)(表1)。取出左、右矢耳石(以下皆以耳石簡(jiǎn)稱(chēng))，洗凈后保存于離心管中待進(jìn)一步分析。

表1 膠州灣3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)樣品的體長(zhǎng)與體質(zhì)量

2.2 研究方法

2.2.1 年齡鑒定及耳石樣本的選取

將洗凈的耳石浸入盛水的培養(yǎng)皿中，凹面向上，置于Nikon SMZ8000型體式顯微鏡下，透射光觀(guān)察，可見(jiàn)清晰的輪紋，其中一個(gè)完整的明帶和暗帶計(jì)為一個(gè)年輪。左、右耳石的年齡鑒定結(jié)果一致，實(shí)驗(yàn)首先選取2齡及以上平鲉屬魚(yú)類(lèi)耳石用于后續(xù)分析。

2.2.2 耳石形態(tài)參數(shù)的選取

將選取的耳石置于50℃烘箱中干燥12 h以上至恒重。干燥后的耳石用精密電子天平稱(chēng)重，單位精確到0.01 mg。耳石凸面向上、凹面向下，用連接于體式顯微鏡的Nikon DN100數(shù)碼相機(jī)拍攝耳石的二維圖像(見(jiàn)圖1)。

采用Image-ProPlus6.0圖像分析軟件分析耳石圖像，測(cè)量耳石形態(tài)學(xué)參數(shù)，共得出8個(gè)尺寸參數(shù)：耳石面積、耳石周長(zhǎng)、耳石長(zhǎng)、耳石寬、最大Feret直徑、最小Feret直徑、最大半徑和最小半徑。其中半徑測(cè)量的是通過(guò)耳石幾何中心的半徑長(zhǎng)，F(xiàn)eret直徑指耳石按照某一角度擺放時(shí)，經(jīng)過(guò)形心的耳石外緣兩點(diǎn)間的距離，面積為耳石的二維投影面積。根據(jù)潘曉哲和高天翔[20]、徐勝勇等[27]、Tuset等[28]、Canas等[29]相關(guān)研究，結(jié)合平鲉屬魚(yú)類(lèi)的耳石形態(tài)特征，將8個(gè)耳石尺寸參數(shù)和耳石質(zhì)量通過(guò)計(jì)算公式的轉(zhuǎn)換，得出平鲉屬魚(yú)類(lèi)的8個(gè)耳石形狀指標(biāo)(Otolith shape indices)(見(jiàn)表2)。耳石形狀指標(biāo)在一定程度上可消除因耳石放置位置不同、耳石大小不同等因素對(duì)圖像分析結(jié)果的影響。

圖1 膠州灣3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)左耳石內(nèi)側(cè)面照片(BL代表體長(zhǎng)，OL代表耳石長(zhǎng))Fig.1 Left sagittal otoliths of three Sebastes collected in the Jiaozhou Bay shown with the proximal surface up (BL represents body length， OL represents otolith length)

表2 平鲉屬魚(yú)類(lèi)耳石尺寸參數(shù)和形狀指標(biāo)

Tab.2 Size parameters and size based shape indices with calculation formulas forSebastesspecies

尺寸參數(shù)耳石形狀指標(biāo)面積(A)圓度=(4A)/(πOL2)周長(zhǎng)(P)矩形趨近率=A/(OL×OW)耳石長(zhǎng)(OL)橢圓率=(OL-OW)/(OL+OW)耳石寬(OW)形態(tài)因子=(4πA)/P2耳石質(zhì)量(OW′)幅形比=OL/OW最大Feret直徑(Fmax)Feret直徑比=Fmax/Fmin最小Feret直徑(Fmin)半徑比=Rmax/Rmin最大半徑(Rmax)面密度=OW′/A最小半徑(Rmin)

注：文中以O(shè)W′代表耳石質(zhì)量。面積度量單位為mm2，長(zhǎng)度度量單位為mm，質(zhì)量度量單位為mg。

橢圓傅里葉分析(Elliptic Fourier analysis)能夠有效對(duì)耳石輪廓進(jìn)行描述，定量獲取耳石外輪廓的有效信息[30]。研究表明，傅里葉諧值越多越能精確地描述物體的外輪廓[31]，但前10～20個(gè)傅里葉特征系數(shù)能夠描述耳石的主要形態(tài)輪廓[32]。本研究使用SHAPE1.3軟件包前10組傅里葉諧波對(duì)耳石圖像進(jìn)行分析。每組諧波由4個(gè)形態(tài)變量an、bn、cn、dn組成，因此，每個(gè)耳石共由40個(gè)傅里葉特征系數(shù)描述。對(duì)10個(gè)諧值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，前3個(gè)特征系數(shù)為定值：a1=1，b1=c1=0，故有效傅里葉特征系數(shù)為37個(gè)。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

本研究分別對(duì)3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)左、右耳石各原始測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)3種魚(yú)類(lèi)種內(nèi)左、右耳石間的差異性。同樣使用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，檢測(cè)3種魚(yú)類(lèi)雌、雄個(gè)體間耳石形態(tài)的差異情況。顯著性水平取α=0.05。

鑒于魚(yú)類(lèi)個(gè)體生長(zhǎng)差異可能對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，為實(shí)現(xiàn)無(wú)偏分析，在樣本選擇時(shí)除選取2齡及以上的性成熟個(gè)體外，還在數(shù)據(jù)分析時(shí)引入?yún)f(xié)變量(體長(zhǎng))以降低或消除個(gè)體生長(zhǎng)差異對(duì)耳石形態(tài)參數(shù)的影響。本文采用Pearson相關(guān)性分析確定耳石形態(tài)參數(shù)(8個(gè)耳石形狀指標(biāo)和37個(gè)橢圓傅里葉系數(shù))與體長(zhǎng)間關(guān)系。當(dāng)體長(zhǎng)與耳石形態(tài)參數(shù)存在線(xiàn)性相關(guān)時(shí)，參照竇碩增[33]的協(xié)方差校正方法，利用回歸斜率按照體長(zhǎng)校正公式校正各耳石形態(tài)參數(shù)：

(1)

以單因素方差分析檢驗(yàn)各個(gè)耳石形態(tài)參數(shù)在3種魚(yú)類(lèi)間的差異性，用多重比較驗(yàn)證差異來(lái)源。以上統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中，對(duì)具有方差齊性的變量采用LSD法，不具方差齊性的采用Tamhane’s T2法，取顯著性水平α=0.05。

利用SPSS18.0對(duì)3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)作判別分析，本文采用3種方式進(jìn)行對(duì)比分析：(1)僅使用8個(gè)耳石形狀指標(biāo)；(2)僅使用37個(gè)橢圓傅里葉特征系數(shù)；(3)8個(gè)耳石形狀指標(biāo)并結(jié)合37個(gè)橢圓傅里葉特征系數(shù)。

2.2.4 對(duì)比分析樣本的補(bǔ)充

2齡及以上3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)間體長(zhǎng)、耳石長(zhǎng)存在較大差異，而近岸捕撈生產(chǎn)中常見(jiàn)低于1齡的許氏平鲉幼魚(yú)。因此，為驗(yàn)證鑒別方法的有效性，本實(shí)驗(yàn)對(duì)比加入不足1齡的許氏平鲉幼魚(yú)樣本，即補(bǔ)充加入耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的小個(gè)體許氏平鲉樣本。將耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)單獨(dú)進(jìn)行判別分析，以充分探討耳石形態(tài)在3種魚(yú)類(lèi)種類(lèi)鑒別中的可行性。在此，采用耳石長(zhǎng)作為協(xié)變量引入?yún)f(xié)方差校正方程，校正與耳石長(zhǎng)顯著相關(guān)的參數(shù)，校正后的參數(shù)用于后續(xù)判別分析，進(jìn)而比較交叉檢驗(yàn)結(jié)果。

為有效區(qū)分，下文中2齡及以上許氏平鲉樣本統(tǒng)一稱(chēng)為許氏平鲉；耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的小個(gè)體許氏平鲉統(tǒng)一稱(chēng)為許氏平鲉(小)。下文中，若未詳細(xì)說(shuō)明，則3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)均指2齡及以上、耳石形態(tài)趨于穩(wěn)定的樣本；耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的3種魚(yú)類(lèi)樣本信息為：鎧平鲉(n=61，體長(zhǎng)范圍73～119 mm，耳石長(zhǎng)范圍4.45～6.58 mm)、花斑平鲉(n=14，體長(zhǎng)范圍102～165 mm，耳石長(zhǎng)范圍4.97～6.64 mm)、許氏平鲉(小)(n=45，體長(zhǎng)范圍101～131 mm，耳石長(zhǎng)范圍4.29～5.93 mm)。

3 結(jié)果

3.1 種內(nèi)耳石形態(tài)的差異性

對(duì)左、右耳石的8個(gè)測(cè)量指標(biāo)和耳石質(zhì)量分別進(jìn)行T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)的左、右耳石在這些測(cè)量指標(biāo)上均無(wú)顯著性差異。

對(duì)雌、雄個(gè)體耳石的8個(gè)測(cè)量指標(biāo)和耳石質(zhì)量分別進(jìn)行T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)雌、雄個(gè)體的耳石在這些測(cè)量指標(biāo)上均無(wú)顯著性差異。

因此，下文中的耳石形態(tài)研究不分性別統(tǒng)一使用左耳石。表3為以鎧平鲉為例，左、右耳石以及雌、雄個(gè)體間耳石差異性的檢驗(yàn)結(jié)果。

表3 鎧平鲉左右耳石、雌雄個(gè)體間耳石差異性比較

注：n♀表示鎧平鲉雌性個(gè)體的數(shù)量，n♂表示雄性個(gè)體的數(shù)量。

3.2 單因素方差分析

Pearson相關(guān)分析得出3個(gè)耳石形狀指標(biāo)(橢圓率、形態(tài)因子、面密度)及14個(gè)橢圓傅里葉系數(shù)(h4、h6、h11、h12、h14、h17、h18、h19、h22、h23、h25、h29、h30、h37)與體長(zhǎng)顯著相關(guān)，這些變量使用協(xié)方差校正方法校正后進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

8個(gè)耳石形狀指標(biāo)及單因素方差分析結(jié)果如表4所示。鎧平鲉和許氏平鲉，花斑平鲉和許氏平鲉間均有7個(gè)耳石形狀指標(biāo)存在顯著差異；鎧平鲉和花斑平鲉有3個(gè)指標(biāo)存在顯著差異。圓度在3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)間差異均不顯著，3種魚(yú)類(lèi)兩兩之間在矩形趨近率、形態(tài)因子、面密度間均差異顯著。

表4 平鲉屬魚(yú)類(lèi)8個(gè)耳石形狀指標(biāo)均值及單因素方差分析結(jié)果

注：表中耳石形狀信息為原始數(shù)據(jù)，顯著性判定為依據(jù)校正后的數(shù)據(jù)。上述字母不同表示差異顯著，字母相同表示差異不顯著(p<0.05)。

對(duì)3種魚(yú)類(lèi)的37個(gè)傅里葉特征系數(shù)進(jìn)行單因素方差分析，將兩兩比較具有差異性顯著的特征系數(shù)的個(gè)數(shù)及其所占總系數(shù)(37)的比例列入表5?？梢钥闯觯?種魚(yú)類(lèi)在多個(gè)特征系數(shù)上的差異具有明顯的統(tǒng)計(jì)意義。其中，鎧平鲉和許氏平鲉間的差異最大，有16個(gè)特征系數(shù)存在顯著性差異，占總系數(shù)的43.2%；鎧平鲉和花斑平鲉之間的差異較小，有12個(gè)特征系數(shù)存在差異，占總系數(shù)的32.4%。

表5 平鲉屬魚(yú)類(lèi)耳石傅里葉特征系數(shù)顯著個(gè)數(shù)及比例

3.3 種類(lèi)識(shí)別

分別采用3種方式進(jìn)行平鲉屬魚(yú)類(lèi)種類(lèi)識(shí)別的判別分析結(jié)果如表6所示。交叉驗(yàn)證結(jié)果表明：

僅耳石形狀指標(biāo)，典則判別函數(shù)一能夠解釋91.9%的魚(yú)種間差異，可以有效地將許氏平鲉與鎧平鲉和花斑平鲉區(qū)分開(kāi)；典則判別函數(shù)二能夠解釋8.1%的魚(yú)種間差異，可以將鎧平鲉與花斑平鲉區(qū)分開(kāi)(見(jiàn)圖2a)。對(duì)判別函數(shù)一貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為圓度，對(duì)判別函數(shù)二貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為形態(tài)因子。僅通過(guò)耳石形狀指標(biāo)進(jìn)行的種類(lèi)劃分，鎧平鲉與花斑平鲉之間有少許的誤判，而許氏平鲉與鎧平鲉、花斑平鲉之間無(wú)誤判出現(xiàn)。表6可以看出，3種魚(yú)類(lèi)判別正確率為93.3%～100%，綜合判別正確率為96.2%。

僅橢圓傅里葉系數(shù)，典則判別函數(shù)一能夠解釋60.2%的魚(yú)種間差異，可以有效地將鎧平鲉和許氏平鲉區(qū)分開(kāi)；典則判別函數(shù)二能夠解釋39.8%的魚(yú)種間差異，可以有效地將花斑平鲉與鎧平鲉和許氏平鲉區(qū)分開(kāi)(見(jiàn)圖2b)。對(duì)判別函數(shù)一貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為第12號(hào)傅里葉系數(shù)，對(duì)判別函數(shù)二貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為第17號(hào)傅里葉系數(shù)。通過(guò)橢圓傅里葉系數(shù)進(jìn)行的判別分析，3種魚(yú)類(lèi)無(wú)任何誤判，各魚(yú)種判別正確率均為100%(見(jiàn)表6)。

結(jié)合耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)，典則判別函數(shù)一能夠解釋97.3%的魚(yú)種間差異，可以非常有效地將許氏平鲉與鎧平鲉和花斑平鲉區(qū)分開(kāi)；典則判別函數(shù)二能夠解釋2.7%的魚(yú)種間差異，可以有效地將花斑平鲉與鎧平鲉和許氏平鲉區(qū)分開(kāi)(見(jiàn)圖2c)。對(duì)判別函數(shù)一貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為圓度，對(duì)判別函數(shù)二貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為Feret比。結(jié)合耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)的判別分析，3種魚(yú)類(lèi)間無(wú)錯(cuò)判，判別正確率均為100%(見(jiàn)表6)。

綜上，僅傅里葉分析以及耳石形狀指標(biāo)結(jié)合傅里葉系數(shù)的判別結(jié)果，綜合判別正確率均高達(dá)100%；僅采用耳石形狀指標(biāo)進(jìn)行的判別分析，綜合判別率雖未達(dá)100%，但亦達(dá)較高正確率。

表6 基于平鲉屬3種魚(yú)類(lèi)耳石形態(tài)的交叉檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 基于平鲉屬耳石形態(tài)的前2個(gè)判別函數(shù)值的分析結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of scores based on the first two DFA of Sebastes sagittae

3.4 耳石長(zhǎng)介于4～7 mm樣本的對(duì)比鑒別結(jié)果

對(duì)耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的3種魚(yú)類(lèi)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，校正后的耳石參數(shù)進(jìn)行后續(xù)的判別分析。亦采用3種判別方式進(jìn)行3種魚(yú)類(lèi)的交叉檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

僅耳石形狀指標(biāo)，典則判別函數(shù)一能夠解釋65.3%的魚(yú)種間差異，可以有效地將鎧平鲉與許氏平鲉(小)區(qū)分開(kāi)；典則判別函數(shù)二能夠解釋34.7%的魚(yú)種間差異，可以將花斑平鲉與鎧平鲉和許氏平鲉(小)區(qū)分開(kāi)(見(jiàn)圖3a)。對(duì)判別函數(shù)一貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為圓度，對(duì)判別函數(shù)二貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為橢圓率。由表7可以看出，僅通過(guò)耳石形狀指標(biāo)進(jìn)行的種類(lèi)劃分，3種魚(yú)類(lèi)間均出現(xiàn)了誤判。61尾鎧平鲉，有1尾誤判為花斑平鲉，2尾誤判為許氏平鲉(小)；14尾花斑平鲉，1尾誤判為許氏平鲉(小)；45尾許氏平鲉(小)，1尾誤判為花斑平鲉；可見(jiàn)花斑平鲉與許氏平鲉(小)耳石較鎧平鲉更相似。3種魚(yú)類(lèi)的判別正確率為92.9%～97.8%，綜合判別正確率為95.3%。

僅橢圓傅里葉系數(shù)，典則判別函數(shù)一能夠解釋59.5%的魚(yú)種間差異，可以有效地將許氏平鲉(小)與鎧平鲉和花斑平鲉區(qū)分開(kāi)；典則判別函數(shù)二能夠解釋40.5%的魚(yú)種間差異，可以有效地將鎧平鲉與花斑平鲉區(qū)分開(kāi)(見(jiàn)圖3b)。對(duì)判別函數(shù)一貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為第4號(hào)傅里葉系數(shù)，對(duì)判別函數(shù)二貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為第15號(hào)傅里葉系數(shù)。通過(guò)橢圓傅里葉系數(shù)進(jìn)行的判別分析，3種魚(yú)類(lèi)無(wú)任何誤判，各魚(yú)種判別正確率均為100%(表7)。

結(jié)合耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)，典則判別函數(shù)一能夠解釋60.8%的魚(yú)種間差異，可以非常有效地將鎧平鲉與花斑平鲉和許氏平鲉(小)區(qū)分開(kāi)；典則判別函數(shù)二能夠解釋39.2%的魚(yú)種間差異，可以有效地將花斑平鲉與許氏平鲉(小)區(qū)分開(kāi)(見(jiàn)圖3c)。對(duì)判別函數(shù)一貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為圓度，對(duì)判別函數(shù)二貢獻(xiàn)最大的參數(shù)為橢圓率。結(jié)合耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)的判別分析：60尾鎧平鲉有2尾錯(cuò)判為許氏平鲉(小)，鎧平鲉的判別正確率為96.7%；花斑平鲉和許氏平鲉(小)的判別正確率均為100%(表7)。

綜上，僅使用橢圓傅里葉系數(shù)的判別分析，綜合判別正確率高達(dá)100%；僅采用耳石形狀指標(biāo)以及耳石形狀指標(biāo)和傅里葉系數(shù)聯(lián)合判別分析，綜合判別率雖未達(dá)100%，但亦達(dá)較高正確率。

表7 耳石長(zhǎng)4～7 mm的3種魚(yú)類(lèi)耳石形態(tài)的交叉檢驗(yàn)結(jié)果

注：文中以S.schlegelii′表示許氏平鲉(小)的拉丁名。

圖3 耳石長(zhǎng)4～7 mm的3種魚(yú)類(lèi)判別分析結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of scores based on the first two DFA of the three Sebastes whose sagittae length were 4 to 7 mm

4 討論

4.1 樣本選擇及耳石形態(tài)參數(shù)的選擇與校正

研究發(fā)現(xiàn)，鎧平鲉在2齡時(shí)初次達(dá)到性成熟[34]、許氏平鲉在2～3齡時(shí)達(dá)性成熟[35]。本文首先選取2齡及以上樣本探究基于耳石形態(tài)鑒別平鲉屬魚(yú)類(lèi)的可行性，原則上排除了幼魚(yú)耳石形狀不穩(wěn)定對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，且3種魚(yú)類(lèi)不同體長(zhǎng)間耳石形狀指標(biāo)的單因素方差分析結(jié)果顯示，2齡及以上3種魚(yú)類(lèi)的耳石形態(tài)已趨于穩(wěn)定；另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集的樣本和文獻(xiàn)報(bào)道[27]發(fā)現(xiàn)，近岸捕撈的許氏平鲉多為體長(zhǎng)80～180 mm不足1齡的幼魚(yú)，此體長(zhǎng)階段的耳石長(zhǎng)恰為4～7 mm，因此文中對(duì)比加入耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的小個(gè)體許氏平鲉樣本，將耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)單獨(dú)進(jìn)行基于耳石形態(tài)的判別分析，充分探討了針對(duì)不同生長(zhǎng)階段3種魚(yú)類(lèi)種類(lèi)鑒別的可行性及分析方法的有效性。

同時(shí)，研究樣本均采自青島膠州灣海域，一定程度上克服了地理環(huán)境不同對(duì)耳石形態(tài)的影響，降低了環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。由于花斑平鲉在我國(guó)僅分布在黃海海域且資源量較少，故采集到的樣本數(shù)量有限，今后應(yīng)進(jìn)一步增加花斑平鲉耳石樣本數(shù)量，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

耳石形態(tài)特征主要受遺傳因素的影響，魚(yú)類(lèi)的生物學(xué)特征(性別、耳石位置、個(gè)體大小等)亦對(duì)耳石的形態(tài)特征產(chǎn)生一定影響，秦巖等[2]報(bào)道了鲬?hù)~(yú)(Platycephalusindicus)雌雄個(gè)體間矢耳石形態(tài)特征存在差異，陸化杰等[36]指出不同個(gè)體、不同性別間阿根廷滑柔魚(yú)(Illexargentinus)耳石形狀參數(shù)存在顯著差異。本文逐一檢驗(yàn)了3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)的左、右耳石以及雌、雄個(gè)體間耳石的形態(tài)差異性。相關(guān)研究表明，當(dāng)影響因素如性別、耳石位置等對(duì)耳石形態(tài)影響水平不顯著時(shí)，若樣本量充足則可去除該因素，若樣本量不足則應(yīng)匯總樣本進(jìn)行分析[37]。鑒于本研究樣本數(shù)較少，且3種魚(yú)類(lèi)耳石在雌雄個(gè)體間均無(wú)顯著差異，故將雌雄個(gè)體的左耳石一起作為實(shí)驗(yàn)樣本納入后續(xù)分析中。

對(duì)于耳石參數(shù)的選擇，包含了稱(chēng)量指標(biāo)耳石質(zhì)量、由耳石大小變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的耳石形狀指標(biāo)和耳石輪廓變量傅里葉系數(shù)，引入耳石質(zhì)量信息增加了耳石的三維特征，結(jié)果表明耳石質(zhì)量信息的加入可以提高判別率[20]。以耳石形態(tài)鑒別3種魚(yú)類(lèi)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)偏分析，鑒于2齡及以上的3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)差異較大，故對(duì)其進(jìn)行體長(zhǎng)效應(yīng)的校正；而耳石長(zhǎng)介于4～7 mm的3種魚(yú)類(lèi)，體長(zhǎng)差異較小，故選擇通過(guò)耳石長(zhǎng)進(jìn)行校正。校正后的相關(guān)指標(biāo)用于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析中，排除了魚(yú)體大小、耳石大小對(duì)判別結(jié)果的影響。

4.2 多元統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析

8個(gè)耳石形狀指標(biāo)的單因子方差分析結(jié)果(見(jiàn)表4)顯示，3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)間耳石形狀指標(biāo)存在顯著差異，尤其是鎧平鲉與許氏平鲉、花斑平鲉與許氏平鲉的耳石，有7個(gè)形狀指標(biāo)存在顯著差異。對(duì)3種魚(yú)類(lèi)的37個(gè)橢圓傅里葉特征系數(shù)進(jìn)行兩兩比較，傅里葉系數(shù)差異顯著的個(gè)數(shù)占總特征系數(shù)的比例均達(dá)30%以上，其中鎧平鲉與許氏平鲉之間的差異高達(dá)43.2%(見(jiàn)表5)。綜合可見(jiàn)，2種方法的方差分析結(jié)果基本一致，鎧平鲉與許氏平鲉的耳石形態(tài)差異最大，鎧平鲉與花斑平鲉則差異最小。其中，差異不顯著的參數(shù)為平鲉屬魚(yú)類(lèi)耳石的共有特征，如3種魚(yú)類(lèi)間耳石圓度差異不顯著，表明該圓度范圍即為3種魚(yú)類(lèi)耳石的共有特征；而對(duì)比分析中差異顯著的參數(shù)為耳石的種間差異所在，即為基于耳石形態(tài)鑒別平鲉屬魚(yú)類(lèi)提供了可能。

本研究采用耳石形狀指標(biāo)、橢圓傅里葉系數(shù)以及耳石形狀指標(biāo)與橢圓傅里葉系數(shù)聯(lián)合判別法進(jìn)行3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)的鑒別，結(jié)果顯示：(1)3種判別方式對(duì)于3種魚(yú)類(lèi)(包括大小規(guī)格的許氏平鲉)的綜合判別率均高達(dá)95%以上，且判別函數(shù)所作散點(diǎn)圖可明顯將3種魚(yú)類(lèi)區(qū)分開(kāi)來(lái)(見(jiàn)圖2，圖3)，可見(jiàn)基于耳石形態(tài)進(jìn)行平鲉屬魚(yú)類(lèi)的鑒別是可行的，3種判別方式均可作為平鲉屬魚(yú)類(lèi)種類(lèi)鑒別的輔助方法。(2)僅使用耳石形狀指標(biāo)進(jìn)行的判別分析結(jié)果顯示，大個(gè)體許氏平鲉與鎧平鲉和花斑平鲉間無(wú)誤判出現(xiàn)，表明其與鎧平鲉和花斑平鲉間的耳石形態(tài)差異較大；而小個(gè)體的許氏平鲉與鎧平鲉、花斑平鲉均有一定程度的誤判(最大誤判率為3.3%)，說(shuō)明低于1齡的許氏平鲉(小個(gè)體)與鎧平鲉、花斑平鲉的耳石形態(tài)差異較之大個(gè)體許氏平鲉相對(duì)較小。這表明魚(yú)體生長(zhǎng)過(guò)程中許氏平鲉耳石發(fā)生一定的形態(tài)變化，亦驗(yàn)證了隨著魚(yú)體的生長(zhǎng)，耳石亦經(jīng)歷生長(zhǎng)、發(fā)育和穩(wěn)定過(guò)程的論點(diǎn)。而圖2、圖3的散點(diǎn)圖顯示，無(wú)論許氏平鲉處于哪個(gè)生長(zhǎng)階段，依據(jù)耳石均能將3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)區(qū)分開(kāi)來(lái)，表明基于耳石形態(tài)進(jìn)行不同生長(zhǎng)階段的平鲉屬魚(yú)類(lèi)種類(lèi)鑒別是可行性的。(3)比較3種判別方式對(duì)平鲉屬3種魚(yú)類(lèi)的判別結(jié)果，由表6、表7(包含大小規(guī)格的許氏平鲉)可知，僅使用橢圓傅里葉系數(shù)的判別分析均能實(shí)現(xiàn)100%的判別正確率，相較于其他2種判別方法，該研究方法在探討基于耳石形態(tài)的3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)的鑒別中更具優(yōu)勢(shì)。如李輝華等[38]曾證實(shí)對(duì)于長(zhǎng)江鳳鱭(Coilianasus)和刀鱭(Coiliamystus)的種間和種內(nèi)鑒別，傅里葉分析法較傳統(tǒng)形態(tài)測(cè)量法更具優(yōu)勢(shì)。然而，傅里葉系數(shù)雖可以準(zhǔn)確的定量表達(dá)耳石外輪廓，但是與魚(yú)類(lèi)種間的實(shí)際耳石形狀差異較難聯(lián)系起來(lái)，難以快速找出不同種間的耳石在統(tǒng)計(jì)上差異顯著而實(shí)際上微小的形狀差異所在[33，39]。本研究顯示，結(jié)合耳石形狀指標(biāo)法和橢圓傅里葉分析2種方法，對(duì)3種平鲉屬魚(yú)類(lèi)的綜合判別率亦高達(dá)99%，且由耳石形狀指標(biāo)所得的單因素方差分析結(jié)果可知(見(jiàn)表4)，3種魚(yú)類(lèi)耳石在矩形趨近率、形態(tài)因子、面密度等耳石形狀指標(biāo)上存在顯著差異，因此，耳石形狀指標(biāo)法和橢圓傅里葉分析的聯(lián)合使用是基于耳石形態(tài)進(jìn)行平鲉屬魚(yú)類(lèi)種類(lèi)鑒別的有效手段，該方法既能快速找出3種魚(yú)類(lèi)間耳石形態(tài)的差異所在，又能實(shí)現(xiàn)較高的種間判別正確率。研究表明，耳石形狀指標(biāo)結(jié)合橢圓傅里葉系數(shù)對(duì)鮟鱇(Lophiuspiscatorius)[29]、鲯鰍(Coryphaenahippurus)[40]、黃姑魚(yú)(Argyrosomusjaponicus)[41]等種群鑒別時(shí)效果良好，2種方法聯(lián)合使用在魚(yú)類(lèi)耳石的相關(guān)研究中可靠性更高。

致謝：本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金“許氏平鲉資源增殖效果評(píng)估新方法及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究”。中國(guó)海洋大學(xué)漁業(yè)生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室為本項(xiàng)目的開(kāi)展給予了大力支持與幫助，作者在此深表感謝。

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Sagittae morphology used in the discrimination of the fish ofSebastesand the comparison of sagittal research method

Zhang Fengxia1，Zhang Xiumei1，Qin Lezheng1，Li Wentao1

(1.TheKeyLaboratoryofMariculture，MinistryofEducation，OceanUniversityofChina，Qingdao266003，China)

The sagittae morphological characteristics of three speciesSebasteshubbsi，S.nigricansandS.schlegeliifrom Jiaozhou Bay，Qingdao，were analyzed to test the hypothesis that the threeSebastesspecies could be identified by their sagittae morphology and to find out which method was more appropriate. Eight otolith shape indices and 37 elliptical Fourier coefficients (eFcs) were analyzed，and results showed that the difference in the sagittae morphology betweenS.hubbsiandS.schlegeliiwere the largest，and those betweenS.hubbsiandS.nigricanswere the least. In the discriminant analyses of the three species，discriminating rates of more than 95% were obtained and they were clearly sorted in scatter plots when using the otolith shape indices，the eFcs，as well as a combination of the two. When applied to the three species of which otolith was 4 to 7 mm and those were more than two years old，the species identification based on the otolith morphology was proved to be feasible: when only using the eFcs，a 100% of discriminating rate was obtained but this method couldn’t quickly locate the shape which was tiny in fact but significant difference among the sagittae of the threeSebastesin statistics. Combing otolith shape indices and the eFcs could not only obtain a high classification rate of about 99%，but also identify the differences in the rectangularity，form-factor and surface density among the threeSebastessagittae. The results showed that combing shape indices analysis and elliptical Fourier analysis was the effective method for species discrimination of genusSebastesand it can find out the differences of the sagittae of the threeSebastes．

Sebastes; sagittae morphology; otolith shape indices; elliptical Fourier coefficients; species discrimination

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.04.003

2014-04-20；

2014-12-28。

國(guó)家自然科學(xué)基金(31172447，41176117)；國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201305043)。

張鳳俠(1990—)，女，安徽省阜陽(yáng)市人，從事資源生物學(xué)研究。 Email: fxzhang1003@163.com

*通信作者：張秀梅，教授。E-mail: xiumei1227@163.com

S917.4

A

0253-4193(2015)04-0028-12

張鳳俠， 張秀梅， 覃樂(lè)政，等.基于矢耳石形態(tài)的平鲉屬(Sebastes)魚(yú)類(lèi)鑒別及研究方法比較[J].海洋學(xué)報(bào)，2015，37(4)：28—39，

Zhang Fengxia， Zhang Xiumei， Qin Lezheng， et al. Sagittae morphology used in the discrimination of the fish ofSebastesand the comparison of sagittal research method[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(4)：28—39， doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2015.04.003