基于耳石形態(tài)特征的南海鳶烏賊群體判別分析

李 波，陽秀芬，邱星宇，王錦溪，周倍合，謝嘉儀，顏云榕,2,3

（1.廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院 / 2.廣東海洋大學(xué)南海漁業(yè)資源監(jiān)測與評估中心，廣東 湛江 524088；3.廣東海洋大學(xué)深圳研究院海洋漁業(yè)信息化技術(shù)中心，廣東 深圳 518000）

鳶烏賊（Sthenoeuthis oualaniensis）[1]為大洋性頭足類，分布于印度洋和太平洋的亞熱帶、熱帶海域，在中國南海外海分布廣泛。近年來，南海近海漁業(yè)資源隨著捕撈漁船功率增加和捕撈強(qiáng)度加強(qiáng)而嚴(yán)重衰退。分布于南海外海的鳶烏賊由于資源豐富，資源開發(fā)潛力大，成為南海遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源開發(fā)的重要種類，也是南海大型燈光罩網(wǎng)船的重要漁獲對象，具有重要經(jīng)濟(jì)和研究價(jià)值[2-4]。

我國科研工作者對南海鳶烏賊開展資源開發(fā)、生物學(xué)特征、營養(yǎng)級、耳石形態(tài)與生長特征的相關(guān)研究[5-13]。由于頭足類耳石具有物種特征信息，且不易變形，耳石形態(tài)學(xué)分析在物種鑒定和群體識別領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，例如對頭足類耳石輪紋的研究[14]。對于頭足類耳石的研究，國內(nèi)外學(xué)者集中于耳石外形特征分析[15-17]，通過耳石輪紋研究年齡與生長[18-21]，通過耳石形態(tài)進(jìn)行種群鑒定[22-23]，以及耳石微量元素等相關(guān)研究[24]。但是關(guān)于使用南海鳶烏賊耳石形態(tài)特征進(jìn)行群體判別的相關(guān)研究未見報(bào)道。群體判別是漁業(yè)資源評估的基礎(chǔ)，本研究嘗試通過觀測并分析鳶烏賊耳石形態(tài)結(jié)構(gòu)的特征，分析鳶烏賊耳石形態(tài)在不同群體之間的差異性，為南海鳶烏賊資源管理與合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

本研究的鳶烏賊樣本采集于南海外海，采集時(shí)間為2012年2月至2013年1月。經(jīng)-20 ℃低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)后續(xù)研究。調(diào)查所用漁船為“瓊儋州15029”“桂防漁97819”和“桂北漁80208”燈光罩網(wǎng)作業(yè)漁船，采樣海域?yàn)?109°25′E－117°25′E，5°25′N－20°75′N，其采用站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 采樣站點(diǎn)Fig.1 Map of sampling site

1.2 樣本處理

在實(shí)驗(yàn)室將采集的鳶烏賊進(jìn)行各項(xiàng)形態(tài)生物學(xué)測量后，對其進(jìn)行解剖，將胃與性腺進(jìn)行質(zhì)量測量，記錄飽滿度及性成熟度分期等。其中胴長（Mantel length, ML）測量精確度為1 mm，質(zhì)量與純體質(zhì)量測量精確度為 1 g，性腺質(zhì)量測量精確度為0.1 g，性腺成熟度分為5期（I～V）。

每尾鳶烏賊樣本提取1對耳石進(jìn)行研究，共取得鳶烏賊右耳石樣品268枚，其中雌性166枚、雄性102枚。將取出的耳石放入離心管中，加入體積分?jǐn)?shù)75%乙醇溶液，以便于清除包裹在耳石上的軟膜及其表面有機(jī)物質(zhì)，待使用超聲波儀清洗掉耳石的表面污物后，將耳石置于60 ℃烘箱中經(jīng)過8 h烘干，本研究統(tǒng)一使用鳶烏賊左耳石作為測量樣本，使用鳶烏賊右耳石作為拍照樣本，使用精確值為0.1 mg的精密電子天平測量質(zhì)量。

清洗與測量完成后，將鳶烏賊右耳石置于載玻片上，然后放在附帶有CCD拍照裝置的OLYMPUS SZX2-ILLD解剖鏡（×40）下進(jìn)行觀察（目鏡OLYMPUS SZX2—TR30 qc10192， 物 鏡OLYMPUS SDF PLAPO 1×PF）并拍照。拍照時(shí)須將右耳石的凸面朝上，利用Spot專業(yè)圖像測量軟件對所獲得的圖像進(jìn)行測量，以獲得耳石各形態(tài)參數(shù)值。測量前，應(yīng)設(shè)置好Spot軟件的各物理參數(shù)，確保測量的準(zhǔn)確性，具體包括對耳石總長（Total statolith length, TSL）、最大寬度（Maximum width,MW）、側(cè)區(qū)長（Lateral dome length, LDL）、背側(cè)區(qū)長（Ventral dorsal dome length, DLL）、吻側(cè)區(qū)長（Rostrum lateral dome length, RLL）、吻區(qū)長（Rostrum length, RL）、吻區(qū)寬（Rostrum width,RW）、翼區(qū)長（Wing length, WL）和翼區(qū)寬（Wing width, WW）9項(xiàng)形態(tài)參數(shù)（圖2）進(jìn)行測量，耳石形態(tài)參數(shù)測量精確至1 μm。由2人分別進(jìn)行測量，若2次測量誤差不超過5%，則取其平均值作為參數(shù)值，否則需重新進(jìn)行測量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在本研究中，為降低胴長對數(shù)據(jù)分析造成的干擾，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前對鳶烏賊胴長及各項(xiàng)形態(tài)參數(shù)進(jìn)行對數(shù)[lg(x+ 1.1)]處理[25]。運(yùn)用SPSS19.0軟件對9個(gè)耳石形態(tài)參數(shù)進(jìn)行主成分分析，得到各主成分的負(fù)載系數(shù)與貢獻(xiàn)率，選取主要長度參數(shù)與寬度參數(shù)作為其全部形態(tài)參數(shù)的表征參數(shù)；結(jié)合冪函數(shù)[26-27]、線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)[28]等模型分別擬合鳶烏賊胴長（ML, mm）與耳石表征參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，選取最佳模型并給出各項(xiàng)表征參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式與擬合度，以此表示鳶烏賊耳石形態(tài)參數(shù)與胴長的關(guān)系。

在開展基于耳石形態(tài)分析的群體識別研究時(shí)，為消除鳶烏賊因異速生長對判別結(jié)果造成的偏差，對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行消除體長效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，方法如下：

（1）協(xié)方差分析校正方法[29]：

（2）異速生長校正方法[30]：

（3）比值校正方法[20]：

式中：M0是原始鳶烏賊耳石參數(shù)測量值，Mstd1、Mstd2、Mstd3分別是按協(xié)方差校正、異速生長校正、比值校正后的鳶烏賊耳石參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，L0是鳶烏賊標(biāo)準(zhǔn)胴長，L平均是所有鳶烏賊胴長的平均值，參數(shù)b是對數(shù)處理后胴長與耳石形態(tài)參數(shù)的線性回歸斜率。

圖2 耳石形態(tài)參數(shù)及各區(qū)分布Fig.2 Scheme of morphometric measurements and each dome of statolith

按照采樣站點(diǎn)，將鳶烏賊樣本分為南沙、東沙和中沙西沙3個(gè)群體[31]；按照胴長將鳶烏賊樣本分為中型群（ML＞130 mm）、混合群（130 mm≥ML＞95mm）和微型群（ML≤95 mm）3個(gè)群體[21]。運(yùn)用SPSS19.0軟件分別對3種不同校正法處理后的耳石形態(tài)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行典則判別函數(shù)分析，使用耳石形態(tài)參數(shù)對南沙、東沙、和中沙西沙3個(gè)不同海域以及中型群、混合群和微型群3個(gè)不同體型群體進(jìn)行判別，獲得各地理群體與各體型群體根據(jù)耳石形態(tài)參數(shù)判別后的成功率，并使用各自判別得分做判別函數(shù)圖觀察判別狀況。

2 結(jié)果

2.1 耳石形態(tài)特征

觀測表明，南海鳶烏賊耳石在形態(tài)上具有鮮明的翼區(qū)、吻區(qū)、側(cè)區(qū)和背區(qū)結(jié)構(gòu)，各區(qū)域能明顯區(qū)分，其中翼區(qū)寬大，側(cè)區(qū)次之，吻區(qū)長窄，背區(qū)稍?。▓D2），其胴長與耳石形態(tài)特征參數(shù)如表1。

表1 鳶烏賊胴長及耳石形態(tài)參數(shù)Table 1 Mantel length and statolith parameters of Sthenoeuthis oualaniensis

2.2 主成分分析

分別對標(biāo)準(zhǔn)化后雌、雄個(gè)體耳石的9項(xiàng)形態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析并將其負(fù)荷作最大方差正交旋轉(zhuǎn)（表2），結(jié)果顯示，雌、雄性樣本的前 3個(gè)主要成分累計(jì)貢獻(xiàn)率均高于74%，雄性樣本前3項(xiàng)主成分解釋形態(tài)參數(shù)的貢獻(xiàn)率分別為45.932%、15.358%、13.277%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為74.566%；雌性樣本前 3主成分解釋形態(tài)參數(shù)的貢獻(xiàn)率分別為62.593%、11.046%、10.393%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.032%。

表2 鳶烏賊前3個(gè)主成分的特征值與貢獻(xiàn)率Table 1 Loadings of S.oualaniensis principal Eigenvalues and contributions of the first three principal components of elliptic Fourier descriptors

主成分分析表明，雄性樣本第1主成分中耳石的 TSL、MW、LDL、DLL、WL有較大正相關(guān)，其形態(tài)參數(shù)負(fù)載系數(shù)均在0.57以上，其中DLL的載荷系數(shù)最大為0.915；第2主成分與RLL有較大正相關(guān)，其形態(tài)參數(shù)負(fù)載系數(shù)為 0.864；第 3主成分與 WW 有較大正相關(guān)，其形態(tài)參數(shù)負(fù)載系數(shù)為0.791。

雌性樣本第1主成分中耳石的TSL、MW、LDL、DLL、RLL、RL、WL有較大正相關(guān)，其形態(tài)參數(shù)負(fù)載系數(shù)均在0.42以上，其中WL的載荷系數(shù)最大為0.881；第2主成分與DLL有較大正相關(guān)，其形態(tài)參數(shù)負(fù)載系數(shù)為0.791；第3主成分與WW有較大正相關(guān)，其形態(tài)參數(shù)負(fù)載系數(shù)為0.890。

根據(jù)鳶烏賊雌、雄樣本主成分載荷以及各個(gè)成分所占貢獻(xiàn)率，第1主成分的貢獻(xiàn)率最為明顯，綜合觀察可得鳶烏賊的耳石長度參數(shù) TSL、LDL、DLL、WL和寬度參數(shù)MW可代替9項(xiàng)形態(tài)參數(shù)來描述耳石的形態(tài)特征。分別使用指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)對挑選出的5項(xiàng)表征參數(shù)與鳶烏賊胴長進(jìn)行擬合，可得該5項(xiàng)參數(shù)與鳶烏賊胴長有較強(qiáng)線性函數(shù)關(guān)系，其線性函數(shù)關(guān)系如表3。

表3 鳶烏賊耳石主要形態(tài)參數(shù)與胴長的關(guān)系Table 3 Relationship between main parameters ofstatolith and mantle length for S.oualaniensis

2.3 判別函數(shù)分析

分別使用協(xié)方差分析校正、異速生長校正和比值校正后的鳶烏耳石形態(tài)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值按不同海域和不同體型群體進(jìn)行判別分析（表4、5）。分析表明，3個(gè)海域鳶烏賊之間存在較大差異性，通過不同校正方法得到的判別成功率也有所不同，使用協(xié)方差分析校正法對南沙、東沙和中沙西沙3個(gè)海域判別的成功率分別為53.3%、38.3%、41.2%，綜合正確分類為43.3%；用異速生長校正法對3個(gè)海域判別的成功率分別為48.3%、68.3%、46.6%，綜合正確分類為49.3%；用比值校正法對3個(gè)海域判別的成功率分別為53.3%、56.7%、64.9%，綜合正確分類為60.4%，其海域判別區(qū)分度為中沙西沙群體＞東沙群體＞南沙群體。

分析表明，3個(gè)體型群體鳶烏賊之間也存在較大差異性，通過不同校正方法得到的判別成功率也有所不同，使用協(xié)方差分析校正法對微型群、混合群和中型群3個(gè)群體判別的成功率分別為71.4%、36.8%、31.8%，綜合正確分類為38.4%；用異速生長校正法對3個(gè)群體判別的成功率分別為75.0%、44.4%、71.0%，綜合正確分類為58.2%；用比值校正法對 3個(gè)群體判別的成功率分別為 92.9%、90.2%、81.3%，綜合正確分類為86.9%，其體型判別區(qū)分度為微型群＞混合群＞中型群。

根據(jù)判別函數(shù)分析的判別得分，分別繪制3個(gè)海域以及3個(gè)群體的判別得分散點(diǎn)圖（圖3、4）。由圖可知，在海域判別中，比值校正法能夠解釋60.4%的群體間變異，可以比較有效的將中沙西沙鳶烏賊群體同其他群體區(qū)分開，異速生長校正法可以有效的將東沙鳶烏賊群體同其他群體區(qū)分開，但對南沙和中沙西沙地理群體判別效果較差；在體型群體判別中，比值校正法能夠解釋高達(dá)86.9的群體間差異，可以有效將微型群、混合群和中型群3個(gè)群體區(qū)分開，從函數(shù)圖中可以明顯看出從微型群到中型群的變化，混合群體處于其間過度位置。

表4 3個(gè)海域鳶烏賊群體判別結(jié)果Table 4 Discrimination results of three sea areas of S.oualaniensis

表5 3個(gè)體型群鳶烏賊判別結(jié)果Table 5 Discrimination results of three body groups of S.oualaniensis

圖3 不同海域鳶烏賊的判別函數(shù)Fig.3 Discriminant function of different sea areas of S.oualaniensis

圖4 不同群體鳶烏賊的判別函數(shù)Fig.4 Discriminant function of different groups of S.oualaniensis

3 討論

3.1 耳石形態(tài)特征

鳶烏賊屬于頭足類柔魚科，其耳石與隸屬柔魚科其他種類一樣，在個(gè)體生長的早期階段，耳石結(jié)構(gòu)相對簡單，形似水滴狀，側(cè)區(qū)與背區(qū)相對于吻區(qū)和翼區(qū)來說，比較明顯，而吻區(qū)則比較小，翼區(qū)尚未形成[14]；隨著個(gè)體發(fā)育，各區(qū)也逐漸成型，分割線也將越來越清晰，其成型分割點(diǎn)年齡為 100～110 d，此時(shí) ML約為 100 mm[32]，在本研究中樣品的ML范圍為79～233 mm，大部分大于100 mm，其耳石形態(tài)分區(qū)均已明顯，便于進(jìn)行耳石形態(tài)分析研究。在本研究中的成熟鳶烏賊，其耳石具有明顯的背區(qū)、翼區(qū)、吻區(qū)與側(cè)區(qū)結(jié)構(gòu)，翼區(qū)寬大，側(cè)區(qū)次之，背區(qū)稍小，吻區(qū)長窄。這與劉必林等[20]研究的印度洋西北海域成體鳶烏賊耳石具有側(cè)區(qū)和翼區(qū)寬大背區(qū)小、吻區(qū)長窄的外部形態(tài)特征相似；與馬金等[33]研究的西太平洋柔魚耳石具有翼區(qū)寬大、側(cè)區(qū)和背區(qū)次之、吻區(qū)長狹特征相似；與陸化杰等[17]研究的智利外海的莖柔魚耳石具有吻區(qū)翼區(qū)寬大和吻區(qū)長狹特征相似；以及與姜艷娥等[9]研究的南海中部海域鳶烏賊的耳石具有翼區(qū)寬大和吻區(qū)長狹的特征相似。這些柔魚科種群雖然分布于不同海域，但是均棲息于表層至1 500 m的水層，具有相似的耳石形態(tài)結(jié)構(gòu)，說明影響耳石形態(tài)結(jié)構(gòu)的因素之一是棲息水層。棲息于水體上層的柔魚科種群耳石規(guī)模小，具有吻區(qū)前段長狹、側(cè)區(qū)寬的特點(diǎn)。

3.2 耳石形態(tài)參數(shù)的主成分與胴長關(guān)系

通過主成分分析結(jié)果表明 TSL、MW、LDL、DLL和WL可作為表征耳石形態(tài)特征的參數(shù)，其中TSL、WL、LDL和DLL可以代表耳石長度形態(tài)的特征，MW則表征寬度的特征。這一結(jié)果同其他的柔魚科物種之間有所區(qū)別，如劉必林等[20]所發(fā)表的印度洋西北海域鳶烏賊耳石形態(tài)的表征參數(shù)為TSL、MW、LDL、DLL、RLL、WL；馬金等[33]所研究的西北太平洋柔魚耳石的表征參數(shù)為TSL、RL、WL、RW、WW；陸化杰等[17]所研究的智利外海莖柔魚耳石形態(tài)的表征參數(shù)為TSL、WL、RLL、MW；姜艷娥等[9]所研究的南海中部鳶烏賊耳石形態(tài)的表征參數(shù)為TSL、吻區(qū)長（RSL）、WL、MW、DLL。說明不同海域或者不同柔魚種類的耳石長度和寬度的表征參數(shù)具有一定的差異性。

在本研究中鳶烏賊耳石的表征特征參數(shù)TSL、WL、LDL、DLL和 MW與胴長（ML）呈顯著的線性函數(shù)關(guān)系，各個(gè)參數(shù)的關(guān)系式中TSL與ML的b值最大，說明耳石總長和翼區(qū)長生長速度相對較快，其余形態(tài)參數(shù)關(guān)系式中b值較小，說明其余參數(shù)生長相對比較緩慢；而關(guān)系式中除側(cè)區(qū)長a值為1.672外，其余參數(shù)均高于2.0，說明側(cè)區(qū)長生長的絕對速度較緩慢。在劉必林等[20]發(fā)表的印度洋西北海域鳶烏賊耳石形態(tài)中的表征參數(shù)與胴長均呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關(guān)系；在馬金等[33]所研究的西北太平洋柔魚耳石形態(tài)中表征參數(shù)與胴長使用冪函數(shù)擬合效果較好；在陸化杰等[17]所研究的智利外海莖柔魚耳石形態(tài)中表征參數(shù)與胴長關(guān)系在雄性樣本中呈冪函數(shù)關(guān)系，在雌性樣本中呈線性關(guān)系；姜艷娥等[9]研究的南海中部海域鳶烏賊耳石形態(tài)中，表征參數(shù) TSL、WL、MW 與胴長呈對數(shù)關(guān)系，RSL、DLL與胴長呈線性關(guān)系。也說明不同海域或者不同柔魚種類的表征參數(shù)與胴長的關(guān)系具有一定差異性。

造成差異的原因一方面是采樣區(qū)域不同，其溫度、鹽度等生存環(huán)境不同，導(dǎo)致其在生長發(fā)育時(shí)耳石形態(tài)有些許差異；另一方面，本研究采用燈光罩網(wǎng)的捕撈方式采樣，可以獲得中微小性個(gè)體，不同于魷釣的的采樣方式，難以獲得胴長較小的個(gè)體，這也會影響其部分形態(tài)參數(shù)的貢獻(xiàn)率。

3.3 數(shù)據(jù)校正在群體識別中的對比

由于海洋生物的個(gè)體生長差異可能會對耳石形態(tài)參數(shù)造成顯著影響，所以進(jìn)行耳石形態(tài)參數(shù)分析研究時(shí)，對形態(tài)參數(shù)進(jìn)行消除體長效應(yīng)的數(shù)據(jù)校正是十分重要的，通過數(shù)據(jù)校正可以減小不同個(gè)體異速生長所造成的偏差[29]。在本研究中選取了協(xié)方差分析校正、異速生長校正和比值校正3種校正方法，通過不同校正方法進(jìn)行地理群體判別，分別得到了43.3%（38.3%～53.3%）、49.3%（46.6%～68.3%）和 60.4%（53.3%～64.9%）的總體成功率，可見在判別的穩(wěn)定程度上，比值校正法在地理群體判別中效果較明顯。但是對于不同地理群體的識別，判別表現(xiàn)各有不同，異速生長判別對東沙海域的判別效果顯著?？偟膩砜?，3種校正對地理群體的總體判別成功率影響并無十分明顯的差異。比值校正對于各個(gè)群體判別波動較小，結(jié)果更加穩(wěn)定。綜合來看，對于地理群體的判別不同的校正方法并無明顯優(yōu)劣之分，而比值校正法更適合本研究中地理群體的判別。研究表明，通過耳石形態(tài)對南海鳶烏賊地理群體的判別基本可以實(shí)現(xiàn)，3個(gè)不同海域的鳶烏賊耳石形態(tài)有比較明顯的差異性，與當(dāng)前對于南海鳶烏賊地理群體[31]的劃分結(jié)果一致，選取合適的校正方法能夠提升總體判別成功率，減少不同地理群體的判別波動性。

在不同體型群體判別時(shí)，3種校正方法分別得到了38.4%（31.8%～71.4%）、58.2%（44.4%～71.0%）和 86.9%（81.3%～92.9%）的總體成功率，不同于地理群體的判別，比值校正法在判別穩(wěn)定程度和不同群體的識別成功率上都有十分顯著的效果；而異速生長校正對中型群和微型群班別效果顯著，對混合群體判別成功率較低，從而降低了總體成功率。雖然3種校正方法對總體判別成功率影響差異十分顯著，但是最高總體判別成功率的比值校正判別結(jié)果并不符合當(dāng)前鳶烏賊研究中的群體劃分，反觀經(jīng)異速生長校正的判別，其混合群的判別中較大比例判別為微型群和中型群，這符合對鳶烏賊混合群體中同時(shí)存在微型群和中型群的定義[21]，則表明通過異速生長校正的判別更適合本研究。綜合來看，不同校正方法總體判別成功率的高低并不能完全代表判別效果的優(yōu)劣，更需要結(jié)合對研究樣本的了解，選擇符合研究判別結(jié)果。使用耳石形態(tài)參數(shù)判別群體，只要選擇合適的耳石形態(tài)特征的參數(shù)[34]，選擇合適的數(shù)據(jù)校正及處理方法，就能有效對群體進(jìn)行判別。選擇什么樣的參數(shù)進(jìn)行判別研究以及是否有其他因子會對判別造成偏差，還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，南海鳶烏賊耳石形態(tài)呈現(xiàn)出翼區(qū)寬大、側(cè)區(qū)次之、背區(qū)稍小、吻區(qū)長窄的特點(diǎn)；其耳石形態(tài)參數(shù)通過主成分分析所得的TSL、MW、LDL、DLL、WL等5項(xiàng)參數(shù)可作為表征參數(shù)代替9項(xiàng)形態(tài)參數(shù)來描述耳石的形態(tài)特征，其表征參數(shù)與胴長呈現(xiàn)線性指數(shù)關(guān)系；3種校正方式對地理群體的判別差異性不顯著，比值校正法具有較好的穩(wěn)定性，對不同體型群體判別時(shí)，比值校正法的穩(wěn)定程度和識別成功率較顯著，兩種判別中，微型群體和中沙西沙群體與其他群體存在較高的區(qū)分度。