通天河2種高原鰍星耳石鍶和鈣的微化學(xué)特征

劉洪波，姜 濤，陳修報，楊 健

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心院長江中下游漁業(yè)生態(tài)環(huán)境評價和資源養(yǎng)護重點實驗室，江蘇 無錫 214081)

【研究意義】長江源區(qū)的通天河段地處青藏高原中部，這里海拔高(大于3500 m)，空氣稀薄，水中溶氧量低，光照強，晝夜溫差大，降水量少且不均衡，高原生態(tài)環(huán)境獨特。同時，該區(qū)域構(gòu)造運動活躍，曾經(jīng)歷青藏高原自第三世紀末期開始的多次隆起[1]，近期則表現(xiàn)為地震頻發(fā)，是研究古環(huán)境和氣候變化關(guān)系的關(guān)鍵區(qū)域之一[2]。特殊的生態(tài)環(huán)境孕育了適應(yīng)長江源頭低水溫、強輻射等嚴酷自然條件的高海拔地區(qū)特有魚類-高原鰍。高原鰍是鯉形目(Cypriniformes)、鰍科(Cobitidae)、條鰍亞科(Nemacheilinae)、高原鰍屬(Triplophysa)的簡稱，生活在通天河水域的高原鰍主要有斯氏高原鰍Triplophysastoliczkae(Steindachner) 和小頭高原鰍Triphophysaminuta(Hedinichthys, Li,1966)等，它們共同的生物學(xué)特點是生長緩慢,體長多在100 mm以下。雖然經(jīng)濟價值有限，但因是青藏高原魚類區(qū)系的土著種，它們的存在為研究青藏高原的地理變遷與生物類群的演化提供了活標(biāo)本，具有重要的科研價值?！厩叭搜芯窟M展】通過分析水環(huán)境中元素的含量及其變化、地理分布及其控制因素等特征來研究環(huán)境的演化及對全球氣候變化的影響是國際學(xué)術(shù)界的一個研究熱點[3-4]。其中流域鍶(Sr)元素的來源及其物源示蹤意義的研究對認知陸地-河流-海洋之間的元素變動及區(qū)域氣候變化具有重要意義[5]。另一方面，水中的元素在魚體內(nèi)經(jīng)過血液循環(huán)并進入內(nèi)耳淋巴液等一系列生理過程后，最終會在魚耳石生長輪上沉積并長期保存[6]。相比水溫和鹽度而言，水體元素濃度對魚耳石元素富集的影響更為顯著[7-8]。自然界中由于海水與淡水間Sr元素的濃度相差較大[9]，因而耳石中的Sr常被用作研究其對環(huán)境因子(主要是水體元素濃度)響應(yīng)的首選[10]?！颈狙芯壳腥朦c】本研究選擇長江源區(qū)通天河段玉樹巴塘水域的斯氏高原鰍和小頭高原鰍進行耳石Sr元素分析，并與水體的相應(yīng)元素進行對比，【擬解決的關(guān)鍵問題】以期獲得耳石Sr元素對環(huán)境響應(yīng)的相關(guān)信息，分析其來源及環(huán)境指示意義。嘗試從新的角度解讀高原淡水魚耳石Sr元素地球化學(xué)特征及其可能的生態(tài)學(xué)意義。

1 材料與方法

水樣在通天河上游和下游河段各采集一處(樣點1和2，圖1)，每個斷面一次性采集原液250 mL，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后匯入聚丙烯瓶中封裝并用快遞運回實驗室。過濾后每份采樣點原液再經(jīng)0.22 μm過濾頭進行第2次過濾，一份原液制成5份上機樣品(30 mL/樣品)，水樣置于定容瓶中，加入1.5 mL硝酸(優(yōu)級純，德國Merck公司)待測。

上述兩處樣點10份上機水樣的鍶(Sr)元素用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(Agilent 7500ce ICP-MS)進行測定，利用元素標(biāo)準(zhǔn)添加回收法確認了測定精度，得到元素的回收率在80 %～102 %范圍內(nèi)。

圖1 本研究水樣(樣點1，2)和魚樣(樣點2)的采樣點Fig.1 Sampling sites for water and fish samples in present study

魚樣均在長江源區(qū)的通天河段玉樹巴塘水域捕獲，斯氏高原鰍(S)和小頭高原鰍(X)各3尾，其詳細信息見表1。采樣地點(樣點2)如圖1所示。

因高原鰍屬鯉形目，其3對耳石比較特殊，矢耳石細長易碎，微耳石小且中間較厚，不易觀察到耳石核心，星耳石近似橢圓形，厚度較為適中，參考前人研究[11]，選星耳石為本研究對象。

耳石前處理主要參照筆者實驗室前期的方法[12-13]，即取出星耳石樣本，用去離子水洗凈并干燥后，將其用AB 膠固定在包埋盒底座上固化約20 min，然后將其整體包埋于環(huán)氧樹脂(EpoFix，丹麥Struers公司)中。待包埋樣本38 ℃烘干12 h以上后，對其切割及碾磨(Discoplan-TS型，丹麥Struers公司)。耳石樣本經(jīng)粗磨至精磨后使耳石核心面暴露，再經(jīng)磨拋機(LaboPol-35，丹麥Struers公司)表面拋光。最后于Milli-Q水超聲波水浴5 min后晾干，經(jīng)真空鍍膜機(JEE-420，日本電子株式會社)鍍碳(C)膜后，用電子微探針分析儀(JXA-8100， 日本電子株式會社)從其核心順著最長軸依次向邊緣進行Sr、鈣(Ca)含量進行定量線分析測定，或?qū)Χ^核心截面Sr強度進行面分布圖譜分析。儀器分析時的設(shè)定條件如表2所示。測定結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為鈦酸鍶(SrTiO3)和碳酸鈣(CaCO3)來檢驗。

表1 斯氏高原鰍(S)和小頭高原鰍(X)的基本數(shù)據(jù)

表2 本研究電子微探針分析儀的測定參數(shù)

由于耳石中Sr的含量受環(huán)境影響大而Ca含量波動幅度小，按國際慣例，將Sr濃度標(biāo)準(zhǔn)化為Sr:Ca×103比值。參考 STARS (Sequentialt-test analysis of regime shifts)方法[14-16]，運用Excel 2013導(dǎo)出和分析數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換依截斷長度為10、置信度水平為0.1、權(quán)重為1參數(shù)來設(shè)定。參考前期研究[17]來區(qū)分不同Sr、Ca背景的生境，即耳石對應(yīng)低Sr或Sr/Ca比生境(Sr∶Ca×103值≤3，相當(dāng)于淡水)、高鍶Sr或Sr/Ca比生境的分別為(Sr∶Ca×103值>3，相當(dāng)于河口半咸水或海水)；在相應(yīng)耳石Sr含量強度面分布分析上，二者分別對應(yīng)于藍色或綠黃色、紅色圖譜。

耳石年齡的鑒定參照姜濤等(2016)[18]的方法，將電子微探針分析完成后的星耳石使用5 %EDTA進行酸蝕處理，每間隔2 s 取出，用去離子水清洗和觀察，直至獲得較清晰的年輪。

2 結(jié)果與分析

水樣點1 Sr的測定結(jié)果為(4645±87) μg/L，水樣點2 Sr的測定結(jié)果為(932±37) μg/L，兩地水樣Sr濃度相差約5倍(圖2)。

圖2 通天河2個樣點水樣中的Sr含量Fig.2 Sr concentration of water samples from 2 sampling sites along Tongtianhe river

3尾斯氏高原鰍和3尾小頭高原鰍星耳石從核心(0 μm)至邊緣Sr∶ Ca定量線分析結(jié)果見圖3，樣本Sr元素16色強度面分布圖譜分析結(jié)果見圖4。

3尾斯氏高原鰍耳石的Sr元素含量面分布分析圖譜可將其分為2種生態(tài)類型，S1為一類，呈深藍色，屬常年生活在低Sr水域；S2和S3為一類，分析圖呈現(xiàn)Sr含量較高的淺綠、淺藍條帶，棲息水域與S1明顯不同。耳石定量線分析的Sr∶Ca值中S1<2，3

圖3 通天河水域斯氏高原鰍(S)和小頭高原鰍(X)耳石從核心(0 μm)到邊緣電子探針定量線分析Sr∶Ca值(按慣例標(biāo)準(zhǔn)化成Sr∶Ca×103)的變化Fig.3 Fluctuation of Sr∶ Ca ratios (standardized to Sr∶ Ca×103 customarily) of electron microprobe analysis along line transects from the core (0 μm) to the edge in otoliths of T. stoliczkae (S) and T. minuta (X) from the Tongtianhe river

3尾小頭高原鰍星耳石Sr含量強度分析圖顯示其均在低Sr的水域出生，出生后X1繼續(xù)在原來的水域覓食生長，X3有不同深淺藍色條帶交互，其活動范圍比X1略大。X2的條帶更加豐富，1齡左右開始移動至高Sr(紅色或綠色條帶)的水域生活直至被本研究捕獲。線定量分析圖顯示Sr∶Ca：X1，X3<3，2

3 討論與結(jié)論

長江源在青海境內(nèi)稱通天河[19]，從采樣點1的上游至采樣點2的下游玉樹巴塘水域，跨越1000多公里[20]，占據(jù)了青藏高原中腹的廣大地帶[21]。該區(qū)域河流的特點是巖性復(fù)雜，溶解的化學(xué)成分含量高，并且有區(qū)域性差異[20,22]。從本研究的結(jié)果看，通天河河水Sr元素含量呈現(xiàn)上游高下游低的特征(圖2)，但總體上仍遠高于中國中東部地區(qū)地表水Sr含量(平均值139 μg/L)[23]和世界河流Sr元素含量平均值78 μg/L[5]，其Sr/Na比值與海水一致[4,22]。隨著海拔的升高，長江源區(qū)的年平均降雨量逐漸減少，年平均蒸發(fā)量逐漸增加[20]。河水的化學(xué)成分以蒸發(fā)巖類溶解為主[4,22]，湖泊里大量的蒸發(fā)巖是二疊系海相-海陸相交替沉積造成的[20]，是新生代以來青藏高原大面積崛起的結(jié)果，而水中Sr元素的含量更成為當(dāng)時高原古環(huán)境和氣候變化的關(guān)鍵證據(jù)[2]。

分析魚類耳石中Sr元素的特征某種程度上可以反映青藏高原的構(gòu)造格局變化與水體環(huán)境的關(guān)系。斯氏高原鰍S1、小頭高原鰍X1和X3耳石的Sr∶Ca值<3，其Sr含量面分布分析圖均呈現(xiàn)對應(yīng)淡水生境的藍色，應(yīng)該是常年生活在Sr元素較低的下游區(qū)，這里受印度洋氣流的影響，相對較為暖和濕潤，年降雨量約是上游的2倍[20]，因而稀釋了水中元素的濃度。而小頭高原鰍X2耳石的Sr∶Ca值甚至高達15、斯氏高原鰍S2和S3的Sr∶Ca值亦在3～9之間、兩類魚的Sr元素面分布圖亦呈現(xiàn)了紅色(X2)、綠色(S2、S3)等高Sr環(huán)境特征，與通天河上游水中檢測出的高Sr含量一致，推測原因可能是由于該地區(qū)青藏高原地形抬高，阻擋了來自海洋的濕潤氣候進入，氣候變干，河水中溶解態(tài)的Sr含量較高所致。因此斯氏高原鰍和小頭高原鰍不同的生活史型與青藏高原第三世紀末期開始隆起導(dǎo)致的環(huán)境改變密切相關(guān)。

生物地理學(xué)(Biogeography)[24]是研究生物地理分布格局、規(guī)律及成因的一門交叉學(xué)科[25]。青藏高原地區(qū)獨有的魚類資源與自然環(huán)境的關(guān)系吸引了學(xué)者的廣泛興趣。如金沙江上游的主要經(jīng)濟冷水魚——裂腹魚(Schizothoraxspp.) 的3個類型(原始型、特化型和高度特化型)的分布區(qū)就與青藏高原隆起的3個主要階段有對應(yīng)關(guān)系[1]。通過種內(nèi)分子鐘估算的方法得出了東方高原鰍(Triplophysaorientalis)的種群遺傳結(jié)構(gòu)與青藏高原的隆升基本吻合的結(jié)論[26]。而對生活在水體-沉積物之間的魚類而言，以離子替換(如Sr代替Ca)或其它方式進入耳石中的微量元素的成分與水體的化學(xué)成分密切相關(guān)[7,27]，因此耳石可以成為研究古環(huán)境變遷的理想材料。

本文通過分析青藏高原地區(qū)的獨有魚類-高原鰍星耳石中Sr和Sr/Ca值的特征，發(fā)現(xiàn)斯氏高原鰍和小頭高原鰍均存在無高Sr履歷和有高Sr履歷2種生活史型，與長江源通天河段上游水域Sr高、下游水域Sr相對較低的環(huán)境背景值相吻合，其高Sr值的來源應(yīng)該與青藏高原隆起導(dǎo)致的高原環(huán)境和氣候變化密切相關(guān)。