莖柔魚(yú)的角質(zhì)顎模式識(shí)別

勾藝萌，劉必林,2,3，孔祥洪

( 1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306； 3.國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，上海 201306 )

莖柔魚(yú)(Dosidicusgigas)，屬槍形目、柔魚(yú)科、莖柔魚(yú)屬，廣泛分布于東太平洋美洲沿岸和遠(yuǎn)海[1]，是資源最為豐富的頭足類種類之一[2]。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，莖柔魚(yú)得到大規(guī)模的開(kāi)發(fā)和利用[3]，現(xiàn)已成為我國(guó)遠(yuǎn)洋魷釣漁業(yè)的重要捕撈對(duì)象[4]，年產(chǎn)量超過(guò)4.0×105t。

模式識(shí)別是指對(duì)表征事物或現(xiàn)象的各種形式(數(shù)值、文字和邏輯關(guān)系)的信息進(jìn)行處理和分析，以對(duì)事物或現(xiàn)象進(jìn)行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的過(guò)程，是信息科學(xué)和人工智能的重要組成部分[5]。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模式識(shí)別已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如語(yǔ)音識(shí)別、生物特征識(shí)別、工業(yè)故障檢測(cè)等[6]。

角質(zhì)顎是位于頭足類口球內(nèi)的攝食器官，因其穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu)而被廣泛用于頭足類的種類鑒定[7]與種群劃分[8]。傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)劃分種群方法，主要是對(duì)分節(jié)特征、體型(度量)特征和解剖學(xué)特征的計(jì)數(shù)、測(cè)量和描述，通過(guò)這些特征的差異程度來(lái)劃分種群[9]。近些年來(lái)，隨著科學(xué)不斷發(fā)展，基于多元統(tǒng)計(jì)的形態(tài)學(xué)識(shí)別得以快速發(fā)展，如頭足類的外部形態(tài)[10]、耳石[11-12]和角質(zhì)顎[13-15]形態(tài)識(shí)別等。研究認(rèn)為，角質(zhì)顎與傳統(tǒng)的軟組織相比，不易受海洋環(huán)境和人為因素的影響[16-17]，與耳石相比，個(gè)體大，更易提取，形態(tài)學(xué)測(cè)量更容易[18]，更適合用作種群判別。因此，筆者以莖柔魚(yú)的角質(zhì)顎為研究對(duì)象，分析4個(gè)海區(qū)角質(zhì)顎的長(zhǎng)度特征，根據(jù)其長(zhǎng)度差異建立地理種群的判別函數(shù)，進(jìn)行模式識(shí)別，并對(duì)識(shí)別效果進(jìn)行檢驗(yàn)，以期為莖柔魚(yú)資源的合理開(kāi)發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 采樣

試驗(yàn)莖柔魚(yú)樣本于2009、2014和2015年由中國(guó)遠(yuǎn)洋魷釣漁船采集于哥斯達(dá)黎加、厄瓜多爾、秘魯和智利外海。樣本采集時(shí)，根據(jù)遠(yuǎn)洋魷釣漁船作業(yè)流動(dòng)性的特點(diǎn)，同一海域每個(gè)站點(diǎn)隨機(jī)采集20尾，共采集莖柔魚(yú)樣本835尾(表1)。樣本在實(shí)驗(yàn)室解凍后測(cè)量胴長(zhǎng)和體質(zhì)量等，并分別精確至1 mm和1 g，同時(shí)對(duì)性別進(jìn)行鑒定和性腺成熟度劃分。用鑷子直接從口球中提取角質(zhì)顎，放入清水中洗掉表面的黏液，然后在蛋白酶溶液中浸泡除去表面的有機(jī)質(zhì)，最后置于70%乙醇溶液中保存。

表1 莖柔魚(yú)采樣信息Tab.1 Sampling information of jumbo flying squid D. gigas

1.2 角質(zhì)顎測(cè)量

用游標(biāo)卡尺對(duì)角質(zhì)顎進(jìn)行形態(tài)測(cè)量[19]，包括上頭蓋長(zhǎng)(x1)、上脊突長(zhǎng)(x2)、上喙長(zhǎng)(x3)、上側(cè)壁長(zhǎng)(x4)、上翼長(zhǎng)(x5)、下頭蓋長(zhǎng)(x6)、下脊突長(zhǎng)(x7)、下喙長(zhǎng)(x8)、下側(cè)壁長(zhǎng)(x9)和下翼長(zhǎng)(x10)(圖1)，測(cè)定結(jié)果精確至0.01 mm[20]。

圖1 角質(zhì)顎形態(tài)參數(shù)示意Fig.1 Schematic diagram showing the measurement of the beak morphometric variables圖中A—B為上頭蓋長(zhǎng)； A—C為上脊突長(zhǎng); A—D為上喙長(zhǎng)； A—E為上側(cè)壁長(zhǎng)； A—F為上翼長(zhǎng)； a—b為下頭蓋長(zhǎng)； a—c為下脊突長(zhǎng)； a—d為下喙長(zhǎng)； a—e為下側(cè)壁長(zhǎng)； a—f為下翼長(zhǎng).In the figure, A—B is the upper hood length; A—C is the upper crest length; A—D is the upper rostrum length; A—E is the upper lateral wall length; A—F is the upper wing length; a—b is the upper wing length; a—c is the lower crest length; a—d is the lower rostrum length; a—e is the lower lateral wall length; a—f is the lower wing length.

1.3 數(shù)據(jù)處理

按照海域分別計(jì)算角質(zhì)顎各部長(zhǎng)度參數(shù)的最大值、最小值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

不同性別和不同年間角質(zhì)顎差異。為了消除個(gè)體大小對(duì)角質(zhì)顎尺寸的影響，采用無(wú)綱量化(最小—最大標(biāo)準(zhǔn)化)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，按照以下公式對(duì)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)化，使標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)映射在[0,1]區(qū)間，具體公式如下[21]：

xi′=(xi-xi,min)/(xi,max-xi,min)

式中，xi為上頭蓋長(zhǎng)、上脊突長(zhǎng)、上喙長(zhǎng)、上側(cè)壁長(zhǎng)、上翼長(zhǎng)、下頭蓋長(zhǎng)、下脊突長(zhǎng)、下喙長(zhǎng)、下側(cè)壁長(zhǎng)、下側(cè)壁長(zhǎng)變量的值，i為變量的數(shù)目，xi′為標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)，xi,max和xi,min分別為同一變量測(cè)量值中的最大值和最小值。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，不符合正態(tài)分布的則進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)化處理[22-23]，然后利用方差分析法檢驗(yàn)角質(zhì)顎形態(tài)參數(shù)的差異。

運(yùn)用Fisher判別分析法，按照一定的判別準(zhǔn)則，建立1個(gè)或多個(gè)判別函數(shù)，用樣本的大量數(shù)據(jù)確定判別函數(shù)的待定系數(shù)，并計(jì)算判別指標(biāo)，據(jù)此確定某一樣本歸屬的海區(qū)。為更好地檢驗(yàn)莖柔魚(yú)的海域識(shí)別情況，抽取各海域樣本的70%用來(lái)確定判別函數(shù)，剩余30%用作判別檢驗(yàn)，分別組成確定函數(shù)樣本和檢驗(yàn)樣本。

1.4 數(shù)據(jù)分析

在SPSS 19軟件中采用逐步判別法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后角質(zhì)顎參數(shù)進(jìn)行判別分析(其中70%的樣本用于構(gòu)建判別函數(shù)，30%的樣本用于檢驗(yàn))，利用判別分析的前3個(gè)判別函數(shù)系數(shù)及其均值計(jì)算95%橢圓置信區(qū)間，95%橢圓置信區(qū)間由R 3.5.3軟件計(jì)算。運(yùn)用棄一法交叉驗(yàn)證法(又稱折疊再分類法)檢驗(yàn)種類劃分的成功率。

2 結(jié) 果

2.1 角質(zhì)顎大小

方差分析顯示，4個(gè)海區(qū)莖柔魚(yú)角質(zhì)顎各部的長(zhǎng)度差異顯著(P<0.01)。由角質(zhì)顎各部的測(cè)量長(zhǎng)度可以看出，智利海區(qū)的角質(zhì)顎尺寸最大，秘魯海區(qū)的角質(zhì)顎尺寸最小(表2)。

表2 角質(zhì)顎形態(tài)參數(shù)值Tab.2 Morphological parameters of beak

2.2 逐步判別分析

逐步判別分析結(jié)果顯示，10個(gè)角質(zhì)顎測(cè)量指標(biāo)上側(cè)壁長(zhǎng)、上頭蓋長(zhǎng)、上喙長(zhǎng)、上翼長(zhǎng)、上脊突長(zhǎng)、下側(cè)壁長(zhǎng)、下脊突長(zhǎng)、下頭蓋長(zhǎng)、下側(cè)壁長(zhǎng)、下喙長(zhǎng)全部被用于最終的判別分析，由典型判別系數(shù)和Wilk′s λ分析結(jié)果可知，上側(cè)壁長(zhǎng)、上頭蓋長(zhǎng)和上喙長(zhǎng)貢獻(xiàn)了絕大部分的種群間差異(表3、表4)。

表3 莖柔魚(yú)角質(zhì)顎長(zhǎng)度逐步判別分析標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Tab.3 Discriminant function coefficients used in the stepwise discriminant analysis for jumbo flying squid D. gigas

表4 基于角質(zhì)顎長(zhǎng)度的逐步判別分析結(jié)果Tab.4 Summary of stepwise discriminant analysis showing the order of variables to entry and the successful discrimination rate in beak morphometrics

以莖柔魚(yú)角質(zhì)顎的10個(gè)有效判別指標(biāo)為自變量的判別函數(shù)：

判別函數(shù)1：

y1=-1.300x1+0.440x2-0.187x3+1.671x4-0.346x5+0.217x6+0.766x7-0.064x8-1.154x9+0.055x10

判別函數(shù)2：

y2=-0.694x1-1.977x2+0.694x3+0.959x4+0.130x5+0.335x6-0.673x7+0.443x8+1.749x9-0.552x10

判別函數(shù)3：

y3=0.750x1+1.616x2+0.641x3+0.143x4-1.041x5+0.476x6-0.846x7-0.008x8-1.234x9-0.287x10

結(jié)果顯示，判別函數(shù)1和判別函數(shù)2可以解釋大部分莖柔魚(yú)的地理種群劃分問(wèn)題，判別函數(shù)1、判別函數(shù)2和判別函數(shù)3可有效解釋海區(qū)間角質(zhì)顎差異(P<0.05)，解釋率分別為54.9%、29.6%和15.5%。

以兩兩函數(shù)系數(shù)繪制的散點(diǎn)圖顯示，判別函數(shù)1可以有效將厄瓜多爾海區(qū)莖柔魚(yú)與其他3個(gè)海區(qū)莖柔魚(yú)分開(kāi)(圖2、圖3)，判別函數(shù)2較大程度上可將秘魯與哥斯達(dá)黎加海區(qū)的莖柔魚(yú)區(qū)分開(kāi)(圖2、圖4)，相比其他散點(diǎn)圖(圖2、圖4)，判別函數(shù)3有利于區(qū)分智利海區(qū)與秘魯和哥斯達(dá)黎加海區(qū)的莖柔魚(yú)群體(圖3)，判別效果更好。

圖2 角質(zhì)顎判別分析函數(shù)1、2系數(shù)散點(diǎn)圖Fig.2 Discriminant analysis function 1 and 2 coefficient plots of beak

圖3 角質(zhì)顎判別分析函數(shù)1、3系數(shù)散點(diǎn)圖Fig.3 Discriminant analysis function 1 and 3 coefficient plots of beak

圖4 角質(zhì)顎判別分析函數(shù)2、3系數(shù)散點(diǎn)圖Fig.4 Discriminant analysis function 2 and 3 coefficient plots of beak

2.3 判別驗(yàn)證

70%的樣本采用逐步判別分析顯示，4個(gè)海區(qū)總的判別率為95.2%，其中智利、秘魯、厄瓜多爾和哥斯達(dá)黎加海區(qū)分別有3、12、3和10個(gè)樣本被錯(cuò)判，判別成功率分別為97.6%、91.0%、96.1%和96.0%(表5)。將剩余30%樣本帶入判別函數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，智利、厄瓜多爾和哥斯達(dá)黎加海區(qū)的判別正確率均高達(dá)75%以上，哥斯達(dá)黎加僅有3個(gè)樣本被錯(cuò)判為秘魯海區(qū)，總體檢驗(yàn)判別成功率為89.6%，判別成功率高，具有較好的判別意義(表6)。

表5 基于角質(zhì)顎長(zhǎng)度的地理種群判別成功率Tab.5 The successful discrimination rate for the geographic populations based on standardized beak morphometric variables

表6 基于角質(zhì)顎長(zhǎng)度的莖柔魚(yú)種群判別結(jié)果檢驗(yàn)Tab.6 Population discriminant result test for jumbo flying squid D. gigas by beak morphometric variables

3 討 論

3.1 種群結(jié)構(gòu)

種群結(jié)構(gòu)是研究有海洋生物生活史的基礎(chǔ)，也是制定可持續(xù)管理策略的先決條件[24]。莖柔魚(yú)是一種分布范圍廣、具有復(fù)雜種群結(jié)構(gòu)的物種，依據(jù)性成熟個(gè)體大小可分為大、中、小3個(gè)體型群[25]，依據(jù)不同產(chǎn)卵季節(jié)可分為冬春生群和春夏生群[26]，依據(jù)洄游路線和遺傳特性可分為南半球和北半球兩個(gè)地理種群[27]。目前為止，關(guān)于種群結(jié)構(gòu)的劃分仍無(wú)統(tǒng)一的定論[28]。

3.2 判別函數(shù)的判別效率

判別分析法是根據(jù)研究個(gè)體的觀測(cè)值和所屬類別構(gòu)建一個(gè)綜合標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推斷個(gè)體屬于已知種類中哪一類的方法[29-30]。近年來(lái)，隨著多元統(tǒng)計(jì)的快速發(fā)展，判別分析法被廣泛引入頭足類的種類識(shí)別和種群判別，如2種大洋性柔魚(yú)類[柔魚(yú)(Ommastrephesbartramii)和莖柔魚(yú)]的判別成功率達(dá)到95%[16]、4種頭足類的種類鑒定正確率超過(guò)95%[31]、鳶烏賊(Sthenoteuthisoualaniensis)地理群體的識(shí)別成功率超過(guò)60%[32]、鑒定柔魚(yú)秋生群和冬春生群的成功率超過(guò)90%[14]、頭足類不同科(槍烏賊科、烏賊科和蛸科)的判別成功率超過(guò)92%[33]等，均取得了較好的判別效果。

3.3 種群判別及驗(yàn)證

劉必林等[13]通過(guò)角質(zhì)顎形態(tài)的逐步判別分析對(duì)厄瓜多爾、秘魯和智利外海的莖柔魚(yú)進(jìn)行了種群判別。筆者在此基礎(chǔ)上增加了近年所采集的樣本，同時(shí)又增加哥斯達(dá)黎加外海的樣本，還對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了改進(jìn)，尤其增加了效果驗(yàn)證這一環(huán)節(jié)，因此不僅判別效果更好，還更具說(shuō)服力。劉必林等[34]通過(guò)耳石中微量元素的組成特征分析了哥斯達(dá)黎加、秘魯和智利專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)莖柔魚(yú)的地理種群，結(jié)果表明，秘魯和智利的樣本中Ba含量相似，均明顯低于哥斯達(dá)黎加海域，Mg/Ca和Mn/Ca的值在哥斯達(dá)黎加海域最高，在智利海域最低，元素Ba含量在3個(gè)海域中均有顯著差異，總體判別成功率在50%以上。筆者利用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別中的判別函數(shù)法對(duì)4個(gè)海域的莖柔魚(yú)角質(zhì)顎建立了判別函數(shù)，綜合判別成功率為95.2%，角質(zhì)顎形態(tài)特征較其他海區(qū)有顯著差異?？紤]到模式特征值提取和選擇不當(dāng)，依據(jù)角質(zhì)顎的形態(tài)特征，測(cè)量提取了較有生物區(qū)分性的特征參數(shù)，之后再進(jìn)行判別分析，降低了模式誤識(shí)的概率；考慮到不同年齡和生長(zhǎng)階段樣本個(gè)體的差異，首先將角質(zhì)顎進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后再進(jìn)行分析和函數(shù)驗(yàn)證，提高判別的準(zhǔn)確率，這在以往的研究[35]中得到了充分驗(yàn)證。為進(jìn)一步驗(yàn)證判別的可靠性，30%的樣本被帶回建立的判別函數(shù)，檢驗(yàn)正確率高達(dá)89.6%。

3.4 地理種群形成的原因

環(huán)境差異被認(rèn)為是導(dǎo)致不同地理種群在軟組織和硬組織生長(zhǎng)中形態(tài)變化的具體原因[36]。研究發(fā)現(xiàn)，海表面溫度和葉綠素a等環(huán)境因素會(huì)影響以浮游生物和小型魚(yú)類為食的頭足類，致使角質(zhì)顎形態(tài)存在差異[22]。在莖柔魚(yú)的研究中也發(fā)現(xiàn)，莖柔魚(yú)的分布狀況與環(huán)境變化和餌料密切相關(guān)[28,37]，并且會(huì)因捕食種類的不同，莖柔魚(yú)角質(zhì)顎會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)性生長(zhǎng)。由于生活在同一海域的莖柔魚(yú)處于相同的環(huán)境變量中，預(yù)計(jì)不會(huì)有顯著的形態(tài)差異，而相同物種暴露在不同海域、不同環(huán)境介質(zhì)中形態(tài)差異可能較大。因此，莖柔魚(yú)形態(tài)變量的差異可能反映地理環(huán)境差異的影響。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，莖柔魚(yú)群體在地理區(qū)域上具有顯著差異，所以認(rèn)為這種形態(tài)差異極大可能由環(huán)境因素不同所致。

4 結(jié) 論

筆者分析了智利、秘魯、厄瓜多爾和哥斯達(dá)黎加4個(gè)海區(qū)莖柔魚(yú)角質(zhì)顎外部形態(tài)差異，提出判別函數(shù)的角質(zhì)顎識(shí)別方法，建立判別函數(shù)，并進(jìn)行了結(jié)果檢驗(yàn)，綜合判別成功率為95.2%，研究結(jié)果表明莖柔魚(yú)的角質(zhì)顎在不同地理種群間有顯著差異。為今后利用角質(zhì)顎形態(tài)進(jìn)行莖柔魚(yú)地理種群識(shí)別提供方法手段和科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可以更好地在了解莖柔魚(yú)種群結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)該資源分種群進(jìn)行評(píng)估和管理。