不同溫度下中間球海膽生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

甄昊，王犖,2，劉艷霞，吳洋磊，譚八梅，丁君,2，常亞青

（1.大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 511458）

中間球海膽Strongylocentrotus intermedius（又稱蝦夷馬糞海膽）味道鮮美，營養(yǎng)價(jià)值高，是我國北方主要海膽?zhàn)B殖種類[1]。近年來，隨著極端高溫天氣頻發(fā)，中間球海膽大規(guī)模死亡現(xiàn)象頻現(xiàn)，溫度已然成為制約中間球海膽產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素[2]。

溫度對(duì)水生生物生長(zhǎng)發(fā)育模型構(gòu)建的相關(guān)工作愈發(fā)受到關(guān)注[3,4]。溫度與中間球海膽的生長(zhǎng)、發(fā)育密切相關(guān)[5-7]。丁君等[8]基于不同規(guī)格中間球海膽生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了中間球海膽殼高、殼徑與生長(zhǎng)的線性模型，探明了適宜溫度下中間球海膽生長(zhǎng)發(fā)育特征。甄昊等[9]利用響應(yīng)曲面法構(gòu)建了溫度和鹽度對(duì)中間球海膽胚胎存活率影響的預(yù)測(cè)模型，查明中間球海膽胚胎成活的最適溫鹽條件。吳洋磊等[10]研究了不同溫度和鹽度對(duì)中間球海膽胚胎發(fā)育早期進(jìn)程的聯(lián)合效應(yīng)，建立了溫度和鹽度對(duì)中間球海膽胚胎發(fā)育進(jìn)程定量關(guān)系模型和早期胚胎發(fā)育時(shí)期溫度和鹽度的最佳組合。目前，有關(guān)溫度對(duì)中間球海膽胚胎發(fā)育方面的預(yù)測(cè)模型已有初步進(jìn)展，但溫度對(duì)中間球海膽不同生長(zhǎng)階段影響的預(yù)測(cè)模型還未見報(bào)道。

多項(xiàng)式擬合是基于多項(xiàng)式方程擬合因變量與響應(yīng)值的關(guān)系，響應(yīng)曲面法采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系；兩者相結(jié)合為探討多種環(huán)境因素對(duì)生物效應(yīng)提供了有效途徑，廣泛應(yīng)用水產(chǎn)領(lǐng)域[11,12]。本研究利用多項(xiàng)式擬合和響應(yīng)曲面法，建立不同溫度條件下不同殼徑中間球海膽生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，查明不同殼徑中間球海膽生長(zhǎng)的最適溫度和極限溫度，以期為深入探究中間球海膽溫度適應(yīng)性機(jī)理和工廠化養(yǎng)殖溫度調(diào)控提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)所用中間球海膽于2020 年8 月采自大連市旅順口區(qū)龍王塘海域，暫養(yǎng)15 d 后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)6 個(gè)溫度（10℃、14℃、18℃、22℃、24℃和26℃）、三種殼徑（2 cm、4 cm 和6 cm）的中間球海膽，每組120 只海膽。預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，26℃下，殼徑6 cm 的中間球海膽生存不能超過7 d，因此本實(shí)驗(yàn)額外增加一個(gè)24℃下6 cm 中間球海膽處理組。共設(shè)16 個(gè)處理組，每組均設(shè)3 個(gè)平行。

養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)在控溫循環(huán)水槽中進(jìn)行，海水經(jīng)沙濾罐過濾，鹽度為30～31。每?jī)商焱段挂淮问?，同時(shí)吸取水槽底部糞便，換水1/5，以確保溫度波動(dòng)在0.2℃之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5 周，每周稱量一次海膽體質(zhì)量，計(jì)算平均增重率（WGR）。

WGR（%）=（Wt－W0）/W0×100，

式中：W0和Wt分別為實(shí)驗(yàn)初始和結(jié)束時(shí)海膽的體質(zhì)量（g）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)不同溫度下不同殼徑中間球海膽的增重率數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，使用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性分析，利用Origin 2016 軟件建立二次曲線回歸模型，采用Design expert 10.0 建立軟件響應(yīng)曲面圖。通過校正系數(shù)來分析模型可信度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下不同殼徑中間球海膽體質(zhì)量生長(zhǎng)情況

三種殼徑中間球海膽在五種溫度條件下養(yǎng)殖35 d 時(shí)，體質(zhì)量生長(zhǎng)數(shù)據(jù)如表1 所示。在水溫10～26℃條件下，殼徑2 cm、4 cm 和6 cm 中間球海膽均在14℃時(shí)生長(zhǎng)最快。不同殼徑海膽在26℃時(shí)，體質(zhì)量均出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。值得注意的是，殼徑6 cm 海膽從22℃開始，體質(zhì)量出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，在26℃僅能存活7 天。

表1 不同溫度下不同殼徑中間球海膽體質(zhì)量生長(zhǎng)情況Tab.1 Weight gain of sea urchin Strongylocentrotus intermedius with different diameter at different temperatures

2.2 不同溫度對(duì)殼徑2 cm 中間球海膽生長(zhǎng)的影響

二次回歸方程擬合溫度對(duì)殼徑2 cm 中間球海膽的增重率曲線模型方程為Y=-0.0744X2+2.3915X-13.1362（圖1），式中，Y 為因變量增重率（%），X 為溫度（℃）。

圖1 殼徑2 cm 中間球海膽增重率擬合曲線Fig.1 Fitting curve of weight gain rate of sea urchin Strongylocentrotus intermedius with diameter of 2 cm

該模型的決定系數(shù)為0.9799，較好地預(yù)測(cè)了殼經(jīng)2 cm 中間球海膽在不同溫度下的生長(zhǎng)。從圖1可知，該模型曲線為拋物線狀，顯示出殼徑2 cm 中間球海膽存在最適生長(zhǎng)溫度。較低溫度會(huì)抑制中間球海膽生長(zhǎng)，隨著溫度的升高，中間球海膽生長(zhǎng)逐漸加快；超過最適溫度，隨著溫度繼續(xù)升高增重率降低。當(dāng)溫度超過生長(zhǎng)極限溫度后，增長(zhǎng)率則為負(fù)值，體質(zhì)量開始下降。該模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，殼徑2 cm的中間球海膽最適生長(zhǎng)溫度為16.1℃，生長(zhǎng)極限溫度為25.1℃。由圖2 可知，10℃組中間球海膽增重率顯著（P＜0.05）低于14℃和18℃組；22℃組中間球海膽增重率極顯著（P＜0.01）低于14℃和18℃組；26℃組中間球海膽各周體質(zhì)量增重率和其他溫度組出現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01）。中間球海膽體質(zhì)量在26℃組出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，在第4 周出現(xiàn)死亡，且第5 周死亡率達(dá)100%。

圖2 殼徑2 cm 中間球海膽增重率柱形圖Fig.2 Bar chart of weight gain rate of sea urchin S.intermedius with diameter of 2 cm

2.3 不同溫度對(duì)殼徑4 cm 中間球海膽生長(zhǎng)的影響

通過二次回歸方程擬合溫度對(duì)殼徑4 cm 中間球海膽的增重率曲線（圖3）得出的模型方程為：Y=-0.0542X2+1.6719X-8.4182。式中，Y 為因變量增重率（%），X 為溫度（℃）。

該模型的決定系數(shù)為0.9798，說明該模型可較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)殼徑4 cm 中間球海膽受溫度影響的生長(zhǎng)。由圖3 可知，構(gòu)建的模型曲線為拋物線狀，表明殼徑4 cm 中間球海膽存在最適溫度。水溫較低會(huì)抑制中間球海膽生長(zhǎng)，隨著溫度的升高，中間球海膽生長(zhǎng)逐漸加快；超過最適溫度后，隨著溫度升高，增重率降低；當(dāng)溫度超過海膽生長(zhǎng)極限溫度后，增重率為負(fù)值，體質(zhì)量逐漸降低。該模型計(jì)算結(jié)果表明，殼徑為4 cm 的中間球海膽最適生長(zhǎng)溫度為15.4℃，生長(zhǎng)極限溫度為24.5℃。由圖4 可知，14℃組海膽增重率與18℃組海膽增重率無顯著差異，其余各溫度組間增重率差異顯著（P＜0.05）。26℃組中間球海膽體質(zhì)量呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，海膽在第三周出現(xiàn)死亡，第四周死亡率為100%。

圖3 殼徑4 cm 中間球海膽增重率擬合曲線Fig.3 Fitting curve of weight gain rate of sea urchin S.intermedius with diameter of 4 cm

圖4 殼徑4 cm 中間球海膽增重率柱形圖Fig.4 Bar chart of weight gain rate of sea urchin S.intermedius with diameter of 4 cm

2.4 不同溫度對(duì)殼徑6 cm 中間球海膽生長(zhǎng)的影響

二次回歸方程擬合溫度對(duì)殼徑6 cm 中間球海膽的增重率曲線（圖5）得出模型方程為：Y=-0.0324 X2+0.8801X-4.2041。式中，Y 為因變量增重率（%），X 為溫度（℃）。該模型的決定系數(shù)為0.9580，說明該模型可較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)殼徑6 cm 中間球海膽受溫度影響的生長(zhǎng)情況。由圖5 可知，與殼徑2 cm 和4 cm 組中間球海膽相比，殼徑6 cm 組中間球海膽更適應(yīng)低溫環(huán)境。超過最適溫度后，隨著溫度的上升，海膽增重率逐漸降低；當(dāng)溫度超過生長(zhǎng)極限溫度后，海膽出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，體質(zhì)量逐漸減輕，直至死亡。該模型計(jì)算結(jié)果顯示，殼徑6 cm 的中間球海膽最適生長(zhǎng)溫度為13.6℃，生長(zhǎng)極限溫度為21.0℃。由圖6 可知，22℃、24℃、26℃組中間球海膽體質(zhì)量呈負(fù)增長(zhǎng)。其中，24℃組中間球海膽在第二周開始出現(xiàn)死亡，到第五周，死亡率為10%；26℃組中間球海膽在第一周出現(xiàn)死亡，第7 d 死亡率達(dá)100%。各溫度組中間球海膽增重率差異極顯著（P＜0.01）。

圖5 殼徑6 cm 中間球海膽增重率擬合曲線Fig.5 Fitting curve of weight gain rate of sea urchin S.intermedius with diameter of 6 cm

圖6 殼徑6 cm 中間球海膽增重率柱形圖Fig.6 Bar chart of weight gain rate of sea urchin S.intermedius with diameter of 6 cm

2.5 溫度和殼徑對(duì)中間球海膽生長(zhǎng)的影響

利用響應(yīng)曲面法的構(gòu)建不同溫度下不同殼徑中間球海膽增重率（WGR）的模型方程為：WGR%=-6.1175+0.2177×D+1.5362×T+0.0054×DT-0.1414×D2-0.0511×T2。式中，D 為中間球海膽殼徑（cm）；T 為養(yǎng)殖水體溫度（℃）。

由表2 可知，方差分析顯示，該模型的R2為0.9369，回歸模型極顯著（P＜0.01），表明溫度和規(guī)格對(duì)中間球海膽增重率的擬合方程有效，選擇恰當(dāng)，可以解釋93.69%響應(yīng)值變化。

表2 溫度和殼徑對(duì)中間球海膽增重率的回歸模型方差分析Tab.2 ANOVA analysis of regression model of temperature and diameter to weight gain rate of sea urchin Strongylocentrotus intermedius

對(duì)生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型各項(xiàng)系數(shù)顯著性差異檢驗(yàn)結(jié)果表明，溫度和殼徑極顯著（P＜0.01）影響中間球海膽的增重率。其中溫度的一次項(xiàng)系數(shù)大于殼徑的一次項(xiàng)系數(shù)，溫度對(duì)中間球海膽的生長(zhǎng)影響大于殼徑。

由圖7 可知，隨著殼徑的變化，中間球海膽最適生長(zhǎng)溫度與耐受極限溫度也隨之變化。即隨著中間球海膽殼徑的增加，耐受高溫的能力和最適生長(zhǎng)溫度也不斷降低。2 cm 殼徑中間球海膽可耐受25℃的高溫，而殼徑4 cm 和6 cm 的海膽耐受溫度分別降至24.5℃和21.0℃。

圖7 不同殼徑中間球海膽生長(zhǎng)最適和極限溫度Fig.7 The optimum and extreme temperature for growth of sea urchin S.intermedius with different diameter

由圖8 可知，不同殼徑中間球海膽生長(zhǎng)受溫度的影響規(guī)律基本一致，均存在生長(zhǎng)最適溫度和極限溫度。中間球海膽增重率隨著溫度的升高而上升，超過最適溫度后，海膽增重率下降，當(dāng)水溫超出耐熱極限后，中間球海膽體質(zhì)量減輕直至死亡。

圖8 溫度和殼徑對(duì)中間球海膽生長(zhǎng)的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surface plot of temperature,diameter and their interaction in growth of sea urchin S.intermedius

2.6 模型驗(yàn)證

本文所建立的不同溫度下不同殼徑中間球海膽生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型擬合度較好，通過響應(yīng)曲面模型優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，查明殼徑2 cm、4 cm 和6 cm 中間球海膽最適生長(zhǎng)溫度下的最大增重率分別為5.47%、4.36%和2.14%。為驗(yàn)證模型的可靠性，按照所得最優(yōu)條件，用300 只中間球海膽開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)測(cè)中間球海膽增重率為5.73%、4.04%和1.87%，與理論值吻合程度為91.99%，表明模型合理有效。

3 討論

3.1 中間球海膽生長(zhǎng)最適溫度與極限溫度

溫度通過調(diào)節(jié)機(jī)體能量代謝而影響海洋生物生長(zhǎng)發(fā)育[13-17]。本研究結(jié)果顯示，中間球海膽生長(zhǎng)與水溫存在顯著相關(guān)性。中間球海膽增重率隨溫度的升高逐漸增加；最適水溫下，中間球海膽生長(zhǎng)增重最快；超過最適溫度，隨著溫度的升高增重率逐漸下降；當(dāng)溫度高于海膽耐受極限溫度后，體質(zhì)量則出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。常亞青等[1]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，中間球海膽的攝食率逐步加大，超過適宜水溫后攝食率降低，溫度達(dá)到耐熱極限后，幾乎不攝食，攝食率隨溫度的變化趨勢(shì)與生長(zhǎng)隨溫度的變化趨勢(shì)一致。趙艷等[18]研究表明，溫度影響中間球海膽的耗氧率和排氨率，在15～25℃范圍內(nèi)，海膽耗氧率和排氨率隨溫度的升高而增加。溫度也顯著影響（P＜0.05）馬糞海膽Hemicentrotus pulcherrimus 的攝食率[19]。排氨率隨水溫的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在15.6℃時(shí)馬糞海膽排氨率最大。在17～32℃范圍內(nèi)，紫海膽Anthocidaris crassispina 耗氧率隨溫度的升高而增加，排氨率則呈先升高后降低[20]。

本研究發(fā)現(xiàn)，中間球海膽不同發(fā)育階段所耐受的溫度有所不同，在其他海洋生物研究中也有相似的發(fā)現(xiàn)[21-24]。殼徑越大的中間球海膽生長(zhǎng)的最適溫度和耐受極限溫度越低。其中，殼徑2 cm 中間球海膽最適生長(zhǎng)溫度為16.1℃，殼徑4 cm 和6 cm 的中間球海膽最適生長(zhǎng)溫度分別降至15.2℃和13.6℃；殼徑2 cm 中間球海膽耐受極限高溫25.1℃，高于殼徑4 cm 和6 cm 中間球海膽生長(zhǎng)的極限溫度24.5℃和21.0℃。殼徑4 cm 和6 cm 為性成熟的中間球海膽，高溫使性成熟的生物有氧代謝能力減弱，用于生產(chǎn)配子的額外能量消耗導(dǎo)致耐熱性降低[25]，預(yù)計(jì)這會(huì)導(dǎo)致生物耐受性的下降[26]。高溫還影響性激素的生產(chǎn)和釋放，直接損害性腺的發(fā)育[27]，因此體型越大的海膽對(duì)高溫的耐受性越低。

3.2 不同溫度下中間球海膽生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析環(huán)境因子對(duì)生物的影響并建立預(yù)測(cè)模型，不僅可以解析生物的生長(zhǎng)規(guī)律，還可以預(yù)測(cè)環(huán)境因子變化對(duì)生物生長(zhǎng)的影響[27-30]。以往關(guān)于環(huán)境因素影響海洋生物生長(zhǎng)的研究中，大多僅對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的顯著性統(tǒng)計(jì)分析，鮮有開展相關(guān)模型構(gòu)建及預(yù)測(cè)工作。本文基于不同溫度下不同殼徑中間球海膽生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用多項(xiàng)式擬合和響應(yīng)曲面法，建立不同溫度條件下中間球海膽生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，分析不同殼徑中間球海膽生長(zhǎng)最適和極限溫度，有助于深入了解溫度與中間球海膽生長(zhǎng)的相關(guān)性。

本研究所設(shè)置的五個(gè)溫度梯度，基本覆蓋了中間球海膽?zhàn)B殖水溫的波動(dòng)范圍。選取三種殼徑中間球海膽，分別代表了稚膽、成膽和種膽不同的生長(zhǎng)階段。在水溫與魚類生長(zhǎng)相關(guān)性研究中，大部分模型可以用二次曲線或其他多元回歸方程來表示[31]。在本實(shí)驗(yàn)中，中間球海膽生長(zhǎng)對(duì)不同溫度的響應(yīng)均可用二次回歸曲線擬合。文中所建立的不同溫度對(duì)三種殼徑中間球海膽生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，以及溫度和殼徑對(duì)中間球海膽增重率預(yù)測(cè)模型，R2分別為0.9799、0.9878、0.9580 和0.9369，構(gòu)建模型R2均大于0.9369，表明本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行栽?3.69%以上。養(yǎng)殖中間球海膽海區(qū)環(huán)境復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖數(shù)據(jù)構(gòu)建模型一般有較大局限性，通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)際增重率與理論增重率吻合度也高于91.99%。本模型能較好地預(yù)測(cè)工廠化養(yǎng)殖中間球海膽生長(zhǎng)對(duì)溫度的適應(yīng)狀態(tài)，可為中間球海膽工廠化養(yǎng)殖提供一定的理論依據(jù)。