海洋生态与环境科学重点实验室知识库

鱼类耳石中的微化学组成是记录其生活过程中所经历的水化学环境和温度史等环境履历的天然化学标记。因此，耳石微化学分析是目前重新构建鱼类生活史、反演环境史和洄游履历和群体判别的重要技术手段。但是，耳石微化学沉积易受多变的环境条件影响，科学认识鱼类生活过程中、特别是早期生活阶段耳石元素沉积的环境驱动效应是合理应用耳石微化学分析解决前述鱼类生态学问题的基础。本研究以早期生活阶段（从胚胎至着底稚鱼阶段）的褐牙鲆（Paralichthys olivaceus）为研究对象，通过实验生态学方法研究了水温（16-22 ℃）、盐度（22-31）和海水酸化（pH 7.30-8.10）等重要环境因子对指纹元素（Sr、Ba）和碳（δ¹³C）、氧（δ¹⁸O）稳定同位素等在耳石中沉积的作用，以期解析鱼类早期生活阶段耳石微化学沉积的环境驱动效应，为应用耳石微化学分析方法解决鱼类的群体判别、出生溯源、生活史演变、环境史重建和迁移洄游等生态学问题提供科学依据和技术方法。

主要研究结果如下：

1）水温对耳石中微量元素沉积的作用具有元素特异性，即因元素而异。水温升高能够显著促进Sr和Ba在褐牙鲆早期生活阶段耳石中的沉积，即随着水温升高，Sr和Ba在耳石中的沉积量和沉积速率均显著提高。一方面，水温升高显著提升鱼类生长发育速度和新陈代谢速率，从而加速耳石中各微量元素的沉积；另一方面，水温还通过直接调节介导离子转运的蛋白质的活性以及鱼体内环境稳态进而改变鱼体内中各微量元素的生物可利用性，从而调控耳石中微量元素的沉积过程。同时，随着水温的升高，耳石中的δ¹⁸O比值显著降低，这与水温决定着水环境和耳石中的氧稳定同位素分馏平衡变化密切相关，二者呈现显著的线性关系，其分馏方程为1000lnα=20.19(10³TK^-1)–37.94（α为平衡状态下的氧稳定同位素分馏因子，TK为开尔文温度）。同时，高水温下耳石中的δ¹³C比值显著高于另两个水温处理水平，这可能与不同水温下鱼类新陈代谢速率和生长差异密切相关。因此，水温是褐牙鲆早期生活阶段耳石中Sr、Ba和δ¹⁸O比值等微化学沉积的重要环境驱动因素，即利用这三者在耳石中的沉积量或沉积比率变化情况可以反演自然环境中褐牙鲆早期生活阶段的化学环境履历和所经历水温变化。但是，耳石中碳稳定同位素有一部分来源于食物中的碳元素，受鱼类摄食活动影响甚大，因此，在解决相关鱼类生态学问题时，耳石中的δ¹³C组成一般只作为δ¹⁸O组成的辅助指标。

2）盐度对耳石中微量元素沉积的作用具有种间特异性。盐度升高能够显著促进Sr从水环境向早期生活阶段褐牙鲆耳石中的沉积，但显著抑制Ba在耳石中的沉积，即耳石中的Sr含量水平与其所经历盐度变化呈显著正相关，而Ba含量水平则与盐度变化显著负相关。水环境中的盐度变化会改变鱼体内环境的渗透调节压力，从而影响各微量元素以各自离子转运通道为媒介穿过鱼体内生理性屏障进行离子运输的效率，并最终间接调控耳石中微量元素的沉积过程。不同鱼类在自然状态下往往占据着不同的生态位，并在其生活史中逐渐进化出了独特的盐度适应性，因而其耳石中的各微量元素沉积过程在应对水环境盐度变化时表出现不同的响应性变化。而褐牙鲆早期生活阶段耳石中Sr和Ba的沉积量变化均表现出与盐度的显著相关性，即耳石中Sr和Ba的含量变化是反演自然水域其早期生活阶段所经历的盐度变化的有效化学标记。

3）海水酸化条件下鱼类耳石的形态发育因鱼种甚至发育生活阶段而异。在实验条件下，海水酸化未显著影响褐牙鲆早期生活阶段的生长速率，但显著促进耳石的沉积速率升高，耳石显著增大；而耳石的形状、对称性和几何轮廓等形态发育并未受到海水酸化的影响。有趣的是，耳石结晶方式通常为霰石，但海水酸化下以方解石型结晶方式沉积的异常耳石的个体比例显著升高。

相关海水酸化对耳石元素沉积的研究文献非常少，目前尚未有关于海水酸化对耳石碳氧稳定同位素组成的研究报道。本研究中，各海水酸化水平下褐牙鲆正常结晶耳石（霰石）中Sr、Ba和Mg的组成均未发生变化，表明海水酸化对这些微量元素从水环境向耳石的转运、沉积过程并不存在驱动效应。但是，在异常耳石（方解石）中的Sr和Ba的相对沉积量均显著低于正常发育的霰石耳石，这可能与海水酸化引起耳石的结晶方式和形态发育发生变化从而影响其元素沉积过程相关。

耳石中δ¹⁸O比值随pH值降低（pCO₂升高）呈显著升高趋势，耳石和水环境间的δ¹⁸O差值与pH值的关系可用线性回归分馏方程 δ¹⁸O_Otolith–δ¹⁸O_Water =-0.27pH+37.59进行定量表述。但是，耳石中的δ¹³C比值未受到海水酸化条件的显著影响。

简言之，在耳石形态学方面，海水酸化促进褐牙鲆耳石的形成发育和沉积，提高异常发育耳石的出现比例，导致鱼类的听觉和运动平衡能力等生理功能发生变化，影响鱼类的摄食、游泳运动等行为活动，最终会导致种群的资源补充和数量发生变动。在耳石微化学方面，海水酸化对耳石中的氧同位素沉积变化有着显著的抑制作用，但对Sr、Ba和Mg等微量元素的沉积无明显驱动效应；因此，相对于Sr等指纹元素，耳石的δ¹⁸O比值是一种潜在的反映鱼类经历的海水酸化环境变化的化学标记。

综上所述，褐牙鲆早期生活阶段的耳石微化学信息能够有效地反映其所经历的水环境变化。一方面，耳石中的Sr、Ba等微量元素信息能有效反演其水化学环境及温盐变化履历，且不受海水酸化影响；另一方面，耳石中的δ¹⁸O比值能客观地记录水环境中的水温变化情况，且耳石与水环境间的δ¹⁸O平衡也会对海水酸化驱动发生响应性变化，这样，利用耳石中的氧稳定同位素沉积变化能够有效地重建褐牙鲆早期生活阶段的温度史和所经历海水酸化变化情况。除此以外，海水酸化对耳石形态发育的驱动效应表明褐牙鲆在海水酸化环境往往会面临潜在的发育生存风险。因此，科学认识不同环境因子对鱼类耳石微化学沉积和形态发育的影响能有助于进一步了解耳石微化学沉积的环境驱动机理，从而为解决鱼类生活史演变及其重新构建、出生溯源、洄游履历反演、种群判别及其资源管理等问题提供科学依据。

目  录

第1章 绪论... 1

1.1. 鱼类耳石概述... 1

1.1.1 耳石的结构与功能... 1

1.1.2 耳石的沉积形成机制... 2

1.2 鱼类耳石的研究方法及应用... 5

1.2.1 耳石微化学... 5

1.2.1.1 耳石微化学研究方法... 6

1.2.1.2 耳石微化学应用... 9

1.2.2 耳石形态学... 12

1.2.2.1 耳石形态学研究方法... 12

1.2.2.2 耳石形态学应用... 13

1.3 耳石元素沉积的环境驱动研究进展... 15

1.3.1 水温对耳石元素沉积的作用... 15

1.3.2 盐度对耳石元素沉积的作用... 16

1.3.3 海水酸化下耳石沉积变化... 16

1.4 研究意义与内容... 17

1.4.1 研究意义... 17

1.4.2 研究内容... 18

1.4.3 技术路线... 19

第2章 耳石元素沉积对海水温盐变化的响应... 21

2.1 材料与方法... 21

2.1.1 受试生物的培育与饲养... 21

2.1.2 实验设计... 21

2.1.3 水环境元素分析... 23

2.1.4 耳石样品制备及元素分析... 24

2.1.5 数据分析... 25

2.2结果... 26

2.2.1 实验过程中水环境条件的变化状况... 26

2.2.2 耳石元素沉积与鱼体生长的关系... 28

2.2.3 水温、盐度变化对耳石元素沉积的作用... 29

2.3 讨论... 34

2.3.1 耳石元素沉积对鱼类生理变化的响应... 34

2.3.2 水温变化下的耳石元素沉积... 37

2.3.3 盐度变化对耳石元素沉积的作用... 39

第3章 海水酸化下耳石形态发育和元素沉积... 45

3.1 材料与方法... 45

3.1.1 实验设计及褐牙鲆培育与饲养... 45

3.1.2 生物取样和水样采集分析... 48

3.1.3 耳石样品制备及分析... 48

3.1.3.1 耳石形态学分析... 48

3.1.3.2 耳石元素分析... 50

3.1.4 数据分析... 51

3.2 结果... 54

3.2.1 实验过程中水环境条件的变化状况... 54

3.2.2 海水酸化下鱼体和耳石生长... 54

3.2.3 海水酸化下耳石形态学发育... 54

3.2.4 海水酸化对耳石元素沉积的作用... 55

3.3 讨论... 61

3.3.1 海水酸化下褐牙鲆早期生长发育变化... 61

3.3.2 耳石形态发育对海水酸化的响应... 62

3.3.3 不同结晶方式的耳石内元素沉积对海水酸化的响应差异... 65

第4章 耳石碳氧稳定同位素沉积对水温变化和海水酸化的响应... 69

4.1 材料与方法... 69

4.1.1 实验设计及生物取样... 69

4.1.2 水样采集和氧稳定同位素分析... 70

4.1.3 耳石样品制备及碳氧稳定同位素分析... 70

4.1.4 数据分析... 71

4.2结果... 73

4.2.1 耳石氧稳定同位素（δ¹⁸O）比值对水温变化的响应... 74

4.2.2 耳石氧稳定同位素（δ¹⁸O）比值对海水酸化的响应... 79

4.2.3 耳石碳稳定同位素（δ¹³C）比值对水温和海水酸化的响应性变化... 81

4.3 讨论... 83

4.3.1 耳石氧稳定同位素比值对水温变化的响应... 83

4.3.2 海水酸化对耳石氧稳定同位素组成的驱动响应... 85

4.3.3 水温和海水酸化对耳石碳稳定同位素组成的影响... 86

第5章 结论与展望... 91

5.1 结论... 91

5.2 创新点... 93

5.3 展望... 94

参考文献... 95

致 谢... 113

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果... 115