Biological characteristics and resource exploitation status of Johnius belangerii population in Zhanjiang Bay
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摘要:
皮氏叫姑鱼 (Johnius belangerii) 是湛江港海域重要的渔业资源，其种群数量和分布对渔业生产和生态平衡具有重要影响。为探究湛江港皮氏叫姑鱼的生活史特征及其资源开发状态，根据2016—2021年湛江港海域底拖网调查数据，使用ELEFAN I、Pauly经验公式、长度转换捕获曲线法等方法估算了皮氏叫姑鱼的生长、死亡参数，并根据实际种群分析 (Virtual population analysis, VPA)、Beverton-Holt动态综合模型评估了该渔业资源的开发状态。结果表明，湛江港海域皮氏叫姑鱼体长介于27.03~182.00 mm，体质量介于0.19~137.34 g。生长方程的极限体长 (L∞) 为185.85 mm，生长系数 (K) 为0.61，理论生长年龄 (t0) 为 −0.27。总死亡系数 (Z)、自然死亡系数 (M)和捕捞死亡系数 (F) 分别为2.40、0.75和1.65。湛江港皮氏叫姑鱼首次捕捞体长 (83.74 mm)远小于最适开捕体长 (131.95 mm)，捕捞对象多为幼鱼和补充群体，具有小型化趋势。湛江港皮氏叫姑鱼开发率 (E) 为0.69，高于最大可持续开发率 (Emax=0.63)，处于过度捕捞状态。研究揭示了皮氏叫姑鱼的生活史特征，可为其资源的可持续利用和科学管理提供参考依据。
Abstract:Johnius belangerii is an important fishery resource in the Zhanjiang Bay, and its population and distribution have a significant impact on fishery production and ecological balance. We investigated the life history traits and exploitation status of J. belangerii in the Zhanjiang Bay based on data from bottom trawl surveys conducted during 2016–2021. ELEFAN I, Pauly's empirical formula and length conversion capture curves were used to estimate growth parameters and mortality rates. Virtual population analysis (VPA) and Beverton-Holt model were used to assess the exploitation status. The results indicate that the body length of J. belangerii ranged from 27.03 mm to 182.00 mm, with mass ranging from 0.19 g to 137.34 g. The estimated asymptotic length (L∞) was 185.85 mm, the growth coefficient (K) was 0.61, and the theoretical age at growth (t0) was –0.27. The total mortality coefficient (Z), natural mortality coefficient (M) and fishing mortality coefficient (F) are 2.40, 0.75, and 1.65, respectively. The current catchable size (83.74 mm) was significantly smaller than the optimal size (131.95 mm), suggesting a large composition of juveniles and a trend towards population miniaturization. The exploitation rate (E) of 0.69 exceeded the maximum sustainable rate (Emax=0.63), indicating a state of overfishing and extensive exploitation. The study reveals the life history traits of J. belangerii and provides insights into its sustainable management and conservation.
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Keywords:
- Johnius belangerii /
- Biological characteristics /
- Exploitation status /
- Zhanjiang Bay
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食物网是生态系统结构和功能的基本表达形式，其结构、摄食行为以及这些因素对个体存活、生长和繁殖的影响是生态系统结构和功能研究的核心问题[1]。浮游动物既是初级消费者又是次级消费者，通过对浮游植物和微型浮游动物的摄食，将其固定的能量和物质向高营养层次传递，是联系微食物网和经典食物链的中间环节[2]。20世纪70年代以来，生物体的碳、氮稳定同位素值被用于食物网的食物组成研究[3]。在自然生态系统中，δ13C值主要由碳源控制，而不是生物新陈代谢的分馏作用。从初级生产者到消费者，碳同位素的相对丰度变化很小，平均富集为0.1%~0.4%。消费者基本保存了食物的δ13C特征，因此可用于指示和区分食物的来源，并用于食物贡献量的计算[4]。蔡德陵等[5]应用碳氮稳定同位素方法研究了黄东海生态系统食物网的营养结构，初步建立了从浮游植物到顶级捕食者的食物网连续营养谱，与根据1985—1986年主要资源种群生物量绘制的黄海简化食物网和营养结构图基本一致，证明了稳定同位素方法是研究从病毒到顶级捕食者完整海洋食物网连续营养谱以及食物网稳定性的有效手段。
由于生物稳定同位素的富集同时受到食性、发育阶段、环境和饵料的质量以及样品采集和处理等一系列因素的影响[6]，对不同粒径浮游动物碳稳定同位素开展深入研究有助于了解其食物来源。南海是中国最大的边缘海，目前关于南海北部浮游动物的研究多为种类组成的研究[7]，仍主要集中在生物多样性及其变化规律等方面，而对于不同粒级浮游动物碳稳定同位素的研究尚未见公开报道。本文根据南海北部海域2015年夏季和冬季的浮游动物的现场采样，进行不同粒径浮游动物碳稳定同位素的研究，研究结果可为南海食物网营养动力学研究提供基础资料。
1. 材料与方法
在2015年夏季(7月27日—8月16日)和冬季(12月3日—23日)，使用“南锋”号调查船对南海北部海域(112°E~120°E，18.5°N~21.5°N)进行调查，采样站位见图1[8]。冬季采样期间受天气影响，采样站位与夏季有所不同，其中夏季10个采样站位，冬季8个站位，共同站位5个。在全部站位中，C1站位水深小于200 m，其余站位水深均超过200 m。
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图 1 南海北部采样站位□. 冬季站位，+. 夏季站位Figure 1. Sampling stations in northern South China Sea□. winter; +. summer1.1 样品采集与处理
浮游动物粒级的划分参考Rolff[9]和刘华雪等[4]的方法，将浮游生物粒级梯度分为180~380 μm(小型)、380~500 μm (中型)和>500 μm (大型)。使用中型浮游生物网(孔径160 μm)自水深200 m处垂直拖至表层(水深小于200 m时，从底层垂直拖至表层)，将采集到的浮游动物样品置于盛有已过滤海水的水桶中，阴凉处排空2 h左右，然后将排空后的样品依次用500 μm、380 μm和180 μm的筛网过滤分离，用蒸馏水反洗之后用GF/F滤膜收集(用于样品富集的GF/F膜预先在马弗炉中450 ℃灼烧4 h以去除可能的有机质影响)，滤膜用锡纸包裹后置于–20 ℃冰箱保存。
在实验室中，将载有浮游动物样品的滤膜于60 ℃下烘干至恒质量。将烘干后的样品研磨成均匀粉末，过筛后放入干燥器中保存。分析仪器为Finnigan delta plus和Flash EA1112联用仪，为了保证测试结果的准确性，每测试10个样品后加测一个标准样，并且对个别样品进行2~3次的复测。
1.2 数据分析
δ值的计算：
$\delta = \displaystyle\frac{{{R_{{\rm{sample}}}} - {R_{{\rm{standard}}}}}}{{{R_{{\rm{standard}}}}}} \times 1\;000$ [10]。式中δ代表13C；Rsample代表所测的同位素比值(13C/12C)，Rstandard是国际通用标准物的重轻同位素丰度之比，碳稳定同位素标准采用美洲拟箭石(Pee Dee Belemnite，PDB)。使用SPSS 19.0软件对2个季节的稳定同位素δ值进行单因素方差分析。2. 结果
2.1 不同粒径浮游动物碳稳定同位素
根据单因素方差分析，南海北部浮游动物碳稳定同位素δ13C值无显著的粒级差异。夏季浮游动物δ13C值变化范围为–24.19~ –19.57 (图2)，小型浮游动物(–23.72~ –20.90)和中型浮游动物(–23.97~ –21.26) δ13C值的高值均分布在研究海域南部，平均值分别为–22.07±0.95和–22.00±0.94；大型浮游动物的δ13C，最高值出现在台湾海峡南部海域(C3站位)，而最低值出现在东沙群岛附近海域(C8站位)，平均值为–22.04±1.13。
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图 2 各粒级浮游动物碳稳定同位素δ13C值的时空分布Figure 2. Seasonal and spatial distribution of δ13C value of size-fractionated zooplankton冬季浮游动物δ13C值分布特征与夏季相反，各粒级浮游动物δ13C高值均分布在研究海域北侧。浮游动物δ13C值变化范围为–23.89~ –19.69，大型、中型和小型浮游动物的δ13C平均值分别为–22.28±1.02、–22.31±0.63和–22.13±1.03。
2.2 浮游动物碳稳定同位素变化特征
浮游动物的δ13C值与各粒级浮游动物生物量和总浮游动物生物量的相关性均不明显(表1)，但各粒级浮游动物的δ13C值却与叶绿素a平均浓度的对数值均呈显著的正相关，尤其是小型浮游动物的δ13C值(P<0.01)。
表 1 各粒级浮游动物的δ13C值与其他的相关分析Table 1. Correlation analysis between δ13C value of size-fractionated zooplankton and other factors粒径/μm
size fraction生物量 biomass log10
(Chl-a)小型浮
游动物中型浮
游动物大型浮
游动物全部 180~380 – 0.09 – 0.14 – 0.04 – 0.15 0.67** 380~500 0.02 0.05 – 0.19 – 0.13 0.57* >500 0.19 0.14 0.11 0.20 0.49* 注：*. P < 0.05; **. P < 0.01 3. 讨论
3.1 南海北部浮游动物δ13C变化特征
南海北部浮游动物总生物量冬季高于夏季，且平面分布呈斑块状，并随季节的变化发生漂移，夏季在台湾浅滩至粤西近海一带水域密集度较高，冬季分布则相对较为均匀[11]。浮游动物δ13C值常常与环境参数(温度、营养盐等)、浮游植物种类和颗粒有机碳组成密切相关[6,12]。在长江口，悬浮颗粒物碳同位素季节变化趋势与陆源输入和现场浮游植物的组成和生长状况有关[13]。受季风、珠江冲淡水、台湾海峡南部上升流和黑潮暖流等水文动力的影响，本研究期间南海北部海水温度和盐度季节变化明显[8]。由于海水营养盐浓度和结构的变化会影响浮游植物的细胞丰度和群落结构[14-15]，进而影响浮游动物，因此南海北部浮游动物生物多样性指数自北向南递增，季节变化以夏季高于冬季[11]。南海北部浮游植物的细胞丰度通常近岸高于外海，高值区多出现于近岸、珠江口和台湾海峡南部海域[16]，本研究中夏季和冬季该研究海区叶绿素a浓度也能反映这一变化特征。研究结果显示各粒级浮游动物的δ13C值均与叶绿素a平均浓度的对数值呈显著的正相关，说明浮游动物δ13C值会受到浮游植物的影响。浮游植物δ13C值的变化通过食物链传递进而改变浮游动物的δ13C值，这与加泰罗尼亚陆坡[17]和地中海西北部[18]研究结果相似。
3.2 南海北部与其他海域浮游动物稳定同位素比较
南海南部浮游动物δ13C值随粒径的增大而增大，δ13C值受环境条件季节变化的影响十分明显，与渤海的结果[19]和里昂湾[20]有一定相似性，而南海北部浮游动物δ13C值具有一定的空间差异，但没有显著的粒径和季节差异(表2)。
表 2 夏季南海北部与南海南部浮游动物碳稳定同位素比较Table 2. Comparison on stable carbon isotope of zooplankton between southern and northern South China Sea (SCS)粒径/μm
size fraction南海南部
southern SCS[4]南海北部
northern SCS平均值 mean 标准差 SD 平均值 mean 标准差 SD 180~380 –21.47 0.40 –22.07 0.95 380~500 –22.62 6.71 –22.00 0.94 >500 –21.76 1.04 –22.04 1.13 南海北部浮游动物的δ13C值与其他海域相比处于中等水平，与南沙海域浮游动物δ13C值接近，但是明显低于渤海湾(表3)，这可能与渤海湾陆源污染较严重有关[21]。
表 3 不同海域浮游动物碳稳定同位素Table 3. Stable carbon isotope of size-fractionated zooplankton in different areas粒径范围/μm
size fraction时间
timeδ12.5C值
δ12.5C value调查海域
survey area参考文献
Reference100~200 1994—1995年 –26.50~ –19.40 波罗的海 [9] 200~500 1994—1995年 –26.10~ –21.70 波罗的海 [9] 500~1 500 1994—1995年 –24.90~ –22.10 波罗的海 [9] >160 2002—2003年 –19.42±1.07 渤海 [22] 100~200 2009—2010年 –21.07±1.19 (秋) 黄东海 [23] –20.43±3.09 (春) [23] 200~500 2009—2010年 –19.95±1.34 (秋) 黄东海 [23] –20.39±2.83 (春) [23] 500~1 000 2009—2010年 –19.60±1.09 (秋) 黄东海 [23] –20.08±2.16 (春) [23] 1 000~2 000 2009—2010年 –19.08±1.33 (秋) 黄东海 [23] –19.56±2.49 (春) [23] 80~200 2011年1月 –22.09±0.37 里昂湾 [20] 200~300 2011年1月 –22.35±0.49 里昂湾 [20] 300~500 2011年1月 –22.16±0.59 里昂湾 [20] 500~1 000 2011年1月 –21.60±0.48 里昂湾 [20] 1 000~2 000 2011年1月 –21.30±0.64 里昂湾 [20] >2 000 2011年1月 –21.32±1.84 里昂湾 [20] 4. 结论
南海北部浮游动物碳稳定同位素δ13C值空间差异明显，但没有明显的季节和粒级差异。各粒级浮游动物的碳稳定同位素与叶绿素a平均浓度的对数值均呈显著的正相关，与生物量相关性不明显。
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图 2 皮氏叫姑鱼体长、体质量频率分布
Figure 2. Frequency distribution of body length and body mass of J. belangerii
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图 3 皮氏叫姑鱼体长体质量关系
Figure 3. Relationship between body length and body mass of J. belangerii
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图 7 皮氏叫姑鱼单位补充量相对产量(Y'/R)和单位补充量相对生物量(B'/R)分析
Figure 7. Analysis of relative yield per recruit (Y'/R) and relative biomass per recruit (B'/R) of J. belangerii
表 1 湛江港皮氏叫姑鱼调查样品季节分布
Table 1 Seasonal distribution of J. belangerii samples in Zhanjiang Bay
季节
Season年份 Year 2016 2017 2018 2019 2020 2021 春季 Spring — — — 40 257 244 夏季 Summer — 148 — — 84 86 秋季 Autumn — 105 201 41 153 — 冬季 Winter 146 — — — 282 229 总计 Total 146 253 201 81 776 559 
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表 2 皮氏叫姑鱼性腺成熟度分布
Table 2 Distribution of gonad maturity of J. belangerii
性别 Sex 性腺成熟度 Gonad maturity I II III IV V VI 雌性 Female 121 157 47 30 24 0 雄性 Male 227 105 23 8 1 总占比 Total proportion/% 16.3 51.7 20.5 7.1 4.3 0.1
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表 3 各海域皮氏叫姑鱼生长死亡参数分析
Table 3 Analysis on growth and death parameters of J. belangerii in various sea areas
海域
Sea area生长条件
因子
a异速生长
因子
b极限
体长
L∞相对生长
速率
K生长起始
年龄
t0总死亡
系数
Z自然死亡
系数
M捕捞死亡
系数
F开发率
E浙江南部近海[17]
Offshore waters of southern Zhejiang5.63×10−6 3.26 207.38 0.63 −0.25 1.88 1.24 0.64 0.34 福建沿岸[13]
Fujian coastal waters8.47×10−6 3.20 200.00 0.56 −0.29 2.01 0.63 1.38 0.69 厦门海域[18]
Xiamen sea area1.00×10−5 3.08 220.50 0.56 −0.61 2.25 0.63 1.62 0.72 流沙湾[19]
Liusha Gulf9.02×10−6 3.17 — — — — — — — 珠江口[43]
Pearl River Estuary3.44×10−5 2.88 — — — — — — — 北部湾[41]
Beibu Gulf1.67×10−5 3.05 — — — — — — — 马鞍列岛[16]
Ma'an Archipelago1.35×10−5 3.09 — — — — — — — 湛江港
Zhanjiang Bay1.16×10−5 3.15 185.85 0.61 −0.27 2.40 0.75 1.65 0.69
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