基于穩定同位素混合模型的熱帶東太平洋4種鯊魚攝食差異

張嘉旭，李澤政，沈永富，李云凱，2，3*

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.農業農村部遠洋與極地漁業創新重點實驗室，上海 200009；3.大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室，上海 201306)

大洋中上層鯊魚多為海洋生態系統中的頂級捕食者，通過下行效應(‘top-down’ control)影響低營養級物種的種群結構和數量[1]。鯊魚具有生長緩慢、成熟期晚和繁殖率低等生活史特征，極易受到人為因素的影響造成死亡率增加[2]。在資源相對貧瘠的開闊大洋，鯊魚正面臨著過度捕撈、氣候變化和棲息地喪失等諸多威脅[3]，其中，錘頭雙髻鯊(Sphyrnazygaena)、大眼長尾鯊(Alopiassuperciliosus)和淺海長尾鯊(Alopiaspelagicus)被列入《瀕危野生動植物種國際貿易公約》(CITES)附錄Ⅱ，其國際貿易受到限制，鐮狀真鯊(Carcharhinusfalciformis)也被國際自然保護聯盟(IUCN)列為易危物種。研究這些瀕危鯊魚物種的攝食習性對于理解鯊魚種間營養相互作用、食物資源利用模式和食物網結構等具有重要的指示作用，可為制定科學的漁業監管措施提供理論依據。

穩定同位素混合模型(bayesian stable isotope mixing models，MixSIAR)是基于狄利克雷分布(dirichlet allocation)，在貝葉斯框架下構建的一個邏輯先驗分布模型，綜合考慮了同位素的分餾作用和時空變異性等因素，可精確量化各餌料生物對捕食者的貢獻比重[4]。該方法可避免在用胃含物分析大洋性物種食性過程中常出現的取樣困難、空胃率高等問題[5]，即使胃含物樣本量較少，基于“取樣-重要性-再取樣”(sampling-importance-resampling，SIR)的運算法則，也可計算出準確率較高的食源貢獻率[6]，從而揭示鯊魚種間和個體水平上的攝食差異。如Niella等[7]利用MixSIAR貝葉斯混合模型研究發現，低于2.5齡的公牛鯊幼鯊偏好捕食以顆粒有機物(particulate organic matter，POM)為碳源的獵物，而4.0～6.5齡的幼鯊則主要以棲息于鹽沼濕地的物種為食，表明其食物來源及攝食習性隨體長而改變。Madigan等[8]基于貝葉斯穩定同位素混合模型對比分析了長鰭真鯊(Carcharhinuslongimanus)肌肉和血漿的貢獻率，結果表明，其在短期內攝食大型遠洋硬骨魚類較多，而較長時間尺度下大型遠洋硬骨魚的貢獻率相對較低，表明長鰭真鯊存在時間和空間上的攝食差異。

本研究中，以東太平洋常見的4種鯊魚為研究對象，測定了鯊魚肌肉組織及其胃含物中餌料生物的δ13C和δ15N值，通過MixSIAR貝葉斯混合模型評估各餌料類群對鯊魚的貢獻率，分析了同種鯊魚性別間和性成熟前后的攝食差異及不同種鯊魚間的資源分配模式，以期為進一步掌握熱帶東太平洋鯊魚種間關系及構建食物網營養通道提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗樣品為2019年10月—2020年1月在東太平洋熱帶海域作業的延繩釣漁船兼捕漁獲，漁船作業區間為107°W～115°W、17°S～6°N(圖1)。共采集4種中上層鯊魚119尾，其中，大眼長尾鯊31尾，淺海長尾鯊30尾，錘頭雙髻鯊26尾，鐮狀真鯊32尾。

本圖以自然資源部標準地圖服務網站GS(2016)1667號標準地圖為底圖，底圖邊界無修改。The figure is based on the standard map GS(2016)1667 in the Standard Map Service website of Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China，with no modifications of the boundaries in the standard map.圖1 熱帶東太平洋4種鯊魚采樣點Fig.1 Sampling sites of four shark species in the tropical eastern Pacific Ocean

1.2 方法

1.2.1 樣品的處理 測量每尾鯊魚的尾柄長，即上頜前端到尾柄處的長度，并通過觀察鯊魚是否具有鰭腳鑒定其性別。根據Walker[9]提出的修正成熟度指數將鯊魚成熟期分為性成熟前后兩個生長階段，雄性成熟度取決于Flipper指數(C=1～3)，雌性成熟度取決于卵巢狀態(U=1～5)。從鯊魚背鰭附近采集肌肉樣本，并現場解剖鯊魚取其胃含物。將所有樣品編號裝袋后于-20 ℃冷凍保存，運回實驗室后于-80 ℃超低溫冰箱中冷凍保存。

針對熱帶東太平洋4種鯊魚及其餌料生物的肌肉樣本，用去離子水清洗數次以去除尿素，而后將其裝入5 mL離心管，置于冷凍干燥機內凍干24 h。由于樣本中脂類的存在會使得蛋白質、碳水化合物等成分的δ13C值產生6‰～8‰的誤差[10]，故需將樣本先進行脫脂處理，即取12 mL二氯甲烷-甲醇溶液(二者體積比為2∶1)加至盛有約2.0 mg樣品的15 mL離心管中，靜置20 h后置入離心機以6 000 r/min離心10 min，該過程重復3次。剩余沉積物在62 ℃烘箱中烘干以去除殘留溶劑[11]。

1.2.2 餌料生物鑒定 胃含物經解凍后用吸水紙吸干多余水分，拍照鑒定胃中食物團的餌料生物種類，盡可能將其歸入最小的分類單元。依據胃內容物中餌料生物的形態等特征，并參考已收集的資料對餌料殘骸進行鑒定。對于肉眼觀察無法鑒別的餌料生物，取適量的食物塊，多次用無菌水沖洗組織表面殘留的胃液，取9 mg左右樣品置于滅菌離心管中，將組織剪碎，采用海洋動物組織基因組DNA提取試劑盒(天根生化科技有限公司)提取胃含物基因組DNA。

用一對通用引物COⅠ-FishF1(5′TCAACCAACCACAAAGACATTGGCAC 3′)COⅠ-FishR1(5′TAG- ACTTCTGGGTGGCCAAAGAATCA 3′)[12]，選取線粒體基因細胞色素C氧化酶亞基 Ⅰ (mitochon-drial cytochrome oxidase subunit Ⅰ，COⅠ)作為分子標記用于PCR擴增。擴增體系(25 μL)：ddH2O 6.5 μL，Premix Ex Taq 酶(TaKaRa)(2×)12.5 μL，正、反向引物(0.25 μmol/L)各0.5 μL，DNA模板5 μL。反應條件：95 ℃下預變性2 min；95 ℃下變性30 s，60 ℃下退火45 s，72 ℃下延伸1 min，共進行30個循環；最后在72 ℃下再延伸5 min，4 ℃下結束反應。DNA測序結果在NCBI (National Center for Biotechnology Information)網站進行序列比對，通過DNA分子鑒定餌料生物物種。

1.2.3 穩定同位素分析 將干燥后的鯊魚和餌料生物的肌肉樣本研磨成粉，取約1.5 mg并用錫箔紙包裝，利用穩定同位素質譜儀(IsoPrime 100，英國)和元素分析儀(Vario ISOTOPE Cube，德國)測定碳、氮穩定同位素比值，以符號δ表示。δ13C和δ15N值的計算公式為

δX=(Rsa/Rst-1)×1 000。

其中：X為13C或15N；Rsa和Rst分別為樣品和標準樣品的同位素比值。δ13C的國際標準物為維也納國際原子能中心制作的美洲擬箭石(vPDB)，δ15N的國際標準物為大氣中的氮氣。每隔20個樣品插入3個實驗室標準品(蛋白質：δ13C=-26.98‰，δ15N=5.96‰)校正同位素數據，碳、氮穩定同位素比值的分析精度分別為0.15‰和0.20‰。

1.2.4 Kruskal-Wallis檢驗和MixSIAR貝葉斯混合模型分析 根據餌料鑒定結果，把餌料生物按照分類地位相似的原則合并成同一個食物源，經多元方差分析，3類潛在食物來源表現出一種或一種以上的穩定同位素顯著差異(δ13C：P<0.05)，且共線性特征不顯著，適合進一步分析捕食者的食物來源[13]。采用Kruskal-Wallis檢驗分析4種鯊魚種間食物源，以及同種鯊魚性別間和性成熟前后的δ13C和δ15N值是否存在顯著性差異。利用MixSIAR貝葉斯混合模型分析4種鯊魚各食物源的貢獻率，將模型中的營養富集因子(trophic discrimination factors，TDFs)Δ15N值設置為3.7‰±0.5‰，Δ13C值設置為1.7‰±0.5‰[14]，將每類食物源的δ13C和δ15N值數據集輸入到MixSIAR貝葉斯混合模型中。

在運行MixSIAR貝葉斯混合模型前，采取混合多邊形迭代模擬的方法判別數據質量。4種鯊魚的同位素數據絕大多數落在幾種食物來源確定的混合多邊形內，表明食物源分類及設置的TDFs值合理。MixSIAR貝葉斯混合模型在300 000次馬爾科夫鏈蒙特卡洛法(MCMC)模擬下運行，且經Gelman-Rubin(所有變量均<1.01)和Geweke診斷后實現收斂，獲得各餌料源對鯊魚食物比例的概率分布數據。

1.3 數據處理

穩定同位素試驗數據均采用平均值±標準差(mean±S.D.)，使用R 4.1.3和ArcGIS 10.8軟件進行數據處理和作圖，顯著性水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 胃含物組成

4種鯊魚的胃含物共鑒定出餌料生物21種，其中，小型硬骨魚7種，頭足類11種，大型硬骨魚3種(表1)。

表1 DNA分子鑒定與形態學鑒定結果Tab.1 Comparison of partial morphological identification results with DNA molecular identification

2.2 肌肉碳、氮穩定同位素值特征

總體上，4種鯊魚肌肉的δ13C和δ15N值均具顯著性差異(P<0.05)，錘頭雙髻鯊δ13C和δ15N值較高，其次為鐮狀真鯊、大眼長尾鯊和淺海長尾鯊(表2)。4種鯊魚肌肉的δ13C和δ15N值性別間均無顯著性差異(P>0.05)；4種鯊魚肌肉δ13C值性成熟前后均無顯著性差異(P>0.05)，除鐮狀真鯊性成熟后肌肉δ15N值顯著低于性成熟前(P<0.05)外，其余3種鯊魚肌肉δ15N值性成熟前后均無顯著性差異(P>0.05)(表3)。

表3 熱帶東太平洋4種鯊魚不同生長階段及性別間肌肉的碳、氮穩定同位素比值

3類主要潛在餌料群中，餌料生物δ13C值為-19.70‰～-16.71‰，δ15N值為5.61‰～10.26‰，其中，小型硬骨魚類的δ13C和δ15N值最低，分別為-19.70‰～-18.16‰和5.61‰～6.90‰，其次為頭足類，δ13C和δ15N值分別為-19.20‰～-17.11‰和6.39‰～8.22‰，大型硬骨魚類的δ13C和δ15N值最高，分別為-17.66‰～-16.71‰和8.65‰～13.26‰(表2，圖2)。

BTH—大眼長尾鯊；PTH—淺海長尾鯊；SPZ—錘頭雙髻鯊；FAL—鐮狀真鯊。BTH—Alopias superciliosus；PTH—Alopias pelagicus；SPZ—Sphyrna zygaena；FAL—Carcharhinus falciformis.圖2 營養富集因子校正后的穩定同位素混合空間Fig.2 Stable isotope mixing space corrected by trophic enrichment factors

2.3 食源貢獻率

2.3.1 種間攝食差異 MixSIAR模型結果顯示：大眼長尾鯊和淺海長尾鯊主要捕食頭足類，其貢獻率分別為72.6%和59.0%，大型硬骨魚的貢獻率均較低，分別為9.7%和2.8%；對于錘頭雙髻鯊，頭足類貢獻率最高(43.5%)，其次是大型硬骨魚(35.2%)，小型硬骨魚貢獻率最低(21.3%)；對于鐮狀真鯊，頭足類的貢獻率最高(59.3%)，其次是大型硬骨魚(22.1%)，小型硬骨魚最低(18.6%)(圖3)。

BTH—大眼長尾鯊；PTH—淺海長尾鯊；SPZ—錘頭雙髻鯊；FAL—鐮狀真鯊。BTH—Alopias superciliosu；PTH—Alopias pelagicu；SPZ—Sphyrna zygaena；FAL—Carcharhinus falciformi.圖3 熱帶東太平洋4種鯊魚的食源貢獻率Fig.3 Diet proportion of four shark species in the tropical eastern Pacific Ocean

2.3.2 性別間攝食差異 MixSIAR模型結果顯示，頭足類對于大眼長尾鯊雌鯊和雄鯊的貢獻率均最高，分別為63.1%和59.0%；對于淺海長尾鯊，頭足類和小型硬骨魚對雄鯊的貢獻率相對較高，均為47%，頭足類對雌鯊的貢獻率最高(55.7%)，其次為小型硬骨魚(39.3%)和大型硬骨魚(5.0%)；對于錘頭雙髻鯊，大型硬骨魚對雌鯊的貢獻率最高(45.3%)，頭足類對雄鯊的貢獻率最高(46.1%)，小型硬骨魚對雌鯊和雄鯊的貢獻率均最低，分別為17.3%和16.2%；鐮狀真鯊性別間餌料貢獻率存在較大差異，大型硬骨魚對雌鯊和雄鯊的貢獻率分別為19.0%和26.4%，頭足類貢獻率分別為59.9%和39.9%，小型硬骨魚貢獻率分別為21.1%和33.7%(表4)。

表4 熱帶東太平洋4種鯊魚不同性別的食源貢獻率

2.3.3 不同生長階段攝食差異 大眼長尾鯊性成熟前后的餌料貢獻率差異較??；錘頭雙髻鯊性成熟前頭足類貢獻率最高(46.1%)，性成熟后大型硬骨魚貢獻率最高(38.9%)；淺海長尾鯊性成熟前后頭足類的貢獻率均大于小型硬骨魚和大型硬骨魚，性成熟前后大型硬骨魚貢獻率均較低；鐮狀真鯊性成熟前后存在明顯的攝食轉變，性成熟前大型硬骨魚和小型硬骨魚的貢獻率均為45%左右，頭足類貢獻率較小，而性成熟后頭足類貢獻率升高(56.1%)，其次是小型硬骨魚貢獻率為26.1%，大型硬骨魚的貢獻率最低(表5)。

表5 熱帶東太平洋4種鯊魚性成熟前后的食源貢獻率

3 討論

3.1 鯊魚種間攝食差異

本研究中，利用MixSIAR貝葉斯混合模型分析了熱帶東太平洋4種鯊魚的食物來源貢獻比，鐮狀真鯊和錘頭雙髻鯊的餌料貢獻率從高到低依次為頭足類>大型硬骨魚>小型硬骨魚，大眼長尾鯊和淺海長尾鯊的餌料貢獻率依次為頭足類>小型硬骨魚>大型硬骨魚，但頭足類對淺海長尾鯊的餌料貢獻率低于大眼長尾鯊(圖3)。盡管大洋性鯊魚均廣泛分布于熱帶和亞熱帶海域[15]，但不同鯊魚物種可能具有各自的棲息地偏好。錘頭雙髻鯊更偏好棲息于熱帶和溫帶的沿岸和遠洋水域，常于近岸及淺海底層等水域攝食[16]；鐮狀真鯊則廣泛分布于大陸架邊緣，相較于錘頭雙髻鯊更具有大洋性特征[17]。淺海長尾鯊白天更偏好棲息于200～300 m水層，夜晚洄游至50～150 m的上層水域[18]；大眼長尾鯊棲息水層更深，白天多棲息于超過300 m深的水層，夜晚洄游至10～130 m的水域[18]。兩種長尾鯊顯著的晝夜垂直遷移習性相較于錘頭雙髻鯊和鐮狀真鯊棲息水深變化范圍更大，棲息水層的重合使其攝食頭足類和小型硬骨魚類等餌料生物更多。此外，大眼長尾鯊具有發育良好的奇網(rete mirabile)系統[19]，可以維持顱內溫度和提升視力，提高其在冷水中的覓食能力，從而可捕食更多糙烏賊、菱鰭烏賊等深海獵物。

研究表明，兩種長尾鯊和兩種真鯊的捕食方式不同[20-21]。長尾鯊游泳速度較慢，常利用尾鰭擊暈魚群以完成捕食行為[20]，其餌料生物多以體型較小的獵物為主，而鐮狀真鯊利用高速移動的游泳能力捕捉獵物[21]，比長尾鯊更易捕食游泳能力較強的大型硬骨魚。González-Pestana等[22]對淺海長尾鯊進行胃含物分析發現，莖柔魚相對多樣性指數(IRI)最高，其次是小型硬骨魚[沙丁魚(Sardinepilchardus)、智利無須鱈(Merlucciusbilinearis)等]，大型硬骨魚較少。Preti等[19]也發現，大眼長尾鯊餌料魚以太平洋無須鱈和手鉤魷屬(Gonatussp.)等小型硬骨魚和頭足類為主。而鐮狀真鯊獵物餌料魚則以頭足類和大型硬骨魚居多，如Galván-Magaa等[17]發現，太平洋海域的鐮狀真鯊捕食頭足類最多，其次為大型硬骨魚，小型硬骨魚最少。此外，大型硬骨魚對長尾鯊的貢獻率較低，也可能是由于本研究中兩種長尾鯊多為中小型個體，故捕食大型硬骨魚的成功率較低[23]。

同種鯊魚對獵物的喜好程度因海域而異，在沿岸海域，甲殼類也可作為鐮狀真鯊的優勢餌料種類[24]。如加利福尼亞西海岸鐮狀真鯊的胃含物中紅蟹(Pleuroncodesplanipes)的IRI值高達83%，遠高于頭足類和硬骨魚類[24]。秘魯沿岸海域錘頭雙髻鯊以攝食頭足類為主(IRI>80%)，其次捕食硬骨魚類(IRI<10%)[25]，與本研究中結果存在一定差異。這可能是由于胃含物分析的結果反映其短期的攝食情況[26]，受環境的影響較大，而肌肉穩定同位素則反映較長時期的攝食信息[27]。鯊魚作為洄游性物種，在所棲息海域利用豐度較高的餌料生物，導致胃含物分析與穩定同位素混合模型結果出現差異。受厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)影響，餌料生物的種類、數量和分布情況會發生變化，鯊魚由于其自身代謝和能量需求也會進行相應的生理和行為調整，因此，造成兩種方法的評價結果出現差異[28]。

3.2 鯊魚性別間攝食差異

鯊魚的優勢餌料群體存在性別差異[21]，本研究結果也證實了這一觀點。Estupián-Montao等[29]發現，厄瓜多爾海域頭足類對錘頭雙髻鯊雄鯊的相對重要性指數大于雌鯊，雄鯊更偏好捕食遠洋獵物，而雌鯊生產前會洄游至沿岸海域。Xu等[30]發現，雌性淺海長尾鯊肝臟中的C22：0+C24：0等特征脂肪酸較高，表明雌鯊具有較高的陸源食物來源和近岸特征，而雄鯊肝臟中C18：1n9含量較高，表明其通常棲息于較深層水域[31]。在身體結構方面，一般來說雌鯊體型相對雄鯊較大，故需要更多能量來維持自身的代謝活動[27]。雌性鐮狀真鯊在懷孕期間所需能量增加，在懷孕前會儲存更多繁殖所需的能量[26，30]，因此，多種原因造成鯊魚性別間的攝食差異。

3.3 鯊魚不同生長階段攝食差異

對多數鯊魚物種的研究證實，其捕獲獵物的數量和多樣性與體型有關[32]，捕獲獵物的能力與感覺器官的發育程度也有關，隨著鯊魚體型的增加，其口裂逐漸發育完備，咬合能力顯著增強，對較大獵物的捕食成功率增加[23]。此外，隨著鯊魚的生長發育，大型鯊魚需攝食更高能量的獵物以滿足自身代謝、繁殖和洄游等生命活動的需求[23]，從而造成個體間攝食差異。有研究表明，鯊魚在不同的生長階段所偏好的棲息環境不同[30]，多種鯊魚性成熟后偏好生活在遠洋水域，繁殖期洄游至沿海水域進行交配。Gonzalez-Pestana等[25]通過胃含物分析發現，東太平洋錘頭雙髻鯊幼鯊以近岸物種如鞭烏賊屬(Mastigoteuthis)、巴塔哥尼亞槍烏賊(Doryteuthisgahi)和低鰭鯧屬(Peprilussp.)等為食，而成年鯊魚多捕食具有大洋性的莖柔魚和魚鉤烏賊等。本研究中，鐮狀真鯊性成熟后餌料生物大型硬骨魚的貢獻率顯著降低，也可能與其獨特的15N富集機制有關。本研究中，穩定同位素結果顯示，鐮狀真鯊肌肉的δ15N值在性成熟后顯著降低，由于鐮狀真鯊幼鯊偏好棲息于海洋中層或深層海域，依賴中層懸浮顆粒物為基線的食物網，因此，所處生態系統的基線δ15N值較高[33]。Li等[33]亦發現，隨鐮狀真鯊的生長發育其攝食區域發生變化，體型較大的鐮狀真鯊肌肉組織的δ15N值較低。這可能是本研究中模型輸出結果表現為鐮狀真鯊性成熟后大型硬骨魚貢獻率降低的原因之一。

4 結論

1)利用MixSIAR貝葉斯混合模型計算了3類主要餌料群體對4種鯊魚的餌料貢獻率，初步分析了4種大洋性鯊魚的攝食習性。4種鯊魚的主要餌料生物均為頭足類，小型硬骨魚和大型硬骨魚的貢獻率存在種間差異，表明同海域鯊魚的資源利用模式存在差異。

2)除大眼長尾鯊外，淺海長尾鯊、錘頭雙髻鯊和鐮狀真鯊在性別間和性成熟前后餌料貢獻率存在差異，表明大洋性鯊魚在個體發育過程中存在食性轉變，主要與棲息環境和個體能量需求等有關。

3)為進一步了解大洋性鯊魚在同海域內的資源分配模式，更具準確性地分析大洋性鯊魚的攝食習性，建議將胃含物分析與穩定同位素分析方法相結合以探究大洋性鯊魚的攝食生態。