基于耳石微化学技术追溯莱茵河复育西鲱自然繁殖群体的 natal 起源

《Environmental Biology of Fishes》：Determining the natal origin of the reintroduced allis shad (Alosa alosa) in the Rhine River using otolith microchemistry

本研究针对莱茵河流域西鲱（Alosa alosa）种群复育后其自然繁殖地不明的问题，通过开展原位围隔实验，结合水体微量元素（Sr/Ca、Ba/Ca）与锶同位素（87Sr/86Sr）分析，构建了基于随机森林（Random Forest）模型的 natal 起源判别体系。结果显示，2017–2020年间采集的个体中仅11%为人工放流个体，59尾自然繁殖个体中81%可明确溯源至莱茵河干流、内卡河与利珀河等子流域，证实了复育种群已形成自然繁殖群体并表现出一定的归巢与扩散行为。该研究为大型河流中洄游鱼类繁殖地的精准识别与保护策略制定提供了关键技术支撑。

　　

在欧洲乃至全球范围内，鱼类种群正经历着严峻的衰退，许多洄游性物种甚至已区域性灭绝。莱茵河曾是西鲱（Alosa alosa）这一大型洄游鱼类在西中欧的最大种群栖息地，但自20世纪60年代以来，由于过度捕捞、水体污染、河道水利工程修建以及产卵场破坏等多重压力，该种群几乎消失殆尽。随着污水处理设施的完善、捕捞压力的减轻以及栖息地结构的改善，莱茵河流域自2007年启动了西鲱再引入项目。尽管项目初期通过大规模人工放流补充了数百万尾幼鱼，且自2013年起已观察到自然繁殖的迹象，但一个关键问题始终悬而未决：这些重新出现的西鲱，究竟是在莱茵河流域的哪些河段自然繁殖产生的？它们的“故乡”在哪里？准确回答这个问题，对于评估复育成效、精准保护关键产卵场、进而促进种群实现自我维持至关重要。

为了追溯西鲱的 natal 起源，研究人员独辟蹊径，并未直接在大河中漫无目的地搜寻难以观察的夜间产卵行为，而是采用了一种“反向验证”的策略。他们在莱茵河干流（中莱茵段）及其三条主要支流（利珀河、齐格河和内卡河）沿岸设置了四个原位围隔实验点。

每个围隔都是一个开放水体循环系统，直接泵入当地河水，模拟河流环境。

将来自法国吉伦特河种群的人工繁殖幼鱼放入这些围隔中饲养一段时间，使其耳石中记录下当地水体的特定化学“指纹”。与此同时，定期采集各实验点的水样，分析其微量元素（锶Sr、钡Ba、钙Ca）浓度和锶同位素比值（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）。这些水体化学特征主要反映了流域的地质背景差异。随后，利用高分辨率电感耦合等离子体质谱（HR-ICP-MS）和飞秒激光剥蚀（fs-LA）系统，分析饲养后幼鱼耳石核心区域的微化学组成，特别是Sr/Ca比值和推断的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值。基于这些已知起源的“训练样本”，研究人员构建了一个随机森林（Random Forest, RF）机器学习模型。该模型能够以100%的准确率将围隔中饲养的鱼判别至其对应的子流域。

在建立了可靠的判别模型后，研究团队将其应用于2017年至2020年间在莱茵河水系不同地点采集的66尾西鲱个体（包括下游降海洄游的幼鱼和上游溯河产卵的成鱼）的耳石分析上。首先，通过检测耳石中是否存在放流标记（OTC，土霉素标记环），区分人工放流个体和自然繁殖个体。

自然繁殖贡献评估

分析结果显示，在36尾成鱼中，仅有3尾（约8%）检测到OTC标记，表明92%的溯河产卵成鱼来源于自然繁殖。在30尾幼鱼中，有4尾（约13%）为放流个体。综合来看，所研究的样本中，仅有11%的个体来自人工放流，绝大多数（89%）为自然繁殖的后代，这强有力地证明了莱茵河西鲱种群正在有效地自然补充。

Natal起源判别结果

将59尾自然繁殖个体的耳石微化学数据输入RF模型进行 natal 起源判别。

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  幼鱼起源：92%（24/26尾）的幼鱼能够以高置信度（P > 0.70）被判别到四个子流域之一。其中，在卡尔卡尔格里特（Kalkar Grieth）采集的幼鱼，86%被判别至莱茵河干流，10%至利珀河。在里斯（Rees）采集的幼鱼全部被判别至莱茵河干流。
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  成鱼起源：73%（24/33尾）的成鱼能够以高置信度判别到特定子流域。在甘布斯海姆（Gambsheim）鱼道捕获的成鱼中，39%源自莱茵河干流，26%源自内卡河，4%源自利珀河。在拉登堡（Ladenburg）鱼道捕获的成鱼，一半判别至莱茵河干流，一半至内卡河。
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  未明确起源个体：值得注意的是，有27%（9尾）的成鱼和8%（2尾）的幼鱼无法以高置信度归属于模型中的任何四个子流域，提示其可能源自莱茵河水系其他未纳入模型的支流（如摩泽尔河、美因河等）或邻近流域。

地球化学分异与模型有效性

水化学分析证实，四个实验点的Sr/Ca比值和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值存在显著差异，反映了各自流域不同的地质背景。

耳石中的Sr/Ca比值与水样结果具有较好的相关性，而Ba/Ca比值则因生理过程或环境因素影响，其判别效果不佳，因此最终模型主要依据Sr/Ca和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr这两个指标。

主要技术方法概括

本研究的关键技术方法包括：在莱茵河干流及三条支流设立原位围隔进行活体饲养实验；使用ICP-OES和MC-ICP-MS分别分析水体和耳石样本中的微量元素（Sr, Ba, Ca）浓度与锶同位素比值（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）；应用飞秒激光剥蚀系统（fs-LA）进行耳石微区化学分析；利用随机森林（RF）算法构建并验证 natal 起源判别模型；对2017-2020年间在莱茵河水系通过刺网、鱼道陷阱等方式采集的西鲱成鱼和幼鱼样本进行耳石提取与标记（OTC）检测。

研究结论与讨论部分指出，莱茵河的西鲱复育项目已取得显著进展，自然繁殖已成为种群补充的主要方式。通过耳石微化学与随机森林模型相结合，首次精准识别出莱茵河干流（中游段）和内卡河是当前西鲱最重要的自然繁殖地。研究还揭示了西鲱的复杂行为：一方面，判别至内卡河的成鱼在溯河产卵时能够回到该支流或出现在干流上游，显示出一定程度的归巢（homing）习性；另一方面，也观察到了扩散（straying）现象，例如一尾被判别源自利珀河的成鱼最终在数百公里外的斯海尔德河（比利时）被发现。约有27%的成鱼未能明确溯源，暗示可能还存在其他未被监测的繁殖地或存在个体在不同流域间的交流。这些发现对于制定针对性的栖息地保护措施（如重点保护已识别的产卵河段）和未来的种群管理策略（如考虑扩大模型涵盖的流域范围）具有重要指导意义。该研究不仅为莱茵河西鲱种群的可持续管理提供了科学依据，也为利用新兴技术解决大型河流生态系统中的洄游鱼类生态学难题树立了典范。