西部波罗鳕幼鱼（Gadus morhua）定居转换期的摄食生态研究：关键饵料Diastylis rathkei对种群补充的潜在影响

本文聚焦西部波罗的海鳕鱼（WBC）资源衰退问题，通过分析203尾早期幼鱼（17–101 mm）的胃含物，首次系统揭示了其从浮游生活向底栖生活转换（46–87 mm TL）过程中的摄食策略转变。研究发现，关键底栖饵料Diastylis rathkei的可得性（易受低氧胁迫影响）可能是决定其定居成功和种群补充（recruitment）的关键瓶颈，为理解该种群持续低补充量提供了新视角。

　　

1 引言

西部波罗的海鳕鱼（Western Baltic cod, WBC）种群曾是当地最具商业价值的底层鱼类资源之一，但其数量经历了急剧下降直至2016年崩溃。尽管管理措施不断加强（如自2022年起对商业渔民实行“仅兼捕配额”），该种群仍未显示出任何恢复迹象。种群持续衰退主要归因于不可持续的高捕捞死亡率、增加的自然死亡率（可能源于海豹和鸬鹚等捕食者压力增加）以及不利的温度条件。自2010年以来，其补充成功率大多维持在较低水平。

导致过去十年低补充成功率的主要原因至今尚未明确，但很可能是多种压力源共同作用的结果。以往的研究主要关注鳕鱼的繁殖力和最早生命阶段以寻找补充量波动的原因，相比之下，鳕鱼的幼鱼阶段，尤其是从浮游生活向底栖生活方式的转换期及其相关的食性变化，被认为是一个关键瓶颈期。此外，幼鱼死亡率对整体补充成功的影响可能甚至大于鱼卵和仔鱼的死亡率。

幼鱼期死亡率主要可归因于捕食压力或多种胁迫因子的共同作用。为了逃离“捕食窗口”（在此情况下捕食是尺寸依赖性的），快速生长是缩短其暴露阶段的前提。由于生长直接依赖于食物的数量和质量，了解幼鱼的摄食生态和食物摄入机制有助于阐明其多变的补充动态。对早期鳕鱼幼鱼食物摄入的深入了解，可进一步帮助识别合适的指示物（例如重要饵料生物的丰度），从而在未来更好地预测补充量的波动。

迄今为止，关于早期WBC幼鱼摄食生态的知识十分有限。过去，人们通常假设来自邻近海域（如水文条件截然不同的东波罗的海）的观测结果可代表整个波罗的海区域。在东波罗的海，大多数东部波罗的海鳕鱼（EBC）幼鱼在标准体长45至53毫米时完成定居，观察到的主要底栖饵料组为糠虾（Mysis mixta, Mysis vulgaris）和端足类（Gammarus locusta）。然而，由于西波罗的海与东波罗的海之间存在水文差异，以及由此导致的物种出现和组成差异，这种假设被认为是站不住脚的。Plonus等人和Funk近期的研究已经指出了幼鱼定居阶段食物组成在不同区域间的差异，凸显了在此问题上开展区域性研究的重要性。过去几十年来，该地区环境条件的改变（由于气候变化）迫使幼鱼鳕鱼应对变化的栖息地，因而也改变了其食物 regime。

本研究旨在探讨早期WBC幼鱼的资源利用情况。基于对来自Belt海（ICES SD 22）的幼鱼胃含物分析，本研究旨在确定：（i）不同幼鱼摄食阶段饵料物种的尺寸和组成；（ii）摄食转换发生的时间点；以及（iii）WBC的资源利用与来自邻近海域的其他大西洋鳕种群有何不同。

2 材料与方法

2.1 研究区域

西部波罗的海幼鱼鳕鱼的采样在ICES细分区域（SD）22的基尔湾和梅克伦堡湾内进行。该浅水区域的水文情况波动剧烈，主要由风和密度驱动。来自北部的咸水流入波罗的海，而来自中波罗的海的低盐表层水则向北流动。因此，该区域显示出较大的盐度范围，被认为是半咸水（10–25 PSU）。Belt海是WBC种群的主要分布区，在此区域与EBC种群混合的可能性极低。

2.2 鳕鱼采样

在2020年至2022年间，共采集了203尾早期幼鱼鳕鱼样本（尺寸范围17?101 mm，标准差±18.48 mm）。为了获得合理数量的样本进行分析，我们决定从多个航次并使用多种网具进行采集。大多数样本是在2020年7月、2021年7月以及2022年6月使用研究船（R.V.）Alkor号获得的。2022年6月还从租用的商业拖网船的研究性拖网活动中获得了额外样本。

船上对所有渔获物进行分拣，所有幼鱼鳕鱼（即尺寸<15 cm的鳕鱼）在-80°C下直接速冻，然后转移至-20°C保存，以备在汉堡大学海洋生态系统与渔业科学研究所的实验室内进行后续分析。本研究中的所有鳕鱼采样和移除（包括所有来源：商业捕捞和科学调查）均严格遵守德国动物福利法（Deutsches Tierschutzgesetz TierSchG）的法律框架。

2.3 鳕鱼样本处理

在实验室内，将采样获得的鳕鱼小心地在室温（约20°C）下解冻。解冻后，测量其总长（TL）（精度：1 mm）和总体重（精度：0.1 mg）。打开腹腔，使用解剖工具取出胃部。排除显示出反流迹象（例如，外翻的鳔或鳃耙上附着食物残渣）以及显示出网食迹象（例如，未消化的食物附着在鳃耙或食道上）的个体，不进行后续的胃含物分析。

2.4 胃含物分析

去除胃部附着的水分后称重（精度：0.1 mg）。随后打开胃部，将内容物冲洗到培养皿中，使用由丙二醇苯醚（0.5%）、丙二醇（5%）和去离子水（94.5%）组成的固定和保存原液进行保存。去除空胃上附着的分选液后再次称重。胃内容物重量（SCW）通过满胃重与空胃重之差计算得出。

为了后续分析，将胃内容物转移到Bogorov培养皿中，并使用配备数码相机的立体显微镜拍摄照片。对每个胃样本，在图像中添加比例尺以便后续测量饵料生物的大小。成像后，将所有胃内容物转移到带盖的螺口管中的分选液中，并归档以供未来研究使用。小心拍摄整个胃内容物，因此记录并保存Bogorov培养皿的每个子区域为单独的图像文件。

随后使用Image-J图像处理软件分析图像文件。将饵料生物鉴定到种水平（某些桡足类和枝角类）、属水平（例如Acartia spp., Pseudocalanus spp., Centropages spp.）、目水平（例如peracarida）、纲水平（例如Bivalvia）或仅到门水平（例如Annelida）。对所有可识别的饵料颗粒（即消化程度仅进展到可识别的程度），使用image-J软件的“直线”和“折线”功能结合先前添加的比例尺测量其长度（精度：0.001 mm）。随后，重新计算饵料重量。根据物种及其状况，使用不同的方法：（i）测量饵料颗粒的长度并使用相应的物种（或认为相似的物种或属）的特定长度-重量关系；（ii）从文献中获取该物种和/或特定生活阶段的固定重量估计值。如果出现大型饵料颗粒（即总长几厘米），则在打开胃后、将胃内容物冲洗到培养皿之前，将这些饵料颗粒从胃中分拣出来，然后分别称重和测量。对于大多数环节动物饵料，只有刚毛留在胃中，使得长度测量和饵料重量估计变得不可能。因此，作为胃内容物中环节动物重量的粗略近似，我们估计了刚毛在总胃内容物中的近似百分比，并计算其相对于整个SCW的重量。

2.5 相对胃含物组成

在获得的203个样本中，没有显示出网食或胃内容物反流的迹象。七个胃（3.4%）被归类为空胃，因此从进一步分析中剔除。为获得相对胃含物组成，按每10 mm捕食者长度组计算每种饵料类型的平均重量。总共确定了10个幼鱼鳕鱼长度组，从10–20 mm长度组开始，到101–110 mm长度组结束。为了便于可视化，我们进一步决定将胃内容物中观察到的所有生物分配到八个主要饵料组：浮游桡足类（Copepoda）、枝角类（Cladocera）、其他浮游饵料、其他中间饵料、环节动物（Annelida）、Diastylis rathkei、鱼类（Teleostei）和其他底栖饵料。

2.6 统计分析

2.6.1 捕食者-饵料大小关系

我们分析了数据集中鳕鱼对饵料大小的选择性，使用饵料长度作为响应变量，幼鱼鳕鱼的TL作为解释变量进行线性回归模型计算。计算了所有饵料生物以及桡足纲所有饵料生物的捕食者-饵料大小关系，因为桡足类已知是来自不同生态系统的早期幼鱼鳕鱼的主要饵料生物。

我们使用普通最小二乘（OLS）线性回归来分析饵料大小和鳕鱼长度之间的关系。随后，采用分位数回归来检查饵料大小分布的上界和下界（即最小和最大饵料大小如何随鳕鱼的TL缩放），从而超越了对高斯分布平均值的单纯考察。0.1和0.9分位数分别代表下界和上界。

2.6.2 定居转换时的长度

我们根据Bowman的方法定义了鳕鱼在定居转换时的长度（L₅₀），即成为底栖摄食者（即胃内容物湿重的大部分由底栖饵料组成）的概率达到50%或以上的长度。为此，将胃中发现的所有饵料生物根据其通常出现的栖息地分类为浮游、底栖或中间饵料。

为了计算L₅₀，我们应用了逻辑回归，以每个捕食者总SCW中底栖饵料的相对比例作为响应变量，鳕鱼的TL作为解释变量。使用模型参数估计值，我们随后计算了L₅₀。

2.6.3 使用的软件

所有计算和运算均使用统计软件和编程环境R进行。使用了‘plyr’、‘reshape2’、‘ggplot2’、‘cowplot’和‘quantreg’软件包。

3 结果

3.1 胃含物组成

我们总共分析了203个胃，其中7个胃被归类为空胃并被排除在后续分析之外。观察到的SCW范围在0.5至703.0 mg之间。每10 mm长度组的平均SCW在0.5至572.0 mg之间变化。总体而言，SCW随着鳕鱼TL的增加显示出强烈的正趋势，特别是在61–70 mm长度组之后出现特别强烈的增加。

在196个有内容的胃中，我们观察到24,981个独立的饵料颗粒，由32种不同的饵料生物组成，它们被分配到八个饵料组：浮游桡足类（N = 18,597）、枝角类（N = 4,635）、其他浮游饵料（N = 48）、其他中间饵料（N = 442）、D. rathkei（N = 467）、环节动物（N = 48）、鱼类（N = 148）和其他底栖饵料（N = 535）。浮游桡足类在所有鳕鱼长度组中（直至并包括71–80 mm）都是最丰富的饵料组（按所有鳕鱼胃中饵料颗粒总数计算）。

饵料颗粒的数量在不同长度组间差异很大。饵料颗粒的平均数量首先随着长度的增加而急剧增加，例如，在11–20 mm长度组中平均发现3个（±1）饵料颗粒，在41–50 mm长度组中平均发现294个（±156）饵料颗粒。然而，随着鳕鱼长度的进一步增加，饵料颗粒的数量再次减少，在71–80 mm至81–90 mm长度组中观察到平均饵料颗粒数量急剧下降，分别为90个（±170）和16个（±13）。

就重量而言，桡足类明显主导了所有小于61 mm长度组的相对平均胃含物组成，它们平均贡献了总胃含物组成重量的一半以上。桡足类组本身主要主要由Acartia spp.和Centropages spp.主导，而Temora longicornis、Pseudocalanus spp.和Oithona similis出现相对较少，仅以较低的数量和重量出现，因此对早期WBC幼鱼的平均桡足类胃含物组成贡献份额很小。随着鳕鱼长度的增加，从11–20 mm长度组的100%（±0%）到51–60 mm长度组的65%（±29%），以及81–90 mm长度组的仅5%（±22%），可以观察到桡足类饵料相对贡献的明显下降趋势。此外，我们观察到随着鳕鱼长度的增加，枝角类在浮游饵料组中的比例增加。从41–50 mm长度组开始，我们观察到底栖饵料组（即主要是环节动物和D. rathkei）以及中间饵料的比例增加。从61–70 mm长度组到81–90 mm长度组，我们观察到D. rathkei的比例增加，它在71–80 mm和81–90 mm长度组的平均相对胃含物组成中占主导地位，平均比例分别为35%（±42%）和50%（±43%）。对于相同的长度组，我们观察到随着鳕鱼长度的增加，环节动物饵料组的比例增加。从91–100 mm长度组开始，我们观察到随着鳕鱼长度的增加，鱼类（主要是Pomatoschistus属的小型鰕虎鱼）在胃内容物中的贡献强烈增加，它们在91–100 mm和101–110 mm长度组的平均相对胃含物组成中明显占主导地位，分别为54%（±50%；n=7）和86%（±0%；n=1）。

3.2 捕食者-饵料大小关系模式

在鳕鱼胃中观察到的饵料生物大小范围在79 μm到55.7 mm之间。平均饵料大小在不同饵料组间差异很大，并且在鳕鱼长度组之间也不同。

对所有饵料组的饵料大小与鳕鱼TL拟合的线性回归揭示了显著的关系。然而，回归的斜率并不非常陡峭。相比之下，99%分位数回归的斜率显示出更陡峭的增加，而1%分位数回归甚至显示出捕食者和饵料大小之间的递减关系。

对于浮游饵料长度和鳕鱼长度之间的关系，零模型（即仅截距）优于线性回归，揭示了浮游饵料长度并未随着鳕鱼长度的增加而显著增加。然而，99%分位数回归显示，随着鳕鱼长度的增加，被消耗的浮游饵料长度的99%分位数呈增加趋势。相比之下，1%分位数甚至显示出随着鳕鱼长度的增加，1%分位数的饵料大小有减小的趋势，这表明随着鳕鱼长度的增加，饵料大小范围向更小和更大的饵料两个方向拓宽。

对于中间饵料，拟合的线性回归被发现是显著的，因此清楚地揭示了鳕鱼长度与被消耗的饵料颗粒大小之间存在正相关关系。1%和99%分位数回归揭示了一个经典的楔形模式，99%分位数显示的斜率比线性回归陡峭得多，而1%分位数则略微为负。

在鳕鱼TL和底栖饵料大小之间的关系中也观察到了楔形模式。然而，无论是线性回归还是底栖饵料的99%分位数回归的斜率，其幅度都比为中间饵料计算的斜率高出数倍，并且1%分位数回归也显示出正斜率。

3.3 个体发育食性转换及定居转换时的长度

分配给浮游、中间和底栖栖息地的饵料在胃内容物中观察到的相对重量比例随着捕食者长度的增加而显著变化。消耗超过50%浮游饵料的鱼的长度范围从19到87 mm。由100%浮游饵料组成的胃内容物很常见，特别是在小于40 mm的鱼中，但在更大的个体（包括那些大于80 mm的个体）中也观察到了。

中间饵料出现在38至95 mm长度的鱼的胃内容物中。在总共196个含有饵料颗粒的胃中，只有2个显示出中间饵料比例超过50%，其余194个胃内容物的中间饵料比例在0%到31%之间。

在46 mm（74%）到101 mm（100%）长度的个体中，观察到底栖饵料贡献了超过50%的SCW，其中消耗 exclusively 底栖饵料的最小鱼尺寸为67 mm。观察到消耗少于100%底栖饵料的最大鱼体长为95 mm。

所检查的幼鱼鳕鱼的整个定居转换阶段可以假设发生在46至87 mm TL之间，因为这些长度既包括了消耗≥50%底栖饵料的最小鱼，也包括了消耗≤50%底栖饵料的最大鱼。拟合的逻辑回归揭示的L₅₀为70.01 mm。

4 讨论

在本研究中，我们调查了西波罗的海早期幼鱼鳕鱼的食物资源利用情况，以确定关键饵料物种。此外，还分析了从浮游生活方式向底栖生活方式转换的时间，以及潜在的种群或空间特异性模式。

4.1 早期西部波罗的海鳕鱼幼鱼食性模式

在幼鱼鳕鱼胃内容物中发现的饵料项目分为浮游、中间和底栖三类，其中只有中间和底栖饵料显示出较大的捕食者消耗较大尺寸饵料的显著趋势。

4.2 浮游饵料

与北海和东波罗的海的研究相似，我们发现浮游桡足类物种是西波罗的海进行浮游摄食的鳕鱼的主要饵料。尽管在其他区域观察到鳕鱼主要利用Pseudocalanus或Calanus属的相对较大的桡足类物种，但西波罗的海的早期鳕鱼幼鱼似乎依赖于较小的Acartia属，这是该区域最丰富的属。这与先前的研究一致，表明幼鱼鳕鱼通常是非选择性的，以最丰富的可用饵料项目为食。然而，我们的数据中可能有证据表明至少存在一定程度的大小选择性摄食行为。例如，在2020年和2022年，Centropages spp.的比例随着鳕鱼长度的增加而增加。然而，这一趋势在2021年并未观察到。由于缺乏关于调查区域桡足类丰度的良好时空覆盖数据，只能推测该趋势是由于桡足类群落丰度的变化，还是由于近年来Acartia spp.和较大的Centropages spp.的丰度相似，Centropages spp.确实随着尺寸的增加而受到鳕鱼的偏爱。

除了Centropages spp.的比例增加外，我们还观察到较大的枝角类物种（如Podon spp.和Evadne spp.）的比例增加。然而，在胃内容物中观察到的枝角类比例显著小于浮游桡足类。这与Hüssy等人的观察相反，他们发现胃内容物中枝角类的比例较大，因此赋予了它们更高的重要性，而据报道它们对来自北海和北大西洋区域的幼鱼鳕鱼并不那么重要。枝角类在基尔湾和梅克伦堡湾的丰度相对较低。波罗的海近期的生物评估表明，过去十年中浮游动物存在低丰度异常。因此，我们假设本研究中调查的鳕鱼遇到这些饵料项目的频率较低，导致肠道内容物中反映出的消耗率较低。

此外，我们的线性回归分析并未揭示捕食者和浮游饵料大小之间存在显著的正面线性关系。相反，它显示了对相同大小范围的浮游生物饵料的利用相当恒定。然而，仔细观察拟合的分位数回归表明，随着鳕鱼长度的增加，饵料大小范围在上端和下端都有所拓宽，即向利用更大和更小的浮游生物饵料尺寸发展。例如，一些较大的鳕鱼消耗了比其长度组平均水平更多的小型桡足类。根据Houde的说法，这可能是它们在大型浮游生物饵料稀缺时，通过最大化饵料遭遇率来满足不断增加的能量需求的策略。

4.3 中间饵料

对于中间饵料，主要包括晚期双壳类面盘幼虫，我们在52至72 mm的鳕鱼尺寸之间观察到了最高的消耗比例，此时正在发生定居转换（个体比例>30%）。这与Hüssy等人关于EBC的结果一致，他们发现EBC主要在定居转换发生的长度上利用糠虾（在此归类为中间饵料）。然而， Mysidacea在波罗的海中部比西部海域更为丰富，并且其丰度随季节波动强烈。这可以解释为什么我们的样本中发现的