从岩石到鱼鳍：一项跨越岩石圈–水圈–生物圈界面的多流域 87Sr/86Sr 迁移研究及其对更广泛应用的条件约束

《Applied Geochemistry》：From rock to fins: A multi-catchment study of 87Sr/86Sr transfer across the lithosphere–hydrosphere–biosphere interface and constraints for broader application

　　

## 摘要

淡水鱼类耳石87Sr/86Sr微化学在动物来源归属和迁移重建方面具有相当大的前景，但其应用既需要具有地理化学差异的同位素景观，也需要明确了解物种特异性的记录保真度。本研究利用捷克共和国波希米亚地块出色的岩性多样性，在跨越不同基岩、土地利用和水文条件的五个流域中进行采样，将基岩、地表水和耳石测量整合为一个综合来源归属框架。尽管在所有流域中普遍存在基岩-水体解耦现象，且在大多数流域中这种解耦主要由优先矿物相风化驱动，但每个系统都产生可时间重现的溶解态87Sr/86Sr特征值，且大多数流域可精确到小数点后第三至第四位进行区分。然而，记录保真度并非物种的固定属性：虽然狗鱼属（Cottus gobio）、河乌鳅（Barbatula barbatula）以及定居型褐鳟（Salmo trutta m. fario）能忠实地追踪环境水体信号，可被推荐为基线记录种，但欧眼鱼（Gobio gobio）在一个流域中记录局部信号，却在另一个流域中出现系统性偏移，表明保真度取决于生态背景，必须逐一系统验证。移动性鲤科鱼类和鲈鱼携带迁移集成信号；针对欧鲌（Squalius cephalus）推断的扩散得到了定向河流水样采样的独立佐证。这些结果并非建立已知示踪剂，而是界定了耳石87Sr/86Sr在中欧河流系统中可靠应用的条件，并凸显了扩展流域尺度Sr同位素制图、系统分类学以及各系统物种特异性记录行为验证的必要性。

## 引言

中欧地区的河流系统正受到气候变化和人类使用强度加大的双重压力重塑，近几十年来这种变化的步伐不断加速（例如Bl?schl等人，2019；Maaβ等人，2021）。气候变化正在季节至十年级时间尺度上改变流量模式，改变径流的时序和量级，延长低流量期并增加持续干旱的频率，同时降水变异性增大使得径流量日益不可预测，从而对水生态系统施加压力（例如Parry等人，2012；Hanel等人，2018；Markonis等人，2021；Van Lanen等人，2016；Naumann等人，2021）。叠加于这些水文变化之上的是陆地压力，如污染、河道破碎化和筑坝建设，它们退化水生栖息地并切断迁移通道（例如Duarte等人，2021；Pfauserová等人，2021）。总体而言，这些变化扰乱了鱼类繁殖，缩减了可用栖息地，侵蚀了淡水生物多样性（例如Costa等人，2021）。由于许多区域河流具有重要的经济和社会经济意义，了解其生态系统如何响应已成为日益紧迫的需求。应对这一挑战取决于能够分辨鱼类来源及其在河流网络中如何迁移的工具。

在可用方法中，鱼类耳石的地球化学分析——耳石是内耳中的三对无细胞代谢惰性碳酸钙结构，以增量方式生长（Campana，1999）——已成为核心工具，因为生长过程中纳入的微量元素和同位素比值记录了鱼类所处环境的特征（例如Hüssy等人，2021）。在此方面已被利用的元素包括替代钙位置的锶、钡以及程度较小的锰、锌和铅，每种元素受不同的环境和生理过程控制（例如Hüssy等人，2021）。此外，锶同位素在来源评估方面已被证明特别有用，因为放射性成因87Sr/86Sr由基岩Sr控制，与其当量浓度无关，因此已被用于将淡水鱼类追溯至其原始流域（例如Pouilly等人，2014；Zitek等人，2023）。然而，该方法的可靠性取决于一个前提：鱼类耳石忠实记录了鱼类所占流域的87Sr/86Sr值，而本研究正是检验这一前提在不同水体和不同物种之间的稳健性。

该前提包含两个核心部分，且其安全性并不对等。第一部分为地质学的且已确立：放射性成因87Sr/86Sr系统受87Rb放射性衰变控制，岩石根据其Rb/Sr比值和年龄获得独特的87Sr/86Sr比值，因此古老的富Rb岩性（如花岗岩和变质沉积岩）演化至高放射性成因87Sr/86Sr值，而较年轻的和/或地幔来源的岩石保持相对较低放射性成因值（例如Dickin，2018）。化学风化将Sr释放至溶液中，地表水的溶解态87Sr/86Sr池因此反映了时间和空间的同位素特征，而这反过来由流域区域的基岩及淡水循环中的相关过程（如侵蚀和溶解）决定（例如Palmer和Edmond，1992；K??ner等人，2023）。正是这一点赋予了流域空间同位素指纹。第二部分为生物学的：锶在生物矿化过程中替代钙，并纳入钙化组织而不发生87Sr/86Sr分馏（Capo等人，1998；Blum等人，2000），但吸收并非完全来自水体：在恒定性条件下饲养的大马哈鱼中，钙化组织的大部分锶同位素特征来自食物来源（Kennedy等人，2000）。由于87Sr/86Sr通过食物链传递时不被修改（Blum等人，2000），食物来源的锶仍反映其被同化的流域，但环境水体与耳石之间的联系是间接的，其保真度在不同摄食习性的物种之间可能并不相同。

矿物晶体学增加了进一步的区分：矢石和角石的正常形式为文石，而鲤科鱼的星骨始终为白霏石——一种亚稳态多型体，其形成由有机基质动力学控制而非平衡控制（Campana，1999；Lenaz等人，2006），且纳入的锶量显著较少；例如，在鲤科鱼中，星骨Sr浓度比同一条鱼角石的Sr浓度低约一至近两个数量级（Lenaz等人，2006）。耳石也可能包含多型体混合物，仅凭视觉检查无法可靠区分（Wood等人，2022）。此类差异影响进入耳石的锶量，从而影响Sr/Ca比值，但不影响由87Sr放射性生长控制的87Sr/86Sr（Capo等人，1998）。另一层复杂因素在于溶解态87Sr/86Sr不仅由基岩风化决定。农业活动，如撒石灰和使用矿物肥料，携带源自其原料的同位素特征，且在集约化施用情况下，它们可使地表水和土壤水偏离其自然风化值（例如Bataille和Bowen，2012；Andreasen和Thomsen，2021；Zieliński等人，2021），尽管这种覆盖效应的深度和持久性各不相同，可能主要保留在浅层中（Frei等人，2020）。类似效应已在较大流域中定量解析：在Lower Mahanadi流域，Acharya等人（2022）通过将四种端元（前寒武纪碳酸盐岩、太古代硅酸盐岩、雨水和肥料）混合来解释河流87Sr/86Sr，并通过磷酸盐浓度与87Sr/86Sr的正相关关系识别出肥料贡献，农业输入在季节性高流量期占主导地位。这些输入并不使同位素方法失效，但意味着流域的水体特征必须直接表征，而非仅从地质背景推断。

尽管潜力巨大，但在欧洲淡水环境中耳石87Sr/86Sr来源归属的实证基础仍比其应用所暗示的更为狭窄。在欧洲范围内，耳石微化学主要被应用于洄游性物种，如欧洲鳗鲡、大眼西鲱、白鲑，或同样进入咸淡水环境的鱼类如梭鱼，而仅栖息于纯淡水环境的鱼类研究仍然罕见（Zitek等人，2023）。现有的少量研究往往范围狭窄：例如Zitek等人（2010）表明87Sr/86Sr可区分不同石灰质和结晶质环境中的野生和孵化场鳟鱼，但仅涉及两个鲑科物种的若干个体。大量海洋和河口耳石研究围绕其他替代指标展开，如用于温度重建的Sr/Ca、δ44/40Ca和团簇同位素等（例如Mondal等人，2022），这些指标对温度、盐度和生长的响应方式与放射性成因锶不同。此外，海水本身在空间分辨方面余量有限，那里的锶含量丰富，相对于海洋混合而言存在时间较长，接近保守行为，全球Sr/Ca仅变化2-3%（例如De Villiers，1999）。淡水系统则呈现相反的情况——溶解态锶浓度低且同位素特征受流域岩性控制，这正是使空间分辨成为可能的原因。因此，验证工作主要逐一针对少数类群和一种地质环境进行，共生生境物种是否以可比的保真度记录同一水体信号尚未系统测试（例如Gillanders，2005；Pangle等人，2010；Brennan等人，2015）。

本研究通过追踪锶的完整传递路径——从源岩、经河流水体、进入耳石——跨越中欧波希米亚地块上发育于不同岩性的五个流域（87Sr/86Sr从约0.706至0.747）来填补这一空白。本研究并非在单一环境中验证单一物种，而是在已分析的流域中采样多个共生生境物种，使得记录保真度能够在共享同一水体的物种之间进行比较。四个问题框定了本研究的范围：(i) 溶解态87Sr/86Sr在不同岩性下如何忠实反映流域基岩；(ii) 耳石如何忠实记录环境水体信号；(iii) 该保真度在共生生境物种之间是否存在系统性差异；(iv) 偏离局部水体信号能否被解释为迁移历史？

### 研究区域与采样设计

本研究在捷克共和国选定的源头及中等流量等级的溪流/河流中进行，针对波希米亚地块不同岩性覆盖的河段。采样点基于优势基底岩类型进行选择，旨在捕获源自地理化学不同的地质单元的同位素信号，同时将各溪流流域内的岩性异质性降至最低。断面布置使得每条溪流同时发源于其中……

### 方法

为实现Sr同位素特征的严格比较，在捷克科学院地质研究所按照下述程序采集并分析了基岩样品、地表水样品和耳石样品。

### 结果

所有测量的87Sr/86Sr比值连同其内部2SE不确定性报告于表格中，代表质谱测量过程中≤±0.000010的运行内精密度。然而，内部精密度仅反映单次测量内的计数统计和束流稳定性，低估了完整分析程序的总不确定性。因此，外部重复性估计为±0.00005（2SD），系从耳石和……的完整程序重复分析中推断得出。

#### 基岩与环境水体87Sr/86Sr信号

各研究流域的基岩87Sr/86Sr比值范围为0.7066（BP2石英二长岩，Bene?ovsky potok）至0.7471（SV3黑云母-角闪石花岗岩，Studená Vltava），对应总体岩性跨度Δ = 0.0406。在Bene?ovsky potok，石英二长岩基岩产生0.7072（BP1）和0.7066（BP2）的值（Δ = 0.0007），而地表水范围为0.7114至0.7133（Δ = 0.0019；图5）。因此，水体值始终比石英二长岩更富放射性成因值+0.0041至+0.0067。在……

### 结论

- 五个流域中基岩87Sr/86Sr均与溶解态地表水87Sr/86Sr解耦。其中四个流域中水体比全岩更少放射性成因，这与溶解态载荷偏向富Sr、低Rb/Sr矿物相（如斜长石和磷灰石）而非全岩比值中所占主导的富放射性成因但贫Sr的云母和K长石一致。Bene?ovsky potok为例外，其水体比当地石英二长岩更富放射性成因值，这需要额外的来源，而目前……

### CRediT作者贡献声明

Filip Scheiner：撰写-审阅与编辑、撰写-原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法学、调查、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。Lucie Vaňková：撰写-审阅与编辑、撰写-原始草稿、可视化、验证、资源、方法学、实验、形式分析、数据整理、概念化。Martin Svojtka：撰写-审阅与编辑、撰写-……

### 伦理声明

本研究遵循以下动物福利和/或报告指南进行：捷克共和国农业部实验动物福利委员会的指南。这些程序也获得了捷克科学院生物中心实验动物福利委员会的批准。本研究获得了捷克共和国农业部实验动物福利委员会的批准（批准……

### 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究中所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

机构支持由以下项目提供：研究项目RVO 67985831（捷克科学院地质研究所）和内部项目第9396/25号；以及COOPERATIO（查理大学）提供。

本研究由以下项目资助：“非鲑形目渔场生物多样性、种群状况及管理评估”（编号：GL25020052，国家农业研究局）。非常感谢 Tomá? Randák 教授团队在伏尔塔瓦河水系采样中提供的帮助。鱼类采样将不会 Filip Scheiner | Lucie Vaňková | Martin Svojtka | Luká? Ackerman | Kate?ina Soukalová | Ond?ej Slavík | Jan Kube?ka 捷克科学院地质研究所，Rozvojová 269, Prague 6 Lysolaje, 165 00, 捷克共和国