耳石和聽溝形態(tài)分析方法及其在三種石首科魚類群體判別中的應(yīng)用

耳石和聽溝形態(tài)分析方法及其在三種石首科魚類群體判別中的應(yīng)用群體是漁業(yè)資源管理和瀕危物種保護(hù)的基本單元。群體判別方法有很多,其中耳石形態(tài)分析具有簡單、高效和成本低等優(yōu)點,并且可以用于不同時空尺度下的群體結(jié)構(gòu)研究。傅里葉變換和形狀指數(shù)是兩種常用的耳石形態(tài)分析方法。而小波變換是一種常用的信號處理方法,它不僅可以分析耳石的精細(xì)特征,還能同時定位特征區(qū)域,但是尚未廣泛用于相關(guān)研究中。此外,傳統(tǒng)的耳石形態(tài)分析集中于耳石的整體輪廓,而對于耳石上的一些特征結(jié)構(gòu)的形態(tài)研究較少。其中,聽溝是耳石內(nèi)側(cè)面上一條橫向的凹槽結(jié)構(gòu),也是耳石與聽覺纖毛相互作用的主要區(qū)域,其形態(tài)特征因種類或群體而異,也是群體識別的潛在指標(biāo)。目前聽溝形態(tài)學(xué)分析只應(yīng)用于少量的魚種識別等研究,用于魚類群體判別的研究則更少,并且所采用的形態(tài)學(xué)指標(biāo)也較簡單。耳石或聽溝的各種形態(tài)分析方法有其優(yōu)缺點,應(yīng)用效率各異。本研究以中國近海小黃魚(Larimichthyspolyactis)、黃姑魚(Nibeaalbiflora)和白姑魚(Pennahiaargentata)的不同地理群體為研究對象,利用形狀指數(shù)、橢圓傅里葉系數(shù)和離散小波系數(shù),對比不同耳石形態(tài)分析方法的群體判別效率,并探索性地研究了聽溝形態(tài)分析在魚類群體判別中的應(yīng)用,以期為科學(xué)地選擇耳石形態(tài)分析方法、提高群體判別效率提供新方法和科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:1)總體而言,無論單獨使用還是與形狀指數(shù)相結(jié)合,橢圓傅里葉系數(shù)和離散小波系數(shù)得到的群體判別成功率都相近(差異≤3.0%),并且均高于基于形狀指數(shù)所得到的群體判別成功率(≥16.1%)。這表明橢圓傅里葉變換和離散小波變換具有相同水平的提取耳石形態(tài)信息的能力,且提取的有效耳石信息比形狀指數(shù)多。此外,當(dāng)不同參數(shù)結(jié)合時(如橢圓傅里葉系數(shù)或離散小波系數(shù)與形狀指數(shù)相結(jié)合),其群體判別成功率通常會高于單獨使用一種參數(shù)。不同類型的參數(shù)提取的耳石信息不同,具有一定的互補(bǔ)性,二者的結(jié)合能獲取更多的耳石信息,更有效地描述耳石形態(tài),從而提高了其群體判別效率。2)基于聽溝形態(tài)分析(橢圓傅里葉系數(shù)與形狀指數(shù)相結(jié)合)的三種石首魚的群體判別成功率達(dá)到70.8%-80.4%,表明聽溝形態(tài)分析與耳石形態(tài)分析類似,是一種有效的群體判別方法。二者在黃姑魚(73.8%vs73.8%)和白姑魚群體(80.4%vs86.5%)判別中的判別成功率相近,但在小黃魚的群體判別成功率相差較大(70.8%vs88.2%)。獲取的聽溝輪廓精度是影響群體判別成功率的一個重要因素。聽溝與耳石其它部分的顏色差異小,且聽溝輪廓需要借助軟件手動描繪,這在一定程度上影響了提取聽溝形態(tài)信息的精細(xì)度。因此,開發(fā)高效的聽溝輪廓提取方法是提高基于聽溝形態(tài)分析的群體判別效率的基礎(chǔ)。3)不同群體的耳石平均輪廓圖和離散小波系數(shù)的組間差異圖表明,耳石平均輪廓差異較大的地方也對應(yīng)著小波系數(shù)較大的組間差異。本研究主要分析了第4層和第5層小波系數(shù)的組間差異。其中,第4層小波系數(shù)組間差異較大的地方通常能在耳石輪廓上找到相對應(yīng)的區(qū)域;而少數(shù)第5層小波系數(shù)組間差異較大的地方在耳石輪廓上找不到相對應(yīng)的區(qū)域。這可能是由小波變換本身的特性所決定的,即精細(xì)尺度(第5層)的小波系數(shù)更容易受到“噪聲信號”的干擾。在本研究中,干擾信號表現(xiàn)為同一群體內(nèi)不同個體間的耳石輪廓差異?？傮w上,小波變換可以很好地定位耳石的特征區(qū)域,而這是傅里葉變換所不具備的能力。4)基于橢圓傅里葉系數(shù)的耳石形態(tài)分析中,三種石首魚的所保留的傅里葉諧值的組數(shù)分別為10(小黃魚)、10(黃姑魚)和9(白姑魚),這些諧值的傅里葉總功效均達(dá)到了99.99%。通過橢圓傅里葉諧值來重建耳石的輪廓,可以清楚地發(fā)現(xiàn)每組諧值給耳石輪廓帶來的變化,并且所保留的這幾組傅里葉諧值都能精細(xì)地刻畫耳石輪廓特征。相比較而言,在聽溝形態(tài)分析中,三種石首魚的所保留的橢圓傅里葉諧值的組數(shù)要稍多些,分別為12(小黃魚)、9(黃姑魚)和14(白姑魚),這表明三種石首魚的聽溝輪廓比耳石輪廓更為復(fù)雜。通過重建耳石和聽溝的輪廓,不僅可以驗證所保留的橢圓傅里葉諧值的組數(shù)是否合理,還能更為形象地刻畫耳石和聽溝的輪廓特征。5)耳石和聽溝的形態(tài)測量參數(shù)(重量、長度、寬度、周長、面積和相對面積比)在三種石首魚不同群體間的差異性顯著(P<0.05)?？傮w來說,長江口群體的形態(tài)測量參數(shù)值最大。耳石的沉積受到遺傳