黃河口近海海草床浮游-底棲營養傳遞特征

李曉曉,楊 薇,2,*,孫 濤,2,崔保山,2,邵冬冬,2

1 北京師范大學環境學院,水環境模擬國家重點實驗室, 北京 100875

2 黃河口濕地生態系統教育部野外科學觀測研究站, 東營 257500

海草是生活于河口、海灣的潮間帶和潮下帶濕地的單子葉植物,常見于熱帶和溫帶海域的淺水水域,大面積分布的海草形成海草床[1]。對全球215項海草床研究分析顯示[2],自1980年以來海草的退化速度為110 km2/a,且這種速度正在加快；已知的全球海草分布范圍相比1879年已經消失了29%。我國已探尋的海草床總面積約為8765.1 hm2,當前也面臨著嚴重威脅,如華南地區、山東半島、萊州灣大面積的海草床衰退[3-5]。

生態系統以物種之間復雜的相互作用進行物質循環和能量流動[6]。探究系統內部的營養傳遞特征對于揭示該生態系統的營養結構和生態功能具有重要作用,是實現生態系統水平管理的基礎[7]。目前常用的方法主要有胃含物分析、穩定同位素分析和生態模型分析等[8]。其中,穩定同位素混合模型的發展為定量化物種之間復雜的相互作用進一步提供科學支撐[9-10],近年來,穩定同位素混合模型已由較為簡單的線性混合模型、IsoSource模型等發展到考慮數據的不確定性(標準差、營養富集系數)且適用于n個同位素和 >n+1種源的貝葉斯混合模型,如MixSIAR[11]和SIAR[12],引入了先驗知識的概念,提高準確性。浮游-底棲(pelagic-benthic)營養傳遞的耦合表現為浮游生產者(如浮游植物)和底棲生產者(如水生植物、底棲藻類等)之間的能量、物質,以及營養向高營養級物種傳遞時兩種不同能量流動路徑的耦合[6,13-15]。這種耦合關系在水生生態系統中發揮著重要作用,促進了系統的能量循環和物質交換。現有研究多集中在探究湖泊食物網浮游-底棲能量耦合在富營養化下的響應,進而與湖泊生態修復相結合以系統的角度提供修復和保護的關鍵技術[16-17]。而浮游-底棲能流在濱海濕地海草床的耦合特征尚不清晰,難以從能量流動的系統角度對濱海濕地海草床的生態保護和修復提供科學指導。

本研究以黃河口近海海草床為研究案例,利用碳源和消費者功能群的碳氮穩定同位素和基于貝葉斯的穩定同位素混合模型,闡明海草床內消費者功能群的食源構成特征,定量化各消費者功能群的浮游和底棲的貢獻比例,揭示該海草床浮游和底棲的營養傳遞特征和耦合模式,從系統性視角為海草床生態修復與保護提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選擇黃河三角洲孤東海堤外側的海草床(37°50′59″—37°51′10″N, 119°6′33″—119°6′43″ E)為研究區,該區域海草主要為日本鰻草(Zosterajaponica)。該研究區距黃河入海口較遠,約20 km,受淡水入流和泥沙輸運的影響較小。該區域海草在靠海側分布比較密集,與互花米草(Spartinaalterniflora)在近岸側存在混生區域。地表螺類、殼類等底棲動物較為豐富,包括中華擬蟹守螺(Cerithideasinensis)、秀麗織紋螺(Nassariusdealbatus)、日本鏡蛤(Dosinorbisjaponica)、江戶明櫻蛤(Moerellajedoensis)等。該區域為暖溫帶氣候,其年均氣溫為11.7—12.6℃,年均降雨量為530—630 mm,年均蒸發量為1750—2430 mm。潮汐為非規則半日潮和半日潮[18]。

1.2 樣品采集及穩定同位素測定

于2017年7月10日—25日在研究區進行碳源和消費者功能群的采集。其中,碳源包括懸浮顆粒物、植物、表生藻類基質和浮游植物；消費者主要包括浮游動物、大型底棲動物和魚。各要素的采集方法如下[19-21]：

水體懸浮顆粒物：使用有機玻璃采水器采集2 L表層水體,將水樣通過200 μm的網以去除雜物,靜置半小時后,取上清液用馬弗爐燃燒過的0.45 μm Whatman GF/F玻璃纖維濾膜(450℃下燃燒6 h)抽濾,冰凍保存。

水生植物：手工采集水生植物(互花米草、海草),每個樣品由10株植物的葉子混合而成,所有的樣品用蒸餾水沖洗幾次以除去附著的碎屑物。

表生藻類基質：在研究區石頭、貝殼等表面小心刮取綠色部分。

浮游植物：使用有機玻璃采水器采集至少5 L表層水體,以確保足夠穩定同位素的測定。將水樣沿25號浮游生物采集網(網長50 cm,網圈內徑20 cm,網目0.064 mm)中心傾倒,收集網內水體,用馬弗爐燃燒過的0.45 μm Whatman GF/F玻璃纖維濾膜抽濾,冰凍保存。

浮游動物：使用有機玻璃采水器采集至少20 L表層水體,將采集的水體沿13號浮游生物采集網(網長50 cm,網圈內徑20 cm,網目0.122 mm)中心傾倒,收集網內水體,用馬弗爐燃燒過的0.45 μm Whatman GF/F玻璃纖維濾膜抽濾,冰凍保存。

大型底棲動物：采集33 cm × 30 cm × 20 cm采樣框內的沉積物,就近取水對采集的樣品經過初步淘洗、分揀,實驗室內進一步細選,在顯微鏡下鑒定其種類。對于蝦類,將其整個甲殼和頭尾除去后,取肌肉。蟹類個體大的取大螯,個體較小的,去掉內臟,取腹部肌肉。對于端足類、多毛類、甲殼類等體積較小的取其全部個體。

魚：在海草床的潮溝內選取適當位置放置地籠,于第二天收集地籠中的樣品并記錄魚的種類、個數。對每一種魚,選擇大小相近的3個個體,從每個個體剝取其背部的肌肉組織。

共采集21個碳源樣品和42個消費者樣品。所有樣品用1 mol/L 的鹽酸酸化處理,以除去碳酸鈣等碳酸鹽影響,再用蒸餾水淋洗至中性,放入烘箱中60℃烘干(72 h),然后研磨成細粉末狀。基于德國Thermo Fisher Scientific公司的穩定同位素質譜儀(DELTA V Advantage)測定碳氮穩定同位素含量。

穩定同位素含量采用穩定同位素比值的形式表示,采用相對測量法,將所測樣品的同位素比值與相應的標準物質的同位素比值作比較,即δ13C和δ15N值：

(1)

(2)

式中,15N/14Natmosphere為標準大氣氮同位素比值；13C/12CVPDB為國際標準物質VPDB的碳同位素比值。VPDB(Vienna PeedeeBelemnite)在美國國家標準和技術研究所提供的NBS- 19方解石為標準的條件下,其穩定性同位素比值是1.95‰。氮穩定性同位素分析標準為空氣,其15N/14N值為(3676.5±8.1)×10-6。δ13C和δ15N值的測定精度分別為±<0.1‰和±<0.2‰。

基于氮穩定同位素確定消費者的營養級[9],其計算公式為：

TL消費者=(δ15N消費者-δ15N基線)/TEF +λ

(3)

式中,TL消費者指消費者的營養級；δ15N消費者和δ15N基線分別指消費者和基線的δ15N值,本研究中基線的δ15N值為浮游動物、腹足類和雙殼類樣品的平均δ15N值；λ為基線值對應的營養級,此處為2；TEF為相鄰營養級同位素富集度,本研究采用3.4‰[9]。

1.3 穩定同位素混合模型

根據以往在渤海、長江口、其他海草生態系統等開展的胃含物分析或穩定同位素特征[20-27],確定捕食者與被捕食者之間的潛在食源關系。構建基于貝葉斯的穩定同位素混合模型(SIAR模型),利用模型輸出消費者每個潛在食源的貢獻比例范圍,若食源貢獻比例50%置信區間的下限大于5%,則該食源關系在本研究區成立。

SIAR模型采用馬科夫鏈-蒙特卡洛模擬,利用狄利克雷先驗分布產生消費者每個食源的貢獻比例范圍,模型運行次數設為50000次。參考國內外相關文獻[9],確定氮的營養富集因子為(3.4±1.0)‰,碳的營養富集因子為(0.4±1.3)‰。模型主要結構如公式(4—7)。

(4)

(5)

(6)

piki[1],…,piki[Mi]～Dirichlet(αi1,…,αiMi)

(7)

1.4 消費者浮游、底棲碳源貢獻比例

基于SIAR模型確定的消費者每個食物來源的貢獻比例的均值,計算每個消費者的浮游碳源貢獻比例和底棲碳源貢獻比例,如下所示：

(8)

(9)

式中,PPj是消費者j的浮游碳源貢獻比例,PPi是食源i的浮游碳源貢獻比例,PBj是消費者j的底棲碳源貢獻比例,PBi是食源i的底棲碳源貢獻比例,Ωj為消費者j的所有食源,fij為SIAR模型確定的食源i對消費者j的食源貢獻比例均值。對于每個消費者,PPj+PBj=1。

1.5 統計分析

利用單因素分析法(one-way ANOVA)分別分析該區域碳源、消費者功能群的δ13C和δ15N值是否有顯著差異,并利用Turkey法對不同碳源和不同消費者功能群進行兩兩比較,在0.05水平上進行顯著性分析。上述方法均通過SPSS 20.0進行。對消費者各功能群的浮游及底棲碳源貢獻比例與其δ13C值的響應關系采用線性回歸方法分析,利用Origin 2018進行線性回歸擬合。

2 結果

2.1 海草床碳源和消費者功能群的碳氮穩定同位素值

黃河口近海海草床碳源的δ13C分布范圍較廣且呈現出顯著性差異(表1,單因素方差分析,F4,20=99.94,P<0.001)。作為浮游碳源的浮游植物δ13C為(-22.26±1.07)‰ (平均值±標準差),顯著低于其他碳源的δ13C值(P<0.001)。作為底棲碳源的海草、互花米草和表生藻類基質的δ13C平均值為(-12.75±1.28)‰,其中海草和互花米草的δ13C存在顯著性差異(P=0.001),但表生藻類基質與其兩者均不存在顯著性差異(P>0.05)。懸浮顆粒物的δ13C為(-11.54±1.22)‰,與海草和表生藻類基質均沒有顯著性差異(P>0.05),且其δ13C與海草接近(分別為-11.54‰和-11.66‰)。主要原因可能是通過地表沉積物的再懸浮作用使得懸浮顆粒物的主要來源為海草和表生藻類基質的碎屑,因此本研究在分析浮游-底棲營養傳遞耦合時將懸浮顆粒物考慮為底棲營養傳遞路徑。

該區域碳源的δ15N也存在顯著性差異(表1,單因素方差分析,F4,20=7.29,P=0.002),從浮游植物的(2.5±0.04)‰到懸浮顆粒物的(5.3±1.2)‰。且浮游植物的δ15N值顯著低于懸浮顆粒物(P=0.002),表生藻類基質(P=0.02)和互花米草(P=0.02)。

表1 黃河口近海海草床碳源的δ13C和δ15N值

黃河口近海海草床浮游-底棲碳源的δ13C值及其他水生態系統分析結果如表2所示,浮游碳源的δ13C值明顯低于同區域底棲碳源的δ13C值。本研究區浮游碳源和底棲碳源的δ13C值差別約為10‰；東太湖兩種碳源之間的差值較小,約為6‰,而Jurien灣海洋公園近岸水域和Superior湖兩種碳源差值較高,分別約為15‰和14‰。

表2 浮游和底棲碳源的δ13C值差異

黃河口近海海草床消費者功能群的δ13C也呈現出顯著性差異(表3,單因素方差分析,F9,41=11.11,P<0.001)。浮游動物的δ13C最低,為(-21.78±0.98)‰,與浮游植物最接近。大型底棲動物(包括腹足類、雙殼類、蟹、多毛類、蝦)的δ13C為(-14.19±2.49)‰,魚(梭魚、半滑舌鰨、沙逛魚、鱸魚)的δ13C為(-17.37±1.68)‰。腹足類的δ13C最高,為(-12.01±1.46)‰,與螃蟹和多毛類的δ13C沒有顯著性差異(P>0.05)。

消費者δ15N范圍較廣且存在著顯著性差異(表3,單因素方差分析,F9,41=29,P<0.001)。浮游動物的δ15N顯著低于其他消費者(P<0.05),以浮游動物、腹足類和雙殼類的平均δ15N為基線時,浮游動物的營養級為1.49。大型底棲動物的δ15N值從雙殼類((6.95±1.07)‰)到蝦((10.42±2.34)‰),其營養級為2.23—3.25。魚的δ15N分布范圍從梭魚((10.37±0.35)‰)到鱸魚((13.65±0.52)‰),其營養級3.23—4.20。鱸魚和沙逛魚的δ15N顯著高于大型底棲動物(P<0.05)。

表3 黃河口近海海草床消費者δ13C和δ15N比值和營養級

2.2 消費者功能群的食源組成

基于SIAR模型獲得了消費者各功能群的潛在食源組成(圖1)。由于SIAR模型輸出的懸浮顆粒物對浮游動物食源貢獻比例50%置信區間的下限<5%,因此本研究僅考慮浮游植物為浮游動物的食源。腹足類對海草具有較高的食源偏好(60%),且對表生藻類基質的食源偏好(22%)略高于對互花米草的食源偏好(18%)。雙殼類的食源組成比較均一,由SPM(56%)和浮游植物構成(44%)。入侵的互花米草對螃蟹的食源貢獻(28%)高于海草的貢獻(16%)。該研究區捕食性多毛類物種所占比例較高,因此腹足類和雙殼類對其食源貢獻較高(均為28%)。蝦對雙殼類的食源偏好(31%)略高于其他潛在食源。消費者梭魚的食源最為豐富且食源組成均一化(11%—17%)。半滑舌鰨、沙逛魚和梭魚的潛在食源均包括蟹和蝦。

圖1 基于SIAR模型的各消費者功能群的食源組成

2.3 浮游-底棲營養傳遞特征及與碳穩定同位素的關系

基于SIAR模型得到的消費者各功能群食源組成,定量化各個消費者功能群的浮游-底棲貢獻比例。其中,浮游動物和腹足類分別屬于浮游和底棲營養傳遞路徑(圖2),而其他消費者功能群共同依賴于兩者。雙殼類的底棲營養傳遞的貢獻比例高于浮游貢獻,分別為(65±26)%和(35±26)%。底棲食源對蟹和梭魚的貢獻比例最高,分別是85%和86%。浮游食源對蝦的貢獻比例最高(56%),其次為雙殼類(44%)。多毛類、半滑舌鰨、沙逛魚和鱸魚的浮游、底棲貢獻比例近似,約為30%和70%。

圖2 黃河口近海海草床消費者功能群的浮游-底棲營養貢獻比例

圖3 黃河口近海海草床消費者功能群的浮游-底棲碳源貢獻比例與其δ13C值的關系

考慮到浮游碳源和底棲碳源的δ13C值差異明顯,我們對消費者各功能群的浮游-底棲碳源貢獻比例與其δ13C值進行了線性回歸擬合。結果表明,消費者的δ13C值隨浮游碳源貢獻的增加而逐漸較低,隨底棲碳源貢獻的增加而逐漸增加(圖3)。這與兩種碳源的δ13C值的分化現象一致。

3 討論

本研究獲取的黃河口近海海草床碳源和消費者功能群的δ13C的均值范圍(-22.26‰—-11.54‰)與宋博等[33]于2018年8月測定的δ13C值均值范圍(-21.99‰—-12.13‰)近似,可以較為準確地反映系統的營養結構。浮游碳源和底棲碳源的δ13C值差異顯著(表2),主要由于作為浮游、底棲碳源的主要生產者的光合作用途徑不同[34],同時也受到水環境擾動、光照和溫度的影響。有研究[20]發現作為底棲碳源的陸生C4植物的δ13C值范圍為-16‰—-7‰,而作為浮游碳源的溫帶海洋浮游植物的δ13C值范圍為-18‰—-24‰。本研究的浮游碳源和底棲碳源的δ13C值均在上述范圍內。

該研究區碳源和消費者功能群的δ15N的均值范圍為2.49‰—13.65‰,其中消費者功能群范圍為4.44‰—13.65‰。本研究發現鱸魚的δ15N值是該區域所有消費者功能群的最大值,這與宋博等[33]發現的矛尾刺蝦虎魚的δ15N值(11.05‰)為最大值不同,但與在渤海灣研究發現的鱸魚δ15N值最高(13.28‰)一致[35]。本研究以植食者(包括浮游動物、腹足類和雙殼類)的平均值作為計算消費者營養級的基線,可以避免某一植食者δ15N值過低或過高對營養級估計的影響。該區域消費者的營養級范圍為1.49—4.20,較高于宋博等[33]估計的營養級(2.00—3.85)。本研究結果發現,大型底棲動物基本上占據第二營養級,而大多數魚類為第三或第四營養級,這與Mao等[19]的研究結果一致。

基于浮游-底棲營養傳遞的研究結果發現,黃河口近海海草床的消費者功能群主要分為三類：以浮游碳源為營養來源的浮游動物、以底棲碳源為營養來源的腹足類、以及共同依賴于浮游和底棲碳源的其余消費者功能群。與浮游、底棲碳源δ13C值的分化現象一致,本研究發現消費者功能群的δ13C值隨浮游碳源貢獻比例的增加相應的降低,反之增加。有研究[34]發現,由底棲碳源提供營養的消費者功能群的δ13C平均值比依賴于浮游碳源的消費者約富集5‰。因此,δ13C值可作為區分消費者營養來源的初步甄別指標[34,36]。例如通過對海草床棲息的魚類和大型底棲動物的食性和δ13C值進行meta分析顯示[34]：對于大型底棲動物,其依賴于浮游碳源的物種的δ13C值通常低于-18‰,其依賴于底棲碳源的物種的δ13C值通常高于-16‰；對于海草床棲息的魚類,其依賴于浮游碳源的物種的δ13C值通常低于-15‰,其依賴于底棲碳源的物種的δ13C值通常高于-14‰。本研究中主要依賴于底棲碳源的消費者功能群的δ13C值也高于-16‰,如雙殼類、腹足類、蟹、多毛類,而主要依賴浮游碳源的浮游動物和蝦的δ13C值則低于-16‰。本研究區域的魚類的δ13C值均低于-15‰,然而這些魚類由底棲碳源的貢獻比例高于浮游碳源的貢獻。我們推測可能的原因是浮游營養傳遞途徑的營養傳遞效率(Trophic transfer efficiency)高于底棲營養傳遞途徑。如Lischke等[37]發現在淺水湖泊浮游營養傳遞的效率約高于底棲營養傳遞效率一個數量級。因此,后續開展基于碳流通量的生態系統能量流轉研究,可加強對營養傳遞效率的定量化,以更全面解析該區域的浮游-底棲營養傳遞特征,為生態保護和修復提供更系統化的科學支撐。

4 結論

(1)黃河口近海海草床碳源和消費者功能群的碳氮穩定同位素含量均呈現顯著性差異(P<0.05),浮游碳源的δ13C值(均值：-22.26‰)顯著低于底棲碳源(均值：-12.34‰)。

(2)基于穩定同位素混合模型和浮游-底棲營養路徑分析發現該區域浮游動物由浮游路徑唯一提供營養來源,腹足類由底棲碳源提供唯一營養來源,其余消費者功能群共同依賴于兩種營養傳遞路徑。

(3)消費者功能群δ13C值隨浮游營養貢獻比例的增加而逐漸降低,且隨底棲營養貢獻比例的增加而逐漸增加,符合浮游和底棲碳源的δ13C值分化現象。