基于碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)分析黃鱔對(duì)稻田餌料資源的利用特征

袁 泉,呂巍巍,黃偉偉,孫小淋,呂衛(wèi)光,周文宗

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海 201403)

穩(wěn)定性同位素技術(shù)是近年來(lái)研究生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的重要手段,已廣泛應(yīng)用于海洋、湖泊、河口等水生生態(tài)系統(tǒng)中。 國(guó)內(nèi)外關(guān)于稻田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定同位素的研究不多,且集中在單一種稻系統(tǒng),用于評(píng)估稻田生態(tài)系統(tǒng)節(jié)肢動(dòng)物能量流動(dòng)的可行性和安全性,揭示稻田生態(tài)系統(tǒng)節(jié)肢動(dòng)物群落關(guān)系以及不同時(shí)期的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)[1-3]。 隨著稻漁經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,關(guān)于稻漁生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的研究逐漸增多。 張丹等[4]應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究稻-魚(yú)-鴨生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)相比取食作用,稻田中魚(yú)群活動(dòng)對(duì)雜草的抑制作用更大;孫翠萍[5]應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)分析稻-鯉、稻-鱉、稻-蟹共作系統(tǒng)中水生經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的食性,定量揭示了各種餌料生物在水生經(jīng)濟(jì)動(dòng)物食譜中的貢獻(xiàn)率,但目前尚無(wú)稻-鱔共作系統(tǒng)的食物鏈或食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征方面的報(bào)道。

稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng)中,魚(yú)類的組成對(duì)整個(gè)種養(yǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)量起到關(guān)鍵性作用[6]。 黃鱔(Monopterus albus)作為一種穴居魚(yú)類,廣泛分布于稻田、水溝和淺水湖泊的沿岸帶,是我國(guó)淡水名特優(yōu)養(yǎng)殖品種之一,俗稱稻田養(yǎng)殖中的“鄉(xiāng)土物種”,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,2015 年全國(guó)年產(chǎn)量已超過(guò)36 萬(wàn)t[7-8]。 稻鱔共作可提高稻米品質(zhì),最大程度地減少化肥和農(nóng)藥用量,其經(jīng)濟(jì)效益顯著高于單一種稻。 稻-鱔共作相較于傳統(tǒng)黃鱔網(wǎng)箱養(yǎng)殖具有成本低、環(huán)境友好等眾多優(yōu)勢(shì)[8],近年來(lái),稻-鱔共作模式在全國(guó)得到迅速發(fā)展和推廣,成為繼網(wǎng)箱養(yǎng)殖后的另一黃鱔主要養(yǎng)殖方式。 本研究通過(guò)研究稻-鱔共作系統(tǒng)中黃鱔對(duì)稻田資源的利用特征,定量評(píng)估餌料資源對(duì)黃鱔食譜的貢獻(xiàn)率,旨在為黃鱔健康生態(tài)養(yǎng)殖提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在上海市青浦區(qū)練塘鎮(zhèn)稻-鱔共作養(yǎng)殖基地進(jìn)行,稻田結(jié)構(gòu)及采樣點(diǎn)設(shè)置如圖1 所示。 青浦區(qū)地處上海市西南部,太湖下游,黃浦江上游,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫17.4 ℃,年均日照1 642.8 h,年平均降水量1 461.7 mm。 稻田屬洪積性泥沙田,耕層厚度約20 cm,土壤類型為沙壤土,容重約1.15 g∕cm3。試驗(yàn)稻田面積為0.18 hm2,養(yǎng)殖黃鱔年限為4 年,稻田四周挖有“回”字型環(huán)溝,獨(dú)立進(jìn)排水,環(huán)溝寬1.5 m,深度60 cm,環(huán)溝面積為280.81 m2,占稻田面積的15.81%。

圖1 研究樣地位置與采樣點(diǎn)設(shè)置Fig.1 Test site and setting of sampling point

于2019 年6 月23 日栽插秧苗,秧苗栽插方式為機(jī)插秧,水稻種植品種為‘青香軟梗’(滬農(nóng)品審水稻2014 第 004 號(hào))。 2019 年 6 月 26 日放養(yǎng)黃鱔苗種 40 kg,約 1 600 尾,規(guī)格為全長(zhǎng) (372.3 ± 22.69 )mm,體重(26.55 ±9.39)g。

1.2 試驗(yàn)方法

2019 年6—10 月逐月采集各種黃鱔潛在餌料資源樣品,黃鱔樣品從7 月份開(kāi)始采集。 黃鱔、小龍蝦、泥鰍樣品通過(guò)地籠抓捕;用剪刀剪取水生植物水花生、雙穗雀稗、穗花狐尾藻、浮萍樣本,清水洗凈后裝入封口袋;用廣口瓶采集1 L 水樣,用玻璃纖維濾膜(GF∕C Whatman)通過(guò)真空泵抽濾,留在玻璃纖維濾膜上的固體顆粒和濾膜一起作為POM 樣品(顆粒懸浮物);用彼得森采泥器(規(guī)格:25 cm×40 cm)采集底泥后取表層(5 mm)以內(nèi)底質(zhì)沉積物,裝入2 mL 離心管中作為沉積物樣品,采到的底泥用60 目(孔徑:0.3 mm)抄網(wǎng)洗去淤泥后放入塑料袋中,帶回室內(nèi)挑取底棲動(dòng)物樣品,底棲動(dòng)物分為水生昆蟲(chóng)、水生寡毛類及各種軟體動(dòng)物,挑完底棲動(dòng)物后的有機(jī)碎屑洗干凈后,隨機(jī)收集少許裝入5 mL 離心管,作為腐殖質(zhì)樣品。 將各樣品放入-20 ℃冰箱中保存。

黃鱔、泥鰍、小龍蝦樣品分別取背部和腹部肌肉;螺類取肌肉;食蚊魚(yú)整條放入離心管中。 水生昆蟲(chóng)和水生寡毛類轉(zhuǎn)入離心管中。 上述動(dòng)物樣品及所有的水生植物、POM、底質(zhì)沉積物、腐殖質(zhì)樣品均放入烘箱中,60 ℃烘干至恒重(48—72 h),磨成均勻粉末,放入干燥器中,待測(cè)。

在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所進(jìn)行碳氮穩(wěn)定同位素檢測(cè)。 測(cè)試儀器為德國(guó)Thermo Finnigan 公司生產(chǎn)的元素分析同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀(Flash 2000);分析所采用的參照物質(zhì)分別是V-PDB 和空氣中的氮?dú)狻?標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別為國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)USGS62 和IAEA600。

碳、氮穩(wěn)定同位素δ值計(jì)算公式為:

式中:R代表13C 或15N,Xsample和Xstandard分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的13C 或15N。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2013 和SPSS 23.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用Origin 9.0 軟件作圖。 不同月份間的穩(wěn)定同位素差異值使用單因素方差分析,使用新復(fù)極差檢驗(yàn)(SSR 檢驗(yàn))對(duì)不同處理進(jìn)行多重比較。

營(yíng)養(yǎng)級(jí)(Trophic level,TL)的計(jì)算公式為:

式中:δ15Nconsumer表示消費(fèi)者的氮同位素比值,δ15Nbaseline為基準(zhǔn)生物的氮同位素比值,Δδ15N 為營(yíng)養(yǎng)富集因子,本研究取值3.4‰。

利用IsoSource 1.3.1 軟件計(jì)算不同食物對(duì)消費(fèi)者的貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃鱔及其餌料資源的穩(wěn)定同位素值變化范圍

稻-鱔共作水體黃鱔、水生植物等動(dòng)植物群體δ13C 和δ15N 值均隨時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生不同程度變化。 沉積物的碳氮穩(wěn)定同位素值為 - 27.367‰和5.072‰(圖2);顆粒懸浮物的碳氮穩(wěn)定同位素值為-29.236‰和3.866‰,不同月份樣品同位素值變化較大,碳氮穩(wěn)定同位素值變化范圍分別是-30.54‰—-26.17‰和2.15‰—4.77‰(表1);腐殖質(zhì)碳氮穩(wěn)定同位素值分別為 - 28.105‰和4.535‰;水生昆蟲(chóng)、寡毛類碳氮穩(wěn)定同位素值月份之間變化較大,變化范圍分別為-28.90‰—-25.65‰和4.23‰—5.78‰;螺螄碳氮穩(wěn)定同位素值分別為-28.087‰和5.26‰;青苔碳氮穩(wěn)定同位素值分別為-25.919‰和5.642‰,標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.69‰和2.84‰;水生植物月份之間碳氮穩(wěn)定同位素值變化較小,且同其他潛在食物源碳氮穩(wěn)定同位素值分布無(wú)明顯交互(圖2),說(shuō)明其為黃鱔潛在食物源的可能性較小;次級(jí)消費(fèi)者食蚊魚(yú)和克氏原螯蝦的碳氮穩(wěn)定同位素值較接近,食蚊魚(yú)的碳氮穩(wěn)定同位素值分別為-28.254‰和6.491‰,克氏原螯蝦的碳氮穩(wěn)定同位素值分別為-28.147‰和5.587‰;泥鰍和黃鱔的碳氮穩(wěn)定同位素值比較接近,分別為-25.885‰、9.436‰和-26.121‰、9.24‰。

表1 稻田環(huán)溝水體黃鱔及其潛在餌料資源的穩(wěn)定同位素值變化范圍Table 1 Variation range of stable isotope values of Monopterus albus and its potential bait resources in paddy field

圖2 稻田環(huán)溝水體黃鱔及其潛在餌料資源的δ13C-δ15N 結(jié)構(gòu)Fig.2 δ13C-δ15N structure of Monopterus albus and its potential bait resources in paddy field

2.2 黃鱔對(duì)稻田餌料資源的利用特征

黃鱔的δ13C 值變化范圍為-28.366‰—-24.21‰,碳穩(wěn)定同位素由生產(chǎn)者到消費(fèi)者產(chǎn)生0—1‰富集(一般認(rèn)為富集因子為0‰[9])。 從表2 可以看出,為黃鱔提供主要能量來(lái)源的是沉積物、腐殖質(zhì)、水生昆蟲(chóng)、寡毛類、浮萍和泥鰍,顆粒懸浮物主要由浮游植物、浮游動(dòng)物和碎屑構(gòu)成,顯然,浮游植物固定的能量很少能夠進(jìn)入黃鱔體內(nèi),另外初級(jí)生產(chǎn)者如穗花狐尾藻、水花生和雙穗雀稗,其固定的碳也未流向黃鱔。 黃鱔潛在食物源食譜貢獻(xiàn)率最大的為水生昆蟲(chóng)、寡毛類,貢獻(xiàn)率平均值為68%,其次是泥鰍,為19.5%,螺螄和浮萍貢獻(xiàn)率為4.1%和3.3%,沉積物和腐殖質(zhì)的貢獻(xiàn)率較少,分別為1.9%和1.1%。

表2 各種餌料資源對(duì)黃鱔食譜的潛在貢獻(xiàn)率Table 2 Potential contribution rate of various bait resources to the diet of Monopterus albus %

黃鱔的δ15N 值變化范圍為7.63‰—10.08‰,根據(jù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)計(jì)算結(jié)果可知,黃鱔的營(yíng)養(yǎng)級(jí)為(3.17 ±0.36),泥鰍的營(yíng)養(yǎng)級(jí)為(3.22 ±0.21),食蚊魚(yú)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)為(2.36 ±0.15),克氏原螯蝦的營(yíng)養(yǎng)級(jí)為(2.10 ±0.13),水生昆蟲(chóng)、寡毛類的營(yíng)養(yǎng)級(jí)為(1.92 ±0.36),螺螄的營(yíng)養(yǎng)級(jí)為(2.00 ±0.08)。 根據(jù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)特征結(jié)合各消費(fèi)者的食物源特征分析稻鱔共作系統(tǒng)環(huán)溝水體食物網(wǎng)結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖3 所示。 不同的食物鏈,水生動(dòng)物所處的營(yíng)養(yǎng)級(jí)不同。 水生昆蟲(chóng)、寡毛類、螺螄為初級(jí)消費(fèi)者,黃鱔、泥鰍為頂級(jí)消費(fèi)者。

圖3 基于IsoSource 模型的稻鱔共作水體食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Food web structure of rice-eel co-culture water based on IsoSource model

3 討論

稻漁共作系統(tǒng)逐步向集約化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,了解水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物對(duì)稻田餌料資源的利用特征,對(duì)深入理解稻漁共作生態(tài)系統(tǒng)功能、優(yōu)化田間管理模式具有重要意義。 黃鱔屬肉食性或偏肉食性的雜食性魚(yú)類,幼鱔和成鱔主要攝食搖蟲(chóng)幼蟲(chóng)、水生寡毛類、蚯蚓、昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)、青蛙、蝌蚪和小型魚(yú)類等[10-13]。 黃鱔喜食活餌,在網(wǎng)箱養(yǎng)殖黃鱔過(guò)程中,經(jīng)常投喂水絲蚓等活餌馴食[14]。 本研究顯示,水生昆蟲(chóng)、寡毛類是黃鱔的主要食物來(lái)源,平均貢獻(xiàn)率達(dá)68%,說(shuō)明黃鱔的生長(zhǎng)很大程度上受限于底棲無(wú)脊椎動(dòng)物的豐度,與前人的研究結(jié)果一致。

穩(wěn)定同位素結(jié)果顯示,除浮萍外,稻-鱔共作水體水生植物固定的碳源基本不流向黃鱔,說(shuō)明水花生、雙穗雀稗和穗花狐尾藻等稻鱔共作水體常見(jiàn)水生植物無(wú)法被黃鱔攝食,但生產(chǎn)中常投放水生植物,如水蕹菜、水葫蘆等作為黃鱔棲息隱蔽場(chǎng)所[15-16],因此,稻田中水生植物的生態(tài)功能價(jià)值仍需進(jìn)一步研究。 浮萍對(duì)黃鱔食譜的潛在貢獻(xiàn)率可達(dá)3.3%,但目前尚無(wú)直接證據(jù)表明,黃鱔可攝食浮萍。 穩(wěn)定同位素結(jié)果表明泥鰍和螺螄是僅次于水生昆蟲(chóng)、寡毛類的可被黃鱔攝食的種類。 周文宗等[17]在室內(nèi)條件下研究了黃鱔對(duì)泥鰍、福壽螺、克氏原螯蝦等小型動(dòng)物的攝食規(guī)律,發(fā)現(xiàn)黃鱔與泥鰍的體重比例達(dá)到22∶1后,黃鱔即能捕食泥鰍,與本研究結(jié)果一致。 此外,螺螄也是泥鰍、食蚊魚(yú)、克氏原螯蝦等消費(fèi)者的攝食來(lái)源之一,因此,在稻鱔共作模式中投放一定比例的螺螄非常重要。 此外,在放養(yǎng)黃鱔苗種的同時(shí),投放一定比例的適口泥鰍對(duì)于黃鱔的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。