應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究江蘇近海食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化

陸亞楠，張瑞，張虎，張碩, ，高世科*

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇 南通 226007；3.長江口水生生物資源監(jiān)測與保護(hù)聯(lián)合實驗室，上海 200922)

1 引言

理解水生生態(tài)系統(tǒng)中的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及生物群落構(gòu)成是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的一個重要方向[1-2]。研究食物網(wǎng)中結(jié)構(gòu)、功能及營養(yǎng)相互作用，有助于了解生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性、穩(wěn)定性和功能[3-5]。幾十年來，δ13C、δ15N 穩(wěn)定同位素技術(shù)多被用于分析海域生態(tài)環(huán)境中的能量流動和物質(zhì)交替變化，在構(gòu)建海域食物網(wǎng)、確定營養(yǎng)生態(tài)位和魚類食性特征方面取得了重大進(jìn)展，也為研究海洋生物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)方面提供了重要見解[6-7]。穩(wěn)定同位素比率（δ13C/δ15N）可以代表生物個體在食物網(wǎng)中的所有營養(yǎng)途徑[8]，而同位素生態(tài)位反映了消費者-資源之間的營養(yǎng)相互作用，可用于反映生物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的時空分布特征[9-10]。此外，基于穩(wěn)定同位素值量化的各項生態(tài)指標(biāo)不僅能夠用于描述物種和群落水平上的生態(tài)位寬度和重疊程度，還能評估不同因素對物種生態(tài)位寬度的影響，從而表征食物網(wǎng)的多樣性和復(fù)雜性[11-13]。

江蘇近海的漁業(yè)資源豐富，是我國重要的漁場。近年來，隨著沿海商業(yè)漁業(yè)的發(fā)展，江蘇近海局部地區(qū)海域污染狀況愈發(fā)嚴(yán)重[14]。不斷發(fā)展的漁業(yè)裝備技術(shù)和生產(chǎn)水平加劇了漁業(yè)過度捕撈，使得魚類種群數(shù)量持續(xù)下跌，自然生境遭到破壞，對海洋生物的生存環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅[15-16]。因此，急需開展對該地區(qū)主要魚類群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)時空變化規(guī)律的調(diào)查，以便及時制定相應(yīng)政策和管理措施。

本文利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究了江蘇近海春、夏、秋3 季主要海洋生物的δ13C、δ15N 和營養(yǎng)級特征，對比分析3 個季節(jié)食物網(wǎng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和變動規(guī)律，結(jié)合食物網(wǎng)量化指標(biāo)，從物種和群落水平上反映漁業(yè)資源現(xiàn)狀及季節(jié)變動情況，以期為進(jìn)一步評估江蘇近海漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化奠定基礎(chǔ)，為保護(hù)沿海海域生態(tài)系統(tǒng)以及漁業(yè)資源的養(yǎng)護(hù)和管理提供一定科學(xué)依據(jù)和參考基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本研究分別于2017 年5 月7-24 日（春季）、8 月3-23 日（夏季）和10 月4-19 日（秋季）在江蘇近岸海域（31.794°～35.583°N，119.301°～122.243°E）通過拖網(wǎng)漁船進(jìn)行樣品采集。3 個季節(jié)分別設(shè)置站點23 個、17 個和30 個（圖1）。樣品的采集和處理方法遵照《海洋監(jiān)測規(guī)范第6 部分：海洋生物調(diào)查》（GB/T 12763.6-2007）[17]，浮游動物樣品用Ⅰ型浮游生物網(wǎng)定點垂直拖網(wǎng)采集，垂直拖網(wǎng)平均深度為10 m，在海水中清養(yǎng)1～2 h 排空胃含物，然后置于1 L 聚乙烯瓶中。其他生物均采用單船有翼單囊底拖網(wǎng)（規(guī)格40 m×94 m或40 m×49.3 m），平均拖速為3.0 kn，每網(wǎng)拖行近1 h。將生物樣品鑒定到種（未能鑒定到種的做好掛牌登記），測量體長、體重，分類冷凍保存后帶回實驗室。

圖1 江蘇近海采樣點位置Fig.1 Locations of sampling sites in the coastal waters of Jiangsu Province

2.2 穩(wěn)定同位素分析樣品預(yù)處理

浮游動物用少量蒸餾水反復(fù)清洗，去除混雜在其中的雜質(zhì)，然后置于清潔培養(yǎng)皿中挑選。其他生物每個物種選取3 個大小相近的個體（對于采樣數(shù)量少于3 個的種類，則選取全部個體），魚類取第一背鰭下方肌肉、蝦類取腹部肌肉、蟹類取第一鰲足肌肉、頭足類取腕部肌肉、腹足類去殼取肌肉、雙殼類取閉殼肌、中國毛蝦（Acetes chinensis）因個體小，選取10 尾相近個體混合、馬尾藻（Sargassum）取其葉片。所有樣品用去離子水洗凈后放入離心管，-20℃冷凍保存。后續(xù)分析前，用冷凍干燥機(jī)（Christ 1-4α）干燥32 h，并用混合型球磨儀（Retsch MM440）研磨成粉。

研究發(fā)現(xiàn)，對脂肪含量不同的組織樣品進(jìn)行δ13C 分析時，可能產(chǎn)生較大偏差[18]。因此，本研究預(yù)先使用三氯甲烷和甲醇（體積比為2∶1）對肌肉組織樣品進(jìn)行脫脂處理，然后使用錫杯包被1.0 mg 送入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（IsoPrime 100,Isoprime Corporation,Cheadle,UK）進(jìn)行分析，穩(wěn)定同位素測定在上海海洋大學(xué)攝食生態(tài)學(xué)實驗室進(jìn)行。

2.3 穩(wěn)定同位素分析

碳、氮穩(wěn)定同位素值分別用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)VPDB 和大氣氮作為參考標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果分別用δ13C和δ15N 表示，其計算公式為

式中，X為13C 值或者15N 值；R為13C 值和12C 值或者15N值和14N 值的比值；Rsample為樣品的R值；Rstandard為標(biāo)準(zhǔn)樣品的R值。為保證實驗結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，每10 個樣品，放入3 個標(biāo)準(zhǔn)品。根據(jù)氮穩(wěn)定同位素比值可以計算生物的營養(yǎng)級（Trophic Level,TL），公式為

式中，δ15Nconsumer為消費者的氮穩(wěn)定同位素比值；δ15Nbaseline為基線生物的氮穩(wěn)定同位素比值；λ表示基線生物所處的營養(yǎng)級，本文選擇春季采集溝紋鬘螺（Phalium strigatum）作為基線生物，其營養(yǎng)級定為2，原因是溝紋鬘螺的δ15N 值與毛蚶（Scapharca subcrenata）、紫貽貝（Mytilus edulis）比較接 近[19-20]；δ15Nbaseline為溝紋鬘螺的氮穩(wěn)定同位素比值的平均值；Δ15N表示營養(yǎng)級之間氮穩(wěn)定同位素的富集度，這里取2.5‰和3.4‰的平均值，其中2.5‰是蔡德陵等[19]通過喂養(yǎng)實驗得到的鳀魚（Engraulis japonicus）與餌料間的氮穩(wěn)定同位素富集值，而3.4‰出自Post[21]的研究結(jié)果。

數(shù)據(jù)分析及制圖采用Origin 2020 和R 語言中的SIBER 程序包。根據(jù)Layman 等[11]提出的碳氮穩(wěn)定同位素二維坐標(biāo)系代表群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的方法，選取NR、CR、TA、CD、NND、SDNND 6 種參數(shù)來反映生物群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化情況。其中NR 為食物網(wǎng)中δ15N 值的范圍，表示消費者營養(yǎng)層次；CR 為δ13C 的最大差值，表示食物來源的多樣性；TA 為食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)總面積，代表生物多樣性水平；CD 為平均離心距離，代表群落整體的多樣性水平；NND 為平均最鄰近距離；SDNND 為平均最鄰近距離標(biāo)準(zhǔn)差，反映營養(yǎng)冗余程度。考慮到TA 可能因個別數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差，使用貝葉斯標(biāo)準(zhǔn)橢圓面積（SEA）可以減少樣本誤差，若樣本數(shù)小于30，則比較標(biāo)準(zhǔn)橢圓校正后的面積（SEAC）[22-23]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

通過ArcGIS 10.3 軟件繪制調(diào)查海域站位圖；根據(jù)聚類分析結(jié)果，運用OriginPro 2020 軟件構(gòu)建連續(xù)營養(yǎng)譜；數(shù)據(jù)處理和表格制作通過EXCEL 2020 完成；利用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行顯著性t檢驗。

3 結(jié)果

3.1 春、夏、秋3 季生物的碳、氮穩(wěn)定同位素特征

春季共采集到生物樣品31 種，其中魚類16 種、甲殼類5 種、頭足類3 種、底棲動物6 種、浮游生物1 種（附表A1）。其δ13C 值范圍為-24.47‰（馬尾藻）～-14.50 ‰（黃魟Dasyatis bennettii）；δ15N值范圍為6.86‰（馬尾藻）～（14.98±0.49）‰（中國花鱸Lateolabrax maculates）（附表A1，圖2）。夏季共采集到生物樣品32 種，其中魚類17 種，甲殼類7 種，頭足類3 種，腹足類2 種，雙殼類3 種。δ13C 值的范圍為-19.86‰（江珧Atrina pectinata）～-14.44‰（脊尾白蝦Exopalaemon carinicauda）；δ15N值范圍為5.79‰（江珧）～（12.54±3.50）‰（赤鼻棱鳀Thryssa kammalensis）。秋季共采集到生物樣品24 種，其中魚類11 種，甲殼類6 種，頭足類3 種，腹足類1 種，雙殼類2 種以及浮游動物1 種。δ13C 值的范圍為（-22.17±4.90）‰（鯔Mugil cephalus）～（-14.21±0.36）‰（短吻舌鰨Cynoglossus abbreviatus）；δ15N 值范圍為6.30‰（浮游動物）～（14.60±0.51）‰（中國花鱸）。總體上，魚類δ13C 值的跨度最廣，最低的是鯔，為（-22.17±4.90）‰，最高的是短吻舌鰨，為（-14.21±0.36）‰，δ15N 值范圍為（8.43±0.38）‰（棘頭梅童魚Collichthys lucidus）～（14.79±0.19）‰（中國花鱸）。

圖2 春、夏、秋3 季江蘇近海生物δ13C、δ15N 值的雙坐標(biāo)圖Fig.2 The biplot of δ13C,δ15N of organisms from the coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer and autumn

3.2 江蘇近海營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化特征

配對樣本t檢驗的結(jié)果表明（表1），2017 年春、夏、秋3 個季節(jié)江蘇近海海洋生物的δ13C 值和δ15N值均沒有顯著性差異（p＞0.05）。

表1 春、夏、秋3 季生物的δ13C、δ15N 值差異性分析Table 1 Difference analysis in δ13C and δ15N values for organisms in spring,summer and autumn

由于鯔的δ13C 值與其他消費者存在明顯差別，對營養(yǎng)結(jié)構(gòu)影響過大，為了更準(zhǔn)確地反映群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化，本研究選擇除鯔和浮游動物外的所有消費者進(jìn)行空間生態(tài)位的計算，結(jié)果見圖3，參數(shù)見表2。不同類群對生物資源利用情況不同。春季，甲殼類對生態(tài)空間利用率較其他類群高，而底棲動物由于整體營養(yǎng)級較低，與其他類群生態(tài)空間重疊不明顯；夏季，生物的生態(tài)空間利用情況較春季一致，但重疊程度不如春季明顯；秋季，不同類群生物的生態(tài)空間利用率較小，頭足類、甲殼類和底棲動物的生態(tài)空間重疊程度較為明顯。此外，不同季節(jié)相同類群生物對生態(tài)空間利用情況也不同。總體上，3 個季節(jié)魚類的生態(tài)空間利用率最高，最低為底棲動物。

表2 春、夏、秋3 季生物的TA、SEA 和SEAC 值Table 2 TA,SEA and SEAC for organisms in spring,summer and autumn

圖3 春、夏、秋3 季江蘇近海生物營養(yǎng)框架Fig.3 Stable isotope bio-plotting of the trophic structure in the coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer and autumn

通過R 語言對春、夏、秋3 個季節(jié)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的6 種生態(tài)位指標(biāo)進(jìn)行計算，結(jié)果見圖4。結(jié)果顯示，春季的營養(yǎng)級長度最長，其次為夏季、秋季；在生態(tài)位多樣化程度和生物對生態(tài)空間利用方面由大到小依次為春季、夏季、秋季；平均營養(yǎng)級多樣性和營養(yǎng)冗余程度也均呈現(xiàn)出春季最高，秋季最低。

圖4 春、夏、秋季江蘇近海生物群落穩(wěn)定同位素參數(shù)值Fig.4 Community-wide metrics based on stable isotopic ratios for organisms from coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer and autumn

3.3 春、夏、秋3 季江蘇近海生物的營養(yǎng)級特征

春季江蘇近海海洋生物的營養(yǎng)級范圍為1.52（江珧）～4.28±0.17（中國花鱸），營養(yǎng)層次長度為4 級（圖5）。其中，底棲動物屬于第1～2 營養(yǎng)級，營養(yǎng)級最高的是脈紅螺（Ostrea denselamellosa）（2.56±0.04）；頭足類屬于第2 營養(yǎng)級，火槍烏賊（Loligo beka）的營養(yǎng)級達(dá)到3.05±0.16；甲殼類屬于第2～3 營養(yǎng)級，口蝦蛄（Oratosquilla oratoria）營養(yǎng)級最高，為3.66±0.25，其次是中國毛蝦（3.19）和日本蟳（Charybdis japonica，3.16±0.06）；魚類屬于第4 營養(yǎng)級，營養(yǎng)級范圍為2.6（日本鳀）～4.29±0.17（中國花鱸）。而夏季的營養(yǎng)層次長度較短，為3 級，營養(yǎng)級范圍為1.25（江珧）～3.52（長蛇鯔，Saurida elongata）。其中，多數(shù)底棲動物屬于第2 營養(yǎng)級，僅有毛蚶和江珧為1.84 和1.25。甲殼類中，僅有鷹爪蝦（Trachypenaeus curvirostris）屬于第3 營養(yǎng)級（3.11±0.28），其余均為第2 營養(yǎng)級。魚類屬于2～3 營養(yǎng)級，范圍從2.06±0.10（棘頭梅童魚）～3.52（長蛇鯔）。秋季的營養(yǎng)層次長度亦為4 級，營養(yǎng)級范圍是1.34（浮游動物）～4.15±0.14（中國花鱸）。其中，浮游動物屬于第1 營養(yǎng)級，多數(shù)底棲動物、頭足類和甲殼類屬于第2～3 營養(yǎng)級，只有毛蚶為1.97±0.41。魚類中僅有中國花鱸營養(yǎng)級最高，為4.15±0.14，其余魚類均屬于2～3 營養(yǎng)級。

圖5 春、夏、秋3 季江蘇近海生物營養(yǎng)級對比Fig.5 The comparison of trophic level of organisms from coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer and autumn—代表3 個季節(jié)中共同出現(xiàn)的物種——represents the species occured in three seasons

4 討論

4.1 春、夏、秋3 季江蘇近海生物的δ13C、δ15N 特征

本研究基于漁業(yè)資源調(diào)查采集生物樣品，應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)構(gòu)建江蘇近海的食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。消費者的δ13C 值可以指示其有機(jī)質(zhì)和能量來源。本研究不同季節(jié)食物網(wǎng)中，生物的δ13C 值沒有明顯差異（p＞0.05），這與高世科等[24]的研究中春季呂泗漁場主要生物的δ13C 值一致，說明各季節(jié)的有機(jī)質(zhì)來源可能差異不大。春、秋季鯔的δ13C 值跨度較大，遠(yuǎn)低于其他消費者，說明其在食物網(wǎng)中可能存在個體特殊化現(xiàn)象[25]，即在食物網(wǎng)中，同一物種的不同個體始終對不同的生產(chǎn)力來源進(jìn)行攝取。生物的δ15N 值可以指示其營養(yǎng)級，在江蘇近海食物網(wǎng)中，不同季節(jié)生物的δ15N值也沒有明顯差異（p＞0.05），說明該食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各季節(jié)的營養(yǎng)層次基本一致。此外，本研究各個季節(jié)采樣站位分布不均勻。這種空間差異性可能會影響結(jié)果，可能原因是不同區(qū)域受人類活動影響和水體富營養(yǎng)化程度不同[26]。所以在今后的采樣設(shè)計中應(yīng)該盡可能選擇相同區(qū)域的生物樣品進(jìn)行對比分析。

4.2 江蘇近海食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化

3 個季節(jié)中，春季魚類與甲殼類、頭足類的生態(tài)位重疊程度較高，說明這些消費者可能在生活環(huán)境和食物溯源上存在一定相似性（圖3）。江蘇近海擁有多個重要的過路漁場（如呂泗漁場、海州灣漁場等），是多種經(jīng)濟(jì)洄游性魚類的必經(jīng)之地[27-28]。此外，春季餌料缺乏，魚類需要大量攝食以保證生存和繁殖[29]。在一定程度上，這可能是導(dǎo)致春季魚類食性較為廣泛的原因。春季底棲動物的δ13C 值跨度范圍較大，亦可說明春季的食物來源分布廣泛。并且，秋季底棲動物的生態(tài)位與頭足類部分重疊，而春、夏季不與任何類群重疊（圖3）。這不僅與種類、生物量有關(guān)，還與生物體大小相關(guān)[30]。研究表明，隨著生物體的增長，δ13C 和δ15N 會不斷富集，而攝食器官大小和餌料選擇的變化也會引起同位素的季節(jié)性變化[30-31]。本研究還顯示，夏季魚類的TA 值為8.26，SEA 為2.80，說明夏季魚類種類多樣性較高，但生態(tài)位分化程度低，種間競爭不激烈，同一現(xiàn)象還出現(xiàn)于春季的甲殼類（TA:13.93,SEA:5.15）（表2）。這種生態(tài)位的空間差異可能是內(nèi)外因素共同導(dǎo)致，比如食性偏好，亦或是區(qū)域間復(fù)雜的環(huán)境因素[32-33]，因此還需要深入研究。

位于營養(yǎng)結(jié)構(gòu)邊界的生物，對于維系該食物網(wǎng)的穩(wěn)定具有重要意義[20]。本研究中，處于營養(yǎng)結(jié)構(gòu)端點位置的生物包括頂級捕食者（如中國花鱸、鮸（Miichthys miiuy）），浮游食性的消費者（如赤鼻棱鳀、中國毛蝦）和底棲消費者（如黃魟、脊尾白蝦等），與紀(jì)煒煒等[34]的研究結(jié)果一致。江蘇近海3 個季節(jié)生物群落的穩(wěn)定同位素參數(shù)存在差異。春季NR 和TA 值最高，說明春季消費者的營養(yǎng)層次和群落多樣性更高。當(dāng)餌料充足時，攝食生物對特定食物會有選擇性，食源多樣性CR 相應(yīng)就會減少[34]。夏季CR 值高于春、秋兩季，說明夏季消費者的食物來源更加豐富，食源多樣性更高。春季和夏季的CD 值差別很小，說明食物網(wǎng)營養(yǎng)多樣性在春夏季比較穩(wěn)定。秋季NR、CR、TA 值最低，說明秋季食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)單一，群落多樣性水平最低。在海洋生物群落中，餌料生物數(shù)量的變動引起消費者的競爭關(guān)系發(fā)生改變。若餌料生物數(shù)量減少，消費者對于食物的激烈競爭導(dǎo)致生態(tài)位重疊，群落營養(yǎng)冗余程度增加[20]。本研究中，3 個季節(jié)NND 值十分接近，說明各季節(jié)營養(yǎng)冗余度差別不大。SDNND值在秋季略低，說明秋季食物網(wǎng)中營養(yǎng)生態(tài)位分布較廣。鑒于本研究只從分析季節(jié)性特征來反映江蘇近海海域的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征，將來應(yīng)該從方法比較以及時間尺度上來進(jìn)一步闡明該海域的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化。生物營養(yǎng)級的差異取決于多個因素，比如生物體規(guī)格大小、Δ15N 和基線生物的選取[34-35]。本研究3 個季節(jié)同種生物的營養(yǎng)級差異均不顯著（p＞0.05）（圖5）。除了銀鯧（Pampus argenteus）、星康吉鰻（Conger myriaster）和密鱗牡蠣（Ostrea denselamellosa），同種生物的營養(yǎng)級最低值均出現(xiàn)在夏季，這與夏季捕獲的生物規(guī)格較小有關(guān)（附表A1）。此外，為了統(tǒng)一化比較，本研究3 個季節(jié)的所有個體都被視為具有相同的基線生物，但基線生物也存在季節(jié)性差異。如季節(jié)性水溫變化會影響浮游植物的光合作用及其對氮元素的吸收和分餾，進(jìn)而影響作為基線生物的浮游動物的δ15N 值[35]。因此，在估算時空尺度上消費者的營養(yǎng)狀況時，應(yīng)考慮不同或多個基線的選擇。

5 結(jié)論

本文利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究江蘇近海不同季節(jié)主要海洋生物的δ13C、δ15N 值特征。結(jié)果表明，各季節(jié)的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，一些消費者的營養(yǎng)生態(tài)位出現(xiàn)不同程度的重疊現(xiàn)象。其中，春季的食物來源較為廣泛，生物營養(yǎng)層次和群落多樣性更高；夏季消費者的食物來源更加豐富，但生態(tài)位分化程度較低；秋季的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較單一，但營養(yǎng)生態(tài)位分布較廣。本研究結(jié)果為進(jìn)一步評估江蘇近海漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)，也為江蘇近海漁業(yè)環(huán)境保護(hù)和漁業(yè)資源的恢復(fù)與管理提供一定科學(xué)依據(jù)和參考基礎(chǔ)。

附錄

表A1 春、夏、秋3 季江蘇近海主要生物數(shù)量、體長及碳、氮穩(wěn)定同位素Table A1 The number,mean length and the δ13C and δ15N values of organisms in the coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer,autumn

續(xù)表 A1