碳、氮穩(wěn)定性同位素技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用

俞雅文

（江蘇省淡水水產(chǎn)研究所，江蘇 南京 210017）

近年來，人們對水生生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)注度越來越高，在評估水生生態(tài)資源的過程中，隨著穩(wěn)定同位素技術(shù)的逐步成熟，碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)作為一種穩(wěn)定且準(zhǔn)確的檢測手段，被廣泛應(yīng)用于淡水、海域等不同水體的水生生態(tài)系統(tǒng)。自然界中的同位素是一種天然的化學(xué)示蹤物，其分餾效應(yīng)能指示生物體的物質(zhì)循環(huán)和能量流動信息。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，不同生物的碳、氮穩(wěn)定同位素組一般與其食物的同位素比值相一致，會隨著食物的改變而發(fā)生相應(yīng)的改變，是生物生存現(xiàn)狀的理想示蹤物。因此，碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動等研究中發(fā)揮著重要作用。

1 穩(wěn)定同位素技術(shù)分析法

1.1 穩(wěn)定性同位素的概念及特征

質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)具有一定差異的同一類原子被稱為同位素。不具備放射性的同位素被稱為穩(wěn)定性同位素。湯姆孫和阿斯頓于1913年首次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定同位素。1919年阿斯頓發(fā)明了第一臺質(zhì)譜儀，并在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種核素，絕大多數(shù)是穩(wěn)定的，后來又利用光譜等方法發(fā)現(xiàn)了氧、氮等穩(wěn)定同位素。已知有81種元素有穩(wěn)定同位素，包括半衰期＞10年的放射性核素在內(nèi)的穩(wěn)定核素總數(shù)為274種。通常以原子核每個核子的平均結(jié)合能ε=作為穩(wěn)定性的量度。其中，EB為核的結(jié)合能，為核子數(shù)。ε越大，體系的能量越低，越穩(wěn)定。同一元素的同位素或者含該元素不同同位素的化合物（又稱同位素置換化合物）在性質(zhì)上存在差異，這是由質(zhì)量差異引起的，同位素具有不同的核質(zhì)量，導(dǎo)致其在不同生化反應(yīng)中存在物理、化學(xué)性質(zhì)差異。且相對質(zhì)量差越大，其相應(yīng)的物理化學(xué)性質(zhì)差異則越大，這種效應(yīng)被稱為同位素效應(yīng)。

通常用同一種元素的同位素組成的混合物中某特定同位素原子數(shù)與該元素的總原子數(shù)之比，即同位素豐度，來表示同位素的組成情況。同一元素的重同位素原子豐度與輕同位素原子豐度的比值被定義穩(wěn)定同位素比值，其中C/C，N/N最為常見。

1.2 碳、氮穩(wěn)定同位素測定

穩(wěn)定同位素的測定可用同位素比率質(zhì)譜儀。在對樣品的碳、氮穩(wěn)定同位素進(jìn)行測定分析時可分別以VPDB和N為標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果表示為δC和δN，其定義式如下：

式中：是指測定的重同位素（C或N），R為重同位素自然豐度與輕同位素自然豐度的比值（C/C或N/N）。在實際應(yīng)用中，δ值就是物質(zhì)同位素組成的代名詞。當(dāng)δ值大于零時，表示樣品的重同位素比標(biāo)準(zhǔn)富集，小于零時則相反。

2 碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)在水域生態(tài)中的應(yīng)用

2.1 碳、氮穩(wěn)定性同位素在水生生物食性方面的應(yīng)用

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，分析水生生物食性的傳統(tǒng)方法是胃含物分析法，即在實驗室內(nèi)解剖生物的胃腸道，通過檢查胃腸殘留的餌料來分析生物的食性。該方法存在一定的不足之處，即只能提供消費(fèi)者暫時的食物來源信息，當(dāng)對消費(fèi)者生物的食物進(jìn)行鑒定時會受到其消化作用的影響，并且需要消耗較長的工作時間和較多的人力。因為生物所攝入的不同食物具有不同的消化速率，所以消費(fèi)者實際攝入餌料的比例并不能準(zhǔn)確通過胃腸內(nèi)容物中發(fā)現(xiàn)的各種食物成分所占比例來反映，從而擴(kuò)大了某些生物個體的食物重要性。然而與傳統(tǒng)的胃含物分析法相比，穩(wěn)定性同位素技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了胃含物分析法的種種缺點，能夠反映生物相對較長時期內(nèi)的攝食情況。同時，穩(wěn)定同位素方法還能夠?qū)悠愤M(jìn)行回顧性分析，具有較高的準(zhǔn)確性。計算公式為：

式中：K為食物A對消費(fèi)者的貢獻(xiàn)比例；δC和δC分別為食物A和食物B的碳同位素比值；△δC為碳同位素營養(yǎng)富集度；δC為消費(fèi)者的碳同位素比值。Whitedge等運(yùn)用傳統(tǒng)的食性研究方法和穩(wěn)定同位素技術(shù)，對2種淡水鰲蝦的食性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)2種方法的測量結(jié)果一致，從而說明了穩(wěn)定同位素技術(shù)的研究方法在水生生物食性分析過程中具有可行性。需要注意的是，在運(yùn)用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)評估消費(fèi)者食物來源時，特別是復(fù)雜食物來源時需十分謹(jǐn)慎。在利用穩(wěn)定同位素的試驗研究中通常需要選取某種生物作為基準(zhǔn)，不同的基準(zhǔn)生物及基準(zhǔn)同位素比值的準(zhǔn)確性，對于研究不同生態(tài)學(xué)問題十分重要。

2.2 碳、氮穩(wěn)定性同位素在水域食物網(wǎng)及營養(yǎng)級的確定方面的應(yīng)用

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者形成的有機(jī)質(zhì)從一個營養(yǎng)級到另一個營養(yǎng)級移動的途徑稱為食物鏈。每一條食物鏈均由一定數(shù)量的環(huán)節(jié)組成，在群落中食物鏈相互交叉構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即食物網(wǎng)。生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和生物營養(yǎng)級關(guān)系是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)最重要也是最基礎(chǔ)的研究內(nèi)容之一，它有助于更好地解釋生態(tài)系統(tǒng)的特征和過程，包括能量的流動和元素的生物地球化學(xué)循環(huán)以及環(huán)境對生態(tài)系統(tǒng)的影響具有一定意義。營養(yǎng)關(guān)系是生物群落各成員之間最重要的聯(lián)系，水生生態(tài)系統(tǒng)中通常運(yùn)用穩(wěn)定性同位素技術(shù)來分析食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞途徑，該技術(shù)已經(jīng)成為研究生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)關(guān)系以及動態(tài)變化的重要手段。王葷等應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究了大連近岸海域食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該食物網(wǎng)中貝類等是初級消費(fèi)者，次級消費(fèi)者主要由蝦蟹類無脊椎動物組成，頂級捕食者主要有頭足類、雜食性及肉食性魚類。溫周瑞等應(yīng)用δC、δN穩(wěn)定同位素研究了太湖貢湖灣食物網(wǎng)特征，結(jié)果表明，固著藻類、浮游植物及沉水植物為該食物網(wǎng)中大多數(shù)生物有機(jī)體的主要碳源，并且發(fā)現(xiàn)由于食物來源變化具有多樣性，由此造成了復(fù)雜的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)關(guān)系變化。

對碳、氮穩(wěn)定同位素自然豐度的測定，能夠反映生物長期的攝食情況、體現(xiàn)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征和了解生物之間的營養(yǎng)關(guān)系，從而判定各生物種屬在生態(tài)系統(tǒng)中所處的營養(yǎng)位置。當(dāng)能量在不同食物鏈中進(jìn)行循環(huán)流動時，δN值受消費(fèi)者食物來源和新陳代謝的影響，引起生物體同位素值發(fā)生富集，但不同營養(yǎng)級間的同位素富集值的大小與動物可能攝食食物間的同位素值具有明顯差異。氮穩(wěn)定同位素在營養(yǎng)級間的富集顯著，這一特性主要被用于消費(fèi)者營養(yǎng)級的估算及食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的判斷等方面。可以依據(jù)消費(fèi)者對基準(zhǔn)生物δN值的相對值來計算評估該生物的營位置，計算公式為：

式中：δN是指消費(fèi)者的氮同位素比值；δN是指基準(zhǔn)生物的氮同位素比值；△δN為營養(yǎng)級傳遞過程中氮同位素富集度，平均值約為0.34%。

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，營養(yǎng)關(guān)系的研究方法除了上述研究方法外，還有餌料濃度差減法、能量收支法、經(jīng)驗系數(shù)法、腸道色素法及放射性同位素分析法等。餌料濃度差減法是通過將生物放入容器中進(jìn)行一段時間培養(yǎng)后，比較培養(yǎng)前后餌料濃度的變化來估算攝食率。能量收支法及經(jīng)驗系數(shù)法均是對消費(fèi)者理想狀態(tài)的攝食估算，這3種方法均無法準(zhǔn)確真實地反映消費(fèi)者在自然環(huán)境中的攝食情況。腸道色素法主要是用于探究浮游動物對浮游植物的攝食。放射性同位素分析法存在污染及容器效應(yīng)等問題。穩(wěn)定同位素技術(shù)與上述方法相比具有較為明顯的優(yōu)勢，生物體組織中的穩(wěn)定同位素是其長期捕食、消化及吸收的結(jié)果，因而運(yùn)用同位素分析法所得數(shù)據(jù)能夠克服傳統(tǒng)方法不確定性的缺陷，反映消費(fèi)者與被捕食者長期的營養(yǎng)關(guān)系。此外，水體中的一些微型浮游生物由于個體較小，難以對其進(jìn)行控制，并且其生活環(huán)境極其復(fù)雜，用傳統(tǒng)的研究方法存在較大困難，用穩(wěn)定同位素技術(shù)能夠更好地揭示物質(zhì)和能量的傳遞，且操作簡便，工作量較小，還具有對環(huán)境無污染、對人體無放射性危害等優(yōu)點。因此用穩(wěn)定同位素技術(shù)的研究方法來研究水生生態(tài)系統(tǒng)就更加具有意義。

2.3 碳、氮穩(wěn)定性同位素在能量來源方面的應(yīng)用

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，碳穩(wěn)定同位素比值（δC）被用來指示食物來源以及分析食性轉(zhuǎn)化，為食物網(wǎng)的食物來源、能量流動、營養(yǎng)級等研究奠定了可靠的基礎(chǔ)。已有研究表明，不同有機(jī)物來源的物質(zhì)碳穩(wěn)定性同位素比值（δC）具有一定差異，在淡水水生生態(tài)系統(tǒng)中，碳源主要有由水生維管束植物、藻類組成的內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)及由土壤有機(jī)物和樹葉碎片及地表徑流輸入到河流中的有機(jī)物組成的外源性營養(yǎng)物質(zhì)兩部分。消費(fèi)者對食物的攝食和吸收不造成顯著的碳同位素分餾，且生態(tài)系統(tǒng)中消費(fèi)者的穩(wěn)定同位素比值與其食物相近，不同種類的初級生產(chǎn)者穩(wěn)定同位素天然豐度有較大區(qū)別，因此可以運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)來較為準(zhǔn)確地判斷動物消費(fèi)者的食物來源及失蹤食物網(wǎng)的能量流動途徑。進(jìn)而深入了解魚類和其他種群或物種之間的捕食及競爭關(guān)系，準(zhǔn)確地評估魚類在生態(tài)系統(tǒng)中的功能和地位，為水域餌料資源的運(yùn)用、種群的養(yǎng)殖馴化及漁產(chǎn)潛力的估算提供更多有益的資料。郭旭鵬等應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)對南黃海兩種鳀科魚類的食物競爭關(guān)系進(jìn)行了探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者對食物存在非常激烈的種間競爭關(guān)系。彭士明等運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)對東海銀鯧（）食性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，東海銀鯧可能的食物來源主要為箭蟲、蝦類、子稚魚、浮游動物、水母類以及頭足類等。張歡等運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究了日本沼蝦（）和秀麗白蝦（）的食物來源及營養(yǎng)生態(tài)位，結(jié)果表明，二者具有相同的主要食物來源，種間競爭關(guān)系非常激烈。

3 結(jié)語

除了上述穩(wěn)定同位素技術(shù)在水生生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用之外，穩(wěn)定同位素技術(shù)還廣泛應(yīng)用于其他方面，如在生物放大作用方面、作為示蹤劑等。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到外源污染時，由于物質(zhì)來源不同，就會導(dǎo)致生物在不同環(huán)境下具有不同的同位素組成，并且在污染物遷移和轉(zhuǎn)化的過程中不發(fā)生明顯變化，分析結(jié)果較為可靠，因而同位素可以作為一種有效污染物示蹤劑。劉敏等運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)對長江口主要有機(jī)物質(zhì)的來源進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的碳氮穩(wěn)定同位素組成受陸源及海源有機(jī)質(zhì)輸入量之間變化的影響。倪兆奎等基于碳氮穩(wěn)定同位素研究了太湖沉積物有機(jī)碳與氮的來源。穩(wěn)定同位素有效用于研究生物對不同污染物的生物放大作用，為治理環(huán)境污染提供理論依據(jù)。