食性分析在海洋生物食物網與生態位研究中的應用

摘要：為歸納攝食生態學中食性分析在海洋生物食物網與生態位研究中的應用情況，首先介紹了攝食生態學研究中食性分析的主要方法，包括傳統方法、生化分析法以及先進的DNA分子技術法。在此基礎上，探討了這些方法在揭示食性轉化、生態位解析等方面的應用進展。同時，也指出了不同方法的應用局限性，并提出可以通過綜合應用多種方法，如傳統胃含物分析法與DNA分子技術相結合，穩定同位素分析與DNA分子技術相結合，可以有效突破單一方法的局限，提升對海洋生物攝食生態學解析的準確性和可靠性。

關鍵詞：食性；傳統方法；生化方法；DNA分子技術

中圖分類號：S9 文獻標志碼：A文章編號：1004-6755（2025）03-0041-06

海洋生態系統蘊藏豐富資源，為人類帶來巨大利益。然而，當前海洋環境正遭受海洋變暖、過度捕撈、棲息地破壞及污染等多重因素影響，導致海洋系統結構和功能的變化。為了深入探究這些變化，評估不同海洋生物在食物網中的關系及其動態演變，已成為海洋生態學研究的重要課題。故攝食生態學應運而生，該學科專注于探究海洋生物群落或生態系統中生物體的攝食關系。目前，通過食性分析方法，開展了許多海洋生物的攝食組成、飲食偏好、生態位、營養級等不同層次的研究，如魚類褐牙鲆（Paralichthys olivaceus）[1]、北極鱈（Boreogadus saida）[2]；甲殼類如脊尾白蝦（Exopalaemon carinicauda） [3]；貝類如大竹蟶（Solen grandis）[4]等。

目前食性分析方法可以主要分為以下三個大類：傳統方法（表1）、生化方法（穩定同位素分析與脂肪酸組成分析法）以及DNA分子技術法。本文根據不同的研究方法特點綜述了食性分析在海洋生物食物網研究中的應用，并對其在生態位方面的研究進展進行了梳理，旨在為生態系統的合理管理和保護提供科學依據。

1傳統方法在海洋生物食物網研究與生態位解析中的應用

傳統方法包括傳統胃含物分析法（stomach content analysis，SCA）、覓食行為觀察法（feeding behavior observation）、自助餐式利用法（cafeteria utilization method）、糞便顯微鑒定法（fecal micro-histological method）以及近紅外反射光譜法（near infrared spectroscopy），其特征如表1所示。以最常用的傳統胃含物分析法為例，闡述其在海洋生物食物網研究中的應用。

在海洋復雜環境中，由于捕食者與被捕食者間的相互作用難以直接觀測，科學家們常借助解剖鏡等觀測儀器來分析胃含物。根據研究側重點，如胃內食物出現頻率（percentage frequency of occurrence，F%）、食物數量占比（percentage by number，N%）、食物體積占比（percentage by volume，V%）、食物重量占比（percentage by weight，W%）以及通過肉眼主觀判斷內容物體積比。傳統胃含物分析又可以分為五種類型，即出現法、數量法、體積法、重量法及主觀推測法。這些方法各自與上述食物組成的單一指數（single index，SI）形式形成了一一對應的關系，然而，由于研究對象、樣本量、環境條件等因素差異，這些食物組成分析指數在實際應用中存在諸多局限性。為了更全面客觀評估食物組成，在此基礎上傳統胃含物分析又引入綜合性指數（comprehensive index，CI），即將多種指數綜合考量并修正為一個獨立參數，如相對重要性指數（index of relative importance，IRI）和絕對重要性指數（absolute importance index，AI）等。其中，相對重要性指數（IRI）與絕對重要性指數（AI）越高，即代表該種食物對生物越重要。分析方法上的不斷進步一定程度上彌補了食性分析可能存在的偏差。Mazlum等[5]對土耳其東南部黑海沿岸的長體西鯡（Alosa immaculata）攝食食性進行了季節性及體長相關性的研究。研究發現，線蟲（Nematoda sp.）和硬骨魚是其主要獵物，相對重要性指數（IRI）分別為59.3%和38．2%。季節性分析顯示，冬季線蟲比例最高（IRI=71.6%），春季次之（50.6%），秋季最低（37.1%）。體長12.0～19.9 cm的長體西鯡胃內含物中線蟲比例較高，而體長24.0～32.8 cm大規格組則攝食更多的硬骨魚。

隨著食性分析研究方法的不斷完善及研究深入，科學家們逐漸認識到食性分析在揭示海洋生物生活史的復雜性方面的重要作用。如劉春陽等[6]采用自助餐式利用法深入探究了海蜇（Rhopilema esculentum）各生長階段的攝食方式與習性，發現其攝食活動晝夜不間斷進行，且攝食習性是被動性的。無論是處于螅狀體、碟狀體還是水母階段，海蜇在攝食時對浮游動物的種類并無特定偏好，而是主要依據浮游動物的尺寸大小進行食物選擇。此外，也有學者從性別、成熟度等多維度分別開展了如莖柔魚（Dosidicus gigas）、大眼金槍魚（Thunnus obesus）及黃鰭金槍魚（T. albacares）等攝食習性（攝食生態學）的研究，以便更好地揭示這些海洋生物在生態系統中的營養結構。

然而，傳統胃含物分析法多依賴于形態學特征進行食物種類解析，盡管該方法能夠覆蓋海洋生物生活史，可以從體長差異、性別特征以及成熟度等多個維度探討目標物種的食物網與生態位，且適用性廣、觀察直接，但局限性不容忽視。具體而言，該方法不僅耗時費力，且對樣本具有破壞性，同時還要求研究者具備廣博的分類學知識。受限于這些主觀與客觀條件，傳統胃含物識別過程往往充滿挑戰，僅能提供約24 h內的攝食信息，有時甚至變得極為困難乃至無法實現。

2生化方法在海洋生物食物網研究與生態位解析中的應用

2.1穩定同位素分析法

穩定同位素分析法（stable isotope analyses，SIA）依據同位素分餾效應，通過分析生物體內重同位素（如13C和15N）與輕同位素（如12C和14N）的比例變化，可以反映生物體在一段時間內的綜合攝食信息及其在食物網中的位置。碳穩定同位素的比例可以用于檢測海洋生物的攝食種類和棲息地變化，而氮穩定同位素則可以用于研究海洋生物個體發育過程中的營養級變化和其所處生態位的營養結構。自20世紀80年代以來，穩定同位素在國內外被廣泛應用于評估生物體內餌料生物的潛在貢獻率、確定消費者營養級、研究生物的食性轉變等領域，并在區分群落營養結構、生態位差異比較、生活史中的食性變化及消費者棲息地可塑性研究方面展現出了巨大價值。Pión-Gimat等[7]利用穩定同位素技術研究墨西哥地區波緣星螺（Megastraea undosa）和大透孔螺（Megathura crenulata）不同餌料生物的潛在貢獻率。研究結果顯示，波緣星螺主要食物來源為鹿角菜（Prionitis cornea）和堅實仙菜（Gelidium robustum），而大透孔螺則主要依賴碎屑和巨藻（Macrocystis pyrifera）。Wang等[8]探索北太平洋柔魚（Ommastrephes bartramii）不同年份及其生活史發育階段的生態位年際與種內變化，采用穩定同位素分析方法對其角質顎不同部位的δ13C和δ15N值特征進行了研究。研究發現，不同階段的柔魚角質顎δ13C和δ15N值存在顯著差異（Plt;0.05）。年份間生態位重疊程度各異，2012年與2016年重疊較高，而與2015年重疊較低。幼魚階段的柔魚在不同年份間攝食的生物餌料種類相似，同位素生態位無顯著差異（Pgt;0．05）。

單體化合物穩定同位素是一種特定化合物的穩定同位素分析技術（compound-specific isotope analysis，CSIA），能夠有效降低生物代謝及生理過程對同位素比值造成的干擾。當前，氨基酸與脂肪酸已成為海洋生物食物網和生態位研究領域中穩定同位素分析的主流單體化合物分子。Giménez等[9]利用氨基酸化合物特定穩定同位素（compound-specific isotope analysis-amino acid，CSIA-AA）量化了西北地中海三個地區沙丁魚（Sardina pilchardus）肌肉的氮穩定同位素（δ15N）值，以及整體氮穩定同位素（bulk δ15N，SIA-bulk）值。研究發現，盡管沙丁魚的SIA-bulk值存在緯度變化，但營養級在各位點間相似，且這種變化主要由同位素基線（食物網中氮源同位素組成）比例驅動。更重要的是，CSIA-AA技術的運用能夠明確區分基線變化與營養變化，從而提供更加精確可靠的營養級評估，并且該技術還有效降低了因缺乏準確的初級生產者區域基線而導致SIA-bulk結果的偏差。

2.2脂肪酸組成分析法

脂肪酸組成分析法 （fatty acid analysis，FA） 是利用脂肪酸在生物體內的高度穩定性和跨營養級的保守傳遞性，通過分析生物體內脂肪酸的組成，可以準確反映其長期食物來源和構成，是食性分析中的一種有效方法。海洋生物對必需脂肪酸，尤其是維持正常代謝功能的脂肪酸，有著不可或缺的需求。然而，這些關鍵脂肪酸無法由海洋生物自身合成，必須通過食物鏈進行攝取。例如，二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）的含量可以作為評估特定海域生物存活狀況的有效標志物（表2）。研究表明，海洋生態系統中n-3族長鏈多不飽和脂肪酸與藻類群落構成密切相關。這些脂肪酸的可用性隨緯度呈現出多樣化的海洋梯度特征，涵蓋了從營養貧瘠的大洋中部到資源豐富的沿海上升流水域，從巖石質海岸到沙質海岸，以及從河口地區至近海環境的廣泛范圍。因此，鑒于脂肪酸在生物長期攝食過程中的累積效應及其結構的相對穩定性，通過測定海洋生物不同組織中的脂肪酸含量，可以準確反映其長期或近期的攝食歷史，從而有效降低了傳統胃含物分析法可能帶來的偶然性誤差。Brown等[10]利用脂肪酸譜作為食性示蹤方法的補充，對底拖網調查采集到的350條尖吻平鲉（Sebastes mentella）和條紋平鲉（S. fasciatus）的脂肪酸譜與其經胃含物分析鑒定到的8種餌料生物脂肪酸譜進行了比較。研究結果顯示，兩種平鲉屬魚類胃含物分析與脂肪酸分析的結果相似。小規格（體長lt;20 cm）和中規格（體長20～30 cm）組，其C16：1n7、C22：1n9及C20：5n3的脂肪酸組成與浮游動物的脂肪酸組成具有較高的相關性；而對于大規格（體長≥30 cm）組，其脂肪酸組成與浮游動物的脂肪酸組成相關性較低。相比之下，兩種大規格的平鲉屬魚類在C18：2n6和C22：6n3的脂肪酸組成上，與其胃內蝦類的脂肪酸組成高度相關，這證實了這兩種魚類對蝦類具有較高的食物選擇性。

同樣，Xu等[11]通過對青島膠州灣潮間帶的長牡蠣（Crassostrea gigas）、紫貽貝（Mytilus galloprovincialis）及潮下帶養殖的櫛孔扇貝（Chlamys farreri）進行脂肪酸和穩定同位素分析，發現養殖櫛孔扇貝體內含有顯著的硅藻標志物，如C16：1/C16：0比值接近1以及C20：5n-3/C22：6n-3的高比例，這表明它們主要以硅藻為食。同時，扇貝組織中還發現了大量細菌和陸源物質的特定脂肪酸生物標志物，暗示其食物中存在細菌和陸源脂肪酸的輸入。相比之下，潮間帶的牡蠣和貽貝則顯示出較高的鞭毛藻標志物（C22：6n-3）以及較低的硅藻標志物（C16：1/C16：0gt;1）含量，說明鞭毛藻也是它們浮游食物來源的重要組成部分。此外，這些潮間帶雙殼貝類體內高水平的綠藻脂肪酸標志物（C18：2n-6和C18：3n-3），表明孔石莼（Ulva pertusa）海藻床為它們提供了重要的食物來源。

傳統胃含物分析僅能提供基于短時間捕食獵物的飲食概況，而脂肪酸譜分析卻能提供時間間隔更長的中期視角。越來越多的研究發現，脂肪酸組成分析能反映海洋生物攝食動態，對理解生態位分化和營養級變遷至關重要，為探索復雜海洋生態系統提供重要支持。

3DNA分子技術在海洋生物食物網研究與生態位解析中的應用

隨著NGS（高通量測序）技術的廣泛應用，DNA宏條形碼技術（DNA metabarcoding）也迎來了飛速發展的機遇。其原理是基于DNA識別技術和高通量測序技術的結合，通過擴增混合樣本中的DNA片段并進行高通量測序，結合生物信息學分析來自動識別出混合樣品中的多個物種。這一技術借助NGS的高通量測序能力，極大地提高了廣食性海洋生物食性分析的分辨率水平，成為解決基于攝食生態學問題的一把利器。DNA宏條形碼技術不僅能夠靈敏地檢測出稀有物種的存在，實現大規模且更高精度的分析，還提供了相對低廉的成本效益，使其在生態學和生物多樣性研究中具有重要的應用價值。更重要的是，DNA宏條形碼技術能夠對海洋生物胃含物或者糞便樣本中的物種組成進行高分辨率表征，為科學家提供更加準確、詳實的食性數據。例如，Rees等[12]利用DNA宏條形碼技術對雙棘鱈鱸（Gadopsis bispinosus）和鱈鱸（G. marmoratus）進行了胃含物分析，發現兩者主要攝食無脊椎動物類群。研究還發現雙棘鱈鱸的餌料中包含12個特有食性分化生物類群，而鱈鱸的餌料中僅有6個特有的食性分化生物類群。

此外，為了全面且準確地獲取目標生物的食性信息，眾多國內外學者設計了多樣化的引物進行分子標記（表3），并通常采取多種引物組合，結合使用不同的PCR體系，以期全面概括目標生物的食性特征。Bessey等[13]同時利用18S真核生物引物序列、16S魚類引物序列及16S甲殼類引物序列詳細分析了菲律賓薄荷島附近捕獲的四種同域蝠鲼，即雙吻前口蝠鲼（Mobulidae birostris）、褐背蝠鲼（M. tarapacana）、日本蝠鲼（M. japanica）和印度蝠鲼（M. thurstoni）的胃含物，并成功鑒定出多種食物分類群，揭示了蝠鲼飲食的復雜性和重疊性，為理解關鍵覓食棲息地食物網的動態變化提供了新視角。

然而，在實際的樣本采集中，大量的干擾效應可能會破壞DNA分子技術在食性分析中的準確性。這些干擾因素包括與研究目標種相關的因素（如個體消化能力、消化時間、自上次進食以來的間隔）、攝入食物的特性（如生物量、獵物的硬化程度）以及環境因素（不僅包括氣象條件，還包括環境化學特性和微生物含量）。所有這些因素都將決定是否能從分析樣本中獲取準確的食性信息。而在樣本處理過程中，不同的胃含物或者糞便保存方式也會影響到DNA測序結果，如Barbato等[14]利用乙醇DNA提取法和組織提取法分別針對侏儒魔鬼魚（M. eregoodootenkee）食性的DNA進行了高通量測序分析，發現使用16S魚類引物時，乙醇DNA提取法得到的操作分類單元（operational taxonomic unit，OTU）多于組織DNA提取法。

4問題與展望

食性分析為揭示海洋生態系統中生物與環境之間的相互作用關系提供了一種強大的工具，能夠使學者更深入地了解海洋生物的食物網與生態位信息。然而，無論是傳統胃含物分析法還是生化分析法，在很大程度上都依賴于視覺分析，這導致它們在分析過程中各自存在一定的局限性。高通量測序技術以其靈敏度高、準確率高、數據通量大且成本相對可控等優勢，在食性分析領域展現出了巨大的潛力。相較于傳統的形態學顯微鑒定方法，DNA分子技術中的DNA宏條形碼技術提高了對消化完全、形態相近食物的分辨率，顯著降低了分析成本，使得食性分析更加高效和經濟。即便如此，DNA宏條形碼技術仍存在一些局限性，在樣本收集前發生的生物學因素和在樣本處理過程中發生的技術因素都可能扭曲這種信號。

綜上所述，鑒于單一研究方法常因其固有的假設條件和局限性，難以全面揭示海洋生物的攝食規律，因此，綜合運用兩種或多種研究方法已成為食性分析更為可取的策略。這種方法在國內外已逐漸得到廣泛認可和應用。例如，在南極電燈魚（Electrona antarctica）的胃含物分析中，Vasiliadis等[15]結合了傳統胃含物分析與DNA宏條形碼測序技術，發現甲殼類和腹足類均是優勢餌料生物，但DNA條形碼測序技術則展現了更高的食性解析分辨率。該研究表明，傳統胃含物分析與DNA宏條形碼測序技術相輔相成，為理解營養相互作用提供了更全面的攝食數據。這些研究方法的結合不僅為我們提供了更全面、深入地理解海洋生態系統結構和功能的新視角，還為瀕危物種保護、物種養殖、增殖放流物種適應性評價等提供了科學依據和有力支持。未來，隨著技術的不斷進步和方法的不斷優化，我們有理由相信，綜合研究方法將在海洋生物攝食規律研究領域發揮更加重要的作用。

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Application of diet analysis in the study of

marine food webs and ecological niches

WANG Liu LIU Ruijiao LIU Qi HU Xiaokun

[1.Dalian Ocean University，Dalian 116023，China;

2. Zhuanghe Comprehensive Agricultural Administrative Law Enforcement Team （Zhuanghe Marine and Fisheries

Administrative Law Enforcement Team），Dalian 116499，China;

3.Dalian Marine Development Affairs Service Center，Dalian 116113，China]

Abstract：To summarize the application of feeding habits assessing in feeding ecology on research of marine food webs and ecological niches，firstly the primary methods for assessing feeding habits were introduced，including traditional approaches，biochemical analyses，and advanced DNA molecular techniques.Building upon this foundation，" the advancements were discussed in the application of these methods in revealing dietary shifts and ecological niche comparisons.Additionally，the limitations of different methodologies were highlighted，and it was proposed that a comprehensive application of multiple methods，such as the combination of stomach content analysis with DNA molecular techniques，as well as the integration of stable isotope analysis with DNA molecular techniques，can effectively overcome the limitations of singular approaches，enhancing the accuracy and reliability of analyses in marine trophic ecology.

Key words：diet analysis; traditional approaches; biochemical analyses; DNA molecular techniques

（收稿日期：2024-11-04）