穩(wěn)定同位素分析在鳥(niǎo)類(lèi)食性及營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

王 玄, 江紅星, 張亞楠

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所， 國(guó)家林業(yè)局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

穩(wěn)定同位素分析在鳥(niǎo)類(lèi)食性及營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

王 玄, 江紅星*, 張亞楠

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所， 國(guó)家林業(yè)局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

穩(wěn)定同位素分析(stable isotope analysis, SIA)自20世紀(jì)70年代末引入鳥(niǎo)類(lèi)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域以來(lái)，在研究鳥(niǎo)類(lèi)食性和營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景?？偨Y(jié)了該技術(shù)在鳥(niǎo)類(lèi)食源組成和營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)方面研究的前期準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)流程、數(shù)據(jù)分析和研究進(jìn)展等，重點(diǎn)闡述了其在鳥(niǎo)類(lèi)保護(hù)與管理方面的應(yīng)用。鑒于穩(wěn)定同位素在生物體內(nèi)存在分餾現(xiàn)象，從鳥(niǎo)類(lèi)不同組織和部位對(duì)營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子、轉(zhuǎn)化周期、同位素印記的差異，提出了完善該方法的建議和應(yīng)用前景。

穩(wěn)定同位素; 營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子; 鳥(niǎo)類(lèi)食性; 營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu); 保護(hù)與管理

自然界中，食物、水和隱蔽物是動(dòng)物生存的3大基本要素[1]。動(dòng)物食性分析是了解動(dòng)物與環(huán)境的相互關(guān)系，掌握其食物來(lái)源和營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置，以及開(kāi)展資源管理與物種保護(hù)的前提和基礎(chǔ)[2-3]。傳統(tǒng)的食性分析方法包括直接觀察法[4]、嗉囊胃容物分析法[5-6]、糞便顯微分析法[7]等，均能直接反映一定時(shí)間尺度下動(dòng)物的主要食物來(lái)源。隨著人類(lèi)認(rèn)知能力和研究水平的提高，這些方法表現(xiàn)出一定的時(shí)空偶然性[8]，不能充分反映食物在能量流動(dòng)過(guò)程中的同化比例[9]。

穩(wěn)定同位素技術(shù)自20世紀(jì)70年代引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，在確定動(dòng)物食物來(lái)源[10-11]、構(gòu)建食物鏈與食物網(wǎng)[12- 14]以及追蹤動(dòng)物遷徙[15- 17]等方面取得了重要進(jìn)展。在動(dòng)物食性研究方面，穩(wěn)定同位素技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)方法的局限性，還展示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：(1)可以反映動(dòng)物與食物之間較長(zhǎng)時(shí)間的取食關(guān)系[18- 20]；(2)可以連續(xù)測(cè)出動(dòng)物在食物網(wǎng)中的營(yíng)養(yǎng)位置，真實(shí)反映動(dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)中的位置和作用[21-22]；(3)可以通過(guò)對(duì)古化石的研究確定滅絕物種的食性信息[23- 25]；(4)還可以通過(guò)對(duì)瀕臨滅絕物種的穩(wěn)定同位素的研究指導(dǎo)動(dòng)物覓食棲息地的修復(fù)與重建[26-27]。

鳥(niǎo)類(lèi)是動(dòng)物界中最為常見(jiàn)、易于觀察的物種，通常作為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的指示物種[28]。長(zhǎng)期以來(lái)，鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)家一直關(guān)注鳥(niǎo)類(lèi)食性研究。隨著穩(wěn)定同位素技術(shù)的發(fā)展，鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)家在食物來(lái)源和營(yíng)養(yǎng)級(jí)研究中極大的豐富和完善了這一技術(shù)[9, 18, 29- 32]。本文從穩(wěn)定同位素技術(shù)原理、常見(jiàn)鳥(niǎo)類(lèi)穩(wěn)定同位素食性分析的樣品類(lèi)別、穩(wěn)定同位素技術(shù)在鳥(niǎo)類(lèi)食性組成和營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置研究中的應(yīng)用等方面，對(duì)目前穩(wěn)定同位素技術(shù)在鳥(niǎo)類(lèi)食性研究中的最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并提出有待解決的問(wèn)題及今后的研究方向。

1 常用穩(wěn)定同位素及其表達(dá)方式

食性研究中常用的穩(wěn)定同位素有碳(12C和13C)和氮(14N和15N)[18, 29, 33]。通常將機(jī)體的穩(wěn)定性同位素的絕對(duì)含量與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)后進(jìn)行研究，一般用δ13C(13C/12C)和δ15N(15N/14N)來(lái)分別表示機(jī)體內(nèi)這兩種穩(wěn)定性同位素的豐度：

δX=[(R樣/R標(biāo))-1]×103

式中，δX為δ13C或δ15N，R樣為所測(cè)樣品的13C/12C或15N/14N,R標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的13C/12C或15N/14N[34]。δ13C值是相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)PDB(R標(biāo)=0.0112372)的豐度，δ15N值是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣氮(R標(biāo)=0.0036765)的豐度[35]。

由于同一元素的不同同位素間原子量不同，導(dǎo)致其化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)存在差異，這種現(xiàn)象稱(chēng)為同位素效應(yīng)(Isotope effect)[36-37]。由于同位素效應(yīng)的存在，較重的同位素更容易在機(jī)體內(nèi)得到保留，而較輕的同位素更容易被機(jī)體代謝排出體外，穩(wěn)定同位素的值在捕食者和食物之間產(chǎn)生了一個(gè)差值，這一差值稱(chēng)為營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子(Diet-tissue fractionation factors)[38- 41]，若以“Δ”表示，則：

ΔX=δX樣本-δX食物

式中，ΔX表示Δ13C或Δ15N，δX樣本表示捕食者血液或組織的穩(wěn)定同位素碳或氮的豐度值，δX食物表示食物中穩(wěn)定同位素碳或氮的豐度。

穩(wěn)定同位素能夠得到廣泛應(yīng)用依賴(lài)于以下2點(diǎn)：(1)穩(wěn)定同位素的值在鳥(niǎo)類(lèi)機(jī)體和食物之間是以一種可預(yù)測(cè)的方式進(jìn)行傳遞；(2)穩(wěn)定同位素值在鳥(niǎo)類(lèi)機(jī)體不同部位轉(zhuǎn)化速率不同，所以不同部位樣本的穩(wěn)定同位素值反映不同時(shí)間尺度的食性信息，如有遷徙或移動(dòng)行為，則可反映不同空間尺度的食性信息[42]。

2 SIA的工作流程

2.1 確定研究目的，選擇合適的穩(wěn)定同位素

受生理、技術(shù)等因素的影響，能夠用于食性分析的穩(wěn)定同位素種類(lèi)并不多，穩(wěn)定碳同位素(13C/12C)在營(yíng)養(yǎng)級(jí)間傳遞時(shí)分餾效應(yīng)不明顯，富集因子較小，是用于食源組成研究的理想元素[43]；穩(wěn)定氮同位素(15N/14N)在食物與捕食者組織間存在穩(wěn)定且較大的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子，因此常被用于食源組成和營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)的分析[43- 45]；穩(wěn)定硫同位素 (33S/32S)較少應(yīng)用，但為提高分析準(zhǔn)確性，穩(wěn)定硫同位素在食源種類(lèi)較多時(shí)也被使用[21, 46]。此外，數(shù)據(jù)分析時(shí)一般要求各食源之間穩(wěn)定同位素值存在顯著差異，否則會(huì)低估取食較多的食源，而高估取食較少的食源[12, 47]。

2.2 本底樣品采集

收集可能被研究對(duì)象取食的食物種類(lèi)。為了減少樣本分析的數(shù)據(jù)量、減小食物組成的種類(lèi)和提高分析的精度，一般需要一些輔助手段，如直接觀察法、胃內(nèi)容物分析法、糞便顯微分析法等，然后根據(jù)這些傳統(tǒng)手段大致確定食物組成范圍[12, 47-48]。

2.3 鳥(niǎo)類(lèi)研究樣品的采集

鳥(niǎo)類(lèi)的穩(wěn)定同位素分析樣品眾多，應(yīng)根據(jù)研究目的選擇合適樣品，并盡量減少對(duì)水鳥(niǎo)造成的傷害，血漿一般反映短期攝入的食物特征，而羽毛可以反映在換羽地點(diǎn)(對(duì)候鳥(niǎo)也許是幾千公里之外)的食物信息，常用的鳥(niǎo)類(lèi)樣品類(lèi)別與采集方式見(jiàn)表1。

表1 穩(wěn)定同位素分析常用的鳥(niǎo)類(lèi)樣品類(lèi)別與采集方式

血液樣本的采集依據(jù)鳥(niǎo)類(lèi)體型大小，一般有翅靜脈和頸靜脈等取血方式，取血量1—2ml即可[48-49]。采集的全血可通過(guò)離心分離出血細(xì)胞和血漿，獲取新的研究樣本[50-51]。

鳥(niǎo)類(lèi)的換羽有其各自的規(guī)律，應(yīng)根據(jù)研究目的選擇合適部位的羽毛，一般選擇新長(zhǎng)出的初級(jí)飛羽和尾羽。為避免取整根羽毛對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行構(gòu)成的影響，建議揀取剛脫落的羽毛或剪取所需部位羽毛末端2—4cm[42, 52-53]。

肌肉組織含有一定量的脂肪，對(duì)穩(wěn)定碳同位素值會(huì)產(chǎn)生較大影響，為減少實(shí)驗(yàn)誤差，建議采集脂肪含量較少的胸部或大腿上的肌肉組織，1—2g即可達(dá)到測(cè)定需求[54-55]。

用于穩(wěn)定同位素分析的樣品還包括：肝臟、腎臟、心臟、皮膚、大腦和骨骼等[49-51, 55-56]，由于對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)傷害較大，在食性研究中受到限制。

2.4 樣品的保存

樣本完好的從野外保存至實(shí)驗(yàn)室是穩(wěn)定同位素準(zhǔn)確測(cè)定的前提，保存的原則是不因添加的保存物質(zhì)而改變樣品的穩(wěn)定同位素比例，也不因保存方法問(wèn)題導(dǎo)致樣品的輕同位素或重同位素的比例發(fā)生變化[57]。血液、肌肉和羽毛等組織樣本最常用保存方法是冷凍法，需在采樣后2h內(nèi)保存[58]。若野外無(wú)冷凍條件，且需保存時(shí)間較長(zhǎng)，使用烘箱干燥、空氣干燥、70%酒精浸泡等方法也可得到較好的保存效果[8]。樣品保存中，冷凍保存不宜超過(guò)30d，70%酒精浸泡保存不宜超過(guò)60d[58]。對(duì)于羽毛，僅常溫密封保存即可滿(mǎn)足測(cè)定要求[59-60]。

2.5 樣品送檢前的預(yù)處理

2.5.1 干燥

干燥的目的是除去樣品中的水分，便于研磨成粉。將樣品放在透氣性好且耐高溫的器具或取樣袋中，然后在60—70℃的恒溫干燥箱中干燥24—48 h，至恒重后及時(shí)研磨成粉末，若樣品返潮，不僅給磨樣造成困難，且影響同位素?cái)?shù)據(jù)[51]。對(duì)于血液，常采用冷凍干燥法[47, 51, 61]。

2.5.2 脫脂處理

脫脂的目的是剔除肌肉、內(nèi)臟和骨膠原等組織中的脂肪和羽毛上的油脂，因?yàn)橹镜拇嬖谑箻悠分笑?3C的值降低[42, 62- 64]。剔除方法是將樣品放在裝有氯仿和甲醇溶液(比例是2∶1)的索氏提取儀中加熱煮沸20min，可用氫氧化鈉代替氯仿[65]。因脫脂對(duì)穩(wěn)定氮同位素的測(cè)定有負(fù)面影響，所以在脫脂前將樣品分為兩份，一份脫脂處理后測(cè)定穩(wěn)定碳同位素含量，另一份不作脫脂處理，用于測(cè)定穩(wěn)定氮同位素含量[51, 62]。

2.5.3 酸化處理

酸化的目的是除去樣品中的無(wú)機(jī)碳，消除外源性無(wú)機(jī)碳對(duì)樣品測(cè)定的影響，所有采集的樣品均需要酸化[66]。將樣品適當(dāng)粉碎后，倒入適量濃度為0.5mol/L的鹽酸中，每間隔1h用玻璃棒攪拌一次使之充分反應(yīng)，反應(yīng)至少6h后，靜置沉淀，倒掉上層清夜，再用去離子水?dāng)嚢柘礈欤o置沉淀，傾倒上層清夜，重復(fù)3—4次，充分洗凈過(guò)量鹽酸，然后烘干樣品[26, 38, 44]。

2.5.4 充分研磨、過(guò)篩和保存

烘干后的樣品需粉碎才能進(jìn)行分析，為了保證樣品的均勻，應(yīng)將樣品充分研磨。粉碎可以用研缽、球磨機(jī)或混合磨碎機(jī)等處理，磨好的樣品放于密封錫帽內(nèi)或干凈的離心管內(nèi)，貼上標(biāo)簽，低溫保存[67-68]。

2.6 穩(wěn)定同位素測(cè)定的技術(shù)支持

同位素比率質(zhì)譜儀(Isotope Ratio Mass Spectrometers, IRMS)是近些年發(fā)展起來(lái)的用于測(cè)定某些穩(wěn)定同位素組成的連續(xù)流進(jìn)樣系統(tǒng)，由元素分析儀和質(zhì)譜分析儀組成[69-70]。與之前的雙路進(jìn)樣系統(tǒng)相比，其特點(diǎn)是測(cè)試速度快，樣品用量小(微克級(jí))，能精確測(cè)定元素的同位素比值[37]。

3 穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)分析

3.1 營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子的確定

營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子是準(zhǔn)確確定鳥(niǎo)類(lèi)食源組成和營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置的基本前提，為提高分析精度，測(cè)定的穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)富集因子矯正后輸入分析模型[51, 71]。實(shí)際研究中，營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子并非都是通過(guò)室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確獲取。大量研究結(jié)果表明獻(xiàn)，同一科屬的鳥(niǎo)類(lèi)中生境類(lèi)型、取食習(xí)性和個(gè)體大小相近的種類(lèi)，營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子差異并不顯著[40, 51, 72-73]。鑒于此，Caut等人于2009年[41]收集了66種期刊近300個(gè)物種的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子，并按種類(lèi)、生境和組織進(jìn)行了分類(lèi)歸納，表2顯示鳥(niǎo)類(lèi)各組織與食物之間的δ13C和δ15N的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子的均值和標(biāo)準(zhǔn)誤。該均值與Peterson和Fry[18]在1987年的結(jié)論相比更接近于真實(shí)值，并且得到了研究者的認(rèn)可，在難以獲取準(zhǔn)確的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子的情況下可采用該數(shù)據(jù)代替[41, 48,74- 76]。

表2 鳥(niǎo)類(lèi)各組織與其食源之間穩(wěn)定碳、氮同位素的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子[41]

3.2 確定食源組成的數(shù)據(jù)分析模型

用于食源貢獻(xiàn)率分析的數(shù)據(jù)模型有很多，但各有特點(diǎn)，應(yīng)依據(jù)研究目的、同位素種類(lèi)和數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇合適的模型。常用穩(wěn)定同位素分析的數(shù)據(jù)模型及其優(yōu)缺點(diǎn)詳見(jiàn)表3。

對(duì)2—3種食源的分析，可使用穩(wěn)定同位素質(zhì)量平衡方程(mass-balance mixing model)來(lái)實(shí)現(xiàn)。穩(wěn)定同位素在時(shí)間尺度上是守恒的，且在不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)間以可預(yù)測(cè)的方式傳遞，利用質(zhì)量平衡方程計(jì)算食物源的相對(duì)貢獻(xiàn)比例既簡(jiǎn)單又快捷[77- 79]：

式中，δXsample表示消費(fèi)者穩(wěn)定同位素X(如δ13C或δ15N)的相對(duì)含量；fi為第i個(gè)食源的貢獻(xiàn)率；δXsourcei表示第i個(gè)食源的穩(wěn)定同位素X的相對(duì)含量；ΔX′為所測(cè)定的穩(wěn)定同位素X在食源與機(jī)體之間的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子。

若只測(cè)定樣本和食源的一種穩(wěn)定同位素的相對(duì)含量(如δ13C)，則可組成兩個(gè)方程，可確定兩種食物源的貢獻(xiàn)：

δ13CSample=δ13CSource 1×f1+δ13CSource2×f2, f1+f2=1

式中，δSample為經(jīng)營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子校正后的樣本的穩(wěn)定同位素值，δSource 1和δSource2為2種食源的穩(wěn)定同位素值，f1和f2為這2種食源的貢獻(xiàn)比例。如將測(cè)定的樣本和食源的2種穩(wěn)定同位素值(如δ13C和δ15N)代入質(zhì)量平衡方程可確定3種食源的貢獻(xiàn)，即測(cè)定樣本和食源的n種穩(wěn)定同位素可以確定n+1種食源的貢獻(xiàn)率。

表3 計(jì)算食物來(lái)源相對(duì)貢獻(xiàn)率的常用穩(wěn)定同位素分析模型及其適用范圍[80]

當(dāng)要解決更多食源問(wèn)題(n>3種食物源) 時(shí)，則需要更為復(fù)雜的模型來(lái)計(jì)算每種食物源的貢獻(xiàn)比例范圍[80]。近年來(lái)，新的混合模型不斷涌現(xiàn)，其中由Phillips等提出的線形混合模型是其中討論較多的一種[81]。Phillips及其同事還開(kāi)發(fā)出了一種相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析軟件IsoSource (http://www.epa.gov/wed/pages/models/stableIsotopes/isosource/isosource.htm)。該軟件適用于兩種同位素下多種食源(3—10種)比例的確定，主要依據(jù)不同步長(zhǎng)下的多次積分得到食物的相對(duì)比例。當(dāng)有太多的食物資源而無(wú)法確定唯一的解時(shí)(n個(gè)同位素值卻有>n+1種食源)，可通過(guò)同位素比率信息來(lái)確定可能食物資源對(duì)混合物(消費(fèi)者)的貢獻(xiàn)范圍。每種資源貢獻(xiàn)范圍(0—100%)的所有可能組合在小范圍的增量(increments，如1%)中都被進(jìn)行檢查分析，把各個(gè)組合中觀測(cè)到的混合同位素信息相加，如果之和在一個(gè)較小的忍受范圍內(nèi)(tolerance，如±0.01)，那么這個(gè)組合就被認(rèn)為是合適的解，從而可以確定潛在食物資源貢獻(xiàn)的頻率和范圍[77,81- 83]。

穩(wěn)定同位素分析中可能存在很多不確定因素(如標(biāo)準(zhǔn)差、富集因子、同位素值的多變性等)，這些不確定因素對(duì)數(shù)據(jù)的分析有很大影響。貝葉斯混合模型(Bayesian isotope mixing model)[86]通過(guò)綜合先驗(yàn)信息，整合不確定因素，來(lái)明確比較競(jìng)爭(zhēng)模型或參數(shù)值的支持強(qiáng)度。同時(shí)，該模型引入“取樣-重要性-再取樣(sampling-importance-resampling，SIR)”的運(yùn)算法則，進(jìn)行食源貢獻(xiàn)率的后驗(yàn)概率檢驗(yàn)，提高了數(shù)據(jù)分析的精度，是對(duì)IsoSource軟件的豐富和發(fā)展[85]?？紤]到復(fù)合食源、富集因子和同位素比值等的不確定性，模型運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整變量數(shù)量、迭次量級(jí)和食源先驗(yàn)信息等來(lái)提高不同食源貢獻(xiàn)率的估計(jì)精度。目前，該模型得到了廣泛地應(yīng)用，并取得了較好的效果[4,74,87-90]。可供選擇的貝葉斯模型有MixSIA(http://conserver.iugo-cafe.org/user/brice.semmens/MixSIR)[85]和SIAR(http://cran.r-project.org/web /packages/siar/index.html)[87]。

3.3 確定營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析方法

一般情況下，穩(wěn)定氮同位素(δ15N)在相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)間所產(chǎn)生的富集因子(Δδ15N)在3‰—5‰之間，較穩(wěn)定碳同位素產(chǎn)生的富集因子大且較為恒定[18]。根據(jù)相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)間動(dòng)物組織的δ15N和生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)消費(fèi)者(或初級(jí)生產(chǎn)者)的δ15N就可以劃分動(dòng)物在該生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置：

式中,TP代表特定物種的營(yíng)養(yǎng)位置，λ表示食物鏈基底生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置(若δ15N基線取初級(jí)生產(chǎn)者的氮同位素比率，λ取1；若以初級(jí)消費(fèi)者為基線，λ取2)，δ15N消費(fèi)者表示消費(fèi)者的穩(wěn)定氮同位素比率，δ15N基線表示基線生物的穩(wěn)定氮同位素比值，Δδ15N是該生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子[91]。

δ15N基線和Δδ15N值隨地理位置和生態(tài)系統(tǒng)(陸地或海洋生態(tài)系統(tǒng))的改變而改變[91]。因δ13C值在相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)間富集因子(Δδ13C)并不明顯，僅為0.4‰—1.0‰，使δ13C值在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)級(jí)研究中不被廣泛應(yīng)用[91]。從營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置的計(jì)算公式可以看出，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)基線生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響。目前對(duì)基線營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子的獲取方法有兩種：一種是在室內(nèi)嚴(yán)格控制的條件下，測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)象與其單一餌料間穩(wěn)定氮同位素的差值；另一種方法是選用野外生態(tài)系統(tǒng)中食源相對(duì)簡(jiǎn)單的生物，測(cè)量其組織與食源間的穩(wěn)定氮同位素的差值。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)控制了實(shí)驗(yàn)對(duì)象和餌料組成，但室內(nèi)條件下生物的代謝活動(dòng)、消化吸收率和餌料組成等均與其自然生態(tài)系統(tǒng)下存在較大差異，很難獲取動(dòng)物在自然狀態(tài)下真實(shí)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子[92]，針對(duì)這種情況，許多研究者采用基線營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子的統(tǒng)計(jì)平均值或幾個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值并用[93]。

4 SIA在鳥(niǎo)類(lèi)食性及營(yíng)養(yǎng)級(jí)中的研究現(xiàn)狀

4.1 食源組成成分的確定

動(dòng)物取食食物后，通過(guò)代謝作用，機(jī)體的穩(wěn)定性同位素δ13C值和δ15N值會(huì)因同化了不同同位素比率的食物而發(fā)生變化[38]，穩(wěn)定同位素比值在機(jī)體與組織間存在一個(gè)常量(即營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子)，借助分析模型即可得到各食源的貢獻(xiàn)比例[9, 26, 38]。穩(wěn)定同位素技術(shù)是目前公認(rèn)的用于研究遷徙鳥(niǎo)類(lèi)食性時(shí)空變化的最佳手段[48,94]。

4.1.1 不同時(shí)間尺度上的食性研究

鳥(niǎo)類(lèi)不同組織的代謝速度不同[95-96]，不同組織的穩(wěn)定同位素分餾水平和轉(zhuǎn)化周期也不盡相同，攝食后代謝較快的組織反映的是短時(shí)間尺度的食性信息，代謝較慢的組織反映的是長(zhǎng)時(shí)間尺度的食性信息，這是穩(wěn)定同位素技術(shù)在確定鳥(niǎo)類(lèi)食源組成上區(qū)別于其他方法的最大優(yōu)點(diǎn)[15, 29, 56,97]。

Hobson等[49, 98]通過(guò)對(duì)人工飼養(yǎng)的日本鵪鶉(Coturnixjaponic)血液和組織的穩(wěn)定同位素研究發(fā)現(xiàn)，血清中穩(wěn)定碳同位素值反映的是日本鵪鶉1周左右的食性信息，血細(xì)胞能夠反映其兩個(gè)月左右的食性信息，全血和脫脂后胸肌則能夠反映其3周左右的食性信息，而代謝較慢的羽毛和骨膠原等反映的卻是其幾百天到幾年的食性信息，在短嘴鴉(Corvusbrachyrhyncho)[49]、黑腹濱鷸(Calidrisalpinapacifica)[51]、黃腹鷦鶯(Dendroicacoronata)[60]和園鶯(Sylviaborin)[99]等鳥(niǎo)類(lèi)研究中均得到相似的轉(zhuǎn)化規(guī)律。

鳥(niǎo)卵、雛鳥(niǎo)和正羽(飛羽和尾羽)是用于穩(wěn)定性同位素時(shí)間特征分析的理想材料[52]。鳥(niǎo)卵的營(yíng)養(yǎng)成分全部由產(chǎn)卵的雌鳥(niǎo)的食物成分轉(zhuǎn)化而來(lái)，直接地反映了雌鳥(niǎo)在產(chǎn)卵繁殖期間的食性信息[100]。雛鳥(niǎo)的血液及組織完全由繁殖地所獲得的食物轉(zhuǎn)化而來(lái)，反映了雛鳥(niǎo)在育雛期的食性信息[11, 48]。鳥(niǎo)類(lèi)通常有換羽的習(xí)性，換羽方式可分為完全換羽和不完全換羽，初級(jí)飛羽、次級(jí)飛羽和尾羽的更換都有一定的規(guī)律，且更換的時(shí)間尺度也長(zhǎng)短不一[101]，因此，采集研究羽毛樣本前須了解研究對(duì)象的換羽情況。Cherel等[52]在了解黑眉信天翁尾羽更換順序后采集了尾羽最外側(cè)和中間羽毛，分別代表了黑眉信天翁(Diomedeamelanophrys)在冬羽換羽開(kāi)始到換羽結(jié)束的食性信息。

4.1.2 不同空間尺度上的食性研究

世界上現(xiàn)存鳥(niǎo)類(lèi)有9755種[102]，其中候鳥(niǎo)有5000多種[103]，每年隨季節(jié)的轉(zhuǎn)變，候鳥(niǎo)在繁殖地和越冬地之間進(jìn)行有規(guī)律的遷居，遷徙途中會(huì)選擇補(bǔ)充能量的停歇地。繁殖地、越冬地和停歇地的食性反映了候鳥(niǎo)食性在空間尺度上的變化，對(duì)候鳥(niǎo)遷徙通道的保護(hù)有很大的作用，受到鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)家的關(guān)注[53]。

準(zhǔn)時(shí)到達(dá)繁殖地是遷徙鳥(niǎo)類(lèi)繁殖成功的重要保證，Marra等[104]在1995—1996年利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)對(duì)美洲紅尾鷗(Setophagaruticilla)繁殖地和越冬地的食性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)紅尾鷗冬季棲息地食物資源非常有限，且越冬地的質(zhì)量與春季遷回繁殖地的時(shí)間有密切關(guān)系。如果越冬地質(zhì)量較差，紅尾鷗到達(dá)繁殖地的時(shí)間就會(huì)提前或推遲，進(jìn)而影響到它次年的繁殖活動(dòng)。Minami等[105]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)灰鹱(Puffinusgriseus)和短尾鹱(P.tenuirostris)從南到北遷徙過(guò)程中的食性研究中發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)物種的同位素組成隨著他們從南半球到北太平洋的遷移而增加。且在日本北部的沿海海域灰鹱的δ13C和δ15N值均顯著高于短尾鹱，然而在北太平洋海域兩種鹱的δ15N并無(wú)顯著差異，灰鹱的δ13C卻顯著高于短尾鹱。近海與遠(yuǎn)洋地理種群之間的穩(wěn)定同位素的差異，反映出它們食性變化上的差異。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)分析

穩(wěn)定性碳、氮同位素技術(shù)被應(yīng)用于分析生態(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)關(guān)系，是較為實(shí)用、準(zhǔn)確和簡(jiǎn)單的一種方法，只需測(cè)定消費(fèi)者組織和初級(jí)生產(chǎn)者的同位素比值，就可以推斷它們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置。

4.2.1 確定研究對(duì)象在生態(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置

穩(wěn)定同位素技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)研究中提出了新的劃分方法，傳統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)研究只能得到物種的整數(shù)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，而新的營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)是連續(xù)的，這種表現(xiàn)方式更準(zhǔn)確，因?yàn)檠芯繉?duì)象在食物網(wǎng)中并非取食單一食物種類(lèi)，雜食性鳥(niǎo)類(lèi)既取食植物性食物又取食動(dòng)物性食物，傳統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)劃分方法則不能準(zhǔn)確的反映這一現(xiàn)象[80,106]。這種新的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置不僅可以反映各物種在系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)位置和取食關(guān)系，而且也可以反映物種對(duì)物質(zhì)的代謝水平以及環(huán)境因素差異所引起的營(yíng)養(yǎng)狀況和營(yíng)養(yǎng)模式的改變[107- 109]。

Becker等[23]2006年通過(guò)對(duì)比加利福尼亞沿海岸100a前和現(xiàn)在斑海雀(Brachyramphusmarmoratus)羽毛中的穩(wěn)定碳氮同位素比值(δ13C和δ15N)發(fā)現(xiàn)，隨著人類(lèi)對(duì)沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)漁業(yè)資源的過(guò)度捕撈，斑海雀食物資源顯著降低，導(dǎo)致其在生態(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置顯著下降。Procházka等[14]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)非洲4種取食不同食物鳥(niǎo)類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置研究中發(fā)現(xiàn)，紅嘴黑頂梅花雀(Estrildanonnula)和查氏扇尾鶯(Cisticolachubbi)的生態(tài)位較窄，而北非雙領(lǐng)花蜜鳥(niǎo)(Cinnyrisreichenowi)和西綠鵯(Andropadustephrolaemus)卻有較寬的取食生態(tài)位。

4.2.2 確定鳥(niǎo)類(lèi)所在生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定同位素確定的營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)方法相比較，能夠準(zhǔn)確反映能量沿營(yíng)養(yǎng)級(jí)的流動(dòng)和在物種之間的分配，間接地反映物種之間尤其是相近種之間取食生態(tài)位的分離和重疊程度[109]。在物種種內(nèi)與種間關(guān)系的研究上都有很深遠(yuǎn)的意義[8,110]。

Thompson等[111]通過(guò)穩(wěn)定同位素分析，確定了冰島上6種海鳥(niǎo)各自的食物組成和營(yíng)養(yǎng)關(guān)系，F(xiàn)orero等[100]在對(duì)地中海地區(qū)海鳥(niǎo)的研究中建立了該地區(qū)海鳥(niǎo)及食源之間的營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)闡述了穩(wěn)定碳氮同位素在鳥(niǎo)類(lèi)生態(tài)學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用前景。楊月琴等[109]于2008年4—6月對(duì)青海湖的8種優(yōu)勢(shì)水鳥(niǎo)進(jìn)行了穩(wěn)定同位素分析，將其劃分為3個(gè)明顯的營(yíng)養(yǎng)級(jí)群體，普通鸕鶿(Phalacrocoraxcarbo)、棕頭鷗(Larusbrunnicephalus)、漁鷗(L.ichthyaetus)和鳳頭(Podicepscristatus)主要取食各種魚(yú)類(lèi)，穩(wěn)定同位素值最高，屬于最高的營(yíng)養(yǎng)級(jí)群體；赤麻鴨(Tadornaferruginea)、紅腳鷸(Tringatotanus)和普通燕鷗(Sternahirundo)取食魚(yú)類(lèi)、浮游動(dòng)物和昆蟲(chóng)，穩(wěn)定同位素值處在中間，屬于第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)群體；而斑頭雁(Anserindicus)主要取食植物性食物，穩(wěn)定同位素值較低，屬于最低的營(yíng)養(yǎng)級(jí)群體。因此，通過(guò)該研究可以了解高低能量的食物在生態(tài)系統(tǒng)中的流動(dòng)及分配情況。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)野生動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了較大影響。易現(xiàn)峰等[112]在2002年4—7月間利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)主要生物的捕食關(guān)系，確定了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中5條主要的食物鏈，21世紀(jì)初，由于當(dāng)?shù)鼐用翊笠?guī)模滅鼠，導(dǎo)致以田鼠為主要食物的大鵟(Buteohemilasius)的食物結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，主要食物來(lái)源由原來(lái)的小型哺乳類(lèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槿感文盔B(niǎo)類(lèi)。

5 SIA在鳥(niǎo)類(lèi)保護(hù)與管理方面的應(yīng)用

穩(wěn)定碳氮同位素分析不僅在鳥(niǎo)類(lèi)食性及營(yíng)養(yǎng)級(jí)的基礎(chǔ)研究中起重要作用，而且在鳥(niǎo)類(lèi)生態(tài)學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)了強(qiáng)大發(fā)展?jié)摿68,113-114]。對(duì)于鳥(niǎo)類(lèi)，尤其是瀕危候鳥(niǎo)，其食性隨著生境在時(shí)間和空間尺度上的變化而發(fā)生變化，利用穩(wěn)定同位素技術(shù)結(jié)合相關(guān)研究手段可以從食性的角度，探究和解釋食性與繁殖和種群動(dòng)態(tài)之間的關(guān)系，進(jìn)而從食性角度為物種保護(hù)和覓食生境恢復(fù)提供指導(dǎo)[24]。

5.1 評(píng)估棲息地變化對(duì)種群繁殖的影響

棲息地(或生境)指動(dòng)物生活的周?chē)h(huán)境，對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)而言，棲息地就是個(gè)體、種群或群落在其某一生活史階段(比如繁殖期、越冬期)所占據(jù)的環(huán)境類(lèi)型，是其各種生命活動(dòng)的場(chǎng)所[101]。然而，不斷的資源開(kāi)采和土地覆被的改變對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)棲息環(huán)境造成了較大的影響，其中食物資源減少和繁殖成功率降低是物種長(zhǎng)久發(fā)展的最大障礙[101]。

穩(wěn)定同位素技術(shù)結(jié)合相關(guān)研究手段能夠合理的評(píng)估生境變化對(duì)種群繁殖的影響。Ramírez等[48]利用同位素和遙感技術(shù)，研究了自然和人工棲息地的變化對(duì)細(xì)嘴鷗(Chroicocephalusgenei)種群大小和繁殖參數(shù)的影響。結(jié)果顯示，在自然濕地減小的情況下，鹽場(chǎng)作為細(xì)嘴鷗的替代棲息地，扮演了越來(lái)越重要的角色；而漁場(chǎng)等人工濕地的建立，對(duì)細(xì)嘴鷗自然棲息地喪失起到了一定的緩沖作用，但食源結(jié)構(gòu)的改變降低了其繁殖產(chǎn)出。Ma等[74]于2007—2008年利用同位素技術(shù)對(duì)上海崇明東灘外來(lái)物種互花米草(Spartinaalterniflora)群落中最新記錄到的斑背大尾鶯(Locustellapryeri)的食性、棲息地利用和繁殖成功率進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在蘆葦和互花米草混合群落中，斑背大尾鶯主要營(yíng)巢和取食于互花米草；其種群數(shù)量也隨著互花米草的快速擴(kuò)展而增加。這說(shuō)明互花米草的入侵，不僅改變了原生鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)促進(jìn)了非本土物種斑背大尾鶯的集聚與繁衍。

5.2 探究種群數(shù)量波動(dòng)的原因

人類(lèi)對(duì)自然資源的過(guò)度索取使許多鳥(niǎo)類(lèi)喪失棲息地甚至發(fā)生食物鏈的斷裂，最終導(dǎo)致其種群數(shù)量銳減或滅絕[115]，然而一些鳥(niǎo)類(lèi)在短期內(nèi)也有種群爆發(fā)的現(xiàn)象[63,116]。探究種群數(shù)量波動(dòng)的原因?qū)B(niǎo)類(lèi)保護(hù)計(jì)劃的制定以及保護(hù)區(qū)管理都有指導(dǎo)意義[24]。

20世紀(jì)20年代到70年代加拿大西海岸的鷗類(lèi)種群數(shù)量翻了3.5倍[116]，Hobson[63]采集了灰翅鷗(L.glaucescens)和西美鷗(L.occidentalis)的骨膠原蛋白，同位素分析表明，灰翅鷗和西美鷗食物的主要來(lái)源于人類(lèi)丟棄的可食廢棄物，從食性角度解釋了其種群爆發(fā)的原因。Thompson等[117]通過(guò)同位素分析，認(rèn)為暴風(fēng)鹱(Fulmarusglacialis)在英國(guó)上世紀(jì)種群數(shù)量的爆發(fā)與捕鯨業(yè)的發(fā)展有關(guān)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)暴風(fēng)鹱主要取食捕鯨遺棄的內(nèi)臟。然而上世紀(jì)在歐洲種群數(shù)量同樣增長(zhǎng)的普通鸕鶿卻對(duì)淡水漁業(yè)產(chǎn)生了較大的沖擊，同位素研究表明，普通鸕鶿種群增長(zhǎng)的原因是其食源主要依賴(lài)淡水漁業(yè)[118]。

穩(wěn)定同位素技術(shù)還為重現(xiàn)滅絕鳥(niǎo)類(lèi)的食性提供了可能，生活在北大西洋沿岸的大海雀(Pinguinusimpennis)20世紀(jì)中葉滅絕了，Hobson等[119]挖掘大海雀曾生活過(guò)的海島上的骨骼樣本，通過(guò)分析其中的穩(wěn)定氮同位素(δ15N)值，并與該生態(tài)系統(tǒng)中其他6種海雀的穩(wěn)定同位素相比較，最終重現(xiàn)其食性信息和在生態(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置。Norris等[24]通過(guò)同位素技術(shù)研究了斑海雀(Brachyramphusmarmoratus)過(guò)去100a的食性組成的變化和種群動(dòng)態(tài)之間的關(guān)系，認(rèn)為食物的質(zhì)量和食物的可獲得性是種群動(dòng)態(tài)變化的主要原因。通過(guò)歷史食性和種群波動(dòng)的研究，能為瀕危鳥(niǎo)類(lèi)保護(hù)計(jì)劃的制定提供更好的參考價(jià)值。

5.3 評(píng)估越冬地和繁殖地對(duì)繁殖的能量貢獻(xiàn)

鳥(niǎo)類(lèi)繁殖營(yíng)養(yǎng)學(xué)是穩(wěn)定同位素技術(shù)的比較新的研究領(lǐng)域。對(duì)于遷徙鳥(niǎo)類(lèi)，其繁殖的能量通常有內(nèi)源性和外源性能量?jī)刹糠纸M成[43,76]，內(nèi)源性能量表示候鳥(niǎo)在到達(dá)繁殖地之前(即在越冬地)所積累的能量，外源性能量則表示候鳥(niǎo)到達(dá)繁殖地后于繁殖地短期快速獲取的能量。通過(guò)穩(wěn)定碳氮同位素(δ13C和δ15N)對(duì)繁殖能量的示蹤，可以準(zhǔn)確評(píng)估越冬地的生境質(zhì)量對(duì)繁殖的貢獻(xiàn)情況，為越冬地和種群的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[43,120- 122]。

傳統(tǒng)研究認(rèn)為內(nèi)源性能量對(duì)惡劣環(huán)境下繁殖的大型鳥(niǎo)類(lèi)貢獻(xiàn)率大[123-124]。Gauthier等[123]對(duì)雪雁(Chencaerulescensatlantica)的肌肉組織、卵和繁殖地食物的穩(wěn)定碳同位素進(jìn)行了分析，由于雪雁在越冬區(qū)主要取食玉米(C4植物)，而到達(dá)繁殖區(qū)后主要食物是禾本科與非禾本科的雜草(C3植物)，因此內(nèi)源性能量和外源性能量之間的穩(wěn)定碳同位素(δ13C)存在顯著差異。同位素?cái)?shù)據(jù)顯示，內(nèi)源性的能量對(duì)卵的貢獻(xiàn)比外源性的能量貢獻(xiàn)率低，從同位素的角度證實(shí)了傳統(tǒng)觀念的局限。然而，通常情況下內(nèi)源性和外源性的能量對(duì)繁殖卵的貢獻(xiàn)是復(fù)雜的。Sénéchal等[124]于2010年研究了極地繁殖的歐絨鴨(Somateriamollissima)內(nèi)源性和外源性營(yíng)養(yǎng)對(duì)鳥(niǎo)卵的貢獻(xiàn)情況，結(jié)果顯示，外源性能量對(duì)卵的蛋白貢獻(xiàn)較大，內(nèi)源性能量對(duì)卵黃的脂類(lèi)貢獻(xiàn)較大。Hobson等[125]對(duì)巴氏鵲鴨(Bucephalaislandica)的研究表明，內(nèi)源性能量對(duì)第1每卵的卵黃和蛋白的貢獻(xiàn)顯著高于第4和第8枚卵，然而5a前獲取的樣本顯示，內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)對(duì)卵黃的貢獻(xiàn)并不明顯。他們認(rèn)為巴氏鵲鴨內(nèi)源性和外源性能量對(duì)繁殖的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為一種混合的策略，因不同個(gè)體、產(chǎn)卵策略和年份等差異而變化。

6 SIA在鳥(niǎo)類(lèi)食性研究中的注意事項(xiàng)與展望

穩(wěn)定同位素技術(shù)是目前揭示鳥(niǎo)類(lèi)食源，探究濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)等的重要方法。但是在食源組成分析和遷徙鳥(niǎo)類(lèi)食性轉(zhuǎn)變的研究中還有很多需要思考的問(wèn)題，這些問(wèn)題也許會(huì)給我們提供一些新的研究和發(fā)展方向。

6.1 穩(wěn)定同位素在機(jī)體內(nèi)的分餾及影響因素

穩(wěn)定同位素技術(shù)在應(yīng)用時(shí)需充分考慮引起穩(wěn)定同位素在機(jī)體內(nèi)分餾的因素，如成鳥(niǎo)與幼鳥(niǎo)的差異、雌雄差異、繁殖鳥(niǎo)與非繁殖鳥(niǎo)差異、雌雄二型與雌雄同型的差異以及溫度對(duì)分餾的影響等。Shealer[126]研究粉紅燕鷗(Sternadougallii)和黃嘴鳳頭燕鷗(Thalasseussandvicensis)發(fā)現(xiàn)，幼鳥(niǎo)因飛行能力有限，難以吞咽較大塊食物等因素的影響，所取食的食物與成鳥(niǎo)有很大差異。Niebuhr[127]在繁殖期研究銀鷗(L.argentatus)哺育幼鳥(niǎo)的成鳥(niǎo)比非繁殖成鳥(niǎo)獲取高能量的食物，在產(chǎn)卵期雌鳥(niǎo)為了促進(jìn)蛋殼的形成，會(huì)偏向于取食貝類(lèi)等。Lavoie等[4]研究加拿大海鳥(niǎo)食性發(fā)現(xiàn)，二形的雄性成體要比雌性成體的穩(wěn)定性同位素變化幅度大；相反，單形的雌性成體的同位素變化幅度比雄性成體大。有研究表明，遷徙鳥(niǎo)類(lèi)和傷殘病鳥(niǎo)等未及時(shí)獲取水分(水分脅迫)和足夠食物(營(yíng)養(yǎng)脅迫)時(shí)，穩(wěn)定氮同位素值會(huì)發(fā)生很大變化。受水分脅迫時(shí)，濃縮的含氮廢物中氮同位素的分餾比稀釋的含氮廢物中的高，受營(yíng)養(yǎng)脅迫時(shí)，機(jī)體蛋白質(zhì)的分解代謝提高了15N值，因此，在樣本采集時(shí)為提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，應(yīng)避免采集受水分脅迫或營(yíng)養(yǎng)脅迫的個(gè)體[51]。

6.2 營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子的獲取及意義

雖然穩(wěn)定同位素在機(jī)體各組織內(nèi)富集規(guī)律相同，甚至可使用其他物種的富集因子均值代替研究對(duì)象的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子，但不同的物種、不同的采樣部位和不同棲息環(huán)境下穩(wěn)定同位素的值都存在差異[8, 72, 128- 130]。因此，需要更多的室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)得到具體動(dòng)物種類(lèi)的特定營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集因子，以更好地解釋野外實(shí)驗(yàn)獲得的穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)，從而更好地估算該種類(lèi)的食源組成[98]。然而，被捕的鳥(niǎo)類(lèi)被關(guān)進(jìn)一個(gè)封閉的籠內(nèi)，其活動(dòng)空間較野外自由狀態(tài)下小很多，因此其代謝速度也較低，那么穩(wěn)定同位素在體內(nèi)的轉(zhuǎn)化速率同樣會(huì)降低，這與野外生活鳥(niǎo)類(lèi)的真實(shí)穩(wěn)定同位素值存在一定差異，但是在野生狀態(tài)下無(wú)法確保同位素含量穩(wěn)定的食物和持續(xù)供給，因此，通過(guò)被捕鳥(niǎo)類(lèi)的穩(wěn)定同位素研究，可提供一種最接近富集因子真實(shí)狀態(tài)的近似值[51]。

6.3 穩(wěn)定同位素在機(jī)體內(nèi)的轉(zhuǎn)化周期

穩(wěn)定同位素在機(jī)體內(nèi)含量的高低受機(jī)體代謝速率的影響，且不同組織的代謝速率不同，通過(guò)采集不同代謝速率的組織樣本反映不同時(shí)間尺度的食性信息。值得注意的是，遷徙中的鳥(niǎo)類(lèi)代謝更旺盛，穩(wěn)定同位素的轉(zhuǎn)化周期則更短[42, 60]；由于實(shí)驗(yàn)中的轉(zhuǎn)化周期都是通過(guò)對(duì)捕捉鳥(niǎo)類(lèi)的研究得出的，鳥(niǎo)類(lèi)在野外的代謝速率可能比捕捉后飼養(yǎng)條件下的高[98]；此外，血液中分離出的各成分比例與鳥(niǎo)的種類(lèi)和體內(nèi)的激素水平有關(guān)，對(duì)穩(wěn)定同位素的含量和轉(zhuǎn)化周期都有影響[95, 131]。另外，通過(guò)穩(wěn)定同位素的轉(zhuǎn)化周期可以來(lái)解釋一些與機(jī)體代謝相關(guān)的其他生理反應(yīng)。

6.4 同位素印記對(duì)食源分析的影響

同位素印記是指不同同位素比值的食物在進(jìn)入動(dòng)物組織時(shí)，會(huì)分別進(jìn)入動(dòng)物特定的組織或部位，并非平均分配到動(dòng)物不同組織或組織的不同部分[99, 132]。雖然同位素印記現(xiàn)象還沒(méi)有得到更多研究的確認(rèn)，但已有的研究表明同位素印記現(xiàn)象確實(shí)存在[99, 132-133]，其結(jié)果是動(dòng)物某一組織并不能完全反映其整體的食物組成[72]。這一問(wèn)題的提出對(duì)利用穩(wěn)定同位素分析鳥(niǎo)類(lèi)食性的準(zhǔn)確性提出了質(zhì)疑，也將影響穩(wěn)定同位素的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，為解決這一難題，需要更深入的研究穩(wěn)定同位素在動(dòng)物組織與其食物成分之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，特別是當(dāng)雜食性動(dòng)物食性發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，動(dòng)物組織同位素組成的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程又是怎樣的變化特征[72, 134]。

作為一門(mén)新技術(shù)，穩(wěn)定同位素技術(shù)已向研究者展示了強(qiáng)大的活力，但在應(yīng)用中仍然需要注意一些細(xì)節(jié)。不斷的對(duì)未知生物體內(nèi)碳氮穩(wěn)定同位素富集因子進(jìn)行探索和總結(jié)，也許能發(fā)現(xiàn)一些新的規(guī)律。穩(wěn)定碳氮同位素的應(yīng)用領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間，可以去解釋一些鳥(niǎo)類(lèi)生理上的問(wèn)題，也可與其他技術(shù)手段相結(jié)合解釋一些更為復(fù)雜的問(wèn)題，如探討動(dòng)物種間種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)同進(jìn)化、污染生態(tài)學(xué)、生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)等等。此外，由于在地表降水中δD(2H/1H)和δ18O(18O/16O)與緯度、海拔高度以及距海岸線距離等有密切關(guān)系，因此δD和δ18O作為地理位置的標(biāo)記被鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)家廣泛應(yīng)用于遷徙研究中[59,104, 135- 137]。隨著技術(shù)手段的不斷進(jìn)步和越來(lái)越多的鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)家的加入，穩(wěn)定同位素分析在鳥(niǎo)類(lèi)生態(tài)學(xué)研究中一定會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

[1] 陳化鵬, 高中信. 野生動(dòng)物生態(tài)學(xué). 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué)出版社, 1992.

[2] 鄭光美. 我國(guó)鳥(niǎo)類(lèi)生態(tài)學(xué)的回顧與展望. 動(dòng)物學(xué)雜志, 1981, (1): 63- 68.

[3] 鄭榮泉, 鮑毅新. 有蹄類(lèi)食性研究方法及研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 24(7): 1532- 1539.

[4] Lavoie R A, Rail J F, Lean D R S. Diet composition of seabirds from Corossol island, Canada, using direct dietary and stable isotope analyses. Waterbirds, 2012, 35(3): 402- 419.

[5] Jobling M, Breiby A. The use and abuse of fish otoliths in studies of feeding habits of marine piscivores. Sarsia, 1986, 71(3): 265- 274.

[6] Ryan P G, Jackson S. Stomach pumping: is killing seabirds necessary? The Auk, 1986, 103(2): 427- 428.

[7] Hobbs N T. Fecal indices to dietary quality: a critique. The Journal of Wildlife Management, 1987, 51(2): 317- 320.

[8] Hobson K A, Piatt J F, Pitocchelli J. Using stable isotopes to determine seabird trophic relationships. Journal of Animal Ecology, 1994, 63(4): 786- 798.

[9] Tieszen L L, Boutton T W, Tesdahl K, Slade N A. Fractionation and turnover of stable carbon isotopes in animal tissues: implications forδ13C analysis of diet. Oecologia, 1983, 57(1): 32- 37.

[10] Estrada J, Lutcavage M, Thorrold S. Diet and trophic position of Atlantic bluefin tuna (Thunnusthynnus) inferred from stable carbon and nitrogen isotope analysis. Marine Biology, 2005, 147(1): 37- 45.

[11] Girard J, Baril A, Mineau P, Fahrig L. Foraging habitat and diet of Song Sparrows (Melospizamelodia) nesting in farmland: a stable isotope approach. Canadian Journal of Zoology, 2012, 90(11): 1339- 1350.

[12] 易現(xiàn)峰, 張曉愛(ài). 穩(wěn)定性同位素技術(shù)在生態(tài)學(xué)上的應(yīng)用. 生態(tài)學(xué)雜志, 2005, 24(3): 306- 314.

[13] Hobson K A. Trophic relationships among high Arctic seabirds: insights from tissue-dependent stable-isotope models. Marine Ecology Progress Series, 1993, 95: 7- 18.

[15] Hobson K A, Wassenaar L I. Linking breeding and wintering grounds of neotropical migrant songbirds using stable hydrogen isotopic analysis of feathers. Oecologia, 1996, 109(1): 142- 148.

[16] Hobson K A. Tracing diets and origins of migratory birds using stable isotope techniques Biology and Conservation of Forest Birds, 1999, 1: 21- 41.

[17] Ashley P, Hobson K, Van Wilgenburg S, North N, Petrie S. Linking Canadian harvested American black ducks to their natal areas using stable isotope analysis ofδD,δ13C, andδ15N. Avian Conservation and Ecology, 2010, 5(2): 7.

[18] Peterson B J, Fry B. Stable isotopes in ecosystem studies. Annual Review of Ecology and Systematics, 1987, 18: 293- 320.

[19] 蔡德陵, 張淑芳, 張經(jīng). 天然存在的碳、氮穩(wěn)定同位素在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用. 質(zhì)譜學(xué)報(bào), 2003, 24(3): 434- 440.

[20] Hobson K, Van Wilgenburg S, Wassenaar L, Powell R, Still C, Craine J. A multi-isotope (δ13C,δ15N,δ2H) feather isoscape to assign Afrotropical migrant birds to origins. Ecosphere, 2012, 3(5): 44- 44.

[21] 萬(wàn)祎, 胡建英, 安立會(huì), 安偉, 楊敏, 伊藤光明, 服部達(dá)也, 陶澍. 利用穩(wěn)定氮和碳同位素分析渤海灣食物網(wǎng)主要生物種的營(yíng)養(yǎng)層次. 科學(xué)通報(bào), 2005, 50(7): 708- 712.

[22] Boecklen W J, Yarnes C T, Cook B A, James A C. On the use of stable isotopes in trophic ecology. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2011, 42: 411- 440.

[23] Becker B H, Beissinger S R. Centennial decline in the trophic level of an endangered seabird after fisheries decline. Conservation Biology, 2006, 20(2): 470- 479.

[24] Norris D, Arcese P, Preikshot D, Bertram D F, Kyser T. Diet reconstruction and historic population dynamics in a threatened seabird. Journal of Applied Ecology, 2007, 44(4): 875- 884.

[25] Touzeau A, Amiot R, Blichert-Toft J, Flandrois J P, Fourel F, Grossi V, Martineau F, Richardin P, Lécuyer C. Diet of ancient Egyptians inferred from stable isotope systematics. Journal of Archaeological Science, 2014, 46: 114- 124.

[26] Barrett R T, Camphuysen K C, Anker-Nilssen T, Chardine J W, Furness R W, Garthe S, Hüppop O, Leopold M F, Montevecchi W A, Veit R R. Diet studies of seabirds: a review and recommendations. ICES Journal of Marine Science: Journal du Conseil, 2007, 64(9): 1675- 1691.

[27] Ramírez F, Abdennadher A, Sanpera C, Jover L, Wassenaar L I, Hobson K A. Assessing waterbird habitat use in coastal evaporative systems using stable isotopes (δ13C,δ15N and δD) as environmental tracers. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2011, 92(2): 217- 222.

[28] 王強(qiáng), 呂憲國(guó). 鳥(niǎo)類(lèi)在濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用. 濕地科學(xué), 2007, 5(3): 274- 281.

[29] DeNiro M J, Epstein S. Influence of diet on the distribution of carbon isotopes in animals. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1978, 42(5): 495- 506.

[30] Hobson K A, Welch H E. Determination of trophic relationships within a high Arctic marine food web usingδ13C andδ15N analysis. Marine Ecology Progress Series, 1992, 84: 9- 18.

[31] Phillips R A, McGill R A, Dawson D A, Bearhop S. Sexual segregation in distribution, diet and trophic level of seabirds: insights from stable isotope analysis. Marine Biology, 2011, 158(10): 2199- 2208.

[32] Van-Wilgenburg S L, Hobson K A, Brewster K R, Welker J M. Assessing dispersal in threatened migratory birds using stable hydrogen isotope (δD) analysis of feathers. Endangered Species Research, 2012, 16(1): 17- 29.

[33] DeNiro M J, Epstein S. Influence of diet on the distribution of nitrogen isotopes in animals. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1981, 45(3): 341- 351.

[34] McKinney C R, McCrea J M, Epstein S, Allen H, Urey H C. Improvements in mass spectrometers for the measurement of small differences in isotope abundance ratios. Review of Scientific Instruments, 1950, 21(8): 724- 730.

[35] Fry B. Stable Isotope Ecology. New York: Springer, 2006: 1- 308.

[36] Farquhar G D, Ehleringer J R, Hubick K T. Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annual Review of Plant Biology, 1989, 40(1): 503- 537.

[37] Hoefs J. Stable Isotope Geochemistry. 6th ed. Berlin, Heidelberg: Springer, 2009: 1- 292.

[38] Duffy D C, Jackson S. Diet studies of seabirds: a review of methods. Colonial Waterbirds, 1986, 9: 1- 17.

[39] Therrien J F, Fitzgerald G, Gauthier G, Bêty J. Diet-tissue discrimination factors of carbon and nitrogen stable isotopes in blood of Snowy Owl (Buboscandiacus). Canadian Journal of Zoology, 2011, 89(4): 343- 347.

[40] Caut S, Angulo E, Courchamp F. Discrimination factors (δ15N andδ13C) in an omnivorous consumer: effect of diet isotopic ratio. Functional Ecology, 2008, 22(2): 255- 263.

[41] Caut S, Angulo E, Courchamp F. Variation in discrimination factors (δ15N andδ13C): the effect of diet isotopic values and applications for diet reconstruction. Journal of Applied Ecology, 2009, 46(2): 443- 453.

[42] Bearhop S, Waldron S, Votier S C, Furness R W. Factors that influence assimilation rates and fractionation of nitrogen and carbon stable isotopes in avian blood and feathers. Physiological and Biochemical Zoology, 2002, 75(5): 451- 458.

[43] Inger R, Bearhop S. Applications of stable isotope analyses to avian ecology. Ibis, 2008, 150(3): 447- 461.

[44] Kelly J F. Stable isotopes of carbon and nitrogen in the study of avian and mammalian trophic ecology. Canadian Journal of Zoology, 2000, 78(1): 1- 27.

[45] Bond A L, Jones I. A practical introduction to stable-isotope analysis for seabird biologists: approaches, cautions and caveats. Mar Ornithol, 2009, 37(3): 183- 188.

[46] Nehlich O, Fuller B T, Márquez-Grant N, Richards M P. Investigation of diachronic dietary patterns on the islands of Ibiza and Formentera, Spain: evidence from sulfur stable isotope ratio analysis. American Journal of Physical Anthropology, 2012, 149(1): 115- 124.

[47] 張璇, 華寧, 湯臣棟, 馬強(qiáng), 薛文杰, 吳魏, 馬志軍. 崇明東灘黑腹濱鷸(Calidrisalpina)食物來(lái)源和組成的穩(wěn)定同位素分析. 復(fù)旦學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 52(1): 112- 118.

[48] Ramírez F, Navarro J, Afán I, Hobson K A, Delgado A, Forero M G. Adapting to a changing world: unraveling the role of man-made habitats as alternative feeding areas for slender-billed gull (Chroicocephalusgenei). PloS One, 2012, 7(10): e47551.

[49] Hobson K A, Clark R. Turnover of13C in cellular and plasma fractions of blood: implications for nondestructive sampling in avian dietary studies. The Auk, 1993, 110(3): 638- 641.

[50] Barquete V, Strauss V, Ryan P G. Stable isotope turnover in blood and claws: A case study in captive African Penguins. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2013, 448: 121- 127.

[51] Ogden L J E, Hobson K A, Lank D B, Martínez del Rio C. Blood isotopic (δ13C andδ15N) turnover and diet-tissue fractionation factors in captive dunlin (Calidrisalpinapacifica). The Auk, 2004, 121(1): 170- 177.

[52] Cherel Y, Hobson K A, Weimerskirch H. Using stable-isotope analysis of feathers to distinguish moulting and breeding origins of seabirds. Oecologia, 2000, 122(2): 155- 162.

[53] Hobson K A, Bowen G J, Wassenaar L I, Ferrand Y, Lormee H. Using stable hydrogen and oxygen isotope measurements of feathers to infer geographical origins of migrating European birds. Oecologia, 2004, 141(3): 477- 488.

[54] Bosley K L, Wainright S C. Effects of preservatives and acidification on the stable isotope ratios (15N/14N,13C/12C) of two species of marine animals. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1999, 56(11): 2181- 2185.

[55] Schmutz J A, Hobson K A. Geographic, temporal, and age-specific variation in diets of glaucous gulls in western Alaska. Condor, 1998, 100(1): 119- 130.

[56] Hobson K A, Clark R G. Assessing avian diets using stable isotopes I: turnover of13C in tissues. Condor, 1992, 94(1): 181- 188.

[57] Gearing J N. The study of diet and trophic relationships through natural abundance13C // Coleman D C, Fry B. Carbon Isotope Techniques. San Diego: Academic Press, 1991: 201- 218.

[58] Barrow L M, Bjorndal K A, Reich K J. Effects of preservation method on stable carbon and nitrogen isotope values. Physiological and Biochemical Zoology, 2008, 81(5): 688- 693.

[59] Van Dijk J G, Meissner W, Klaassen M. Improving provenance studies in migratory birds when using feather hydrogen stable isotopes. Journal of Avian Biology, 2014, 45(1): 103- 108.

[60] Podlesak D W, McWilliams S R, Hatch K A. Stable isotopes in breath, blood, feces and feathers can indicate intra-individual changes in the diet of migratory songbirds. Oecologia, 2005, 142(4): 501- 510.

[61] Hobson K A, McLellan B N, Woods J G. Using stable carbon (δ13C) and nitrogen (δ15N) isotopes to infer trophic relationships among black and grizzly bears in the upper Columbia River basin, British Columbia. Canadian Journal of Zoology, 2000, 78(8): 1332- 1339.

[62] DeNiro M J, Epstein S. Mechanism of carbon isotope fractionation associated with lipid synthesis. Science, 1977, 197(4300): 261- 263.

[63] Hobson K A. Use of stable-carbon isotope analysis to estimate marine and terrestrial protein content in gull diets. Canadian Journal of Zoology, 1987, 65(5): 1210- 1213.

[64] Post D M, Layman C A, Arrington D A, Takimoto G, Quattrochi J, Montana C G. Getting to the fat of the matter: models, methods and assumptions for dealing with lipids in stable isotope analyses. Oecologia, 2007, 152(1): 179- 189.

[65] Ambrose S H. Isotopic analysis of paleodiets: methodological and interpretive considerations. Investigations of Ancient Human Tissue, 1993, 10: 59- 130.

[66] Jaschinski S, Hansen T, Sommer U. Effects of acidification in multiple stable isotope analyses. Limnol Oceanogr: Methods, 2008, 6: 12- 15.

[67] Oppel S, Federer R N, O′Brien D M, Powell A N, Hollmén T E. Effects of lipid extraction on stable isotope ratios in avian egg yolk: is arithmetic correction a reliable alternative? The Auk, 2010, 127(1): 72- 78.

[68] Doucette J L, Wissel B, Somers C M. Cormorant-fisheries conflicts: stable isotopes reveal a consistent niche for avian piscivores in diverse food webs. Ecological Applications, 2011, 21(8): 2987- 3001.

[69] Brand W A. Mass spectrometer hardware for analyzing stable isotope ratios. Handbook of Stable Isotope Analytical Techniques, 2004, 1: 835- 857.

[70] Werner R A, Brand W A. Referencing strategies and techniques in stable isotope ratio analysis. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2001, 15(7): 501- 519.

[71] Auerswald K, Wittmer M H, Zazzo A, Sch?ufele R, Schnyder H. Biases in the analysis of stable isotope discrimination in food webs. Journal of Applied Ecology, 2010, 47(4): 936-941.

[72] Martínez del Rio C, Wolf N, Carleton S A, Gannes L Z. Isotopic ecology ten years after a call for more laboratory experiments. Biological Reviews, 2009, 84(1): 91- 111.

[73] Caut S, Angulo E, Courchamp F. Caution on isotopic model use for analyses of consumer diet. Canadian Journal of Zoology, 2008, 86(5): 438- 445.

[74] Ma Z, Gan X, Choi C Y, Li B. Effects of invasive cordgrass on presence of marsh grassbird in an area where it is not native. Conservation Biology, 2013, 28(1): 150- 158.

[75] Cherry S G, Derocher A E, Hobson K A, Stirling I, Thiemann G W. Quantifying dietary pathways of proteins and lipids to tissues of a marine predator. Journal of Applied Ecology, 2011, 48(2): 373- 381.

[76] Hobson K A. Isotopic ornithology: a perspective. Journal of Ornithology, 2011, 152(1): 49- 66.

[77] Phillips D L, Gregg J W. Uncertainty in source partitioning using stable isotopes. Oecologia, 2001, 127(2): 171- 179.

[78] Saito L, Johnson B M, Bartholow J, Hanna R B. Assessing ecosystem effects of reservoir operations using food web-energy transfer and water quality models. Ecosystems, 2001, 4(2): 105- 125.

[79] Del Rio C M, Wolf B O. Mass-balance models for animal isotopic ecology // Starck J M, Wang T. Physiological and Ecological Adaptations to Feeding in Vertebrates. Enfield, New Hampshire: Science Publishers, 2005: 141- 174.

[80] 馮建祥, 黃敏參, 黃茜, 郭婕敏, 林光輝. 穩(wěn)定同位素在濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(4): 1065- 1074.

[81] Phillips D L, Gregg J W. Source partitioning using stable isotopes: coping with too many sources. Oecologia, 2003, 136(2): 261- 269.

[82] Phillips D L. Mixing models in analyses of diet using multiple stable isotopes: a critique. Oecologia, 2001, 127(2): 166- 170.

[83] Phillips D L, Newsome S D, Gregg J W. Combining sources in stable isotope mixing models: alternative methods. Oecologia, 2005, 144(4): 520- 527.

[84] Moreno R, Jover L, Munilla I, Velando A, Sanpera C. A three-isotope approach to disentangling the diet of a generalist consumer: the yellow-legged gull in northwest Spain. Marine Biology, 2010, 157(3): 545- 553.

[85] Moore J W, Semmens B X. Incorporating uncertainty and prior information into stable isotope mixing models. Ecology Letters, 2008, 11(5): 470- 480.

[86] Jackson A L, Inger R, Bearhop S, Parnell A. Erroneous behaviour of MixSIR, a recently published Bayesian isotope mixing model: a discussion of Moore & Semmens (2008). Ecology Letters, 2009, 12(3): e1-e5.

[87] Parnell A C, Inger R, Bearhop S, Jackson A L. Source partitioning using stable isotopes: coping with too much variation. PloS One, 2010, 5(3): e9672.

[88] Semmens B X, Ward E J, Parnell A C, Phillips D L, Bearhop S, Inger R, Jackson A, Moore J W. Statistical basis and outputs of stable isotope mixing models: Comment on Fry (2013). Marine Ecology Progress Series, 2013, 490: 285- 289.

[89] Bond A L, Diamond A W. Recent Bayesian stable-isotope mixing models are highly sensitive to variation in discrimination factors. Ecological Applications, 2011, 21(4): 1017- 1023.

[90] Weiser E L, Powell A N. Evaluating gull diets: a comparison of conventional methods and stable isotope analysis. Journal of Field Ornithology, 2011, 82(3): 297- 310.

[91] Post D M. Using stable isotopes to estimate trophic position: models, methods, and assumptions. Ecology, 2002, 83(3): 703- 718.

[92] France R, Peters R. Ecosystem differences in the trophic enrichment of13C in aquatic food webs. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1997, 54(6): 1255- 1258.

[93] 林光輝. 穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué). 北京: 高等教育出版社, 2013.

[94] Ramos R, Ramírez F, Carrasco J L, Jover L. Insights into the spatiotemporal component of feeding ecology: an isotopic approach for conservation management sciences. Diversity and Distributions, 2011, 17(2): 338- 349.

[95] Waterlow J C, Garlick P J, Mill Ward D. Protein Turnover in Mammalian Tissues and in the Whole Body. Amsterdam: North-Holland Biomedical Press, 1978.

[96] Schoenheimer R. The Dynamic State of Body Constituents. Cambridge: Harvard University Press, 1946.

[97] Hilderbrand G V, Farley S, Robbins C, Hanley T, Titus K, Servheen C. Use of stable isotopes to determine diets of living and extinct bears. Canadian Journal of Zoology, 1996, 74(11): 2080- 2088.

[98] Hobson K A, Clark R G. Assessing avian diets using stable isotopes II: factors influencing diet-tissue fractionation. Condor, 1992, 94(1): 189- 197.

[99] Hobson K A, Bairlein F. Isotopic fractionation and turnover in captive Garden Warblers (Sylviaborin): implications for delineating dietary and migratory associations in wild passerines. Canadian Journal of Zoology, 2003, 81(9): 1630- 1635.

[100] Forero M G, Hobson K A. Using stable isotopes of nitrogen and carbon to study seabird ecology: applications in the Mediterranean seabird community. Scientia Marina, 2003, 67(S2): 23- 32.

[101] 鄭光美. 鳥(niǎo)類(lèi)學(xué) (第二版). 北京: 北京師范大學(xué)出版社, 2012.

[102] 鄭光美. 世界鳥(niǎo)類(lèi)分類(lèi)與分布名錄. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[103] Gretel H S, Sheila K S. Animal Behavior: Animal Migration. Chelsea House, 2009: 1- 120.

[104] Marra P P, Hobson K A, Holmes R T. Linking winter and summer events in a migratory bird by using stable-carbon isotopes. Science, 1998, 282(5395): 1884- 1886.

[105] Minami H, Minagawa M, Ogi H. Changes in stable carbon and nitrogen isotope ratios in sooty and short-tailed shearwaters during their northward migration. Condor, 1995, 97(2): 565- 574.

[106] 蔡德陵, 李紅燕, 唐啟升, 孫耀. 黃東海生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)連續(xù)營(yíng)養(yǎng)譜的建立: 來(lái)自碳氮穩(wěn)定同位素方法的結(jié)果. 中國(guó)科學(xué): C輯, 2005, 35(2): 123- 130.

[107] Wada E, Terazaki M, Kabaya Y, Nemoto T.15N and13C abundances in the Antartic Ocean with emphasis on the biogeochemical structure of the food web. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 1987, 34(5): 829- 841.

[108] Layman C A, Arrington D A, Montaa C G, Post D M. Can stable isotope ratios provide for community-wide measures of trophic structure? Ecology, 2007, 88(1): 42- 48.

[109] 楊月琴, 易現(xiàn)峰, 李寧. 利用穩(wěn)定同位素技術(shù)分析青海湖優(yōu)勢(shì)水鳥(niǎo)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu). 動(dòng)物學(xué)研究, 2009, 30(4): 418- 422.

[110] Thompson D R, Furness R W. Stable-isotope ratios of carbon and nitrogen in feathers indicate seasonal dietary shifts in northern fulmars. The Auk, 1995, 112(2): 493- 498.

[111] Thompson D R, Lilliendahl K, Sólmundsson J, Furness R W, Waldron S, Phillips R A. Trophic relationships among six species of Icelandic seabirds as determined through stable isotope analysis. Condor, 1999, 101: 898-903.

[112] Yi X F, Li L X, Zhang X A, Li M C. Diet shift of upland buzzards (Buteohemilasius): evidence from stable carbon isotope ratios. Acta Zoologica Sinica, 2003, 49(6): 764- 768.

[113] Casey M M, Post D M. The problem of isotopic baseline: reconstructing the diet and trophic position of fossil animals. Earth-Science Reviews, 2011, 106(1): 131- 148.

[114] Brittain R A, Schimmelmann A, Parkhurst D F, Craft C B. Habitat use by coastal birds inferred from stable carbon and nitrogen isotopes. Estuaries and Coasts, 2012, 35(2): 633- 645.

[115] 楊勇, 溫俊寶, 胡德夫. 鳥(niǎo)類(lèi)棲息地研究進(jìn)展. 林業(yè)科學(xué), 2011, 47(11): 172- 180.

[116] Conover M R. Recent changes in Ring-billed and California gull populations in the western United States. The Wilson Bulletin, 1983, 95(3): 362- 383.

[117] Thompson D R, Furness R W, Lewis S A. Diets and long-term changes inδ13C andδ15N value in northern fulmars (Fulmarusglacialis) form two northest Altlantic colonies. Marsh Ecololgy, 1995, 125: 3- 11.

[118] Bearhop S, Thompson D R, Waldron S, Russell I, Alexander G, Furness R W. Stable isotopes indicate the extent of freshwater feeding by cormorants Phalacrocorax carbo shot at inland fisheries in England. Journal of Applied Ecology, 1999, 36(1): 75- 84.

[119] Hobson K A, Montevecchi W A. Stable isotopic determinations of trophic relationships of great auks. Oecologia, 1991, 87(4): 528- 531.

[120] Bond J C, Esler D. Nutrient acquisition by female Harlequin Ducks prior to spring migration and reproduction: evidence for body mass optimization. Canadian Journal of Zoology, 2006, 84(9): 1223- 1229.

[121] Hobson K A, Sharp C M, Jefferies RL, Rockwell RF, Abraham KF. Nutrient allocation strategies to eggs by Lesser Snow Geese (Chencaerulescens) at a sub-Arctic colony. The Auk, 2011, 128(1): 156- 165.

[122] Langin K, Norris D, Kyser T, Marra P P, Ratcliffe L. Capital versus income breeding in a migratory passerine bird: evidence from stable-carbon isotopes. Canadian journal of Zoology, 2006, 84(7): 947-953.

[123] Gauthier G, Bêty J, Hobson K A. Are greater snow geese capital breeders? New evidence from a stable-isotope model. Ecology, 2003, 84(12): 3250- 3264.

[124] Sénéchal é, Bêty J, Gilchrist H G, Hobson K A, Jamieson S E. Do purely capital layers exist among flying birds? Evidence of exogenous contribution to arctic-nesting common eider eggs. Oecologia, 2011, 165(3): 593- 604.

[125] Hobson K A, Thompson J E, Evans M R, Boyd S. Tracing nutrient allocation to reproduction in Barrow′s Goldeneye. Journal of Wildlife Management, 2005, 69(3): 1221- 1228.

[126] Shealer D A. Differences in diet and chick provisioning between adult Roseate and Sandwich Terns in Puerto Rico. Condor, 1998, 100: 131- 140.

[127] Niebuhr V. Feeding strategies and incubation behaviour of wild herring gulls: an experiment using operant feeding boxes. Animal Behaviour, 1983, 31(3): 708- 717.

[128] Mizutani H, Kabaya Y, Wada E. Nitrogen and carbon isotope compositions relate linearly in cormorant tissues and its diet. Isotopenpraxis Isotopes in Environmental and Health Studies, 1991, 27(4): 166- 168.

[129] Gannes L Z, O′Brien D M, del Rio C M. Stable isotopes in animal ecology: assumptions, caveats, and a call for more laboratory experiments. Ecology, 1997, 78(4): 1271- 1276.

[130] Robbins C T, Felicetti L A, Sponheimer M. The effect of dietary protein quality on nitrogen isotope discrimination in mammals and birds. Oecologia, 2005, 144(4): 534- 540.

[131] Sturkie P D. Avian Physiology. 2nd ed. Ithaca NY: Cornell University Press, 1965: 1- 766.

[132] Schwarcz H P. Some theoretical aspects of isotope paleodiet studies. Journal of Archaeological Science, 1991, 18(3): 261- 275.

[133] Gannes L Z, Del Rio C M, Koch P. Natural abundance variations in stable isotopes and their potential uses in animal physiological ecology. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 1998, 119(3): 725- 737.

[134] Wassenaar L I, Hobson K A. A stable-isotope approach to delineate geographical catchment areas of avian migration monitoring stations in North America. Environmental Science & Technology, 2001, 35(9): 1845- 1850.

[135] Kelly J F, Finch D M. Tracking migrant songbirds with stable isotopes. Trends in Ecology & Evolution, 1998, 13(2): 48- 49.

[136] Chabot A A, Hobson K A, Van Wilgenburg S L, McQuat G J, Lougheed S C. Advances in linking wintering migrant birds to their breeding-ground origins using combined analyses of genetic and stable isotope markers. PLoS One, 2012, 7(8): e43627.

[137] Reichlin T S, Hobson K A, Van Wilgenburg S L, Schaub M, Wassenaar L I, Martín-Vivaldi M, Arlettaz R, Jenni L. Conservation through connectivity: can isotopic gradients in Africa reveal winter quarters of a migratory bird? Oecologia, 2013, 171(2): 591- 600.

Application of stable isotope analyses to avian diets and trophic structure

WANG Xuan, JIANG Hongxing*, ZHANG Yanan

KeyLaboratoryofForestProtectionofStateForestryAdministration，ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

In the past three decades, the application of the stable isotope technique to avian ecology has become increasingly widespread. The use of stable isotopes in the current studies relied on two principles. First, the isotopic composition of animal tissues reflects that of the diet in a predictable manner. Second, because tissues turn over at different rates, they integrate this information over different temporal scales and, if the animal is mobile, different spatial scales. This technique overcomes the limitations of traditional methods, especially in aspects of the different temporal-spatial diets, trophic structure of consumers, and trophic levels within the food web. In this paper, we summarize the preparation, working process, and data analysis of the application of stable isotope analyses in the avian diet and trophic structure. The paper also discusses the current progress of this technique in the origin of avian diets and trophic structure positioning. In particular, we review its main applications in terms of conservation and management: (1) to assess the impacts of habitat change on the population reproduction, (2) to detect the causes related to population dynamics, and (3) to estimate the nutrient allocation of reproduction in the breeding ground compared with that in the wintering ground. However, despite its potential, the technique is still regarded as a black box by many ornithologists. In most instances, these techniques did not fully take into account the limitations of stable isotope analysis as applied to avian ecology (for example, specific-species discrimination factor, different-tissue turn-over ratio, and isotope signatures). We also discuss the issues related to improvement and perspectives for the future application of this approach.

stable isotope; Diet-tissue fractionation factor; avian diet; trophic structure; conservation and management

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(31372226)

2014- 02- 12;

日期:2014- 09- 28

10.5846/stxb201402120243

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hxjiang@caf.ac.cn

王玄, 江紅星, 張亞楠.穩(wěn)定同位素分析在鳥(niǎo)類(lèi)食性及營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(16):5556- 5569.

Wang X, Jiang H X, Zhang Y N.Application of stable isotope analyses to avian diets and trophic structure.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5556- 5569.