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(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)注度越來越高，在評(píng)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(cè)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(tái)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(gè)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(duì)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(cè)定

穩(wěn)定同位素的測(cè)定可用同位素比率質(zhì)譜儀。在對(duì)樣品的碳、氮穩(wěn)定同位素進(jìn)行測(cè)定分析時(shí)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(cè)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(shí)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(shí)，表示樣品的重同位素比標(biāo)準(zhǔn)富集，小于零時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)的食物來源信息，當(dāng)對(duì)消費(fèi)者生物的食物進(jìn)行鑒定時(shí)會(huì)受到其消化作用的影響，并且需要消耗較長(zhǎng)的工作時(shí)間和較多的人力。因?yàn)樯锼鶖z入的不同食物具有不同的消化速率，所以消費(fèi)者實(shí)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(gè)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(diǎn)，能夠反映生物相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的攝食情況。同時(shí)，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(jì)算公式為：

式中：K為食物A對(duì)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(yíng)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(duì)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(cè)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(píng)估消費(fèi)者食物來源時(shí)，特別是復(fù)雜食物來源時(shí)需十分謹(jǐn)慎。在利用穩(wěn)定同位素的試驗(yàn)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(duì)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(yíng)養(yǎng)級(jí)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(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)到另一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)移動(dòng)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(yíng)養(yǎng)級(jí)關(guān)系是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)最重要也是最基礎(chǔ)的研究?jī)?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(dòng)和元素的生物地球化學(xué)循環(huán)以及環(huán)境對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響具有一定意義。營(yíng)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)關(guān)系以及動(dòng)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(yíng)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(jí)消費(fèi)者，次級(jí)消費(fèi)者主要由蝦蟹類無脊椎動(dòng)物組成，頂級(jí)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(yíng)養(yǎng)關(guān)系變化。

對(duì)碳、氮穩(wěn)定同位素自然豐度的測(cè)定，能夠反映生物長(zhǎng)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)位置。當(dāng)能量在不同食物鏈中進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)時(shí)，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(yíng)養(yǎng)級(jí)間的同位素富集值的大小與動(dòng)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(yíng)養(yǎng)級(jí)間的富集顯著，這一特性主要被用于消費(fèi)者營(yíng)養(yǎng)級(jí)的估算及食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的判斷等方面?？梢砸罁?jù)消費(fèi)者對(duì)基準(zhǔn)生物δN值的相對(duì)值來計(jì)算評(píng)估該生物的營(yíng)位置，計(jì)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(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)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(yàn)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(shí)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(yàn)系數(shù)法均是對(duì)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(shí)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(dòng)物對(duì)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(shì)，生物體組織中的穩(wěn)定同位素是其長(zhǎng)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(zhǎng)期的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系。此外，水體中的一些微型浮游生物由于個(gè)體較小，難以對(duì)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(jiǎn)便，工作量較小，還具有對(duì)環(huán)境無污染、對(duì)人體無放射性危害等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)、營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)兩部分。消費(fèi)者對(duì)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(jí)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(dòng)物消費(fèi)者的食物來源及失蹤食物網(wǎng)的能量流動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，準(zhǔn)確地評(píng)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(duì)南黃海兩種鳀科魚類的食物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系進(jìn)行了探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者對(duì)食物存在非常激烈的種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。彭士明等運(yùn)用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)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(dòng)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(yíng)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)，由于物質(zhì)來源不同，就會(huì)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(duì)長(zhǎng)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(duì)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)。