水文變化對巴松措食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及碳來源的影響

王 晨，楊秋實，劉清楊，劉香江，霍 斌，張 敏，李大鵬

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，池塘健康養(yǎng)殖湖北省工程實驗室，武漢430070)

食物網(wǎng)是描述不同生物之間的營養(yǎng)關(guān)系，并為生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的能量流動和物質(zhì)循環(huán)提供可量化的框架[1，2]。食物網(wǎng)的研究能了解生態(tài)系統(tǒng)的組成以及捕食者與被捕食者之間復(fù)雜的能量流動和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，為水生生物資源的保護和修復(fù)提供依據(jù)[3]。

傳統(tǒng)以腸含物分析為主的食物網(wǎng)分析方法，只能反映短期內(nèi)消費者的進食情況，如果想了解長時間的進食情況，則需要采集更多的樣本，工作量較重，且局限性較大[4]。穩(wěn)定同位素技術(shù)通過新的測量方式為生物之間的營養(yǎng)關(guān)系提供了新的量化指標(biāo)，通過測量捕食者與被捕食者δ13C(13C/12C)值的相近程度來判斷捕食者的食物來源及能量流動情況；通過測定生態(tài)系統(tǒng)中不同生物的同位素δ15N(15N/14N)值準(zhǔn)確地測定食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和生物營養(yǎng)級[5]。

淡水生態(tài)系統(tǒng)中碳的來源主要包括兩個部分：內(nèi)源性碳與外源性碳[6]。內(nèi)源性碳主要由水生植物和藻類組成。外源性碳主要來源于濕生植物和樹葉碎片及地表徑流輸入到水生生態(tài)系統(tǒng)中的有機物[7]。水生生態(tài)系統(tǒng)中的顆粒有機物，既有來自內(nèi)源性碳的成分也包含外源性碳的成分[8]。水文條件變化可以顯著影響藻類的生存[9，10]，并會對食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和碳源利用產(chǎn)生重要影響[11]。有研究表明，附著藻類有助于刮食者的生存，而陸生樹葉會促進收集者和捕食者的生長[12]。魚類對外源性碳的依賴度，在豐水季和枯水季因水文條件改變而表現(xiàn)出顯著的季節(jié)差異性[13，14]。

西藏復(fù)雜的氣候條件、高聳的地勢、豐富的水體以及相對較低的緯度，造就了全球最具獨特性的高原魚類和高原水生生態(tài)系統(tǒng)。受人類活動和全球氣候變化等影響，青藏高原地區(qū)出現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)壓力增大、穩(wěn)定性降低等問題。巴松措是雅魯藏布江上游尼洋河水系中的湖泊，位于西藏自治區(qū)工布江達(dá)縣的巴河上游，為硫酸鈉型冰川堰塞湖，湖面海拔3 464 m，水域面積26.5 km2，建有巴松錯特有魚類國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)[15-17]。本研究應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)探究不同水文時期西藏巴松措食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及碳的來源，以期為保護水生生物資源提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點與采樣時間

巴松措水源主要來自于高山冰雪融水，枯水季(10-5月)氣溫較低，高山冰雪融水較少，水流量較少。豐水季(6-9月)氣溫較高，高山冰雪融水較多，水量大。基于巴松措地理環(huán)境和氣候變化特征，將2018年5月和8月作為采樣時間。根據(jù)周圍地形及河口分布將巴松措分為5個采樣點(圖1)，其中1號采樣點(N30°02′20.99″，E94°01′5.04″)和3號采樣點(N30°0′43.14″，E93°57′36.76″)為河流入湖口，5號采樣點(N30°0′20.92″，E93°53′59.43″)為出湖口，2號采樣點(N30°01′36.90″，E93°59′24.00″)和4號采樣點(N30°01′20.83″，E93°55′21.64″)為深水區(qū)。

圖1 巴松措采樣點Fig.1 The sampling sites in Lake Basomtso

1.2 水體理化指標(biāo)的測定

1.3 穩(wěn)定同位素樣品的采集

2018年5月、8月分別在采樣點收集藻類(附著藻類和浮游植物)、濕生植物、陸生植物葉片、湖泊水體顆粒有機物(particulate organic matter，POM，主要是浮游植物、顆粒碎屑等)、底棲動物和魚類樣品進行穩(wěn)定同位素分析。將事先制做好的樣方框(20 cm×20 cm)隨機放在采樣點湖邊，用牙刷刷取樣方內(nèi)石塊表面的附著藻類，用500 mL水樣瓶進行收集[19]，將收集好的樣品靜置后取上清液通過預(yù)燒的GF/F濾膜，收集得到附著藻類樣品，-20 ℃冷凍保存。將1 L表層湖水通過裝有預(yù)燒的GF/F濾膜的過濾器，收集顆粒有機物(POM)，-20 ℃冷凍保存。徒手采集大型陸生植物葉片，小型陸生植物全株，岸邊的新鮮、半腐爛和完全腐爛的植物葉片，洗凈風(fēng)干后利用自封袋保存。用彼得森采泥器采集底棲動物樣品，置于清水中靜養(yǎng)24 h后冷凍保存，為了獲得足量的樣品用于穩(wěn)定同位素分析，樣本鑒定完畢后進行分類測量。魚類樣品通過3層定置刺網(wǎng)(網(wǎng)目大小為6～18 cm)捕獲，每一條魚均測量體長與體重，除去所有皮膚和鱗屑，采集背鰭和側(cè)線之間的白色肌肉，洗凈后用自封袋包好[20]，-20 ℃冷凍保存。

1.4 樣品的穩(wěn)定同位素分析

濾膜樣品先通過1 mol/L的HCl酸化處理，去除可能影響δ13C測定的碳酸鈣等碳酸鹽[21]。所有樣品經(jīng)60 ℃烘箱加熱48 h至恒重，用研缽磨成粉末放入1.5 mL離心管中干燥保存待測。所有穩(wěn)定同位素樣品通過Flash EA-1112HT元素分析儀和Delta V Advantage同位素質(zhì)譜儀(thermo fisher scientific，Inc.，USA)聯(lián)合分析。碳(δ13C)、氮(δ15N)同位素的參照物質(zhì)分別是VPDB(pee dee belemnite)和空氣中純凈的N2。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別是國際上通用的IAEA-USGS24和IAEA-USGS25。分析結(jié)果表示為：

ΔR=[(Xsample-Xstandard)/Xstandard]

其中R代表13C或15N，X代表重同位素與輕同位素的比值如13C/12C和15N/14N。對于碳氮比高于3.5的魚類，使用Post等[20]推薦的方程，校正δ13C值：δ13C校正=δ13C-3.32+0.99×C ∶N。

根據(jù)底棲動物對基線生物氮穩(wěn)定同位素比值的相對值，計算該生物的營養(yǎng)級(TP)。營養(yǎng)級計算公式如下：

TP=2+(δ15Ncon-δ15Nbas)/△δ15N

其中δ15Ncon和δ15Nbas分別是水體消費者(魚類和底棲動物)的氮同位素值和底棲動物的氮同位素值。本研究所用的營養(yǎng)富集因子(TEF)分別為δ13C：1‰±0.63‰和δ15N：3.4‰±0.74‰。因底棲動物取食范圍較固定，個體壽命較長，可以避免浮游生物穩(wěn)定同位素特征值因季節(jié)變化而引起的影響，故選取其(δ15N=3.88‰)作為食物鏈基線生物。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運用R軟件中的SIAR(stable isotope analysis in R)軟件包，利用貝葉斯混合模型來估算可能的食物源對每種消費者的碳源貢獻度(取平均值、最小值和最大值)[22]。當(dāng)只有一個樣品可用時，使用siarsolomcmcv4指令[21]。在用此模型前需要進行Kruskal-Wallis分析以確保任何兩種主要食物源之間的同位素值存在差異。不同水文期的環(huán)境變量采用配對樣本T檢驗分析，不同水文時期食物源密度及生物量、魚類穩(wěn)定同位素采用獨立樣本T檢驗分析。使用SPSS 20.0版本，當(dāng)P<0.05時被認(rèn)為存在顯著性差異。結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)方式表示。采用Excel 2016及Origin 2018軟件進行圖片繪制。

2 實驗結(jié)果

2.1 水體理化指標(biāo)

巴松措不同水文時期水質(zhì)理化指標(biāo)變化如表1。從表1中可以看出豐水季水深顯著高于枯水季，不同水文時期水溫、溶氧差異不顯著，豐水季透明度極顯著低于枯水季，pH顯著低于枯水季。水體營養(yǎng)鹽中，相較于枯水季，豐水季銨態(tài)氮顯著升高，總氮極顯著升高，硝態(tài)氮極顯著降低，亞硝態(tài)氮、可溶性磷、總磷差異不顯著，葉綠素a的含量顯著升高。

表1 巴松措不同水文時期的水質(zhì)理化指標(biāo)Tab.1 Physical and chemical parameters of Lake Basomtso during the different hydrological periods

2.2 基礎(chǔ)食物源

附著藻類、浮游植物、浮游動物、底棲動物的密度和生物量均存在時空變化(圖2)。豐水季的附著藻類密度顯著高于枯水季，附著藻類的密度在不同采樣點間無顯著性差異。浮游植物密度在豐水季和枯水季沒有顯著差異。豐水季的浮游動物密度顯著高于枯水季，豐水季的生物量也顯著升高。豐水季的底棲動物密度和生物量與枯水季沒有顯著性差異。

圖2 巴松措不同水文期初級和次級食物源的密度和生物量Fig.2 The density and biomass of primary and secondary food sources in Lake Basomtso during different hydrological periods

2.3 食物網(wǎng)組成

將巴松措5個采樣點看做一個統(tǒng)一的整體進行分析，共收集到生物樣品93個，包括12個種類，其中底棲動物樣品4個，魚類7種共59個，顆粒有機物6個，附著藻類6個，濕生植物9個，陸生植物9個。巴松措食物網(wǎng)中δ13C的變化為-28.66‰～-12.19‰，δ15N值的變化為0.01‰～10.50‰。食物源中陸生植物穩(wěn)定同位素值最低，附著藻類最高。食物源之間δ13C和δ15N的值均有顯著差異。消費者中底棲動物的穩(wěn)定同位素值最低。不同食性魚類穩(wěn)定同位素具有差異性，肉食性魚類的δ13C最低而δ15N最高，雜食性魚類的δ13C最高，藻類碎屑食性魚類的δ15N最低。魚類中拉薩裸裂尻魚(Schizopygopsishusbandi)的穩(wěn)定同位素值最低，而雙須葉須魚(Ptychobarbusdipogon)的δ13C值最高，尖裸鯉(Oxygymnocyprisstewartii)的δ15N值最高，見表2。

巴松措食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有時間差異性(圖3)。豐水季δ13C的變化大于枯水季，δ15N的變化小于枯水季。在食物源中，豐水季濕生植物的δ15N值大于枯水季，而δ13C變化不大；相較于枯水季，豐水季附著藻類δ13C顯著增大，而δ15N的變化增大；陸生植物穩(wěn)定同位素值不同水文時期差異不明顯；豐水季顆粒懸浮物的δ15N值顯著低于枯水季，而δ13C的值顯著高于枯水季。肉食性魚類的δ13C值豐水季顯著高于枯水季，而δ15N的值變化不明顯，雜食性魚類的穩(wěn)定同位素值不同水文時期變化不明顯，藻類碎屑食性魚類的δ13C值枯水季變化更大，δ15N值不同水文時期變化不明顯?；讦?5N值在營養(yǎng)級傳遞過程中相對穩(wěn)定的富集規(guī)律(TEF為3.4‰)計算了巴松措水生消費者的營養(yǎng)級(表2)。魚類的營養(yǎng)級為2.99～ 3.71，平均營養(yǎng)級為3.36。

圖3 巴松措枯水季(a)和豐水季(b)水生食物網(wǎng)的 δ13C-δ15N 圖Fig.3 δ13C-δ15N diagrams of aquatic food webs in Lake Basomtso during the dry season(a)and wet season (b)物種代碼符號如表2。魚：紅色三角；水生無脊椎動物：藍(lán)色正方形；主要食物來源：綠色圓形

表2 巴松措食物網(wǎng)組分及樣品信息(δ13C和δ15N、C/N比、營養(yǎng)級和食性)Tab.2 The food web components in Lake Basomtso and sample details (δ13C and δ15N signatures，C/N ratio，trophic positions and feeding habit)

2.4食物源貢獻

顆粒有機物、附著藻類、濕生植物、陸生植物四種食物源之間δ13C和δ15N的值均有顯著差異，通過貝葉斯混合模型發(fā)現(xiàn)不同食物源對消費者的貢獻度具有季節(jié)差異性(圖4)，枯水季的附著藻類貢獻度為36.4%，豐水季則為29.80%?？菟緷裆参锏呢暙I度最低，而豐水季陸生植物的貢獻度最低。對于不同食性魚類，枯水季附著藻類貢獻度最高，豐水季不同食物源貢獻度較均衡。POM對消費者的貢獻度在不同水文時期沒有差異性。

圖4 巴松措枯水季和豐水季不同食物源對消費者的貢獻度Fig.4 Proportional contributions of potential primary sources to different trophic guilds in Lake Basomtso at dry season and wet season

對顆粒有機物POM的組成進一步分析，結(jié)果表明顆粒有機物POM在枯水季組成較平均，濕生植物、附著藻類、陸生植物對顆粒有機物POM的貢獻分別為30%、35%、35%；在豐水季主要由陸生植物組成，占53%，而濕生植物、附著藻類分別占28%、19%。綜合POM的組成及四種可能的食物源對水體消費者的貢獻，外源性碳為巴松措的主要營養(yǎng)來源，其中枯水季外源性碳對湖泊消費者的貢獻率為54.11%，內(nèi)外源碳貢獻率差異不顯著；豐水季外源性碳對湖泊消費者的貢獻率為65.15%，極顯著高于枯水季(圖5)。

圖5 巴松措枯水季和豐水季內(nèi)、外源性碳對消費者的貢獻度Fig.5 Proportional contributions of autochthonous and allochthonous carbon to different trophic guilds in Lake Basomtso in dry season and wet season

3 討論

穩(wěn)定同位素分析技術(shù)可以確定消費者的食物來源及營養(yǎng)級，是研究食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及物質(zhì)循環(huán)和能量流動的有效技術(shù)[23]。δ13C范圍代表了消費者對食物源利用的范圍，δ13C范圍的增加表明擁有更多不同δ13C值的基礎(chǔ)食物源被利用[24]。巴松措不同水文時期消費者δ13C值變化不明顯，表明可能的四種食物源在不同水文季節(jié)均可被利用?？菟靖街孱悓οM者的貢獻度為36.4%，而豐水季，隨著氣溫的升高，大量的冰雪融水匯入，使得湖面升高，導(dǎo)致更多的濕生植物、陸生植物進入水中，使得附著藻類對消費者的貢獻度有所降低，為29.8%。相較于枯水季，豐水季消費者的食物組成及攝食選擇性增加，食物來源更均衡。一般來說，藻類在枯水季對消費者的貢獻較大，而陸生植物在豐水季貢獻較大[25]。有研究表明，湖泊消費者所利用的碳源主要來自于藻類，對大型陸生植物的利用并不大[26]。Leigh等[26]研究發(fā)現(xiàn)，大型陸生植物是底棲動物的主要碳源之一。德國科學(xué)家的實驗表明，水生食物網(wǎng)中的碳源主要來自于附著藻類、土壤微生物和腐敗的樹葉[28]。各個地區(qū)的科學(xué)家結(jié)論不一，本研究發(fā)現(xiàn)在巴松措食物網(wǎng)中水文條件的變化不會影響魚類對于附著藻類的攝食，附著藻類是湖泊消費者主要的食物來源，這與大多數(shù)學(xué)者的研究相一致[29]。

δ15N的值通常用來確定食物網(wǎng)的營養(yǎng)級，且受到自身能量代謝和食物來源兩個方面的影響，水體消費者中δ15N范圍越大表明該食物網(wǎng)營養(yǎng)級越高，食物鏈越長[30，31]。本研究表明，巴松措消費者的δ15N表現(xiàn)出物種特異性，豐水季與枯水季相比，δ15N范圍變化不大，表明食物鏈長度較穩(wěn)定。有研究表明，淡水生態(tài)系統(tǒng)大約占據(jù)3.6個營養(yǎng)級[32]，而巴松措食物網(wǎng)中平均營養(yǎng)級為3.36，相對偏低。這可能跟巴松措消費者的主要食物來源是附著藻類有關(guān)。本研究中，不同魚類之間最高營養(yǎng)級與最低營養(yǎng)級差0.72個營養(yǎng)級，巴松措魚的種類比較少，并且食物來源較單一，運動范圍較少，較低營養(yǎng)級的魚類為藻類碎屑食性，相較于普通藻類食性魚類更偏向于雜食性，所以營養(yǎng)級相對較高，進而營養(yǎng)級之間差異較小。有研究表明，食物資源能夠影響魚類的營養(yǎng)級和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)[33]，最長的食物鏈往往出現(xiàn)在生產(chǎn)力中等的生態(tài)系統(tǒng)中[34，35]。巴松措水體中具有豐富的食物資源，包括藻類及陸生植物等，能夠滿足消費者對營養(yǎng)物質(zhì)的需求。因此，巴松措可能存在的食物鏈為：附著藻類(外來食物源)——底棲無脊椎動物(藻類碎屑食性魚類)——雜食性魚類——肉食性魚類。

巴松措不同水文時期，內(nèi)源性碳與外源性碳對消費者的貢獻度存在差異性。在枯水季，不同碳源對消費者的貢獻度較均衡，但是雜食性魚類巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚以內(nèi)源性碳為主，而拉薩裸裂尻魚和尖裸鯉以外源性碳為主；在豐水季，外源性碳對所有消費者的貢獻度均超過60%。底棲動物和魚類在大多數(shù)情況下均表現(xiàn)出對濕生植物或陸生植物的依賴，這表明外源性碳對水體消費者的作用至關(guān)重要[36]。高山冰雪融水增多，導(dǎo)致土壤中有機質(zhì)及陸生樹葉隨水體進入湖泊中，增大湖泊生產(chǎn)力[37]。同時Rowland等[37]指出，陸上植物落葉和腐殖質(zhì)對湖泊的貢獻隨著水量的增加而增加。巴松措兩岸大量的植被覆蓋促進了雜食性魚類對外源性碳的利用，因此外源性碳可以從初級消費者轉(zhuǎn)移到更高級的消費者體內(nèi)[39]。外源性碳對巴松措貢獻度高可能與湖泊周圍的森林覆蓋率有關(guān)，同時受豐水季大量冰雪融水匯入影響。

綜上所述，水文變化會對巴松措食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及碳的來源產(chǎn)生影響。外源性碳為巴松措食物網(wǎng)碳的主要來源，雜食性魚類對碳的需求由內(nèi)源性碳向外源性碳轉(zhuǎn)化。不管是豐水季還是枯水季，附著藻類一直是巴松措消費者主要的食物源。高山冰雪融水的增多不能改變魚類利用附著藻類的能力，但是對于利用外源性碳有積極的作用。高森林覆蓋率可能使得外源性碳對湖泊水體的貢獻度增加。為了更好地維持巴松錯生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，應(yīng)該提高巴松措周圍植被的數(shù)量，增大植被覆蓋率，同時也要提高附著藻類的密度及生物量，增加物種多樣性。