廣西北海市南岸灘涂主要大型植物及表層沉積物的穩(wěn)定性碳和氮同位素豐度*

黃國(guó)強(qiáng)，劉旭佳，彭銀輝，黃亮華，鐘聲平**，劉麗婷

(1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)海洋藥物研究院，廣西南寧 530200；2.廣西科學(xué)院，廣西北部灣海洋研究中心，廣西近海海洋環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007；3.北部灣大學(xué)海洋學(xué)院，廣西北部灣海洋生物多樣性養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西欽州 535011)

0 引言

穩(wěn)定性同位素技術(shù)在現(xiàn)代生態(tài)學(xué)中應(yīng)用廣泛，可用于植物生理生態(tài)適應(yīng)機(jī)制、動(dòng)植物相互作用、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)關(guān)系構(gòu)建等領(lǐng)域研究，通過穩(wěn)定性同位素分析可以追蹤碳、氮、磷等主要元素的地球化學(xué)循環(huán)過程[1-7]。穩(wěn)定性同位素用于生態(tài)學(xué)研究，需要獲取生物和非生物環(huán)境中可能作為營(yíng)養(yǎng)或生源要素來源的各類樣品，并測(cè)定植物、動(dòng)物和沉積物等的穩(wěn)定性同位素豐度。

全球范圍的調(diào)查結(jié)果表明，C3植物的穩(wěn)定性碳同位素豐度(δ13C)為-35‰—-20‰，C4植物的δ13C為-15‰—-7‰，而景天酸代謝(GAM)植物的δ13C為-22‰—-10‰[8，9]。同種植物體內(nèi)的δ13C主要由所處地區(qū)大氣CO2的δ13C和環(huán)境因子決定。作為灘涂木本植物的代表，我國(guó)沿海灘涂紅樹植物的δ13C均在-27.5‰以上[10-13]，不同地區(qū)和不同種類略有差異，但都在C3植物碳穩(wěn)定性同位素變動(dòng)范圍之內(nèi)。草本植物互花米草(Spartinaalterniflora)的δ13C為-12.24‰[11]，沉水植物鰻草(Zosteramarina)(海草)的δ13C為-18.6‰—-11.16‰[12,14，15]。大型海藻的δ13C為-23.26‰—-14.4‰[11,12,14-17]，而脆江蘺(Gracilariachouae)在不同鹽度下的δ13C為-27.56‰—-30.38‰[18]。大亞灣底棲硅藻 (Bacillariophyceae)的δ13C為-17.23‰，浮游植物(Phytoplankton)的δ13C為-20.76‰[17]。同一地點(diǎn)懸浮顆粒和沉積物的δ13C差別較小，如海南清瀾港附近懸浮顆粒和沉積物的δ13C分別為-22.81‰和-22.06‰[12]，廣西北海市廉州灣顆粒有機(jī)物和表層沉積物的δ13C分別為-22.09‰和-24.18‰[13]，大亞灣顆粒有機(jī)物和表層沉積物的δ13C分別為-13.25‰和-16.04‰[17]。

雖然空氣的δ15N十分穩(wěn)定(接近0)，但不同生態(tài)系統(tǒng)中不同類別樣品的δ15N變化幅度很大[1]。紅樹植物中，海南清瀾港附近的紅樹植物樹皮和葉片的δ15N分別為2.48‰和5.95‰[12]，崔瑩等[14]測(cè)得海南清瀾灣的紅樹植物的葉片δ15N為1‰—4‰，而廣西北海市廉州灣沿岸紅樹植物葉片的δ15N超過11‰[13]，與前者差異較大。海南清瀾港附近海草的δ15N為9.79‰[12]，崔瑩等[14]測(cè)得海南清瀾灣的海草δ15N低于6‰。大型藻類的δ15N變動(dòng)范圍較大，煙臺(tái)潮間帶大型海藻的δ15N為6.18‰—10.99‰[19]，枸杞島大型藻類的δ15N為4.3‰—5.3‰[16]，大亞灣的裂葉馬尾藻(Scagassumsiliquastrum)的δ15N為7.17‰[17]，海南瀾清港(灣)附近大型海藻的δ15N為6‰—7‰[12,14]，而廣西北海市廉州灣沿岸的大型藻類δ15N達(dá)到15.45‰[13]。海南清瀾港附近的懸浮顆粒與表層沉積物的δ15N分別為7.28‰和5.93‰[12]，廣西北海市廉州灣沿岸的懸浮顆粒與表層沉積物的δ15N分別為8.00‰和7.74‰[13]，而大亞灣的有機(jī)顆粒和沉積物的δ15N分別為-0.16‰和9.88‰[17]，不同地點(diǎn)差異極大。

以上有關(guān)我國(guó)近海生態(tài)系統(tǒng)的δ13C和δ15N調(diào)查，為開展相關(guān)海域食物網(wǎng)鏈構(gòu)建、能量流動(dòng)、生源要素地球化學(xué)循環(huán)、生理生態(tài)學(xué)等研究提供了基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。然而調(diào)查結(jié)果也表明，由于生存環(huán)境背景、環(huán)境因子變動(dòng)、不同生物類群的生理生態(tài)學(xué)特征差異等影響，不僅區(qū)域間的δ13C和δ15N存在差異，同一地點(diǎn)不同樣品類型甚至不同季節(jié)樣品間也可能存在較大差異。因此，不同地區(qū)應(yīng)用穩(wěn)定性同位素技術(shù)開展生態(tài)學(xué)研究，必須獲取當(dāng)?shù)氐耐凰胤植紨?shù)據(jù)。

廣西沿海淺海和灘涂資源豐富，初級(jí)生產(chǎn)力高，熱帶、亞熱帶生物資源豐富[20]，不僅利于開展增殖、養(yǎng)殖發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，更具有開展熱帶、亞熱帶海洋生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與開發(fā)研究的便利條件。應(yīng)用穩(wěn)定性同位素技術(shù)，可為廣西沿海紅樹林、海草、灘涂等生態(tài)系統(tǒng)及保護(hù)區(qū)構(gòu)建食物網(wǎng)、能量流動(dòng)和生源要素循環(huán)模型提供便利。但目前對(duì)廣西沿海各類生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性同位素的調(diào)查研究較少，需要開展更多的基礎(chǔ)性調(diào)查研究。北海市沿海灘涂分布有大量大型植物，它們的初級(jí)生產(chǎn)力可能為沿海的特色海產(chǎn)品如方格星蟲和雙殼貝類等提供營(yíng)養(yǎng)來源，但目前尚無充足的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來支持這方面的分析。因此，本文選擇北海市南岸從山口鎮(zhèn)至銀灘鎮(zhèn)大冠沙分布有豐富方格星蟲和雙殼貝類資源的典型區(qū)域，測(cè)定不同類型樣品的δ13C和δ15N，并分析其差異原因，以期為沿岸主要生態(tài)系統(tǒng)和重要生物種類的生態(tài)學(xué)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣時(shí)間和站點(diǎn)

于2013年1月至2013年12月每個(gè)月下旬大潮期間，在潮水退至低潮線時(shí)到灘涂由低潮線往岸線收集樣品，采樣點(diǎn)分別為北海市南岸的山口鎮(zhèn)英羅村(1)、北暮鹽場(chǎng)(2)、營(yíng)盤鎮(zhèn)青山頭村(3)、竹林鹽場(chǎng)(4)、大冠沙(5)的潮間帶，5個(gè)采樣點(diǎn)都是方格星蟲和貝類資源非常豐富的區(qū)域，采樣點(diǎn)位置見圖1。

圖1 采樣區(qū)域位置示意圖

1.2 采樣方法

每個(gè)取樣地點(diǎn)分別在四角和中部共5個(gè)區(qū)域隨機(jī)選取一塊面積為20 cm×20 cm的方塊，用小鏟取5 cm厚的表層沉積物作為樣品，每個(gè)隨機(jī)位置的樣品都采集3份。然后沿與岸線垂直的方向，由低潮線往高潮線行走，收集途中發(fā)現(xiàn)的紅樹落葉(每份500 g以上)和主要大型藻類(每份500 g以上)。在有互花米草分布的岸線區(qū)域，采集干枯的互花米草樣品3份(每份500 g以上)。

1.3 樣品處理與保存

采回的紅樹植物秋茄(Kandeliacandel)和白骨壤(Avicenniamarina)的落葉，互花米草、大型海藻條滸苔(Enteromorphaclathrata)和細(xì)基江蘺(Gracilariatenuistipitata)樣品首先用自來水沖洗除去泥沙，然后用蒸餾水沖洗2次，控干水分，放入烘箱在70℃烘干至恒重，然后用剪刀剪碎，再用電動(dòng)粉碎機(jī)粉碎，過60目篩后裝瓶，放入干燥器中保存待測(cè)。

沉積物樣品回到實(shí)驗(yàn)室后立即放入玻璃皿，在70℃烘干至恒重，然后用粉碎機(jī)粉碎，過60目篩后裝瓶，放入干燥器中保存待用。測(cè)試前將樣品按需要量取出，用濃鹽酸熏蒸24 h除去無機(jī)碳后再在70℃烘干至恒重后保存待測(cè)。

1.4 樣品測(cè)試

所有樣品送中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境穩(wěn)定性同位素實(shí)驗(yàn)室，用Vario PYRO cube元素分析儀測(cè)定總有機(jī)碳(TOC，%)和總氮(TN，%)，用穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜儀(Isoprime-100同位素質(zhì)譜儀)測(cè)定穩(wěn)定性碳同位素豐度(δ13C，‰)和穩(wěn)定性氮同位素豐度(δ15N，‰)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)不同取樣地點(diǎn)各個(gè)樣品的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算平均值，對(duì)每月均能采到的不同地點(diǎn)樣品的TOC、TN、δ13C、δ15N，以地點(diǎn)和月份為變量進(jìn)行雙因素方差分析，以P<0.05作為統(tǒng)計(jì)差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)。在雙因素方差分析的基礎(chǔ)上，將沒有顯著影響的因子計(jì)算平均值，然后再以影響顯著的因子為變量進(jìn)行單因子方差分析和Duncan's多重比較，以P<0.05作為統(tǒng)計(jì)差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅樹落葉的TOC、TN、δ13C和δ15N

以采樣點(diǎn)和采樣月份作為因子，對(duì)紅樹落葉的TOC、TN、δ13C、δ15N進(jìn)行了雙因素方差分析，結(jié)果表明，不同地點(diǎn)和月份對(duì)紅樹落葉的TOC、TN、δ13C、δ15N均有顯著交互效應(yīng)，但月份對(duì)4個(gè)指標(biāo)的主效應(yīng)均不顯著，而取樣地點(diǎn)的主效應(yīng)對(duì)TN顯著(表1)。

表1 紅樹落葉TOC、TN、δ13C、δ15N的雙因素方差分析

對(duì)4個(gè)指標(biāo)年平均值的單因素方差分析結(jié)果表明，不同地點(diǎn)紅樹落葉的TOC、δ13C、δ15N不存在顯著差異，但大冠沙紅樹落葉的TN明顯比山口鎮(zhèn)英羅村的高(圖2)。

同一指標(biāo)中沒有相同字母上標(biāo)的表示相互之間差異顯著

No significant difference existed between the values without the same letter superscript

圖2 不同采樣點(diǎn)紅樹落葉的TOC、TN (a)和δ13C、δ15N (b)

Fig.2 TOC,TN (a),and δ13C and δ15N (b) in mangrove leaves of different sampling sites

2.2 互花米草、條滸苔、細(xì)基江蘺的TOC、TN、δ13C和δ15N

在互花米草分布的2個(gè)地點(diǎn)中，僅北暮鹽場(chǎng)互花米草的TN顯著高于營(yíng)盤鎮(zhèn)青山頭村，其余指標(biāo)不存在顯著差異(圖3)。4個(gè)地點(diǎn)條滸苔的TOC和δ13C均沒有顯著差異，北暮鹽場(chǎng)條滸苔的δ15N顯著高于竹林鹽場(chǎng)，大冠沙條滸苔的TN顯著高于北暮鹽場(chǎng)和山口鎮(zhèn)英羅村(圖4)。在發(fā)現(xiàn)細(xì)基江蘺的3個(gè)地點(diǎn)中，竹林鹽場(chǎng)細(xì)基江蘺的δ13C顯著高于另外兩個(gè)地點(diǎn)，北暮鹽場(chǎng)的細(xì)基江蘺TOC顯著高于另外兩個(gè)地點(diǎn)，不同地點(diǎn)的TN和δ15N則沒有顯著差異(圖5)。

同一指標(biāo)中沒有相同字母上標(biāo)的表示相互之間差異顯著

No significant difference existed between the values without the same letter superscript

圖3 不同地點(diǎn)互花米草的TOC、TN (a)和δ13C、δ15N (b)

Fig.3 TOC，TN (a),δ13C and δ15N (b) inS.alternifloraof different sampling sites

同一指標(biāo)中沒有相同字母上標(biāo)的表示相互之間差異顯著

同一指標(biāo)中沒有相同字母上標(biāo)的表示相互之間差異顯著

2.3 表面沉積物的TOC、TN、δ13C和δ15N

雙因素方差分析結(jié)果表明，不同地點(diǎn)和月份對(duì)表面沉積物的TOC、TN、δ13C、δ15N均有顯著的交互效應(yīng)，但月份對(duì)4個(gè)指標(biāo)的主效應(yīng)均不顯著，而取樣地點(diǎn)的主效應(yīng)對(duì)TOC和δ13C均顯著(表2)。對(duì)不同地點(diǎn)的年平均數(shù)的單因素方差分析結(jié)果見圖6，不同地點(diǎn)表面沉積物的TOC、TN、δ13C、δ15N分別為0.110%—0.170%、0.035%—0.047%、-16.23‰—-15.11‰、3.15‰—3.62‰，各項(xiàng)指標(biāo)均沒有顯著差異(圖6)。

表2 表面沉積物TOC、TN、δ13C、δ15N的雙因素方差分析

同一指標(biāo)中沒有相同字母標(biāo)記的表示相互之間差異顯著

3 討論

3.1 紅樹植物和互花米草的穩(wěn)定性同位素含量

在本次調(diào)查中，采自山口鎮(zhèn)英羅村和大冠沙的紅樹落葉δ13C分別為-28.68‰和-28.71‰，而在北海市北岸廉州灣沿岸采集的紅樹植物葉片、紅樹植物落葉、紅樹植物樹皮的δ13C分別為-29.06‰、-28.24‰、-27.79‰[13]，北海市南北兩岸紅樹植物的δ13C沒有明顯差異。就更大范圍而言，不同地區(qū)的紅樹植物δ13C也未發(fā)現(xiàn)大幅差異，如東南沿海紅樹植物秋茄、桐花樹、白骨壤葉片的δ13C 分別為-27.5‰、-30.9‰、-31.4‰[10]，海南清瀾港附近紅樹植物樹皮和葉片的δ13C 分別為-28.83‰和-29.73‰[12]，美國(guó)東部沿海鹽沼陸生植物的δ13C 平均為-28.6‰[21]。這可能是因?yàn)榧t樹植物作為典型的C3植物，其13C含量主要取決于大氣13C含量，僅在一定程度上受氣候和生態(tài)因子的影響。而由于大氣相對(duì)均勻，紅樹植物分布區(qū)域的氣候和生態(tài)因子并未對(duì)紅樹植物13C含量差異造成較大影響。北暮鹽場(chǎng)和營(yíng)盤鎮(zhèn)青山頭村互花米草的δ13C分別為-13.55‰和-13.66‰，與江蘇啟東沿?；セ撞莸摩?3C (-12.24‰)[11]、美國(guó)東部鹽沼互花米草的δ13C(-13.1‰)[21]非常接近，表明作為C4植物的互花米草δ13C在不同地區(qū)的變幅較小，這與互花米草的13C含量主要取決于大氣13C含量有關(guān)。

采自山口鎮(zhèn)英羅村和大冠沙的紅樹落葉的δ15N分別為6.34‰和6.39‰，2個(gè)地點(diǎn)的含量均沒有顯著差異，但顯著低于北岸廉州灣沿岸的紅樹植物葉片、落葉、樹皮的δ15N(11.82‰、11.01‰、11.81‰)[13]，與海南清瀾港附近紅樹植物樹皮和葉片的δ15N (2.48‰和5.95‰)[12]也有較大差異。這是因?yàn)楦叩戎参锏牡粗饕獊碓从谕寥?，土壤?5N本身具有較大的變化幅度，可達(dá)-8‰—20‰[1]，所以不同地點(diǎn)同種植物的δ15N存在較大差異是正?，F(xiàn)象。例如在美國(guó)東部鹽沼，C3植物的平均δ15N僅為-0.6‰左右[21]。北暮鹽場(chǎng)和營(yíng)盤鎮(zhèn)青山頭村互花米草的δ15N分別為6.33‰和6.80‰，與美國(guó)東部鹽沼中互花米草的δ15N (3.8‰)[21]有較大差異。

通過以上比較不難發(fā)現(xiàn)，沿海灘涂高等植物的δ13C主要受到均勻的大氣影響，不同區(qū)域和地點(diǎn)的差異較小。而由于植物對(duì)氮同位素吸收沒有分餾作用[1]，再加上土壤或?yàn)┩砍练e物的δ15N本身具有較大的變動(dòng)幅度，不同區(qū)域和地點(diǎn)的δ15N通常存在較大差異。

3.2 大型藻類的穩(wěn)定性同位素含量

本研究中，不同地點(diǎn)條滸苔的δ13C為-18.13‰—-14.66‰，細(xì)基江蘺的δ13C為-18.25‰—-15.04‰。我國(guó)沿海大型藻類的δ13C存在一定的變動(dòng)范圍，江蘇啟東灘涂以盤苔(Blidingiaminima)為主的底棲藻類δ13C為-18.49‰[11]，浙江舟山枸杞島孔石莼(Ulvapertusa)、細(xì)枝軟骨藻(Chondriatenuissima)、舌狀蜈蚣藻(Grateloupialivida)、瓦氏馬尾藻(Sargassumvachellianum)、羊棲菜(Hizikiafusifarme)的δ13C 分別為-14.4‰、-18.0‰、-15.0‰、-18.6‰、-17.7‰[16]，海南清瀾港附近大型藻類的δ13C為-17.21‰[12]，大亞灣裂葉馬尾藻(Scagassumsiliquastrum)、線性硬毛藻(Chaetomorphalinum)的δ13C分別為-16.16‰[17]和-16.10‰[15]，上述大型藻類的δ13C在-18.6‰—-14.4‰變動(dòng)，與本次調(diào)查的情況類似。廣西北海市廉州灣與本次調(diào)查的地點(diǎn)比較接近，僅與北海市相隔一個(gè)小型半島，但其大型藻類的δ13C有較大差異(-23.26‰)[13]?？赡苁莾纱窝芯咳硬杉拇笮驮孱惙N類組成不一致所導(dǎo)致。另一個(gè)可能的原因是，大型藻類同時(shí)存在C3和C4光合碳代謝途徑，會(huì)加劇其δ13C變動(dòng)范圍。對(duì)大型藻類而言，光合作用的C4途徑是對(duì)C3途徑的一系列結(jié)構(gòu)和生化修飾，在某些環(huán)境脅迫下，二者可發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而在特定環(huán)境條件下提高光合效率，進(jìn)而提高藻類的競(jìng)爭(zhēng)力和生存能力[22,23]。如在不同鹽度條件下脆江蘺(Gracilariachouae)的δ13C為-30.38‰—-27.56‰，脆江蘺可能同時(shí)存在C3和C4光合碳代謝途徑，鹽度的變化(尤其是高鹽度脅迫)會(huì)引起光合碳代謝途徑的改變[18]，進(jìn)而引起δ13C的變化。廉州灣大型海藻的δ13C較高，可能是由于生物種間差異或者是采集地點(diǎn)生態(tài)環(huán)境的差異造成。北部灣分布有多種江蘺(包括脆江蘺)及其他大型海藻，本次調(diào)查采集僅涵蓋其中2種，該現(xiàn)象的關(guān)鍵成因尚需進(jìn)一步研究。

本次調(diào)查中條滸苔的δ15N為9.30‰—12.60‰，細(xì)基江蘺的δ15N為8.14‰—10.91‰，與煙臺(tái)潮間帶大型藻類的δ15N (6.18‰—10.99‰)[19]較為接近，高于枸杞島大型海藻的δ15N(4.3‰—5.3‰)[16]，也高于大亞灣裂葉馬尾藻的δ15N(7.17‰)[17]和海南清瀾港附近大型藻類的δ15N(6.58‰)[12]。而僅隔一個(gè)半島的廉州灣大型藻類δ15N為15.45‰[13]，明顯高于本次北海市南岸的調(diào)查結(jié)果。由于植物對(duì)氮同位素吸收沒有分餾作用，藻類的δ15N主要是由水體中氮源的δ15N決定。因此推測(cè)可能是由于廉州灣受到大型河流南流江帶入的氮源影響較大，而南岸基本沒有大型河流帶入氮源，導(dǎo)致兩地水體中氮源的δ15N存在較大差異，進(jìn)而導(dǎo)致大型藻類的δ15N差異。

3.3 表層沉積物的穩(wěn)定性同位素含量

表層沉積物有機(jī)碳來源受到沿岸和潮間帶植被、河流帶入、浮游生物沉積和底棲生物活動(dòng)的影響，在不同區(qū)域可能存在較大差異。如青島嶗山灣海泥的δ13C為-25.18‰[15]，大亞灣沉積物的δ13C和δ15N分別為-16.04‰和9.88‰[17]，海南清瀾港附近表層沉積物的δ13C和δ15N分別為-22.06‰和5.93‰[12]。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北海市南岸潮間帶灘涂表層沉積物的有機(jī)碳和氮含量非常均勻，δ13C為-16.23‰—-15.11‰，δ15N為3.15‰—3.88‰，與上述研究較為一致。而與本次調(diào)查僅隔一個(gè)半島的廉州灣表層沉積物δ13C和δ15N差異明顯，分別為-24.18‰和7.74‰[13]，可能是由于相比南岸而言，廉州灣受到大型河流南流江和陸源生物的影響較大。此外，本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)南岸5個(gè)采樣點(diǎn)的δ13C和δ15N較均勻，不同采樣點(diǎn)之間沒有明顯差異，可能與南岸為開闊海域的潮間帶、沒有大型河流和陸源生物影響有關(guān)。

3.4 大型植物與表層沉積物的穩(wěn)定性同位素含量的關(guān)系

大型植物從組成均勻的大氣中吸收CO2作為碳源，從表層沉積物中吸收氮源，因此其穩(wěn)定同位素含量往往差異不大。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北海市南岸不同地點(diǎn)紅樹落葉和互花米草的δ13C和δ15N差異不明顯，潮間帶灘涂表層沉積物的總有機(jī)碳、總氮、δ13C、δ15N也非常均勻。一方面可能由于大氣的δ13C和沉積物的δ15N存在均勻性，另一方面可能由于取樣區(qū)域的地理跨度不大，不存在明顯的氣候條件差異。但同為南岸分布的大型藻類δ15N和δ13C出現(xiàn)了明顯差異，可能是由于大型藻類主要從海水中吸收碳和氮，而不同采樣點(diǎn)海水的同位素碳和氮受近岸的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)(如海水池塘養(yǎng)殖等)的影響而存在差異。本次調(diào)查并未同時(shí)調(diào)查海水的δ13C和δ15N，因此造成上述差異的確切原因仍有待進(jìn)一步研究。