海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位研究方法及其應(yīng)用

李云凱, 陳子昂, 貢藝, 陳新軍

1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306;

2. 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室, 上海 201306;

3. 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 201306;

4. 農(nóng)業(yè)部大洋漁業(yè)開發(fā)重點實驗室, 上海 201306

Elton(1927)在其專著《Animal Ecology》中提出的生態(tài)位(niche)理論, 系生物在生物群落中的機能作用和地位。該理論特別強調(diào)一種生物和其他生物的營養(yǎng)關(guān)系作用, 被認(rèn)為是最早的“營養(yǎng)生態(tài)位(trophic niche)”理論(鐘章成, 1987)。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中, 食物資源對于海洋動物的生存、發(fā)育和繁殖尤為重要(Ross, 1986)。攝食是研究海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位的重要內(nèi)容, 對理解物種在生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)關(guān)系及功能作用至關(guān)重要(Willson et al, 2010), 而海洋動物的營養(yǎng)生態(tài)位反映了其在生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)地位及功能, 對分析種間關(guān)系和資源分配模式, 以及了解群落結(jié)構(gòu)與功能均具有重要的指示作用(Fogartyet al, 1998)。

在海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位研究中, 常通過能夠反映食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的定量指標(biāo)來刻畫營養(yǎng)生態(tài)位(Santos-Carvallo et al, 2015)。一個物種對生態(tài)系統(tǒng)最重要的貢獻之一是其在系統(tǒng)內(nèi)對能量利用、儲存和轉(zhuǎn)移方面的作用, 因而評估一個物種的功能作用在很大程度上取決于對其營養(yǎng)生態(tài)位寬度的量化。此外, 物種間資源的分配及競爭程度通常根據(jù)生態(tài)位重疊的高低來推斷(Willson et al, 2010)。生態(tài)位寬度和重疊作為描述種間關(guān)系最重要的兩個指標(biāo)(王鳳 等, 2006), 分別反映了海洋動物攝食餌料生物的多樣性和均勻度(Bearhop et al, 2004), 及物種間對資源利用的相似程度(王桂明 等, 1996)。

營養(yǎng)生態(tài)位是生態(tài)位理論中最方便測定的指標(biāo)之一(Bearhop et al, 2004)。研究營養(yǎng)生態(tài)位最早和最直接的方法是直接觀察法, 即直接觀察研究對象的攝食行為, 記錄攝食食物種類及數(shù)量等(原寶東 等, 2016), 但這一方法較難適用于海洋動物中。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中, 捕食者與獵物之間的相互作用很難被直接觀察到(Brodeuret al, 2017), 常采用“間接”觀察法, 即胃含物分析, 它是了解海洋動物“吃了什么”的最直接和最便捷的方法, 能夠提供一個最直接的食性快照(Costa et al, 2019)。但由于其“分辨率”會受到消化程度影響, 且僅能反映最近攝食信息的局限性, 因而陸續(xù)出現(xiàn)了運用穩(wěn)定同位素(stable isotope)、脂肪酸(fatty acid)及分子生物學(xué)對其進行補充(Dalsgaard et al, 2003; Varela et al,2019)。

為了解海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位相關(guān)研究的發(fā)展,在中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science所有數(shù)據(jù)庫中,對近30年的相關(guān)研究文獻進行檢索。中文文獻的檢索關(guān)鍵主題詞為“營養(yǎng)生態(tài)位”和“生態(tài)位”, 分別再以“胃含物”、“穩(wěn)定同位素”、“脂肪酸”進行檢索(排除會議性論文及非相關(guān)文章)。在Web of Science所有數(shù)據(jù)庫中的檢索主題詞為“marine”和“niche”, 分別 再 以“trophic”、“stomach contents”、“stable isotopes”及“fatty acid”選擇相關(guān)領(lǐng)域及文獻類型進行檢索。檢索結(jié)果發(fā)現(xiàn), 國內(nèi)對營養(yǎng)生態(tài)位的研究相對較少, 且起步較晚, 文獻數(shù)量年間波動幅度較大, 研究生態(tài)位多以胃含物分析為主, 其次是穩(wěn)定同位素技術(shù)。國外對海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位的研究則一直呈增長趨勢, 在早期使用最多的是胃含物分析法, 其次是穩(wěn)定同位素和脂肪酸組成分析。2007年后, 利用穩(wěn)定同位素研究營養(yǎng)生態(tài)位的相關(guān)文獻開始大量出現(xiàn), 總體上呈持續(xù)增長趨勢, 而利用脂肪酸分析的相關(guān)研究則一直處于緩慢的增長趨勢(圖1)。

本文在檢索國內(nèi)外有關(guān)海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位研究的基礎(chǔ)上, 綜述了目前海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位研究中的常用方法及其應(yīng)用領(lǐng)域, 并探討了氨基酸單體穩(wěn)定同位素分析在營養(yǎng)生態(tài)位評估中的潛在應(yīng)用價值, 以期為今后的攝食生態(tài)學(xué)相關(guān)研究工作提供參考。

1 海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位的研究方法及應(yīng)用

1.1 胃含物分析

食物的種類組成和分布是種群生存和繁殖的重要條件, 攝食是能量傳遞最為重要的一環(huán), 因此動物食性的分析是研究其營養(yǎng)生態(tài)位的重要內(nèi)容(Cassini, 1994)。胃含物分析法作為研究海洋動物食性的基礎(chǔ)性方法(Hyslop, 1980), 通過對胃腸道內(nèi)消化物進行定性、定量分析, 探討其攝食習(xí)性及能量來源, 評估海洋動物的生態(tài)功能與地位, 根據(jù)食物多樣性來計算營養(yǎng)生態(tài)位的寬度(Bearhop et al,2004)。薛瑩等(2003)把魚類食性分析所用指數(shù)模型分為單一指數(shù)和綜合性指數(shù)兩類(表1), 并指出任何一種單一指數(shù)都不能夠完整地描述魚類的食物組成,應(yīng)該同時使用多個指數(shù)進行描述。

表1 描述食物組成的單一指數(shù)和綜合性指數(shù)Tab. 1 Single index and comprehensive index in describing food composition

國內(nèi)已有多位學(xué)者對生態(tài)位寬度及生態(tài)位重疊的計算方法進行了歸納(楊效文 等, 1992; 周丹 等,1999; 李等, 2003)。每種方法的適用條件不同,且模型條件不同, 計算結(jié)果也存在一定差異(周丹等, 1999)。計算生態(tài)位寬度的模型有多種, 根據(jù)是否考慮資源可利用率將其劃分為兩種(劉屹 等, 2015),其中Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)(Levins,1968)為不考慮資源可利用率的模型, 而Urburt測度式、Petraitis測度、Feinsinger測度和Smith測度(MacArthur, 1968; Colwell et al, 1971; Feinsinger et al, 1981)為考慮資源可利用率的模型。由查閱的國內(nèi)外相關(guān)文獻可知, 營養(yǎng)生態(tài)位寬度的計算常采用根據(jù)各餌料生物類群的質(zhì)量百分比、體積百分比及出現(xiàn)頻率等參數(shù)計算的Shannon-Wiener指數(shù)模型和Levins指數(shù)模型。此外, 結(jié)合這兩種指數(shù)模型對應(yīng)的均勻度指數(shù), 即標(biāo)準(zhǔn)化方程, 其值位于0～1之間,適合進行種間比較(Marshall et al, 1997; 楊璐 等,2016)。

其中, Shannon-Wiener指數(shù) (Shannon et al,1963) 計算公式為:

Pielou均勻度(Pielou, 1966)計算公式為:

Levins指數(shù)(Krebs, 1989)計算公式為:

Hulbert均勻度(Hurlbert, 1978)計算公式為:

有研究認(rèn)為Levins指數(shù)是一個更適合測量生態(tài)位寬度的模型(Krebs, 1989), 因為它會對豐富的資源給予更多權(quán)重, Shannon-Wiener指數(shù)則對稀有資源更敏感。Marshall等(1997)研究了各種用于分析魚類種間(內(nèi))攝食關(guān)系的模型的優(yōu)缺點, 認(rèn)為Levins指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)這兩種生態(tài)位寬測度的結(jié)果幾乎沒有差異。此外, Marshall等(1997)在比較標(biāo)準(zhǔn)化生態(tài)位寬度時, 發(fā)現(xiàn)均勻度J'的取值范圍大于均勻度Ba的取值范圍, 而均勻度Ba的種間變化性更大。因此, 稀有物種的重要性變得更明顯, 均勻度指數(shù)J'比Levins指數(shù)更能反映攝食的多樣性, Levins指數(shù)則與主要資源的數(shù)量有更強的關(guān)系(Krebs,1989)。因此, 在描述生態(tài)位寬度時, 使用標(biāo)準(zhǔn)化方程(J'或Ba)將比Levins指數(shù)或Shannon-Wiener指數(shù)更合適; Shannon-Wiener指數(shù)對稀有物種敏感性更高, 因而能更恰當(dāng)?shù)胤从成鷳B(tài)位的整體寬度; 在進行種間比較時, Levins指數(shù)可能最適合, 因為它降低了更稀有的獵物資源的權(quán)重, 而這些資源在攝食中占比很小。

對于生態(tài)位重疊, 常用的度量方法有Schoener(1970)、Levins (1968)和Pianka(1973)分別提出的生態(tài)位重疊模型。其中, 物種間最常見的生態(tài)位重疊分析方法是基于經(jīng)典的Pianka指數(shù)(Pianka, 1973),該指數(shù)來源于不同物種的攝食組成, 公式如下:

此外, 也有學(xué)者(Vaudo et al, 2011; Knickle et al,2014)使用Schoener重疊指數(shù)模型(Schoener, 1970),其公式如下:

式中:Pix和Piy分別為生物餌料i在物種x和y的食物組成中所占的質(zhì)量百分比(或出現(xiàn)頻率, 或相對重要性指數(shù));C為x和y兩物種間營養(yǎng)生態(tài)位的重疊程度, 其變化范圍為0～1, 0代表無重疊, 1代表完全重疊, 通常C＞0.6認(rèn)為具有生物學(xué)意義(Wallace,1981; Vaudo et al, 2011; Knickle et al, 2014)。

Carroll等(2019)在對空間生態(tài)位相似性進行描述時指出Schoener指數(shù)存在一個潛在的缺陷, 即當(dāng)兩個物種在大范圍內(nèi)以低密度或低出現(xiàn)概率同時出現(xiàn)及它們之間的相互作用不太可能發(fā)生時,Schoener指數(shù)會得到一個偏高的重疊值。同樣, 如果在某些區(qū)域有許多捕食者, 而捕食者的數(shù)量與被捕食者的數(shù)量相關(guān), 那么在捕食壓力可能很高的情況下, Schoener指數(shù)會得到一個偏低的重疊值。Pianka生態(tài)位重疊指數(shù)受種群個體數(shù)量影響較小,其值取決于食物資源在物種間所占的相對比例, 能客觀反映物種間對資源利用的相似程度(楊效文 等,1992; 周丹 等, 1999; 李等, 2003)。

由于胃含物分析法是基于形態(tài)學(xué)觀察基礎(chǔ)上對胃腸道內(nèi)容物進行的分類鑒定, 往往需對研究物種的胃腸道內(nèi)容物進行致命取樣、洗胃等, 且無法對已消化食物進行形態(tài)學(xué)分析, 使得胃含物分析法在瀕危物種食性研究中不可取(Hancock et al, 2019),或在以膠質(zhì)浮游動物和其他軟體動物為食的物種的食性研究中極其困難(Clarke et al, 2020)。近幾年, 許多胃含物研究結(jié)合了分子生物手段, 如采用DNA條形碼、高通量測序技術(shù)等, 能夠開展更深入的生物學(xué)研究, 且在一定程度上彌補了由于消化導(dǎo)致分辨率降低的不足。DNA條形碼技術(shù)為物種水平的鑒定提供了一種有效的方法, 將更有利于生物分類學(xué)和生物多樣性的研究(Hajibabaei et al, 2007)。例如,席曉晴等(2017)選用線粒體細(xì)胞色素C氧化酶亞基I (mitochondrial cytochrome oxidase subunit I, COI)作為分子標(biāo)記, 對皮氏叫姑魚(Johnius belangerii)的胃內(nèi)食糜進行了物種鑒定, 結(jié)果比傳統(tǒng)胃含物觀測法鑒定出了更多物種, 提供了皮氏叫姑魚更加多樣的攝食信息。Clarke等(2020)運用高通量測序, 選用PCR擴增核糖體DNA(18S ribosomal DNA)V9區(qū)對印度洋南部中上層魚類胃含物進行了食性分析, 研究對象包括4種燈籠魚和南極深海鮭(Bathylagus antarcticus), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)4種燈籠魚以攝食端足類、鱗蝦類和橈足類為主, 放射蟲類和管水母類在南極深海鮭攝食中占比較高, 同時還發(fā)現(xiàn)在以往的胃含物分析中這些類群的餌料貢獻率被大大低估, 這證實了高通量測序技術(shù)在中上層魚類攝食評估中可能具有更大的發(fā)展空間或潛力。傳統(tǒng)的胃含物分析加上DNA分子技術(shù)的補充, 可大幅提高胃含物分析的分辨率。

雖然胃含物分析存在一定的局限性, 即其“分辨率”會受到消化程度的直接影響, 但由于胃含物分析能夠提供基礎(chǔ)的分類學(xué)數(shù)據(jù)(高小迪 等, 2018),目前在營養(yǎng)生態(tài)位的研究中仍被普遍運用。如韓東燕等(2013)在對膠州灣5種蝦虎魚類進行胃含物分析時發(fā)現(xiàn)這些魚類均屬底棲動物食性。通過Shannon-Wiener指數(shù)及Pianka生態(tài)位重疊指數(shù)對其營養(yǎng)生態(tài)位寬度及重疊程度進行評估, 結(jié)果表明六絲鈍尾蝦虎魚(Amblychaeturichthys hexanema)在5種蝦虎魚中占據(jù)的營養(yǎng)生態(tài)位寬度最大, 且食物組成與鐘馗蝦虎魚(Tridentiger barbatus)較為相似, 兩者重疊指數(shù)最高, 較容易發(fā)生食物競爭(韓東燕 等,2013)。Sá-Oliveira等(2014)對巴西馬卡帕(Amapá)地區(qū)的魚類群落同樣進行了胃含物分析, 并利用Levins指數(shù)及Pianka指數(shù)分析比較了它們的生態(tài)位寬度及重疊, 發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的魚類群落物種中絕大多數(shù)是攝食特化物種, 且具有較窄的生態(tài)位寬度; 食魚性(piscivores)魚類和食碎屑(detritivores)魚類有較高的生態(tài)位重疊, 且隨季節(jié)及區(qū)域變化生態(tài)位重疊變化較小。Grainger等(2020)利用胃含物分析法對澳大利亞新南威爾士(New South Wales, Australia)海域噬人鯊(Carcharodon carcharias)的食性進行了初步分析, 并應(yīng)用多維營養(yǎng)生態(tài)位框架構(gòu)建了其攝食生態(tài)位, 結(jié)果顯示鱒澳鱸(Arripis trutta)是噬人鯊的主要捕食對象, 其次為鰩類、珊瑚礁魚類等底棲食性魚類; 此外, 噬人鯊的營養(yǎng)生態(tài)位寬度在性別之間無差異, 與南非地區(qū)的噬人鯊結(jié)果相似, 且隨著鯊魚個體體型的增大, 營養(yǎng)生態(tài)位寬度增加, 并認(rèn)為這可能與其活動范圍的擴大導(dǎo)致的攝食對象增加有關(guān)。

1.2 整體組織穩(wěn)定同位素分析

直接食性分析如胃腸道內(nèi)容物分析和糞便分析,僅能對較難消化的硬組織形態(tài)進行鑒定, 而對易消化食物則難以判別, 或?qū)τ谀承┦澄镳D料在生物消化道內(nèi)的相對豐度無法準(zhǔn)確測量, 此時常引入穩(wěn)定同位素示蹤法來輔助判斷食物來源(Willson et al,2010; 沙永翠 等, 2015)。其原理是生物圈中重、輕同位素在生物新陳代謝過程中的同位素分餾(Post,2002)。碳穩(wěn)定同位素比值(δ13C)在營養(yǎng)級間變化很小, 約為0.1‰～0.4‰, 可用來示蹤消費者的能量來源; 氮穩(wěn)定同位素比值(δ15N)在營養(yǎng)級間相差約3.4‰±1‰, 可用來評估消費者的營養(yǎng)級(Trophic Position, TP)(Minagawa et al, 1984; Li et al, 2014),其公式如下:

式中:δ15Nsample為消費者氮穩(wěn)定同位素比值;δ15Nbaseline為基線生物的氮穩(wěn)定同位素比值; TEF為營養(yǎng)級間富集度(Trophic Enrichment Factor);λ為基線生物的營養(yǎng)級; TP表示消費者營養(yǎng)級(姜亞洲 等,2015; Ji et al, 2019)。此外, 消費者組織的穩(wěn)定同位素比值反映了組織合成期間的攝食, 因此具有不同周轉(zhuǎn)率的組織, 其整合的攝食信息代表了不同的時間段。例如, 肝臟等代謝速率高的組織可反映短期食性, 而骨骼則表達的是更長時間內(nèi)的攝食信息(Bearhop et al, 2004)。

表2 基于碳、氮穩(wěn)定同位素度量營養(yǎng)生態(tài)位的定量指標(biāo)Tab. 2 Quantitative indicators of trophic niche based on carbon and nitrogen stable isotopes

目前, 穩(wěn)定同位素技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟, 并已成為海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位研究領(lǐng)域的重要手段,Layman矩陣和標(biāo)準(zhǔn)橢圓則是應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位的重要工具。Chiu-Werner等(2019)通過測定洪堡企鵝(Spheniscus humboldti)羽毛的δ13C與δ15N值, 建立了凸多邊形和標(biāo)準(zhǔn)橢圓區(qū)域, 分析了野生洪堡企鵝在厄爾尼諾(El Ni?o)影響下的營養(yǎng)生態(tài)位分離情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同厄爾尼諾強度下, 洪堡企鵝的營養(yǎng)生態(tài)位有明顯的分離,各年份間的生態(tài)位寬度也存在顯著差異。Murillo-Cisneros等(2019)研究了南加利福尼亞太平洋沿岸3種鰩類的同位素生態(tài)位劃分, 通過貝葉斯標(biāo)準(zhǔn)橢圓繪制同位素生態(tài)位, 發(fā)現(xiàn)突吻犁頭鰩(Pseudobatos productus)相比潔背強鰭鰩(Zapteryx exasperata)和加州鲼(Myliobatis californica)占據(jù)著最寬的同位素生態(tài)位, 突吻犁頭鰩與潔背強鰭鰩之間的同位素生態(tài)位重疊值高于突吻犁頭鰩與加州鲼間的重疊值。這表明突吻犁頭鰩與潔背強鰭鰩可能存在共享的食物資源和棲息地, 而與加州鲼則存在一定的資源隔離。國內(nèi)也有許多學(xué)者使用Layman矩陣和標(biāo)準(zhǔn)橢圓相結(jié)合的方法進行營養(yǎng)生態(tài)位分析。如蓋珊珊等(2019)對小黑山島人工魚礁區(qū)的許氏平 鮋(Sebastes schlegelii)和大瀧六線魚(Hexagrammos otakii)進行了營養(yǎng)生態(tài)位分析, 通過測定其δ13C與δ15N值計算了凸多邊形面積、標(biāo)準(zhǔn)橢圓面積及營養(yǎng)生態(tài)位重疊面積, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種魚僅在秋季出現(xiàn)營養(yǎng)生態(tài)位重疊, 許氏平 鮋 春、秋兩季的營養(yǎng)生態(tài)位寬幅均大于大瀧六線魚, 說明許氏平鮋對食物資源的利用和競爭能力較大瀧六線魚更強。

1.3 脂肪酸分析

脂肪酸(fatty acid)是水生生物的重要組成部分,一般占到干重的2%～15%(王娜, 2008), 主要以三羧酸甘油酯和磷脂的形式存在。由于生物體內(nèi)三羧酸甘油酯中的脂肪酸主要來自于所攝入的食物, 同時脂肪酸在生物體內(nèi)的代謝過程中比較穩(wěn)定, 經(jīng)生物消化吸收后基本結(jié)構(gòu)不變, 因此它連接的脂肪酸是指示其食物來源的重要標(biāo)志(黃亮 等, 2009)。Bourdier等(1989)通過喂養(yǎng)試驗, 發(fā)現(xiàn)浮游動物橈足類指鏢水蚤(Acanthodiaptomus denticornis)的脂肪恢復(fù)速率取決于其所攝食的藻類, 經(jīng)過20d喂養(yǎng)后,其體內(nèi)脂肪組織的部分脂肪酸(如16:1n7和18:1n7)顯示出與食物來源相同的特征。對于水生生物來說,n-3和n-6系列多不飽和脂肪酸只能從餌料中獲取,不能自身合成, 被稱為必需脂肪酸(王娜, 2008)。而且到目前為止, 已被研究的魚類均需要至少一種高度不飽和脂肪酸(Sargent et al, 1995)。這些高度不飽和脂肪酸從生態(tài)系統(tǒng)的低營養(yǎng)級傳遞到高營養(yǎng)級的過程中, 其結(jié)構(gòu)基本保持不變, 可用于區(qū)分種間資源利用模式差異(攝食對象種類或棲息地)、確定生態(tài)位分化模式及食性的特異化程度、探究食性在空間及時間上的變化、定性和定量分析食性(高小迪等, 2018)。

脂肪酸作為一種良好的營養(yǎng)示蹤物, 利用脂肪酸分析探究營養(yǎng)生態(tài)位的研究已有開展。脂肪酸組成(fatty acid profiles)可以用來研究捕食者和獵物之間的動態(tài)關(guān)系、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和能量流(Sardenne et al,2016)。由于脂肪酸組成分析所測得的脂肪酸種類較多, 通常都需要對數(shù)據(jù)作降維處理。Pethybridge等(2014)對來自西北地中海的沙丁魚(Sardina pilchardus) 、歐 洲 鳀(Engraulis encrasicolus)和 黍 鯡(Sprattus sprattus)進行了脂肪酸組成研究, 結(jié)果顯示沙丁魚和歐洲鳀 在3月份有較大的攝食重疊; 通過主成分分析(principal component analysis, PCA)及多維標(biāo)度排序(multidimensional scaling ordinations,MDS)分析比較了3種魚在不同月份的脂肪酸生態(tài)位, 結(jié)果表明沙丁魚比歐洲鳀的攝食策略更多樣化,且冬季攝食重疊高于夏季, 而黍鯡相比沙丁魚和歐洲鳀 在冬季更具有獨特的生態(tài)位。Antonio等(2014)利用脂肪酸組成分析并結(jié)合穩(wěn)定同位素技術(shù)(δ13C、δ15N值)分別繪制了標(biāo)準(zhǔn)橢圓和多維尺度多邊形, 研究了溫帶河口地區(qū)3種甲殼類動物的生態(tài)位分化,發(fā)現(xiàn)佩氏長臂蝦(Palaemon peringueyi)表現(xiàn)出與其他兩種蝦類有不同的攝食偏好, 導(dǎo)致其與另外兩種蝦類的同位素生態(tài)位發(fā)生分離, 反映了其攝食組成來源不同; 但脂肪酸生態(tài)位發(fā)生重疊, 說明佩氏長臂蝦可利用食物的脂肪酸組成較其余蝦類有更多的相似性。例如, 佩氏長臂蝦更多同化的是底棲微藻,另外兩種蝦類則主要攝食顆粒有機物。3種蝦類的食物源受時間的推移反映在同位素值上有所不同,但脂肪酸組成(至少在一年內(nèi))較為相似, 因此通過比較碳、氮穩(wěn)定同位素和脂肪酸各自組成的生態(tài)位,能夠提供更多尺度信息。Sardenne等(2016)采用NMDS(non-metric multidimensional scaling)研究了印度洋西部同域分布的熱帶金槍魚營養(yǎng)生態(tài)位, 證實了個體發(fā)生生態(tài)位分化是熱帶金槍魚共存的主要因素。此外, Bierwagen等(2019)基于幾種中級捕食者肌肉和血漿的脂肪酸組成, 利用物種關(guān)聯(lián)性分析(species association analysis)和EcoSimR模擬, 結(jié)合Pianka指數(shù)及Shannon指數(shù), 研究了大堡礁生態(tài)系統(tǒng)中級捕食者的生態(tài)位寬度及種間生態(tài)位重疊程度;同時還通過冗余分析(redundancy analysis, RDA)確定了物種基礎(chǔ)食源差異, 并利用Layman矩陣比較了研究物種的脂肪酸生態(tài)位寬度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)灰三齒鯊(Triaenodon obesus)與鈍吻真鯊(Carcharhinus amblyrhynchos)有明顯的攝食重疊, 但灰三齒鯊占據(jù)的生態(tài)位面積比鈍吻真鯊小; 同時還發(fā)現(xiàn)鯊魚與硬骨魚之間有明顯的生態(tài)位分離。該結(jié)果與Espinoza等(2019)在湯斯維爾(Townsville)地區(qū)利用穩(wěn)定同位素分析技術(shù)獲得的攝食重疊結(jié)果相似。

1.4 氨基酸單體穩(wěn)定同位素分析

盡管整體組織穩(wěn)定同位素分析(bulk tissue stable isotope analysis, SIAbulk)在評估攝食和營養(yǎng)關(guān)系方面作用明顯, 但也存在局限性(Laiz-Carrión et al, 2019)。例如, 隨著營養(yǎng)級的增加,15N的富集是隨消費者種類、生理及食性變化而變化的(del Rio et al,2009); 在復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中, 基線較難確定(Popp et al, 2007)。而特定化合物同位素分析技術(shù)在一定程度上可以解決這些問題。特定化合物(氨基酸)同位素分析(compound-specific isotopic analysis of amino acids, CSIA-AA)在攝食生態(tài)學(xué)領(lǐng)域主要用以研究捕食者碳源和氮源的追溯及其循環(huán)過程(Cherel et al,2019), 包括生態(tài)系統(tǒng)同位素基線的確定(貢藝 等,2017)、有機質(zhì)碎屑溯源和轉(zhuǎn)化(Tremblay et al,2009)、營養(yǎng)級計算(Stewart et al, 2017)、種內(nèi)(間)關(guān)系分析(Zanden et al, 2013)及遷徙洄游(Cherel et al,2019)等。其原理是消費者的攝食組成和代謝過程能夠反映在特定氨基酸的δ13CAA和δ15NAA值上(Boecklen et al, 2011)。McClelland等(2002)對海洋中綠藻及浮游動物δ15N值的研究表明, 隨著營養(yǎng)水平的升高, 生物體δ15N值的升高是其體內(nèi)氨基酸δ15N值變化的平均結(jié)果。某些氨基酸, 如谷氨酸, 其δ15N值在營養(yǎng)級間的富集可達近7‰, 被認(rèn)為是“營養(yǎng)”氨基酸; 而苯丙氨酸等氨基酸的δ15N值幾乎不變,被認(rèn)為是“源”氨基酸(Ruiz-Cooleyet al, 2017)。Chikaraishi等(2007)在沿海自然環(huán)境中觀察到底棲藻類與腹足類動物存在同樣的關(guān)系, 并提出了一種可能影響其營養(yǎng)關(guān)系的機制(圖2)。某些氨基酸(如丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸和谷氨酸)由于代謝轉(zhuǎn)氨過程中發(fā)生碳氮鍵裂解而產(chǎn)生N的分餾, 導(dǎo)致15N的富集, 最高可達10‰; 而其他氨基酸(如蛋氨酸和苯丙氨酸), 由于其主要代謝過程中既不形成也不裂解與N原子有關(guān)的鍵, 因此δ15N值相對保守。對于δ13CAA也存在類似的情況, 即非必需氨基酸的δ13C值在食物-消費者間發(fā)生顯著的變化, 而必需氨基酸的δ13C值則變化很小, 可作為食物網(wǎng)基礎(chǔ)碳源的理想示蹤劑(McMahonet al, 2010)。CSIA-AA方法的優(yōu)勢在于可根據(jù)生物個體自身的兩類氨基酸來計算營養(yǎng)級, 避免了食物網(wǎng)基線的干擾(McClelland et al,2002; Chikaraishi et al, 2014)。Ruiz-Cooley等(2017)應(yīng)用 CSIA-AA, 以頂級捕食者短吻真海豚(Delphinus delphis)為研究對象, 測定了加利福尼亞灣食物鏈的長度, 并聯(lián)系環(huán)境對食物鏈長度的年際變化進行了探討。對于生態(tài)位研究, 大多學(xué)者基于整體組織穩(wěn)定同位素分析構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)橢圓(Jacksonet al, 2011)或Layman矩陣(Layman et al, 2007)進行生態(tài)位分析, 同時再結(jié)合CSIA-AA的δ15NAA對營養(yǎng)級作出準(zhǔn)確估算。如Lorrain等(2009)利用CSIA-AA方法結(jié)合整體組織穩(wěn)定同位素技術(shù), 揭示了印度洋亞熱帶區(qū)至南極洲的鳳頭黃眉企鵝(Eudyptes chrysocome)、王企鵝(Aptenodytes patagonicus)及阿德利企鵝(Pygoscelis adeliae)的攝食生態(tài)信息, 發(fā)現(xiàn)鳳頭黃眉企鵝在南、北部存在δ15N值差異; 王企鵝和阿德利企鵝的苯丙氨酸δ15N值均比鳳頭黃眉企鵝高, 是由于其覓食位置、攝食行為及攝食水域生產(chǎn)力不同; 王企鵝的谷氨酸與苯丙氨酸δ15N值差值(Δδ15Nglu-phe)最高, 反映了其營養(yǎng)級最高。Peavey等(2017)利用SIAbulk構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)橢圓和多邊形, 同時考慮食物網(wǎng)中δ15N基線的變化, 結(jié)合CSIA-AA方法測定的營養(yǎng)級, 分析了東太平洋麗龜(Lepidochelys olivacea)的營養(yǎng)生態(tài)位分化, 發(fā)現(xiàn)其整體組織的δ15N值在體長和性別間無明顯差異, 其氨基酸δ15N值也顯示營養(yǎng)級無明顯變化; 相比低緯度地區(qū), 棲息于高緯度區(qū)域的東太平洋麗龜?shù)臓I養(yǎng)生態(tài)位寬度更大。Hetherington等(2019)以相同的方法對加利福尼亞洋流系統(tǒng)中棱皮龜(Dermochelys coriacea)的營養(yǎng)生態(tài)位進行了研究, 結(jié)果顯示采樣期間的棱皮龜在性別上無同位素值差異, 且營養(yǎng)級無顯著變化, 較大的營養(yǎng)生態(tài)位寬度與其消費多種食物及高度遷徙行為有關(guān)。目前, 同時利用SIAbulk和CSIA-AA兩種方法進行營養(yǎng)生態(tài)位構(gòu)建和比較的研究仍相對較少, 其中Cherel等(2019)對頭足類的肌肉和角質(zhì)顎進行了δ13CAA和δ15NAA的測定, 以此建立了直角坐標(biāo)系來表征相對營養(yǎng)生態(tài)位, 并與SIAbulk方法所得生態(tài)位作比較, 驗證了CSIA-AA在營養(yǎng)生態(tài)位分析中的有效性。

圖2 氨基酸代謝過程中的氮同位素分餾[引自Chikaraishi等(2009)]Fig.2 Nitrogen isotopic fractionation during amino acid metabolism. After Chikaraishi et al (2009)

2 展望

近30年來, 有關(guān)營養(yǎng)生態(tài)位的研究理論被廣泛關(guān)注, 相關(guān)研究也一直處于增長趨勢。營養(yǎng)生態(tài)位評估方法的多元化發(fā)展為海洋動物營養(yǎng)地位、生態(tài)功能、種間關(guān)系、群落結(jié)構(gòu)等生態(tài)學(xué)問題的量化研究提供了理論基礎(chǔ)。但因這些評估方法各具優(yōu)勢和局限性(表3), 在應(yīng)用過程中仍存在不足, 今后應(yīng)進一步開展以下幾方面的研究工作:

表3 胃含物分析、整體組織穩(wěn)定同位素分析、脂肪酸組成分析及氨基酸單體穩(wěn)定同位素分析在海洋動物攝食生態(tài)學(xué)中的比較與應(yīng)用Tab. 3 Comparison and applications of stomach content analysis, bulk tissue stable isotope analysis, fatty acid profile and compound-specific isotopic analysis of amino acids in trophic ecology study of marine animals

續(xù)表

1) 對營養(yǎng)生態(tài)位評估方法的選擇。海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位分析結(jié)果的準(zhǔn)確解釋和應(yīng)用取決于相對統(tǒng)一的評估方法, 這也將提高各項研究數(shù)據(jù)的可比性。因此, 針對不同種類的海洋動物, 建議開展多種方法相結(jié)合的比較研究, 根據(jù)實際情況并考慮各評估方法的利弊, 建立合適的營養(yǎng)生態(tài)位評價標(biāo)準(zhǔn)或體系。

2) 目前的海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位研究局限于個體和組織水平, 氨基酸和脂肪酸等特定化合物的穩(wěn)定同位素分析與腸道微生物群落分析等新技術(shù)提升了營養(yǎng)生態(tài)位評價的精細(xì)程度, 但這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用需要合適的計算方式或模型, 這些問題的解決將使新技術(shù)在海洋動物攝食生態(tài)學(xué)研究中發(fā)揮更大的作用。

3) 從已有的研究來看, 海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位的研究多集中在短時間尺度, 對于中、長時間尺度如氣候變化和生物進化過程中的營養(yǎng)生態(tài)位變動規(guī)律目前尚缺少研究。今后可以與古生物和古氣候等學(xué)科融合, 結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù), 充分利用各評估方法反映營養(yǎng)生態(tài)位時間尺度的長短差異, 探究不同時間尺度海洋動物營養(yǎng)生態(tài)位的動態(tài)變化。