基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的南灣水庫食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究

李崢，魏廷，馬原野，曾鵬，楊東輝，郭旭升，趙良杰，黃榮靜

（1.信陽農(nóng)林學(xué)院，河南 信陽 464000；2.河南省漁業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，河南 信陽 464000；3.南灣水庫管理局，河南 信陽 464000）

食物網(wǎng)研究能有效地揭示水域生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量流動過程、群落結(jié)構(gòu)和物種間復(fù)雜的攝食關(guān)系,是水域生態(tài)系統(tǒng)研究中的重要領(lǐng)域。傳統(tǒng)的食物網(wǎng)研究方法是食性分析法，即通過分析動物消化道中的食物組成及數(shù)量來確定其營養(yǎng)位置[1]。該方法僅能提供瞬時攝食信息，不能反映消化道對食物的吸收和各食物組分的貢獻[2,3]；實際操作中工作量大，耗時長，小型動物研究存在困難，無法準(zhǔn)確體現(xiàn)不同消費者的營養(yǎng)級。碳氮穩(wěn)定同位素技術(shù)是近年來生態(tài)學(xué)研究中新興的食物網(wǎng)研究手段，已被廣泛應(yīng)用于水域生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)關(guān)系的研究，為揭示水域生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)交替變化和能量流動提供了量化指標(biāo)。

碳穩(wěn)定同位素（δ13C）在生物體內(nèi)富集度較低，適用于追溯捕食者食物的來源，而氮穩(wěn)定同位素（δ15N）在各個營養(yǎng)級的傳遞過程中富集度約為3.4‰，通常用來分析食性轉(zhuǎn)化及確定研究對象的營養(yǎng)級。Kirkpatrick 等利用碳、氮穩(wěn)定同位素研究了湖泊中生物種間和種內(nèi)營養(yǎng)層次變動、生態(tài)轉(zhuǎn)換效率、食物鏈長度、能量利用變動和捕食者-被捕食者之間的相互影響[4-7]。Zanden 等用碳、氮穩(wěn)定同位素分析了魚類營養(yǎng)來源的變化和營養(yǎng)級的變化，揭示了外來物種對土著魚類的影響[8]。Thomas 等應(yīng)用碳、氮穩(wěn)定同位素研究了鮭鱒魚類的生殖洄游，探討了洄游為陸地生態(tài)系統(tǒng)所帶來的影響[9,10]。近年來，國內(nèi)已廣泛應(yīng)用碳、氮穩(wěn)定同位素研究淡水生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如太湖[11,12]、興凱湖[13]、鄱陽湖[14]、洞庭湖[15]、千島湖[16]等及部分河流江段[17-20]。

南灣水庫是位于淮河上游的大型水庫，是20世紀(jì)50 年代初期國家治理淮河、發(fā)展水利的重點基本建設(shè)項目，流域面積為1 100 km2，總庫容為1.63×1010m3,平均水深17.4 m，最大水深30 m。水庫的功能主要是防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運、養(yǎng)殖和旅游等，自1998 年以來，南灣水庫以水產(chǎn)業(yè)為重點，打造了“南灣魚”品牌，水庫主要放養(yǎng)鰱Hypophthalmichthys molitrix、鳙Aristichthys nobilis 等濾食性經(jīng)濟魚類，水庫漁業(yè)綜合年產(chǎn)量達1 500 t[21]。

目前南灣水庫食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)級的研究尚為空白，本文利用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)構(gòu)建南灣水庫的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，量化其物質(zhì)和能量流動途徑和主要生物的營養(yǎng)層次，以期為南灣水庫生態(tài)資源的合理利用提供基礎(chǔ)參數(shù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品的采集

2017 年5 月、9 月、11 月和2018 年4 月在南灣水庫設(shè)置6 個樣點，覆蓋三個主要輸入徑流譚家河、董家河、浉河港及庫區(qū)中下游敞水區(qū)（表1）。每次每個樣點采集10 L 水樣，裝入用封口塑料瓶中，帶回實驗室及時處理，收集浮游動物、浮游植物和顆粒有機物（POM）樣品。采樣期間，在譚家河、董家河、浉河港方向以下游大壩前敞水區(qū)或沿岸帶，設(shè)置刺網(wǎng)和地籠及從生產(chǎn)性捕撈的漁獲物中收集魚類、蝦類、螺類樣品。

表1 水樣采集位點信息表Tab.1 The information on water sampling sites

1.2 樣品的處理

預(yù)處理：采樣前先將孔徑0.45 μm，直徑25 mm的Whatman GF/F 玻璃纖維濾膜進行預(yù)處理：將濾膜放入鋁盒，于馬弗爐中450℃灼燒3 h，以去除有機物，濾膜冷卻后放入1 mol/L 的濃鹽酸中酸化24 h，然后在烘箱中60℃下恒溫烘干48 h，備用。

水樣的處理：將每次采集的水樣混合后，用13#浮游生物網(wǎng)過濾，濾出浮游動物；再用25#浮游生物網(wǎng)過濾出浮游植物，將取得的浮游動、植物抽濾到濾膜上；用真空抽濾機抽濾取部分水樣到預(yù)先處理的濾膜上，得到顆粒有機物（POM）。將上述過濾后的濾膜放在恒溫干燥箱（60℃）中烘干24 h，放入裝有硅膠干燥的真空袋中密封保存于-20℃的冰箱中備用。

魚蝦類等樣品的處理：去除魚內(nèi)臟，沖洗干凈，取背鰭附近的肌肉，60℃烘干至恒重。去除皮膚和骨骼，將肌肉研磨至可以通過60 目篩網(wǎng)。將粉碎的肌肉樣品密封，-20℃冷凍保存。蝦和螺去殼，取部分肌肉，烘干后磨碎，-20℃冷凍保存。

1.3 碳、氮穩(wěn)定同位素測定

浮游生物及顆粒有機物：將載有浮游生物和顆粒有機物的玻璃纖維濾膜取出，剪去空白區(qū)，取35～40 mg，剪碎后放進錫舟，送上海交大分析測試中心的元素分析同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀（Vario EL ⅢIsoprime,GER）進行分析。

魚蝦類等樣品：稱取1.9～2.5 mg 已經(jīng)粉碎的肌肉，放入錫筒里，送入元素分析同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀進行分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

營養(yǎng)級的確定：

式中，δ15Nsc為測定樣品的氮穩(wěn)定同位素值；δ15Nbase為南灣水庫生態(tài)系統(tǒng)中基準(zhǔn)物的氮穩(wěn)定同位素值；λ 是基準(zhǔn)物的營養(yǎng)級。本文以南灣水庫的初級消費者——銅銹環(huán)棱螺Bellamya aeruginosa 為基準(zhǔn)物，λ=2；Δn 消費者與餌料間的同位素富集度，一般平均為3.4‰[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定同位素分析

本次同位素測試的樣品總共有90 個，其中浮游生物及顆粒有機物的樣品16 個，魚類樣品65 個22 種、日本沼蝦3 個，銅銹環(huán)棱螺6 個。各樣品的同位素分析結(jié)果見表2。

表2 主要物種碳氮穩(wěn)定同位素值Tab.2 δ13C and δ15N values of main species in Nanwan Reservoir

南灣水庫中，初級生產(chǎn)者浮游植物的碳穩(wěn)定同位素值為-28.57‰，氮穩(wěn)定同位素值最小，為4.53‰；POM的碳穩(wěn)定同位素值為-29.15%，氮穩(wěn)定同位素值為4.63‰。消費者的碳穩(wěn)定同位素比值在-31.10‰～-22.14‰，氮穩(wěn)定同位素的范圍為6.84‰～14.27‰。

Deniro 和Epstein 證明：動物體內(nèi)δ13C 值與其食物δ13C 值十分接近[23]，因此常用δ13C 分析消費者的食物來源。由圖1 可知，南灣水庫中各消費者的食物來源較廣，但主要營養(yǎng)傳遞是依靠水體中的浮游植物和顆粒有機物。

圖1 南灣水庫主要物種δ13C 頻度分布Fig.1 δ13C frequency distribution of organisms in Nanwan Reservoir

2.2 營養(yǎng)級

本研究以銅銹環(huán)棱螺作為南灣水庫生態(tài)系統(tǒng)的基準(zhǔn)物，計算該生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)級（表2），以此構(gòu)建南灣水庫食物網(wǎng)的連續(xù)營養(yǎng)譜（圖2）。由圖2 可知，南灣水庫花的營養(yǎng)級最高，為3.95。其次為似、青稍鲌、翹嘴鲌、子陵吻虎、黃黝和紅鰭原鲌等肉食性魚類，營養(yǎng)級為3.39～3.51；泥鰍、棒花魚、黃顙魚、馬口魚、蛇等以溫和肉食性魚類和以肉食性為主的雜食性魚類，營養(yǎng)級為3.00～3.38；日本沼蝦、大鰭、鯽、團頭魴、興凱、鳙、鰱為雜食性魚類，營養(yǎng)級為2.30～2.97；盎堂擬鲿、黃尾鲴和大鱗副泥鰍以植食性為主，營養(yǎng)級為1.76～1.97。

圖2 南灣水庫食物網(wǎng)的連續(xù)營養(yǎng)譜Fig.2 The continuous trophic spectrum for the food web in Nanwan Reservoir

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴于生態(tài)系統(tǒng)中各種群之間的營養(yǎng)關(guān)系，這是生態(tài)系統(tǒng)得以保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)，研究食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)對于維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定十分重要。穩(wěn)定同位素分析已被證明是重建食譜，描述營養(yǎng)關(guān)系，闡明資源分配模式和構(gòu)建食物網(wǎng)的有用工具，因此，近年來穩(wěn)定同位素分析在營養(yǎng)生態(tài)學(xué)中的研究呈指數(shù)增長[24]。

3.1 碳穩(wěn)定同位素特征分析

生態(tài)系統(tǒng)中存在兩種能量線路：一類是始于綠色植物的“牧食線路”，另一類是以有機碎屑為起點的“有機碎屑線路”[25]。由于南灣水庫大型沉水植物少，牧食路線主要來源于浮游植物和顆粒有機物POM。比較發(fā)現(xiàn)：南灣水庫中浮游植物和POM 的碳、氮同位素都很接近，因此認(rèn)為POM更多的來源于浮游植物；而由圖3 可知，多數(shù)魚類其碳同位素都分布在浮游植物附近，提示南灣水庫生態(tài)系統(tǒng)中，浮游植物是其能量和魚類食物的主要來源。浮游動物的碳穩(wěn)定同位素平均比值較低，這與宋固等對千島湖的研究結(jié)果相類似[16]，但是，不同地區(qū)和季節(jié)采集的浮游動物的δ13C 變異較大，提示浮游動物其不僅攝食了一定量的δ13C 值較高的浮游植物，可能同時也攝食了δ13C 值更低的外來有機質(zhì)；在一些季節(jié)，其可能是黃黝、蛇仔魚等的主要餌料，其均值在數(shù)值上也與上述二者更為接近。由圖3 可知，水庫中還有一部分類群，如鰱、鳙、鱖、黃尾鲴等類群，其δ13C 普遍高于浮游植物，上述類群主要是一些典型的敞水區(qū)物種。敞水區(qū)遠離陸地，受陸源碳源影響的機會相對小，因此，其利用的應(yīng)該是δ13C相對較高的這一類基礎(chǔ)生產(chǎn)力，實現(xiàn)魚類的生長。團頭魴的δ13C 值最高，推測其可能攝食水庫中較淺區(qū)域為數(shù)不多的沉水植物作為主要餌料。有文獻表明：沉水植物的碳同位素含量在基礎(chǔ)生產(chǎn)力中最高[26]。泥鰍的δ13C 值（-28.69‰）與大鱗副泥鰍的δ13C 值（-25.51‰）相差較大，可見兩者的食物來源也有差異，表明南灣水庫中泥鰍和大鱗副泥鰍出現(xiàn)了明顯的生態(tài)位分化。

圖3 南灣水庫食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Food web structure in Nanwan Reservior

3.2 氮穩(wěn)定同位素特征及營養(yǎng)級分析

大鱗副泥鰍低于泥鰍1.6 個營養(yǎng)級，可見南灣水庫中兩者食物組成有差異，生態(tài)位有分化。已有研究表明：在池塘、稻田及污水中，泥鰍是偏動物食性的雜食性魚類,喜食鮮活餌料，主要食物有昆蟲幼蟲、小型甲殼動物、藻類、高等植物[34]；大鱗副泥鰍主要以蚊幼蟲、水生昆蟲、水蚯蚓、浮游動物為食，也吃植物碎屑[35]。南灣水庫建壩五十多年，其底質(zhì)主要為淤泥，腐殖質(zhì)較多，德永搖蚊Tokunagayusurika sp.和霍甫水絲蚓Limnodrilus hoffmeisteri為全年底棲動物優(yōu)勢種[36]，食物來源豐富，可選擇性強，因此推測南灣水庫中泥鰍的食性以底棲動物為主，而大鱗副泥鰍則以植物碎屑和底層腐殖質(zhì)為主。兩個物種的生境選擇上可能有分化。盎堂擬鲿、黃尾鲴處于較低營養(yǎng)級。黃尾鲴以刮取底層附生藻類和底層碎屑為食；而盎堂擬鲿是典型的肉食性魚類，推測且其較低的營養(yǎng)級可能還與其生境選擇有關(guān)系。