基于碳、氮穩(wěn)定同位素的大亞灣漁業(yè)生物群落營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)

汪慧娟，張文博，黃洪輝，徐姍楠，劉華雪

（1. 生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510530； 2. 廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045；3. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所/廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300）

海洋生態(tài)系統(tǒng)中，各生物種群之間的攝食關(guān)系、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)是生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-4]。早期的食物網(wǎng)研究依賴于對(duì)較高營(yíng)養(yǎng)水平生物體的腸道內(nèi)容物分析，但這種方法存在嚴(yán)重的局限性[5]，如難以識(shí)別無定形物質(zhì)，難以區(qū)分食物的消化和同化率。隨著同位素質(zhì)譜技術(shù)的不斷發(fā)展，穩(wěn)定同位素分析方法已逐漸被應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)食物鏈研究，該法能夠提供物種時(shí)空變化整合過程中長(zhǎng)期累積的營(yíng)養(yǎng)數(shù)據(jù)，并可便捷地反映各種生物的營(yíng)養(yǎng)信息。

海灣是海洋與陸地交互作用的重要過渡區(qū)，同時(shí)亦是生態(tài)環(huán)境敏感帶。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了很多關(guān)于海灣食物網(wǎng)的研究，如應(yīng)用碳、氮穩(wěn)定同位素 (δ13C、δ15N) 構(gòu)建膠州灣食物網(wǎng)的連續(xù)營(yíng)養(yǎng)譜[6]，對(duì)海州灣拖網(wǎng)漁獲物營(yíng)養(yǎng)級(jí)的研究[7]，以及海陵灣和陵水灣食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征對(duì)比[8]等。大亞灣作為重要的水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，也是眾多海洋生物棲息繁育場(chǎng)，漁業(yè)資源豐富。然而，近年來隨著海水養(yǎng)殖、工農(nóng)業(yè)發(fā)展和海洋旅游業(yè)推進(jìn)，海灣環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著變化，生物多樣性水平和資源量明顯下降[9-10]。海區(qū)內(nèi)環(huán)境的變化過程以及生態(tài)系統(tǒng)作出的響應(yīng)是當(dāng)前大亞灣生態(tài)環(huán)境研究亟需關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問題之一[11-12]。應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)大亞灣海域不同季節(jié)漁業(yè)生物的食物網(wǎng)進(jìn)行生態(tài)學(xué)研究尚未見報(bào)道。因此，本研究以大亞灣漁業(yè)生物為研究對(duì)象，測(cè)定其δ13C、δ15N含量，分析營(yíng)養(yǎng)級(jí)層次并構(gòu)建漁業(yè)生物食物網(wǎng)的連續(xù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)譜，探討營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)差異，為后續(xù)深入開展海洋食物網(wǎng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為大亞灣生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和生態(tài)修復(fù)以及漁業(yè)資源的合理開發(fā)利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

大亞灣 (114°30'E—114°50'E、22°30'N—22°50'N) 位于南海北部，三面環(huán)山，是一個(gè)具有亞熱帶特色的半封閉海灣，面積約600 km2，平均深度約11 m。海岸線曲折，生境多樣，是魚類產(chǎn)卵、索餌和育肥的優(yōu)良場(chǎng)所和天然種質(zhì)資源庫。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，大亞灣生態(tài)系統(tǒng)在人類活動(dòng)和自然擾動(dòng)下出現(xiàn)了系統(tǒng)性變化，水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化問題日漸突出，水體中的溶解無機(jī)氮濃度顯著增加，溶解無機(jī)磷濃度則有所下降，浮游植物生長(zhǎng)的限制因素已從20世紀(jì)80年代的氮限制轉(zhuǎn)變?yōu)?0世紀(jì)90年代中期以后的磷限制，群落組成小型化，物種多樣性降低[12]。

1.2 樣品的采集

依據(jù)大亞灣海洋物理特征和生物資源特性，共設(shè)置14個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行海洋生態(tài)和漁業(yè)資源調(diào)查。其中，在灣沿岸設(shè)置了8個(gè)站點(diǎn) (S1、S2、S3、S4、S7、S8、S11、S12)，在灣中部設(shè)置4個(gè)站點(diǎn)(S5、S6、S9、S10)，灣口設(shè)置 2個(gè)站點(diǎn) (S13和S14, 圖 1)。網(wǎng)口寬度 1.5 m，調(diào)查船平均拖速 2.8 kn，每次拖曳時(shí)間35～55 min，采集的漁業(yè)生物樣品用密封袋裝好，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鑒定做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室，于?20 ℃下保存至分析?；旧飳W(xué)信息和采樣量見表1，其中魚類25種，甲殼類15種，蝦類8種，頭足類2種。

表1 大亞灣海域調(diào)查所采集的生物名錄和生物信息Table 1 List and information of biota species sampled in Daya Bay

圖1 大亞灣海域漁業(yè)生物調(diào)查站位示意Figure 1 Fishery biology survey stations in Daya Bay

1.3 樣品前處理與測(cè)定分析

用干凈的鑷子和剪刀去掉魚皮和魚骨后，取其背部白色肌肉，蝦類去殼取腹部肌肉，甲殼類去殼取第一螯足肌肉，頭足類取腕部肌肉。經(jīng)過上述預(yù)處理的樣品置于?60 ℃真空冷凍干燥機(jī) (新芝Scientz-10ND) 中冷凍干燥48 h至恒質(zhì)量，裝入離心管中用樣品研磨儀研磨成細(xì)粉末狀后均質(zhì)，過80目篩，再使用 1 mol·L?1鹽酸溶液脫碳處理，最后再進(jìn)行干燥并置于干燥器中保存，以備同位素分析。樣品 δ13C/δ15N 通過元素分析儀 (Flash EA1112)和穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀 (Finnigan delta plus) 測(cè)定。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和儀器的穩(wěn)定性，每測(cè)試10個(gè)樣品后加測(cè)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣。樣品的δ13C和δ15N的分析精度均為±0.2‰。

1.4 數(shù)據(jù)處理

δ13C、δ15N計(jì)算公式為：

利用δ15N計(jì)算生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí) (Trophic level,TL)，計(jì)算公式為：

采用ArcGIS 10.2和R 3.5.1語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和專業(yè)圖形的繪制。采用One-way ANOVA比較不同種類生物體內(nèi)含量，P<0.05表示差異顯著。其中用R 3.5.1語言的SIBER包繪制δ13C和δ15N組成的貝葉斯標(biāo)準(zhǔn)橢圓圖，并計(jì)算不同季節(jié)中漁業(yè)生物的群落營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)范圍指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)選用的指標(biāo)包括 7個(gè)度量參數(shù)[16](表 2)。

表2 漁業(yè)生物的群落營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)Table 2 Community nutrient structure index parameters of fishery organisms

2 結(jié)果

2.1 漁業(yè)生物 δ13C、δ15N 特征

除了浮游動(dòng)物外，本研究在大亞灣海域分析了50種漁業(yè)生物的穩(wěn)定同位素值，其中包括魚類23種、甲殼類25種和頭足類2種。δ13C介于?19.66‰～?15.19‰，均值為 (?17.26±0.86)‰，其中杜氏槍烏賊 (Uroteuthis duvauceli) 最低，紅狼牙鰕虎魚 (Odontamblyopus rubicundus) 最高；δ15N 介于 11.63‰～16.01‰，均值為 (13.59±0.96)‰，其中墨吉對(duì)蝦 (Penaeus merguiensis) 最低，短棘銀鱸(Lucid mojarra) 最高。以海洋漁業(yè)生物和浮游動(dòng)物的δ13C和δ15N繪制大亞灣海域食物網(wǎng)的穩(wěn)定同位素雙位圖 (圖2)，結(jié)果顯示大亞灣各生物類群間有明顯的差異，尤其是δ15N。海洋漁業(yè)生物樣品的δ13C平均值由小到大依次為甲殼類、魚類和頭足類，δ15N平均值由小到大依次為甲殼類、頭足類和魚類，大亞灣食物網(wǎng)的主要消費(fèi)者可劃分為浮游動(dòng)物、甲殼類、頭足類和魚類4大類群。單因素方差分析結(jié)果表明，各類群δ13C差異不顯著 (P>0.05)，δ15N 存在顯著差異 (P<0.05)。

圖2 大亞灣海域消費(fèi)者的碳、氮穩(wěn)定同位素雙位圖Figure 2 Stable isotope biplots of δ13C and δ15N values of consumers in Daya Bay

2.2 營(yíng)養(yǎng)級(jí)譜

本研究以小型浮游動(dòng)物的δ15N平均值作為基準(zhǔn)值構(gòu)建漁業(yè)生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)譜 (圖3)。結(jié)果顯示，大亞灣海域漁業(yè)生物的平均營(yíng)養(yǎng)級(jí)為3.58，墨吉對(duì)蝦最低 (2.99)，短棘銀鱸最高 (4.28)。其中，處于3～4營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的占84%，營(yíng)養(yǎng)級(jí)高于4的有6種，占14%，即營(yíng)養(yǎng)級(jí)處于3～4的占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。不同種類漁業(yè)生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)也存在差異，魚類的營(yíng)養(yǎng)級(jí)介于3.11～4.28，甲殼類介于3.08～3.60，蝦類介于2.99～3.70，頭足類介于3.38～3.58，且各種類生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。參照國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海洋食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)層次1～5級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[17]，大亞灣海域主要生物種類營(yíng)養(yǎng)級(jí)處于3級(jí)，大部分是初級(jí)和中級(jí)肉食性生物。

圖3 大亞灣海域主要消費(fèi)者的營(yíng)養(yǎng)級(jí)Figure 3 Trophic level of major consumers in Daya Bay

2.3 季節(jié)差異

利用 2018年 1月 (冬季) 和 8月 (夏季) 大亞灣海域漁業(yè)生物δ13C和δ15N構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu) (圖4)。結(jié)果顯示，夏季的漁業(yè)生物δ13C為?19.66‰～?15.19‰，δ15N為11.63‰～16.01‰；冬季的漁業(yè)生物 δ13C 為?18.83‰～?16.00‰，δ15N 為 12.02‰～15.20‰。單因素方差分析顯示，不同季節(jié)的δ13C、δ15N無顯著性差異 (P>0.05)。不同類群生物的δ13C和δ15N在季節(jié)上也存在差異，夏季魚類和甲殼類的δ13C平均值均小于冬季，而魚類的δ15N高于冬季，甲殼類的δ15N低于冬季，且單因素方差分析顯示，甲殼類不同季節(jié)的δ15N有顯著性差異 (P<0.05)。

圖4 不同季節(jié)漁業(yè)生物貝葉斯標(biāo)準(zhǔn)橢圓Figure 4 Standard ellipse areas of macrobenthos in different seasons

利用貝葉斯標(biāo)準(zhǔn)橢圓對(duì)夏、冬季的漁業(yè)生物δ13C、δ15N進(jìn)行分析，并計(jì)算生物群落生態(tài)指標(biāo)參考值 (圖5)。結(jié)果顯示，大亞灣海域漁業(yè)生物攝食來源的多樣性水平、生物對(duì)生態(tài)空間的利用度、平均營(yíng)養(yǎng)級(jí)多樣性、物種聚集度均勻度和物種聚集度密度的平均值分別為3.78、3.46、2.33、1.12和0.33，且夏季顯著高于冬季。

圖5 大亞灣不同季節(jié)的漁業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)參考值橫坐標(biāo)縮寫釋義見表2。Figure 5 Reference values of trophic structure of fishery organisms in Daya Bay in different seasonsThe abbreviations of indicators are explained in Table 2.

3 討論

3.1 漁業(yè)生物的 δ13C、δ15N 分析

δ13C因其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，富集較底，常被用來示蹤和區(qū)分生物的食物來源[18]。在大亞灣漁業(yè)生物中測(cè)得δ13C平均值為?17.26‰，該結(jié)果低于陵水灣漁業(yè)生物的δ13C (?15.36‰)，略高于其對(duì)海陵灣漁業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)級(jí) (?17.44‰)[8]，且各類群生物的δ13C單因素方差分析結(jié)果差異不顯著 (P>0.05)，表明該海域漁業(yè)生物的餌料來源生物種類組成有重疊。此外，浮游動(dòng)物、甲殼類、頭足類和魚類的δ13C重疊范圍，表明它們的食物來源交叉混合，進(jìn)一步說明該海域生物形成了生態(tài)位重疊的現(xiàn)象，這也間接說明大亞灣海域浮游食物鏈和底棲食物鏈表現(xiàn)不明顯。

δ15N在生物中富集較為明顯，常被用于確定生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)[19]。在大亞灣漁業(yè)生物中測(cè)得δ15N平均值為13.59‰，略高于朱文濤等[20]報(bào)道的大亞灣珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的平均值 (11.46‰)。單因素方差分析結(jié)果顯示，大亞灣海域漁業(yè)生物的δ15N在不同類群中存在顯著性差異 (P<0.05)，表明不同類群的生物營(yíng)養(yǎng)位置不同。魚類食性較廣，能以浮游生物、甲殼類、小型魚類為食，且在不同生長(zhǎng)期食性會(huì)發(fā)生變化，因此魚類的δ15N較高。部分不同類群生物的δ15N存在重疊，這與其攝食同種餌料生物有關(guān)，意味著可能產(chǎn)生種間競(jìng)爭(zhēng)。已有研究發(fā)現(xiàn)，大亞灣海域中紫海膽 (Anthocidaris crassispina)攝食的餌料生物種類與附近其他底層動(dòng)物存在重疊，具有一定的食物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[21]。

從δ13C-δ15N雙位圖看，位于凸多邊形頂點(diǎn)的生物在整個(gè)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)中具有重要的作用，當(dāng)其從整個(gè)群落系統(tǒng)中缺失，將導(dǎo)致群落營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)發(fā)生變化，從而影響整個(gè)群落系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)[22]。本研究中處于凸多邊形頂點(diǎn)的生物主要有紅狼牙鰕虎魚、杜氏槍烏賊、短棘銀鱸和長(zhǎng)棘銀鱸 (G. filamentosus)，表明這些生物是群落結(jié)構(gòu)的重要組成部分，加強(qiáng)對(duì)這些生物的保護(hù)有著重要意義。因此，對(duì)大亞灣的魚類群落研究時(shí)應(yīng)盡可能地關(guān)注這類生物的變化。

3.2 漁業(yè)生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)分析和營(yíng)養(yǎng)譜特征

大亞灣海域漁業(yè)生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)介于2.99～4.28，其中，魚類的營(yíng)養(yǎng)位置最高，其次為頭足類、甲殼類和蝦類，這主要與各類群生物的食性、魚類的體長(zhǎng)以及基線生物的選取有關(guān)[23]。

大亞灣海域漁業(yè)生物的δ13C范圍 (CR)為4.47(表3)，高于張文博等[8]對(duì)陵水灣漁業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)的研究 (4.45) 和對(duì)海陵灣漁業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)的研究(2.44)，這可能與大亞灣海水養(yǎng)殖和河流輸入等帶來大量物質(zhì)輸入而導(dǎo)致漁業(yè)生物食物來源更加廣泛有關(guān)；與其他海域相比，該結(jié)果低于曾艷藝等[24]對(duì)珠江河口漁業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)的研究結(jié)果 (7.48)，而略高于寧加佳等[2]報(bào)道的南沙群島西南陸架區(qū)的CR (3.40)。這是由于珠江口海域咸淡水交互作用明顯，陸源有機(jī)質(zhì)與海源有機(jī)質(zhì)間存在的巨大差異為生物提供了豐富的食物來源，生物的食物來源選擇性廣，使得該海域營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的CR較高。南沙群島西南陸架區(qū)地處遠(yuǎn)海，水較深，餌料生物優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)分布不及大亞灣和珠江河口海域，因此該海域營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的CR較低。大亞灣海域漁業(yè)生物的δ15N范圍 (NR) 為4.38，根據(jù)δ15N在營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞過程中每營(yíng)養(yǎng)級(jí)的平均值約3.4‰[25]，計(jì)算得出大亞灣的營(yíng)養(yǎng)層次為1.28，表明大亞灣海域漁業(yè)生物的營(yíng)養(yǎng)層次較少，食物網(wǎng)處于受干擾較多的狀態(tài)。本研究與黃海及東海北部[26]、南海中西部[4]和膠州灣[7]等南北方其他水域的研究相比，NR略高于黃海及東海北部和南海中西部；與長(zhǎng)江口[27]、浙江南部近海[28]、閩江口[29]和珠江口[24]等近岸河口海域相比，本研究的NR顯著低。大亞灣海域漁業(yè)生物的標(biāo)準(zhǔn)橢圓校正后的面積 (SEAc) 為2.33，遠(yuǎn)低于朱文濤等[20]報(bào)道的大亞灣珊瑚生態(tài)系統(tǒng)生物的結(jié)果，這可能是由珊瑚生態(tài)系統(tǒng)中生物生境的特殊性所致。大亞灣海域漁業(yè)生物的平均最近相鄰距離 (MNND)和最近相鄰距離的標(biāo)準(zhǔn)差 (SDNND) 分別為0.33和0.23，低于張文博等[8]對(duì)陵水灣和海陵灣漁業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)的研究結(jié)果，說明大亞灣生物群落的營(yíng)養(yǎng)冗余度較陵水灣和海陵灣高。

表3 大亞灣與其他海域生物營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)比較Table 3 Comparison of biotrophic structure between Daya Bay and other sea areas

3.3 漁業(yè)生物營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化

季節(jié)變化是影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要因素之一，因此研究漁業(yè)生物的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)季節(jié)性變化具有重要意義[30]。大亞灣屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水量的季節(jié)性變化引發(fā)陸源有機(jī)物輸入量的變化，使得潛在食物來源組成出現(xiàn)季節(jié)變化，進(jìn)而影響漁業(yè)生物δ13C和δ15N的季節(jié)變化[31]。但本研究發(fā)現(xiàn)季節(jié)性變化無顯著性差異 (P>0.05)，這與朱文濤等[20]對(duì)大亞灣珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的研究結(jié)果一致。

食物來源的豐富度是影響食物網(wǎng)的營(yíng)養(yǎng)水平和結(jié)構(gòu)層次的關(guān)鍵因素[32]。本研究中夏季的CR高于冬季，表明夏季漁業(yè)生物的食物來源較多，這與大亞灣陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入季節(jié)性差異相吻合。NR代表生物群落的垂直結(jié)構(gòu)，其值越高代表群落中有更多的營(yíng)養(yǎng)層次。本研究中夏季NR高于冬季，這可能是由于人類捕撈活動(dòng)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)季節(jié)性差異[33]。δ13C/δ15N 圍成的總面積 (TA) 在一定程度上與CR和NR相關(guān)[34]。與夏季相比，本研究中冬季的TA和質(zhì)心的平均距離 (CD) 低，說明食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)級(jí)多樣性的總程度和平均程度較低，這可能主要受人為活動(dòng)的影響[35]。但TA容易受到樣本量的影響，通常隨樣本量增加而增大，最終影響營(yíng)養(yǎng)機(jī)構(gòu)分析結(jié)果。因此本研究采用Jackson等[16]提出的TA校正方法，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)橢圓面積表示其核心生態(tài)位。本研究中SEAc夏季顯著高于冬季，說明夏季種間競(jìng)爭(zhēng)較為激烈。MNND和SDNND越小，表明群落營(yíng)養(yǎng)冗余度越高[20,22,36]。本研究中冬季的MNND和SDNND均小于夏季，表明冬季漁業(yè)生物食物網(wǎng)中處于相同生態(tài)位和具有相似營(yíng)養(yǎng)特征的物種占多數(shù)，因此群落營(yíng)養(yǎng)冗余度高。

4 結(jié)論

大亞灣拖網(wǎng)漁獲物樣品的δ15N平均值由小到大依次為甲殼類、頭足類和魚類，其中甲殼類的營(yíng)養(yǎng)級(jí)較低，占據(jù)的營(yíng)養(yǎng)位置也較低，而魚類和頭足類營(yíng)養(yǎng)級(jí)較高，占據(jù)的營(yíng)養(yǎng)位置也較高，符合營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置分布規(guī)律；穩(wěn)定同位素雙位圖顯示大亞灣海域漁業(yè)生物的食物來源出現(xiàn)交叉混合，各生物類群形成了生態(tài)位重疊的現(xiàn)象，浮游食物鏈和底棲食物鏈表現(xiàn)不明顯；大亞灣漁業(yè)生物δ13C和δ15N的季節(jié)變化不明顯，夏季生物多樣性顯著高于冬季，受人類活動(dòng)的影響較大，且群落營(yíng)養(yǎng)冗余度低于冬季。