舟山外海重要海洋動物的碳氮穩(wěn)定同位素特征和食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)

劉小琳，RUTAKUMWA Edwin Superius，徐靖昂，李斯遠，聶 晶，俞存根，嚴小軍，張曉林

（1.浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營養(yǎng)研究所，浙江杭州 310021；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品信息溯源重點實驗室，浙江杭州 310021；4.國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022）

生物體的物質(zhì)循環(huán)和能量流動是海洋生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究的重要領(lǐng)域，其中一個重要部分就是確定群落結(jié)構(gòu)與生物的營養(yǎng)位置[1-3]。因此，全面開展海洋生物食物網(wǎng)的研究，對評價一個海洋生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的食物網(wǎng)研究方法是胃含物分析法，即通過對生物胃腸道的食物組成及數(shù)量來分析其近期的攝食情況，該方法具有工作量大、耗時長、胃含物難辨等局限性，使得研究結(jié)果具有很大的偶然性與不確定性，不能準確判斷生物所處營養(yǎng)級位置及食物來源[4-6]。近年來，穩(wěn)定同位素技術(shù)常被用來分析海域食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)、海洋生物的營養(yǎng)級位置以及魚類的食性特征，成為研究海洋生物物種多樣性和評價海域食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要手段[4,7-8]。碳穩(wěn)定同位素δ13C 在海洋生物中的富集程度較低，被用來確定生物的食物來源及海域差異，氮穩(wěn)定同位素δ15N 在海洋生物中的富集程度較高，所以常被用來確定生物在食物網(wǎng)中的營養(yǎng)位置，且氮穩(wěn)定同位素δ15N 在消費者的各個營養(yǎng)級之間大約以3‰的富集度增加[9-10]。同位素質(zhì)譜技術(shù)不斷發(fā)展，該法可以便捷地反映生物物種的營養(yǎng)信息及該物種在一個時空整合過程中長期累積的營養(yǎng)數(shù)據(jù)[11]。

舟山漁場曾經(jīng)是我國漁業(yè)資源最豐富、生產(chǎn)力水平最高的漁場之一。隨著漁民對海洋資源的過度開發(fā)和使用，重要漁業(yè)資源日趨衰退，舟山漁場漁業(yè)資源的結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)生改變，維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡是當務(wù)之急，需要深入地、科學(xué)地闡明這一海域所具有的漁業(yè)資源承載能力是關(guān)鍵路徑，就要從食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的角度來進行科學(xué)評估[12]。目前，穩(wěn)定同位素技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于海域食物網(wǎng)構(gòu)建。ZANDEN,et al[13]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。KIRKPATRICK,et al[14]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、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。蔣日進等[15]通過穩(wěn)定同位素技術(shù)探明枸杞島島礁近岸海域食物網(wǎng)主要生物類群之間的營養(yǎng)關(guān)系。閆光松等[16]應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)確定了長江口主要漁業(yè)生物的營養(yǎng)級結(jié)構(gòu)并初步建立了長江口水域食物網(wǎng)連續(xù)營養(yǎng)譜。高世科等[17]應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)分析了呂泗漁場近岸海域夏季的主要生物營養(yǎng)級，并表明該海域多數(shù)生物的生長環(huán)境和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)比較相近。高春霞等[18]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)建立了浙江南部近海主要漁業(yè)生物的連續(xù)營養(yǎng)譜，為生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)研究提供科學(xué)參考。本研究將應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)構(gòu)建舟山外海生物食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及營養(yǎng)級關(guān)系，為評估舟山漁場漁業(yè)承載能力提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

樣品采集于2018 年4 月（春季）和10 月（秋季）舟山外海（圖1），共選擇動物類群63 種進行分析，其中魚類42 種，蝦類12 種，蟹類4 種，頭足類5 種。

圖1 舟山外海采樣點站位分布圖Fig.1 Sampling sites near Zhoushan islands

魚類樣品取適量背部白肌肉，蝦類去殼取其腹部肌肉，蟹類取其第一螯足肌肉，頭足類取其胴部肌肉，取好的樣品用冷凍干燥機于-80 ℃下冷凍干燥48 h 以上，干燥好的樣品經(jīng)石英研缽研磨成均勻粉末，放入樣品瓶中干燥保存，待測。

1.2 穩(wěn)定同位素測定

稱取一定量的樣品放置于元素分析儀（Isotope cube，德國Elementar 公司）樣品盤中，樣品中的碳元素和氮元素轉(zhuǎn)化為純凈的CO2和N2氣體后，進入同位素質(zhì)譜儀（Biovision，德國Elementar 公司）檢測。穩(wěn)定同位素測定的標準物質(zhì)包括B2155（δ13C=-26.98‰，δ15N=5.95‰）、IAEA-CH-6（δ13C=-10.449‰）、USGS64（δ13C=-40.81‰）、IAEA-N-2（δ15N=20.3‰）、USGS40（δ15N=4.52‰）,碳氮穩(wěn)定同位素的定值參照國際通用標準分別為美洲擬箭石（PDB）和純化的大氣中的氮氣（N2），儀器測定精度可達到δ13C＜±0.2‰，δ15N＜±0.3‰。

C、N 穩(wěn)定同位素比值計算公式如下：

式中：δiE 為待測樣品13C 或15N 穩(wěn)定同位素比值；Rs和Rst分別為樣品和標準物質(zhì)中重同位素與輕同位素比值（13C/12C、15N/14N）。

營養(yǎng)級計算公式：

式中：TL 為所計算生物的營養(yǎng)級；δ15Nconsumer為該系統(tǒng)消費者氮穩(wěn)定同位素比值；δ15Nbaseline為該系統(tǒng)基準生物氮穩(wěn)定同位素比值，參照蔣日進等[15]的研究方法，選取小型浮游橈足類的氮同位素比值作為同位素基線值；TEF 為相鄰營養(yǎng)級的氮同位素富集度，本研究取3.4‰[19]；λ 為基準生物營養(yǎng)級，本研究取2。

1.3 統(tǒng)計分析

采用SPSS 23.0 統(tǒng)計軟件，以δ13C 和δ15N 值為雙重因子對主要動物食性進行聚類分析；根據(jù)聚類分析結(jié)果，使用Origin 2018 軟件構(gòu)建連續(xù)營養(yǎng)譜；數(shù)據(jù)處理與表格制作通過Excel 2019 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳氮穩(wěn)定同位素比值

本研究共采集舟山外海漁業(yè)資源種類63 種，不同類群動物δ13C 和δ15N 穩(wěn)定同位素比值分析結(jié)果如表1。

表1 舟山外海主要漁業(yè)資源δ13C 和δ15N 穩(wěn)定同位素比值Tab.1 δ13C and δ15N values of organisms collected near Zhoushan islands

續(xù)表

從表1 可以看出，舟山外海動物δ13C 值范圍為-19.21‰～-15.01‰，δ15N 值范圍為7.92‰～12.53‰。其中，魚類δ13C 和δ15N 值范圍分別為-19.21‰～-15.01‰和8.05‰～12.53‰，蝦類δ13C 和δ15N 值范圍分別為-18.18‰～-15.2‰和7.92‰～11.55‰，蟹類δ13C 和δ15N 值范圍分別為-17.34‰～-16.60‰和11.13‰～11.49‰，頭足類δ13C 和δ15N 值范圍為-18.56‰～-16.32‰和9.87‰～11.18‰。

2.2 生物營養(yǎng)級

選擇正確的基準生物來計算營養(yǎng)級，是保障結(jié)果精準度的關(guān)鍵一步[20]。本研究參照蔣日進等[15]的方法，選擇浮游動物為基準生物，以小型浮游橈足類的δ15N（4.9‰）作為基線值計算了舟山外海的消費者的營養(yǎng)級（圖2）。

從圖2 可以看出，消費者營養(yǎng)級的范圍為2.89（安氏白蝦Exopalaemon annandalei）至4.24（帶魚Trichiurus haumela），營養(yǎng)級跨度為3。魚類營養(yǎng)級范圍為2.93（日本鯖Pneumatophorus japonicus）～4.24（帶魚T.haumela）；蝦類營養(yǎng)級范圍為2.89（安氏白蝦E.annandalei）～3.96（葛氏長臂蝦Palaemon gravieri）；蟹類營養(yǎng)級范圍為3.83（三疣梭子蟹Portunus trituberculatus）～3.94（長手隆背蟹Carcinoplax longimana）；頭足類營養(yǎng)級范圍為3.46（神戶烏賊Sepia kobiensis）～3.85（日本槍烏賊Loliolus japonica）。

圖2 舟山外海主要動物營養(yǎng)級Fig.2 Trophic level for main animals near Zhoushan islands

2.3 食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)

通過基于各類動物的δ13C 和δ15N 值的標準化歐氏距離（Standardised euclidean distance）對舟山外海動物食物網(wǎng)組成成分進行了組間連接聚類分析，并將主要動物劃分為4 個營養(yǎng)類群（圖3）：第一類群包括了主要的動物類群，其中以魚類的種類和數(shù)量最多，如小黃魚Larimichthys polyactis、帶魚、白姑魚Argyrosomus argentatus 等，蝦蟹類和其他無脊椎動物次之，如三疣梭子蟹、日本槍烏賊、中華管鞭蝦Solenocera crassicornis 等；第二類群的主要動物為尖頭黃鰭牙Chrysochir aureus，主要由于其δ13C 值在所測動物中最高，δ15N 值又較大；第三類群包括七星底燈魚Benthosema pterotum、中國槍烏賊Uroteuthis chinensis、黃鯽Setipnna taty、鱷齒魚Champsodon capensis 以及短鱷齒魚Champsodon snyderi，此組動物的特征為δ13C值十分接近，δ15N 值有一定差距；第四類群的動物有安氏白蝦、中國毛蝦Acetes chinensis、日本鯖，此組動物主要為初級消費者。

3 討論

3.1 舟山外海動物碳氮穩(wěn)定同位素特征

碳穩(wěn)定同位素δ13C 在生物體內(nèi)的富集程度較低，常被用來評價生物的食物來源以及區(qū)分海域差異[21-22]，且碳穩(wěn)定同位素δ13C 的范圍可以用來表征該海域食源的多樣性水平。本研究中，利用單因素ANOVA 比較不同類群動物的δ13C比值，發(fā)現(xiàn)不同類群動物間的δ13C 比值差異不顯著（P＞0.05），而δ13C 比值的范圍為-19.21‰～-15.01‰，跨度為4.2‰，表明該海域各類群動物食源組成比較簡單，特化程度較高，餌料基礎(chǔ)較為穩(wěn)定。但本研究樣品中以魚類數(shù)量最多，其δ13C 比值范圍跨度較大，與個別魚類的δ13C 值有關(guān)，如黃鯽的δ13C 值（-19.21±0.10）較低，這與其廣泛的低級肉食食性有關(guān)[23]。

氮穩(wěn)定同位素δ15N 在生物體內(nèi)的富集度較高，常被用來確定生物的營養(yǎng)級[24]。本研究中，各類群氮穩(wěn)定同位素δ15N 平均值大小依次為蟹類、魚類、頭足類和蝦類。從研究結(jié)果中可以看出，δ15N 數(shù)值存在生態(tài)位重疊，這可能與個別生物間攝食共同的餌料生物，較高營養(yǎng)級物攝食較低營養(yǎng)級生物有關(guān)，意味著可能產(chǎn)生種間競爭關(guān)系。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物存在重疊，具有一定的食物競爭關(guān)系[25]。

3.2 食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)級

穩(wěn)定同位素技術(shù)是研究某海域食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一個重要手段，通過氮穩(wěn)定同位素值顯示的生物營養(yǎng)位置揭示了該海域食物網(wǎng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)[26]。本研究中，舟山外海的魚類的營養(yǎng)級范圍為2.93～4.24，其中日本鯖營養(yǎng)級最低；黃鯽、小黃魚等初級和中級肉食性魚類營養(yǎng)級居中，是食物網(wǎng)的重要組成部分；帶魚是兇猛肉食性魚類，其營養(yǎng)級最高，是食物鏈的頂端生物。無脊椎動物的營養(yǎng)級范圍為2.89～3.96，蝦類中葛氏長臂蝦的營養(yǎng)級最高為3.96，安氏白蝦的營養(yǎng)級最低為2.89；蟹類中長手隆背蟹的營養(yǎng)級最高為3.94，三疣梭子蟹的營養(yǎng)級最低為3.83；頭足類中日本槍烏賊的營養(yǎng)級最高為3.85，神戶烏賊的營養(yǎng)級最低為3.46。安氏白蝦、中國毛蝦以及日本鯖等小型雜食性生物為食物鏈的底端。

與同樣采用穩(wěn)定同位素技術(shù)的黃海及東海北部[27-28]（30°-39 °N，120.5°-126 °E）測定的36 種魚類中，可比較的共有11 種魚類，本研究中的大部分結(jié)果皆高于黃海及東海北部，可能與基準生物的選擇、研究海域以及樣品的數(shù)量和體長不同有關(guān)。縱觀舟山外海的主要漁業(yè)生物情況，短鱷齒魚、七星底燈魚、細條天竺鯛和黃鯽等小型餌料魚類在食物網(wǎng)中的地位得到提升[27,29]，與小黃魚和帶魚等優(yōu)勢種，共同維持該海域生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

總的來說，碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)對某海域食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及評價的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛且具有一定的準確性。但本文研究方法單一，將來可以運用多種方法及技術(shù)來進行驗證，如胃含物分析法、脂肪酸標志法等，使實驗結(jié)果更加準確。

致謝：本次分析的海洋生物樣品受贈于浙江海洋大學(xué)俞存根教授實驗室，所有樣品的碳穩(wěn)定同位素δ13C 和氮穩(wěn)定同位素δ15N 的測定借助于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品信息溯源重點實驗室，對他們的幫助和奉獻表示衷心感謝！