基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的新疆伊犁河流域魚類群落營養(yǎng)級初步研究

王 迪，張 燕，李云峰，倪朝輝，茹輝軍

(1.上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院，上海 201306；2.中國水產(chǎn)科學研究院長江水產(chǎn)研究所，武漢 430223)

營養(yǎng)級代表生物在生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)位置，營養(yǎng)級的研究是分析水域食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎，能夠揭示生物群落的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征，對于研究水域生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)轉(zhuǎn)換等方面具有重要意義[1]。而近年來，穩(wěn)定同位素技術(shù)已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外學者研究水域生態(tài)系統(tǒng)生物食源、營養(yǎng)級位置、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征與功能不可或缺的方法之一[2-5]。QU等[6]研究了渤海海峽沿岸常見生物之間的營養(yǎng)關系，并在此基礎上提出了改善該水域基礎食物源(藻類草皮)的生物多樣性和分布結(jié)構(gòu)，提高漁業(yè)物種生境適應性等生態(tài)修復建議。

在國內(nèi)，穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)也已經(jīng)廣泛應用于海洋和淡水生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)研究中，并被證實碳(13C)、氮(15N)穩(wěn)定同位素是研究水域生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的有效方法[7]；閆光松等[8]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)建立了長江口水域食物網(wǎng)連續(xù)營養(yǎng)譜，為長江口漁業(yè)資源保護提供了科學依據(jù)；鄧華堂等[9]利用碳、氮穩(wěn)定同位素探討了大寧河不同水位時期及不同地點主要魚類群落食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化特征。

伊犁河是我國新疆自治區(qū)最大的一條河流，全長442 km，總體面積為57 000 km2，多年平均徑流量1.67×1010m3[10]。伊犁河流域的魚類資源較為豐富，現(xiàn)有魚類約32種，是我國西北淡水魚類原種和良種收集、選育、推廣的重要基因庫之一[11]。但有研究表明，由于過度捕撈、人為干擾和氣候持續(xù)干旱等原因，與歷史記錄相比土著魚類資源顯著下降[12]，且大中型魚類資源稀少，魚類群落多樣性低[10]，因此研究伊犁河流域的生物營養(yǎng)級對于后續(xù)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的研究具有重要意義。目前關于伊犁河流域魚類的研究調(diào)查，涉及種類、資源量以及個別土著魚類研究較多，而對于該區(qū)域魚類營養(yǎng)級研究尚未見報道。本研究運用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究新疆伊犁河流域魚類群落的碳氮穩(wěn)定同位素特征，計算其營養(yǎng)級位置，分析魚類群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征，旨在為后續(xù)研究食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)的能量流動等提供基礎資料，也為伊犁河流域的魚類資源保護、資源的合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究在伊犁河流域開展，包括伊犁河(站點1～4)、特克斯河(站點5～7)、鞏乃斯河(站點8～10)、喀什河(站點11～13)四條河流。

圖1 伊犁河流域采樣站點Fig.1 Sampling stations in Ili River basin

1.2 樣本采集與處理

為全面分析伊犁河流域魚類營養(yǎng)層級結(jié)構(gòu)，分別在濕季(2019年5-6月)、干季(2020年11月)兩個季節(jié)進行樣品采集。魚類樣品通過地籠(8 m，網(wǎng)目1.5 cm)和絲網(wǎng)(1.5 m×30 m，網(wǎng)目3 cm)捕撈獲得。浮游植物采集需先使10 L水樣分別經(jīng)13#和25#(孔徑112 μm，64 μm)浮游生物網(wǎng)濾過以去除浮游動物，其后鏡檢以確?；緸楦∮沃参?。該樣品包含浮游植物和部分懸浮有機質(zhì)，因此稱為seston[13]。在13個調(diào)查站位均有采樣，所采樣品編號后并放置于便攜式冰箱帶回。

在實驗室，將采集到的魚類樣品進行分類鑒定，并進行形態(tài)學測量，體長精確到0.1 cm，體重精確到0.1 g。新鮮魚類樣品每尾取適量背部白肌肉(1～2 g)。將全部肌肉樣品放置于60 ℃烘箱烘48 h以上。然后用石英研缽研磨成細粉末狀，并加入1 mol/L的鹽酸酸化處理后烘干[14-15]。seston樣品需將濾過水樣使用預燒(450 ℃，4 h)過的玻璃纖維濾膜(GF/C)抽濾，其后將全部處理好的樣品裝入離心管中，放入干燥器保存待測。

1.3 碳氮穩(wěn)定同位素分析及營養(yǎng)級計算

穩(wěn)定同位素技術(shù)通過在食物鏈中富集度較低的碳(δ13C)穩(wěn)定同位素比值來追溯捕食者食物的來源，利用氮(δ15N)穩(wěn)定同位素在生物組織間相對穩(wěn)定的富集度來計算生物的營養(yǎng)級[16]。通常需要先選取一個該生態(tài)系統(tǒng)的基線值(General baseline)來進一步確定食物網(wǎng)中每個物種的相對營養(yǎng)位置，進而對生態(tài)系統(tǒng)中各物種間的營養(yǎng)關系、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)進行研究，同時可進行不同時間和區(qū)域的對比研究[17]。

本次實驗測定氮、碳穩(wěn)定同位素樣品共210個。所有樣品的碳、氮穩(wěn)定同位素比值測定在自然資源部第三海洋研究所科學儀器共享平臺(分析測試中心)進行。樣品的13C和15N穩(wěn)定同位素比值由元素分析儀-穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀聯(lián)機(Flash EA 1112 HT-Delta V Advantages)測定，碳穩(wěn)定同位素測定的標準物質(zhì)為國際標準物質(zhì)VPDB(vienna peedee belemnite)，測定精度為±0.2‰；氮穩(wěn)定同位素測定的標準物質(zhì)為空氣中的氮氣，測定精度為±0.25‰。

營養(yǎng)級(trophic level，TL)計算公式為：

軟件部分主要包括光纖連接信息采集、智能光纖托盤與單元控制器的485數(shù)據(jù)傳輸、485數(shù)據(jù)到藍牙數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及手機端APP設計等。本文重點對光纖連接信息采集進行介紹。

TL=(δ15Nconsumer-δ15Nbaseline)/δ15N+λ

式中，TL表示所計算生物的營養(yǎng)級，δ15Nconsumer為所計算生物的氮同位素比值，δ15Nbaseline為該系統(tǒng)基線生物的氮同位素比值，δ15N為營養(yǎng)級之間的富集度(通常取3.4‰)[16]，λ是基線生物的營養(yǎng)級，一般為2，當λ為初級生產(chǎn)者時，λ=1。

計算營養(yǎng)級首先需要確定系統(tǒng)中的基線生物。本研究選取seston為基線生物，營養(yǎng)級應為1。按照伊犁河流域不同河流的seston δ15N比值的平均值計算各河流魚類的營養(yǎng)級。

1.4 數(shù)值計算與統(tǒng)計分析

參照相關文獻按攝食功能類群將采集魚類分為四類：雜食性魚類、肉食性魚類、植食性魚類和濾食性魚類[18]。利用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同功能群魚類穩(wěn)定同位素比值和營養(yǎng)級的差異，再通過事后檢驗(LSD test)進行兩兩比較。對于兩個季節(jié)魚類的穩(wěn)定同位素比值和營養(yǎng)級采用t檢驗(t-test)檢驗其差異性。以上分析均通過SPSS 26.0完成。實驗數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標準差(Mean±SD)表示。顯著性計算說明：在單因素方差分析與t檢驗中，P>0.05表明幾組數(shù)據(jù)差異性不顯著；P<0.05說明數(shù)據(jù)具有顯著性差異；若P<0.01則表明數(shù)據(jù)呈現(xiàn)極顯著差異。

將伊犁河、特克斯河、鞏乃斯河、喀什河四個河流的魚類作為四個群落，分析各河流魚類群落的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征指標變化。6個營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征指標分別為：氮值范圍(δ15N range，NR)、碳值范圍(δ13C range，CR)、總面積(total area，TA)、平均離心距離(mean distance to centroid，CD)、平均最鄰近距離(mean nearest neighbor distance，NND)、最鄰近距離標準差(standard deviation of nearest neighbor distance，SDNND)[19]。前4個指標反映物種空間范圍，代表群落營養(yǎng)多樣性(trophic diversity)，后兩個指標反映物種相對位置，代表營養(yǎng)冗余(trophic redundancy)[19]。分析在R中的SIBER包進行[20](R 4.1.1，R Core Team)。

2 結(jié)果

2.1 魚類氮、碳穩(wěn)定同位素比值特征及變化

魚類樣品δ15N在5.13‰～17.33‰之間，總跨度12.20‰，平均值11.09‰±2.07‰；δ13C在-33.70‰～-18.51‰之間，總跨度15.19‰，平均值-25.20‰±2.21‰。各種魚類碳、氮穩(wěn)定同位素比值見表1。肉食性、雜食性、植食性、濾食性的魚類樣品δ15N范圍分別為5.86‰～15.01‰、6.59‰～17.33‰、6.23‰～12.55‰、5.13‰～8.62‰，δ13C范圍分別為-33.11‰～-18.51‰、-32.34‰～-20.94‰、-33.70‰～-21.64‰、-30.18‰～-23.77‰。

表1 新疆伊犁河流域主要魚類碳、氮穩(wěn)定同位素比值Tab.1 Stable isotope ratios of carbon and nitrogen of major fish species in Ili River Basin，Xinjiang

圖2 魚類不同攝食功能群的碳、氮穩(wěn)定同位素比值Fig.2 Comparison of carbon and nitrogen stable isotope ratios of different fish feeding functional groups

濕季樣品δ15N范圍在6.59‰～17.33‰之間，總跨度10.74‰，平均值11.44‰±1.88‰；δ13C范圍為-33.70‰～-21.36‰，總跨度12.34‰，平均值-25.40‰±2.10‰。干季樣品δ15N范圍在5.13‰～15.01‰之間，總跨度9.88‰，平均值10.48‰±2.25‰；δ13C范圍為-32.00‰～-18.51‰，總跨度13.49‰，平均值-24.86‰±2.36‰。魚類氮、碳穩(wěn)定同位素比值比較見圖3。兩個不同季節(jié)魚類碳穩(wěn)定同位素比值無顯著性差異；氮穩(wěn)定同位素比值呈現(xiàn)顯著差異。

圖3 不同季節(jié)魚類氮、碳穩(wěn)定同位素比值比較Fig.3 Comparison of fish nitrogen and carbon stable isotope ratios between two seasons

2.2 魚類營養(yǎng)級特征及變化

伊犁河魚類營養(yǎng)級范圍在1.27～4.07之間(圖4)，平均為2.54±0.55，營養(yǎng)層級范圍為4級。其中植食性草魚、濾食性鰱、鳙的營養(yǎng)級均低于2，鳙的營養(yǎng)及最低，大鱗副泥鰍的營養(yǎng)級最高，高于4。

在不同攝食功能群，雜食性魚類營養(yǎng)級在1.32～4.07之間，平均值2.46±0.50；肉食性魚類營養(yǎng)級在1.64～3.71之間，平均值2.73±0.45；植食性魚類營養(yǎng)級在1.06～2.66之間，平均值1.85±0.70；濾食性魚類營養(yǎng)級在1.25～1.51之間，平均值1.34±0.11。雜食性魚類的營養(yǎng)級跨度范圍最大，濾食性魚類的營養(yǎng)級跨度范圍最小(圖5)。單因素方差分析顯示，不同功能群的營養(yǎng)級呈現(xiàn)極顯著差異。事后檢驗(LSD test)結(jié)果顯示，植食性魚類和濾食性魚類的營養(yǎng)級有顯著差異，其他任意兩組之間均呈現(xiàn)極顯著差異。

圖5 不同攝食功能群魚類營養(yǎng)級Fig.5 The trophic level of different fish feeding functional groups

在濕季，魚類營養(yǎng)級在1.34～4.07之間，平均值2.62±0.53；在干季，魚類營養(yǎng)級在1.06～3.71之間，平均值2.39±0.56。兩個季節(jié)的魚類營養(yǎng)級比較見圖6。經(jīng)T檢驗分析，伊犁河流域兩個不同季節(jié)的魚類營養(yǎng)級呈現(xiàn)顯著性差異，濕季的營養(yǎng)級水平顯著高于干季。

圖6 不同季節(jié)魚類營養(yǎng)級Fig.6 The trophic level of fish species between two seasons

2.3 魚類群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征指標變化

伊犁河各河流的魚類群落營養(yǎng)生態(tài)位空間變化見圖7，魚類群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征指標計算結(jié)果見表2。其中，伊犁河魚類群落的NR值和CR值最大，鞏乃斯河魚類群落的NR和CR值最小，說明伊犁河擁有更大的營養(yǎng)級跨度，基礎食源也更具多樣性。伊犁河魚類群落的TA值最大，鞏乃斯河最小，說明伊犁河類魚類群落生態(tài)位空間較大，而鞏乃斯河和喀什河的魚類群落生態(tài)位空間較小。伊犁河的CD值較其他三條河流大，且差異顯著，代表伊犁河的魚類較其他三條河流更具營養(yǎng)多樣性。各河流NND值和SDNND值的差異表明喀什河的魚類營養(yǎng)冗余較高，生態(tài)位分布程度更加均勻。

表2 伊犁河流域不同河流魚類群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)指標計算值Tab.2 Calculated value of fish community trophic structure metrics in different rivers

圖7 伊犁河流域不同河流魚類營養(yǎng)空間變化Fig.7 Variations of trophic space of major fish species among different rivers

3 討論

3.1 伊犁河流域魚類C、N同位素比值特征

本研究水域伊犁河流域位于中國的西北部，其臨近水域的相關研究較少，因此本研究結(jié)果同國內(nèi)其他淡水水域比較(表3)，伊犁河流域魚類的δ13C值范圍與長江中游干流較為接近，較鄱陽湖、洞庭湖大(表3)，說明大型河流魚類的基礎食源較鄱陽湖、洞庭湖更為豐富。有研究表明藻類被認為是維系河流食物網(wǎng)的主要碳源[21]，但伊犁河流域的δ13C值范圍較大，這揭示了伊犁河流域魚類具有除藻類外的其他基礎食源作為支撐。在ZEUG等[13]的研究中也發(fā)現(xiàn)了相同的研究結(jié)果。伊犁河流域的δ15N值范圍較其他水域大，略小于長江支流大寧河。δ15N值范圍較大可能與人為的氮源輸入有關[4]。例如，伊犁河與特克斯河下游處于人類活動密集區(qū)域，受人類活動影響較多。其他河流區(qū)域放牧、農(nóng)業(yè)活動等的氮輸入，也是導致基礎δ15N值變大的主要原因，這些因素進一步導致食物網(wǎng)中魚類的δ15N值變大以及整體的NR值較大[22]。從河流地理特性來看，伊犁河流域?qū)儆谖鞅备珊档貐^(qū)的山區(qū)河流水域，河流徑流補給以冰雪融水為主，獨特的水文環(huán)境與流程從山區(qū)到平原的生境差異可能導致基礎食源的穩(wěn)定同位素比值與其他河流不同，進而造成消費者的穩(wěn)定同位素比值差異[23]。

目前在伊犁河流域中，存在水利設施的修建、河流型水庫中養(yǎng)殖業(yè)的大力發(fā)展等人為活動[12]。河流連續(xù)性和水文的改變以及人為因素均會對河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定同位素比值產(chǎn)生一定程度的影響[24]，如特克斯河與喀什河中各建有一水庫并進行水庫魚類養(yǎng)殖，水庫中飼料投放等可能會使河流營養(yǎng)發(fā)生變化，這是否影響魚類等水生生物的穩(wěn)定同位素比值，并使魚類營養(yǎng)層級及生態(tài)位發(fā)生潛在變化，需要持續(xù)關注。

3.2 伊犁河流域魚類營養(yǎng)級變化特征

伊犁河流域主要魚類的營養(yǎng)級范圍在1.27～4.07之間，平均為2.54。其中，營養(yǎng)級在1～3之間的有23種，占92%，營養(yǎng)級大于3的僅占8%。這說明伊犁河流域的魚類大多數(shù)屬于中等營養(yǎng)層級的雜食性魚類，這也與相關文獻論述一致[18]。伊犁河流域的魚類多數(shù)為雜食性，肉食性較少，且肉食性魚類的食物多為底棲動物，而以魚類做餌料的魚類較少，這也導致伊犁河流域魚類營養(yǎng)層級普遍偏低。

研究表明季節(jié)性水文變化可對魚類同位素值及營養(yǎng)級產(chǎn)生影響[25]。本研究中伊犁河流域濕季的魚類營養(yǎng)級水平高于干季的魚類營養(yǎng)級水平，其一，可能是魚類組成差異造成。雖然兩季魚類種類數(shù)相近，但濕季更多肉食性魚類如鯰和伊利鱸的出現(xiàn)，使得魚類營養(yǎng)級發(fā)生變化，這種營養(yǎng)級的季節(jié)性變化在其他生態(tài)系統(tǒng)也被發(fā)現(xiàn)[26]。其二，這種變化與魚類攝食習性的變化亦有關。在濕季，河流闊大的水域面積以及更適宜的水溫使得魚類餌料種類更為豐富，更有利于魚類獲取高營養(yǎng)級餌料資源。其三，基準生物的同位素值變化影響營養(yǎng)級評估也是潛在因素?；鶞噬锏倪x擇對準確評估大型水體生物營養(yǎng)層級至關重要，有研究就建議使用多個食物源的基準參考[8]。

3.3 伊犁河流域魚類群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化特征

本研究中伊犁河流域不同河流魚類的NR值具有一定程度的差異。伊犁河(站位1-4)的NR值顯著高于其他三條河流。這可能與該河流餌料生物豐富度更高有關[27]。伊犁河(站位1-4)在調(diào)查的四條河流中面積更大，河寬較寬，流量大，魚類活動范圍大；處在整個伊犁河流域的下游，水溫更高，更有利于一些餌料生物的生存和繁殖，從而促進魚類的食物可獲得性，導致了NR值更高。CR值代表了食物網(wǎng)中基礎食物碳源的多樣性特征[19，28]。本研究中伊犁河和特克斯河的魚類群落CR值高于其它兩條河流，表明了伊犁河與特克斯河的魚類具有更多的食物來源。其次，該兩條河較高的seston δ13C值也可能是導致伊犁河與特克斯河的魚類CR值高于其他河流的原因。本研究伊犁河的生態(tài)位空間(TA)最大，說明伊犁河魚類群落營養(yǎng)多樣性較高，也可能暗示魚類物種間競爭較小。而喀什河的TA值較小，應與該河采集到的魚類生態(tài)習性(攝食餌料種類)相似，從而導致魚類群落較集中有關。

當群落中具有相似營養(yǎng)特征的種類占多數(shù)時，群落的營養(yǎng)冗余程度會更高，表現(xiàn)為NND值較低[19]。魚類群落中存在營養(yǎng)冗余，生態(tài)系統(tǒng)更具有抵抗外界干擾的能力[29]。本研究中，喀什河魚類群落的NND和SDNND值較其它河流較低，說明喀什河魚類群落營養(yǎng)冗余較高，營養(yǎng)生態(tài)位分布程度也更均勻，群落穩(wěn)定性更高[29]。

本研究初步分析了伊犁河流域魚類群落營養(yǎng)級時空變化及群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征，研究結(jié)果也為后續(xù)研究該區(qū)域食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的能量流動等提供基礎資料。由于地區(qū)政策和冬季氣候等原因?qū)е虏稉评щy，存在某些區(qū)域、季節(jié)魚類樣本采集偏少問題，可在以后的研究中加以改進。目前，在喀什河中建有一水庫，水庫中的魚類養(yǎng)殖、飼料投喂等原因?qū)ζ浞€(wěn)定性的影響亦值得關注。后期仍需繼續(xù)對伊犁河流域中各河流的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征及其影響因素進行更深入的研究，以期更加準確全面地評估伊犁河流域的魚類群落結(jié)構(gòu)與功能對人類活動干擾的響應。