萊州灣芙蓉島人工魚(yú)礁區(qū)大型底棲動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征

張 鎮(zhèn)，董建宇，孫 昕，張宇洋，詹啟鵬，張宗航，申豐源，丁夏陽(yáng)，張沛東，張秀梅

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海水養(yǎng)殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266003；2.浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

食物網(wǎng)及營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系是海洋生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容，是研究各物種間營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的重要途徑。大型底棲動(dòng)物是海洋食物網(wǎng)中至關(guān)重要的生態(tài)類群，在海洋底棲食物網(wǎng)中扮演著重要角色，對(duì)研究食物網(wǎng)中各物種營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和關(guān)系具有重要作用[1-2]。研究海洋生物食性及食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的方法主要有胃含物分析法、碳氮穩(wěn)定同位素法、特征脂肪酸組成分析、特定化合物同位素分析技術(shù)、基于高通量測(cè)序的DNA 條形碼技術(shù)以及基于理論模型的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法等[3-4]。其中，碳氮穩(wěn)定同位素法不僅能夠反映近一段時(shí)間內(nèi)生物攝食的食物類型，而且能夠追溯生物長(zhǎng)期生命活動(dòng)的主要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，具有反映時(shí)間長(zhǎng)、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為海洋動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究的重要手段，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用[5-10]。

大型底棲動(dòng)物作為人工魚(yú)礁底棲生境的重要組成部分，在食物網(wǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮重要作用，其營(yíng)養(yǎng)關(guān)系會(huì)直接影響人工魚(yú)礁的生態(tài)效應(yīng)。劉春云等[11]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究了煙臺(tái)養(yǎng)馬島潮間帶大型底棲動(dòng)物食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征。劉曉收等[12]利用碳氮穩(wěn)定同位素技術(shù)，對(duì)黃海大型底棲動(dòng)物的食物源、營(yíng)養(yǎng)級(jí)和底棲食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并初步構(gòu)建了黃海底棲食物網(wǎng)。Lee 等[13]分析了韓國(guó)江華潮灘不同生境中大型底棲動(dòng)物及其潛在食物來(lái)源的碳氮穩(wěn)定同位素比值，對(duì)其底棲食物網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究。以上這些研究揭示了底棲動(dòng)物的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此外針對(duì)海洋牧場(chǎng)及人工魚(yú)礁區(qū)食物網(wǎng)及營(yíng)養(yǎng)關(guān)系也有部分研究[14-18]，但魚(yú)礁建設(shè)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)大型底棲動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系和生態(tài)效應(yīng)是否具有直接的影響，目前仍不明確。

因此，實(shí)驗(yàn)利用碳、氮穩(wěn)定同位素分析法對(duì)萊州灣芙蓉島海域人工魚(yú)礁區(qū)大型底棲動(dòng)物食物網(wǎng)進(jìn)行研究，探討主要底棲動(dòng)物種類及其潛在食源的碳、氮穩(wěn)定同位素特征；分析不同潛在碳源對(duì)底棲動(dòng)物的食物貢獻(xiàn)率；研究不同底棲動(dòng)物在食物網(wǎng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)關(guān)系，以期為評(píng)價(jià)人工魚(yú)礁的生態(tài)效應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于煙臺(tái)萊州太平灣海域明波海洋牧場(chǎng)，該區(qū)域平均水深3～4 m。目前該海域已建成人工魚(yú)礁區(qū)4 處，投放人工魚(yú)礁約35.47 萬(wàn)空方。其中礁區(qū)A 和礁區(qū)B 為3 年礁齡的礁區(qū) (建設(shè)時(shí)間為2018 年5—8 月)，礁區(qū)C 和礁區(qū)D 為7～8 年礁齡的礁區(qū) (建設(shè)時(shí)間為2013—2014 年)。本研究將礁區(qū)A 和礁區(qū)B 合并歸為短礁齡區(qū) (ARAB)、將礁區(qū)C 和礁區(qū)D 合并歸為長(zhǎng)礁齡區(qū) (ARCD)。每處礁區(qū)內(nèi)設(shè)置3 個(gè)采樣點(diǎn)，另按照我國(guó)人工魚(yú)礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范 (SCT 9 416—2014)在礁區(qū)附近200～1 000 m 設(shè)置3 個(gè)對(duì)照點(diǎn)。采樣站點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 人工魚(yú)礁區(qū)底棲動(dòng)物調(diào)查站位示意圖A1～A3、B1～B3 為短礁齡區(qū)點(diǎn)位，A4～A6、B4～B6 為短礁齡區(qū)對(duì)照點(diǎn)位；C1～C3、D1～D3 為長(zhǎng)礁齡區(qū)點(diǎn)位，C4～C6、D4～D6 為長(zhǎng)礁齡區(qū)對(duì)照點(diǎn)位。Fig.1 Sampling sites of macrobenthos in artificial reefsA1-A3,B1-B3 are short-age reef area sites,A4-A6,B4-B6 are short-age reef area control sites;C1-C3,D1-D3 are long-age reef area sites,C4-C6,D4-D6 are long-age reef area control sites.

1.2 樣品采集與處理

于2021 年4 月對(duì)芙蓉島海域人工魚(yú)礁區(qū)進(jìn)行取樣調(diào)查，采集大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物樣品，并同時(shí)采集其潛在食源樣品，包括浮游植物、浮游動(dòng)物、沉積物有機(jī)物 (SOM)、水體懸浮顆粒有機(jī)物(POM)用于穩(wěn)定同位素分析。大型底棲動(dòng)物使用面積為0.05 m2的抓斗式采泥器進(jìn)行取樣，每個(gè)站位重復(fù)取樣3 次，用0.5 mm 網(wǎng)篩淘洗收集底棲動(dòng)物，樣品經(jīng)冷凍后帶回實(shí)驗(yàn)室，用體視顯微鏡(Nikon SMZ1000，日本)進(jìn)行鑒定，通過(guò)WoRMS網(wǎng)站 (http://marinespecies.org/)對(duì)鑒定出的物種名錄進(jìn)行校對(duì)和復(fù)核。樣品的處理、鑒定和稱重嚴(yán)格按照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.6—2007)進(jìn)行。浮游動(dòng)植物分別使用大、小型浮游生物網(wǎng)采用水平拖網(wǎng)方式來(lái)采集。使用抓斗式采泥器采集SOM，收集表層1～2 cm 的泥樣作為待測(cè)樣品。POM 通過(guò)使用水樣瓶采集水樣進(jìn)行收集。

樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的處理方法參考劉曉收等[12]的研究報(bào)道，但本實(shí)驗(yàn)將其方法中用濃鹽酸酸熏改為用0.1～1.0 mol/L 的稀鹽酸進(jìn)行酸化，以得到更好的處理效果，具體過(guò)程：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，浮游植物樣品使用100 目篩絹過(guò)濾掉樣品中的浮游動(dòng)物和懸浮碎屑，然后將浮游植物樣品抽濾到0.45 μm 孔徑的GF/F 膜上 (提前450 °C 預(yù)燃6 h 以除去無(wú)機(jī)碳)。將濾膜使用0.1～1.0 mol/L 的稀鹽酸 (下同)進(jìn)行酸化，之后烘干并裝入錫囊，用于碳氮穩(wěn)定同位素含量的測(cè)定；POM 樣品處理方法與浮游植物相同。浮游動(dòng)物樣品將其靜養(yǎng)24 h 排除消化道內(nèi)含物，用去離子水清洗，再使用稀鹽酸進(jìn)行酸化，之后烘干并裝入錫囊，用于碳氮穩(wěn)定同位素含量的測(cè)定。SOM 樣品烘干24 h 后，取0.5 g于10 mL 離心管中，加入1 mol/L 的稀鹽酸酸化之后再次烘干并裝入錫囊中，用于碳氮穩(wěn)定同位素含量的測(cè)定。底棲動(dòng)物樣品經(jīng)鑒定種后用于同位素樣品前處理：多毛類以及較小個(gè)體的類群選取整體，雙殼類選取閉殼肌，腹足類選取腹足部分，甲殼類等選取肌肉組織。將動(dòng)物組織用去離子水清洗后，放入-80 °C 冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥48 h，使用酸化后的玻璃棒將凍干后的樣品研磨成粉狀，接下來(lái)進(jìn)行酸化處理，將1 mol/L的稀鹽酸逐滴加入樣品管中，直至樣品停止產(chǎn)生CO2，反應(yīng)后水洗至中性，將樣品烘干48 h，再次研磨裝入錫囊用于碳氮穩(wěn)定同位素含量測(cè)定。

1.3 碳氮穩(wěn)定同位素的測(cè)定

所有樣品的碳氮穩(wěn)定同位素比值使用同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定。碳、氮穩(wěn)定同位素比值用國(guó)際通用的δ值表示，分別以VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和大氣氮作為參考標(biāo)準(zhǔn)。δ13C、δ15N 分別按以下公式計(jì)算：

式中，13C/12CVPDB為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物VPDB 的碳同位素比值，15N/14Nair為標(biāo)準(zhǔn)大氣氮同位素比值。

1.4 營(yíng)養(yǎng)級(jí)及食源貢獻(xiàn)率計(jì)算

δ15N 值的高低可以確定消費(fèi)者在食物網(wǎng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，通過(guò)下列公式計(jì)算：

式中，TL 代表消費(fèi)者的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，δ15N消費(fèi)者代表消費(fèi)者的氮穩(wěn)定同位素比值，δ15N基準(zhǔn)代表基準(zhǔn)生物的氮穩(wěn)定同位素平均比值。λ代表所選取基準(zhǔn)生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，基準(zhǔn)生物為初級(jí)生產(chǎn)者時(shí)，λ=1；基準(zhǔn)生物為初級(jí)消費(fèi)者時(shí)，λ=2。Δδ15N 代表營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的氮穩(wěn)定同位素富集水平，平均值約為3.4‰。本實(shí)驗(yàn)選取在人工魚(yú)礁區(qū)分布較為廣泛且頻繁出現(xiàn)的浮游動(dòng)物作為基準(zhǔn)生物計(jì)算大型底棲動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)[19]。

利用基于R 程序的Bayesian 穩(wěn)定同位素混合模型 (SIAR)計(jì)算不同餌料生物的貢獻(xiàn)率：經(jīng)過(guò)同海域研究所得營(yíng)養(yǎng)富集因子校正 (δ13C 和δ15N 值的營(yíng)養(yǎng)富集因子分別為0.4‰±1.3‰和3.4‰±1.0‰)擬合得出攝食來(lái)源[20]。由于在消費(fèi)者組織中測(cè)量的穩(wěn)定同位素比值與其食物中的值緊密相關(guān)，即穩(wěn)定同位素生態(tài)位可能與營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位緊密相關(guān)，因此可以用消費(fèi)者的穩(wěn)定同位素值來(lái)描述它們生態(tài)位的變化：利用R 語(yǔ)言SIBER 包對(duì)比底棲動(dòng)物群落食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)冗余程度：①δ15N 范圍(NR)提供了群落營(yíng)養(yǎng)長(zhǎng)度的信息；②δ13C 范圍(CR)用以估計(jì)基礎(chǔ)資源的多樣性；③包含數(shù)據(jù)點(diǎn)(TA)的凸包的總面積，以指示生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)生態(tài)空間的利用情況；④ 到中心點(diǎn)的平均距離 (CD)提供了關(guān)于生態(tài)位寬度和物種間距的額外信息；⑤ 物種聚集度密度參數(shù) (MNND)提供群落內(nèi)物種密度和聚集度的信息；⑥ 物種聚集度均勻度參數(shù)(SDNND)給出了空間密度和填充均勻性的度量[21]。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作人員嚴(yán)格遵守動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理規(guī)范，并按照相關(guān)的規(guī)章制度執(zhí)行。

對(duì)上述公式的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理通過(guò)Microsoft Excel、SPSS 22.0、OriginPro 9.0 和R 3.3.2[22]等軟件完成。各數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差 (mean±SD)表示。

2 結(jié)果

2.1 碳、氮穩(wěn)定同位素特征

潛在食源碳、氮穩(wěn)定同位素特征 由于在人工魚(yú)礁區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大型海藻 (草)的存在，所以實(shí)驗(yàn)主要采集了POM、SOM、浮游植物和浮游動(dòng)物等4 種潛在有機(jī)碳源樣品。潛在食源的δ13C和δ15N 值穩(wěn)定同位素值見(jiàn)表1。經(jīng)單因素方差分析 (ANOVA)，對(duì)照區(qū)潛在食源SOM 的δ13C 值顯著高于人工魚(yú)礁區(qū) (P＜0.05)，而礁區(qū)之間則無(wú)顯著差異，其余3 種潛在食源之間的δ13C 值在不同區(qū)域均無(wú)顯著差異。潛在食源SOM 的δ15N 值在短礁齡區(qū)顯著低于長(zhǎng)礁齡區(qū)和對(duì)照區(qū) (P＜0.05)，POM 的δ15N 值在長(zhǎng)礁齡區(qū)顯著低于對(duì)照區(qū)(P＜0.05)，其余δ15N 值在不同區(qū)域間無(wú)顯著差異。

經(jīng)ANOVA 方差分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)研究區(qū)域中4 種潛在食源之間的δ13C (F=29.686，P＜0.001)和δ15N (F=99.836，P＜0.001)存在極顯著差異：SOM和浮游植物的δ13C 穩(wěn)定同位素平均值相近 (浮游植物為-17.98‰±1.98‰；SOM 為-18.92‰±3.40‰)，并高于POM (-26.12 ‰±0.47 ‰)和浮游動(dòng)物(-25.23‰±0.84‰)。浮游動(dòng)植物的δ15N 穩(wěn)定同位素平均值最高 (浮游動(dòng)物為9.56‰±0.57‰，浮游植物為9.30‰±0.32‰)，最低值為POM (5.12‰±0.73‰)，SOM 平均δ15N 值居中 (5.93‰±0.59‰)。

消費(fèi)者碳、氮穩(wěn)定同位素特征 實(shí)驗(yàn)以食性為依據(jù)，將大型底棲動(dòng)物分為包括浮游生物食者 (planktonophagous group，Pl)、肉食者 (carnivorous group，C)、碎屑食者 (detritivorous group，D)和雜食者 (omnivorous group，O)在內(nèi)的4 類攝食功能群，并分析了它們之間的關(guān)系 (圖2，表2)。經(jīng)過(guò)分析，浮游生物食者δ13C 值在長(zhǎng)礁齡區(qū)中(-16.97‰±0.00‰)顯著高于短礁齡區(qū) (-23.08‰±0.89‰) (P＜0.05)，不同區(qū)域間浮游生物食者δ15N值差異不顯著。此外，其余3 個(gè)類群的碳、氮穩(wěn)定同位素值在不同區(qū)域間均無(wú)顯著差異。

表2 不同區(qū)域間不同攝食類群的碳氮穩(wěn)定同位素特征Tab.2 Carbon and nitrogen stable isotope characteristics of different functional feeding groups in different areas

圖2 芙蓉島大型底棲動(dòng)物攝食功能群和潛在食源碳氮穩(wěn)定同位素雙標(biāo)圖(a) 總體，(b) 長(zhǎng)礁齡區(qū)，(c) 短礁齡區(qū)，(d) 對(duì)照區(qū)，Pl.浮游生物食者，C.肉食者，D.碎屑食者，O.雜食者，下同。Fig.2 Biplot of carbon and nitrogen stable isotope values of each functional feeding groups of macrobenthos and their potential feeding sources in Furong Island(a) overall,(b) long-age reef area,(c) short-age reef area,(d) control area,Pl.planktonophagous group,C.carnivorous group,D.detritivorous group,O.omnivorous group,the same below.

ANOVA 方差分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)研究區(qū)域中，消費(fèi)者的δ13C 在4 種攝食類群中存在極顯著差異 (F=9.233，P＜0.001)。C 類群的平均δ13C 值 (-19.18‰±1.91‰)高于其余3 個(gè)類群 (Pl，-20.84‰±2.86‰；D，-22.26±2.77‰；O，-20.78‰±1.82‰)；同時(shí)統(tǒng)計(jì)了4 類攝食功能群動(dòng)物δ15N 的變化情況，采用ANOVA 方差分析將大型底棲動(dòng)物分為4 組：C 類群的平均δ15N 值 (13.73‰±1.23‰)最高，Pl和D 類群最低 (Pl，11.44‰±0.79‰；D，11.27‰±0.92‰)，O 類群平均δ15N 值 (12.67‰±1.54‰)居中 (F=27.208，P＜0.001)，表明肉食者類群在底棲生境中具有最高的氮富集值，是處于較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的一個(gè)類群。

2.2 不同區(qū)域食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)冗余程度對(duì)比

利用R 語(yǔ)言SIBER 包對(duì)3 個(gè)不同區(qū)域內(nèi)底棲動(dòng)物碳氮穩(wěn)定同位素進(jìn)行分析，各區(qū)域底棲動(dòng)物同位素特征見(jiàn)圖3，參數(shù)見(jiàn)表3。結(jié)果顯示，營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)生態(tài)量化指標(biāo)在不同區(qū)域之間存在一定差異：短礁齡區(qū)底棲動(dòng)物群落食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)長(zhǎng)度(NR)最長(zhǎng)(2.95)。長(zhǎng)礁齡區(qū)底棲動(dòng)物群落中食源多樣性(CR)最高 (4.36)，其次為短礁齡區(qū)，對(duì)照區(qū)最低。底棲動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)生態(tài)空間利用 (TA)方面，長(zhǎng)礁齡區(qū)數(shù)值最高 (5.77)，對(duì)照區(qū)利用程度最低 (0.56)。長(zhǎng)礁齡區(qū)與短礁齡區(qū)平均營(yíng)養(yǎng)級(jí)多樣性 (CD)相當(dāng)且高于對(duì)照區(qū) (1.12)。在營(yíng)養(yǎng)冗余程度方面，物種聚集度密度參數(shù) (MNND)長(zhǎng)礁齡區(qū) (2.01)高于短礁齡區(qū)和對(duì)照區(qū)，物種聚集度均勻度參數(shù)(SDNND)在人工魚(yú)礁區(qū)與對(duì)照區(qū)相近。

表3 不同區(qū)域生物群落指標(biāo)Tab.3 Biological community indices in different areas

圖3 不同區(qū)域攝食功能群貝葉斯圖(a) 長(zhǎng)礁齡區(qū)，(b) 短礁齡區(qū)，(c) 對(duì)照區(qū)。Fig.3 Bayesian plot of functional feeding groups in different regions(a) long-age reef area,(b) short-age reef area,(c) control area.

校正的標(biāo)準(zhǔn)橢圓面積 (SEAc)表征核心同位素生態(tài)位，其數(shù)值的高低象征著營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位寬幅的寬窄。不同攝食功能群對(duì)資源利用情況如表4 所示，在長(zhǎng)礁齡區(qū)，O 的營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位寬幅較大，其次為D，最低為C，且O 與C 生態(tài)空間相互重疊明顯。在短礁齡區(qū)，D 營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位寬幅最大，且與其余3 個(gè)類群生態(tài)空間相互重疊。在對(duì)照區(qū)，C 營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位寬幅最大，其次為O 和D 類群，Pl類群營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位寬度最小，且4 個(gè)類群的生態(tài)空間重疊明顯，說(shuō)明在對(duì)照區(qū)中底棲動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系差異較小，營(yíng)養(yǎng)生態(tài)空間利用情況較為相似。

表4 不同攝食功能群生態(tài)位利用情況Tab.4 Utilization of ecological niche of the different functional feeding groups

2.3 潛在食源對(duì)大型底棲動(dòng)物攝食功能群食物貢獻(xiàn)率

近岸水域生態(tài)系統(tǒng)中的消費(fèi)者，其潛在碳源主要為浮游動(dòng)植物、沉積物有機(jī)物、懸浮顆粒有機(jī)物、大型海藻、海草等。由于芙蓉島人工魚(yú)礁海域大型海藻和海草缺失，本研究在計(jì)算潛在碳源對(duì)消費(fèi)者的貢獻(xiàn)率時(shí)，只考慮浮游動(dòng)物、浮游植物、SOM 和POM 等4 種潛在食源。潛在食源對(duì)人工魚(yú)礁區(qū)底棲動(dòng)物消費(fèi)者攝食功能群的平均貢獻(xiàn)率如圖4 所示。

圖4 四類攝食功能群食物來(lái)源及比例(a) 浮游生物食者(Pl)；(b) 肉食者(C)；(c) 碎屑食者(D)；(d) 雜食者(O)。1.POM，2.SOM，3.浮游動(dòng)物，4.浮游植物。*表示差異顯著。Fig.4 Food sources and proportions of four functional feeding groups(a) planktonophagous group;(b) carnivorous group;(c) detritivorous group;(d) omnivorous group.1.POM,2.SOM,3.zooplankton,4.phytoplankton.* indicates significant difference.

將Pl、D 以及O 類群以浮游動(dòng)物、浮游植物、SOM 和POM 作為潛在食源進(jìn)行食物貢獻(xiàn)率分析(圖4)。在長(zhǎng)礁齡區(qū)，Pl 類群中POM 占比最低(18.7%)，其余3 種潛在食源貢獻(xiàn)率大致相同。浮游植物碳源對(duì)D 類群的貢獻(xiàn)率最高 (36.5%)，浮游動(dòng)物 (30.9%)與其相近，SOM (22.7%)占比居中，POM 占比最小 (9.9%)。O 類群中浮游植物碳源占比最高(44.5%)，POM 最低(8.4%)。在短礁齡區(qū)，Pl 類群中4 種潛在食源貢獻(xiàn)率大致相同，POM 最高(27.2%)。浮游動(dòng)物碳源對(duì)D 類群的貢獻(xiàn)率最高(29.5%)，最低為SOM (21.7%)。O 類群中浮游植物占比最高(40.6%)，POM 最低(13.3%)。在對(duì)照區(qū)，Pl 類群潛在食源貢獻(xiàn)率最高為浮游動(dòng)物(33.9%)，SOM 占比最低(16.2%)。O 類群中，浮游動(dòng)物碳源貢獻(xiàn)率最高為34.8%，最低為SOM(16.2%)。綜上所述，隨著人工魚(yú)礁建設(shè)時(shí)間的變化，長(zhǎng)礁齡區(qū)除C 類群之外，其余3 種攝食功能群的食物貢獻(xiàn)率中均為浮游植物碳源占比最高，貢獻(xiàn)最少的均為POM。短礁齡區(qū)中，浮游植物碳源不再占比最高，但仍占據(jù)較大比例。對(duì)照區(qū)中，4 種攝食類群的食物來(lái)源與人工魚(yú)礁區(qū)之間具有較大差異。

C 類群由于食源特殊，因此以Pl、D 和O 類群為潛在食源計(jì)算食物貢獻(xiàn)率 (圖4-b)。在長(zhǎng)礁齡區(qū)，潛在食源貢獻(xiàn)最高為Pl 類群 (33.37%)，最低為O 類群 (16.04%)。在短礁齡區(qū)，D 類群貢獻(xiàn)率最高，為37.84%，最低為O 類群 (16.22%)以及Pl 類群 (17.43%)。在對(duì)照區(qū)，4 種潛在食源貢獻(xiàn)率大致相同。總體上，C 類群在長(zhǎng)礁齡區(qū)更多的以Pl 類群為潛在碳來(lái)源，短礁齡區(qū)中C 類群更多以底棲D 類群為食，同時(shí)對(duì)照區(qū)中C 類群攝食O類群的比例相比于魚(yú)礁區(qū)有所提高。

2.4 大型底棲動(dòng)物連續(xù)營(yíng)養(yǎng)譜

以浮游動(dòng)物為基線生物，基于營(yíng)養(yǎng)級(jí)計(jì)算公式測(cè)定了芙蓉島人工魚(yú)礁區(qū)主要底棲動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，并基于此構(gòu)建了該海域大型底棲動(dòng)物的連續(xù)營(yíng)養(yǎng)譜圖 (圖5)。長(zhǎng)礁齡區(qū)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)范圍為2.00(浮游動(dòng)物)～3.83 [(顆粒擬關(guān)公蟹(Paradorippe granulata)]。其中位于2～3 營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的動(dòng)物種類最多，有13 種，占總量的59.1%；營(yíng)養(yǎng)級(jí)高于3 的物種有8 種。短礁齡區(qū)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)范圍為2.00 (浮游動(dòng)物)～3.49 [巖蟲(chóng) (Marphysa sanguinea)]，其中位于2～3 營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的動(dòng)物種類最多，有13 種，占總量的65.0%；營(yíng)養(yǎng)級(jí)高于3 的物種有6 種。對(duì)照區(qū)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)范圍為2.00 (浮游動(dòng)物)～3.87 [頭吻沙蠶 (Glycera capitata)]，位于2～3 營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的動(dòng)物種類最多，有15 種，占總量的68.2%；營(yíng)養(yǎng)級(jí)高于3 的物種有6 種。研究表明，在人工魚(yú)礁區(qū)與對(duì)照區(qū)高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的底棲動(dòng)物中以C 和O 類群為主。

3 討論

本研究選取了POM、SOM、浮游植物和浮游動(dòng)物作為人工魚(yú)礁區(qū)大型底棲動(dòng)物的潛在食物來(lái)源。POM 是食物網(wǎng)中重要的物質(zhì)與能量來(lái)源，它是一個(gè)非均質(zhì)有機(jī)質(zhì)庫(kù)，主要由浮游植物和其他水體碎屑組成[23]，本研究中不同區(qū)域POM 的碳穩(wěn)定同位素值在空間上無(wú)顯著差異，且與中國(guó)近海各海域 (如黃海靈山灣海域[24]、舟山群島枸杞島海域[25]、大亞灣海域[26]、天津大神堂海域[18]等)相比均偏低，推測(cè)可能是由于研究區(qū)域離岸較近且屬于內(nèi)灣，水交換能力較弱，受陸源物質(zhì)的影響較大，從而導(dǎo)致POM 較低的δ13C 值[27-28]。SOM來(lái)源比較復(fù)雜，如POM 的自然沉降、大型海藻(草)以及海洋生物死亡后形成的碎屑沉積等[11]。本研究中SOM 的δ13C 值與浮游植物相似，表明SOM 的有機(jī)質(zhì)可能主要來(lái)源于浮游植物等的沉降[29-30]。此外，SOM 在人工魚(yú)礁區(qū)與對(duì)照區(qū)之間的碳穩(wěn)定同位素值具有顯著差異，這可能是由于人工魚(yú)礁建設(shè)引起礁體及礁區(qū)周?chē)鞯淖兓?，進(jìn)而影響礁區(qū)沉積物的組成和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沉積效率[2,23,31-32]。該人工魚(yú)礁區(qū)海域浮游植物的δ15N 值偏高，推測(cè)可能是由于在萊州灣等人類活動(dòng)密集、富營(yíng)養(yǎng)化的沿海海域，浮游植物可能獲得較高的人為來(lái)源的δ15N 同位素所導(dǎo)致[30,33]。通常，碳穩(wěn)定同位素可以用來(lái)指示生物種的食物來(lái)源和組成，本研究中潛在食源的碳、氮穩(wěn)定同位素值在不同類群以及不同區(qū)域的同一類群間具有差異，也由此說(shuō)明了本研究區(qū)域底棲動(dòng)物食物來(lái)源的復(fù)雜性和多樣性，此外不同攝食類群間的碳、氮穩(wěn)定同位素差異更多的是與其攝食習(xí)性相關(guān)，而不是與其分類關(guān)系或生境特征有關(guān)[23]。

本研究中，長(zhǎng)礁齡魚(yú)礁區(qū)CR 值、TA 值以及MNND 水平均高于短礁齡區(qū)和對(duì)照區(qū)，這意味著該區(qū)域底棲動(dòng)物群落營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位更廣，食物網(wǎng)中占據(jù)相似營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位的動(dòng)物比例更小，營(yíng)養(yǎng)冗余程度變低，這表明長(zhǎng)礁齡區(qū)底棲動(dòng)物群落營(yíng)養(yǎng)多樣性增加，群落內(nèi)物種具有更加多樣的營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好[34-36]，這可能是由于隨著投放礁體時(shí)間的延長(zhǎng)，長(zhǎng)礁齡區(qū)底棲生境生物資源增加，食源多樣性水平有所提升，從而使得占據(jù)同種營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位的底棲動(dòng)物比例減小，種間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度降低，最終促進(jìn)群落穩(wěn)定性的提高。同時(shí)短礁齡區(qū)和對(duì)照區(qū)食物來(lái)源多樣性水平較低，進(jìn)而使處于相同生態(tài)位物種數(shù)量增加，最終導(dǎo)致群落營(yíng)養(yǎng)冗余程度的增加[37]。此外，短礁齡區(qū)和對(duì)照區(qū)間的MNND 和SDNND 值相近，表明在建設(shè)時(shí)間較短的人工魚(yú)礁區(qū)與對(duì)照區(qū)，底棲動(dòng)物群落的營(yíng)養(yǎng)狀況與營(yíng)養(yǎng)冗余的關(guān)系趨于一致[38]。人工魚(yú)礁的生態(tài)功能主要在于改善底棲生境，促進(jìn)生物群落結(jié)構(gòu)改善和生物量提高。研究發(fā)現(xiàn)，在人工魚(yú)礁區(qū)與對(duì)照區(qū)之間，不同攝食功能群所占據(jù)的生態(tài)空間發(fā)生變化，說(shuō)明人工魚(yú)礁建設(shè)影響到了底棲生境的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)關(guān)系。Zhang等[39]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，即人工魚(yú)礁建設(shè)會(huì)引起魚(yú)類及無(wú)脊椎動(dòng)物等營(yíng)養(yǎng)水平的變化。

浮游植物是重要的海洋初級(jí)生產(chǎn)者，也是海洋食物網(wǎng)的基礎(chǔ)碳來(lái)源之一[40-41]。本研究利用穩(wěn)定同位素混合模型 (SIAR)得出，浮游植物碳源對(duì)3 類消費(fèi)者的平均貢獻(xiàn)率保持在31.40%以上，為該區(qū)域主要碳源供應(yīng)者，并且在人工魚(yú)礁區(qū)中3類消費(fèi)者食物中的浮游植物碳源比例有所上升，說(shuō)明浮游植物碳源作為基礎(chǔ)的食物來(lái)源在人工魚(yú)礁區(qū)得到了更加充分的利用，也表明在人工魚(yú)礁建設(shè)之后海域的初級(jí)生產(chǎn)力有所提高，這與多處海域研究報(bào)道的浮游植物碳源是消費(fèi)者主要碳來(lái)源的結(jié)果相同[15-16,42]。浮游動(dòng)物作為海洋的初級(jí)消費(fèi)者，在食物鏈中起著關(guān)鍵的作用，它能將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到較低的營(yíng)養(yǎng)級(jí)并保證較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的捕食者能夠獲得食物，因此在海洋生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中占據(jù)重要地位[43-45]。有研究表明，芙蓉島海域人工魚(yú)礁建設(shè)使得浮游動(dòng)物豐度和群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均有顯著提升，有效促進(jìn)了該海域生產(chǎn)力水平的提高[46]。本研究中浮游動(dòng)物碳源在整個(gè)魚(yú)礁區(qū)的貢獻(xiàn)率較對(duì)照區(qū)略有提升也證明了這一觀點(diǎn)。此外，肉食者類群在3 個(gè)不同研究區(qū)域之間食物來(lái)源的變化，也說(shuō)明人工魚(yú)礁的建設(shè)改變了底棲生境食物網(wǎng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能量的傳遞鏈。隨著礁齡的增加，浮游生物食者承擔(dān)了更多食物鏈的能量傳遞過(guò)程，反映出人工魚(yú)礁的生態(tài)效應(yīng)在礁齡上的差異。采用碳、氮穩(wěn)定同位素混合模型研究食物網(wǎng)的主要能量和物質(zhì)來(lái)源及動(dòng)態(tài)，對(duì)揭示食物網(wǎng)能量和物質(zhì)循環(huán)變動(dòng)規(guī)律具有重要意義。本研究中4 類攝食功能群消費(fèi)者食物來(lái)源在魚(yú)礁區(qū)與對(duì)照區(qū)以及在長(zhǎng)、短礁齡魚(yú)礁區(qū)之間都存在差異，說(shuō)明底棲動(dòng)物的食物來(lái)源及組成受到了人工魚(yú)礁建設(shè)的影響，但由于海洋生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物質(zhì)來(lái)源復(fù)雜，影響基礎(chǔ)碳源同位素值的因素較多，因此在進(jìn)行食物來(lái)源以及貢獻(xiàn)率研究時(shí)還需綜合各種因素做更系統(tǒng)的探討。

環(huán)境差異是造成底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與功能存在差異的重要因素，并且食物來(lái)源不同，不同區(qū)域間底棲動(dòng)物也會(huì)呈現(xiàn)出不同的營(yíng)養(yǎng)水平。本研究發(fā)現(xiàn)，由于人工魚(yú)礁的建設(shè)導(dǎo)致不同區(qū)域各營(yíng)養(yǎng)級(jí)底棲動(dòng)物數(shù)量發(fā)生變化，長(zhǎng)礁齡區(qū)底棲動(dòng)物群落中處于第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)的動(dòng)物較對(duì)照區(qū)有所增加，且長(zhǎng)礁齡區(qū)出現(xiàn)了蟹類等較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的捕食者，表明底棲生態(tài)系統(tǒng)中高營(yíng)養(yǎng)級(jí)動(dòng)物的比例增加，這與徐勤增等[47]以及陳晨等[48]的研究結(jié)果一致。人工魚(yú)礁建設(shè)能增加海區(qū)的空間異質(zhì)性[49-50]，同時(shí)為多種生物提供覓食及庇護(hù)場(chǎng)所，形成利于海洋生物棲息和繁育的適宜生境，使得底棲動(dòng)物物種豐富度增加，進(jìn)而促進(jìn)食物網(wǎng)中不同生態(tài)位物種的同域共存[51-53]。

4 結(jié)論

本研究利用碳氮穩(wěn)定同位素技術(shù)探究了萊州灣芙蓉島人工魚(yú)礁區(qū)大型底棲動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)以及營(yíng)養(yǎng)關(guān)系，揭示了人工魚(yú)礁建設(shè)時(shí)長(zhǎng)對(duì)底棲動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的影響。隨著人工魚(yú)礁建設(shè)時(shí)間的增加，不同區(qū)域之間攝食類群的穩(wěn)定同位素值略有變化，人工魚(yú)礁建設(shè)能加強(qiáng)大型底棲動(dòng)物對(duì)浮游植物碳源的利用，增加底棲動(dòng)物群落的營(yíng)養(yǎng)多樣性以及豐度，促進(jìn)群落中較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)動(dòng)物的增加。研究表明，在芙蓉島海域，長(zhǎng)礁齡 (7～8 年)人工魚(yú)礁產(chǎn)生了良好的生態(tài)效應(yīng)，而短礁齡 (3 年)人工魚(yú)礁生態(tài)效應(yīng)尚不顯著，說(shuō)明在經(jīng)歷了礁體投放等人為擾動(dòng)后，人工魚(yú)礁的生態(tài)效應(yīng)會(huì)隨著建設(shè)時(shí)間的增加而逐步顯現(xiàn)。本研究結(jié)果有助于了解人工魚(yú)礁建設(shè)的生態(tài)效應(yīng)以及底棲動(dòng)物群落的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，為底棲生境食物網(wǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)資料。今后應(yīng)探究不同季節(jié)間底棲動(dòng)物穩(wěn)定同位素的差異，同時(shí)增加對(duì)底棲高營(yíng)養(yǎng)級(jí)捕食者的研究，另外也應(yīng)利用其他食性分析方法對(duì)大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究，以進(jìn)一步明確和完善人工魚(yú)礁建設(shè)對(duì)底棲生境的影響，以及對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的生態(tài)效應(yīng)。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）