稳定碳同位素在海洋生态学上的应用

高全贺 高孟春 彭艳超 吴斌斌

（1、中国海洋大学，山东 青岛 266000 2、珠海海洋环境监测中心站，广东 珠海 519015）

1 国内外研究进展

利用稳定碳同位素可以研究海洋生物地球化学过程、全球海洋通量、研究全球碳循环和全球气候变化。稳定碳同位素作为一种有效的手段在生物地球化学的研究中有着广泛的应用：1947年Urey发表了关于同位素物质的热力学性质的文章，奠定了现代同位素地球化学的基础。稳定同位素生物地球化学领域的早期工作实际上还属于探索性的调查，因为那时人们对各种各样的生物物质和地球物质的同位素组成知之甚少。

稳定同位素研究的一个重要的突破发生在1960年前后，光合作用还原二氧化碳可以在不同程度上示踪新陈代谢的产物的发现。稳定同位素方法在经历了示踪分子的相对反应速度、同位素分馏的机理等基本原理的研究后转向研究生物地球化学领域的具体问题。

20世纪80年代以来，国际学术界执行了一系列全球性的大型国际海洋研究计划。在这些计划的发展过程中，人们认识到海洋的诸多过程与生物资源变化密切相关，于是，多学科交叉综合研究成为海洋生态学发展的生长点。稳定碳同位素法正是应这种需求应用于生态系统研究中。

1952年利用14C标记测定初级生产力的方法开始推广应用于海洋调查。以稳定同位素13C作为示踪技术在海洋生态系研究食物链网和能量流，了解食物链网的营养结构，揭示生态系中营养物质的循环与能量转换规律，逐渐受到国内外学者的重视。

近海生态系统中水体生物事物网的营养结构，其物质和能量的流动过程也都是生态学家十分关注的问题，它不但有重要的理论意义，而且与生物资源的进一步开发密切相关。但是，传统的食性分析法极其繁杂。稳定同位素方法从另一角度为研究营养关系提供了定量指标。这一方法的基本前提是动物与其食物之间具有一种固定的同位素关系。

2 稳定碳同位素的测定方法

2.1 样品的预处理过程

常规的有机碳稳定同位素比值分析主要包括3个过程：(1)有机物的氧化分解(燃烧过程)，(2)干扰物质的去除，(3)碳同位素比值的质谱分析。对碳稳定同位素而言，就是要将样品中的碳组分转化成二氧化碳。样品的预处理过程也就是将样品转化成可供质谱仪测量的纯净气体的过程。样品中有机碳稳定同位素的测定预处理步骤主要包括样品的采集与保存、干燥、粉碎、气化、纯化过程等。

目前常用的有两种方法：(1)真空热解法。将所测样品装入石英管中，加入适量的CuO、Cu以及Ag或Pt作催化剂，抽真空密封后在800℃下反应2h。最后，采用冷冻分离和冷冻吸附法提纯并分离出供质谱分析用的CO2。(2)湿式氧化法。对碳同位素测定因其回收率不如燃烧法，目前已基本不采用此法了。

2.2 质谱仪分析

应用质谱仪测量被测生物与标准物质之间的碳稳定同位素比值的差，以国际通用的“δ“标记法表示。详细内容可参考有关文献。

3 稳定碳同位素在生态系统研究中所解决的问题及其应用前景

对生态系统尤其是海洋生态系统的研究在国内外均起步较晚，直到20世纪60年代后期有关海洋生态系统结构、功能、食物链和生物生产力等方面的研究才逐渐增多。20世纪80年代以来社会发展和科学进步为海洋科学发展提供了新的机遇，产生了一系列全球性的大型国际海洋研究计划。目前稳定碳同位素方法应用于生态系统研究主要集中在以下几个方面。

3.1 研究生态系统的碳源及能量来源

样品有机碳的稳定同位素组成用于研究生态系统的碳源及碳循环。主要包括以下研究内容：

3.1.1 动物的食性分析。传统研究食性的方法是消化道内含物分析法。有机碳的稳定同位素组成方法所取的样品是生物身体的一部分或是全部，通过其稳定同位素组成来确定其食性和食物来源，所得到的数据反映的是生物长期生命活动的结果，较消化道内含物分析法稳定准确。

3.1.2 生态系统的碳源。应用同位素方法研究何种来源的碳驱动了食物网，这类研究包括了各种不同的生态系统，诸如河口区生态系统，海洋环境，湖泊生态系统。

3.1.3 系统中的能量流动。通过测定生态系统中各种属的稳定碳同位素组成，确定各种属之间的相互关系，进一步分析确定系统的能量流动。

3.2 生态系统各生物种属所处的营养位置及营养结构

Fry和Quinones用以粒度筛分的浮游动物样品来验证中型浮游动物群体生物量的减少是否伴随有营养层次的增加，结果表明除新陈代谢因素以外，营养动力学对于控制浮游生物群落生物量减少的模式是重要的。Wada等在用同位素资料评价河口区有机质的传递与归宿以及食物网结构时，认为可以用陆源有机质和海洋源有机质的混合而得到清楚的解释。

3.3 生态系统稳定性变化的研究

生态系统稳定性变化的研究天然或人为造成的生态系统结构和功能的变化是一个广泛感兴趣的问题。生态系统结构和功能的变化可以反映在其组分种属的营养级中。营养级的变化表示了生物摄食能量学或从初级生产者到消费者的能流途径的改变。在某些特定条件下，同位素示踪方法也可用于研究鱼、虾的迁移。

4 应用前景

现在稳定同位素与其他方法相结合，已应用于海洋生态系统的很多研究领域，其应用前景十分广阔。以下的研究课题将是近几年的研究热点：

4.1 针对近年来越来越严重的水体富营养化和赤潮危害进行研究，应用稳定同位素示踪赤潮主要种的发展变化，可以研究赤潮的产生机理、发展过程和对水体及生态系统各营养层次的影响，赤潮消失原因及对赤潮的预防。Stree和Montagna曾对得克萨斯LangunaMadre发生的赤潮进行稳定碳同位素分析，但他们是研究赤潮发生后生态系统相应的变化及如何保持生态系统的稳定性。

4.2 经济价值高的顶级捕食者对具有生物放大与积累作用的陆源污染物是十分敏感的利用这一特性，天然存在的碳稳定同位素可以成为陆源污染物在食物链上传递、放大和积累的指示剂，是一种新的定量估计陆源污染物的现场生物放大作用的方法，与常规的污染调查相结合来研究陆源污染物的扩散运移规律以及在食物网中的生物放大与积累作用，可为环境污染的综合治理提供科学技术支持。

4.3 应用双稳定同位素示踪剂对1个特定海洋生态系统中关键种的研究，可以定量地计算不同食物来源的比例，有助于弄清该关键种在生态系统物质与能量流动中的作用，并在复杂的食物网中建立起连续的营养位置(trophic position)，而不只是离散的营养级(trophiclevel)在生态转换效率实验研究中，同时测定碳、氮同位素组成，除建立物质(能量)总量平衡方程式之外，还可以建立碳、氮同位素质量平衡方程式在这种联立方程式基础上求解，有助于提高研究成果的可靠性。

4.4 在实验室受控条件下，测量动物在食性转换过程中动物肌肉组织碳同位素组成的相应变化过程，可能用于研究在更为复杂的现场条件下动物的食性转换过程。

4.5 采用GC-C-IRMS新技术研究有机分子化合物系列的稳定同位素组成在生物体内的分布，进而了解生物对营养物质的吸收过程，为我们更好地了解生物新陈代谢过程提供1个行之有效的方法。

[1]洪阿实，同位素海洋学的发展：回顾与展望[J]海洋环境科学，1994，13(1):53-56

[2]Urey H C.The therm odynamic propertie of isotopic substances.[J]J Chem Soc,1947,p 1:562～581

[3]蔡德陵、张淑芳、张经，稳定碳、氮同位素在生态系统研究中的应用 [J]。青岛海洋大学学报2002，32（2）：287-295