水文变化对巴松措食物网结构及碳来源的影响

王 晨，杨秋实，刘清杨，刘香江，霍 斌，张 敏，李大鹏

(华中农业大学水产学院，池塘健康养殖湖北省工程实验室，武汉430070)

食物网是描述不同生物之间的营养关系，并为生态系统中生物之间的能量流动和物质循环提供可量化的框架[1，2]。食物网的研究能了解生态系统的组成以及捕食者与被捕食者之间复杂的能量流动和物质转化过程，为水生生物资源的保护和修复提供依据[3]。

传统以肠含物分析为主的食物网分析方法，只能反映短期内消费者的进食情况，如果想了解长时间的进食情况，则需要采集更多的样本，工作量较重，且局限性较大[4]。稳定同位素技术通过新的测量方式为生物之间的营养关系提供了新的量化指标，通过测量捕食者与被捕食者δ13C(13C/12C)值的相近程度来判断捕食者的食物来源及能量流动情况；通过测定生态系统中不同生物的同位素δ15N(15N/14N)值准确地测定食物网结构和生物营养级[5]。

淡水生态系统中碳的来源主要包括两个部分：内源性碳与外源性碳[6]。内源性碳主要由水生植物和藻类组成。外源性碳主要来源于湿生植物和树叶碎片及地表径流输入到水生生态系统中的有机物[7]。水生生态系统中的颗粒有机物，既有来自内源性碳的成分也包含外源性碳的成分[8]。水文条件变化可以显著影响藻类的生存[9，10]，并会对食物网营养结构和碳源利用产生重要影响[11]。有研究表明，附着藻类有助于刮食者的生存，而陆生树叶会促进收集者和捕食者的生长[12]。鱼类对外源性碳的依赖度，在丰水季和枯水季因水文条件改变而表现出显著的季节差异性[13，14]。

西藏复杂的气候条件、高耸的地势、丰富的水体以及相对较低的纬度，造就了全球最具独特性的高原鱼类和高原水生生态系统。受人类活动和全球气候变化等影响，青藏高原地区出现了生态系统压力增大、稳定性降低等问题。巴松措是雅鲁藏布江上游尼洋河水系中的湖泊，位于西藏自治区工布江达县的巴河上游，为硫酸钠型冰川堰塞湖，湖面海拔3 464 m，水域面积26.5 km2，建有巴松错特有鱼类国家级水产种质资源保护区[15-17]。本研究应用稳定同位素技术探究不同水文时期西藏巴松措食物网结构及碳的来源，以期为保护水生生物资源提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样点与采样时间

巴松措水源主要来自于高山冰雪融水，枯水季(10-5月)气温较低，高山冰雪融水较少，水流量较少。丰水季(6-9月)气温较高，高山冰雪融水较多，水量大。基于巴松措地理环境和气候变化特征，将2018年5月和8月作为采样时间。根据周围地形及河口分布将巴松措分为5个采样点(图1)，其中1号采样点(N30°02′20.99″，E94°01′5.04″)和3号采样点(N30°0′43.14″，E93°57′36.76″)为河流入湖口，5号采样点(N30°0′20.92″，E93°53′59.43″)为出湖口，2号采样点(N30°01′36.90″，E93°59′24.00″)和4号采样点(N30°01′20.83″，E93°55′21.64″)为深水区。

图1 巴松措采样点Fig.1 The sampling sites in Lake Basomtso

1.2 水体理化指标的测定

1.3 稳定同位素样品的采集

2018年5月、8月分别在采样点收集藻类(附着藻类和浮游植物)、湿生植物、陆生植物叶片、湖泊水体颗粒有机物(particulate organic matter，POM，主要是浮游植物、颗粒碎屑等)、底栖动物和鱼类样品进行稳定同位素分析。将事先制做好的样方框(20 cm×20 cm)随机放在采样点湖边，用牙刷刷取样方内石块表面的附着藻类，用500 mL水样瓶进行收集[19]，将收集好的样品静置后取上清液通过预烧的GF/F滤膜，收集得到附着藻类样品，-20 ℃冷冻保存。将1 L表层湖水通过装有预烧的GF/F滤膜的过滤器，收集颗粒有机物(POM)，-20 ℃冷冻保存。徒手采集大型陆生植物叶片，小型陆生植物全株，岸边的新鲜、半腐烂和完全腐烂的植物叶片，洗净风干后利用自封袋保存。用彼得森采泥器采集底栖动物样品，置于清水中静养24 h后冷冻保存，为了获得足量的样品用于稳定同位素分析，样本鉴定完毕后进行分类测量。鱼类样品通过3层定置刺网(网目大小为6～18 cm)捕获，每一条鱼均测量体长与体重，除去所有皮肤和鳞屑，采集背鳍和侧线之间的白色肌肉，洗净后用自封袋包好[20]，-20 ℃冷冻保存。

1.4 样品的稳定同位素分析

滤膜样品先通过1 mol/L的HCl酸化处理，去除可能影响δ13C测定的碳酸钙等碳酸盐[21]。所有样品经60 ℃烘箱加热48 h至恒重，用研钵磨成粉末放入1.5 mL离心管中干燥保存待测。所有稳定同位素样品通过Flash EA-1112HT元素分析仪和Delta V Advantage同位素质谱仪(thermo fisher scientific，Inc.，USA)联合分析。碳(δ13C)、氮(δ15N)同位素的参照物质分别是VPDB(pee dee belemnite)和空气中纯净的N2。标准物质分别是国际上通用的IAEA-USGS24和IAEA-USGS25。分析结果表示为：

ΔR=[(Xsample-Xstandard)/Xstandard]

其中R代表13C或15N，X代表重同位素与轻同位素的比值如13C/12C和15N/14N。对于碳氮比高于3.5的鱼类，使用Post等[20]推荐的方程，校正δ13C值：δ13C校正=δ13C-3.32+0.99×C ∶N。

根据底栖动物对基线生物氮稳定同位素比值的相对值，计算该生物的营养级(TP)。营养级计算公式如下：

TP=2+(δ15Ncon-δ15Nbas)/△δ15N

其中δ15Ncon和δ15Nbas分别是水体消费者(鱼类和底栖动物)的氮同位素值和底栖动物的氮同位素值。本研究所用的营养富集因子(TEF)分别为δ13C：1‰±0.63‰和δ15N：3.4‰±0.74‰。因底栖动物取食范围较固定，个体寿命较长，可以避免浮游生物稳定同位素特征值因季节变化而引起的影响，故选取其(δ15N=3.88‰)作为食物链基线生物。

1.5 数据分析

运用R软件中的SIAR(stable isotope analysis in R)软件包，利用贝叶斯混合模型来估算可能的食物源对每种消费者的碳源贡献度(取平均值、最小值和最大值)[22]。当只有一个样品可用时，使用siarsolomcmcv4指令[21]。在用此模型前需要进行Kruskal-Wallis分析以确保任何两种主要食物源之间的同位素值存在差异。不同水文期的环境变量采用配对样本T检验分析，不同水文时期食物源密度及生物量、鱼类稳定同位素采用独立样本T检验分析。使用SPSS 20.0版本，当P<0.05时被认为存在显著性差异。结果采用平均值±标准差(Mean±SD)方式表示。采用Excel 2016及Origin 2018软件进行图片绘制。

2 实验结果

2.1 水体理化指标

巴松措不同水文时期水质理化指标变化如表1。从表1中可以看出丰水季水深显著高于枯水季，不同水文时期水温、溶氧差异不显著，丰水季透明度极显著低于枯水季，pH显著低于枯水季。水体营养盐中，相较于枯水季，丰水季铵态氮显著升高，总氮极显著升高，硝态氮极显著降低，亚硝态氮、可溶性磷、总磷差异不显著，叶绿素a的含量显著升高。

表1 巴松措不同水文时期的水质理化指标Tab.1 Physical and chemical parameters of Lake Basomtso during the different hydrological periods

2.2 基础食物源

附着藻类、浮游植物、浮游动物、底栖动物的密度和生物量均存在时空变化(图2)。丰水季的附着藻类密度显著高于枯水季，附着藻类的密度在不同采样点间无显著性差异。浮游植物密度在丰水季和枯水季没有显著差异。丰水季的浮游动物密度显著高于枯水季，丰水季的生物量也显著升高。丰水季的底栖动物密度和生物量与枯水季没有显著性差异。

图2 巴松措不同水文期初级和次级食物源的密度和生物量Fig.2 The density and biomass of primary and secondary food sources in Lake Basomtso during different hydrological periods

2.3 食物网组成

将巴松措5个采样点看做一个统一的整体进行分析，共收集到生物样品93个，包括12个种类，其中底栖动物样品4个，鱼类7种共59个，颗粒有机物6个，附着藻类6个，湿生植物9个，陆生植物9个。巴松措食物网中δ13C的变化为-28.66‰～-12.19‰，δ15N值的变化为0.01‰～10.50‰。食物源中陆生植物稳定同位素值最低，附着藻类最高。食物源之间δ13C和δ15N的值均有显著差异。消费者中底栖动物的稳定同位素值最低。不同食性鱼类稳定同位素具有差异性，肉食性鱼类的δ13C最低而δ15N最高，杂食性鱼类的δ13C最高，藻类碎屑食性鱼类的δ15N最低。鱼类中拉萨裸裂尻鱼(Schizopygopsishusbandi)的稳定同位素值最低，而双须叶须鱼(Ptychobarbusdipogon)的δ13C值最高，尖裸鲤(Oxygymnocyprisstewartii)的δ15N值最高，见表2。

巴松措食物网结构具有时间差异性(图3)。丰水季δ13C的变化大于枯水季，δ15N的变化小于枯水季。在食物源中，丰水季湿生植物的δ15N值大于枯水季，而δ13C变化不大；相较于枯水季，丰水季附着藻类δ13C显著增大，而δ15N的变化增大；陆生植物稳定同位素值不同水文时期差异不明显；丰水季颗粒悬浮物的δ15N值显著低于枯水季，而δ13C的值显著高于枯水季。肉食性鱼类的δ13C值丰水季显著高于枯水季，而δ15N的值变化不明显，杂食性鱼类的稳定同位素值不同水文时期变化不明显，藻类碎屑食性鱼类的δ13C值枯水季变化更大，δ15N值不同水文时期变化不明显。基于δ15N值在营养级传递过程中相对稳定的富集规律(TEF为3.4‰)计算了巴松措水生消费者的营养级(表2)。鱼类的营养级为2.99～ 3.71，平均营养级为3.36。

图3 巴松措枯水季(a)和丰水季(b)水生食物网的 δ13C-δ15N 图Fig.3 δ13C-δ15N diagrams of aquatic food webs in Lake Basomtso during the dry season(a)and wet season (b)物种代码符号如表2。鱼：红色三角；水生无脊椎动物：蓝色正方形；主要食物来源：绿色圆形

表2 巴松措食物网组分及样品信息(δ13C和δ15N、C/N比、营养级和食性)Tab.2 The food web components in Lake Basomtso and sample details (δ13C and δ15N signatures，C/N ratio，trophic positions and feeding habit)

2.4食物源贡献

颗粒有机物、附着藻类、湿生植物、陆生植物四种食物源之间δ13C和δ15N的值均有显著差异，通过贝叶斯混合模型发现不同食物源对消费者的贡献度具有季节差异性(图4)，枯水季的附着藻类贡献度为36.4%，丰水季则为29.80%。枯水季湿生植物的贡献度最低，而丰水季陆生植物的贡献度最低。对于不同食性鱼类，枯水季附着藻类贡献度最高，丰水季不同食物源贡献度较均衡。POM对消费者的贡献度在不同水文时期没有差异性。

图4 巴松措枯水季和丰水季不同食物源对消费者的贡献度Fig.4 Proportional contributions of potential primary sources to different trophic guilds in Lake Basomtso at dry season and wet season

对颗粒有机物POM的组成进一步分析，结果表明颗粒有机物POM在枯水季组成较平均，湿生植物、附着藻类、陆生植物对颗粒有机物POM的贡献分别为30%、35%、35%；在丰水季主要由陆生植物组成，占53%，而湿生植物、附着藻类分别占28%、19%。综合POM的组成及四种可能的食物源对水体消费者的贡献，外源性碳为巴松措的主要营养来源，其中枯水季外源性碳对湖泊消费者的贡献率为54.11%，内外源碳贡献率差异不显著；丰水季外源性碳对湖泊消费者的贡献率为65.15%，极显著高于枯水季(图5)。

图5 巴松措枯水季和丰水季内、外源性碳对消费者的贡献度Fig.5 Proportional contributions of autochthonous and allochthonous carbon to different trophic guilds in Lake Basomtso in dry season and wet season

3 讨论

稳定同位素分析技术可以确定消费者的食物来源及营养级，是研究食物网的结构及物质循环和能量流动的有效技术[23]。δ13C范围代表了消费者对食物源利用的范围，δ13C范围的增加表明拥有更多不同δ13C值的基础食物源被利用[24]。巴松措不同水文时期消费者δ13C值变化不明显，表明可能的四种食物源在不同水文季节均可被利用。枯水季附着藻类对消费者的贡献度为36.4%，而丰水季，随着气温的升高，大量的冰雪融水汇入，使得湖面升高，导致更多的湿生植物、陆生植物进入水中，使得附着藻类对消费者的贡献度有所降低，为29.8%。相较于枯水季，丰水季消费者的食物组成及摄食选择性增加，食物来源更均衡。一般来说，藻类在枯水季对消费者的贡献较大，而陆生植物在丰水季贡献较大[25]。有研究表明，湖泊消费者所利用的碳源主要来自于藻类，对大型陆生植物的利用并不大[26]。Leigh等[26]研究发现，大型陆生植物是底栖动物的主要碳源之一。德国科学家的实验表明，水生食物网中的碳源主要来自于附着藻类、土壤微生物和腐败的树叶[28]。各个地区的科学家结论不一，本研究发现在巴松措食物网中水文条件的变化不会影响鱼类对于附着藻类的摄食，附着藻类是湖泊消费者主要的食物来源，这与大多数学者的研究相一致[29]。

δ15N的值通常用来确定食物网的营养级，且受到自身能量代谢和食物来源两个方面的影响，水体消费者中δ15N范围越大表明该食物网营养级越高，食物链越长[30，31]。本研究表明，巴松措消费者的δ15N表现出物种特异性，丰水季与枯水季相比，δ15N范围变化不大，表明食物链长度较稳定。有研究表明，淡水生态系统大约占据3.6个营养级[32]，而巴松措食物网中平均营养级为3.36，相对偏低。这可能跟巴松措消费者的主要食物来源是附着藻类有关。本研究中，不同鱼类之间最高营养级与最低营养级差0.72个营养级，巴松措鱼的种类比较少，并且食物来源较单一，运动范围较少，较低营养级的鱼类为藻类碎屑食性，相较于普通藻类食性鱼类更偏向于杂食性，所以营养级相对较高，进而营养级之间差异较小。有研究表明，食物资源能够影响鱼类的营养级和营养结构[33]，最长的食物链往往出现在生产力中等的生态系统中[34，35]。巴松措水体中具有丰富的食物资源，包括藻类及陆生植物等，能够满足消费者对营养物质的需求。因此，巴松措可能存在的食物链为：附着藻类(外来食物源)——底栖无脊椎动物(藻类碎屑食性鱼类)——杂食性鱼类——肉食性鱼类。

巴松措不同水文时期，内源性碳与外源性碳对消费者的贡献度存在差异性。在枯水季，不同碳源对消费者的贡献度较均衡，但是杂食性鱼类巨须裂腹鱼和拉萨裂腹鱼以内源性碳为主，而拉萨裸裂尻鱼和尖裸鲤以外源性碳为主；在丰水季，外源性碳对所有消费者的贡献度均超过60%。底栖动物和鱼类在大多数情况下均表现出对湿生植物或陆生植物的依赖，这表明外源性碳对水体消费者的作用至关重要[36]。高山冰雪融水增多，导致土壤中有机质及陆生树叶随水体进入湖泊中，增大湖泊生产力[37]。同时Rowland等[37]指出，陆上植物落叶和腐殖质对湖泊的贡献随着水量的增加而增加。巴松措两岸大量的植被覆盖促进了杂食性鱼类对外源性碳的利用，因此外源性碳可以从初级消费者转移到更高级的消费者体内[39]。外源性碳对巴松措贡献度高可能与湖泊周围的森林覆盖率有关，同时受丰水季大量冰雪融水汇入影响。

综上所述，水文变化会对巴松措食物网结构及碳的来源产生影响。外源性碳为巴松措食物网碳的主要来源，杂食性鱼类对碳的需求由内源性碳向外源性碳转化。不管是丰水季还是枯水季，附着藻类一直是巴松措消费者主要的食物源。高山冰雪融水的增多不能改变鱼类利用附着藻类的能力，但是对于利用外源性碳有积极的作用。高森林覆盖率可能使得外源性碳对湖泊水体的贡献度增加。为了更好地维持巴松错生态系统的动态平衡，应该提高巴松措周围植被的数量，增大植被覆盖率，同时也要提高附着藻类的密度及生物量，增加物种多样性。