大溪水库和沙河水库主要鱼类营养结构的时空变化

王 媛,凡迎春,徐东坡

农业农村部长江下游渔业资源环境科学观测实验站,中国水产科学研究院淡水渔业研究中心, 无锡 214081

水生食物网是指水生生态系统中形成的多种生物及取食关系的集合[1],水生生物通过营养关系形成相互依存和相互制约的有机体,从而实现食物网与外部生境之间的物质循环及能量流动[2- 3]。传统意义上,关于生物群落结构特征的定量分析常采用基本指数如物种组成、丰度、多样性指数等来体现[4],但是生物群落结构在不同的时空下存在较大差异,而这并不能反映群落稳定性的变化规律[5- 6]。研究表明,同位素分馏效应能够引起不同生物及其组织的稳定同位素比值不同,其值的大小又能够体现多维生态空间信息[7- 8]。一般情况下,将生物组织中碳、氮稳定同位素所形成的“δ-空间”称为同位素生态位[9],它能够反映物种在不同时空内所处营养位置的变化特征。layman等根据形态生态学研究中的物种形态特征二维表示法,提出了关于生物营养结构的6个同位素量化指标[10],这些指标不仅可以量化食物网的营养多样性程度和冗余程度,还能用于描述物种水平的生态位宽度和重叠度,评估生物及非生物环境因素对食物网特征变化的影响等[11- 13]。

天目湖流域位于苏浙皖三省交界,属天目山余脉的丘陵地区,拥有大溪、沙河两座国家级大型水库,是太湖流域上游重要的水源涵养区。其中大溪水库集水面积90 km2,水库面积近10 km2,总库容达1.13亿m3[14];沙河水库集水面积148.5 km2,水库面积12 km2,总库容1.09亿m3[15]。这两座水库由调度河——沙溪河相连,均是集饮用水源、农业灌溉、旅游和渔业生产等多功能于一体的大(Ⅱ)型水库。近些年来,随着地方经济的发展,两座水库的水质受到威胁,面临着悬浮物增加、营养物质浓度升高、藻类大量繁殖、饮用水水源供水品质下降等一系列水生态环境问题[14, 16-17]。鱼类作为水生生态系统中的顶级生物,在维持生态系统平衡方面发挥了重要作用[18-19],但查阅文献资料,发现关于大溪水库和沙河水库的鱼类调查资料寥寥无几,关于其营养结构的分析更是罕见。因此,亟需开展大溪水库和沙河水库鱼类资源本底调查,充分了解两座水库主要鱼类群落组成及其营养结构的时空变化规律,为资源养护和利用提供基本数据。本文利用碳、氮稳定同位素技术研究探讨天目湖不同季度及不同库区主要鱼类群落食物网营养结构变化特征,从而为进一步开展天目湖生态渔业研究奠定基础。

1 研究方法

1.1 样品采集

本文研究水域为天目湖水域,包括大溪、沙河两座国家级大型水库。本研究分别于2017年7月、10月和2018年4月在此开展采样工作(见图1),在两个水库分别设置2个鱼类调查样点,其中S1和S2位于大溪水库,S3和S4位于沙河水库,每个样点每次放置4条多网目复合刺网(1.2 cm、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、14 cm),长、高分125 m、1.5 m和250 m、3 m两种及3条地笼(网目为1.6 cm,长、宽、高分别为10 m、0.4 m、0.4 m),放置12 h后收集所有渔获物,鉴定到种。鱼类样品采集后,现场测定体长、体重等生物学数据,体长精确到0.01 mm,体重精确到0.1 g。鱼类取背部白肌并冷冻保存,所有样品在-50 ℃真空冷冻48 h,用珠磨器研磨成均匀粉末,放入干燥器中保存待测。

图1 采样点分布图 Fig.1 Map of Daxi and Shahe Reservoir and location of sampling sitesS1和S2为大溪水库的采样点,S3和S4为沙河水库的采样点

1.2 样品测定及表达

样品送至国家海洋局第三海洋研究所进行同位素值的测定,仪器由同位素比率质谱仪Delta V advantage)与元素分析仪(Flash EA 1112 HT) 耦合而成。碳氮稳定性同位素测定分别采用国际标准物VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite)和标准大气氮的同位素丰度作参考。测定所用标准品为乙酰苯胺,每个样品测定3个平行样,为保持实验结果的准确性和仪器的稳定性,每12个样品插入一个标准品。分析结果表示为δ13C和δ15N[20]：

其中X为15N或13C,R代表15N/14N或者13C/12C,Rsample表示样品的重轻同位素之比,Rstandard是国际通用标准物的重轻同位素之比,测量精度δ13C ≤ 0.2‰,δ15N ≤ 0.3‰。

鱼类优势种的优势度用Pinkas相对重要性指数(index of relative importance, IRI)[21]表示:

IRI=(W%+N%)×F%

其中：W%为该种鱼占总鱼类重量的百分比,N%为该种鱼尾数占鱼类总尾数的百分比,F%为该种鱼出现的次数占调查总次数的百分比。

1.3 数据整理统计分析

Layman等人所提到的6个参数的含义如下[10]：

(1)碳值范围CR(δ13C range)：具有最高δ13C值和最低δ13C值的两个物种之间的δ13C值距离,可用来预估鱼类的基础食物来源。

(2)氮值范围NR(δ15N range)：具有最高δ15N值和最低δ15N值的两个物种之间的δ15N值距离,一般用来估计鱼类群落营养长度。

(3)总面积TA(Total area)由所有物种在δ13C-δ15N双位图上组成的多边形面积,一般用来表示鱼类群落生态位总区间。

(4)平均离心距离CD(Mean distance to centroid):每一个物种到δ13C-δ15N双位图重心的平均欧氏距离,可用于估计鱼类的营养多样性。

(5)平均最邻近距离MNND (Mean nearest neighbor distance):δ13C-δ15N双位图中每个物种与其最近的相邻物种的平均欧式距离,用以估计鱼类群落的整体密度。

(6)最邻近距离标准差SDNND(Standard deviation of nearest neighbor distance)：δ13C-δ15N双位图上每个物种与其最近相邻物种欧式距离标准偏差的平均值,用于估计鱼类群落营养生态位分布范围均匀度。

以上各参数指标计算方法参考Layman等[10],其值采用R软件进行计算。

有学者提出[22],TA容易受鱼类种类数即样本量的影响,Jackson等[23]对TA进行了校正,提出了标准椭圆面积SEAc,用以表示其核心生态位,其值采用R软件进行计算。

在SPSS软件中采用配对双样本t检验,对不同季节、不同区域的同种鱼类稳定性同位素进行差异分析。图像处理采用origin软件和R软件完成。实验数据用平均数±标准差(Mean±SD)表示。

2 结果与分析

2.1 天目湖主要鱼类群落结构组成及生态类群

表1 大溪水库和沙河水库鱼类种类组成、优势度和生态类群

从鱼类群落组成结构来看,大溪水库和沙河水库有约78%的物种相同,均以鲤科鱼类为主；从鱼类摄食类群分析显示,大溪水库和沙河水库均以杂食性鱼类为主(大溪水库：60.71%,沙河水库：55.17%),肉食性鱼类为辅(大溪水库：32.14%,沙河水库：37.93%),滤食性鱼类最少(均为2种)；从鱼类栖息水层来看,两个水库不同栖息水层的鱼类分布较为均匀；从鱼类洄游类型分析,两个水库均以定居性鱼类为主,仅鲢和鳙为江湖半洄游性鱼类(图2)。

图2 大溪水库和沙河水库鱼类群落生态类群Fig.2 Fish ecological types of Daxi and Shahe Reservoir

2.2 碳氮稳定性同位素组成及其时空变化特征

稳定同位素结果显示,大溪水库主要鱼类的平均δ13C值在-31.75‰—-21.82‰之间,δ15N值在8.48‰—15.77‰之间；沙河水库平均δ13C值在-30.16‰—-19.27‰之间,δ15N值在4.20‰—16.55‰之间。

选取同季节同种类不同区域的鱼类碳、氮稳定同位素值进行空间差异比较,数据均符合正态分布。配对双样本t检验结果表明,春季、夏季、秋季大溪水库和沙河水库δ13C值均有极显著差异(P<0.01),春季、夏季δ15N值均没有显著差异(P>0.05),而秋季表现为极显著差异(P<0.01)。选取同区域同种类不同季节的鱼类碳、氮稳定同位素值进行季节差异比较。配对双样本t检验结果表明,大溪水库鱼类δ13C值春季、夏季和秋季没有显著差异(P>0.05),而沙河水库鱼类δ13C值春季和夏季、夏季和秋季间均有显著差异(P<0.05),但春、秋季无显著差异(P>0.05)；大溪水库δ15N值三个季度间均有显著差异(P<0.05),而沙河水库除春季和夏季有显著差异外(P<0.01),其他的季度间没有显著差异(P>0.05),具体见表2。

表2 同种鱼类碳氮稳定同位素值时空差异分析

2.3 鱼类群落营养结构变化特征

图3 大溪水库不同季度内主要鱼类碳氮稳定同位素分布图Fig.3 δ13C and δ15N value distribution of key fishes during different seasons in Daxi Reservoir

图4 沙河水库不同季度内主要鱼类碳氮稳定同位素分布图Fig.4 δ13C and δ15N value distribution of key fishes during different seasons in Shahe Reservoir

基于δ13C-δ15N的双位图,计算出稳定同位素生态位指标值,如表3所示。区域分析结果显示,三个季度内沙河水库常见鱼类的基础食物来源(CR)、营养长度(NR)、群落生态位总区间(TA)、核心生态位(SEAc)、营养多样性(CD)、常见鱼类群落的整体密度(MNND)和群落营养生态位分布均匀度(SDNND)均高于大溪水库鱼类群落的生态位指标。季度分析结果显示,大溪水库鱼类群落的6个生态位指标自春季至秋季呈现先下降再上升的趋势,而沙河水库呈现春季高于夏季高于秋季的趋势。

表3 大溪水库和沙河水库不同季度内常见鱼类群落特征值

3 讨论

3.1 天目湖鱼类群落组成特征

3.2 鱼类δ13C和δ15N值的时空差异

水生生物的杂食性和营养塑性普遍存在,使得同种生物在不同时间和空间其食物组成也不相同。研究指出,鱼类的δ13C值和δ15N值与水域生境及饵料生物的变化有关,初级食物源通过食物网内的捕食关系对鱼类等消费者体内的同位素比值产生影响,不同生境及人类活动的扰动导致鱼类营养级和食物网结构存在较大不确定性[35]。李忠义等人发现生物资源种类的营养级存在空间和生物种类的不同,显示出渔业生物营养位置对生境差异的响应[36]。一般情况下,我们以δ13C值来指示食物源,本研究中三个季度内大溪水库和沙河水库相同鱼类的δ13C值呈现出极显著的差异,大溪水库鱼类季度差异不显著,而沙河水库鱼类季度间差异明显,说明同时期的两个水库初级食物源也存在比较明显的差异,同区域内大溪水库初级食物源的同位素值变化不明显。δ15N值时空变化规律不明显,这可能与水库周围农业活动和人类活动的不确定性有关。周九州(2010)等人提出,农田径流带入地表水的氮占人类活动排入水体氮的51%,施肥地区氮素流失量比不施肥地区高3.1倍[37]。调查显示,茶园是天目湖丘陵山地最主要的农业开发类型,水库周边茶园面积广(茶园面积占9.3%),植被覆盖度高达70%,施肥强度很高,尤其是春季茶叶集中施肥期,茶园坡度大、水土流失严重、入湖流程短等问题导致污染物削减比例低,大量的外源性营养物质随地表径流被输送至水库,导致水体氮浓度大大增加,一场春雨甚至能使水库总氮浓度增加1倍[38-39]。因此,水库的外源污染物浓度与是否处于集中施肥期、降雨量多少、降雨时间等多因素相关,存在较大的不确定性。

3.3 鱼类群落营养结构变化特征

营养关系是群落内各生物体之间最重要的联系,是了解生态系统能量流动的核心,也是群落赖以生存的基础[41]。调查表明,沙河水库CR、NR、TA、SEAc和CD值均高于大溪水库,且两个水库的鱼类群落指标值均为春季最高,这说明沙河水库春季食物网较其他季节、较大溪水库的初级食物源更加丰富[10],食物链更长,营养层次更多,核心生态位宽幅更低,鱼类食物网营养级多样性的总程度较高,营养生态位均匀度较低,这可能与其周围广泛分布的茶园、旅游区和居民区密集等有关。天目湖周边茶园区域分布统计结果显示,有70%左右的茶园集中于大溪水库中下游山区、沙河水库西岸临湖岸破、沙河水库中下游东部山区,这些区域居民集中分布[42-46],而由此产生的大量生活污水与农业废水的排入严重影响了水库水质及生物的生长,从而对生物体内的同位素比值产生影响。Layman等人[10, 47-48]指出,MNND值和SDNND值较低意味着食物网的营养冗余程度较高,而大溪水库MNND值和SDNND值均比沙河水库更低,这表明大溪水库生态系统抵御外界干扰能力较强,生态系统的稳定性也更高。

4 结论

基于稳定同位素技术,本研究初步分析了春季、夏季和秋季期间,天目湖大溪水库和沙河水库主要鱼类的营养结构,结果表明：天目湖两个水库的鱼类群落组成结构相似,各栖息水层生物种类分布较为均匀,鱼类食物网结构较为简单,呈现出以湖泊定居性鱼类和鲤科鱼类为主的特征；大溪水库食物网的初级食物源季度变化不大,而沙河水库有着明显的季度差异,且各季度内沙河水库较大溪水库初级食物源更加丰富,食物链更长,营养层次更多,核心生态位宽幅更低,鱼类食物网营养级多样性的总程度较高,营养生态位均匀度较低,其冗余程度较低,说明其水生生态系统抗外界干扰能力更弱,这可能与周边茶园、旅游区和居民区密集分布有关。因此,建议各级相关政府及科研机构更多关注沙河水库渔业资源及生态系统的变化,加强管理,从而能够确保沙河水库渔业资源的生态发展与可持续利用。