舟山外海重要海洋动物的碳氮稳定同位素特征和食物网营养结构

2022-01-11刘小琳RUTAKUMWAEdwinSuperius徐靖昂李斯远俞存根严小军张晓林

浙江海洋大学学报(自然科学版) 2021年5期

刘小琳，RUTAKUMWA Edwin Superius，徐靖昂，李斯远，聂晶，俞存根，严小军，张晓林

（1.浙江海洋大学水产学院，浙江舟山 316022；2.浙江省农业科学院农产品质量安全与营养研究所，浙江杭州 310021；3.农业农村部农产品信息溯源重点实验室，浙江杭州 310021；4.国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江舟山 316022）

生物体的物质循环和能量流动是海洋生态系统中食物网结构研究的重要领域，其中一个重要部分就是确定群落结构与生物的营养位置[1-3]。因此，全面开展海洋生物食物网的研究，对评价一个海洋生态系统的营养结构具有十分重要的意义。

传统的食物网研究方法是胃含物分析法，即通过对生物胃肠道的食物组成及数量来分析其近期的摄食情况，该方法具有工作量大、耗时长、胃含物难辨等局限性，使得研究结果具有很大的偶然性与不确定性，不能准确判断生物所处营养级位置及食物来源[4-6]。近年来，稳定同位素技术常被用来分析海域食物网结构、海洋生物的营养级位置以及鱼类的食性特征，成为研究海洋生物物种多样性和评价海域食物网营养结构的重要手段[4,7-8]。碳稳定同位素δ13C 在海洋生物中的富集程度较低，被用来确定生物的食物来源及海域差异，氮稳定同位素δ15N 在海洋生物中的富集程度较高，所以常被用来确定生物在食物网中的营养位置，且氮稳定同位素δ15N 在消费者的各个营养级之间大约以3‰的富集度增加[9-10]。同位素质谱技术不断发展，该法可以便捷地反映生物物种的营养信息及该物种在一个时空整合过程中长期累积的营养数据[11]。

舟山渔场曾经是我国渔业资源最丰富、生产力水平最高的渔场之一。随着渔民对海洋资源的过度开发和使用，重要渔业资源日趋衰退，舟山渔场渔业资源的结构也逐渐发生改变，维持海洋生态系统的平衡是当务之急，需要深入地、科学地阐明这一海域所具有的渔业资源承载能力是关键路径，就要从食物网结构的角度来进行科学评估[12]。目前，稳定同位素技术已经成功应用于海域食物网构建。ZANDEN,et al[13]用碳、氮稳定同位素分析了鱼类营养来源的变化和营养级的变化。KIRKPATRICK,et al[14]利用碳、氮稳定同位素研究了湖泊中生物种间和种内营养层次变动、食物链长度、能量利用变动和捕食者-被捕食者之间的相互影响。蒋日进等[15]通过稳定同位素技术探明枸杞岛岛礁近岸海域食物网主要生物类群之间的营养关系。闫光松等[16]应用稳定同位素技术确定了长江口主要渔业生物的营养级结构并初步建立了长江口水域食物网连续营养谱。高世科等[17]应用稳定同位素技术分析了吕泗渔场近岸海域夏季的主要生物营养级，并表明该海域多数生物的生长环境和营养结构比较相近。高春霞等[18]利用稳定同位素技术建立了浙江南部近海主要渔业生物的连续营养谱，为生态系统的食物网能量流动和物质循环研究提供科学参考。本研究将应用稳定同位素技术构建舟山外海生物食物网结构以及营养级关系，为评估舟山渔场渔业承载能力提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

样品采集于2018 年4 月（春季）和10 月（秋季）舟山外海（图1），共选择动物类群63 种进行分析，其中鱼类42 种，虾类12 种，蟹类4 种，头足类5 种。

图1 舟山外海采样点站位分布图Fig.1 Sampling sites near Zhoushan islands

鱼类样品取适量背部白肌肉，虾类去壳取其腹部肌肉，蟹类取其第一螯足肌肉，头足类取其胴部肌肉，取好的样品用冷冻干燥机于-80 ℃下冷冻干燥48 h 以上，干燥好的样品经石英研钵研磨成均匀粉末，放入样品瓶中干燥保存，待测。

1.2 稳定同位素测定

称取一定量的样品放置于元素分析仪（Isotope cube，德国Elementar 公司）样品盘中，样品中的碳元素和氮元素转化为纯净的CO2和N2气体后，进入同位素质谱仪（Biovision，德国Elementar 公司）检测。稳定同位素测定的标准物质包括B2155（δ13C=-26.98‰，δ15N=5.95‰）、IAEA-CH-6（δ13C=-10.449‰）、USGS64（δ13C=-40.81‰）、IAEA-N-2（δ15N=20.3‰）、USGS40（δ15N=4.52‰）,碳氮稳定同位素的定值参照国际通用标准分别为美洲拟箭石（PDB）和纯化的大气中的氮气（N2），仪器测定精度可达到δ13C＜±0.2‰，δ15N＜±0.3‰。

C、N 稳定同位素比值计算公式如下：

式中：δiE 为待测样品13C 或15N 稳定同位素比值；Rs和Rst分别为样品和标准物质中重同位素与轻同位素比值（13C/12C、15N/14N）。

营养级计算公式：

式中：TL 为所计算生物的营养级；δ15Nconsumer为该系统消费者氮稳定同位素比值；δ15Nbaseline为该系统基准生物氮稳定同位素比值，参照蒋日进等[15]的研究方法，选取小型浮游桡足类的氮同位素比值作为同位素基线值；TEF 为相邻营养级的氮同位素富集度，本研究取3.4‰[19]；λ 为基准生物营养级，本研究取2。

1.3 统计分析

采用SPSS 23.0 统计软件，以δ13C 和δ15N 值为双重因子对主要动物食性进行聚类分析；根据聚类分析结果，使用Origin 2018 软件构建连续营养谱；数据处理与表格制作通过Excel 2019 完成。

2 结果与分析

2.1 碳氮稳定同位素比值

本研究共采集舟山外海渔业资源种类63 种，不同类群动物δ13C 和δ15N 稳定同位素比值分析结果如表1。

表1 舟山外海主要渔业资源δ13C 和δ15N 稳定同位素比值Tab.1 δ13C and δ15N values of organisms collected near Zhoushan islands

续表

从表1 可以看出，舟山外海动物δ13C 值范围为-19.21‰～-15.01‰，δ15N 值范围为7.92‰～12.53‰。其中，鱼类δ13C 和δ15N 值范围分别为-19.21‰～-15.01‰和8.05‰～12.53‰，虾类δ13C 和δ15N 值范围分别为-18.18‰～-15.2‰和7.92‰～11.55‰，蟹类δ13C 和δ15N 值范围分别为-17.34‰～-16.60‰和11.13‰～11.49‰，头足类δ13C 和δ15N 值范围为-18.56‰～-16.32‰和9.87‰～11.18‰。

2.2 生物营养级

选择正确的基准生物来计算营养级，是保障结果精准度的关键一步[20]。本研究参照蒋日进等[15]的方法，选择浮游动物为基准生物，以小型浮游桡足类的δ15N（4.9‰）作为基线值计算了舟山外海的消费者的营养级（图2）。

从图2 可以看出，消费者营养级的范围为2.89（安氏白虾Exopalaemon annandalei）至4.24（带鱼Trichiurus haumela），营养级跨度为3。鱼类营养级范围为2.93（日本鲭Pneumatophorus japonicus）～4.24（带鱼T.haumela）；虾类营养级范围为2.89（安氏白虾E.annandalei）～3.96（葛氏长臂虾Palaemon gravieri）；蟹类营养级范围为3.83（三疣梭子蟹Portunus trituberculatus）～3.94（长手隆背蟹Carcinoplax longimana）；头足类营养级范围为3.46（神户乌贼Sepia kobiensis）～3.85（日本枪乌贼Loliolus japonica）。

图2 舟山外海主要动物营养级Fig.2 Trophic level for main animals near Zhoushan islands

2.3 食物网结构

通过基于各类动物的δ13C 和δ15N 值的标准化欧氏距离（Standardised euclidean distance）对舟山外海动物食物网组成成分进行了组间连接聚类分析，并将主要动物划分为4 个营养类群（图3）：第一类群包括了主要的动物类群，其中以鱼类的种类和数量最多，如小黄鱼Larimichthys polyactis、带鱼、白姑鱼Argyrosomus argentatus 等，虾蟹类和其他无脊椎动物次之，如三疣梭子蟹、日本枪乌贼、中华管鞭虾Solenocera crassicornis 等；第二类群的主要动物为尖头黄鳍牙Chrysochir aureus，主要由于其δ13C 值在所测动物中最高，δ15N 值又较大；第三类群包括七星底灯鱼Benthosema pterotum、中国枪乌贼Uroteuthis chinensis、黄鲫Setipnna taty、鳄齿鱼Champsodon capensis 以及短鳄齿鱼Champsodon snyderi，此组动物的特征为δ13C值十分接近，δ15N 值有一定差距；第四类群的动物有安氏白虾、中国毛虾Acetes chinensis、日本鲭，此组动物主要为初级消费者。

3 讨论

3.1 舟山外海动物碳氮稳定同位素特征

碳稳定同位素δ13C 在生物体内的富集程度较低，常被用来评价生物的食物来源以及区分海域差异[21-22]，且碳稳定同位素δ13C 的范围可以用来表征该海域食源的多样性水平。本研究中，利用单因素ANOVA 比较不同类群动物的δ13C比值，发现不同类群动物间的δ13C 比值差异不显著（P＞0.05），而δ13C 比值的范围为-19.21‰～-15.01‰，跨度为4.2‰，表明该海域各类群动物食源组成比较简单，特化程度较高，饵料基础较为稳定。但本研究样品中以鱼类数量最多，其δ13C 比值范围跨度较大，与个别鱼类的δ13C 值有关，如黄鲫的δ13C 值（-19.21±0.10）较低，这与其广泛的低级肉食食性有关[23]。

氮稳定同位素δ15N 在生物体内的富集度较高，常被用来确定生物的营养级[24]。本研究中，各类群氮稳定同位素δ15N 平均值大小依次为蟹类、鱼类、头足类和虾类。从研究结果中可以看出，δ15N 数值存在生态位重叠，这可能与个别生物间摄食共同的饵料生物，较高营养级物摄食较低营养级生物有关，意味着可能产生种间竞争关系。已有研究发现，大亚湾海域中紫海胆Anthocidaris crassispina 摄食的饵料生物种类与附近其他底层动物存在重叠，具有一定的食物竞争关系[25]。

3.2 食物网结构和营养级

稳定同位素技术是研究某海域食物网结构的一个重要手段，通过氮稳定同位素值显示的生物营养位置揭示了该海域食物网的营养结构[26]。本研究中，舟山外海的鱼类的营养级范围为2.93～4.24，其中日本鲭营养级最低；黄鲫、小黄鱼等初级和中级肉食性鱼类营养级居中，是食物网的重要组成部分；带鱼是凶猛肉食性鱼类，其营养级最高，是食物链的顶端生物。无脊椎动物的营养级范围为2.89～3.96，虾类中葛氏长臂虾的营养级最高为3.96，安氏白虾的营养级最低为2.89；蟹类中长手隆背蟹的营养级最高为3.94，三疣梭子蟹的营养级最低为3.83；头足类中日本枪乌贼的营养级最高为3.85，神户乌贼的营养级最低为3.46。安氏白虾、中国毛虾以及日本鲭等小型杂食性生物为食物链的底端。

与同样采用稳定同位素技术的黄海及东海北部[27-28]（30°-39 °N，120.5°-126 °E）测定的36 种鱼类中，可比较的共有11 种鱼类，本研究中的大部分结果皆高于黄海及东海北部，可能与基准生物的选择、研究海域以及样品的数量和体长不同有关。纵观舟山外海的主要渔业生物情况，短鳄齿鱼、七星底灯鱼、细条天竺鲷和黄鲫等小型饵料鱼类在食物网中的地位得到提升[27,29]，与小黄鱼和带鱼等优势种，共同维持该海域生态系统食物网结构稳定性。