基于稳定同位素方法的东海中南部海域主要饵料生物营养生态位季节变动的研究

张琥顺，宋普庆，郑新庆，刘世刚，李 渊，王雪华，林龙山

(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306； 2.自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

生态位反映了物种在某一环境的某一时期内所占据的空间位置，以及对环境资源的利用情况和适应性，是阐释物种共存、生物多样性、群落建构机制等生态学基础问题的重要理论依据[1-3]。营养生态位是生态位研究中的重要组成部分，它反映了物种在生态系统中的营养需求和营养层次，对于理解生态系统中的种间营养关系、饵料资源利用、食物网结构及生物入侵等有着重要作用，研究对象涉及蚤类、昆虫、哺乳动物和鱼类等[4-8]。早期的营养生态位研究多以胃含物分析法、粪便显微分析法等食性分析作为主要的技术手段[5,9]，但这些方法只能反映生物短期内的摄食信息，且易受环境因素的影响。与上述方法不同，生物体的稳定同位素特征反映了其对食物长期吸收和同化的结果，可以体现生物在一个较长的生命阶段中的营养状况，现已成为营养生态位研究领域的重要技术手段[10-11]。

东海是我国渔业资源生产力最高的海域之一，形成了舟山渔场、鱼山渔场、温台渔场、闽东渔场等数个优良的渔场[12]。自上世纪80年代以来，随着海洋环境变化和捕捞压力的增加，东海的渔业生物资源衰退严重，即使在国家实行严格的休渔、禁渔制度后，传统“四大海产”之首的大黄鱼仍未见到明显的资源恢复迹象，带鱼和小黄鱼等经济鱼类则出现种群小型化和低龄化的特点，其他渔获物的种类组成及数量也发生了较大的变化[13-15]。以浮游动物和小型游泳动物为代表的饵料生物的时空分布特征是引起经济鱼类资源变动的重要因素[16-17]。一方面，浮游动物作为生态系统中数量庞大的初级消费者，是环境中其他饵料生物和经济鱼类的重要食物来源；另一方面，小型游泳动物在作为经济鱼类食物来源的同时，也可通过摄食鱼类浮游生物对经济鱼类数量产生一定的调控作用[14,18]。因此，通过对饵料生物营养生态位的研究，可以了解其在海洋生态系统食物网中所起的作用，进一步明确其与经济鱼类的摄食状况、数量变动机制等存在的联系。

本研究以稳定同位素方法为主要技术手段，分析了东海中南部海域饵料生物的碳、氮稳定同位素特征，并据此探讨了饵料生物的营养级和营养生态位的季节变化，以期科学评估、研究海域饵料生物的营养关系，完善东海中南部海域渔业资源的基础生物学资料，为东海中南部渔业资源的可持续利用及科学管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

于2018年11月(秋季)和2019年4月(春季)对东海中南部海域进行了2个航次的渔业资源调查(图1)。调查船为底拖网渔船“闽霞渔01961”，调查海域水深30～120 m。游泳动物样品的采集按照《海洋调查规范》[19]进行，记录每个站位取样比例，将样品冷冻保存带回，在实验室根据文献资料[20-22]进行分类鉴定以及生物学数据的测量。同时，在每个站位使用深水大型浮游生物网自水底至水表同步采集浮游动物，将浮游动物样品去杂质后置于抽滤过的海水中暂养1 d，排除其消化道内含物后冷冻保存。

图1 东海中南部游泳动物调查海域Fig. 1 Surveyed area of nekton in south-central East China Sea

1.2 稳定同位素的测定

选取各饵料生物类群中优势度相对较高的种类进行稳定同位素分析：鱼类取背部侧线上方肌肉，虾类取腹部肌肉，头足类取胴体肌肉进行分析；浮游动物样品取整个生物样进行分析，样本量以冻干后能顺利研磨为标准。将样品置于-50 ℃冻干机中冻干至恒重，经球磨仪研磨后用60目筛绢过滤以保证样品的均匀性，保存于干燥箱中待测。所有样品在自然资源部第三海洋研究所信息测试与保障中心进行，使用德国Elementar公司的稳定同位素质谱仪联机(Vario ISOPOTE Cube-Isoprime)测定碳、氮稳定同位素比值。稳定同位素的自然丰度表示为：

δX=(Rsample/Rstandard-1)×103

(1)

式(1)中：X为13C或15N，R表示13C/12C或15N/14N的比值；碳、氮稳定同位素测定的标准物质分别为美洲拟箭石和大气中的N2。样品δ13C和δ15N的分析精度分别为0.2‰和0.3‰。

1.3 营养级的计算

营养级的计算公式为：

TL=(δ15Nsample-δ15Nbaseline)/TEF+2

(2)

式(2)中：TL表示样品的营养级；δ15Nsample表示样品的氮稳定同位素比值；δ15Nbaseline表示基准生物的氮稳定同位素比值。本研究选取粒径大于505 μm的浮游动物作为基准生物，其δ15N的平均值在秋季和春季分别为7.0‰和6.6‰；TEF为相邻营养级之间的营养富集因子，本研究取用3.4‰[23]；2为基准生物的营养级。

1.4 营养生态位的建立

根据测得的饵料生物的稳定同位素比值，运用R软件SIAR包构建δ13C-δ15N稳定同位素生态位，通过计算NR(δ15N range)、CR(δ13C range)、TA(total area)、SEAc(corrected standard ellipse area)等4个营养生态位度量参数来比较不同类群的营养生态位差异。NR是δ15N最大值和最小值的差，更高的NR值表明物种拥有更宽泛的营养级和更大程度上的营养多元化；CR是δ13C最大值和最小值的差，更高的CR值表明物种在食物网中拥有更多的食物来源；TA是物种所占据的营养生态位，代表着营养多样性的总程度；考虑到TA值容易受到个体数量的影响，根据Jackson等(2011)的方法对TA值进行了矫正，以矫正后的标准椭圆面积(SEAc)来表示物种的核心生态位[24]。

1.5 数据处理

采用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同种类间的碳、氮稳定同位素比值和营养级是否具有显著性差异，并通过Turkey-HSD分析进行多重比较。采用t-text检验不同种类碳、氮稳定同位素的季节性差异。营养生态位参数通过R 3.5.2的SIAR包计算。

2 结果和讨论

2.1 饵料生物的稳定同位素特征

测定浮游动物七星底灯鱼(Benthosemapterotum)、麦氏犀鳕(Bregmacerosmacclellandii)、日本发光鲷(Acropomajaponicum)、中国毛虾(Aceteschinensis)、东海红虾(Plesionikaizumiae)、中华管鞭虾(Solenoceracrassicornis)、多钩钩腕乌贼(Abraliamultihamata)和柏氏四盘耳乌贼(Euprymnaberryi)的稳定同位素比值，并以此代表不同类群饵料生物的稳定同位素特征(表1)。2018年11月，饵料生物的δ13C值范围为-21.9‰～-15.8‰，跨度为6.1‰；δ15N值的范围为5.2‰～13.3‰，跨度为8.1‰。单因素方差分析结果显示各饵料生物类群之间的δ13C值和δ15N值存在极显著差异(P<0.01)。2019年4月，饵料生物的δ13C值范围为-22.4‰～-16.7‰，跨度为5.7‰；δ15N值的范围为4.1‰～11.1‰，跨度为7.0‰。各饵料生物类群之间的δ13C值和δ15N值存在极显著差异(P<0.01)。

显著性差异检验结果显示：各饵料生物中，七星底灯鱼、中国毛虾、多钩钩腕乌贼和柏氏四盘耳乌贼的δ13C值存在显著的季节性差异，表现为秋季高于春季，其余不存在显著的季节性差异；而对于δ15N值，仅浮游动物和东海红虾的δ15N值无显著季节性差异，其余均存在极显著的季节性差异，表现为秋季高于春季(表2)。

表1 主要饵料生物的稳定同位素特征

续表

表2 饵料生物稳定同位素比值的季节差异

2.2 营养级

秋季浮游动物的平均营养级最小，为2.0±0.3；七星底灯鱼、日本发光鲷和中华管鞭虾的平均营养级最大，为3.5±0.1。春季浮游动物的平均营养级最小，为2.0±0.4；中华管鞭虾的平均营养级最大，为3.0±0.2。除浮游动物和东海红虾外，其他饵料生物的营养级在两个季节间存在极显著差异(P<0.01)，表现为秋季的营养级高于春季(图2)。

2.3 营养生态位

2018年秋季各饵料生物类群中，虾类的各营养生态位参数均为最高，其次为浮游动物；鱼类与头足类的生态位有较大的重叠，同时与虾类的营养生态位轻度重叠；浮游动物生态位在δ13C-δ15N坐标系中处于较低的位置，与其他饵料生物类群的生态位无重叠。2019年春季，鱼类有最大的CR值和TA值，虾类有最大NR值，而SEAc值最大为浮游动物；鱼类、头足类和虾类的营养生态位保持了与秋季相似的重叠现象，但三者整体向下偏移，浮游动物的生态位仍处于坐标系中较低的位置，与其他饵料生物类群的生态位轻度重叠，表明此时各饵料生物间的竞争关系要比秋季更为复杂(图3)。

图3 2018年11月和2019年4月各饵料生物类群的营养生态位Fig. 3 Trophic niches of the prey assemblages in November 2018 and April 2019

两个季节间，浮游动物的营养生态位在δ13C-δ15N坐标系中未发生明显的偏移，但在春季有更高的NR值和SEAc值，生态位宽幅更大。七星底灯鱼、麦氏犀鳕和日本发光鲷3种饵料鱼类的生态位在秋季处于坐标系中的较高位置，食源较为集中，重叠程度也较高，麦氏犀鳕在此时有更大的生态位宽幅；在春季，饵料鱼类生态位差异明显，麦氏犀鳕与日本发光鲷生态位有所重叠，而七星底灯鱼生态位宽幅最大，在此季节更具有竞争优势。虾类饵料生物的营养生态位较为分散，中国毛虾和东海红虾分别在秋季和春季占据更大的生态位宽幅，二者的生态位在春季重合，存在一定的竞争关系，中华管鞭虾的营养生态位在两个季节中均处于较高营养水平。两种头足类饵料生物的营养生态位在两个季节间均存在一定程度的重叠，并在春季向下偏移(图4、5)。

图4 2018年11月和2019年4月各饵料生物营养生态位比较Fig. 4 Trophic niches of the food organisms in November 2018 and April 2019

图5 2018年11月和2019年4月饵料生物生态位参数比较Fig. 5 Comparison of niche parameters of the food organisms in November 2018 and April 20191.浮游动物，2.鱼类，3.七星底灯鱼，4.麦氏犀鳕，5.日本发光鲷，6.虾类，7.中国毛虾，8.东海红虾，9.中华管鞭虾，10.头足类，11.多钩钩腕乌贼，12.柏氏四盘耳乌贼。

2.4 讨论

2.4.1 稳定同位素特征 饵料生物虽然经济价值不高，但在海洋生态系统中处于承上启下的关键一环：一方面，它们作为海洋中最主要的初级消费者，与海域初级生产力的变动密切关联；另一方面，它们又作为重要的食物来源影响着经济鱼类的产量和分布[14]。由于C、N稳定同位素在相邻营养级之间的富集度不同(C：0～1‰，N：3‰～4‰)，δ13C值通常用于反映生物的食物来源特征，而δ15N值通常用于确定生物的营养位置[25]。本研究中δ13C值跨度在5.7‰～6.1‰，δ15N值的跨度在7.0‰～8.1‰，均高于纪炜炜等(2015)所测定的东海北部游泳动物的稳定同位素比值跨度[26]，说明本研究海域与后者相比食源多样性水平更高，营养跨度更大，营养结构更为稳定。浮游动物的C、N稳定同位素比值在春、秋两个季节虽然存在一定变化，但却没有统计学上的显著差异(p>0.05)，而其他饵料生物的稳定同位素比值，尤其是δ15N值，却存在显著的季节变化，说明研究海域饵料生物的食物来源和营养层次存在季节差异性。

本研究区域为东海大陆架海域，沿岸江河输入了大量的营养物质，较浅的水深使得本海域内光合作用充分，加之黑潮分支台湾暖流、东海沿岸流等水流交汇形成的锋面，使得海域内浮游植物大量繁殖，初级生产力丰富，碳源多样性水平较高[12,27]。水温的季节性变化会影响浮游植物的光合作用及其对氮元素的吸收和分馏，反映为稳定同位素比值的变化，这种变化会通过食物网的富集作用传递到其他更高等级的生物[28]。同时，季节的改变会影响饵料生物对其他潜在食源(浮游植物、颗粒有机物等)的摄食偏好性，这也是造成稳定同位素特征季节差异的重要原因[29-31]。此外，研究海域沿岸有多条河流汇入，陆源碳输入的季节变化或许也是造成饵料生物δ13C值差异的原因之一。与13C相比，15N在饵料生物体内的富集程度存在更大差异，造成了研究海域饵料生物营养级的季节差异性。

2.4.2 营养级 已有研究证明稳定同位素基线的选取会对海洋生态系统营养结构的研究结果产生影响，而与初级生产者相比，选取不同初级消费者作为基线生物时通常会产生较小的误差[25]。本研究以粒径大于505 μm的浮游动物作为基线生物，计算得饵料生物的营养级范围在秋季为2.0～3.5，在春季为2.0～3.0，涵盖了研究海域的初级消费者、次级消费者和中级消费者3个营养群体。相关胃含物的研究结果也证明本研究所列各饵料生物存在较大的营养层次跨度[32-34]。本研究所列饵料生物的摄食类型多样，包括植食性、浮游动物食性、杂食性以及低级肉食性，饵料生物的主要摄食类型是决定其营养位置的关键因素；同时，其食源宽度也较广，各类饵料生物的潜在食源涵盖了藻类、浮游动物、小型甲壳动物以及仔稚鱼等，食源的多样性造成了营养级的分化。

本研究中春季饵料生物的营养级显著低于秋季，相差约0.3～1.1个营养级。相似的营养级变化在其他研究中也有发现，如：由于海州湾秋季高营养级种类[如小眼绿鳍鱼(Chelidonichthysspinosus)、长蛇鲻(Sauridaelongata)、小黄鱼(Larimichthyspolyactis)等]的资源量较高，导致2011～2017年间该海域秋季鱼类群落的平均营养级高出春季约0.19～0.51个营养级[35]。造成生物营养级变化的原因是多方面的：初级生产者固氮能力的季节差异、生物摄食的季节偏好以及样本体长的变化等通常被认为是造成营养级变化的重要原因[36-37]。东海海域浮游动物的季节消长以及优势种替代明显，以七星底灯鱼为代表的饵料生物摄食习性的季节变化已从相应的胃含物研究中得到证实[27,33-34]，这或许是饵料生物营养级变化的原因之一。在本研究中，浮游动物和其他饵料生物均属于小型饵料生物，分析发现它们体长的季节变幅较小，因此推测其营养级的季节差异更可能是受自身摄食习性以及环境食源变化的影响。

此外，已有研究证明消费者的营养富集因子(TEF)会受样本自身因素(样本的种类、大小、所测组织等)以及食源因素(食物的类型、同位素特征及蛋白质含量等)的影响而产生差异，从而影响营养位置的正确计算[38]。因此，尽管本研究选取了被广泛应用的3.4‰作为15N的营养富集因子，但饵料生物对食物中氮元素的富集效应是否会随外界环境的变动而产生差异，从而造成营养级的季节偏差，有待进一步考证。

2.4.3 营养生态位 生态位代表了生物对环境的适应能力，而营养生态位则是反映了生物在食物网中的位置和相互关系(捕食、竞争等)，物种的营养生态位宽幅越大，说明其对食物资源的利用及竞争能力更强[39]。营养生态位参数中，CR值和NR值分别反映了物种食源的多样性和营养水平，而TA值和SEAc值则代表了物种的生态位宽幅，反映了物种的生态位核心竞争力。浮游动物是本研究中其他饵料生物的主要营养来源之一，其在两个季节间表现出相似的食源多样性水平和营养级跨度，但其他饵料生物的生态位却偏移明显，这可能是由于本研究中未考虑的其他食源(浮游植物、颗粒有机物等)影响了饵料生物的摄食生态所导致的。七星底灯鱼和中国毛虾分别是各自类群最主要的饵料生物，生态位偏移程度明显高于同类群其他饵料生物，不仅表现出营养级的下降，而且存在食源的变化，说明二者的摄食习性具有较强的季节性偏好。

生态位的重叠代表了“两个物种在同一资源位上的相遇频率”，也可以用来反映物种间的潜在竞争关系[40]。在营养生态位中，当两个物种处于相同营养层次的同时又摄取相似的食物来源，即认为两个物种间存在竞争关系。本研究结果证实了饵料生物中鱼类与头足类的竞争关系，以七星底灯鱼为代表的饵料鱼类和以多钩钩腕乌贼为代表的小型头足类在两个采样时期内生态位高度重叠，头足类在秋季表现出更高的营养层次以及生态位竞争力，饵料鱼类在春季生态位宽幅更大，竞争力更强。食源多样性水平的降低会导致生物倾向于摄食共同的饵料资源，削弱食物网的稳定性，进而反映为生态位重叠程度加剧[41]。本研究中鱼类饵料生物生态位的重叠和分化表现出强烈的季节性差异，虾类次之，而两种小型头足类则一直存在竞争关系，证明了不同类型的饵料生物对食物偏好的差异性，鱼类和虾类的摄食选择对环境变化的响应度更高，而头足类饵料生物的食源则相对单一。整体来看，两个季节间各类群饵料生物的δ13C值跨度相近(秋季为6.1‰，春季为5.7‰)，采样海域食源多样性水平相似，但营养生态位的结果显示春季各类群饵料生物的生态位重叠程度更高，竞争更为激烈。一方面，这与海域初级生产力的变化有关，研究证明东海春季浮游植物的数量远低于秋季，造成了春季各类群饵料生物之间竞争程度的加剧[27]；另一方面，这或许与饵料生物对食物碳源的选择性吸收有关，有待进一步研究证实。

3 结论

本研究结果表明，东海中南部海域饵料生物的食源多样性水平较高，营养层级跨度较大，营养结构相对稳定，但由于季节变化引起的环境因素或饵料生物摄食偏好的季节性差异，饵料生物的稳定同位素特征和营养级均表现出明显的季节变动特征。此外，本研究还证实了不同饵料生物的营养生态位宽幅和重叠度的变化，鱼类和虾类饵料生物内部表现出生态位重叠程度的季节差异性。整体来看，一方面，饵料生物中的鱼类和头足类在两次采样周期内都存在较强的竞争关系，食源相似度较高；另一方面，与秋季相比，春季各饵料生物类群营养生态位重叠度更高，这或许是受到环境中食源的多样性水平以及饵料生物对食物中碳源的选择性吸收的影响。本研究应用稳定同位素方法科学地评估了东海中南部海域各类型饵料生物的营养关系，合理地解释了营养生态位的季节变动，这些结果可为东海海域渔业资源的可持续开发利用和生态环境保护提供科学资料。