基于穩(wěn)定同位素方法的呂泗漁場近岸海域主要生物潛在碳源及營養(yǎng)級分析

高世科，孫文，張碩,2*

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.長江口水生生物資源監(jiān)測與保護聯(lián)合實驗室，上海 201306)

1 引言

海洋生態(tài)系統(tǒng)中的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究是生態(tài)學研究的一個重要領(lǐng)域，海洋生物的群落結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)級是其不可分割的一部分[1–3]。傳統(tǒng)的生物食性和營養(yǎng)級研究是通過胃含物分析法開展的，但該方法存在較大局限性，如工作量較大、耗時較長等[4]。近年來，穩(wěn)定同位素技術(shù)的出現(xiàn)，成為研究海域群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、魚類食性特征和探究海洋物種多樣性的一種重要手段[5–8]。碳穩(wěn)定同位素（δ13C）在生物體內(nèi)富集度較低，適用于區(qū)分食物來源及海域差異，而氮穩(wěn)定同位素（δ15N）在各個消費者營養(yǎng)級之間以大約3‰的富集度增加，以此確定生物的營養(yǎng)級。營養(yǎng)級產(chǎn)生差異的原因來自生物的規(guī)格大小、基線生物和營養(yǎng)級富集度的選擇[9–10]。比如，前有學者通過室內(nèi)模擬生物生長實驗得到營養(yǎng)級富集度，為 3.4‰[11]和 2.5‰[12]；Hussey 等[13]提出營養(yǎng)級富集度不是一個定值，并使用營養(yǎng)級富集度的范圍值來確定營養(yǎng)級，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)食物網(wǎng)中消費者的營養(yǎng)級明顯偏高。可見，作為構(gòu)建食物網(wǎng)的基本前提，探究消費者營養(yǎng)級間的差異和影響因素是必不可少的。

呂泗漁場處于東、黃海交界處，是江蘇近海八大著名漁場之一，其魚類資源和餌料生物豐富，是海洋生物良好的繁殖場和索餌場。目前，在渤海[14]、黃海、東海[12]、膠州灣[15]等海域已有不少關(guān)于生物群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的研究。然而，基于穩(wěn)定同位素技術(shù)定量研究呂泗漁場近岸海域食物網(wǎng)營養(yǎng)基礎(chǔ)和群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)等方面的研究未見報道。以往針對呂泗漁場的調(diào)查研究主要集中于水環(huán)境質(zhì)量及漁業(yè)資源生態(tài)群落方面，但是僅從這些單一層面去分析遠遠不夠，且從近幾年來近岸海域的環(huán)境惡化及人為過度捕撈現(xiàn)象不斷加深來看，補充生物營養(yǎng)級及食物網(wǎng)構(gòu)建方面的系統(tǒng)研究是十分必要的。

本文目的在于利用碳氮穩(wěn)定同位素方法研究呂泗漁場近岸海域夏季潛在碳源對主要生物種類的貢獻比例，并分析、比較呂泗漁場近岸海域夏季主要生物種類的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征，以期為今后進一步研究該海域的生態(tài)營養(yǎng)動力學提供理論參考，也為近海生態(tài)環(huán)境修復、生態(tài)資源的合理利用提供基礎(chǔ)參數(shù)和科學論斷。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域及樣品采集

于2018年9月對江蘇省如東呂泗漁場近海海域（32°23.140′～32°59.504′N，121°17.509′～122°11.161′E）的18個站位進行漁業(yè)資源調(diào)查（圖1），調(diào)查海域平均水深為10 m。調(diào)查船為功率270 kW左右的單拖漁船，平均拖速為 3.64 kn，每站拖網(wǎng)時間約為 25 min。使用標準I型浮游生物網(wǎng)采集浮游動物，使用III型浮游生物網(wǎng)采集浮游植物，分別使用底層有翼單囊底拖網(wǎng)（規(guī)格長∶寬∶高為 125.32 m∶59.1 m∶36.0 m）采集游泳生物，采水器采集2 L水樣用于測定懸浮顆粒有機物（Particle Organic Matter,POM），抓斗式采泥器采集底質(zhì)用于測定底質(zhì)有機物（Sedimental Organic Matter,SOM），所有樣品冰凍保存至室內(nèi)分析[16]。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2.2 樣品預處理及穩(wěn)定同位素分析

挑出樣品中的雜質(zhì)，將樣品中的浮游動物清養(yǎng)1～2 h空胃后選出優(yōu)勢種，浮游植物先后濾過孔徑為100 μm 和 20 μm 篩絹以取得規(guī)格為 20～100 μm 的種類后加蒸餾水，靜置后，取上清液抽濾在經(jīng)過500℃灼燒5 h的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜上。水體POM用80目孔徑篩絹過濾，再抽濾至經(jīng)過500℃預灼燒 5 h 的 What-man GF/F 膜上。SOM 在 60℃ 恒溫干燥24 h，研磨后用10%鹽酸酸化（去除碳酸鹽干擾）[17]，同等條件下再次烘干、研磨，經(jīng)過孔徑為63 μm的篩絹分篩后的樣品待測。

同種生物樣品的取樣原則，是按照不同站點、不同規(guī)格來界定的，并根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》[16]進行生物學基礎(chǔ)指標測定（表1），魚類取背部白肌組織、頭足類取胴部、蝦類取腹部肌肉組織、蟹類取第一螯足、雙殼類取閉殼肌、腹足類取斧足、浮游動植物取整體，所有樣品均在?44.6℃冷凍干燥后研磨備用。

表1 呂泗漁場近岸海域生物種類、數(shù)量、體長范圍和δ13C值、δ15N值Table 1 The species number,body length range and δ13C,δ15N value of the samples collected in coastal water of Lüsi fishing ground

穩(wěn)定同位素分析在自然資源部第三海洋研究所同位素分析實驗室進行，使用Vario Isotope Cube-Isoprime元素分析儀測定碳、氮穩(wěn)定同位素比值，分別以國際通用的標準物質(zhì)PeeDee 石灰?guī)r中的碳和大氣氮作為參考標準，結(jié)果以δ13C和δ15N形式來表示，計算公式為

式中，13C/12Csample和15N/14Nsample是樣品中重同位素與輕同位素的比值；13C/12CVPDB代表 VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite)標準的13C；15N/14Nair代表大氣 N2中的15N。根據(jù)元素分析儀的精度，計算結(jié)果保留兩位小數(shù)。

2.3 潛在碳源分析

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，利用Phillips和Gregg[18]不斷完善編譯的IsoSource模型來定性分析和計算各個碳源對消費者的食源貢獻比例。當食物網(wǎng)中食物來源的數(shù)量太多時，IsoSource模型可以幫助確定消費者食物來源貢獻的范圍（0～100%），并提供了每個食源貢獻的上限和下限，每個食源貢獻可能的結(jié)果都以小的增量（1%～2%）進行檢查。最終，潛在源貢獻的頻率和范圍用直方圖表示。其公式及原理如下：

式中，jM、kM為消費者M的兩種同位素j、k的比值；A、B、C為食物源；f為食物對消費者的貢獻率。

由于本次調(diào)查海域離岸距離較遠，且藻類養(yǎng)殖區(qū)布滿掛籠和掛網(wǎng)，致使調(diào)查船無法通過，因此未對紫菜等大型藻類進行采樣。因此，以該海域物質(zhì)基礎(chǔ)中的浮游植物、POM和SOM作為食物網(wǎng)中的3種潛在碳源，來分析該海域主要消費者的食性來源貢獻比例。

2.4 營養(yǎng)級分析

營養(yǎng)級是海域中重要經(jīng)濟種類的一種衡量指標，通常，氮穩(wěn)定同位素比值被用來確定生物的營養(yǎng)級，并通過食物鏈進行富集[19]。穩(wěn)定同位素間的分餾容易引起營養(yǎng)級之間的差異，傳統(tǒng)的營養(yǎng)級計算公式為

式中，TL表示所計算生物的營養(yǎng)級；δ15Nsample為系統(tǒng)消費者氮穩(wěn)定同位素比值；δ15Nbaseline為該系統(tǒng)基線生物的氮穩(wěn)定同位素比值；?δ15N為1個營養(yǎng)級的富集度；a代表基線生物的營養(yǎng)級（如草食性種類的橈足類動物是小鯡魚和鳳尾魚的主要食物來源，其營養(yǎng)級為2；多毛綱食肉動物是馬鮫魚的主要食餌，其營養(yǎng)級估計為 3）。

本研究采用Qu等[14]重新編譯、矯正過的營養(yǎng)級計算公式，如下：

營養(yǎng)級計算結(jié)果的差異主要來自兩個關(guān)鍵參數(shù)，δ15Nbaseline和 ? δ15N。 ? δ15N確定相鄰兩個營養(yǎng)水平之間的相對距離，它隨地域和物種而變化[11,20?21]。本研究將浮游動物作為基線生物（上述公式a=2），沿用3.4‰作為營養(yǎng)級富集度[11]。此外，為了探究不同基線生物對營養(yǎng)級的影響，本研究還通過IsoSource模型疊加浮游植物、POM、SOM 3種潛在碳源作為基準值（上述公式a=1），要說明的是，此時每個物種對應的基準值是不一樣的，其計算原理如下：

式中，δ15Nn代表不同潛在碳源的食物；Pn代表所屬潛在碳源對消費者所占的比例。

2.5 統(tǒng)計分析

通過ArcGis 10.3軟件繪制調(diào)查海域站位圖；使用 SPSS 25.0軟件完成數(shù)據(jù)分析；使用 EXCEL 2019和ORIGIN 2018軟件完成數(shù)據(jù)處理和圖表制作。

3 結(jié)果

3.1 樣品描述

本次呂泗漁場近岸海域調(diào)查采集到的生物種類一共37種，以魚類居多，達23種；無脊椎動物14種，其中頭足類1種、蝦蟹類11種、貝類1種，其余生物種類 1 種（表 1）。

3.2 穩(wěn)定同位素結(jié)果

如圖2，所有生物的δ15N值、δ13C值呈現(xiàn)明顯階梯分層分布，最上層是魚類，往下是蝦蟹類、浮游動物，最下層是潛在碳源。魚類δ13C值的范圍為（?20.49±0.34）‰（斑鰶Konosirus punctatus）～（?15.68±0.13）‰（海鰻Muraenesox cinereus）；δ15N 值的范圍為（8.95±0.6）‰（小黃魚 Larimichthys polyactis）～（14.13±0.13）‰（多鱗鱚Sillago sihama）。甲殼動物 δ13C值的范圍為（?19.23±0.32）‰（安氏白蝦 Exopalaemon annandalei）～（?13.92±0.33） ‰ （日 本 囊 對 蝦 Marsupenaeus japoni cus），δ15N 值的范圍為（9.84±0.33）‰（日本囊對蝦）～（11.72±0.44）‰（三疣梭子蟹 Portunus trituberculatus）。

圖2 呂泗漁場近岸海域主要生物 δ13C?δ15N（平均值±標準差）的二維分布Fig.2 Two-dimensional distribution of δ13C?δ15N (mean±SD)of main biological species in coastal water of Lüsi fishing ground

如表 2，潛在碳源的 δ13C 值從（?24.27±0.92）‰（浮游植物）到（?20.24±0.89）‰（SOM）之間變化，均值為?22.64‰，跨度為4.03‰；潛在碳源的 δ15N 值從（3.58±0.42）‰（POM）變化到（4.3±1.53）‰（浮游植物），均值為3.82‰，跨度為0.72‰。

表2 潛在碳源δ13C和δ15N的值Table 2 Values of δ13C and δ15N for the potential carbon sources

3.3 IsoSource 模型結(jié)果

本次調(diào)查結(jié)果表明（圖3），浮游植物對所有生物的碳源貢獻范圍為1.3%（日本囊對蝦）～91.3%（浮游動物），均值為58.7%；POM貢獻范圍變化較小，對所有生物的碳源貢獻范圍為0.3%（浮游動物）～25.8%（焦氏舌鰨 Cynoglossus joyneri），均值為 12.5%；SOM對所有生物的碳源貢獻范圍為7.2%（安氏白蝦）～97%（日本囊對蝦），均值為28.2%。因此，判定呂泗漁場近岸海域夏季主要生物的潛在碳源主要是浮游植物和SOM。

圖3 基于IsoSource模型計算主要生物的潛在碳源貢獻均值和范圍Fig.3 The mean and range of contribution of potential carbon sources to the main creatures calculated based on IsoSource model

根據(jù)IsoSource軟件的分析結(jié)果，可將呂泗漁場的主要生物種類劃分為3大類群，第1類是以浮游植物為主要碳源貢獻的生物種類，包括多鱗鱚、中國花鱸Lateolabrax maculatus等魚類、安氏白蝦等蝦類和浮游動物；第2類是以SOM為主要碳源貢獻的生物，代表種類有鯔魚Mugil cephalus等魚類和日本囊對蝦；第3類是以浮游植物、SOM為主，POM為輔的生物種類，典型代表是刀額新對蝦Metapenaeus ensi、周氏新對蝦Metapenaeus joyneri等蝦類和小黃魚。

3.4 營養(yǎng)級分析

根據(jù)呂泗漁場近岸海域夏季主要生物的營養(yǎng)級構(gòu)建了兩種營養(yǎng)級譜（圖4），左邊的營養(yǎng)級譜（Trophic Level Spectrum,TLS）是以浮游動物作為基線生物，營養(yǎng)級范圍為2.00～4.18；位于2.50營養(yǎng)級以下的生物種類只有浮游動物；位于2.50～3.00營養(yǎng)級上的生物種類有3種魚類、4種蝦類、日本蟳Charybdis japonica和毛蚶 Scapharca subcrenata；位于 3.00～3.50營養(yǎng)級上的生物種類有7種魚類、5種蝦類和三疣梭子蟹；位于3.50～4.00營養(yǎng)級上的生物種類有10種魚類和火槍烏賊Loligo beka；位于4.00以上營養(yǎng)級的有多鱗鱚、褐菖鲉Sebastiscus marmoratus和黑鯛Acanthopagrus schlegelii。

圖4 呂泗漁場近岸海域L-TLS（左營養(yǎng)級譜）和R-TLS（右營養(yǎng)級譜）的物種營養(yǎng)級比較Fig.4 Comparison of trophic levels of species plotted by L-TLS (left trephic level spectrums) and R-TLS (right trephic level spectrums) in coastal waters of Lüsi fishing ground

右邊營養(yǎng)級譜中的基準值由浮游植物、POM、SOM通過IsoSource模型權(quán)衡疊加而成，營養(yǎng)級范圍在1.74～3.92。由于基準值的改變而使主要生物的營養(yǎng)級普遍降低。位于2.50～3.00營養(yǎng)級上的生物種類有5種魚類、6種蝦類和日本蟳；位于3.00～3.50營養(yǎng)級上的生物種類有10種魚類、3種蝦類和三疣梭子蟹；位于3.50～4.00營養(yǎng)級上的有8種魚類和火槍烏賊，火槍烏賊的營養(yǎng)級幾乎不變。

為探究生物個體與營養(yǎng)級的關(guān)系，本研究對不同站位捕獲的不同體長小黃魚的營養(yǎng)級進行比較（圖5）。可以看出，隨著體長的增加，小黃魚的營養(yǎng)級也逐漸增大，呈現(xiàn)正相關(guān)性（R2=0.455 2,n=9）。

4 討論

4.1 潛在碳源分析

浮游植物、POM、SOM等是驅(qū)動食物網(wǎng)物質(zhì)和能量流轉(zhuǎn)的主要潛在碳源基礎(chǔ)[22–23]，尤其在近岸海域[24]。浮游植物是海洋生產(chǎn)者，是海洋食物網(wǎng)的基礎(chǔ)之一，其碳穩(wěn)定同位素組成主要來自海洋水體中的溶解無機碳[25]，這是確定潛在碳源的重要依據(jù)?；诒狙芯縄soSource模型計算結(jié)果顯示，3種潛在碳源（浮游植物、POM和SOM）對消費者的貢獻比例，浮游植物所占比例較高，平均達到58.7%。蔡德陵等[26]在嶗山灣進行水體生物食物網(wǎng)調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，浮游植物碳是其主要來源。在本研究中，大多數(shù)消費者以浮游植物作為主要碳源貢獻，典型代表為浮游動物（91.3%）以及一些巖礁性魚類（褐菖鲉（68.2%）、黑鯛（82%）等）和兇猛性魚類（中國花鱸（84.7%）、銀鯧Pampus argenteus（73.2%）等），說明了相對于 POM和 SOM，該海域的重要碳源為浮游植物。

POM對所有生物的碳源貢獻值范圍為0～25.2%（均值為12.5%），魏虎進等[27]在研究象山港海洋牧場食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，相對于浮游植物和SOM，POM的相對貢獻率最小。盡管如此，本研究的POM的貢獻率相對于其他海域偏高[27–28]，原因是本研究選取站點位于近岸海域，水體中懸浮顆粒物含量較高。此外，本研究大多數(shù)生物種類的POM碳源貢獻范圍較廣，甚至從0到100%，存在較大不確定性，這與海域水環(huán)境（溫度、鹽度等）密切相關(guān)[29]。比如，Xu等[30]認為，隨著氣候變暖，藻華現(xiàn)象加劇，微囊藻毒素的增加進一步改變了藻類源POM的比例。SOM也是驅(qū)動食物網(wǎng)物質(zhì)流轉(zhuǎn)的重要碳源之一，其組成比較復雜，如POM的自然沉降、藻類死亡后的有機碎屑以及底棲微藻等[27]，在本研究中，SOM是底棲蝦蟹類的主要碳源貢獻，也是一些底棲食性魚類的碳源貢獻，如小黃魚等。

4.2 營養(yǎng)級比較及分析

營養(yǎng)級差異是由多種因素共同導致的，不僅涵蓋了基線生物和營養(yǎng)級富集度，還和體長規(guī)格密切等相關(guān)。Romanuk等[31]研究了57目8 361種魚類體長規(guī)格與營養(yǎng)級之間的關(guān)系，顯示所有物種的營養(yǎng)級與最大長度呈正相關(guān)。本研究中，小黃魚的營養(yǎng)級隨體長的增加呈現(xiàn)明顯上升趨勢（圖5），這與小黃魚生活史中發(fā)生的食性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象有關(guān)。研究表明，小黃魚幼體時期主要以浮游生物為食，而成體的食性轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕⌒汪~類、蝦類為主[32]。由于這種棲息環(huán)境和食性特征的差異，會使得體長相差太大的同種生物相差1個以上的營養(yǎng)級[33]。

圖5 小黃魚體長與營養(yǎng)級的關(guān)系Fig.5 The relationship between body length and trophic level value for Larimichthys polyactis

基線生物的選取至關(guān)重要，對于河口和海灣生態(tài)系統(tǒng)，在選取常年存在且食性相對穩(wěn)定的初級消費者和底棲動物或POM等為基線時，仍需考慮基線的時空異質(zhì)性，并且針對結(jié)構(gòu)復雜的生態(tài)系統(tǒng)需要確定多個基線以全面表征食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)[34]。如本研究的圖4所示，相對于左營養(yǎng)級譜，盡管右營養(yǎng)級譜中的生物種類平均下降0.19個營養(yǎng)級，但整體趨勢是不變的，除了方框中生物種類的營養(yǎng)位置發(fā)生了改變。在左營養(yǎng)級譜中，銀鯧的營養(yǎng)級與鮸魚Miichthys miiuy相同，刀鱭Coilia macrognathos最低，而右營養(yǎng)級譜中，刀鱭的營養(yǎng)位置要比這兩個種類都要高。從其他海域構(gòu)建的食物網(wǎng)來看，刀鱭的營養(yǎng)級低于銀鯧和鮸魚，且因為刀鱭的浮游動物食性特征，有可能右營養(yǎng)級譜高估了刀鱭的營養(yǎng)級[12,35]。此外，結(jié)合了3大潛在碳源作為影響指標，右營養(yǎng)級譜中的蝦類—周氏新對蝦Metapenaeus joyneri、細巧仿對蝦Parapenaeopsis tenella、哈氏仿對蝦 Parapenaeopsis hardwickii、日本囊對蝦的營養(yǎng)位置更是發(fā)生了巨大變化。右營養(yǎng)級譜中，基準值隨著單個物種潛在碳源疊加比例的不同而變化，但對于處于中高級消費者位置的魚類來說，疊加潛在碳源作為基線生物的結(jié)果影響不大。以上結(jié)果表明，當存在多種食物來源時，疊加多種潛在碳源的右營養(yǎng)級譜更適合反映真實的生物營養(yǎng)級，而具有單一基線的左營養(yǎng)級譜更適合分析單一食物來源的條件或較高營養(yǎng)級的物種[36–37]。因此，本研究中魚類受到潛在碳源的影響較小，營養(yǎng)位置幾乎不發(fā)生改變，而對于直接攝食浮游植物、沉積有機物等食物的蝦蟹類來說，以潛在碳源為基準值的影響對它們營養(yǎng)位置的變動更大一些。

本研究中，蝦蟹類的營養(yǎng)級甚至超過小黃魚和褐牙鲆Paralichthys olivaceus等底棲浮游生物食性的魚類，Du等[38]通過EvE模型證明了蝶形目、石首魚科魚類與蝦類的營養(yǎng)級相近，與本研究結(jié)果一致；鯔魚是因為在本研究中的體長規(guī)格過小，導致營養(yǎng)級較低，但體型相差不大的赤鼻棱鳀Thryssa kammalensis和黃鯽Setipinna taty的營養(yǎng)級卻高于鯔魚，可能與鳀鯡科魚類攝食底層蝦類比例較高有關(guān)。在本次調(diào)查所采集樣品中，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)諸如鮟鱇目的頂級消費者，這與近年來江蘇近海被污染的水域環(huán)境和不斷簡化的食物網(wǎng)密切相關(guān)[39]，在中國的各大海域也均有報道[14–15]。類似的情況在長江口海域也有出現(xiàn)[14,35]。

5 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，呂泗漁場近岸海域夏季主要生物的潛在碳源主要是浮游植物和SOM，其中浮游植物的貢獻率占比最大，達到58.7%。POM的碳源貢獻存在較大不確定性，這與海域pH、溫度、鹽度等環(huán)境因子密切相關(guān)。疊加這3種潛在碳源作為基準值計算得到的生物營養(yǎng)級低于傳統(tǒng)營養(yǎng)級，且大多數(shù)蝦蟹類的營養(yǎng)位置發(fā)生了改變，表明了這種疊加效果的影響可能更適用于低營養(yǎng)級的生物種類，而以單一物種為基線生物可能更適用于中、高營養(yǎng)級的生物種類。