北部灣魚類碳、氮、磷生態(tài)化學計量特征

王才廣,朱 亮,黃亮亮,2,*,劉 昊,3,胥 鵬,Rad Saeed,吳志強

1 桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院,桂林 541004

2 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協同創(chuàng)新中心,桂林 541004

3 廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室,桂林 541004

4 廣西北部灣海洋生物多樣性養(yǎng)護重點實驗室(北部灣大學),欽州 535011

生態(tài)化學計量學是研究碳(C)、氮(N)和磷(P)平衡以及元素平衡理論對生態(tài)交互作用的影響,它將生物體的生態(tài)功能與其元素組成或化學計量比聯系起來[1—3]。目前,國內研究主要集中在C、N、P元素循環(huán)[4—5]、生物養(yǎng)分限制判斷[6]及C、N、P生態(tài)化學計量學特征對植物生長的指示性作用[7—10]等方面,有關魚類生態(tài)化學計量學研究偏少。近幾年國內研究人員在水生生物如浮游動物、底棲動物及魚類也有相關研究,但相對較少。如陳蕾[11]、蘇強[12]等對浮游動物化學計量學穩(wěn)態(tài)性特征開展研究并進行總結;蔡永久等[13]研究了長江中下游淺水湖泊常見底棲動物碳、氮、磷化學計量特征;Huang等[14]、李培培[15]、孫培英[16]和朱利明等[17]分別對黃海鳀魚、千島湖鰱、鳙、長江口中國花鱸和斑尾刺蝦虎魚及三峽水庫小江流域魚類的生態(tài)化學計量特征開展研究。另外,王芳等[18]綜述了水域生態(tài)系統生態(tài)化學計量學研究進展。與此同時,國外學者如Saara M?kelin等[19]、Priscilla Le Mézo等[20]、Jacob E.Allgeier[21]等對不同海域魚類及無脊椎動物的生態(tài)化學計量學開展系列研究,并提出構建全球海洋魚類及無脊椎動物生態(tài)化學計量學數據庫倡議。截至目前,我國尚無系統的近岸海域生態(tài)系統生態(tài)化學計量學研究數據,而全球生物地球化學循環(huán)的計量需要世界各海區(qū)(包括中國海區(qū))的數據積累,為生態(tài)化學計量學理論提供海洋案例的補充。魚類作為海域生態(tài)系統的主要消費者,在生態(tài)系統的物質循環(huán)中起重要作用,消費者自身的 C、N、P 含量反映其對不同元素的需求比例,消費者和食物的營養(yǎng)比例不平衡會影響生物體新陳代謝、生長、繁殖乃至整個種群的生態(tài)過程[22—23]。魚類生態(tài)化學計量學研究大多基于動態(tài)平衡理論和生長速率假說[23—24]。動態(tài)平衡理論認為面對多變的環(huán)境,生物可以保持相對恒定的營養(yǎng)成分[3],超過生物需要的元素含量則被生物過程排出體外,而那些限制供應量的元素被保留[25];生長速率假說認為環(huán)境(包括餌料)C∶N∶P 的變化能影響有機體的生長速率,進而影響其種群分布特征。反之,生物為適應生長速率的改變會調整其C∶N∶P比值[26]。迄今為止,魚類生態(tài)化學計量學研究多聚焦闡明元素組成與大小或年齡的關系。此外,食性也可能對生物體的營養(yǎng)成分有重要影響[19,27—31]。

北部灣(105°40′—110°10′ E、17°00′—21°45′ N)作為南海北部重要水域,屬于熱帶和亞熱帶半封閉海灣,其三面環(huán)陸且海底呈扇形向南部陸架海洋敞開,平均水深38 m,最大水深不超過100 m,水深由北向南、自岸向中逐漸加深,沿岸有大型河流紅河等注入,區(qū)域降水豐沛。灣內地形地貌及底質特征復雜,魚類資源豐富[32]。北部灣魚類研究主要集中在經濟魚類生物學特征[33—35]、漁業(yè)資源調查及動態(tài)分析[36]等方面,缺乏系統的海域生態(tài)系統生態(tài)化學計量學研究數據。因此,本研究以北部灣海域作為研究區(qū)域,系統研究該海域魚類生態(tài)化學計量特征及其影響因素,豐富我國沿海魚類生態(tài)化學計量學數據,為海洋生物地球化學循環(huán)及漁業(yè)資源的保護和管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置和采樣時間

本研究在廣西、廣東、海南三個省(區(qū))共布置了9個采樣站點,其分別為北部灣海域近岸城市(即企沙、北海、江洪、企水、徐聞、?？凇遵R井、八所和崖州)的大型漁港(圖1)。魚類樣品于2021年3—4月在各個漁港購得,經現場分類鑒定后冰凍運往實驗室進行后續(xù)處理。

圖1 北部灣樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the Beibu Gulf

1.2 樣品處理和元素測定

物種鑒定參考《中國海洋魚類》[37]和《北部灣魚類圖鑒》[38]。所有魚類個體解凍,并用去離子水清洗后,測量全長、體長(±1 mm)及體重(±0.1 g),魚體內臟含有大量富含C的脂質和富含N的蛋白質,且不同物種差異較大[39—40],為了標準化魚類的潛在偏差,本研究魚體內臟均被去除[23,41—42]。用研磨機搗碎魚體,經冷凍干燥后磨碎混勻過篩(60目),待上機測定。稱取2.5—4.0 mg干燥樣品,采用元素分析儀(型號EA2400Ⅱ)進行C、N測定;稱取0.2—0.5 g干燥樣品,加入混合酸7 mL(HNO3∶H2O2=5∶2%)微波消解,消解后于加熱板(100 ℃)上趕酸30 min,冷卻后定容至50 ml,采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(型號Opetima 7000DV)進行Ca、P測定,Ca和P的回收率是90%—110%。C、N、P 、Ca含量的結果為干質量百分比(%),C∶N、C∶P、N∶P 比為元素的摩爾比。

1.3 數據分析

運用Excel 2016對數據進行預處理,SPSS 23.0軟件進行數據統計分析,OriginPro 2021作圖。首先對所有魚類樣品的C、N和P含量及其比值進行基本統計分析,正態(tài)分布檢驗采用K-S檢驗(Kolmogorov-Smirnov test)并作正態(tài)直方圖觀察其正態(tài)分布趨勢,不同種類的 C、N、P 含量用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較;通過多元方差分析(MANOVA)不同種類元素比值的差異顯著性,鑒于C∶N、C∶P、N∶P 相互之間并不獨立,當 MANOVA 分析顯示有顯著性差異時,再用 One-way ANOVA分別對元素比值進行比較。為分析元素含量及比值之間的關系,用Pearson相關分析和一元線性回歸分析其相關性及其數據變異的解釋量。統計分析前,元素含量和比值分別進行對數(lg)轉換。

2 結果與分析

2.1 魚類不同種類元素組成

本研究共采集魚類79種382尾,隸屬14目39科61屬,根據食性分為草食性、濾食性、雜食性和肉食性四大類(附表1)。魚類元素含量變化較大(表1),C、N、P含量的變化范圍分別為33.87%—58.34%、6.31%—14.92%和0.77%—4.67%,變異系數分別為8.71%、13.60%和36.10%,三種元素含量的變異系數由大到小排列均為P >N >C(圖2)。P含量變化較大也導致了C∶P和N∶P變幅較大(變異系數分別為40.30%和39.23%),其最大值可達最小值的9倍和6.7倍。相反,C∶N的變幅較小(變異系數為20.19),其最大值僅為最小值的2.8倍。

附表1 北部灣魚類基本情況Supplementary Table 1 Basic situation of fish in the Beibu Gulf

表1 不同食性魚類碳、氮、磷元素含量和比值Table 1 C,N,P contents and ratios of fishes in different feeding habits

圖2 魚類碳、氮、磷元素含量和比值頻數直方圖(n=382)Fig.2 Frequency histograms of C,N,P,C∶N,C∶P and N∶P in fishes (n=382)

主成分分析法(PCA)分析了北部灣79種魚類的C、N、P含量及其比值之間的關系(圖3),主成分的解釋率為81.1%,物種之間存在顯著差異,尤其在科間的差異較大如蝦虎魚科、帶魚科、鲾科、蛇鰻科和石首魚科。物種在科內的距離較近,差異性較小。

圖3 北部灣魚類與碳、氮、磷元素含量和比值之間的主成分分析(PCA)圖Fig.3 Principal Component Analysis (PCA) diagram of the contents and ratios of C,N and P among fishes from the Beibu Gulf

2.2 不同體型魚類生態(tài)化學計量特征

將魚類體型分為側扁型、帶型、紡錘型、鰻型、平扁型和鲀型6類(附表1),方差分析結果表明不同體型魚類的C、N、P含量及比值具有顯著差異(P<0.05)(圖4)。帶型魚類C含量顯著高于其他體型魚類,平扁型魚類C含量顯著低于其他體型魚類;鲀型和平扁型魚類N含量顯著高于其他魚類;側扁型、紡錘型和平扁型魚類P含量高于帶型、鰻型和鲀型魚類;側扁型和帶型魚類C∶N最高,紡錘型和鰻型次之,平扁型和鲀型最低;帶型、鰻型和鲀型魚類C∶P顯著高于側扁型、紡錘型和平扁型;鲀型和鰻型魚類N∶P最高,側扁型和紡錘型最低。

圖4 不同體型魚類碳、氮、磷元素含量和比值箱線圖Fig.4 Box diagram of the contents and ratios of C,N and P in fishes with different body shapes

2.3 不同食性魚類生態(tài)化學計量特征

方差分析結果表明不同食性魚類的C含量、N含量、P含量、C∶N和C∶P具有顯著差異(P<0.05)(圖5)。雜食性魚類的C含量和C∶P顯著低于草食性、濾食性和肉食性魚類;濾食性和雜食性魚類N含量最高,肉食性魚類次之,草食性魚類最低;草食性和肉食性魚類C∶N顯著高于濾食性和雜食性魚類;雜食性和肉食性魚類P含量顯著高于草食性和濾食性魚類;N∶P在各食性魚類之間無顯著差異(P>0.05)。

圖5 不同食性魚類碳、氮、磷元素含量和比值箱線圖Fig.5 Box diagram of the contents and ratios of C,N and P in fishes with different feeding habits

2.4 魚類生態(tài)化學計量特征相關性

北部灣魚類P含量和C含量呈顯著負相關關系(R2=0.296,P<0.01);C∶N和N含量、C∶P和P含量、N∶P和P含量均呈顯著負相關關系(R2=0.782,P<0.01;R2=0.966,P<0.01;R2=0.877,P<0.01);C∶N和C含量、C∶P和C含量、N∶P和C含量、N∶P和N含量呈顯著正相關關系(R2=0.388,P<0.01;R2=0.472,P<0.01;R2=0.160,P<0.01;R2=0.286,P<0.01)(圖6);C∶P和P含量、N∶P和P含量的相關性最強(R2>0.8),說明北部灣魚類C∶P比和N∶P比變化主要由P含量變化決定。

圖6 北部灣海域魚類碳、氮、磷含量及其比值的相關性分析Fig.6 Correlation analysis results of relationships between C,N,P contents and their ratios of fishes from the Beibu Gulf

食性 Feeding habits指標 IndexCNPC∶NC∶PN∶P草食性C1-0.11-0.4440.4450.586?0.464HerbivoresN10.554?-0.939??-0.521?-0.03P1-0.653??-0.986??-0.848??C∶N10.673??0.187C∶P10.853??N∶P1濾食性C10.647-0.758-0.3730.827?0.928??PlanktivoresN1-0.137-0.949??0.230.592P1-0.147-0.994??-0.880?C∶N10.062-0.336C∶P10.919??N∶P1肉食性C1-0.179??-0.525??0.623??0.675??0.381??CarnivoresN1-0.261??-0.881??0.187??0.576??P1-0.045-0.982??-0.939??C∶N10.176??-0.275??C∶P10.898??N∶P1雜食性C1-0.085-0.672??0.599??0.772??0.565??OmnivoresN1-0.25-0.849??0.1980.524??P1-0.156-0.989??-0.955??C∶N10.251-0.121C∶P10.930??N∶P1

不同食性魚類C∶P和C含量均呈顯著正相關關系(P<0.05);不同食性魚類C∶N和N含量、C∶P和P含量、N∶P和P含量呈顯著負相關關系(P<0.01)(表2)。

2.5 魚類Ca和P的化學計量關系

相關性分析發(fā)現,北部灣魚類Ca含量和P含量呈顯著正相關關系(R2=0.919,P<0.01),P含量隨著Ca含量的增加而增加(圖7)。

圖7 魚類鈣磷含量相關性分析Fig.7 Correlation analysis results of between Ca and P in fishes

3 討論

3.1 北部灣魚類元素組成與變化特征

北部灣魚類的C、N、P元素含量變化較大(圖2),而與C含量和N含量相比,P含量變幅更大(變異系數P >N >C)。不同魚類骨骼和鱗片的種間分布差異和富含C和N的內臟被去除導致P含量變化較大,C、N含量變化較小。李培培[15]、孫培英[16]分別對千島湖和長江口魚類的生態(tài)化學計量特征研究發(fā)現,魚類P含量的變化均高于C和N含量的變化。國外學者在委內瑞拉熱帶溪流的研究中也發(fā)現魚類體內的 C、N 含量變化較小,而P含量變化較大[43]。一般認為,魚類化學計量在物種水平上差異很大,尤其是P含量水平上[31]。Hendrixson等人[44]提出魚體P含量與系統發(fā)育存在緊密聯系,P含量是物種間重要的特征,是導致魚類元素組成多樣化的重要因子。

研究表明魚類科級分類水平是生態(tài)化學計量學最佳的預測因子,魚類生態(tài)化學計量特征在科級水平上差異較大[45—47]。主成分分析(PCA)發(fā)現北部灣魚類物種在科間差異較大,科內差異較小(圖3)。魚類生態(tài)化學計量上存在系統發(fā)育印記,不同物種間營養(yǎng)成分的模式為生態(tài)化學計量學模式增加了額外的、潛在的基于系統發(fā)育的變異,如熱帶魚類生態(tài)化學計量變化(特別是磷含量)在科之間比在科內部變化更大[42,44]。營養(yǎng)物質的濃度(特別是磷)在不同物種間大不相同[44,48—49],可能與不同物種在向骨骼和鱗片分配營養(yǎng)物質方面的差異有關。

3.2 北部灣不同體型魚類生態(tài)化學計量特征差異

生物體元素組成差異很大程度上取決于其對關鍵部位的富集,如植物富含C的纖維素和木質素,節(jié)肢動物富含C和N的甲殼素和肌肉及脊椎動物富含P的骨骼等,這些部位在不同生物體之間分布和占比不同,結構和形態(tài)差異顯著[26,50]。魚類體型較其他脊椎動物更為多樣化,其化學計量特征可能會隨體型變化較大,因為其肌肉、骨骼和鱗片等組織在不同體型魚類之間分配不同[24],且組織結構特征復雜多樣。本研究不同體型魚類的C、N、P含量及比值均存在顯著差異(圖4),尤其是鰻型魚類N∶P顯著高于其它體型魚類,主要因鰻型魚類有較小的表面積/體積、頭部/全長比例,頭部骨骼含P量較大,身體肌肉含量豐富,且鰻型魚類體表無鱗。這與Tanner等[2]的研究結果類似,即細長的魚類具有較高的N∶P。本研究發(fā)現鲀型魚類有較高的N含量和較低的C含量,與徐羊羊等[51]研究發(fā)現兔頭鲀屬于高蛋白、低脂肪魚類結果相吻合。另外,本研究還發(fā)現C含量較高的體型魚類P含量較低(高C∶P),再次驗證了魚類C含量與P含量呈負相關(圖6)。

3.3 北部灣不同食性魚類生態(tài)化學計量特征差異

自然界食物資源的可獲得性是高度可變的。海洋魚類食物來源廣泛、種類繁多,食物化學計量差異很大。因此,魚類生態(tài)化學計量的種間差異可能歸咎于食物來源的差異[19]。消費者利用不同的食物來源來滿足其能量和營養(yǎng)需求[30]。例如,以高質量肉食動物為食的動物比以低質量草食或腐食為食的動物具有更高的N%或P%和更低的C%[30—31];Hendrixson發(fā)現淡水魚類P含量與食性相關,肉食性魚類P含量顯著高于雜食性魚類和草食性魚類[44];在許多魚類中,以C∶N為代表的脂質含量隨著食物濃度的增加而增加[52],并且當食物現存量高時,消費者能獲得更多的脂質。另外,C∶N∶P含量在不同生物類群體內積累存在差異,研究發(fā)現從藻類到浮游動物再到魚類,C∶P值的平均值隨營養(yǎng)級降低[53]。

北部灣水域水質特征復雜多樣,餌料來源豐富。水體營養(yǎng)狀態(tài)會影響基礎資源和餌料的組成,進而直接或間接影響消費者的元素含量。研究表明基礎資源質量的變化限制了較高營養(yǎng)級的元素含量,其變化不僅影響初級消費者,還影響多個營養(yǎng)水平[53],如水體富營養(yǎng)化可影響雜食性魚類的化學計量特征[19]。雜食性魚類的化學計量比隨著浮游植物數量和質量的變化而變化,而浮游植物的數量和質量受到營養(yǎng)物質和光線的調節(jié)[54]。因此,生物生態(tài)化學計量學的變化比生物特征的變化更有可能反映環(huán)境條件的變化,而環(huán)境條件的變化影響了消費者食物或基礎資源中元素的可獲得性。因此動物的元素組成比最初認為的更靈活,動態(tài)平衡更少[55]。盡管單個魚類物種可能以穩(wěn)態(tài)的方式調節(jié)其自身化學計量,但并非所有魚類都具有相同的元素組成。相反,不同物種的各種元素含量差異很大,尤其是磷[31]。

3.4 北部灣魚類C、N、P含量及其比值關系

北部灣魚類C∶P和P含量、N∶P和P含量均呈顯著負相關關系(R2=0.966,P<0.01;R2=0.877,P<0.01);各食性魚類的C∶P和P含量、N∶P和P含量也均呈顯著負相關關系(P<0.01)(圖6,表3)。研究發(fā)現底棲動物體內N∶P和P含量呈顯著負相關關系[13](r=-0.795,P<0.001);三峽水庫小江流域魚類肌肉的C∶P和P含量、N∶P和P含量都呈顯著負相關關系[36](r=-0.971,P<0.01;r=-0.911,P<0.01),本研究結果與之相似。在脊椎動物的成長過程中更多的磷被用于骨骼的形成,因此,隨著個體大小的增加,全身的磷含量可能會增加,導致C∶P和N∶P下降[56]。

3.5 北部灣魚類Ca和P的化學計量關系

北部灣魚類P含量與Ca含量呈顯著正相關性(圖7)。P含量的變化與魚類骨骼和鱗片的形成有關,脊椎動物骨骼中的主要礦質元素(Ca,P)在其營養(yǎng)生理中起著重要作用,說明脊椎動物對礦質元素的需求也會影響生態(tài)系統的養(yǎng)分循環(huán)。魚類骨骼主要是由羥基磷灰石構成,其鈣磷摩爾比為2.16:1[57],從海洋魚類到淡水魚類,其骨骼中Ca含量占魚體總Ca含量的79%—95%[23]。魚類體型和鱗片類型可以部分解釋魚類的磷含量較低,如鯉科和鮭科魚類身體呈紡錘型,具有軟鰭條和體被圓鱗;而磷含量較高的太陽魚科和鱸科魚類,身體常呈側扁型,具有硬棘和體被櫛鱗,或者具有高度骨化的頭骨[2,47]。因此,骨骼和鱗片的差異可導致魚體磷濃度的顯著變化。另外,魚類個體大小可以通過骨骼異速生長來改變其元素組成,因為骨骼占體重的比例隨著個體增大而增加[46,56]。脂質含量、肌肉占比和個體大小等特征也會影響元素組成[56—58]。富含碳的脂質和富含氮的肌肉含磷量少,因此脂質和肌肉的增加會稀釋全身磷的比例。Vrede等[24]研究發(fā)現全魚的P含量為3.06%,肌肉的P含量為0.94%,全魚的P含量高于肌肉的3倍多;李培培[15]研究千島湖鰱鳙發(fā)現,P、Ca含量均為頭骨>鰭條>鰓>魚骨>魚皮>肌肉,而C含量為肌肉>魚骨>魚皮>鰓>鰭條>頭骨。因此,魚類肌肉、骨骼、鱗片和其他組織的占比不同可導致魚類生態(tài)化學計量特征的種間差異。

4 結論

本研究結果表明北部灣魚類的生態(tài)化學計量特征存在顯著的種間差異,P含量和Ca含量呈顯著正相關;魚類體型和食性不同導致魚類生態(tài)化學計量特征存在顯著差異,且魚類并非保持嚴格的生態(tài)化學計量平衡。北部灣水域面積寬闊,環(huán)境特征復雜多樣,魚類群落結構具有顯著的時空差異特征[59—61]。因此,后續(xù)研究將深入探討魚類生態(tài)化學計量特征的時空差異,并結合水生植物、浮游生物、無脊椎動物和水體等生態(tài)化學計量特征,探究不同生物體內的生態(tài)化學計量特征差異及其與生態(tài)因子的關聯,為北部灣海域生態(tài)環(huán)境的保護和治理提供理論支持。