穩定碳同位素在海洋生態學上的應用

高全賀 高孟春 彭艷超 吳斌斌

（1、中國海洋大學，山東 青島 266000 2、珠海海洋環境監測中心站，廣東 珠海 519015）

1 國內外研究進展

利用穩定碳同位素可以研究海洋生物地球化學過程、全球海洋通量、研究全球碳循環和全球氣候變化。穩定碳同位素作為一種有效的手段在生物地球化學的研究中有著廣泛的應用：1947年Urey發表了關于同位素物質的熱力學性質的文章，奠定了現代同位素地球化學的基礎。穩定同位素生物地球化學領域的早期工作實際上還屬于探索性的調查，因為那時人們對各種各樣的生物物質和地球物質的同位素組成知之甚少。

穩定同位素研究的一個重要的突破發生在1960年前后，光合作用還原二氧化碳可以在不同程度上示蹤新陳代謝的產物的發現。穩定同位素方法在經歷了示蹤分子的相對反應速度、同位素分餾的機理等基本原理的研究后轉向研究生物地球化學領域的具體問題。

20世紀80年代以來，國際學術界執行了一系列全球性的大型國際海洋研究計劃。在這些計劃的發展過程中，人們認識到海洋的諸多過程與生物資源變化密切相關，于是，多學科交叉綜合研究成為海洋生態學發展的生長點。穩定碳同位素法正是應這種需求應用于生態系統研究中。

1952年利用14C標記測定初級生產力的方法開始推廣應用于海洋調查。以穩定同位素13C作為示蹤技術在海洋生態系研究食物鏈網和能量流，了解食物鏈網的營養結構，揭示生態系中營養物質的循環與能量轉換規律，逐漸受到國內外學者的重視。

近海生態系統中水體生物事物網的營養結構，其物質和能量的流動過程也都是生態學家十分關注的問題，它不但有重要的理論意義，而且與生物資源的進一步開發密切相關。但是，傳統的食性分析法極其繁雜。穩定同位素方法從另一角度為研究營養關系提供了定量指標。這一方法的基本前提是動物與其食物之間具有一種固定的同位素關系。

2 穩定碳同位素的測定方法

2.1 樣品的預處理過程

常規的有機碳穩定同位素比值分析主要包括3個過程：(1)有機物的氧化分解(燃燒過程)，(2)干擾物質的去除，(3)碳同位素比值的質譜分析。對碳穩定同位素而言，就是要將樣品中的碳組分轉化成二氧化碳。樣品的預處理過程也就是將樣品轉化成可供質譜儀測量的純凈氣體的過程。樣品中有機碳穩定同位素的測定預處理步驟主要包括樣品的采集與保存、干燥、粉碎、氣化、純化過程等。

目前常用的有兩種方法：(1)真空熱解法。將所測樣品裝入石英管中，加入適量的CuO、Cu以及Ag或Pt作催化劑，抽真空密封后在800℃下反應2h。最后，采用冷凍分離和冷凍吸附法提純并分離出供質譜分析用的CO2。(2)濕式氧化法。對碳同位素測定因其回收率不如燃燒法，目前已基本不采用此法了。

2.2 質譜儀分析

應用質譜儀測量被測生物與標準物質之間的碳穩定同位素比值的差，以國際通用的“δ“標記法表示。詳細內容可參考有關文獻。

3 穩定碳同位素在生態系統研究中所解決的問題及其應用前景

對生態系統尤其是海洋生態系統的研究在國內外均起步較晚，直到20世紀60年代后期有關海洋生態系統結構、功能、食物鏈和生物生產力等方面的研究才逐漸增多。20世紀80年代以來社會發展和科學進步為海洋科學發展提供了新的機遇，產生了一系列全球性的大型國際海洋研究計劃。目前穩定碳同位素方法應用于生態系統研究主要集中在以下幾個方面。

3.1 研究生態系統的碳源及能量來源

樣品有機碳的穩定同位素組成用于研究生態系統的碳源及碳循環。主要包括以下研究內容：

3.1.1 動物的食性分析。傳統研究食性的方法是消化道內含物分析法。有機碳的穩定同位素組成方法所取的樣品是生物身體的一部分或是全部，通過其穩定同位素組成來確定其食性和食物來源，所得到的數據反映的是生物長期生命活動的結果，較消化道內含物分析法穩定準確。

3.1.2 生態系統的碳源。應用同位素方法研究何種來源的碳驅動了食物網，這類研究包括了各種不同的生態系統，諸如河口區生態系統，海洋環境，湖泊生態系統。

3.1.3 系統中的能量流動。通過測定生態系統中各種屬的穩定碳同位素組成，確定各種屬之間的相互關系，進一步分析確定系統的能量流動。

3.2 生態系統各生物種屬所處的營養位置及營養結構

Fry和Quinones用以粒度篩分的浮游動物樣品來驗證中型浮游動物群體生物量的減少是否伴隨有營養層次的增加，結果表明除新陳代謝因素以外，營養動力學對于控制浮游生物群落生物量減少的模式是重要的。Wada等在用同位素資料評價河口區有機質的傳遞與歸宿以及食物網結構時，認為可以用陸源有機質和海洋源有機質的混合而得到清楚的解釋。

3.3 生態系統穩定性變化的研究

生態系統穩定性變化的研究天然或人為造成的生態系統結構和功能的變化是一個廣泛感興趣的問題。生態系統結構和功能的變化可以反映在其組分種屬的營養級中。營養級的變化表示了生物攝食能量學或從初級生產者到消費者的能流途徑的改變。在某些特定條件下，同位素示蹤方法也可用于研究魚、蝦的遷移。

4 應用前景

現在穩定同位素與其他方法相結合，已應用于海洋生態系統的很多研究領域，其應用前景十分廣闊。以下的研究課題將是近幾年的研究熱點：

4.1 針對近年來越來越嚴重的水體富營養化和赤潮危害進行研究，應用穩定同位素示蹤赤潮主要種的發展變化，可以研究赤潮的產生機理、發展過程和對水體及生態系統各營養層次的影響，赤潮消失原因及對赤潮的預防。Stree和Montagna曾對得克薩斯LangunaMadre發生的赤潮進行穩定碳同位素分析，但他們是研究赤潮發生后生態系統相應的變化及如何保持生態系統的穩定性。

4.2 經濟價值高的頂級捕食者對具有生物放大與積累作用的陸源污染物是十分敏感的利用這一特性，天然存在的碳穩定同位素可以成為陸源污染物在食物鏈上傳遞、放大和積累的指示劑，是一種新的定量估計陸源污染物的現場生物放大作用的方法，與常規的污染調查相結合來研究陸源污染物的擴散運移規律以及在食物網中的生物放大與積累作用，可為環境污染的綜合治理提供科學技術支持。

4.3 應用雙穩定同位素示蹤劑對1個特定海洋生態系統中關鍵種的研究，可以定量地計算不同食物來源的比例，有助于弄清該關鍵種在生態系統物質與能量流動中的作用，并在復雜的食物網中建立起連續的營養位置(trophic position)，而不只是離散的營養級(trophiclevel)在生態轉換效率實驗研究中，同時測定碳、氮同位素組成，除建立物質(能量)總量平衡方程式之外，還可以建立碳、氮同位素質量平衡方程式在這種聯立方程式基礎上求解，有助于提高研究成果的可靠性。

4.4 在實驗室受控條件下，測量動物在食性轉換過程中動物肌肉組織碳同位素組成的相應變化過程，可能用于研究在更為復雜的現場條件下動物的食性轉換過程。

4.5 采用GC-C-IRMS新技術研究有機分子化合物系列的穩定同位素組成在生物體內的分布，進而了解生物對營養物質的吸收過程，為我們更好地了解生物新陳代謝過程提供1個行之有效的方法。

[1]洪阿實，同位素海洋學的發展：回顧與展望[J]海洋環境科學，1994，13(1):53-56

[2]Urey H C.The therm odynamic propertie of isotopic substances.[J]J Chem Soc,1947,p 1:562～581

[3]蔡德陵、張淑芳、張經，穩定碳、氮同位素在生態系統研究中的應用 [J]。青島海洋大學學報2002，32（2）：287-295