碳、氮穩定同位素在構建海洋食物網及生態系統群落結構中的研究進展

張碩 ，高世科，于雯雯 ，李士虎

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.江蘇省海洋水產研究所，江蘇 南通 226007；3.淮海工學院海洋生命與水產學院，江蘇 連云港 222005）

通過生態系統中的能量傳遞，生物之間形成了一種錯綜復雜的關聯性，并在彼此之間構成直接、間接的網絡結構，稱為食物網[1]。相對于陸地生態系統，海域生態系統中的食物網結構常被用于連接海陸生態系統間的能量流動和物質轉化，是生態學研究的一個重要領域[2，3]，而群落結構和消費者營養級的確定是其不可分割的一部分[4]。傳統海洋生物的食性研究是通過分析胃腸道中的食物組成及數量來確定其營養級[5]，或者通過生物標志化合物分析法等[6]，但這些方法均存在較大局限性，無法準確體現不同消費者的營養級，成為阻礙該領域發展的重大障礙。

近年來，穩定同位素技術被用于分析生態系統中的能量流動和物質交替變化[7-8]，通過在食物鏈中富集度較低的碳（δ13C）穩定同位素比值來追溯捕食者食物的來源，利用氮（δ15N）穩定同位素在營養級間相對穩定的富集度來計算生物的營養級[9]。穩定同位素技術的優點在于克服了以往方法的復雜性和單一性[10]，對了解生態系統中元素循環、物質能量循環提供了極大幫助。在海洋生態系統中，碳（δ13C）、氮（δ15N）穩定同位素主要用于構建食物網、確定營養級以及分析生物的食性來源，綜合考慮了初級生產者到頂級消費者在食物網中的營養級時空變化及各層級消費者的食性特征及作用[11]。

Urey等[13-14]在1936年首次用化學交換法富集了13C，15N和34S等穩定同位素，于1947年發表了熱力學相關文章，為現代同位素地球化學提供了理論基礎；至20世紀50年代后期，科學技術的進步和更新使得穩定同位素技術得到迅速發展[15，16]；1987年，Peterson等[10]發表了一篇穩定同位素在生態系統中的研究報告，引起學術界的極大關注；2002年，Phillips等[16]提出IsoSource模型在生態環境中的應用，給出了同位素定源貢獻的范圍。此后該模型被廣泛應用于解決生態系統食物網的食物來源和營養級等問題層面。我國針對穩定同位素技術的研究起步稍晚，20世紀80年代以來，一系列大型國際涉海計劃的實施使得穩定同位素在海洋生態系統的研究日益增多[18-19]。1999年，蔡德陵等人[20-21]首次基于穩定同位素技術構建嶗山灣海洋生態系統的食物網結構，此后，我國各大海域、港灣及漁場的食物網基礎構建及營養級確定成為重要研究對象[22-24]。可見，穩定同位素已然成為構建海域生態系統食物網、探究營養級及其動態關系的一種重要手段。

1 穩定同位素技術在食物網結構和生物營養級方面的應用

作為食物網基礎研究的重要指標之一，營養級不僅反映物種群落結構的變化，還是用于海洋生態評價及效果評估的重要依據[24]。因此，在海洋生態系統中，不同生物營養級的確定及物質循環、能量傳遞對食物網的構建起到至關重要的作用[25]。

Otsuki等[26]最早將碳、氮穩定同位素技術應用于生態學中。近年來，在淡水湖泊、江河、海洋中相繼出現食物網構建及營養級確定的相關報道[28-29]。食物網中的生物營養級（Trophic Level,TL）計算公式[29]如下所示：

式中，δ15Nsample為系統消費者氮穩定同位素比值；δ15Nbaseline則為該系統基準生物的氮穩定同位素比值；TEF為營養級的富集度（Trophic Enrichment Factor）；2是基線生物的營養級。

基線生物一般選擇營養級較低的初級消費者，而選取的不同將導致營養級產生差異，常見的有浮游動物[30]、貽貝[31]、毛蚶[32]、縊蟶[33]、櫛孔扇貝[22]等；不同學者也使用各基線生物營養級的均值來計算[35-36]，但這些動物的數據單一且變動太大，導致結果無法得到精確。此外，不同海域所對應的基線生物不同，亦或是海域食物網的構建需要以多個基線生物為基礎，目前尚無統一結論。因此，基線生物的確定仍需要標準化和規范化。

動物組織中的δ15N容易在體內富集，營養級越高，其δ15N值也越大。Peterson[10]通過室內模擬生物生長試驗得到營養級富集度為3.4‰；蔡德陵等[31]通過人工培養鰻魚試驗得到營養級富集度為2.5‰；閆松光等[32]在2014年取二者均值2.95‰，并于2016年由Qu等進行了檢驗和校正，仍確定為2.5‰[23]。這3個值計算營養級的結果存在差異，與海域環境、食性來源和生物體長密切相關[36]。營養級富集度的確定是一個長期的過程，畢竟不同生物體內的營養級富集度可能有所差異，在今后還需要加進試驗方面的研究。

迄今為止，碳、氮穩定同位素技術已經頻繁出現于國內外海洋食物網基礎和營養級的報道中。Du等[37]沿用質量平衡建模和穩定同位素技術構建了亞熱帶海灣的營養結構，發現使用質量平衡建模得出的結果數值偏低；Bin等[38]使用碳、氮穩定同位素技術分析并討論了佐格濕地夏季水生生物群落食物網結構特征，得出該群落內各個生物的δ13C和δ15N數值存在較大差異。營養級的差異性與生物體長規格密切相關，種內差異現象甚至超過種間差異[39]，使得構建食物網基礎和確定生物營養級仍存在較大外延拓展的研究空間。

2 穩定同位素技術在食性來源方面的應用

穩定同位素方法是根據消費者穩定同位素比值與其食物同位素比值相接近的原則來判斷生物的食物和有機質來源[40]，確定不同的動物類群、消化率和水文條件，進而確定食物貢獻。多數海洋生物在個體發育階段存在一次甚至多次的食性轉變現象[35]，Willis等[41]運用碳、氮穩定同位素技術探究了緬因州近岸海灣魚類種群可能的食物來源，發現食性轉變現象不僅與生物所處環境相關，還與生物不同發育時期、個體大小有關[42]。因此，早期有學者提出食源貢獻比例的方式來計算生物的食物來源[43]，Phillips等[16]使用貝葉斯模型（Baysian isotope mixing model）加強改進了IsoSource軟件，為同位素數據的處理和分析提供了有效手段。該軟件運用n種同位素確定n+1種食物來源，計算公式如下：

式中，δ13Nconsumer為消費者的某一種穩定同位素比值，δ13NA、δ13NB和 δ13NC分別為生物 A、B 和 C 的某一種同位素比值，FA、FB和FC分別為3種可能的食物來源A、B、C的貢獻比。

近年來，國內外碳、氮穩定同位素技術被廣泛運用在淡水、海域等不同水體的生態系統之中。Chen等[44]利用穩定同位素技術構建了澳門濕地的食物網基礎，發現該地魚、蝦、蟹物種的食性來源主要包括有機碎屑、底棲動物和腐殖質等；Lamontagne等[45]利用貝葉斯模型研究了半干涸河口3種主要魚類的食性來源，闡明在河流有機物質輸入缺乏的情況下，通過海洋內源輸入也有助于維持河口生態系統；Willis等[41]探究了緬因州近岸海灣魚類種群可能的食物為浮游生物、底棲動物、甲殼類及小型魚類等，為該海域食物分布的時空結構變化提供了基礎數據和理論參考。

3 穩定同位素技術在營養群落結構方面的應用

海洋食物網與水環境間的物質循環及能量流動，海洋生物能夠相互依存、相互制約[22，29]。通過海洋生物的營養群落結構、時空分布及群落多樣性等，為海域生態環境及生態系統評價提供了基礎資料[46]。目前，穩定同位素技術的成熟使其被廣泛應用于生態系統食物網構建及營養關系動態變化等研究領域[49-50]，對全面開展海洋生物食物網的研究工作及了解海洋生物群落結構具有重要意義。

穩定同位素技術在量化指標上的應用成為一種趨勢。量化指標不僅能預測中小范圍內的系統結構變化[49]，還能定量分析海洋生態系統的營養群落結構變化[29]。Layman等[50]在2007年提出了δ13C-δ15N的二維坐標，計算了6個營養結構的量化指標，以坐標系中的散點代表群落內各物種的生態位。“δ空間”被定義為同位素生態位，用以劃分生物在營養級上的細小差別[50]。

目前，有不少國內外學者對不同海域的生物群落結構、群落多樣性做了研究和報道。紀煒煒等[51]利用穩定同位素生態位的方法分析東海北部海域內主要游泳動物營養結構的季節性變化，證明該海域生物群落的食源多樣化與營養冗余程度密不可分；Beld等[47]使用定量穩定同位素方法研究了維多利亞湖食物網結構的異質性，發現雜食性魚類以無脊椎動物為食源，群落的營養結構與季節變化、空間分布密切相關；Preciado等[48]使用胃含物分析和穩定同位素方法分析了深海海底生物群落的食物網功能及特點，發現游泳生物比深海生物更易受群落功能的影響，為營養生態及海洋食物網構架提供了基礎理論和科學依據。

4 結論與展望

從眾多研究者近年來取得的一系列重要成果中，碳、氮穩定同位素技術主要應用于海洋生態系統食物網構建基礎及其動態變化，確定海洋生物營養級連續值及追溯其食性來源，以及評估海域生態環境評價指標和分析生物營養群落結構變化，還包括基線生物的選取和營養級富集度的確定。

但目前由于海洋環境及生態系統遭受不同程度的破壞，海洋食物鏈不斷縮短、營養回路減少，極大降低了食物網的穩定性[52]。因此，更多碳、氮穩定同位素技術研究將側重于水域環境因子與生物間的營養關系以及食物網結構的時空變化[53]。并且，未來的研究方向也可能結合多種分析方法與計算機算法，利用同位素質量守恒模型[16]和食物網模型[37]，以“簡化食物網”的目的為前提來確定優勢物種或關鍵種的營養級，以此構建海域食物網基礎及動態關系。這種方法將越來越廣泛運用于海洋生態系統的研究中。