基于碳、氮穩定同位素的大亞灣漁業生物群落營養結構

汪慧娟，張文博，黃洪輝，徐姍楠，劉華雪

（1. 生態環境部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510530； 2. 廣東省環境科學研究院，廣東 廣州 510045；3. 中國水產科學研究院南海水產研究所/廣東省漁業生態環境重點實驗室，廣東 廣州 510300）

海洋生態系統中，各生物種群之間的攝食關系、營養物質循環和能量流動是生態學研究的重點、難點和熱點[1-4]。早期的食物網研究依賴于對較高營養水平生物體的腸道內容物分析，但這種方法存在嚴重的局限性[5]，如難以識別無定形物質，難以區分食物的消化和同化率。隨著同位素質譜技術的不斷發展，穩定同位素分析方法已逐漸被應用到生態系統食物鏈研究，該法能夠提供物種時空變化整合過程中長期累積的營養數據，并可便捷地反映各種生物的營養信息。

海灣是海洋與陸地交互作用的重要過渡區，同時亦是生態環境敏感帶。近年來，國內外學者開展了很多關于海灣食物網的研究，如應用碳、氮穩定同位素 (δ13C、δ15N) 構建膠州灣食物網的連續營養譜[6]，對海州灣拖網漁獲物營養級的研究[7]，以及海陵灣和陵水灣食物網結構特征對比[8]等。大亞灣作為重要的水產種質資源保護區，也是眾多海洋生物棲息繁育場，漁業資源豐富。然而，近年來隨著海水養殖、工農業發展和海洋旅游業推進，海灣環境和生態系統發生了顯著變化，生物多樣性水平和資源量明顯下降[9-10]。海區內環境的變化過程以及生態系統作出的響應是當前大亞灣生態環境研究亟需關注的關鍵科學問題之一[11-12]。應用穩定同位素技術對大亞灣海域不同季節漁業生物的食物網進行生態學研究尚未見報道。因此，本研究以大亞灣漁業生物為研究對象，測定其δ13C、δ15N含量，分析營養級層次并構建漁業生物食物網的連續營養級譜，探討營養結構的季節差異，為后續深入開展海洋食物網的物質循環和能量流動研究提供基礎數據，并為大亞灣生態系統保護和生態修復以及漁業資源的合理開發利用和管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

大亞灣 (114°30'E—114°50'E、22°30'N—22°50'N) 位于南海北部，三面環山，是一個具有亞熱帶特色的半封閉海灣，面積約600 km2，平均深度約11 m。海岸線曲折，生境多樣，是魚類產卵、索餌和育肥的優良場所和天然種質資源庫。然而，隨著社會經濟迅速發展，大亞灣生態系統在人類活動和自然擾動下出現了系統性變化，水環境富營養化問題日漸突出，水體中的溶解無機氮濃度顯著增加，溶解無機磷濃度則有所下降，浮游植物生長的限制因素已從20世紀80年代的氮限制轉變為20世紀90年代中期以后的磷限制，群落組成小型化，物種多樣性降低[12]。

1.2 樣品的采集

依據大亞灣海洋物理特征和生物資源特性，共設置14個站點進行海洋生態和漁業資源調查。其中，在灣沿岸設置了8個站點 (S1、S2、S3、S4、S7、S8、S11、S12)，在灣中部設置4個站點(S5、S6、S9、S10)，灣口設置 2個站點 (S13和S14, 圖 1)。網口寬度 1.5 m，調查船平均拖速 2.8 kn，每次拖曳時間35～55 min，采集的漁業生物樣品用密封袋裝好，現場進行鑒定做好標記帶回實驗室，于?20 ℃下保存至分析?；旧飳W信息和采樣量見表1，其中魚類25種，甲殼類15種，蝦類8種，頭足類2種。

表1 大亞灣海域調查所采集的生物名錄和生物信息Table 1 List and information of biota species sampled in Daya Bay

圖1 大亞灣海域漁業生物調查站位示意Figure 1 Fishery biology survey stations in Daya Bay

1.3 樣品前處理與測定分析

用干凈的鑷子和剪刀去掉魚皮和魚骨后，取其背部白色肌肉，蝦類去殼取腹部肌肉，甲殼類去殼取第一螯足肌肉，頭足類取腕部肌肉。經過上述預處理的樣品置于?60 ℃真空冷凍干燥機 (新芝Scientz-10ND) 中冷凍干燥48 h至恒質量，裝入離心管中用樣品研磨儀研磨成細粉末狀后均質，過80目篩，再使用 1 mol·L?1鹽酸溶液脫碳處理，最后再進行干燥并置于干燥器中保存，以備同位素分析。樣品 δ13C/δ15N 通過元素分析儀 (Flash EA1112)和穩定同位素質譜儀 (Finnigan delta plus) 測定。為確保實驗結果的準確性和儀器的穩定性，每測試10個樣品后加測1個標準樣。樣品的δ13C和δ15N的分析精度均為±0.2‰。

1.4 數據處理

δ13C、δ15N計算公式為：

利用δ15N計算生物的營養級 (Trophic level,TL)，計算公式為：

采用ArcGIS 10.2和R 3.5.1語言進行數據處理和專業圖形的繪制。采用One-way ANOVA比較不同種類生物體內含量，P<0.05表示差異顯著。其中用R 3.5.1語言的SIBER包繪制δ13C和δ15N組成的貝葉斯標準橢圓圖，并計算不同季節中漁業生物的群落營養結構范圍指標。本實驗選用的指標包括 7個度量參數[16](表 2)。

表2 漁業生物的群落營養結構指標參數Table 2 Community nutrient structure index parameters of fishery organisms

2 結果

2.1 漁業生物 δ13C、δ15N 特征

除了浮游動物外，本研究在大亞灣海域分析了50種漁業生物的穩定同位素值，其中包括魚類23種、甲殼類25種和頭足類2種。δ13C介于?19.66‰～?15.19‰，均值為 (?17.26±0.86)‰，其中杜氏槍烏賊 (Uroteuthis duvauceli) 最低，紅狼牙鰕虎魚 (Odontamblyopus rubicundus) 最高；δ15N 介于 11.63‰～16.01‰，均值為 (13.59±0.96)‰，其中墨吉對蝦 (Penaeus merguiensis) 最低，短棘銀鱸(Lucid mojarra) 最高。以海洋漁業生物和浮游動物的δ13C和δ15N繪制大亞灣海域食物網的穩定同位素雙位圖 (圖2)，結果顯示大亞灣各生物類群間有明顯的差異，尤其是δ15N。海洋漁業生物樣品的δ13C平均值由小到大依次為甲殼類、魚類和頭足類，δ15N平均值由小到大依次為甲殼類、頭足類和魚類，大亞灣食物網的主要消費者可劃分為浮游動物、甲殼類、頭足類和魚類4大類群。單因素方差分析結果表明，各類群δ13C差異不顯著 (P>0.05)，δ15N 存在顯著差異 (P<0.05)。

圖2 大亞灣海域消費者的碳、氮穩定同位素雙位圖Figure 2 Stable isotope biplots of δ13C and δ15N values of consumers in Daya Bay

2.2 營養級譜

本研究以小型浮游動物的δ15N平均值作為基準值構建漁業生物的營養級譜 (圖3)。結果顯示，大亞灣海域漁業生物的平均營養級為3.58，墨吉對蝦最低 (2.99)，短棘銀鱸最高 (4.28)。其中，處于3～4營養級之間的占84%，營養級高于4的有6種，占14%，即營養級處于3～4的占絕對優勢。不同種類漁業生物的營養級也存在差異，魚類的營養級介于3.11～4.28，甲殼類介于3.08～3.60，蝦類介于2.99～3.70，頭足類介于3.38～3.58，且各種類生物營養級位置重疊現象嚴重。參照國內外學者對海洋食物網營養層次1～5級的劃分標準[17]，大亞灣海域主要生物種類營養級處于3級，大部分是初級和中級肉食性生物。

圖3 大亞灣海域主要消費者的營養級Figure 3 Trophic level of major consumers in Daya Bay

2.3 季節差異

利用 2018年 1月 (冬季) 和 8月 (夏季) 大亞灣海域漁業生物δ13C和δ15N構建營養結構 (圖4)。結果顯示，夏季的漁業生物δ13C為?19.66‰～?15.19‰，δ15N為11.63‰～16.01‰；冬季的漁業生物 δ13C 為?18.83‰～?16.00‰，δ15N 為 12.02‰～15.20‰。單因素方差分析顯示，不同季節的δ13C、δ15N無顯著性差異 (P>0.05)。不同類群生物的δ13C和δ15N在季節上也存在差異，夏季魚類和甲殼類的δ13C平均值均小于冬季，而魚類的δ15N高于冬季，甲殼類的δ15N低于冬季，且單因素方差分析顯示，甲殼類不同季節的δ15N有顯著性差異 (P<0.05)。

圖4 不同季節漁業生物貝葉斯標準橢圓Figure 4 Standard ellipse areas of macrobenthos in different seasons

利用貝葉斯標準橢圓對夏、冬季的漁業生物δ13C、δ15N進行分析，并計算生物群落生態指標參考值 (圖5)。結果顯示，大亞灣海域漁業生物攝食來源的多樣性水平、生物對生態空間的利用度、平均營養級多樣性、物種聚集度均勻度和物種聚集度密度的平均值分別為3.78、3.46、2.33、1.12和0.33，且夏季顯著高于冬季。

圖5 大亞灣不同季節的漁業生物營養結構指標參考值橫坐標縮寫釋義見表2。Figure 5 Reference values of trophic structure of fishery organisms in Daya Bay in different seasonsThe abbreviations of indicators are explained in Table 2.

3 討論

3.1 漁業生物的 δ13C、δ15N 分析

δ13C因其物理化學性質穩定，富集較底，常被用來示蹤和區分生物的食物來源[18]。在大亞灣漁業生物中測得δ13C平均值為?17.26‰，該結果低于陵水灣漁業生物的δ13C (?15.36‰)，略高于其對海陵灣漁業生物營養級 (?17.44‰)[8]，且各類群生物的δ13C單因素方差分析結果差異不顯著 (P>0.05)，表明該海域漁業生物的餌料來源生物種類組成有重疊。此外，浮游動物、甲殼類、頭足類和魚類的δ13C重疊范圍，表明它們的食物來源交叉混合，進一步說明該海域生物形成了生態位重疊的現象，這也間接說明大亞灣海域浮游食物鏈和底棲食物鏈表現不明顯。

δ15N在生物中富集較為明顯，常被用于確定生物的營養級[19]。在大亞灣漁業生物中測得δ15N平均值為13.59‰，略高于朱文濤等[20]報道的大亞灣珊瑚礁生態系統的平均值 (11.46‰)。單因素方差分析結果顯示，大亞灣海域漁業生物的δ15N在不同類群中存在顯著性差異 (P<0.05)，表明不同類群的生物營養位置不同。魚類食性較廣，能以浮游生物、甲殼類、小型魚類為食，且在不同生長期食性會發生變化，因此魚類的δ15N較高。部分不同類群生物的δ15N存在重疊，這與其攝食同種餌料生物有關，意味著可能產生種間競爭。已有研究發現，大亞灣海域中紫海膽 (Anthocidaris crassispina)攝食的餌料生物種類與附近其他底層動物存在重疊，具有一定的食物競爭關系[21]。

從δ13C-δ15N雙位圖看，位于凸多邊形頂點的生物在整個營養結構中具有重要的作用，當其從整個群落系統中缺失，將導致群落營養結構指標參數發生變化，從而影響整個群落系統的營養結構[22]。本研究中處于凸多邊形頂點的生物主要有紅狼牙鰕虎魚、杜氏槍烏賊、短棘銀鱸和長棘銀鱸 (G. filamentosus)，表明這些生物是群落結構的重要組成部分，加強對這些生物的保護有著重要意義。因此，對大亞灣的魚類群落研究時應盡可能地關注這類生物的變化。

3.2 漁業生物的營養級分析和營養譜特征

大亞灣海域漁業生物的營養級介于2.99～4.28，其中，魚類的營養位置最高，其次為頭足類、甲殼類和蝦類，這主要與各類群生物的食性、魚類的體長以及基線生物的選取有關[23]。

大亞灣海域漁業生物的δ13C范圍 (CR)為4.47(表3)，高于張文博等[8]對陵水灣漁業生物營養級的研究 (4.45) 和對海陵灣漁業生物營養級的研究(2.44)，這可能與大亞灣海水養殖和河流輸入等帶來大量物質輸入而導致漁業生物食物來源更加廣泛有關；與其他海域相比，該結果低于曾艷藝等[24]對珠江河口漁業生物營養級的研究結果 (7.48)，而略高于寧加佳等[2]報道的南沙群島西南陸架區的CR (3.40)。這是由于珠江口海域咸淡水交互作用明顯，陸源有機質與海源有機質間存在的巨大差異為生物提供了豐富的食物來源，生物的食物來源選擇性廣，使得該海域營養結構的CR較高。南沙群島西南陸架區地處遠海，水較深，餌料生物優勢生長分布不及大亞灣和珠江河口海域，因此該海域營養結構的CR較低。大亞灣海域漁業生物的δ15N范圍 (NR) 為4.38，根據δ15N在營養級傳遞過程中每營養級的平均值約3.4‰[25]，計算得出大亞灣的營養層次為1.28，表明大亞灣海域漁業生物的營養層次較少，食物網處于受干擾較多的狀態。本研究與黃海及東海北部[26]、南海中西部[4]和膠州灣[7]等南北方其他水域的研究相比，NR略高于黃海及東海北部和南海中西部；與長江口[27]、浙江南部近海[28]、閩江口[29]和珠江口[24]等近岸河口海域相比，本研究的NR顯著低。大亞灣海域漁業生物的標準橢圓校正后的面積 (SEAc) 為2.33，遠低于朱文濤等[20]報道的大亞灣珊瑚生態系統生物的結果，這可能是由珊瑚生態系統中生物生境的特殊性所致。大亞灣海域漁業生物的平均最近相鄰距離 (MNND)和最近相鄰距離的標準差 (SDNND) 分別為0.33和0.23，低于張文博等[8]對陵水灣和海陵灣漁業生物營養級的研究結果，說明大亞灣生物群落的營養冗余度較陵水灣和海陵灣高。

表3 大亞灣與其他海域生物營養結構比較Table 3 Comparison of biotrophic structure between Daya Bay and other sea areas

3.3 漁業生物營養結構的季節性變化

季節變化是影響生態系統物質循環和能量流動的重要因素之一，因此研究漁業生物的營養結構季節性變化具有重要意義[30]。大亞灣屬于亞熱帶季風氣候，降水量的季節性變化引發陸源有機物輸入量的變化，使得潛在食物來源組成出現季節變化，進而影響漁業生物δ13C和δ15N的季節變化[31]。但本研究發現季節性變化無顯著性差異 (P>0.05)，這與朱文濤等[20]對大亞灣珊瑚礁生態系統食物網的研究結果一致。

食物來源的豐富度是影響食物網的營養水平和結構層次的關鍵因素[32]。本研究中夏季的CR高于冬季，表明夏季漁業生物的食物來源較多，這與大亞灣陸源營養物質的輸入季節性差異相吻合。NR代表生物群落的垂直結構，其值越高代表群落中有更多的營養層次。本研究中夏季NR高于冬季，這可能是由于人類捕撈活動導致營養結構出現季節性差異[33]。δ13C/δ15N 圍成的總面積 (TA) 在一定程度上與CR和NR相關[34]。與夏季相比，本研究中冬季的TA和質心的平均距離 (CD) 低，說明食物網營養級多樣性的總程度和平均程度較低，這可能主要受人為活動的影響[35]。但TA容易受到樣本量的影響，通常隨樣本量增加而增大，最終影響營養機構分析結果。因此本研究采用Jackson等[16]提出的TA校正方法，計算標準橢圓面積表示其核心生態位。本研究中SEAc夏季顯著高于冬季，說明夏季種間競爭較為激烈。MNND和SDNND越小，表明群落營養冗余度越高[20,22,36]。本研究中冬季的MNND和SDNND均小于夏季，表明冬季漁業生物食物網中處于相同生態位和具有相似營養特征的物種占多數，因此群落營養冗余度高。

4 結論

大亞灣拖網漁獲物樣品的δ15N平均值由小到大依次為甲殼類、頭足類和魚類，其中甲殼類的營養級較低，占據的營養位置也較低，而魚類和頭足類營養級較高，占據的營養位置也較高，符合營養級位置分布規律；穩定同位素雙位圖顯示大亞灣海域漁業生物的食物來源出現交叉混合，各生物類群形成了生態位重疊的現象，浮游食物鏈和底棲食物鏈表現不明顯；大亞灣漁業生物δ13C和δ15N的季節變化不明顯，夏季生物多樣性顯著高于冬季，受人類活動的影響較大，且群落營養冗余度低于冬季。