基于碳、氮穩定同位素技術分析黃鱔對稻田餌料資源的利用特征

袁 泉,呂巍巍,黃偉偉,孫小淋,呂衛光,周文宗

(上海市農業科學院生態環境保護研究所,上海 201403)

穩定性同位素技術是近年來研究生態系統食物網結構和營養關系的重要手段,已廣泛應用于海洋、湖泊、河口等水生生態系統中。 國內外關于稻田生態系統穩定同位素的研究不多,且集中在單一種稻系統,用于評估稻田生態系統節肢動物能量流動的可行性和安全性,揭示稻田生態系統節肢動物群落關系以及不同時期的食物網結構[1-3]。 隨著稻漁經濟的迅猛發展,關于稻漁生態系統營養結構的研究逐漸增多。 張丹等[4]應用穩定同位素技術研究稻-魚-鴨生態系統的食物網結構和營養關系,發現相比取食作用,稻田中魚群活動對雜草的抑制作用更大;孫翠萍[5]應用穩定同位素技術分析稻-鯉、稻-鱉、稻-蟹共作系統中水生經濟動物的食性,定量揭示了各種餌料生物在水生經濟動物食譜中的貢獻率,但目前尚無稻-鱔共作系統的食物鏈或食物網結構特征方面的報道。

稻漁綜合種養系統中,魚類的組成對整個種養系統的產量起到關鍵性作用[6]。 黃鱔(Monopterus albus)作為一種穴居魚類,廣泛分布于稻田、水溝和淺水湖泊的沿岸帶,是我國淡水名特優養殖品種之一,俗稱稻田養殖中的“鄉土物種”,具有較高的經濟價值,2015 年全國年產量已超過36 萬t[7-8]。 稻鱔共作可提高稻米品質,最大程度地減少化肥和農藥用量,其經濟效益顯著高于單一種稻。 稻-鱔共作相較于傳統黃鱔網箱養殖具有成本低、環境友好等眾多優勢[8],近年來,稻-鱔共作模式在全國得到迅速發展和推廣,成為繼網箱養殖后的另一黃鱔主要養殖方式。 本研究通過研究稻-鱔共作系統中黃鱔對稻田資源的利用特征,定量評估餌料資源對黃鱔食譜的貢獻率,旨在為黃鱔健康生態養殖提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在上海市青浦區練塘鎮稻-鱔共作養殖基地進行,稻田結構及采樣點設置如圖1 所示。 青浦區地處上海市西南部,太湖下游,黃浦江上游,屬亞熱帶季風氣候,年平均氣溫17.4 ℃,年均日照1 642.8 h,年平均降水量1 461.7 mm。 稻田屬洪積性泥沙田,耕層厚度約20 cm,土壤類型為沙壤土,容重約1.15 g∕cm3。試驗稻田面積為0.18 hm2,養殖黃鱔年限為4 年,稻田四周挖有“回”字型環溝,獨立進排水,環溝寬1.5 m,深度60 cm,環溝面積為280.81 m2,占稻田面積的15.81%。

圖1 研究樣地位置與采樣點設置Fig.1 Test site and setting of sampling point

于2019 年6 月23 日栽插秧苗,秧苗栽插方式為機插秧,水稻種植品種為‘青香軟梗’(滬農品審水稻2014 第 004 號)。 2019 年 6 月 26 日放養黃鱔苗種 40 kg,約 1 600 尾,規格為全長 (372.3 ± 22.69 )mm,體重(26.55 ±9.39)g。

1.2 試驗方法

2019 年6—10 月逐月采集各種黃鱔潛在餌料資源樣品,黃鱔樣品從7 月份開始采集。 黃鱔、小龍蝦、泥鰍樣品通過地籠抓捕;用剪刀剪取水生植物水花生、雙穗雀稗、穗花狐尾藻、浮萍樣本,清水洗凈后裝入封口袋;用廣口瓶采集1 L 水樣,用玻璃纖維濾膜(GF∕C Whatman)通過真空泵抽濾,留在玻璃纖維濾膜上的固體顆粒和濾膜一起作為POM 樣品(顆粒懸浮物);用彼得森采泥器(規格:25 cm×40 cm)采集底泥后取表層(5 mm)以內底質沉積物,裝入2 mL 離心管中作為沉積物樣品,采到的底泥用60 目(孔徑:0.3 mm)抄網洗去淤泥后放入塑料袋中,帶回室內挑取底棲動物樣品,底棲動物分為水生昆蟲、水生寡毛類及各種軟體動物,挑完底棲動物后的有機碎屑洗干凈后,隨機收集少許裝入5 mL 離心管,作為腐殖質樣品。 將各樣品放入-20 ℃冰箱中保存。

黃鱔、泥鰍、小龍蝦樣品分別取背部和腹部肌肉;螺類取肌肉;食蚊魚整條放入離心管中。 水生昆蟲和水生寡毛類轉入離心管中。 上述動物樣品及所有的水生植物、POM、底質沉積物、腐殖質樣品均放入烘箱中,60 ℃烘干至恒重(48—72 h),磨成均勻粉末,放入干燥器中,待測。

在中國農業科學院質量標準與檢測技術研究所進行碳氮穩定同位素檢測。 測試儀器為德國Thermo Finnigan 公司生產的元素分析同位素質譜聯用儀(Flash 2000);分析所采用的參照物質分別是V-PDB 和空氣中的氮氣。 標準物質分別為國際通用的標準物質USGS62 和IAEA600。

碳、氮穩定同位素δ值計算公式為:

式中:R代表13C 或15N,Xsample和Xstandard分別表示樣品和標準物質中的13C 或15N。

1.3 數據處理與分析

利用Excel 2013 和SPSS 23.0 軟件進行統計分析,使用Origin 9.0 軟件作圖。 不同月份間的穩定同位素差異值使用單因素方差分析,使用新復極差檢驗(SSR 檢驗)對不同處理進行多重比較。

營養級(Trophic level,TL)的計算公式為:

式中:δ15Nconsumer表示消費者的氮同位素比值,δ15Nbaseline為基準生物的氮同位素比值,Δδ15N 為營養富集因子,本研究取值3.4‰。

利用IsoSource 1.3.1 軟件計算不同食物對消費者的貢獻率。

2 結果與分析

2.1 黃鱔及其餌料資源的穩定同位素值變化范圍

稻-鱔共作水體黃鱔、水生植物等動植物群體δ13C 和δ15N 值均隨時間的延長發生不同程度變化。 沉積物的碳氮穩定同位素值為 - 27.367‰和5.072‰(圖2);顆粒懸浮物的碳氮穩定同位素值為-29.236‰和3.866‰,不同月份樣品同位素值變化較大,碳氮穩定同位素值變化范圍分別是-30.54‰—-26.17‰和2.15‰—4.77‰(表1);腐殖質碳氮穩定同位素值分別為 - 28.105‰和4.535‰;水生昆蟲、寡毛類碳氮穩定同位素值月份之間變化較大,變化范圍分別為-28.90‰—-25.65‰和4.23‰—5.78‰;螺螄碳氮穩定同位素值分別為-28.087‰和5.26‰;青苔碳氮穩定同位素值分別為-25.919‰和5.642‰,標準差分別為5.69‰和2.84‰;水生植物月份之間碳氮穩定同位素值變化較小,且同其他潛在食物源碳氮穩定同位素值分布無明顯交互(圖2),說明其為黃鱔潛在食物源的可能性較小;次級消費者食蚊魚和克氏原螯蝦的碳氮穩定同位素值較接近,食蚊魚的碳氮穩定同位素值分別為-28.254‰和6.491‰,克氏原螯蝦的碳氮穩定同位素值分別為-28.147‰和5.587‰;泥鰍和黃鱔的碳氮穩定同位素值比較接近,分別為-25.885‰、9.436‰和-26.121‰、9.24‰。

表1 稻田環溝水體黃鱔及其潛在餌料資源的穩定同位素值變化范圍Table 1 Variation range of stable isotope values of Monopterus albus and its potential bait resources in paddy field

圖2 稻田環溝水體黃鱔及其潛在餌料資源的δ13C-δ15N 結構Fig.2 δ13C-δ15N structure of Monopterus albus and its potential bait resources in paddy field

2.2 黃鱔對稻田餌料資源的利用特征

黃鱔的δ13C 值變化范圍為-28.366‰—-24.21‰,碳穩定同位素由生產者到消費者產生0—1‰富集(一般認為富集因子為0‰[9])。 從表2 可以看出,為黃鱔提供主要能量來源的是沉積物、腐殖質、水生昆蟲、寡毛類、浮萍和泥鰍,顆粒懸浮物主要由浮游植物、浮游動物和碎屑構成,顯然,浮游植物固定的能量很少能夠進入黃鱔體內,另外初級生產者如穗花狐尾藻、水花生和雙穗雀稗,其固定的碳也未流向黃鱔。 黃鱔潛在食物源食譜貢獻率最大的為水生昆蟲、寡毛類,貢獻率平均值為68%,其次是泥鰍,為19.5%,螺螄和浮萍貢獻率為4.1%和3.3%,沉積物和腐殖質的貢獻率較少,分別為1.9%和1.1%。

表2 各種餌料資源對黃鱔食譜的潛在貢獻率Table 2 Potential contribution rate of various bait resources to the diet of Monopterus albus %

黃鱔的δ15N 值變化范圍為7.63‰—10.08‰,根據營養級計算結果可知,黃鱔的營養級為(3.17 ±0.36),泥鰍的營養級為(3.22 ±0.21),食蚊魚的營養級為(2.36 ±0.15),克氏原螯蝦的營養級為(2.10 ±0.13),水生昆蟲、寡毛類的營養級為(1.92 ±0.36),螺螄的營養級為(2.00 ±0.08)。 根據營養級特征結合各消費者的食物源特征分析稻鱔共作系統環溝水體食物網結構,結果如圖3 所示。 不同的食物鏈,水生動物所處的營養級不同。 水生昆蟲、寡毛類、螺螄為初級消費者,黃鱔、泥鰍為頂級消費者。

圖3 基于IsoSource 模型的稻鱔共作水體食物網結構Fig.3 Food web structure of rice-eel co-culture water based on IsoSource model

3 討論

稻漁共作系統逐步向集約化、產業化發展,了解水產經濟動物對稻田餌料資源的利用特征,對深入理解稻漁共作生態系統功能、優化田間管理模式具有重要意義。 黃鱔屬肉食性或偏肉食性的雜食性魚類,幼鱔和成鱔主要攝食搖蟲幼蟲、水生寡毛類、蚯蚓、昆蟲幼蟲、青蛙、蝌蚪和小型魚類等[10-13]。 黃鱔喜食活餌,在網箱養殖黃鱔過程中,經常投喂水絲蚓等活餌馴食[14]。 本研究顯示,水生昆蟲、寡毛類是黃鱔的主要食物來源,平均貢獻率達68%,說明黃鱔的生長很大程度上受限于底棲無脊椎動物的豐度,與前人的研究結果一致。

穩定同位素結果顯示,除浮萍外,稻-鱔共作水體水生植物固定的碳源基本不流向黃鱔,說明水花生、雙穗雀稗和穗花狐尾藻等稻鱔共作水體常見水生植物無法被黃鱔攝食,但生產中常投放水生植物,如水蕹菜、水葫蘆等作為黃鱔棲息隱蔽場所[15-16],因此,稻田中水生植物的生態功能價值仍需進一步研究。 浮萍對黃鱔食譜的潛在貢獻率可達3.3%,但目前尚無直接證據表明,黃鱔可攝食浮萍。 穩定同位素結果表明泥鰍和螺螄是僅次于水生昆蟲、寡毛類的可被黃鱔攝食的種類。 周文宗等[17]在室內條件下研究了黃鱔對泥鰍、福壽螺、克氏原螯蝦等小型動物的攝食規律,發現黃鱔與泥鰍的體重比例達到22∶1后,黃鱔即能捕食泥鰍,與本研究結果一致。 此外,螺螄也是泥鰍、食蚊魚、克氏原螯蝦等消費者的攝食來源之一,因此,在稻鱔共作模式中投放一定比例的螺螄非常重要。 此外,在放養黃鱔苗種的同時,投放一定比例的適口泥鰍對于黃鱔的生長具有促進作用。