應用穩定同位素技術研究江蘇近海食物網營養結構的季節性變化

陸亞楠，張瑞，張虎，張碩, ，高世科*

(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.長江口水生生物資源監測與保護聯合實驗室，上海 200922)

1 引言

理解水生生態系統中的食物網結構及生物群落構成是生態學領域的一個重要方向[1-2]。研究食物網中結構、功能及營養相互作用，有助于了解生態系統生物多樣性、穩定性和功能[3-5]。幾十年來，δ13C、δ15N 穩定同位素技術多被用于分析海域生態環境中的能量流動和物質交替變化，在構建海域食物網、確定營養生態位和魚類食性特征方面取得了重大進展，也為研究海洋生物營養結構和動力學方面提供了重要見解[6-7]。穩定同位素比率（δ13C/δ15N）可以代表生物個體在食物網中的所有營養途徑[8]，而同位素生態位反映了消費者-資源之間的營養相互作用，可用于反映生物營養結構的時空分布特征[9-10]。此外，基于穩定同位素值量化的各項生態指標不僅能夠用于描述物種和群落水平上的生態位寬度和重疊程度，還能評估不同因素對物種生態位寬度的影響，從而表征食物網的多樣性和復雜性[11-13]。

江蘇近海的漁業資源豐富，是我國重要的漁場。近年來，隨著沿海商業漁業的發展，江蘇近海局部地區海域污染狀況愈發嚴重[14]。不斷發展的漁業裝備技術和生產水平加劇了漁業過度捕撈，使得魚類種群數量持續下跌，自然生境遭到破壞，對海洋生物的生存環境造成了嚴重威脅[15-16]。因此，急需開展對該地區主要魚類群落營養結構時空變化規律的調查，以便及時制定相應政策和管理措施。

本文利用穩定同位素技術研究了江蘇近海春、夏、秋3 季主要海洋生物的δ13C、δ15N 和營養級特征，對比分析3 個季節食物網的營養結構和變動規律，結合食物網量化指標，從物種和群落水平上反映漁業資源現狀及季節變動情況，以期為進一步評估江蘇近海漁業生態系統的營養結構變化奠定基礎，為保護沿海海域生態系統以及漁業資源的養護和管理提供一定科學依據和參考基礎。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本研究分別于2017 年5 月7-24 日（春季）、8 月3-23 日（夏季）和10 月4-19 日（秋季）在江蘇近岸海域（31.794°～35.583°N，119.301°～122.243°E）通過拖網漁船進行樣品采集。3 個季節分別設置站點23 個、17 個和30 個（圖1）。樣品的采集和處理方法遵照《海洋監測規范第6 部分：海洋生物調查》（GB/T 12763.6-2007）[17]，浮游動物樣品用Ⅰ型浮游生物網定點垂直拖網采集，垂直拖網平均深度為10 m，在海水中清養1～2 h 排空胃含物，然后置于1 L 聚乙烯瓶中。其他生物均采用單船有翼單囊底拖網（規格40 m×94 m或40 m×49.3 m），平均拖速為3.0 kn，每網拖行近1 h。將生物樣品鑒定到種（未能鑒定到種的做好掛牌登記），測量體長、體重，分類冷凍保存后帶回實驗室。

圖1 江蘇近海采樣點位置Fig.1 Locations of sampling sites in the coastal waters of Jiangsu Province

2.2 穩定同位素分析樣品預處理

浮游動物用少量蒸餾水反復清洗，去除混雜在其中的雜質，然后置于清潔培養皿中挑選。其他生物每個物種選取3 個大小相近的個體（對于采樣數量少于3 個的種類，則選取全部個體），魚類取第一背鰭下方肌肉、蝦類取腹部肌肉、蟹類取第一鰲足肌肉、頭足類取腕部肌肉、腹足類去殼取肌肉、雙殼類取閉殼肌、中國毛蝦（Acetes chinensis）因個體小，選取10 尾相近個體混合、馬尾藻（Sargassum）取其葉片。所有樣品用去離子水洗凈后放入離心管，-20℃冷凍保存。后續分析前，用冷凍干燥機（Christ 1-4α）干燥32 h，并用混合型球磨儀（Retsch MM440）研磨成粉。

研究發現，對脂肪含量不同的組織樣品進行δ13C 分析時，可能產生較大偏差[18]。因此，本研究預先使用三氯甲烷和甲醇（體積比為2∶1）對肌肉組織樣品進行脫脂處理，然后使用錫杯包被1.0 mg 送入穩定同位素質譜儀（IsoPrime 100,Isoprime Corporation,Cheadle,UK）進行分析，穩定同位素測定在上海海洋大學攝食生態學實驗室進行。

2.3 穩定同位素分析

碳、氮穩定同位素值分別用國際通用的標準物質VPDB 和大氣氮作為參考標準。結果分別用δ13C和δ15N 表示，其計算公式為

式中，X為13C 值或者15N 值；R為13C 值和12C 值或者15N值和14N 值的比值；Rsample為樣品的R值；Rstandard為標準樣品的R值。為保證實驗結果的精度和準確度，每10 個樣品，放入3 個標準品。根據氮穩定同位素比值可以計算生物的營養級（Trophic Level,TL），公式為

式中，δ15Nconsumer為消費者的氮穩定同位素比值；δ15Nbaseline為基線生物的氮穩定同位素比值；λ表示基線生物所處的營養級，本文選擇春季采集溝紋鬘螺（Phalium strigatum）作為基線生物，其營養級定為2，原因是溝紋鬘螺的δ15N 值與毛蚶（Scapharca subcrenata）、紫貽貝（Mytilus edulis）比較接 近[19-20]；δ15Nbaseline為溝紋鬘螺的氮穩定同位素比值的平均值；Δ15N表示營養級之間氮穩定同位素的富集度，這里取2.5‰和3.4‰的平均值，其中2.5‰是蔡德陵等[19]通過喂養實驗得到的鳀魚（Engraulis japonicus）與餌料間的氮穩定同位素富集值，而3.4‰出自Post[21]的研究結果。

數據分析及制圖采用Origin 2020 和R 語言中的SIBER 程序包。根據Layman 等[11]提出的碳氮穩定同位素二維坐標系代表群落營養結構的方法，選取NR、CR、TA、CD、NND、SDNND 6 種參數來反映生物群落營養結構的季節變化情況。其中NR 為食物網中δ15N 值的范圍，表示消費者營養層次；CR 為δ13C 的最大差值，表示食物來源的多樣性；TA 為食物網營養結構總面積，代表生物多樣性水平；CD 為平均離心距離，代表群落整體的多樣性水平；NND 為平均最鄰近距離；SDNND 為平均最鄰近距離標準差，反映營養冗余程度。考慮到TA 可能因個別數據產生較大偏差，使用貝葉斯標準橢圓面積（SEA）可以減少樣本誤差，若樣本數小于30，則比較標準橢圓校正后的面積（SEAC）[22-23]。

2.4 數據處理

通過ArcGIS 10.3 軟件繪制調查海域站位圖；根據聚類分析結果，運用OriginPro 2020 軟件構建連續營養譜；數據處理和表格制作通過EXCEL 2020 完成；利用SPSS 25.0 軟件進行顯著性t檢驗。

3 結果

3.1 春、夏、秋3 季生物的碳、氮穩定同位素特征

春季共采集到生物樣品31 種，其中魚類16 種、甲殼類5 種、頭足類3 種、底棲動物6 種、浮游生物1 種（附表A1）。其δ13C 值范圍為-24.47‰（馬尾藻）～-14.50 ‰（黃魟Dasyatis bennettii）；δ15N值范圍為6.86‰（馬尾藻）～（14.98±0.49）‰（中國花鱸Lateolabrax maculates）（附表A1，圖2）。夏季共采集到生物樣品32 種，其中魚類17 種，甲殼類7 種，頭足類3 種，腹足類2 種，雙殼類3 種。δ13C 值的范圍為-19.86‰（江珧Atrina pectinata）～-14.44‰（脊尾白蝦Exopalaemon carinicauda）；δ15N值范圍為5.79‰（江珧）～（12.54±3.50）‰（赤鼻棱鳀Thryssa kammalensis）。秋季共采集到生物樣品24 種，其中魚類11 種，甲殼類6 種，頭足類3 種，腹足類1 種，雙殼類2 種以及浮游動物1 種。δ13C 值的范圍為（-22.17±4.90）‰（鯔Mugil cephalus）～（-14.21±0.36）‰（短吻舌鰨Cynoglossus abbreviatus）；δ15N 值范圍為6.30‰（浮游動物）～（14.60±0.51）‰（中國花鱸）。總體上，魚類δ13C 值的跨度最廣，最低的是鯔，為（-22.17±4.90）‰，最高的是短吻舌鰨，為（-14.21±0.36）‰，δ15N 值范圍為（8.43±0.38）‰（棘頭梅童魚Collichthys lucidus）～（14.79±0.19）‰（中國花鱸）。

圖2 春、夏、秋3 季江蘇近海生物δ13C、δ15N 值的雙坐標圖Fig.2 The biplot of δ13C,δ15N of organisms from the coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer and autumn

3.2 江蘇近海營養結構的季節性變化特征

配對樣本t檢驗的結果表明（表1），2017 年春、夏、秋3 個季節江蘇近海海洋生物的δ13C 值和δ15N值均沒有顯著性差異（p＞0.05）。

表1 春、夏、秋3 季生物的δ13C、δ15N 值差異性分析Table 1 Difference analysis in δ13C and δ15N values for organisms in spring,summer and autumn

由于鯔的δ13C 值與其他消費者存在明顯差別，對營養結構影響過大，為了更準確地反映群落營養結構的季節變化，本研究選擇除鯔和浮游動物外的所有消費者進行空間生態位的計算，結果見圖3，參數見表2。不同類群對生物資源利用情況不同。春季，甲殼類對生態空間利用率較其他類群高，而底棲動物由于整體營養級較低，與其他類群生態空間重疊不明顯；夏季，生物的生態空間利用情況較春季一致，但重疊程度不如春季明顯；秋季，不同類群生物的生態空間利用率較小，頭足類、甲殼類和底棲動物的生態空間重疊程度較為明顯。此外，不同季節相同類群生物對生態空間利用情況也不同。總體上，3 個季節魚類的生態空間利用率最高，最低為底棲動物。

表2 春、夏、秋3 季生物的TA、SEA 和SEAC 值Table 2 TA,SEA and SEAC for organisms in spring,summer and autumn

圖3 春、夏、秋3 季江蘇近海生物營養框架Fig.3 Stable isotope bio-plotting of the trophic structure in the coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer and autumn

通過R 語言對春、夏、秋3 個季節營養結構的6 種生態位指標進行計算，結果見圖4。結果顯示，春季的營養級長度最長，其次為夏季、秋季；在生態位多樣化程度和生物對生態空間利用方面由大到小依次為春季、夏季、秋季；平均營養級多樣性和營養冗余程度也均呈現出春季最高，秋季最低。

圖4 春、夏、秋季江蘇近海生物群落穩定同位素參數值Fig.4 Community-wide metrics based on stable isotopic ratios for organisms from coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer and autumn

3.3 春、夏、秋3 季江蘇近海生物的營養級特征

春季江蘇近海海洋生物的營養級范圍為1.52（江珧）～4.28±0.17（中國花鱸），營養層次長度為4 級（圖5）。其中，底棲動物屬于第1～2 營養級，營養級最高的是脈紅螺（Ostrea denselamellosa）（2.56±0.04）；頭足類屬于第2 營養級，火槍烏賊（Loligo beka）的營養級達到3.05±0.16；甲殼類屬于第2～3 營養級，口蝦蛄（Oratosquilla oratoria）營養級最高，為3.66±0.25，其次是中國毛蝦（3.19）和日本蟳（Charybdis japonica，3.16±0.06）；魚類屬于第4 營養級，營養級范圍為2.6（日本鳀）～4.29±0.17（中國花鱸）。而夏季的營養層次長度較短，為3 級，營養級范圍為1.25（江珧）～3.52（長蛇鯔，Saurida elongata）。其中，多數底棲動物屬于第2 營養級，僅有毛蚶和江珧為1.84 和1.25。甲殼類中，僅有鷹爪蝦（Trachypenaeus curvirostris）屬于第3 營養級（3.11±0.28），其余均為第2 營養級。魚類屬于2～3 營養級，范圍從2.06±0.10（棘頭梅童魚）～3.52（長蛇鯔）。秋季的營養層次長度亦為4 級，營養級范圍是1.34（浮游動物）～4.15±0.14（中國花鱸）。其中，浮游動物屬于第1 營養級，多數底棲動物、頭足類和甲殼類屬于第2～3 營養級，只有毛蚶為1.97±0.41。魚類中僅有中國花鱸營養級最高，為4.15±0.14，其余魚類均屬于2～3 營養級。

圖5 春、夏、秋3 季江蘇近海生物營養級對比Fig.5 The comparison of trophic level of organisms from coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer and autumn—代表3 個季節中共同出現的物種——represents the species occured in three seasons

4 討論

4.1 春、夏、秋3 季江蘇近海生物的δ13C、δ15N 特征

本研究基于漁業資源調查采集生物樣品，應用穩定同位素技術構建江蘇近海的食物網營養結構。消費者的δ13C 值可以指示其有機質和能量來源。本研究不同季節食物網中，生物的δ13C 值沒有明顯差異（p＞0.05），這與高世科等[24]的研究中春季呂泗漁場主要生物的δ13C 值一致，說明各季節的有機質來源可能差異不大。春、秋季鯔的δ13C 值跨度較大，遠低于其他消費者，說明其在食物網中可能存在個體特殊化現象[25]，即在食物網中，同一物種的不同個體始終對不同的生產力來源進行攝取。生物的δ15N 值可以指示其營養級，在江蘇近海食物網中，不同季節生物的δ15N值也沒有明顯差異（p＞0.05），說明該食物網營養結構穩定，各季節的營養層次基本一致。此外，本研究各個季節采樣站位分布不均勻。這種空間差異性可能會影響結果，可能原因是不同區域受人類活動影響和水體富營養化程度不同[26]。所以在今后的采樣設計中應該盡可能選擇相同區域的生物樣品進行對比分析。

4.2 江蘇近海食物網營養結構的季節性變化

3 個季節中，春季魚類與甲殼類、頭足類的生態位重疊程度較高，說明這些消費者可能在生活環境和食物溯源上存在一定相似性（圖3）。江蘇近海擁有多個重要的過路漁場（如呂泗漁場、海州灣漁場等），是多種經濟洄游性魚類的必經之地[27-28]。此外，春季餌料缺乏，魚類需要大量攝食以保證生存和繁殖[29]。在一定程度上，這可能是導致春季魚類食性較為廣泛的原因。春季底棲動物的δ13C 值跨度范圍較大，亦可說明春季的食物來源分布廣泛。并且，秋季底棲動物的生態位與頭足類部分重疊，而春、夏季不與任何類群重疊（圖3）。這不僅與種類、生物量有關，還與生物體大小相關[30]。研究表明，隨著生物體的增長，δ13C 和δ15N 會不斷富集，而攝食器官大小和餌料選擇的變化也會引起同位素的季節性變化[30-31]。本研究還顯示，夏季魚類的TA 值為8.26，SEA 為2.80，說明夏季魚類種類多樣性較高，但生態位分化程度低，種間競爭不激烈，同一現象還出現于春季的甲殼類（TA:13.93,SEA:5.15）（表2）。這種生態位的空間差異可能是內外因素共同導致，比如食性偏好，亦或是區域間復雜的環境因素[32-33]，因此還需要深入研究。

位于營養結構邊界的生物，對于維系該食物網的穩定具有重要意義[20]。本研究中，處于營養結構端點位置的生物包括頂級捕食者（如中國花鱸、鮸（Miichthys miiuy）），浮游食性的消費者（如赤鼻棱鳀、中國毛蝦）和底棲消費者（如黃魟、脊尾白蝦等），與紀煒煒等[34]的研究結果一致。江蘇近海3 個季節生物群落的穩定同位素參數存在差異。春季NR 和TA 值最高，說明春季消費者的營養層次和群落多樣性更高。當餌料充足時，攝食生物對特定食物會有選擇性，食源多樣性CR 相應就會減少[34]。夏季CR 值高于春、秋兩季，說明夏季消費者的食物來源更加豐富，食源多樣性更高。春季和夏季的CD 值差別很小，說明食物網營養多樣性在春夏季比較穩定。秋季NR、CR、TA 值最低，說明秋季食物網結構單一，群落多樣性水平最低。在海洋生物群落中，餌料生物數量的變動引起消費者的競爭關系發生改變。若餌料生物數量減少，消費者對于食物的激烈競爭導致生態位重疊，群落營養冗余程度增加[20]。本研究中，3 個季節NND 值十分接近，說明各季節營養冗余度差別不大。SDNND值在秋季略低，說明秋季食物網中營養生態位分布較廣。鑒于本研究只從分析季節性特征來反映江蘇近海海域的營養結構特征，將來應該從方法比較以及時間尺度上來進一步闡明該海域的營養結構變化。生物營養級的差異取決于多個因素，比如生物體規格大小、Δ15N 和基線生物的選取[34-35]。本研究3 個季節同種生物的營養級差異均不顯著（p＞0.05）（圖5）。除了銀鯧（Pampus argenteus）、星康吉鰻（Conger myriaster）和密鱗牡蠣（Ostrea denselamellosa），同種生物的營養級最低值均出現在夏季，這與夏季捕獲的生物規格較小有關（附表A1）。此外，為了統一化比較，本研究3 個季節的所有個體都被視為具有相同的基線生物，但基線生物也存在季節性差異。如季節性水溫變化會影響浮游植物的光合作用及其對氮元素的吸收和分餾，進而影響作為基線生物的浮游動物的δ15N 值[35]。因此，在估算時空尺度上消費者的營養狀況時，應考慮不同或多個基線的選擇。

5 結論

本文利用穩定同位素技術研究江蘇近海不同季節主要海洋生物的δ13C、δ15N 值特征。結果表明，各季節的食物網結構穩定，一些消費者的營養生態位出現不同程度的重疊現象。其中，春季的食物來源較為廣泛，生物營養層次和群落多樣性更高；夏季消費者的食物來源更加豐富，但生態位分化程度較低；秋季的食物網結構比較單一，但營養生態位分布較廣。本研究結果為進一步評估江蘇近海漁業生態系統的營養結構奠定基礎，也為江蘇近海漁業環境保護和漁業資源的恢復與管理提供一定科學依據和參考基礎。

附錄

表A1 春、夏、秋3 季江蘇近海主要生物數量、體長及碳、氮穩定同位素Table A1 The number,mean length and the δ13C and δ15N values of organisms in the coastal waters of Jiangsu Province in spring,summer,autumn

續表 A1