基于穩定同位素技術的遼寧渾太河流域水生食物網研究

段元帥謝 軍劉 璐霍 斌李大鵬,

(1.華中農業大學水產學院,武漢 430070;2.長江經濟帶大宗水生生物產業綠色發展教育部工程研究中心,武漢 430070;3.湖北洪山實驗室,武漢 430070)

在水域生態系統中,種內和種間關系本質上表現為營養關系,這種關系使水生生物構成了一個相互依存并相互制約的有機整體,從而實現物質和能量的循環和流動[1,2]。棲息于水域生態系統中各個物種間的營養關系并不是簡單的食物鏈關系,而是由各種食物鏈彼此交錯形成的一種網狀關系,即水生食物網[1—5]。水域生態系統正是通過食物網進行著物質和能量的流動,從而維持自身的動態平衡狀態[1]。傳統的食物網測定方法是腸含物分析法,因具有工作量大、鑒別困難的缺點[6],限制其在水生生物營養結構方面的應用,相反穩定同位素法(Stable isotope analysis,SIA)能快速準確地評估生態系統長期的營養結構[7—10]。目前,SIA已廣泛運用于池塘、河流、湖泊、海洋和濕地等水域的食物網測定。如葉學瑤等[11]通過測定陽澄湖魚類穩定同位素值提出應當關注δ13C—δ15N雙坐標圖中的邊緣魚類如翹嘴鲌(Culter alburnus)、達氏鲌(Culter dabryi)的變化;趙冬福等[12]比較增殖區與非增殖區的食物網推斷放養鰱鳙會改變群落食物網結構;李學梅等[13]研究了長湖拆圍后魚類群落營養結構的變化特征,為該湖漁業資源修復提供依據;霍堂斌等[14]通過對黑龍江中游主要魚類食物網的構建得出了該生態系統營養結構圖;溫周瑞等[15]研究發現浮游植物和附著藻類為貢湖流域內魚類的主要碳源;而國外常用δ13C、δ15N和δ18O來區分野生與養殖品種[16],同時結合食物網分析重金屬(Hg等)在食物網中的生物富集作用[17]。

渾太河流經人口稠密,工農業發達的東北老工業基地[18—20],近幾十年來,采砂、農田耕作、城鎮化、水利工程和酷漁濫捕等人類活動已經引起流域內水生生物棲息地日漸惡化[21—23]、水生生物資源不斷減少[24—26]、物種瀕危程度不斷加劇及生物多樣性日益降低等一系列問題,河流健康狀況不佳及生態服務功能的減弱嚴重制約了流域內社會經濟綠色高質量發展[19,23,24]。因此,深入了解該生態系統的結構和功能,頒布詳細的保護政策迫在眉睫。目前,關于渾太河流域生態系統的研究主要集中在魚類群落結構[18—20]、水質狀況[23—25]和底棲生物多樣性[26,27]等方面,而通過SIA測定群落營養結構的相關研究還未見報道。本文針對渾太河流域面臨的水生態環境惡化與漁業資源衰退等問題,利用碳、氮穩定同位素技術分析流域內水生生物的穩定同位素值并以此建立營養級圖譜,揭示該流域水生生物營養結構,進而構建渾太河流域食物網,為渾太河開展生態修復和保護工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

渾太河(122°05′—125°17′E,40°40′—42°10′N)位于我國東三省之一的遼寧,是我國遼河流域的重要分支,主要由渾河與太子河組成,流域面積達27300 km2,全長近900 km[28],流經遼寧省一些重要的農業、工業及城市區域[29]。為調查渾太河流域水生生物食物網結構,分別于2020年秋季(10月)和2021年春季(5月)對渾太河流域的8個站位開展2次漁業資源調查工作(圖1)。

圖1 遼寧省渾太河采樣站點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the Hun-Tai River,Liaoning Province

1.2 樣品采集與處理

采用刺網、電捕及地籠對魚類樣品進行采集,現場對新鮮的樣本進行種類鑒定,并測量體長和體重,樣本測量完后轉入冰柜中速凍,運回實驗室取其背部白肌。魚類鑒別及食性判斷等主要參考《東北地區淡水魚類》[20]。植物類樣本在現場采集后使用蒸餾水清洗干凈后,60℃烘干、研磨。浮游生物使用WhatmanGF/F濾膜抽濾后,用1 mol/L鹽酸酸化后,60℃烘干、研磨。所有樣本的采集和前處理方式均參照徐軍等[30]。

1.3 穩定同位素分析

所有樣品的同位素比值均采用穩定同位素比率質譜儀(Isoprime 100,英國)測定,每測定12個樣品后加測1個標準樣,保證數據的準確性。碳、氮穩定同位素標準物質為咖啡因(Caffeine,IAEA-600)與大氣氮,測定結果以δ13C、δ15N表示,其公式為:

式中,δX為所測樣品的δ13C或δ15N,Rsample為樣本的同位素比值(13C/12C或15N/14N),RStandard為參考標準物質的同位素比值。

營養級(Trophic level,TL)計算公式為:

1.4 數據分析

使用Excel 2019進行碳、氮穩定同位素值基礎統計。使用SPSS 26進行單因素方差分析(ANOVA)檢驗比較漁獲物δ13C、δ15N值及營養結構的時空差異。通過ArcGIS 10.2、Origin 2021軟件制作站點分布圖及營養級圖譜。分別利用基于R 4.2.1的SIBER和MixSIAR包對整個渾太河流域漁獲物的δ13C和δ15N值進行分析,計算氮同位素比值范圍(δ15N range,NR)、碳同位素比值范圍(δ13C range,CR)、生態位總面積(Total area,TA)、平均離心距離(Mean distance to centroid,CD)、最鄰近距離平均值(Mean nearest neighbor distance,NND)和最鄰近距離標準差(Standard deviation of nearest neighbor distance,SDNND)六個群落營養結構指標[32]與基礎碳源對漁獲物的貢獻率。

2 結果

2.1 穩定同位素δ13C、δ15N值特征

本實驗兩個季度共采集漁獲物4276尾,隸屬于3目6科20屬23種,其中共測定同位素樣品343個(表1)。秋季主要漁獲物的δ13C值為-37.18‰[黑鰭鳈(Sarcocheilichthys nigripinnis)]— -19.28‰[興凱銀(Squaliduschankaensis)],差值達17.90‰,δ15N值為7.98‰[中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)]—14.15‰(黑鰭鳈),相差6.04‰;春季主要漁獲物的δ13C值為-27.40‰[方氏鳑鲏(Rhodeusfangi)]— -20.53‰[銀(Squalidus argentatus)],相差6.87‰,δ15N值為8.72‰[撫順(Gobiofushunensis)]—16.51‰[小黃?(Micropercopsswinhonis)],相差7.79‰。比較不同食性漁獲物的δ13C和δ15N值發現,肉食性[δ13C=(-24.08±3.31)‰,δ15N=(12.83±2.69)‰]的δ13C值與植食性[δ13C=(-23.89±2.84)‰,δ15N=(11.95±1.89)‰]和雜食性[δ13C=(-24.37±3.22)‰,δ15N=(11.77±2.12)‰]相比無顯著差異(P＞0.05),但肉食性的δ15N值顯著高于雜食性(P＜0.05)。

表1 渾太河生態系統碳、氮穩定同位素值Tab.1 δ13C andδ15N values in the Hun-Tai River ecosystem (n=343,x±SD)

除此之外,選取同種類不同季節和同種類不同支流的漁獲物δ13C、δ15N值進行時空差異比較。結果表明,在整個渾太河流域,春季時漁獲物δ13C、δ15N值相較于秋季小幅度上升(圖2a;P＞0.05);而太子河漁獲物的δ13C值顯著高于渾河(圖2b;P＜0.01),但δ15N值無顯著差異(P＞0.05)。

圖2 渾太河流域同種漁獲物δ13C和δ15N值的時空差異Fig.2 The spatiotemporal differences ofδ13C andδ15N values of the same selected species in the Hun-Tai River

2.2 營養級

通過δ15N值計算營養級(圖3),渾太河流域秋季主要漁獲物營養級為2.57(中華絨螯蟹)—4.39(黑鰭鳈),均值為3.64±0.69,跨度為1.82,屬于3個營養級;春季營養級為1.71(撫順)—4.00(小黃?),均值為2.64±0.66,跨度為2.29,屬于4個營養級,秋季營養級跨度小于春季。不同食性漁獲物營養級之間差異較大,雜食性的營養級為2.03—4.03,植食性的營養級為2.49—3.81,肉食性的營養級為1.71—4.05。

圖3 渾太河流域秋季和春季漁獲物營養級圖譜Fig.3 Continuous trophic spectrum of catches in autumn and spring in the Hun-Tai River

選取同種類不同季節和同種類不同支流的漁獲物營養級進行時空差異比較。由圖4可見,秋季渾太河漁獲物的營養級顯著高于春季(秋季: 3.65±0.70;春季: 2.64±0.66;P＜0.01),其中寬鰭鱲(Zaccoplatypus)、?(Hemiculterleucisculus)、大鰭鱊(Acheilognathus macropterus)、鯽(Carassiusauratus)、拉氏鱥(Rhynchocyprislagowskii)和日本沼蝦(Macrobrachium nipponense)的營養級降幅均大于1(圖3),而降幅最小的為小黃?和泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus);不同支流的營養級差異也極顯著(圖4;渾河: 3.38±0.61;太子河: 3.77±0.83;P＜0.01),特別是棒花魚(Abbottinarivularis)、方氏鳑鲏、高體鳑鲏(Rhodeus lighti)、小黃?、麥穗魚(Pseudorasboraparva)。

圖4 渾太河流域同種漁獲物營養級的時空差異比較Fig.4 The spatiotemporal differences of trophic level of the same selected species in the Hun-Tai River

2.3 群落營養結構

根據穩定同位素值計算生物群落指標,在渾河流域(圖5a),秋季的CR值(基礎食物源)、TA值(生態位空間)、CD值(營養多樣性)、NND值(營養位置)均高于春季,只有NR值(食物網長度)、SDNND值(營養冗余程度)略低于春季。而在太子河流域(圖5b),秋季的CR值、TA值、CD值、NND值、SDNND值明顯高于春季,但NR值較低。在整個渾太河流域(圖5c),CR、TA、CD、NND、SDNND值隨時間呈遞減趨勢,只有NR值有所上升。對比兩個支流的各項指標(圖5d),太子河的六項群落營養結構指標值均大于渾河。

圖5 渾太河流域生物群落指標Fig.5 The community-wide metrics in the Hun-Tai River

2.4 潛在碳源貢獻率

本研究調查到的水生植物有蔞蒿(Artemisia selengensis)、水燭(Typha angustifolia)、荻(Miscanthus sacchariflorus)、蘆葦(Phragmites australis)、水蓼(Polygonum hydropiper)、香蒲(Typha orientalis)、虉草(Phalaris arundinacea)、具芒碎米莎草(Cyperus microiria)和穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum);陸生植物有披堿草(Elymus dahuricus)、旱柳(Salix matsudana)、春榆(Ulmus davidiana var.japonica)、漢白楊(Populus ningshanica)和酸模(Rumex acetosa)。

不同季節渾太河流域5種潛在碳源[浮游植物、陸生植物、顆粒有機物(POM)、水生植物、著生藻類]對不同魚類食源的貢獻率如表2所示。秋季時各潛在碳源貢獻率順序為水生植物(36.15%)＞陸生植物(24.24%)＞著生藻類(17.10%)＞浮游植物(13.21%)＞POM(9.30%),而春季時為陸生植物(27.09%)＞著生藻類(22.70%)＞水生植物(18.66%)＞浮游植物(18.51%)＞POM(13.04%),其中水生植物兩季的貢獻率波動最大。在兩條支流中,渾河潛在碳源貢獻率順序為陸生植物(36.60%)＞著生藻類(22.36%)＞浮游植物(17.92%)＞POM(12.92%)＞水生植物(10.20%),而太子河的順序為POM(29.01%)＞陸生植物(26.52%)＞著生藻類(23.91%)＞水生植物(10.83%)＞浮游植物(9.73%),其中陸生植物和POM的貢獻率在空間分布上存在較大波動。

3 討論

3.1 穩定同位素δ13C、δ15N值特征

渾太河流域(表1)的δ13C值為-37.18‰—-19.28‰,相差17.9‰;δ15N值為7.98‰—16.51‰,相差8.53‰,與黑龍江中游[14](δ13C: -32.00‰—-17.32‰;δ15N: 7.58‰—14.78‰)、長江中游[33](δ13C:-33.83‰— -17.36‰;δ15N: 4.83‰—15.13‰)、大寧河[34](δ13C: -29.74‰— -16.61‰;δ15N: 4.54‰—17.51‰)、香溪河[35](δ13C: -28.30‰— -13.90‰;δ15N: 4.80‰—14.40‰)等江河水域相似,漁獲物穩定同位素比值(δ13C和δ15N)范圍較廣,遠高于陽澄湖[11](δ13C: -28.98‰— -20.65‰,δ15N: 11.92‰—17.85‰)、長湖[13](δ13C: -27.70‰— -24.80‰,δ15N: 11.40‰—16.60‰)、貢湖[15](δ13C: -23.10‰— -28.10‰,δ15N:14.50‰—19.10‰)等湖泊的穩定同位素比值范圍,這可能由于江河相比于湖泊流域面積大,水體流動性強,基礎外源性食物源輸入較多(δ13C值范圍大)[14,33],其魚類營養級位置較為分散(δ15N值范圍大),食物競爭壓力較小。另外穩定同位素比值與海拔和經緯度相關[36],渾太河流域海拔差在1500 m左右[28],遠高于上述湖泊。

生物組織的δ13C值可以確認食物來源,而δ15N值可以計算營養級[37]。本研究肉食性、植食性和雜食性魚類三者的δ13C值無顯著差異(表1;P＞0.05),據此推測三者的食物來源較接近。而植食性魚類的δ13C值略高于其余兩種魚類,與著生藻類的δ13C值較高有一定聯系[11]。肉食性魚類的δ15N值最高,也符合其處在群落中較高的營養位置。植食性和雜食性魚類δ15N值無差異(P＞0.05)可能由于本流域中水生植物占了雜食性魚類基礎食源的很大部分[11]。不同季節渾太河流域同種類漁獲物的δ13C值與δ15N值變化不顯著(圖2a;P＞0.05),但隨時間有所上升,可能由于渾太河春季日照時間長,風力大等氣候條件[28],導致漁獲物減少低δ13C、δ15N值水生植物的攝食比例,增加高δ13C、δ15N值著生藻類的攝食比例。渾河同種類漁獲物的δ13C、δ15N值均小于太子河(圖2b),且δ13C值差異極顯著(P＜0.01),除渾河流域面積較小外[28],還可能由于渾河流域內農業用地較多[38],而太子河流域周圍以林地為主[39],外源性碳源較為豐富。

3.2 營養級

渾太河秋季主要漁獲物營養級范圍跨度小于春季(圖3),主要原因可能為秋季沒有采集到撫順等低營養級消費者,春季沒有黑鰭鳈等高營養級消費者所導致的物種組成差異所致。渾太河流域的營養級為1.71—4.39(圖3),黑龍江中游[14]的營養級為1.06—3.98,跨度均超過了2.5個營養級,而太湖[15](3.30—4.40)與陽澄湖[11](2.05—3.80)營養級范圍較小。同時比較渾太河與其他水域相同魚類的營養級發現,渾太河魚類營養級偏高[9,11,13,15],推測這些現象是由于δ15N基準物的選擇不同[40],本研究選取的基準物為浮游動物,而其余湖泊選取了底棲無脊椎動物蚌類和螺類[9,11,13,15],二者的δ15N值均存在一定的種內、種間差異[40]。為了減少由種類組成造成浮游動物δ15N值差異,本研究使用浮游生物網在采樣站點100 m范圍內進行3—5次收集并混合,并將非浮游動物物質分離。同時大型河流與湖泊的營養程度不同,而棲息環境的營養狀態會影響食物組成及營養級[40,41],且本研究采集的漁獲物體型偏小,不同規格魚類具有顯著的穩定同位素差異[7,41],這些因素都可能造成營養級差異。河流生態系統中水生生物營養級的高低也與其漁業資源開發情況有關[11],本研究中低營養級漁獲物占比偏多(圖3),由此可知渾太河流域水生生物被過度開發。

秋季的營養級遠高于春季(圖4;P＜0.01),推測與春季浮游植物生物量高(未發表數據)有關,消費者以初級生產者浮游植物為主要餌料導致營養級降低[11]。同時營養級范圍波動大表明其食物來源廣,可能與本研究漁獲物以雜食性為主有關。小黃?和泥鰍的營養級隨季節波動較小,可能由于二者均是棲息在底層水體且是以動物食性為主的雜食性魚類[20],而渾太河流域底棲動物群落相對穩定[29]。兩條支流的營養級差異也極顯著(圖4;P＜0.01),造成這一現象的原因除了食物組成不同外,基礎食物源的穩定同位素值也存在空間差異。

3.3 群落營養結構分析

魚類群落營養結構是評估生態系統健康狀況的一個重要方法。渾太河秋季的NR值較春季的小(圖5c),CR值大,表明其食物網長度較小,但其基礎食物源更豐富,可能是由于: (1)兩季漁獲物種類組成差異;(2)浮游生物量較低時,部分魚類必須廣泛攝食以獲取生長所需能量[11,15];(3)陸生植物的δ13C值較高,通過同位素分餾效應升高了以此為食的漁獲物的δ13C值,如黑鰭鳈;(4)渾太河流域廣,人為因素,如城市生活用水、工業廢水等流入生態系統中[19,21,22],從而增加了食物多樣性(CR值)。秋季的TA值(δ13C—δ15N面積)大于春季(圖5c),說明秋季魚類的生態位總空間大于春季。秋季的魚類多樣性程度較高(CD值),魚類營養位置差異大(NND值),營養生態位分布不均勻(SDNND值)。渾河(圖5a)、太子河(圖5b)兩季度各項指標的整體趨勢與渾太河流域(圖5c)大致相同,只有渾河的SDNND值趨勢與之相反,表明秋季渾河營養冗余度較高,因為秋季時水生食物網中消費者的營養級較為集中。對比兩季度渾河與太子河的各項生物群落指標(圖5d),太子河的多項指標都優于渾河,表現在其食物多樣性水平高、營養層級高、生態位空間大、群落營養冗余程度低,這一點也與太子河FIBI、IEI等評價優于渾河相互印證[24]。

本研究結果顯示渾太河流域魚類群落營養結構具有一定的時空特征。春季基礎食物源較少,可以通過人工種植水生植物,培養綠藻等浮游植物補充基礎餌料生物[37];秋季魚類多樣性較低,可以以增殖放流土著魚類、人工建設產卵場等來改善[19];相較于太子河流域,渾河流域更加需要開展一系列保護措施來恢復其生態系統的健康。

3.4 潛在碳源貢獻率分析

潛在碳源是維持河流生態系統穩定的基石[42,43],根據其來源不同分為內源性和外源性碳源[37]。渾太河流域廣,既有水生植物、著生藻類和浮游植物等內源性碳源,也有部分比例的陸生植物等外源性碳源,且種類與張遠等[44]對渾太河流域的調查結果基本一致。

河流周圍生境不同,食物源組成也不同[8,42,43]。在渾河流域,陸生植物貢獻率最大;而太子河的主要食源為POM,導致這一現象的原因可能除了魚類種類組成不同和兩條支流周圍土地利用率不同有關以外[8],渾河還有著較明顯的季節性水量變化[45],水量增加至淹沒河岸導致陸生植物輸入水體。這種基礎碳源的空間差異在珠江等流域都存在[42,43]。而水生植物與陸生植物貢獻率的季節性變化可能與其生物量有關[42,43],遼寧省內河岸周圍的陸生植物自8月開始衰退[46],而春季(5月)恰是陸生植物的快速生長階段,而此時渾太河的水溫等環境因子不適宜水生植物的生長[44],導致秋季水生植物為主要食物源,春季陸生植物為主要食物源。由于渾太河流經重工業區等造成了一定程度的重金屬污染[26],本研究也通過潛在碳源貢獻率分析為該流域未來開展重金屬沿食物鏈的生物富集效應及其治理等研究提供了基礎數據。

4 結論

本研究通過SIA初步構建了渾太河生態系統食物網,分析了其流域內主要漁獲物的營養結構,應用SIBER模型分析該流域營養結構的時空差異,同時使用MixSIAR模型揭示潛在碳源對水生生物的貢獻率,為東北地區河流生態系統食物網的構建及未來河流的管理、規劃等提供理論依據。但由于在采樣期間,上游多數水庫因泄洪及農業灌溉等需求放水導致水位上漲,嚴重影響底棲生物的采集,因此本研究未涉及底棲生物,并使用浮游動物為基準;部分渾太河特有和名貴珍稀魚類,如雷氏七鰓鰻(Lampetra reissneri)等并未采集到,且部分種類僅出現1次,比較群體營養結構的時空差異時無法排除魚類物種差異。在以后的研究中,應持續檢測該流域內水生生物的營養結構,以此來分析該地區人為活動對河流生態系統的影響,為改善河流生態環境提出建議。