張碩 ，高世科，于雯雯 ，李士虎

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

通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)中的能量傳遞，生物之間形成了一種錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，并在彼此之間構(gòu)成直接、間接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，稱為食物網(wǎng)[1]。相對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)，海域生態(tài)系統(tǒng)中的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)常被用于連接海陸生態(tài)系統(tǒng)間的能量流動(dòng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化，是生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域[2，3]，而群落結(jié)構(gòu)和消費(fèi)者營(yíng)養(yǎng)級(jí)的確定是其不可分割的一部分[4]。傳統(tǒng)海洋生物的食性研究是通過(guò)分析胃腸道中的食物組成及數(shù)量來(lái)確定其營(yíng)養(yǎng)級(jí)[5]，或者通過(guò)生物標(biāo)志化合物分析法等[6]，但這些方法均存在較大局限性，無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)不同消費(fèi)者的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，成為阻礙該領(lǐng)域發(fā)展的重大障礙。

近年來(lái)，穩(wěn)定同位素技術(shù)被用于分析生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)和物質(zhì)交替變化[7-8]，通過(guò)在食物鏈中富集度較低的碳（δ13C）穩(wěn)定同位素比值來(lái)追溯捕食者食物的來(lái)源，利用氮（δ15N）穩(wěn)定同位素在營(yíng)養(yǎng)級(jí)間相對(duì)穩(wěn)定的富集度來(lái)計(jì)算生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)[9]。穩(wěn)定同位素技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于克服了以往方法的復(fù)雜性和單一性[10]，對(duì)了解生態(tài)系統(tǒng)中元素循環(huán)、物質(zhì)能量循環(huán)提供了極大幫助。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，碳（δ13C）、氮（δ15N）穩(wěn)定同位素主要用于構(gòu)建食物網(wǎng)、確定營(yíng)養(yǎng)級(jí)以及分析生物的食性來(lái)源，綜合考慮了初級(jí)生產(chǎn)者到頂級(jí)消費(fèi)者在食物網(wǎng)中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)時(shí)空變化及各層級(jí)消費(fèi)者的食性特征及作用[11]。

Urey等[13-14]在1936年首次用化學(xué)交換法富集了13C，15N和34S等穩(wěn)定同位素，于1947年發(fā)表了熱力學(xué)相關(guān)文章，為現(xiàn)代同位素地球化學(xué)提供了理論基礎(chǔ)；至20世紀(jì)50年代后期，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和更新使得穩(wěn)定同位素技術(shù)得到迅速發(fā)展[15，16]；1987年，Peterson等[10]發(fā)表了一篇穩(wěn)定同位素在生態(tài)系統(tǒng)中的研究報(bào)告，引起學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注；2002年，Phillips等[16]提出IsoSource模型在生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用，給出了同位素定源貢獻(xiàn)的范圍。此后該模型被廣泛應(yīng)用于解決生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的食物來(lái)源和營(yíng)養(yǎng)級(jí)等問(wèn)題層面。我國(guó)針對(duì)穩(wěn)定同位素技術(shù)的研究起步稍晚，20世紀(jì)80年代以來(lái)，一系列大型國(guó)際涉海計(jì)劃的實(shí)施使得穩(wěn)定同位素在海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究日益增多[18-19]。1999年，蔡德陵等人[20-21]首次基于穩(wěn)定同位素技術(shù)構(gòu)建嶗山灣海洋生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此后，我國(guó)各大海域、港灣及漁場(chǎng)的食物網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)建及營(yíng)養(yǎng)級(jí)確定成為重要研究對(duì)象[22-24]?？梢?jiàn)，穩(wěn)定同位素已然成為構(gòu)建海域生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)、探究營(yíng)養(yǎng)級(jí)及其動(dòng)態(tài)關(guān)系的一種重要手段。

1 穩(wěn)定同位素技術(shù)在食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)方面的應(yīng)用

作為食物網(wǎng)基礎(chǔ)研究的重要指標(biāo)之一，營(yíng)養(yǎng)級(jí)不僅反映物種群落結(jié)構(gòu)的變化，還是用于海洋生態(tài)評(píng)價(jià)及效果評(píng)估的重要依據(jù)[24]。因此，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，不同生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)的確定及物質(zhì)循環(huán)、能量傳遞對(duì)食物網(wǎng)的構(gòu)建起到至關(guān)重要的作用[25]。

Otsuki等[26]最早將碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)學(xué)中。近年來(lái)，在淡水湖泊、江河、海洋中相繼出現(xiàn)食物網(wǎng)構(gòu)建及營(yíng)養(yǎng)級(jí)確定的相關(guān)報(bào)道[28-29]。食物網(wǎng)中的生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)（Trophic Level,TL）計(jì)算公式[29]如下所示：

式中，δ15Nsample為系統(tǒng)消費(fèi)者氮穩(wěn)定同位素比值；δ15Nbaseline則為該系統(tǒng)基準(zhǔn)生物的氮穩(wěn)定同位素比值；TEF為營(yíng)養(yǎng)級(jí)的富集度（Trophic Enrichment Factor）；2是基線生物的營(yíng)養(yǎng)級(jí)。

基線生物一般選擇營(yíng)養(yǎng)級(jí)較低的初級(jí)消費(fèi)者，而選取的不同將導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)級(jí)產(chǎn)生差異，常見(jiàn)的有浮游動(dòng)物[30]、貽貝[31]、毛蚶[32]、縊蟶[33]、櫛孔扇貝[22]等；不同學(xué)者也使用各基線生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)的均值來(lái)計(jì)算[35-36]，但這些動(dòng)物的數(shù)據(jù)單一且變動(dòng)太大，導(dǎo)致結(jié)果無(wú)法得到精確。此外，不同海域所對(duì)應(yīng)的基線生物不同，亦或是海域食物網(wǎng)的構(gòu)建需要以多個(gè)基線生物為基礎(chǔ)，目前尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。因此，基線生物的確定仍需要標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

動(dòng)物組織中的δ15N容易在體內(nèi)富集，營(yíng)養(yǎng)級(jí)越高，其δ15N值也越大。Peterson[10]通過(guò)室內(nèi)模擬生物生長(zhǎng)試驗(yàn)得到營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集度為3.4‰；蔡德陵等[31]通過(guò)人工培養(yǎng)鰻魚試驗(yàn)得到營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(jìn)行了檢驗(yàn)和校正，仍確定為2.5‰[23]。這3個(gè)值計(jì)算營(yíng)養(yǎng)級(jí)的結(jié)果存在差異，與海域環(huán)境、食性來(lái)源和生物體長(zhǎng)密切相關(guān)[36]。營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集度的確定是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，畢竟不同生物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集度可能有所差異，在今后還需要加進(jìn)試驗(yàn)方面的研究。

迄今為止，碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)已經(jīng)頻繁出現(xiàn)于國(guó)內(nèi)外海洋食物網(wǎng)基礎(chǔ)和營(yíng)養(yǎng)級(jí)的報(bào)道中。Du等[37]沿用質(zhì)量平衡建模和穩(wěn)定同位素技術(shù)構(gòu)建了亞熱帶海灣的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)使用質(zhì)量平衡建模得出的結(jié)果數(shù)值偏低；Bin等[38]使用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)分析并討論了佐格濕地夏季水生生物群落食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征，得出該群落內(nèi)各個(gè)生物的δ13C和δ15N數(shù)值存在較大差異。營(yíng)養(yǎng)級(jí)的差異性與生物體長(zhǎng)規(guī)格密切相關(guān)，種內(nèi)差異現(xiàn)象甚至超過(guò)種間差異[39]，使得構(gòu)建食物網(wǎng)基礎(chǔ)和確定生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)仍存在較大外延拓展的研究空間。

2 穩(wěn)定同位素技術(shù)在食性來(lái)源方面的應(yīng)用

穩(wěn)定同位素方法是根據(jù)消費(fèi)者穩(wěn)定同位素比值與其食物同位素比值相接近的原則來(lái)判斷生物的食物和有機(jī)質(zhì)來(lái)源[40]，確定不同的動(dòng)物類群、消化率和水文條件，進(jìn)而確定食物貢獻(xiàn)。多數(shù)海洋生物在個(gè)體發(fā)育階段存在一次甚至多次的食性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象[35]，Willis等[41]運(yùn)用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)探究了緬因州近岸海灣魚類種群可能的食物來(lái)源，發(fā)現(xiàn)食性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象不僅與生物所處環(huán)境相關(guān)，還與生物不同發(fā)育時(shí)期、個(gè)體大小有關(guān)[42]。因此，早期有學(xué)者提出食源貢獻(xiàn)比例的方式來(lái)計(jì)算生物的食物來(lái)源[43]，Phillips等[16]使用貝葉斯模型（Baysian isotope mixing model）加強(qiáng)改進(jìn)了IsoSource軟件，為同位素?cái)?shù)據(jù)的處理和分析提供了有效手段。該軟件運(yùn)用n種同位素確定n+1種食物來(lái)源，計(jì)算公式如下：

式中，δ13Nconsumer為消費(fèi)者的某一種穩(wěn)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，F(xiàn)A、FB和FC分別為3種可能的食物來(lái)源A、B、C的貢獻(xiàn)比。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)被廣泛運(yùn)用在淡水、海域等不同水體的生態(tài)系統(tǒng)之中。Chen等[44]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)構(gòu)建了澳門濕地的食物網(wǎng)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)該地魚、蝦、蟹物種的食性來(lái)源主要包括有機(jī)碎屑、底棲動(dòng)物和腐殖質(zhì)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(lái)源，闡明在河流有機(jī)物質(zhì)輸入缺乏的情況下，通過(guò)海洋內(nèi)源輸入也有助于維持河口生態(tài)系統(tǒng)；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(dòng)物、甲殼類及小型魚類等，為該海域食物分布的時(shí)空結(jié)構(gòu)變化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

3 穩(wěn)定同位素技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)群落結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用

海洋食物網(wǎng)與水環(huán)境間的物質(zhì)循環(huán)及能量流動(dòng)，海洋生物能夠相互依存、相互制約[22，29]。通過(guò)海洋生物的營(yíng)養(yǎng)群落結(jié)構(gòu)、時(shí)空分布及群落多樣性等，為海域生態(tài)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)資料[46]。目前，穩(wěn)定同位素技術(shù)的成熟使其被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)構(gòu)建及營(yíng)養(yǎng)關(guān)系動(dòng)態(tài)變化等研究領(lǐng)域[49-50]，對(duì)全面開(kāi)展海洋生物食物網(wǎng)的研究工作及了解海洋生物群落結(jié)構(gòu)具有重要意義。

穩(wěn)定同位素技術(shù)在量化指標(biāo)上的應(yīng)用成為一種趨勢(shì)。量化指標(biāo)不僅能預(yù)測(cè)中小范圍內(nèi)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化[49]，還能定量分析海洋生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)群落結(jié)構(gòu)變化[29]。Layman等[50]在2007年提出了δ13C-δ15N的二維坐標(biāo)，計(jì)算了6個(gè)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的量化指標(biāo)，以坐標(biāo)系中的散點(diǎn)代表群落內(nèi)各物種的生態(tài)位。“δ空間”被定義為同位素生態(tài)位，用以劃分生物在營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的細(xì)小差別[50]。

目前，有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同海域的生物群落結(jié)構(gòu)、群落多樣性做了研究和報(bào)道。紀(jì)煒煒等[51]利用穩(wěn)定同位素生態(tài)位的方法分析東海北部海域內(nèi)主要游泳動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化，證明該海域生物群落的食源多樣化與營(yíng)養(yǎng)冗余程度密不可分；Beld等[47]使用定量穩(wěn)定同位素方法研究了維多利亞湖食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)雜食性魚類以無(wú)脊椎動(dòng)物為食源，群落的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)與季節(jié)變化、空間分布密切相關(guān)；Preciado等[48]使用胃含物分析和穩(wěn)定同位素方法分析了深海海底生物群落的食物網(wǎng)功能及特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)游泳生物比深海生物更易受群落功能的影響，為營(yíng)養(yǎng)生態(tài)及海洋食物網(wǎng)構(gòu)架提供了基礎(chǔ)理論和科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

從眾多研究者近年來(lái)取得的一系列重要成果中，碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)主要應(yīng)用于海洋生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)構(gòu)建基礎(chǔ)及其動(dòng)態(tài)變化，確定海洋生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)連續(xù)值及追溯其食性來(lái)源，以及評(píng)估海域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)和分析生物營(yíng)養(yǎng)群落結(jié)構(gòu)變化，還包括基線生物的選取和營(yíng)養(yǎng)級(jí)富集度的確定。

但目前由于海洋環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)遭受不同程度的破壞，海洋食物鏈不斷縮短、營(yíng)養(yǎng)回路減少，極大降低了食物網(wǎng)的穩(wěn)定性[52]。因此，更多碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)研究將側(cè)重于水域環(huán)境因子與生物間的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系以及食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化[53]。并且，未來(lái)的研究方向也可能結(jié)合多種分析方法與計(jì)算機(jī)算法，利用同位素質(zhì)量守恒模型[16]和食物網(wǎng)模型[37]，以“簡(jiǎn)化食物網(wǎng)”的目的為前提來(lái)確定優(yōu)勢(shì)物種或關(guān)鍵種的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，以此構(gòu)建海域食物網(wǎng)基礎(chǔ)及動(dòng)態(tài)關(guān)系。這種方法將越來(lái)越廣泛運(yùn)用于海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究中。