嚴淋露，龐 博，查穆哈，陳星瑤，康振坤，王 強

(1.東北林業(yè)大學野生動物與自然保護地學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.呼倫貝爾市北方寒冷干旱地區(qū)內(nèi)陸湖泊研究院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008；3.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春 130102)

濕地是地球上生產(chǎn)力和經(jīng)濟價值最高的生態(tài)系統(tǒng)之一，它提供了關鍵的生態(tài)系統(tǒng)服務和功能，如碳儲存、生物多樣性保護、氣候調(diào)節(jié)、水源凈化、防洪減災等[1-3]。濕地是水域和陸地相互作用形成的特殊生態(tài)系統(tǒng)，其復雜的水文環(huán)境和多樣的組成成分使其具有較高的初級生產(chǎn)力和復雜的有機質(zhì)來源，為魚類、兩棲類、水鳥等眾多物種提供了覓食、棲息和繁殖場所，因此在濕地中常常形成復雜的食物網(wǎng)關系[4-5]。濕地食物網(wǎng)不僅反映了濕地物種間的捕食關系和營養(yǎng)物質(zhì)的流動途徑，更描述了生物群落內(nèi)不同生物體之間復雜的營養(yǎng)互作。隨著濕地食物網(wǎng)研究的逐漸深入，可反映系統(tǒng)內(nèi)物種間營養(yǎng)關系及有機體在食物網(wǎng)中相對位置[6]的營養(yǎng)級研究開始受到生態(tài)學家們的廣泛關注。

營養(yǎng)級(trophic level)是食物網(wǎng)研究中的一項重要內(nèi)容。營養(yǎng)級的變化代表了從生產(chǎn)者到消費者能流途徑的改變，具體體現(xiàn)在物種攝食行為和餌料生物的豐度變化兩個方面[7-8]。早期營養(yǎng)級的研究并沒有明確規(guī)定評估和計算方法[9]，1975 年，利用消費者的食物組成及其所占比例來計算營養(yǎng)級，之后關于營養(yǎng)級的研究才得到廣泛應用[10]。隨著穩(wěn)定同位素技術的推廣和應用，1992年，利用“消費者與基線物種氮同位素的差值除以分餾因子，再將所得值加上基線物種營養(yǎng)級值”這一等式關系計算海洋生物的營養(yǎng)級。至此，營養(yǎng)級的研究又有了新的形式和進展[11]，基線物種(baseline species)和分餾因子(trophic discrimination factor，TDF)也成為準確評估物種營養(yǎng)級的關鍵參數(shù)。

在計算營養(yǎng)級時，將基線物種的氮穩(wěn)定同位素值作為“基準”，以此計算和評估食物網(wǎng)中更高水平生物的營養(yǎng)級?！盎鶞省钡淖饔檬切Ｕo定區(qū)域同位素水平的固有差異，從而便于進行營養(yǎng)級評估和食物網(wǎng)結(jié)構的比較，因此，理想基線物種的同位素值應隨時間相對恒定[12-13]。當?shù)h(huán)過程、溫度、光合作用途徑等多種因素導致基線物種同位素呈現(xiàn)較高的時空變化時，較高等級消費者的營養(yǎng)級就更多地取決于基線物種采樣的時間，而不是消費者具體的飲食情況。有研究表明，湖泊中浮游植物和顆粒有機物(POM)中δ15N 值的時間變化是初級消費者的10倍，因此，分別利用浮游植物和初級消費者作為基線物種計算的食物鏈長度相差高達8 個營養(yǎng)級[13-14]。因此，選擇合適的基線物種對于研究濕地食物網(wǎng)的結(jié)構和功能至關重要，對基線物種變化的有限理解會妨礙對消費者穩(wěn)定同位素的適當解釋，并導致對有關物種生態(tài)作用的不準確推斷。

分餾因子也稱為富集因子，是食物消化和同化過程中消費者和其食物之間同位素比率的相對可預測的變化[12]。分餾因子會因不同物種和組織、樣品處理方式、食源質(zhì)量、有機體自身新陳代謝水平等因素而有所不同，較小的分餾因子差異就有可能導致穩(wěn)定同位素比率對飲食和營養(yǎng)級估計的巨大差異。例如，研究人員利用不同食魚鳥類的分餾因子來估算燕鷗(Sterna hirundo)飲食中磷蝦(Meganyctiphanes norvegica)的百分比，根據(jù)設置的分餾因子的不同，結(jié)果從10.8%到90.7%不等[15]。還有研究發(fā)現(xiàn)，基于相加框架(additive Δ15N framework，兩營養(yǎng)級之間的分餾因子是固定常數(shù)值)計算出的各物種營養(yǎng)級小于基于尺度框架(scaled Δ15N framework，分餾因子隨營養(yǎng)級升高而減小)計算出的各物種營養(yǎng)級[16-17]。因此，選擇合適的分餾因子對于準確評估物種在食物網(wǎng)中的營養(yǎng)位置至關重要。

盡管穩(wěn)定同位素技術已在濕地食物網(wǎng)研究中得到廣泛應用，關于物種穩(wěn)定同位素組成與變化[18]、物種食源組成與變化[19-20]、食物網(wǎng)結(jié)構和營養(yǎng)級核算[21-22]等方面已經(jīng)開展了很多研究，但是，在營養(yǎng)級核算過程中，對基線物種和分餾因子的合理選擇以及二者的可變性對營養(yǎng)級評估影響的綜合性探究，關注度仍然不足。鑒于此，本研究詳細介紹了基于穩(wěn)定同位素技術計算物種營養(yǎng)級的基本原理，系統(tǒng)總結(jié)了常用基線物種和分餾因子的類型及二者的變化特征，并進一步分析了基線物種和分餾因子的變化對營養(yǎng)級評估的影響。旨在科學理解基線物種和分餾因子對于營養(yǎng)級評估的重要性，為準確核算物種營養(yǎng)級以及精準定位物種在生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)位置提供更多有益參考。

1 穩(wěn)定同位素技術在營養(yǎng)級研究中的應用

質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一種元素的不同原子互稱為同位素，其中，不具有放射性的同位素被稱為穩(wěn)定同位素[23]。在食物網(wǎng)研究中，常用的穩(wěn)定同位素主要有碳穩(wěn)定同位素(12C 和13C)和氮穩(wěn)定同位素(14N 和15N)。物質(zhì)的穩(wěn)定同位素組成通常用該物質(zhì)的重、輕同位素原子豐度之比與標準物質(zhì)的重、輕同位素原子豐度之比的比率δ表示：

公式(1)中，X為15N、13C 等，R樣為所測樣品重同位素原子豐度與輕同位素原子豐度的比值，R標為標準物質(zhì)重同位素原子豐度與輕同位素原子豐度的比值(如13C/12C 或15N/14N)。每種穩(wěn)定同位素的比值都是相對于標準物質(zhì)而言的[24-25]。

由于同位素的質(zhì)量不同，在不同的生化過程中會以不同的比例分配到不同物質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫做同位素分餾，同位素分餾導致消費者與其食物之間穩(wěn)定同位素比值的差異[26]。碳穩(wěn)定同位素在食物網(wǎng)的傳遞過程中比較穩(wěn)定，消費者與其食物之間的營養(yǎng)分餾約為0‰～1‰[12]，通常用碳穩(wěn)定同位素進行食物溯源。氮穩(wěn)定同位素通常在消費者體內(nèi)富集，消費者與其食物之間的營養(yǎng)分餾約為3‰～4‰[27]，因此常用氮穩(wěn)定同位素計算營養(yǎng)級，常用的營養(yǎng)級計算公式如下：

公式(2)中，TL為營養(yǎng)級；δ15N消費者為消費者的氮同位素比值；δ15N基線為基線物種的氮同位素比值；當基線物種為初級生產(chǎn)者時，λ=1；當基線物種為初級消費者時，λ=2；Δ15N為分餾因子，是物質(zhì)傳遞過程中δ15N值在每一個營養(yǎng)級的富集值[28-30]。

上述公式中共存在4 個未知數(shù)，分別為營養(yǎng)級、消費者δ15N 值、基線物種δ15N 值和分餾因子。其中前3個參數(shù)可以通過實驗和計算獲得，分餾因子多選擇常數(shù)值。然而，大量研究發(fā)現(xiàn)，基線物種和分餾因子受多種因素的影響，多變的基線物種δ15N 值和分餾因子會導致不同的營養(yǎng)級計算結(jié)果。因此，選擇合適的基線物種和分餾因子是準確計算物種營養(yǎng)級的前提條件。以下分別從基線物種和分餾因子的變化及其對營養(yǎng)級評估的影響兩方面進行探討。

2 基線物種氮穩(wěn)定同位素的變化及其對營養(yǎng)級評估的影響

對于不同濕地生態(tài)系統(tǒng)中基線物種的選擇，需要根據(jù)所研究生態(tài)問題的時空背景以及所研究濕地的環(huán)境狀況、物種組成、時空動態(tài)變化等因素來決定。在濕地食物網(wǎng)研究中，基線物種通常為食物網(wǎng)中低營養(yǎng)級的生物或有機物，如初級生產(chǎn)者(藻類)、有機碎屑或初級消費者(浮游動物、底棲動物)。

2.1 藻類

藻類作為生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，是濕地食物網(wǎng)的基礎碳源，常被作為基線物種應用于濕地食物網(wǎng)研究中。藻類δ15N值易受水文條件、氣溫、營養(yǎng)物質(zhì)濃度等多種因素的影響，其δ15N 值的變化還會沿著食物鏈向上傳遞，進而影響食物鏈的長度和食物網(wǎng)的結(jié)構。

藻類氮同位素比值的影響因素有很多。首先，不同種類藻類的δ15N 值差異明顯。通過分析芬蘭西南部1 個中營養(yǎng)湖泊和3 個富營養(yǎng)湖泊中不同藻類的δ15N值，發(fā)現(xiàn)不同種類藻類δ15N值之間存在顯著差異，其中金藻、甲藻和硅藻的δ15N值變化范圍較大，為-2.1‰～12.8‰[31]。其次，湖泊水動力條件的變化會導致藻類δ15N值發(fā)生變化。不同的水流流速會改變水流的波動程度，影響藻類的生長繁殖，從而影響藻類的δ15N值[32-33]。底棲藻類δ15N 值還受到太陽輻射[34]、固著厚度[35]等的影響，水溫[36]、pH[37]等因素也會通過影響藻類的生長進而影響藻類的δ15N 值。最后，藻類穩(wěn)定同位素特征隨其所處環(huán)境而變化，最顯著的是隨營養(yǎng)物質(zhì)濃度和形式而變化，但其相關性是非系統(tǒng)的和特定區(qū)域的。氮是浮游植物生長繁殖所必需的營養(yǎng)成分，也是影響浮游植物生長的重要因素之一。浮游植物主要吸收銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等溶解性無機氮[38-39]，也可吸收尿素、溶解性的游離氨基酸等小分子有機氮[40-41]，不僅氮源中的15N 含量會影響藻類δ15N 值，氮循環(huán)過程更會對藻類δ15N 值產(chǎn)生顯著影響，例如，固氮作用、硝化作用會使藻類的δ15N值降低，反硝化作用則會使藻類的δ15N值升高[42-43]。隨著城市化進程的加快，高濃度的污染物(生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)藥化肥等)被更多地排放到濕地生態(tài)系統(tǒng)中，增加了氮、磷等營養(yǎng)鹽的輸入，引起濕地水體富營養(yǎng)化，從而導致藻類δ15N值升高。

藻類最早被用作基線物種來計算營養(yǎng)級，但其δ15N值易受環(huán)境因素的影響，具有明顯的時空變化特征，因此只有少數(shù)研究將藻類作為基線物種用于評估物種的營養(yǎng)級和能流特征。在黑石礁海域進行生物穩(wěn)定同位素特征和營養(yǎng)級的短期監(jiān)測時，將孔石莼(Ulva pertusa)作為基線物種，發(fā)現(xiàn)六線魚(Hexagrammos otakii)與孔石莼大約相差2 個營養(yǎng)級[18]。在進行湖泊食物網(wǎng)研究時，將浮游植物作為基線物種計算魚類營養(yǎng)級，發(fā)現(xiàn)撫仙湖敞水區(qū)魚類營養(yǎng)級為2.29～3.66，星云湖敞水區(qū)魚類營養(yǎng)級為2.02～3.55，因為星云湖水體呈富營養(yǎng)化狀態(tài)，浮游植物密度大，魚類大量攝入藻類，因此其營養(yǎng)級相對較低[44]。太湖北部湖區(qū)人為干擾嚴重，藍藻大爆發(fā)，以藍藻作為基線物種計算營養(yǎng)級，發(fā)現(xiàn)竺山湖、三國城、烏龜山水域的鰱(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙(Aristichthys nobilis)營養(yǎng)級均在1～2之間，月亮灣鰱、鳙營養(yǎng)級在2～3之間[45]。

綜上所述，藻類δ15N 值易受溫度、營養(yǎng)物質(zhì)濃度、水文條件等環(huán)境因素的影響，僅適用于短期監(jiān)測。因此在以藻類作為基線物種計算物種營養(yǎng)級時，環(huán)境因素的波動會導致營養(yǎng)級時空差異較大，即同一物種在不同時間、不同地點的營養(yǎng)級計算結(jié)果差異顯著。為了更準確全面地了解生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構，準確評估物種營養(yǎng)級，有學者建議通過高時間分辨率、高頻率的采樣方式來獲得樣品，從而弄清藻類δ15N值的變化特征，彌補藻類δ15N值的時空變化引起的物種營養(yǎng)級核算偏差[26]。

2.2 浮游動物

浮游動物是濕地食物網(wǎng)中連接基礎碳源和高級消費者的重要樞紐[46]。與浮游植物相比，浮游動物作為生態(tài)系統(tǒng)的初級消費者，其生命周期較長，對環(huán)境波動敏感程度低，浮游動物δ15N值可以反映其在較長時間內(nèi)的攝食情況。因此，浮游動物δ15N值常被用作湖泊浮游食物網(wǎng)的基線。

將浮游動物作為基線物種時，一般有兩種類型，第一種是不區(qū)分種類、將體型大小在同一范圍內(nèi)的浮游動物作為基線物種。例如，將個體大小小于250 μm的浮游動物作為基線物種，發(fā)現(xiàn)不同湖泊中無脊椎動物捕食者、浮游生物食性魚類和肉食性魚類分別比浮游動物高了1 個、2 個和3 個營養(yǎng)級[47]。將第二營養(yǎng)級的草食性浮游動物作為基線物種研究了太湖的食物網(wǎng)結(jié)構，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)有4 個營養(yǎng)級[48]。在研究膠州灣普氏櫛蝦虎魚(Rhinogobius pflaumi)的攝食習性時，研究人員把中型浮游動物(380～500 μm)作為基線物種，結(jié)果顯示，普氏櫛蝦虎魚的營養(yǎng)級范圍為3.49～3.76[49]。這種類型的基線被廣泛應用于營養(yǎng)級研究中。

然而，這種方法忽略了不同種類和體型大小的浮游動物δ15N值的不同對營養(yǎng)級評估的影響，眾多研究已經(jīng)證實，不同種類和大小的浮游動物δ15N值差異顯著[50-52]。尼斯湖中不同浮游動物種群間的δ15N值差異顯著，透明溞(Daphnia hyaline)δ15N值為4.8‰～7.8‰，真鏢水蚤(Eudiaptomus gracilis)和 劍 水 蚤(Cyclops abyssorum)δ15N 值 為7.3‰～9.7‰，而位于第三營養(yǎng)級的多刺水蚤(Bythotrephes longimanus)δ15N值為10.2‰～10.4‰[51]。研究人員普遍發(fā)現(xiàn)，浮游動物δ15N 值隨著其粒徑的變大而增大。對南海浮游動物穩(wěn)定同位素的研究結(jié)果顯示，大型浮游動物(500 μm)δ15N 值大于中型(380～500 μm)和小型(180～380 μm)浮游動 物[53-54]。黃東海4 個粒徑范圍(100～200 μm、200～500 μm、500～1 000 μm 和1 000～2 000 μm)浮游動物δ15N 值逐級遞增[55]。不同種類和大小浮游動物δ15N值變化的最主要原因是受到不同攝食行為的影響。不同種類的浮游動物可以選擇性攝食不同類型的藻類。尼斯湖中甲殼類浮游動物冬季和初春主要食用δ15N 值較高的顆粒有機物，夏季主要攝食δ15N值較低的藻類，導致冬春季的δ15N值比夏季高[51]。另外，浮游動物可以直接攝食魚飼料或者以魚飼料為營養(yǎng)鹽的浮游植物，這樣會引起浮游動物較高的δ15N 值[56]。體型大于500 μm的浮游動物多為兇猛的肉食性動物，喜食甲殼類等中小型浮游動物，故其δ15N值較高；而200～500 μm的浮游動物主要是雜食性和植食性的橈足類和枝角類，因而其δ15N 值較小[53,55]。研究發(fā)現(xiàn)，浮游動物體型大小的不同可能導致湖泊中特定區(qū)域浮游動物δ15N 值的變異性較大[57]，從而影響物種營養(yǎng)級的計算結(jié)果。利用浮游動物δ15N 平均值作為基線，評估了象山港牧場區(qū)物種營養(yǎng)級，象山港黃姑魚(Nibea albiflora)δ15N 值(10.88‰)比渤海灣(12.39‰)低，象山港黃姑魚的營養(yǎng)級為3.5 左右，渤海灣黃姑魚的營養(yǎng)級為3.65±0.39，兩者差異的主要原因來自于物種攝食習性和浮游動物食源的變化[58-59]。相似的營養(yǎng)級變化在其他研究中也有所發(fā)現(xiàn)，在三亞蜈支洲島牧場珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中，作為基線物種的浮游動物的種類和營養(yǎng)物質(zhì)來源不同是導致花斑蛇鯔(Saurida undosquamis) 和大頭狗母魚(Trachinocephalus myops)營養(yǎng)級偏低的重要原因之一[60]。因此，將第一種類型的浮游動物作為基線物種時，其較高的同位素異質(zhì)性會影響多系統(tǒng)間或單一系統(tǒng)內(nèi)的比較研究[26]。

浮游動物作為基線物種的另一種類型是使用已知食性的單一種類浮游動物作為在其攝食棲息地的基線物種。例如，利用已知是草食性的橈足類浮游動物作為評估其他雜食性橈足類浮游動物的基線物種[50]，這種方法的優(yōu)點是基線物種與被評估物種具有相似的生物學特性和同位素變化特征。還有研究發(fā)現(xiàn)，專一植食性水蚤(Daphnia)δ15N值的季節(jié)變化可作為基線評價魚類的營養(yǎng)級[52]。選擇單一種類的浮游動物并不適用于所有研究，需要根據(jù)不同的研究內(nèi)容和生態(tài)系統(tǒng)具體分析[12,52,61]。

綜上可知，目前常被用作基線物種的浮游動物主要有兩類，一類是不區(qū)分浮游動物種類、將體型大小在同一范圍內(nèi)的浮游動物作為基線物種，但是體型和種類不同的浮游動物因其攝食習性的不同而具有不同的δ15N 值，會導致在營養(yǎng)級評估過程中產(chǎn)生誤差，另一類是采用已知食性的單一種類浮游動物作為在其攝食棲息地的基線物種。無論采用哪種類型的浮游動物作為基線物種，其δ15N值受食源質(zhì)量、種間差異、個體大小等一系列因素影響，具有明顯的季節(jié)和區(qū)域變化特征，浮游動物不穩(wěn)定的δ15N值導致物種營養(yǎng)級評估不準確的問題仍然存在。因此，在利用浮游動物作為基線物種評估物種營養(yǎng)級時，根據(jù)所研究的科學問題和區(qū)域背景，可以通過增加采樣次數(shù)，最大限度地涵蓋浮游動物δ15N 值因食源質(zhì)量、個體差異等因素而導致的時空變化，從而降低對營養(yǎng)級評估的影響。

2.3 顆粒有機物

顆粒有機物是濕地生態(tài)系統(tǒng)中消費者的重要食物來源，通常包括浮游植物、浮游動物和有機碎屑，對于追蹤食物網(wǎng)中的能量流動具有重要作用。從來源上看，顆粒有機物主要由內(nèi)源性有機物(水生植物、浮游植物等水體中的本土物種)和外源性有機物(陸生植物碎屑、外源輸入的有機物)組成[62]。許多生態(tài)學家利用顆粒有機物δ15N 值為濕地食物網(wǎng)建立營養(yǎng)基線，以評估消費者和食源之間的攝食關系[50,63-64]。但由于多種因素會對內(nèi)源性有機物和外源性有機物在顆粒有機物中的組成造成影響，因此顆粒有機物的δ15N 值常因組成成分不同而有所變化[62,65]。

研究人員已經(jīng)認識到，氮循環(huán)過程在控制顆粒有機物δ15N 值中起著關鍵作用[62]。硝化作用、反硝化作用、固氮作用等經(jīng)常相互協(xié)同或拮抗影響顆粒有機物δ15N值，導致對相關數(shù)據(jù)的解釋變得困難。由于固氮藍藻在吸收大氣中的氮氣時，對15N 沒有明顯分餾[66]，因此主要由固氮藍藻組成的顆粒有機物δ15N 值接近0‰。研究人員發(fā)現(xiàn)史密斯湖中6種固氮藍綠藻的平均δ15N值為1.0±1.3‰，表明大氣氮(δ15N=0‰)提供其代謝所需氮[67]。還有研究人員將瓦烏博格湖中顆粒有機物的低δ15N值歸因于藍藻(Cylindrospermopsissp.)的爆發(fā)[68]。芬蘭于韋斯屈萊湖中顆粒有機物的15N富集主要因為在硝化作用吸收銨的過程中優(yōu)先去除了14N[69]。除此之外，影響顆粒有機物δ15N值的因素還有水體中溶解無機氮的形態(tài)、湖泊面積的大小、緯度、人類活動、水體富營養(yǎng)化程度等[62,70]。

上述原因?qū)е碌念w粒有機物δ15N值的變化會在顆粒有機物作為基線物種時反映在營養(yǎng)級評估結(jié)果中。在以顆粒有機物作為基線物種評估三峽庫區(qū)小江流域魚類營養(yǎng)級的研究中，各江段平均營養(yǎng)級范圍為2.84(高陽)～4.26(渠口)，同一物種在不同江段的營養(yǎng)級不同，究其原因是高陽江段人類活動更密集，導致顆粒有機物δ15N 值明顯高于其他江段[71]。吳城鎮(zhèn)位于鄱陽湖保護區(qū)核心區(qū)內(nèi)，受人類活動影響較小，顆粒有機物和魚類δ15N值總體偏小，因此以顆粒有機物為基線物種得到的物種營養(yǎng)級也較其他區(qū)域小[72]。有學者將初級生產(chǎn)者(顆粒有機物、藻類、水生植物)作為基線物種，計算了鄱陽湖不同流域魚類的營養(yǎng)級，結(jié)果顯示鄱陽河段的魚類營養(yǎng)級均高于海口河段，主要因為鄱陽河段人類污染嚴重，導致顆粒有機物δ15N值存在顯著差異，進而導致魚類營養(yǎng)級出現(xiàn)差異[73]。在以顆粒有機物為基線物種計算塔戈斯河口物種在不同季節(jié)的營養(yǎng)級時發(fā)現(xiàn)，夏季水體富營養(yǎng)化嚴重，藍藻水華爆發(fā)導致物種營養(yǎng)級降低[74]。由此可見，顆粒有機物δ15N 值變化會顯著影響營養(yǎng)級變化。

早期將顆粒有機物作為基線物種研究消費者與食物之間關系的諸多研究都是基于單個或幾個顆粒有機物樣本，但這些樣本的δ15N 值僅代表取樣期間的變化模式，而顆粒有機物δ15N 值因生物地球化學循環(huán)、湖泊面積、人類活動等因素影響具有明顯的時空變化，而這些變化又會導致以顆粒有機物為基線獲得的物種營養(yǎng)級在同一研究區(qū)域的不同采樣點或不同采樣時間的結(jié)果不盡相同，從而影響研究結(jié)果的準確性。因此，建議進行合理采樣設計，特別是在δ15N值變化較大的區(qū)域，增加采樣頻次，如每兩個月或每一個月采樣一次[62]。

2.4 底棲無脊椎動物

底棲無脊椎動物是濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要類群之一，其作為濕地食物網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，借助食物鏈，取食植物、有機碎屑，促進營養(yǎng)物質(zhì)的分解，然后通過排泄和在沉積物中活動，釋放營養(yǎng)鹽到水體中，同時其自身又被其他高等動物(如魚、水鳥等)所捕食，具有承上啟下的作用，是濕地物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要參與者[75-78]。

相較于浮游植物，浮游動物δ15N 值易受其生長環(huán)境理化因素的影響，底棲無脊椎動物δ15N值更穩(wěn)定，更能反映棲息地的穩(wěn)定同位素特征，因此更適合做濕地生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)研究的基線物種[79]。其中螺類和雙殼類因周轉(zhuǎn)率低、能更好地反映棲息地穩(wěn)定同位素特征，而被作為基線物種應用于濕地食物網(wǎng)研究中[12,80-83]。研究表明，螺類和雙殼類分別反映了開放水域和沿岸帶的穩(wěn)定同位素特征，因此適合作為基線物種評估這類生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)級[12]。以銅銹環(huán)棱螺(Bellamya aeruginosa)作為底層營養(yǎng)傳遞的基線物種，以濾食性河蜆(Corbicula fluminea)作為營養(yǎng)傳遞的基線物種來計算東太湖各種魚、蝦類的營養(yǎng)級，其中秀麗白蝦(Leander modestus)的營養(yǎng)級為1.90，魚類的最高營養(yǎng)級為3.22[22]。因食性簡單且易于采集，紅底星螺(Astraea haematraga)被視為亞灣珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構研究中的基線物種，該系統(tǒng)營養(yǎng)級范圍為1.70～3.64[84]。將雙殼類(Corbiculaspp.)作為基線物種評估了日本琵琶湖流域22條河流的物種營養(yǎng)級，結(jié)果顯示蝦虎魚(Rhinogobiussp.)營養(yǎng)級為2.4～3.8，條紋長臂蝦(Palaemon paucidens)營養(yǎng)級為2.1～3.4[85]。在河口和潮間帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究中，雙殼類也被廣泛用作基線物種，研究人員分別以青蛤(Cyclina sinensis)和異白櫻蛤(Macoma incongrua)作為東營黃河口和煙臺西海岸潮間帶食物網(wǎng)研究中的基線物種，得到兩區(qū)域主要生物營養(yǎng)級范圍為2.00～3.85、2.00～3.15[21]。螺類和雙殼類在多種類型的濕地食物網(wǎng)研究中被廣泛用作基線物種，大大提高了生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)級核算的準確性。

底棲無脊椎動物取食范圍較固定，活動范圍小，生活史周期長，周轉(zhuǎn)率低，對短期的環(huán)境波動不太敏感，因而可以避免浮游動植物和顆粒有機物穩(wěn)定同位素特征值因時空變化而引起的物種營養(yǎng)級改變[12,13,81,86-87]。底棲無脊椎動物δ15N值還因生活環(huán)境、種類和食性不同存在波動[88-93]，若將不同種類看作整體取平均值，會影響高營養(yǎng)級評估的準確性，因此，高頻次的時間和空間采樣對于系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的比較研究仍然重要，同時還要考慮種間差異的影響。

3 營養(yǎng)分餾因子及其變化對營養(yǎng)級評估的影響

食物消化、吸收和同化過程中食物組織和消費者之間同位素比率的相對可預測變化被稱為營養(yǎng)分餾，其大小的估計被稱為營養(yǎng)分餾因子，由于氮穩(wěn)定同位素易在營養(yǎng)級之間富集，所以常被用于計算物種營養(yǎng)級，氮穩(wěn)定同位素的分餾因子用Δ15N表示[12,23]。分餾因子會受到多種因素的影響，目前Δ15N的影響因素主要包括物種類別[94]、年齡[95]、組織類型[96]、代謝狀態(tài)[97]、同化和排泄的差異[98]、水溫[99]、食源質(zhì)量(蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)等)和食源穩(wěn)定同位素組成[100-104]。選擇不準確的分餾因子會導致所計算的消費者營養(yǎng)級有所不同，從而影響食物網(wǎng)結(jié)構及相應生態(tài)問題的研究，最終影響保護和管理決策的制定。目前常用的分餾因子主要包括具體數(shù)值的常數(shù)值分餾因子和隨營養(yǎng)級變化的變化值分餾因子，以下分別從這兩種類型的分餾因子進行分析。

3.1 常數(shù)值分餾因子

氮穩(wěn)定同位素在物種營養(yǎng)級之間富集的研究開展較早，1967年，研究人員首次發(fā)現(xiàn)了Δ15N值在食物網(wǎng)中隨著營養(yǎng)級升高而增大的現(xiàn)象[105]；1981年，第一次通過室內(nèi)實驗證明了這一結(jié)果[106]；隨后，有學者提出Δ15N值介于1.3‰～5.3‰之間[107]。研究中獲得營養(yǎng)分餾因子的方法主要有兩種：一種是通過實驗獲得，在室內(nèi)嚴格控制的條件下，測得實驗對象與其單一餌料之間的氮同位素差值。例如，在對黑腹濱鷸(Calidris alpina)的控制實驗中發(fā)現(xiàn)其血漿的Δ15N值為3.5‰[108]；在鳀魚的合成餌料喂養(yǎng)實驗中測得鳀魚的Δ15N值為2.5‰，并應用于黃海和東海主要魚類營養(yǎng)級的計算[109]。室內(nèi)實驗嚴格控制了實驗對象、餌料成分和棲息環(huán)境條件，但室內(nèi)條件下生物的新陳代謝狀態(tài)、餌料吸收情況、生活環(huán)境等與自然條件下存在很大差異，很難獲取生物在自然狀態(tài)下的真實分餾因子。因此，另外一種獲得營養(yǎng)分餾因子的方式則是選擇野外食性相對簡單的物種，測定其組織與食物之間氮穩(wěn)定同位素的差異。通過比較蝦蟹與浮游動物、梭魚與浮游動物等具有主要攝食關系的生物之間的平均氮穩(wěn)定同位素差異，得到渤海灣水生食物網(wǎng)的分餾因子為3.8‰，并計算出渤海灣魚類營養(yǎng)級為3.01～3.88[59]，這與中緯度淡水湖的分餾因子一致[110]。流沙灣翡翠貽貝(Perna viridis)與其主要食源(對蝦類、梭子蟹類)的δ15N 平均值的差值為2.57‰[111]，與在控制實驗條件下得到的氮穩(wěn)定同位素的差值2.5‰相近[109]，因此，為了方便比較和計算，采用2.5‰作為其分餾因子。這種方法僅適用于野外食性相對簡單的物種。

目前被生態(tài)學家廣為認可的是采用多個分餾因子的平均值作為動物食性研究的分餾因子。結(jié)合前人的研究結(jié)果，對不同環(huán)境(包括淡水、海洋和陸地)中采集的多種動物(從橈足類到北極熊)進行研究，得出這些物種分餾因子的平均值為3.4‰，并被廣泛應用于之后的研究中[12]。例如，采用3.4‰作為分餾因子，研究興凱湖東方白鸛食物網(wǎng)，得到物種營養(yǎng)級范圍為2～3.88[112]；在北美洲伊利湖物種營養(yǎng)級研究中，也采用3.4‰作為分餾因子，計算得到黃鱸魚(Perca flavescens)的營養(yǎng)級為2.9～3.7，白鱸魚(Morone Americana)的營養(yǎng)級為3.1～3.9[113]；在研究海南東寨港紅樹林濕地水生食物網(wǎng)結(jié)構時，采用3.4‰作為分餾因子，計算了不同物種的營養(yǎng)級，發(fā)現(xiàn)蝦蟹營養(yǎng)級最低[114]。3.4‰是一個平均在多個營養(yǎng)途徑的有效近似分餾值，適用于擁有多個物種和多個營養(yǎng)途徑的食物網(wǎng)，但在單一的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移或僅有幾個攝食鏈接的研究中并不適用[115]。

3.2 變化值分餾因子

在分餾因子的眾多影響因素中，食源質(zhì)量是一個關鍵因素?？刂茖嶒灪蚆eta 分析表明，Δ15N值與食源δ15N 值呈顯著反比關系[94,100,116]。用單一和混合飲食飼喂棕熊(Ursus arctos horribilis)、美洲黑熊(Uusus americanus)和北極熊(Ursus maritimus)，發(fā)現(xiàn)熊血漿中δ15N值的變化范圍在3.2‰～5.0‰之間[117]。利用營養(yǎng)質(zhì)量相同但穩(wěn)定同位素組成不同的食源飼喂雜食性黑家鼠(Rattus rattus)，發(fā)現(xiàn)Δ15N值隨著食源δ15N 的增加而減小，由此提出可以通過回歸方程來估計食源同位素比率對Δ15N值的影響[100]。對哺乳動物和鳥類的研究同樣發(fā)現(xiàn)，Δ15N值隨著飲食質(zhì)量增加而減小，即肉食性動物因攝入較多高蛋白食物而比草食性動物有較低的Δ15N值[116]。研究發(fā)現(xiàn)，孔雀魚(Poecilia reticulate)的Δ15N值[118]與其他研究的結(jié)果[100,116]較為一致。因此，如果使用常數(shù)分餾因子(3.4‰)，而忽略了食源δ15N值對Δ15N 值的影響，可能會低估頂級捕食者的營養(yǎng)級，壓縮食物鏈的長度。

隨著更多研究的開展，從包含多種物種的數(shù)據(jù)庫中收集數(shù)據(jù)并進行Meta分析，發(fā)現(xiàn)隨著食物網(wǎng)營養(yǎng)級的增加Δ15N 值會變小，提出了基于食源δ15N 值的Δ15N 尺度框架來計算物種的營養(yǎng)級的方法[16]。根據(jù)Δ15N 尺度框架計算的魚類營養(yǎng)級與已知的攝食關系一致，而根據(jù)常數(shù)值分餾因子(3.4‰)得到的物種營養(yǎng)級導致食物網(wǎng)模型是相加的，尺度框架大大增加了基于相加框架計算營養(yǎng)級的準確性[16]。尺度框架也被廣泛應用于濕地食物網(wǎng)研究中。例如，利用相加框架和尺度框架，計算興凱湖8 個物種的營養(yǎng)級以及各物種兩種框架營養(yǎng)級之差(ΔTL)，發(fā)現(xiàn)黑斑狗魚(Esox reicherti)的ΔTL最大，為3.97，隨著營養(yǎng)級的升高，ΔTL值減小[17]。在研究大亞灣主要漁業(yè)生物的營養(yǎng)級時，分別應用相加框架和尺度框架進行計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當營養(yǎng)級低于3.58 時，采用相加框架計算的營養(yǎng)級略高于尺度框架；當營養(yǎng)級高于3.58時，采用相加框架計算的營養(yǎng)級略低于尺度框架[119]。河口生態(tài)系統(tǒng)地理位置和動態(tài)特征獨特，物質(zhì)流動性強，因此采用尺度框架評估該系統(tǒng)物種的營養(yǎng)級，結(jié)果表明，非汛期主要消費者的營養(yǎng)級普遍高于汛期[120]。由此可見，利用基于食源的尺度框架計算營養(yǎng)級，可以提高大型魚類的營養(yǎng)級，延長食物鏈的長度，能夠更好地表征食物網(wǎng)內(nèi)物種間的相互作用。

綜上所述，常數(shù)值分餾因子雖然被廣泛應用于營養(yǎng)級評估中，但由于分餾因子往往會受到物種類別、組織、新陳代謝水平以及食源質(zhì)量、食源同位素組成等因素的影響，分餾因子的不當使用，可能會低估頂級捕食者的營養(yǎng)級，壓縮食物鏈的長度，導致評估的物種營養(yǎng)級和食物網(wǎng)結(jié)構產(chǎn)生偏差。尺度框架整合了食源對分餾因子的影響，基于尺度框架計算的營養(yǎng)級與物種實際的攝食行為相近，能夠準確反映生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構。

4 展望

基線物種和分餾因子是借助穩(wěn)定同位素技術研究物種營養(yǎng)級的重要參數(shù)。目前濕地食物網(wǎng)研究中普遍應用的基線物種包括浮游植物、浮游動物、顆粒有機物和底棲無脊椎動物4 類。其中浮游植物、浮游動物和顆粒有機物因周轉(zhuǎn)率高、棲息環(huán)境變化等因素的影響，其δ15N 值具有顯著的時空變化，而底棲無脊椎動物能夠長期穩(wěn)定存在、周轉(zhuǎn)率低，其δ15N 值較為穩(wěn)定，時空變化不明顯，能更好地反映棲息地的穩(wěn)定同位素特征。分餾因子大致可以分為兩類，一類是常數(shù)值分餾因子，包括通過控制實驗獲得的單個物種的分餾因子和被廣泛應用的多個營養(yǎng)途徑的平均值3.4‰；另一類是變化值分餾因子，通過實驗和對多個物種進行Meta分析，得到基于食源的δ15N值的Δ15N尺度框架。

未來，研究人員在借助穩(wěn)定同位素技術研究物種營養(yǎng)級時，應結(jié)合具體科學問題，充分考慮基線物種和分餾因子的可變性及其對營養(yǎng)級評估的影響。若進行短期監(jiān)測，周轉(zhuǎn)率高、易受環(huán)境變化影響的浮游動植物和顆粒有機物更適合作為基線物種，以反映同位素基線的短期局部度量；若進行長期監(jiān)測，食性簡單、周轉(zhuǎn)率低、對環(huán)境變化響應緩慢的底棲無脊椎動物更適合作為基線物種用于評估營養(yǎng)級。相較于常數(shù)值分餾因子，基于食源δ15N 值的Δ15N 尺度框架更貼近物種真實的自然狀態(tài)，因此，在選擇合適的分餾因子核算物種營養(yǎng)級時，更推薦使用尺度框架?；谘芯磕康暮脱芯績?nèi)容，選擇合適的基線物種和分餾因子是未來解決濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動以及物種營養(yǎng)級相關科學問題的關鍵。