基于稳定同位素技术的南湾水库食物网结构研究

李峥，魏廷，马原野，曾鹏，杨东辉，郭旭升，赵良杰，黄荣静

（1.信阳农林学院，河南 信阳 464000；2.河南省渔业生物工程技术研究中心，河南 信阳 464000；3.南湾水库管理局，河南 信阳 464000）

食物网研究能有效地揭示水域生态系统中物质和能量流动过程、群落结构和物种间复杂的摄食关系,是水域生态系统研究中的重要领域。传统的食物网研究方法是食性分析法，即通过分析动物消化道中的食物组成及数量来确定其营养位置[1]。该方法仅能提供瞬时摄食信息，不能反映消化道对食物的吸收和各食物组分的贡献[2,3]；实际操作中工作量大，耗时长，小型动物研究存在困难，无法准确体现不同消费者的营养级。碳氮稳定同位素技术是近年来生态学研究中新兴的食物网研究手段，已被广泛应用于水域生态系统食物网结构及营养关系的研究，为揭示水域生态系统中的物质交替变化和能量流动提供了量化指标。

碳稳定同位素（δ13C）在生物体内富集度较低，适用于追溯捕食者食物的来源，而氮稳定同位素（δ15N）在各个营养级的传递过程中富集度约为3.4‰，通常用来分析食性转化及确定研究对象的营养级。Kirkpatrick 等利用碳、氮稳定同位素研究了湖泊中生物种间和种内营养层次变动、生态转换效率、食物链长度、能量利用变动和捕食者-被捕食者之间的相互影响[4-7]。Zanden 等用碳、氮稳定同位素分析了鱼类营养来源的变化和营养级的变化，揭示了外来物种对土著鱼类的影响[8]。Thomas 等应用碳、氮稳定同位素研究了鲑鳟鱼类的生殖洄游，探讨了洄游为陆地生态系统所带来的影响[9,10]。近年来，国内已广泛应用碳、氮稳定同位素研究淡水生态系统食物网结构，如太湖[11,12]、兴凯湖[13]、鄱阳湖[14]、洞庭湖[15]、千岛湖[16]等及部分河流江段[17-20]。

南湾水库是位于淮河上游的大型水库，是20世纪50 年代初期国家治理淮河、发展水利的重点基本建设项目，流域面积为1 100 km2，总库容为1.63×1010m3,平均水深17.4 m，最大水深30 m。水库的功能主要是防洪、发电、灌溉、供水、航运、养殖和旅游等，自1998 年以来，南湾水库以水产业为重点，打造了“南湾鱼”品牌，水库主要放养鲢Hypophthalmichthys molitrix、鳙Aristichthys nobilis 等滤食性经济鱼类，水库渔业综合年产量达1 500 t[21]。

目前南湾水库食物网结构和营养级的研究尚为空白，本文利用碳、氮稳定同位素技术构建南湾水库的食物网结构，量化其物质和能量流动途径和主要生物的营养层次，以期为南湾水库生态资源的合理利用提供基础参数和科学依据。

1 材料和方法

1.1 样品的采集

2017 年5 月、9 月、11 月和2018 年4 月在南湾水库设置6 个样点，覆盖三个主要输入径流谭家河、董家河、浉河港及库区中下游敞水区（表1）。每次每个样点采集10 L 水样，装入用封口塑料瓶中，带回实验室及时处理，收集浮游动物、浮游植物和颗粒有机物（POM）样品。采样期间，在谭家河、董家河、浉河港方向以下游大坝前敞水区或沿岸带，设置刺网和地笼及从生产性捕捞的渔获物中收集鱼类、虾类、螺类样品。

表1 水样采集位点信息表Tab.1 The information on water sampling sites

1.2 样品的处理

预处理：采样前先将孔径0.45 μm，直径25 mm的Whatman GF/F 玻璃纤维滤膜进行预处理：将滤膜放入铝盒，于马弗炉中450℃灼烧3 h，以去除有机物，滤膜冷却后放入1 mol/L 的浓盐酸中酸化24 h，然后在烘箱中60℃下恒温烘干48 h，备用。

水样的处理：将每次采集的水样混合后，用13#浮游生物网过滤，滤出浮游动物；再用25#浮游生物网过滤出浮游植物，将取得的浮游动、植物抽滤到滤膜上；用真空抽滤机抽滤取部分水样到预先处理的滤膜上，得到颗粒有机物（POM）。将上述过滤后的滤膜放在恒温干燥箱（60℃）中烘干24 h，放入装有硅胶干燥的真空袋中密封保存于-20℃的冰箱中备用。

鱼虾类等样品的处理：去除鱼内脏，冲洗干净，取背鳍附近的肌肉，60℃烘干至恒重。去除皮肤和骨骼，将肌肉研磨至可以通过60 目筛网。将粉碎的肌肉样品密封，-20℃冷冻保存。虾和螺去壳，取部分肌肉，烘干后磨碎，-20℃冷冻保存。

1.3 碳、氮稳定同位素测定

浮游生物及颗粒有机物：将载有浮游生物和颗粒有机物的玻璃纤维滤膜取出，剪去空白区，取35～40 mg，剪碎后放进锡舟，送上海交大分析测试中心的元素分析同位素质谱联用仪（Vario EL ⅢIsoprime,GER）进行分析。

鱼虾类等样品：称取1.9～2.5 mg 已经粉碎的肌肉，放入锡筒里，送入元素分析同位素质谱联用仪进行分析。

1.4 数据处理

营养级的确定：

式中，δ15Nsc为测定样品的氮稳定同位素值；δ15Nbase为南湾水库生态系统中基准物的氮稳定同位素值；λ 是基准物的营养级。本文以南湾水库的初级消费者——铜锈环棱螺Bellamya aeruginosa 为基准物，λ=2；Δn 消费者与饵料间的同位素富集度，一般平均为3.4‰[22]。

2 结果与分析

2.1 稳定同位素分析

本次同位素测试的样品总共有90 个，其中浮游生物及颗粒有机物的样品16 个，鱼类样品65 个22 种、日本沼虾3 个，铜锈环棱螺6 个。各样品的同位素分析结果见表2。

表2 主要物种碳氮稳定同位素值Tab.2 δ13C and δ15N values of main species in Nanwan Reservoir

南湾水库中，初级生产者浮游植物的碳稳定同位素值为-28.57‰，氮稳定同位素值最小，为4.53‰；POM的碳稳定同位素值为-29.15%，氮稳定同位素值为4.63‰。消费者的碳稳定同位素比值在-31.10‰～-22.14‰，氮稳定同位素的范围为6.84‰～14.27‰。

Deniro 和Epstein 证明：动物体内δ13C 值与其食物δ13C 值十分接近[23]，因此常用δ13C 分析消费者的食物来源。由图1 可知，南湾水库中各消费者的食物来源较广，但主要营养传递是依靠水体中的浮游植物和颗粒有机物。

图1 南湾水库主要物种δ13C 频度分布Fig.1 δ13C frequency distribution of organisms in Nanwan Reservoir

2.2 营养级

本研究以铜锈环棱螺作为南湾水库生态系统的基准物，计算该生态系统的营养级（表2），以此构建南湾水库食物网的连续营养谱（图2）。由图2 可知，南湾水库花的营养级最高，为3.95。其次为似、青稍鲌、翘嘴鲌、子陵吻虎、黄黝和红鳍原鲌等肉食性鱼类，营养级为3.39～3.51；泥鳅、棒花鱼、黄颡鱼、马口鱼、蛇等以温和肉食性鱼类和以肉食性为主的杂食性鱼类，营养级为3.00～3.38；日本沼虾、大鳍、鲫、团头鲂、兴凯、鳙、鲢为杂食性鱼类，营养级为2.30～2.97；盎堂拟鲿、黄尾鲴和大鳞副泥鳅以植食性为主，营养级为1.76～1.97。

图2 南湾水库食物网的连续营养谱Fig.2 The continuous trophic spectrum for the food web in Nanwan Reservoir

3 讨论

生态系统的稳定性依赖于生态系统中各种群之间的营养关系，这是生态系统得以保持稳定的基础，研究食物网结构对于维持生态系统的稳定十分重要。稳定同位素分析已被证明是重建食谱，描述营养关系，阐明资源分配模式和构建食物网的有用工具，因此，近年来稳定同位素分析在营养生态学中的研究呈指数增长[24]。

3.1 碳稳定同位素特征分析

生态系统中存在两种能量线路：一类是始于绿色植物的“牧食线路”，另一类是以有机碎屑为起点的“有机碎屑线路”[25]。由于南湾水库大型沉水植物少，牧食路线主要来源于浮游植物和颗粒有机物POM。比较发现：南湾水库中浮游植物和POM 的碳、氮同位素都很接近，因此认为POM更多的来源于浮游植物；而由图3 可知，多数鱼类其碳同位素都分布在浮游植物附近，提示南湾水库生态系统中，浮游植物是其能量和鱼类食物的主要来源。浮游动物的碳稳定同位素平均比值较低，这与宋固等对千岛湖的研究结果相类似[16]，但是，不同地区和季节采集的浮游动物的δ13C 变异较大，提示浮游动物其不仅摄食了一定量的δ13C 值较高的浮游植物，可能同时也摄食了δ13C 值更低的外来有机质；在一些季节，其可能是黄黝、蛇仔鱼等的主要饵料，其均值在数值上也与上述二者更为接近。由图3 可知，水库中还有一部分类群，如鲢、鳙、鳜、黄尾鲴等类群，其δ13C 普遍高于浮游植物，上述类群主要是一些典型的敞水区物种。敞水区远离陆地，受陆源碳源影响的机会相对小，因此，其利用的应该是δ13C相对较高的这一类基础生产力，实现鱼类的生长。团头鲂的δ13C 值最高，推测其可能摄食水库中较浅区域为数不多的沉水植物作为主要饵料。有文献表明：沉水植物的碳同位素含量在基础生产力中最高[26]。泥鳅的δ13C 值（-28.69‰）与大鳞副泥鳅的δ13C 值（-25.51‰）相差较大，可见两者的食物来源也有差异，表明南湾水库中泥鳅和大鳞副泥鳅出现了明显的生态位分化。

图3 南湾水库食物网结构图Fig.3 Food web structure in Nanwan Reservior

3.2 氮稳定同位素特征及营养级分析

大鳞副泥鳅低于泥鳅1.6 个营养级，可见南湾水库中两者食物组成有差异，生态位有分化。已有研究表明：在池塘、稻田及污水中，泥鳅是偏动物食性的杂食性鱼类,喜食鲜活饵料，主要食物有昆虫幼虫、小型甲壳动物、藻类、高等植物[34]；大鳞副泥鳅主要以蚊幼虫、水生昆虫、水蚯蚓、浮游动物为食，也吃植物碎屑[35]。南湾水库建坝五十多年，其底质主要为淤泥，腐殖质较多，德永摇蚊Tokunagayusurika sp.和霍甫水丝蚓Limnodrilus hoffmeisteri为全年底栖动物优势种[36]，食物来源丰富，可选择性强，因此推测南湾水库中泥鳅的食性以底栖动物为主，而大鳞副泥鳅则以植物碎屑和底层腐殖质为主。两个物种的生境选择上可能有分化。盎堂拟鲿、黄尾鲴处于较低营养级。黄尾鲴以刮取底层附生藻类和底层碎屑为食；而盎堂拟鲿是典型的肉食性鱼类，推测且其较低的营养级可能还与其生境选择有关系。