王 潔 朱江峰, 戴小杰, 肖悅悅

(1. 上海海洋大學海洋科學學院 上海 201306; 2. 上海海洋大學 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室 上海 201306)

魚類攝食生態(tài)是海洋生態(tài)系統(tǒng)及漁業(yè)資源研究的基礎工作, 涉及胃含物分析、營養(yǎng)級估算、營養(yǎng)生境及食物重疊分析、食物鏈和食物網建模等諸多方面和過程(竇碩增, 1996)。自20世紀60年代證實同位素存在以來, 穩(wěn)定同位素在生態(tài)學領域中的應用日益廣泛(李由明等, 2007)。利用穩(wěn)定同位素可以研究生物的碳源和能量來源, 認識動物的食性、所處的營養(yǎng)級與結構, 并進一步揭示物種之間的復雜營養(yǎng)關系和有機物質的循環(huán)路徑。魚類食性研究傳統(tǒng)的方法是胃含物分析法, 其局限性是結果往往只反映采集時樣本的食性和營養(yǎng)狀況, 而借助穩(wěn)定同位素分析法可以揭示魚類在長期生活史過程中的食物組成和來源(曾慶飛等, 2008)。目前, 國內外基于穩(wěn)定同位素的營養(yǎng)生態(tài)研究多見于淡水和近海生物及其食物網(如硬骨魚類、軟體動物和浮游生物等), 如嶗山水域食物網的營養(yǎng)關系研究(蔡德陵等, 1999)、渤海灣食物網研究(祎萬等, 2005)等。

Ménard等(2007)選取印度洋西部黃鰭金槍魚(Thunnus albacares)和旗魚(Xiphias gladius)肌肉組織,分析其覓食生態(tài)和遷移, 并總結了緯度和季節(jié)對黃鰭金槍魚和旗魚食物來源的影響, 證實了其在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的高營養(yǎng)級位置。Estrada等(2005)取大西洋藍鰭金槍魚(Thunnus thynnus)鱗片和肌肉, 運用穩(wěn)定同位素技術分析其攝食狀況, 發(fā)現(xiàn)與胃含物的研究結果相一致; 在軟骨魚類方面, 眾所周知, 脊椎骨是研究鯊魚年齡與生長的主要硬質, 但其在鯊魚攝食研究中的價值, 直到近期才開始被認識(Campana et al, 2002)。Estrada等(2006)測定了西北大西洋大白鯊(Carcharodon carcharias)脊椎骨碳、氮穩(wěn)定同位素比值(δ13C、δ15N), 發(fā)現(xiàn) δ13C、δ15N 總體上有隨脊椎骨半徑增大而升高的趨勢, 因而指出鯊魚脊椎骨對重建個體營養(yǎng)史具有潛在的應用價值, 這可能是最早利用鯊魚脊椎骨進行穩(wěn)定同位素研究的案例。Kerr等(2006)通過脊椎骨的碳、氮穩(wěn)定同位素分析, 研究了東北太平洋大白鯊的營養(yǎng)級和食物來源, 對海洋洄游魚類攝食研究給予了啟發(fā)。

相比近海魚類, 目前對大洋魚類的穩(wěn)定同位素研究還很少。本研究利用脊椎骨, 對東太平洋大青鯊(Prionace glauca)的攝食和營養(yǎng)級進行研究。大青鯊屬于大洋性中上層軟骨魚類,廣泛分布三大洋熱帶和溫帶水域, 是金槍魚延繩釣漁業(yè)的主要兼捕漁獲(高春霞等, 2013)。因此, 作為種群動態(tài)、資源保護研究的基礎, 大青鯊的生物學研究受到較為廣泛的關注(Sibert et al, 2006)。近期, Li等(2014)利用肌肉樣本,測定了大青鯊和其它幾種大洋性鯊魚的δ13C和δ15N,并估算了營養(yǎng)級。本文比較了大青鯊不同個體大小和性別的δ13C、δ15N差異, 并著重探討了基線生物的選取對營養(yǎng)級估算的影響, 為相關大洋性鯊魚的攝食生態(tài)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

大青鯊樣品由2010—2012年我國金槍魚延繩釣科學觀察員海上采集, 觀察員對延繩釣捕獲的大青鯊逐一記錄個體長度、性別等信息, 并隨機選取部分大青鯊進行脊椎骨取樣。脊椎骨一般取自腮裂上部,每尾6—8節(jié), 清除粘連的肌肉等組織、清洗后冷凍保存(約–20℃), 帶回實驗室。本研究共采用樣品魚56尾,叉長范圍為153—242cm, 捕獲位置位于東太平洋公海海域(經緯度范圍為 3°—14°S, 130°—163°W)。

1.2 樣品處理與實驗

本研究進行穩(wěn)定同位素測定的樣品為整節(jié)脊椎骨。對采集的脊椎骨樣品, 隨機切取完整的一節(jié), 進一步剔除表面和結締組織, 放置于離心管中并作標記。隨后將樣品冷凍干燥24h (ALPHA 1-4 LD plus),用球磨儀(型號 MM400)磨成粉末后用錫箔紙包取2mg樣品, 用于碳、氮穩(wěn)定同位素測定。穩(wěn)定同位素測定在國家海洋局第三海洋研究所完成, 同位素比例質譜儀型號為TC/EA-IRMS (Delta V advantage)。載氣He流速90mL/min, 反應管溫度 960°C, 色譜柱溫度 50°C。

1.3 測定數(shù)據(jù)分析

經同位素質譜儀測定樣品中碳、氮穩(wěn)定同位素豐度, 計算碳、氮穩(wěn)定同位素比值 δ13C、δ15N。其中, δ13C的計算以PDB(Vienna Peedee Belemnite)國際標準作為參考標準, δ13C按以下公式計算:

式(1)中, R(13C/12CVPDB)為國際標準物VPDB的碳同位素豐度比值。δ13C的精度為±0.2‰。

δ15N以空氣中氮氣的氮作為參考標準, δ15N值按以下公式計算:

式(2)中, R(15N/14Nair)為空氣中氮氣的氮同位素豐度比值。δ15N的精度為±0.25‰。

大青鯊營養(yǎng)級(Trophic position, TP)利用如下公式計算(Post, 2002):

式(3)中, λ為基線生物的營養(yǎng)級, Δn為15N在每一營養(yǎng)級的平均富集度, δ15Nshark為鯊魚樣品的 δ15N 值,δ15Nbase為選取基線生物的δ15N值(Post, 2002)。上述公式表明, 基線生物的選擇會影響營養(yǎng)級的計算值。在實踐中, 研究對象和基線生物往往難以同步采集,尤其在大洋上。因此, 常以相近區(qū)域的基線生物, 作為營養(yǎng)級計算的基礎。本文選取三種基線生物進行TP的計算, 并比較結果的差異:

基線生物a: 參照Popp等(2007)在東太平洋海域采集浮游動物測得的 δ15N與緯度擬合的線性模型。選取浮游動物作為基線生物, 其 δ15Nmesozoo值由公式(4)得出:

式(4)中, Latitude為樣本魚捕獲時緯度(以觀察員記錄為準), Δn取2.1‰, λ取 2.7。營養(yǎng)級計算值記為:TPa。

基線生物 b: Kerr等(2006)對地域位置相近的東太平洋大白鯊脊椎骨的 δ13C、δ14C和 δ15N研究, 其基線生物的選取參照了 Estrada等(2003)的方法, 即取 Ammodytes americanus的δ15N作為 δ15Nbase值。本文也參照這一方法, δ15Nbase取 10.2, Δn 取 3.4‰, λ取3.0。營養(yǎng)級計算值記為: TPb。

基線生物 c: Torres等(2014)對北大西洋翅鯊(Galeorhinus galeus)的攝食生態(tài)進行穩(wěn)定同位素研究,該研究在緯度上與本研究相似, 故參照其取 Capresaper的 δ15N 作為 δ15Nbase值, δ15Nbase取 8.7, Δn取 3.4‰,λ取3.0。營養(yǎng)級計算值記為: TPc。

2 結果

2.1 碳、氮穩(wěn)定同位素比值

大青鯊脊椎骨樣品的碳、氮穩(wěn)定同位素比值頻率分布見圖 1和圖 2。其中, δ13C值范圍相對集中于–13‰— –16‰之間, 而 δ15N 值分布范圍略廣, 在10‰—18‰之間。δ13C值極差為2.35‰, δ15N值極差達到7.1‰。樣品δ13C值和δ15N值的標準差較大, 特別是δ15N值偏離均值程度較大(表1), 表明大青鯊的食物來源較為復雜。

圖1 碳穩(wěn)定同位素比值頻率分布Fig.1 Distribution of stable carbon isotope ratio

圖2 氮穩(wěn)定同位素比值頻率分布Fig.2 Distribution of nitrogen stable isotope ratio

表1 碳、氮穩(wěn)定同位素比值Tab.1 Carbon and nitrogen stable isotope ratios

2.2 碳、氮穩(wěn)定同位素比值隨體長的變化

為了比較脊椎骨碳、氮穩(wěn)定同位素比值隨大青鯊個體大小的變化情況, 將叉長范圍在 153—242cm的樣本分為3組, 組距為30cm, 比較δ13C、δ15N值的差異(圖3, 圖4, 表2)。大青鯊脊椎骨δ13C、δ15N值隨著叉長的增長無明顯變化趨勢(圖3, 圖4)。各個叉長組的δ13C、δ15N以及碳氮比(C/N)的平均值十分接近,特別是C/N的平均值最大差值僅為0.14(表2)。

圖3 δ13C值隨叉長變化Fig.3 δ13C values with fork length

圖4 δ15N值隨叉長變化Fig.4 δ15N values with fork length

表2 大青鯊δ13C、δ15N和碳氮比隨叉長的變化Tab.2 Statistics of δ13C, δ15N and the ratio of carbon to nitrogen for blue shark of different sizes

2.3 不同性別間的碳、氮穩(wěn)定同位素比值

為了比較δ13C、δ15N值在性別間的差異, 分別統(tǒng)計了 11尾雌性的 δ13C 值(均值–14.75‰)和 δ15N 值(均值11.89‰)、32尾雄性的δ13C值(均值–14.92‰)和δ15N值(均值 12.71‰)。利用 K-S獨立樣本檢驗, 在 0.01顯著性水平下, 雌性和雄性的δ13C (P=0.646＞0.01)和δ15N (P=0.221＞0.01)分布均無顯著性差異, 表明不同性別的大青鯊食物來源幾乎接近, 所捕食對象可能沒有顯著的差異。

2.4 基于不同基線生物的營養(yǎng)級比較

參照a、b、c三種不同的基線生物, 計算得出大青鯊的營養(yǎng)級頻率分布如圖5。TPa均值(=6.53)與TPb均值(=3.85)、TPa均值與 TPc均值(=4.29)皆存在顯著差異(P＜0.01, t檢驗, n=56), 而TPb均值與TPc均值未顯示出顯著差異(P＞0.01, t檢驗, n=56)。而K-S檢驗表明, TPa分布與TPb分布、TPa分布與TPc分布、TPb分布與TPc分布皆存在顯著差異(P＜0.01, n=56)。

圖5 根據(jù)不同基線生物計算的營養(yǎng)級頻率分布Fig.5 Trophic position distribution based on three baseline species

3 討論

本研究嘗試采用整節(jié)脊椎骨, 對大青鯊的營養(yǎng)特征進行了研究。碳穩(wěn)定同位素比值指示了動物的食物來源, 而氮穩(wěn)定同位素表明了動物的營養(yǎng)級(李云凱, 2014)。大青鯊脊椎骨的 δ13C均值為?14.74‰(標準差0.86‰), δ15N均值為13.13‰(標準差3.09‰), 與Li等(2014)得到的中東太平洋(5°—8°N, 151°—70°W)大青鯊肌肉樣品的δ13C值、δ15N值相近(δ13C均值為?18.31‰, 標準差 0.54‰; δ15N 均值為 15.77‰, 標準差1.07‰), δ13C均值相差略大。除了樣品本身的隨機誤差因素外, 作為高度洄游性魚類, 大青鯊不同個體的食物來源可能存在一定的差異。此外, 鯊魚不同組織(如肌肉、肝臟)的穩(wěn)定同位素比值也有所不同, 體現(xiàn)其食物來源和營養(yǎng)的變化(MacNeil et al, 2005)。

鯊魚的生活史較長, 其營養(yǎng)級可能隨生長而變化。Estrada等(2006)發(fā)現(xiàn)大白鯊脊椎骨碳、氮穩(wěn)定同位素比值總體上有隨個體增大而升高的趨勢。本文的結果未顯示大青鯊脊椎骨碳、氮穩(wěn)定同位素比值隨叉長的明顯變化, 主要原因可能是延繩釣漁獲的大青鯊均為較大個體, 其攝食對象相差不大(表 2)。在今后的研究中, 適當補充幼魚樣品, 可以提供大青鯊營養(yǎng)是否隨生長產生明顯變化的證據(jù)。類似地, 本文的樣品碳、氮穩(wěn)定同位素比值未顯示出性別上的差異,表明大青鯊的營養(yǎng)結構無顯著的性別間差異。由于未能結合樣品的成熟度資料, 本研究未能確定大青鯊的營養(yǎng)結構在成熟期或懷孕期是否有所變化。

確定合適的基線生物是運用穩(wěn)定同位素方法研究營養(yǎng)結構問題的難點之一(Post, 2002)。在營養(yǎng)級計算上, 理想的基線生物應是與研究對象棲息地相同、營養(yǎng)結構穩(wěn)定的較低營養(yǎng)級生物。但是對于分布范圍廣, 棲息地變化較大的高度洄游性鯊魚而言, 難以選擇合適的基線生物進行同步跟蹤取樣。國外研究者多借助鄰近海域的相關研究選擇基線生物(Estrada et al,2003; Kerr et al, 2006; Torres et al, 2014)。本研究參照了不同的基線生物, 結果表明不同基線生物對大青鯊營養(yǎng)級計算值有明顯的影響(圖 5)。選擇基線生物a、b、c得到的營養(yǎng)級頻率分布兩兩之間有顯著差異(其中a、b均來自東太平洋), 但TPb與TPc的平均值差異不顯著, 這是均值檢驗比較的弱點, 從圖5可以明顯看出TPb與TPc的差異。此外, 從計算方法看(公式(3)), 營養(yǎng)級的計算值實際受基線生物的營養(yǎng)級(λ)和δ15N值、15N在每一營養(yǎng)級的平均富集度(Δn)三個參數(shù)的綜合影響, 樣品的營養(yǎng)級與其 δ15N值為非線性關系。

Cortés(1999)通過分析胃含物組成估算的大青鯊TP約為4.1, 而Li等(2014)通過肌肉氮穩(wěn)定同位素測定計算的TP均值為4.17, 與本文采用基線生物c的結果(TP均值=4.29)接近?；€生物a為浮游動物, 其δ15N值估算自與緯度的線性關系, 該線性關系可能隨海域的變化較大, 因此導致大青鯊樣品的營養(yǎng)級計算值偏高。Post(2002)指出, 如果研究目的是獲得研究對象的營養(yǎng)級相對變化, 那么借助鄰近海域或棲息地的基線生物, 對結果的影響一般不大。本文的研究表明, 通過整節(jié)脊椎骨的穩(wěn)定同位素測定, 來獲得大青鯊的攝食特征信息是可行的。由于基線生物對營養(yǎng)級計算的影響問題難以在短期內解決, 今后可將相對營養(yǎng)級或營養(yǎng)級變化作為研究重點, 包括所在食物網的平均營養(yǎng)級變化, 這也是當前人類活動(如捕撈)對生態(tài)系統(tǒng)影響評價的重要課題之一。

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