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华南典型海湾主要渔业生物碳氮稳定同位素研究

张文博 黄洪辉 李纯厚 刘永 齐占会 徐姗楠 刘华雪

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华南典型海湾主要渔业生物碳氮稳定同位素研究

    作者简介: 张文博 (1991—),男,硕士,从事海洋生态学研究。E-mail: wenbozhang91@163.com;
    通讯作者: 刘华雪, liuhuaxue@scies.org
  • 中图分类号: S 913

Study on carbon and nitrogen stable isotopes of main fishery species in typical Gulf, southern China

    Corresponding author: Huaxue LIU, liuhuaxue@scies.org
  • CLC number: S 913

  • 摘要: 为了解生境差异显著的华南典型海湾主要渔业生物的营养结构特征,于2015 年丰水期研究了海陵湾和陵水湾主要渔业生物碳、氮稳定同位素比值 (δ13C值和δ15N值),并计算了基于δ13C-δ15N值量化的营养结构。结果表明,海陵湾主要渔业生物的δ13C值[(−15.36±0.62)‰]和δ15N值[(15.53±0.94)‰] 均显著高于陵水湾(P<0.01),但δ13C差值 (CR) 和δ15N差值 (NR) 低于陵水湾。陵水湾渔业生物NR值和总面积 (TA) 值都高于海陵湾,表明陵水湾比海陵湾食物链更长,多样性水平更高。以3.4‰作为一个营养级的氮稳定同位素富集度来计算,陵水湾渔业生物营养级级距仅为1.37,而海陵湾主要渔业生物营养级级距小于1,说明陵水湾和海陵湾均处于高营养级生物较少且食物网受干扰较多的状态。
  • 图 1  海陵湾 (a) 和陵水湾 (b) 采样站点图

    Figure 1.  Sampling stations of Hailing Bay (a) and Lingshui Bay (b)

    图 2  海陵湾主要生物种类的碳、氮稳定同位素比值

    Figure 2.  δ13C and δ15N values of major species in Hailing Bay

    图 3  陵水湾主要生物种类的碳、氮稳定同位素比值

    Figure 3.  δ13C and δ15N values of major species in Lingshui Bay

    表 1  海陵湾和陵水湾海水环境参数特征

    Table 1.  Characteristics of environmental parameters of Hailing Bay and Lingshui Bay

    参数
    parameter
    海陵湾
    Hailing Bay
    陵水湾
    Lingshui Bay
    水温/℃
    temperature
    29.71±1.20 29.61±0.83
    盐度
    salinity
    34.53±1.06 35.37±0.29
    溶解无机磷/mg∙L−1
    dissolved inorganic phosphorus
    0.00 5±0.00 1 0.01 6±0.00 6
    溶解无机氮/mg∙L−1
    dissolved inorganic nitrogen
    0.02 3±0.00 9 0.15 3±0.07 7
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    表 2  海陵湾主要渔业生物的稳定同位素比值 (δ13C和δ15N) 和取样体长 (L)

    Table 2.  Stable isotope signature (δ13C and δ15N) and length (L) for major fishery species in Hailing Bay


    species
    碳稳定同位素δ13C/‰
    stable carbon isotope
    氮稳定同位素δ15N/‰
    stable nitrogen isotope
    长度 (L)/mm
    length
    多齿蛇鲻 Saurida tumbil −15.35 16.70 45~278
    丽叶鲹 Alepes djedaba −16.41 15.90 74~90
    平鲷 Rhabdosargus sarba −15.50 15.58 95~115
    细鳞䱨 Terapon jarbua −15.92 16.09 51~120
    汉氏棱鳀 Thryssa hamiltonii −15.61 16.19 89~157
    六指马鲅 Polydactylus sextarius −15.02 16.17 120~127
    长棘鲾 Leiognathus fasciatus −14.78 15.73 58~85
    少鳞 Sillago japonica −13.97 16.48 111~140
    南方䲗 Callionymus meridionalis −15.32 15.29 82~98
    斑头舌鳎 Cynoglossus puncticeps −15.73 15.97 92~123
    短尾小沙丁 Sardinella sindensis −15.52 15.23 106~115
    黄斑篮子鱼 Siganus canaliculatus −16.12 13.71 98~146
    远海梭子蟹 Portunus pelagicus −14.96 13.635 13~70
    红星梭子蟹 Portunus sanguinolentus −14.82 14.69 26~59
    范围/‰ range −16.41~−13.97 12.94~16.7
    平均值/‰ $ \overline X \pm {\rm{SD}} $ −15.36±0.62 15.53±0.94
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    表 3  陵水湾主要渔业生物的稳定同位素比值 (δ13C 和 δ15N) 和取样体长 (L)

    Table 3.  Stable isotope signature (δ13C and δ15N) and length (L) for major fishery species in Lingshui Bay

    种类
    species
    碳稳定同位素δ13C/‰
    stable carbon isotope
    氮稳定同位素δ15N/‰
    stable nitrogen isotope
    长度(L)/mm
    length
    多齿蛇鲻 Saurida tumbil −17.44 14.63 113~215
    二长棘犁齿鲷 Evynnis cardinalis −17.20 14.77 72~189
    短尾大眼鲷 Priacanthus macracanthus −18.15 10.91 70~84
    长尾大眼鲷 Priacanthus tayenus −16.8 14.29 132~134
    竹䇲鱼 Trachurus japonicus −18.15 13.54 110~159
    花斑蛇鲻 Saurida undosquamis −18.09 13.18 49~121
    日本鳗鲡 Anguillidae japonica −15.6 15.14 280~322
    篮圆鲹 Decapterus maruadsi −18.44 13.97 103~169
    黄斑篮子鱼 Siganus canaliculatus −19.8 11.41 167~176
    刺鲳 Psenopsis anomala −18.24 14 130~145
    带鱼 Trichiurus lepturus −17.3 15.57 118~212
    看守长眼蟹 Podophthalmus vigil −15.96 12.74 40~53
    锈斑蟳 Charybdis feriatus −15.35 15.07 51~80
    杜氏枪乌贼 Loligo duvauceli −18.31 13.735 30~200
    日本无针乌贼 Sepiella japonica −16.73 13.78 34~222
    范围/‰ range −19.8~−15.35 10.91~15.57
    平均值/‰ $ \overline X \pm {\rm{SD}}$ −17.44±1.21 13.78±1.31
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    表 4  典型海域食物网营养结构

    Table 4.  Trophic structure of food web in typical sea areas

    区域
    area
    年份
    year
    总面积
    TA
    平均离心距离
    CD
    平均最邻近距离
    NND
    平均最邻近距离标准差
    SDNND
    δ13C差值
    CR
    δ15N差值
    NR
    海陵湾
    Hailing Bay
    2015 5.10 0.93 0.55 0.35 2.44 3.06
    凌水湾
    Lingshui Bay
    2015 11.18 1.49 0.60 0.54 4.45 4.66
    海州湾[16]
    Haizhou Bay
    2014 13.00 1.37 0.61 0.64 3.70 6.40
    海州湾[16]
    Haizhou Bay
    2015 7.15 1.36 0.42 0.24 1.70 6.04
    南海西南陆架区[17]
    southwestern continental shelf of South China Sea
    2013 5.8 1.0 0.37 0.43 3.4 4.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-31
  • 录用日期:  2019-06-17
  • 网络出版日期:  2019-07-11

华南典型海湾主要渔业生物碳氮稳定同位素研究

    作者简介:张文博 (1991—),男,硕士,从事海洋生态学研究。E-mail: wenbozhang91@163.com
    通讯作者: 刘华雪, liuhuaxue@scies.org
  • 1. 广东省环境科学研究院,广东 广州 510045
  • 2. 中国水产科学研究院南海水产研究所,广东 广州 510300
  • 3. 生态环境部华南环境科学研究所,广东 广州 510530

摘要: 为了解生境差异显著的华南典型海湾主要渔业生物的营养结构特征,于2015 年丰水期研究了海陵湾和陵水湾主要渔业生物碳、氮稳定同位素比值 (δ13C值和δ15N值),并计算了基于δ13C-δ15N值量化的营养结构。结果表明,海陵湾主要渔业生物的δ13C值[(−15.36±0.62)‰]和δ15N值[(15.53±0.94)‰] 均显著高于陵水湾(P<0.01),但δ13C差值 (CR) 和δ15N差值 (NR) 低于陵水湾。陵水湾渔业生物NR值和总面积 (TA) 值都高于海陵湾,表明陵水湾比海陵湾食物链更长,多样性水平更高。以3.4‰作为一个营养级的氮稳定同位素富集度来计算,陵水湾渔业生物营养级级距仅为1.37,而海陵湾主要渔业生物营养级级距小于1,说明陵水湾和海陵湾均处于高营养级生物较少且食物网受干扰较多的状态。

English Abstract

  • 海湾是陆域与海域相接的半封闭海域,受陆地和人类活动影响显著,随着近年来海水养殖、海洋工程和滨海旅游等行业的发展以及城镇化的快速推进,海湾生态环境发生了显著变化[1-4]。海湾食物网结构随着生态环境的变化而产生了哪些改变,其主要渔业生物营养级如何变化,目前尚了解不多,尤其是华南海域。华南海域生境类型多样,地形地貌、经济发展水平和海域生态环境状况差别显著。海陵湾和陵水湾是华南地区的两个重要海湾,分别位于广东省西部和海南省南部。近年来两个海湾的海水水质[5]、沉积物[6]和浮游生物[7]等均发生了显著变化,但关于这2个海湾食物网营养结构特征的研究十分欠缺,仅见于海南新村湾海草床中主要鱼类及大型无脊椎动物食物来源的研究[8]

    在食物网研究中,稳定同位素技术的使用日益普遍,根据加拿大342 种鱼的营养级分析结果[9],发现稳定同位素法得出的结果与胃含物分析法无显著差异,证明了用稳定同位素技术研究鱼类营养级的可靠性。由于碳稳定同位素比值在捕食者和食物间变化很小,平均富集0~1‰,故其可用于区分食物来源和贡献量[10];氮稳定同位素比值在捕食者和食物间通常能富集3‰左右,可用来确定生物在食物网中的营养位置[11-12]。在长江口和南黄海春季拖网渔获物营养级的研究[13]中发现,生物资源种类的营养级存在空间和生物种类差异,显示出渔业生物营养级对生境差异的响应。华南典型海域主要渔业生物营养级对生境差异具有哪些响应特征,有待进一步了解。本研究应用稳定同位素技术分析了华南典型海湾主要渔业生物的碳、氮稳定同位素组成和营养结构,以期了解渔业资源群落结构和食物网对生态环境变化的响应,为科学认知人类活动影响下的海湾生态系统演化规律提供基础数据。

    • 2个海湾的定点底拖网调查站位见图1。拖网船均系当地渔民渔船,网口高4 m﹑宽5 m﹑网囊网目3 cm×3 cm。所有渔获样品均进行现场低温冷冻保存。带回实验室后随机选取主要的渔业生物进行取样分析。

      图  1  海陵湾 (a) 和陵水湾 (b) 采样站点图

      Figure 1.  Sampling stations of Hailing Bay (a) and Lingshui Bay (b)

    • 现场使用5 L有机玻璃采水器采集水样,温度和盐度由YSI (556 MPS) 多参数水质测量仪测得。营养盐分析均参照Liu等[14]的方法,使用Lachat QC8500 流动注射比色法测定营养盐。

    • 鱼类样品取其背部白色肌肉,蟹类去壳取第一螯足肌肉,头足类取胴体肌肉。所有样品经冷冻干燥48 h后,研磨过筛 (80目),最后置于干燥器中保存。

      所有样品的δ13C和δ15N均在中国科学院水生生物研究所分析完成。样品的稳定同位素分析仪器为Finnigan delta plus和Flash EA1112联用仪,为了保证测试结果的准确性,每测试10个样品后加测一个标准样,并且对个别样品进行2~3次的复测,样品δ13C和δ15N值分析精度为±0.2‰。

      碳、氮稳定同位素值计算公式为:

      δ=[(Rsample/Rstandard) −1]×1 000

      式中δ代表碳、氮同位素值 (δ13C和δ15N);Rsample表示所测样品的同位素比值 (13C/12C或15N/14N);Rstandard是国际上通用的标准物的重轻同位素丰度之比,碳稳定同位素标准物为美洲拟箭石 (PDB),氮稳定同位素标准物为大气氮。

    • 根据Layman等[15]提出的构建δ13C-δ15N二维坐标系来代表群落的营养生态位,本文选取6种度量参数:δ15N差值 (NR),表示营养层次和多样性水平;δ13C差值 (CR) 表示摄食来源多样性水平;总面积 (TA),表示食物网中营养多样性的总程度;平均离心距离 (CD),表示食物网中营养多样性平均水平;平均最邻近距离 (NND),表示群落的整体密度;平均最邻近距离标准差 (SDNND),表示营养生态位分布范围水平。在这6种参数中,前4种参数 (NR、CR、TA和CD) 用来反映营养结构多样性,后2种参数 (NND和SDNND) 用来研究营养冗余度。参数数值通过MATLAB软件进行计算。

    • 海陵湾水环境要素主要由丰头河的陆源冲淡水及外海水控制,其夏季平均水温略高于陵水湾 (表1),但盐度低于陵水湾。陵水湾与新村港相通,因此其水环境质量既受南海海水影响,又受新村港的影响。近几年来,由于陵水湾新村港内养殖面积激增,养殖污水、船坞废水及生活污水的大量排放,致海域内水质变差。陵水湾总溶解无机氮平均浓度是海陵湾平均浓度的6倍多,而溶解无机磷平均浓度也是海陵湾平均浓度的3倍多。

      参数
      parameter
      海陵湾
      Hailing Bay
      陵水湾
      Lingshui Bay
      水温/℃
      temperature
      29.71±1.20 29.61±0.83
      盐度
      salinity
      34.53±1.06 35.37±0.29
      溶解无机磷/mg∙L−1
      dissolved inorganic phosphorus
      0.00 5±0.00 1 0.01 6±0.00 6
      溶解无机氮/mg∙L−1
      dissolved inorganic nitrogen
      0.02 3±0.00 9 0.15 3±0.07 7

      表 1  海陵湾和陵水湾海水环境参数特征

      Table 1.  Characteristics of environmental parameters of Hailing Bay and Lingshui Bay

    • 海陵湾共分析了14种渔业生物的稳定同位素值 (表2),其中鱼类12种﹑蟹类2种。δ13C值介于−16.41‰~−13.97‰,均值为 (−15.36±0.62)‰,其中丽叶鲹 (Alepes djedaba) 的δ13C值最低,少鳞 (Sillago japonica) 的δ13C值最高;δ15N值变化范围从短尾小沙丁 (Sardinella sindensis) 的12.94‰到多齿蛇鲻 (Saurida tumbil) 的16.7‰,平均值为(15.53±0.94)‰。


      species
      碳稳定同位素δ13C/‰
      stable carbon isotope
      氮稳定同位素δ15N/‰
      stable nitrogen isotope
      长度 (L)/mm
      length
      多齿蛇鲻 Saurida tumbil −15.35 16.70 45~278
      丽叶鲹 Alepes djedaba −16.41 15.90 74~90
      平鲷 Rhabdosargus sarba −15.50 15.58 95~115
      细鳞䱨 Terapon jarbua −15.92 16.09 51~120
      汉氏棱鳀 Thryssa hamiltonii −15.61 16.19 89~157
      六指马鲅 Polydactylus sextarius −15.02 16.17 120~127
      长棘鲾 Leiognathus fasciatus −14.78 15.73 58~85
      少鳞 Sillago japonica −13.97 16.48 111~140
      南方䲗 Callionymus meridionalis −15.32 15.29 82~98
      斑头舌鳎 Cynoglossus puncticeps −15.73 15.97 92~123
      短尾小沙丁 Sardinella sindensis −15.52 15.23 106~115
      黄斑篮子鱼 Siganus canaliculatus −16.12 13.71 98~146
      远海梭子蟹 Portunus pelagicus −14.96 13.635 13~70
      红星梭子蟹 Portunus sanguinolentus −14.82 14.69 26~59
      范围/‰ range −16.41~−13.97 12.94~16.7
      平均值/‰ $ \overline X \pm {\rm{SD}} $ −15.36±0.62 15.53±0.94

      表 2  海陵湾主要渔业生物的稳定同位素比值 (δ13C和δ15N) 和取样体长 (L)

      Table 2.  Stable isotope signature (δ13C and δ15N) and length (L) for major fishery species in Hailing Bay

      陵水湾共分析了15种渔业生物的稳定同位素值 (表3),其中鱼类11种、蟹类2种和头足类2种。δ13C值介于−19.8‰~−15.35‰,均值为 (−17.44±1.21)‰,其中黄斑篮子鱼 (Siganus canaliculatus) 的δ13C值最低,锈斑蟳 (Charybdis feriatus) 的δ13C值最高;δ15N值介于10.91‰~15.57‰,均值为 (13.78±1.31) ‰,其中带鱼 (Trichiurus lepturus) 拥有最高的δ15N值。

      种类
      species
      碳稳定同位素δ13C/‰
      stable carbon isotope
      氮稳定同位素δ15N/‰
      stable nitrogen isotope
      长度(L)/mm
      length
      多齿蛇鲻 Saurida tumbil −17.44 14.63 113~215
      二长棘犁齿鲷 Evynnis cardinalis −17.20 14.77 72~189
      短尾大眼鲷 Priacanthus macracanthus −18.15 10.91 70~84
      长尾大眼鲷 Priacanthus tayenus −16.8 14.29 132~134
      竹䇲鱼 Trachurus japonicus −18.15 13.54 110~159
      花斑蛇鲻 Saurida undosquamis −18.09 13.18 49~121
      日本鳗鲡 Anguillidae japonica −15.6 15.14 280~322
      篮圆鲹 Decapterus maruadsi −18.44 13.97 103~169
      黄斑篮子鱼 Siganus canaliculatus −19.8 11.41 167~176
      刺鲳 Psenopsis anomala −18.24 14 130~145
      带鱼 Trichiurus lepturus −17.3 15.57 118~212
      看守长眼蟹 Podophthalmus vigil −15.96 12.74 40~53
      锈斑蟳 Charybdis feriatus −15.35 15.07 51~80
      杜氏枪乌贼 Loligo duvauceli −18.31 13.735 30~200
      日本无针乌贼 Sepiella japonica −16.73 13.78 34~222
      范围/‰ range −19.8~−15.35 10.91~15.57
      平均值/‰ $ \overline X \pm {\rm{SD}}$ −17.44±1.21 13.78±1.31

      表 3  陵水湾主要渔业生物的稳定同位素比值 (δ13C 和 δ15N) 和取样体长 (L)

      Table 3.  Stable isotope signature (δ13C and δ15N) and length (L) for major fishery species in Lingshui Bay

    • 基于δ13C-δ15N值的双位图所示,并根据双位图计算出基于稳定同位素量化的营养结构的群落范围指标 (表4)。结果表明个海湾的食物链长度和食物来源广泛度均不高。

      区域
      area
      年份
      year
      总面积
      TA
      平均离心距离
      CD
      平均最邻近距离
      NND
      平均最邻近距离标准差
      SDNND
      δ13C差值
      CR
      δ15N差值
      NR
      海陵湾
      Hailing Bay
      2015 5.10 0.93 0.55 0.35 2.44 3.06
      凌水湾
      Lingshui Bay
      2015 11.18 1.49 0.60 0.54 4.45 4.66
      海州湾[16]
      Haizhou Bay
      2014 13.00 1.37 0.61 0.64 3.70 6.40
      海州湾[16]
      Haizhou Bay
      2015 7.15 1.36 0.42 0.24 1.70 6.04
      南海西南陆架区[17]
      southwestern continental shelf of South China Sea
      2013 5.8 1.0 0.37 0.43 3.4 4.3

      表 4  典型海域食物网营养结构

      Table 4.  Trophic structure of food web in typical sea areas

      海陵湾CR和NR值分别为2.44和3.06,TA约为5.1,CD值为0.93,显示出海陵湾主要渔业生物营养结构多样性较低。NND和平均最邻近距离标准差SDNND分别为0.55和0.35,表明海陵湾食物网营养冗余较高 (图2)。

      图  2  海陵湾主要生物种类的碳、氮稳定同位素比值

      Figure 2.  δ13C and δ15N values of major species in Hailing Bay

      陵水湾CR和NR值分别为4.45和4.66,TA约为11.18,CD值为1.49,显示出陵水湾营养结构多样性较低,但好于海陵湾。NND和SDNND分别为0.60 和0.54,表明陵水湾食物网营养冗余较高,但冗余程度低于海陵湾 (图3)。

      图  3  陵水湾主要生物种类的碳、氮稳定同位素比值

      Figure 3.  δ13C and δ15N values of major species in Lingshui Bay

      与海州湾和南海西南陆架区相比,海陵湾和陵水湾均呈现食物链长度不足的特征,TA、CD、NND、SDNND均相差不大,处于较低水平,说明这些海湾和近海区域均存在食物链长度不足,捕捞压力大,食物网营养结构冗余的现象 (表4)。

    • 浮游生物等基础饵料生物δ13C和δ15N值的变化,通过捕食者的摄食影响到鱼类,进而传递到整个食物网[18]。许思思等[19]分析了近50年来渤海捕捞渔获物资源结构的变化特征及其影响因素,也指出了营养盐的变化会改变浮游植物的群落结构,导致渔业资源结构的改变。陵水湾渔业生物CR值高于海陵湾,这可能与陵水湾物质输入导致渔业生物食物来源更广泛有关。陵水湾内存在大量的水产养殖,陆源输入营养物质也较多[20],因此陵水湾渔业生物的CR值高于海陵湾,但整体CR值都不高。

      陵水湾渔业生物NR值和TA值都高于海陵湾,显示陵水湾较海陵湾食物链更长,多样性水平更高。以3.4‰作为一个营养级的氮稳定同位素富集度来计算,陵水湾渔业生物营养级级距仅为1.37,而海陵湾主要渔业生物营养级级距小于1,说明陵水湾和海陵湾均存在高营养级生物较少,食物网受干扰较多 (捕捞活动造成高营养级生物损失) 的状态。

    • 渔业生物随着个体生长,食性会发生变化,渔业生物可选择和利用的食物来源更加多样;摄食会趋向于高营养层次的生物,从而改变其营养级,占据更多的营养层次[21-24],如南海鸢乌贼 (Symplectoteuthis oualaniensis) δ15N值随胴长增加变化显著,呈指数增长[25]。本研究中,存在主要渔业生物在不同发育阶段碳、氮稳定同位素值发生变化。以陵水湾多齿蛇鲻和日本无针乌贼为例,由于取样体长有较大差异,δ15N值和δ13C值均随体长增加而增大,其中多齿蛇鲻和日本无针乌贼δ15N值分别变化了1.42‰和2.78‰。以3.4‰作为一个营养级的氮稳定同位素富集度来计算[11],可知多齿蛇鲻和日本无针乌贼的营养级分别变化了0.42和0.82;而δ13C值分别变化了0.19 ‰和0.86‰,表明随着多齿蛇鲻和日本无针乌贼的生长发育,其食物来源发生了改变。由此可见,在陵水湾,主要渔业生物在不同发育阶段食性发生变化,营养级亦随之变化。

    • 海陵湾主要渔业生物的δ13C值和δ15N值均显著高于陵水湾,但CR值和NR值低于陵水湾。陵水湾渔业生物NR值和TA值都高于海陵湾,表明陵水湾较海陵湾食物链更长,多样性水平较高。陵水湾渔业生物营养级级距仅为1.37,而海陵湾营养级级距小于1,说明陵水湾和海陵湾均处于高营养级生物较少,食物网受干扰较多的状态。

参考文献 (25)

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