浮游动物稳定碳、氮同位素特征及其在水生态系统研究中的应用

浮游动物在水域生态系统食物网中起着承上启下的作用,其稳定碳、氮同位素(δ¹³C、δ¹⁵N)被广泛用于研究对食物资源的利用,揭示物质循环路径及与其他生物之间的营养关系等.浮游动物的稳定同位素也常用于解释初级生产力,判断水体污染物和环境变化过程.明确浮游动物稳定同位素组成的时空变化及影响因子,对于以其稳定同位素组成作为研究水生态系统生态过程和环境变化的指示物尤为重要.本综述基于国内外学者对水生态系统中浮游动物δ¹³C、δ¹⁵N特征及其应用的研究成果,梳理了浮游动物δ¹³C 和δ¹⁵N在不同类型水体、不同类群及时空变化的差异:浮游动物δ¹³C和δ¹⁵N时空变化则主要受食物来源及其同位素组成的影响,后者又受到初级生产力和氮源及水体物理化学性质等因素的影响.未来,浮游动物稳定同位素技术通过与新兴污染物、新兴技术及统计分析方法结合,将在地学、生物学等领域形成多手段、多学科、多尺度的研究方向.     

基于稳定同位素方法的闽江口常见鱼类群落营养结构的季节性变化

为了解闽江口常见鱼类群落的营养结构特征,于2015年冬季(1月)、春季(5月)、夏季(8月)、秋季(11月)采集闽江口底拖网渔业资源样品,利用稳定同位素分析闽江口常见鱼类群落营养结构特征及其季节性变化,并计算了基于δ¹³C-δ¹⁵N量化的7个营养结构的群落范围指标.结果表明: 闽江口常见鱼类群落除夏季和秋季的δ¹³C值之间不存在显著性差异,其余各季节之间δ¹³C值均差异显著;δ¹⁵N值春季与其余3个季节都表现出显著性差异,而其余3个季节δ¹⁵N值互相之间均无显著性差异.稳定同位素的量化指标表明: 闽江口常见鱼类群落的营养结构存在季节差异,春季的生态位总空间(TA)、核心生态位空间(SEAc)、鱼类基础食物来源(CR)、营养长度(NR)、鱼类营养多样性(CD)均为四季的最大值;从夏季至秋季再到冬季,生态位总空间(TA)、核心生态位空间(SEAc)、鱼类基础食物来源(CR)、营养长度(NR)、鱼类营养多样性(CD)和营养位置差异(MNND)均逐步上升.闽江口常见鱼类群落营养结构的季节差异可能与鱼类生殖洄游和群落内食源多样性的变化密切相关.     

不同林型地表甲虫食性及营养级关系：基于碳氮稳定同位素分析

土壤动物联结着生态系统地上与地下部分的物质循环和能量流动,对生态系统的结构、功能及过程起着重要的调控作用。地表甲虫作为典型的大型土壤动物,在食物网中占有重要的位置,因此对不同林型地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N同位素特征及营养关系研究对了解森林土壤动物的食性特征进而保护森林生物多样性是十分必要的。采集了小兴安岭凉水自然保护区6种不同林型的地表甲虫共10科31种,利用稳定同位素技术测定了甲虫中的δ¹³C、δ¹⁵N含量,并分析不同林型内地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N值及营养级差异。结果表明6、7月份不同林型地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N值差异显著(P<0.05),其中δ¹³C值在原始阔叶红松林和次生白桦林显著高于落叶松人工林和阔叶红松择伐林。δ¹⁵N值在阔叶红松择伐林显著高于其他5种林型。不同林型地表甲虫的营养级差异显著(P<0.05),林型内各物种营养级差异不显著(P...     

土壤剖面碳氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式及其影响机制

土壤碳、氮稳定同位素自然丰度(δ¹³C和δ¹⁵N)随土壤深度变化的研究,对揭示碳、氮元素生物地球化学循环机制具有重要意义。本文在概述土壤剖面δ¹³C和δ¹⁵N垂直分布特征的基础上,重点介绍了土壤δ¹³C和δ¹⁵N垂直分布模式的影响机制。土壤剖面δ¹³C垂直分布模式的影响机制主要有3种: 1)植被δ¹³C值的历史变化;2)植物群落C3-C4植物优势度变化;3)分解过程中¹³C富集的微生物源碳的积累。此外,讨论了¹³C休斯效应对土壤剖面δ¹³C垂直分布模式的影响。土壤剖面δ¹⁵N垂直分布模式的影响机制主要有4种: 1)反硝化过程产生的¹⁵N贫化气体的损失;2)分解过程中¹⁵N富集的微生物源氮的积累;3)菌根将¹⁵N贫化的含氮化合物转移到植物而在深层土壤积累¹⁵N富集的菌根真菌残留物;4)土壤有机质-矿物相互作用。最后提出了未来土壤剖面碳、氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式研究应该关注的重点。     

栓皮栎叶片δ13C和δ15N的纬向趋势及其影响因子

以东亚广布种栓皮栎为例,通过对南北样带(26°-40° N)上7个群体的调查取样,并结合2个生活史阶段,探讨栓皮栎碳氮同位素比值随纬度环境的变异规律.结果表明: 在纬向梯度上,栓皮栎叶片δ¹³C和δ¹⁵N随纬度的增加分别呈现非线性的增加和下降趋势,且成年树叶片δ¹³C和δ¹⁵N均显著高于幼树;同时,树龄和纬度对叶片δ¹⁵N和δ¹³C均无显著交互作用,表明栓皮栎幼树和成年树纬向环境变化的响应较为一致.随机森林模型结果显示,栓皮栎叶片δ¹⁵N主要受土壤养分,如土壤有机质、磷和氮含量的影响,而叶片δ¹³C主要受水分因子,如空气相对湿度、降水量等的影响.     

栓皮栎叶片δ13C和δ15N的纬向趋势及其影响因子

以东亚广布种栓皮栎为例,通过对南北样带(26°-40° N)上7个群体的调查取样,并结合2个生活史阶段,探讨栓皮栎碳氮同位素比值随纬度环境的变异规律.结果表明: 在纬向梯度上,栓皮栎叶片δ¹³C和δ¹⁵N随纬度的增加分别呈现非线性的增加和下降趋势,且成年树叶片δ¹³C和δ¹⁵N均显著高于幼树;同时,树龄和纬度对叶片δ¹⁵N和δ¹³C均无显著交互作用,表明栓皮栎幼树和成年树纬向环境变化的响应较为一致.随机森林模型结果显示,栓皮栎叶片δ¹⁵N主要受土壤养分,如土壤有机质、磷和氮含量的影响,而叶片δ¹³C主要受水分因子,如空气相对湿度、降水量等的影响.     

长江上游弥陀漫滩水体鱼类食物网动态的季节性变化

长江上游是我国鱼类生物多样性最为丰富的地区之一,漫滩作为河流生态系统的重要组成部分对维持区域鱼类生物多样性具有重要作用。于2019年丰水期(8月份)和枯水期间(11月份)应用碳、氮稳定同位素技术并结合Bayesian混合模型和SIBER分析方法,对长江上游弥陀漫滩水体鱼类食物网结构动态的季节性变化特征进行了研究。结果显示：丰水期基础碳源的δ¹³C、δ¹⁵N平均值分别为-23.02‰和2.58‰,范围分别为-31.01‰—-11.2‰(δ¹³C)和-0.51‰—6.84‰(δ¹⁵N);枯水期其δ¹³C、δ¹⁵N平均值分别为-21.93‰、7.22‰,范围分别为-26.31‰—-15.36‰(δ¹³C)和4.89‰—8.81‰(δ¹⁵N)。丰水期鱼类食物网能量主要依赖于外源性营养物质,食物链长度达到3.6级;枯水期内源性营养物质是食物网能量的主要贡献者,食物链长度为2.6级。相对于枯水期,丰水期间鱼类群落拥有更大的生...     

基于稳定同位素技术的南海北部蓝圆鲹的营养生态位

蓝圆鲹(Decapterus maruadsi)是南海北部重要的经济鱼类之一。根据2019年9—10月在南海北部陆架区采集的样品,利用稳定同位素分析蓝圆鲹的营养生态位变化。结果表明：以长肋日月贝作为营养级计算的基线,蓝圆鲹营养级范围2.77～4.19,平均值为3.81;δ¹⁵N值范围7.29‰～12.10‰,平均值为10.83‰;δ¹³C值范围-19.32‰～-16.10‰,平均值为-17.94‰;δ¹⁵N与δ¹³C值呈正相关;δ¹⁵N和δ¹³C值随体长增大而升高,在约100 mm体长附近达到峰值,后趋于稳定并略有下降;C/N值随体长增大而降低,至约100 mm体长达到最低值,后略有升高;不同水深样品的C/N值无显著性差别(P>0.05);在对大体长样品(≥140 mm)分析发现,雌性蓝圆鲹的δ¹⁵N值显著高于雄性(P<0.05),但δ¹³C值和C/N值无显著差别(P>0.05)。     

基于稳定同位素的黄河三角洲盐碱地稻蟹种养系统中华绒螯蟹食物源分析

为探讨盐碱地稻蟹种养系统中华绒螯蟹食物源构成,2020年6—10月,在山东东营垦利区,采集稻田中华绒螯蟹及其所有可能食物来源样品,包括植物(伊乐藻、菹草、金鱼藻、浮萍、水稻茎叶、稻谷)、动物(底栖动物、浮游动物)、有机碎屑和人工饲料(配合饲料、玉米粕),并利用碳、氮稳定同位素(δ¹³C和δ¹⁵N)值进行分析,定量其在中华绒螯蟹食物组成中的贡献率。结果表明: 食物源样品δ¹³C值范围为-30.09‰～-11.24‰,δ¹⁵N值范围为0.03‰～12.78‰,不同食物源δ¹³C和δ¹⁵N值呈现明显差异。中华绒螯蟹肌肉中δ¹³C值变化范围为-24.61‰～-20.08‰,δ¹⁵N值变化范围为4.74‰～9.21‰,表明稻蟹种养系统中华绒螯蟹食物来源较丰富。养殖期间各食源贡献率为植物(46.7%～57.1%)>动物(21.5%～24.5%)>人工饲料(10.9%～21.3%)>有机碎屑(7.1%～7.9%)。可见,盐碱地稻田系统天然饵料基本能够满足中华绒螯蟹摄食需求,即使本试验投喂非动物性人工饵料,也未改变中华绒螯蟹主要食源贡献率。     

基于多组织稳定同位素比值的热带大西洋4种鲨鱼营养生态位分化

不同代谢速率组织间的碳、氮稳定同位素比值(δ¹³C和δ¹⁵N)可以反映生物不同时间尺度的摄食信息,对探讨物种间摄食、栖息地利用和营养生态位的变化具有重要的指示作用。本研究以在大西洋热带海域兼捕的大青鲨、长鳍鲭鲨、拟锥齿鲨和尖吻鲭鲨为对象,通过测定其肌肉、肝脏和血液的δ¹³C和δ¹⁵N值,探讨4种鲨鱼营养生态位分化。结果表明: 与长鳍鲭鲨相比,尖吻鲭鲨、拟锥齿鲨和大青鲨的δ¹⁵N值相似且相对较高;大青鲨与其他鲨鱼存在摄食隔离,表现出独特的营养生态位;尖吻鲭鲨营养生态位宽幅最大,摄食食物种类和(或)栖息环境类型更多样化,其与拟锥齿鲨的营养生态位重叠度最高,说明两种鲨鱼具有潜在的资源竞争关系。尖吻鲭鲨、拟锥齿鲨和大青鲨组织间的δ¹³C、δ¹⁵N差值与其叉长均无显著相关关系,说明3种鲨鱼近期内无明显摄食变化;而长鳍鲭鲨的肝脏、血液和肌肉组织的δ¹⁵N差值与叉长显著相关,说明长鳍鲭鲨在短期内存在摄食变化。肝脏和血液的δ¹³C、δ¹⁵N值的相似性反映了两种组织整合摄食时间周期相近,其较高的代谢速率可以反映相对短时间周期的摄食信息。     

基于稳定同位素研究海州湾短吻红舌鳎的摄食生态

根据2018年春季和秋季在海州湾海域进行底拖网调查采集的样品,基于碳氮稳定同位素分析,对海州湾短吻红舌鳎的摄食生态进行研究。结果表明: 海州湾短吻红舌鳎的δ¹³C值平均值为(-17.79±1.00)‰,其范围在-20.75‰～-15.91‰;δ¹⁵N值平均值为(9.37±1.33)‰,其范围在5.98‰～12.02‰。Pearson相关分析表明,海州湾短吻红舌鳎δ¹³C值与体长呈显著负相关,δ¹⁵N值与体长呈显著正相关。根据δ¹⁵N值计算得出海州湾短吻红舌鳎的平均营养级为(3.43±0.97),且营养级与体长呈显著正相关。海州湾短吻红舌鳎摄食的饵料生物有鱼类、蟹类、虾类、软体动物、多毛类、浮游生物和颗粒有机物等,其中虾类的营养贡献率最高。秋季鱼类、蟹类、虾类对短吻红舌鳎的营养贡献率较春季有所增高。本研究将有助于揭示短吻红舌鳎在海州湾生态系统物质循环和能量流动中的地位和作用,为其资源保护和合理利用提供科学依据。     

基于稳定同位素技术的辽宁浑太河流域水生食物网研究

为探究辽宁省浑太河流域水生生物营养结构特征及其变化,分别于2020年秋季(10月)和2021年春季(5月)对该流域开展渔业资源调查,依据主要消费者及饵料生物样品的碳、氮稳定同位素值(δ¹³C和δ¹⁵N),利用SIBER和MixSIAR模型分析渔获物群落营养结构的时空差异,并初步构建该流域的食物网。结果表明,主要渔获物的δ¹³C和δ¹⁵N值分别为–37.18‰—–19.28‰和7.98‰—16.51‰,且季节性差异不显著(P>0.05),但δ13C值空间差异极显著(P<0.01)。浑太河流域渔获物的营养级为1.71—4.39,同种鱼类营养级具有极显著的时空差异(P<0.01)。与春季相比,鱼类在秋季摄食的食物资源更丰富、所占的生态位更宽,同时太子河的各项群落营养结构指标均优于浑河。基础食源分析结果表明水生植物与陆生植物分别为浑太河两个季度的主要碳源,陆生植物和POM分别为浑河和太子河中鱼类的主要碳源。研究填补了对浑太河流域水生生物食物网及群落营养结构研究的空缺,为该流域后续的保护、修...     

典型滨岸草地生态系统碳稳定同位素组成及分布特征

通过测定上海市青浦区东风港百慕大、白花三叶草、高羊茅和白茅等4种典型滨岸草本植物各组织以及不同垂直深度土壤有机质δ¹³C值,对滨岸草地生态系统的植物-土壤碳稳定同位素特征进行了分析.结果表明: 白花三叶草、高羊茅属于C3植物,百慕大、白茅属于C4植物,其茎叶、凋落物和根系各组织间δ¹³C值无显著差异.C3和C4植物样带表层土壤有机质δ¹³C值随着土壤深度递增而呈现截然不同的变化特征,这与样带本底δ¹³C值以及碳稳定同位素分馏效应有关,同时还受植物根系分布深度的影响.植物输入是土壤有机碳(SOC)的最主要来源,植物有机体δ¹³C组成对土壤有机质δ¹³C值有直接影响,植物各组分δ¹³C值与土壤有机质δ¹³C值均存在极显著相关.4种草本植物样带SOC含量与δ¹³C值均呈极显著相关,其中,C3植物样带SOC含量与δ¹³C值呈线性负相关,C4植物样带SOC含量与δ¹³C值呈线性正相关.     

四川裂腹鱼耳石碳、氧稳定同位素特征

为探讨耳石碳(δ¹³C)、氧(δ¹⁸O)稳定同位素在淡水鱼类群体识别中的作用,本研究以养殖条件下不同年龄组四川裂腹鱼为对象,采用稳定同位素质谱仪进行碳、氧同位素测定,揭示耳石中碳、氧稳定同位素特征,探讨其与环境间的关系. 结果表明:1⁺龄四川裂腹鱼δ¹³C和δ¹⁸O值均与耳石质量无显著相关关系,但在微耳石和星耳石之间存在显著差异;不同年龄四川裂腹鱼微耳石δ¹³C和δ¹⁸O平均值分别为(-9.58±0.06)‰、(-8.33±0.17)‰,其在雌雄个体之间均无显著性差异,但在不同年龄组间存在显著差异. 耳石δ¹⁸O和δ¹³C的关联分析能有效区分四川裂腹鱼不同养殖年龄群体,可作为一种识别淡水鱼类养殖群体的手段.     

鬼箭锦鸡儿叶片和土壤碳稳定同位素特征及其影响因素

为探究高海拔地区的植物碳(C)循环过程与其生境的关系,以生长在高山地区的豆科灌木鬼箭锦鸡儿为研究对象,沿着横跨我国东西部山区的样带采集35个样点的鬼箭锦鸡儿叶片和土壤样品,分析了鬼箭锦鸡儿叶片碳稳定同位素组成(δ¹³C)、土壤δ¹³C、叶片和土壤δ¹³C差值(Δδ¹³C)在不同采样点的特征及其与气候因子、叶片和土壤元素的关系。结果表明:鬼箭锦鸡儿叶片δ¹³C的变化范围为-30.9‰～-27.1‰,平均值为-28.4‰,土壤δ¹³C的变化范围为-26.2‰～-23.2‰,平均值为-25.3‰,Δδ¹³C的变化范围为2.0‰～7.7‰,平均值为3.1‰;叶片δ¹³C显著低于土壤δ¹³C,且随着叶片δ¹³C增加,土壤δ¹³C先降低后升高;叶片δ¹³C与生长季均温和叶片C含量呈显著负相关,土壤δ¹³C与相对湿度和最暖月均温呈显著负相关,与土壤碳∶氮(C∶N)呈显著正相关,随土壤C含量的增加土壤δ¹³C先降低后升高,Δδ¹³C与叶片C含量、土壤C含量和土壤C∶N呈显著正相关;气候因子对叶片δ¹³C和Δδ¹³C具有直接影响,同时也通过对叶片和土壤元素的影响,间接导致叶片δ¹³C、土壤δ¹³C和Δδ¹³C的改变。高海拔地区的气候因子、叶片和土壤元素共同影响鬼箭锦鸡儿的C循环过程。     

马鞍列岛海洋牧场褐菖鲉和小黄鱼营养生态位差异

海洋牧场是近岸渔业资源保护和恢复的有效途径,为评估海洋牧场建设对褐菖鲉和小黄鱼营养生态位和种间竞争关系的影响,基于2013年和2016年调查的碳氮稳定同位素数据,分析种内营养生态位变化趋势与种间竞争的关系.结果表明: 从2013年到2016年海洋牧场区褐菖鲉和小黄鱼种内营养生态位明显增大,凸多边形总面积(TA)营养生态位分别由1.89和0.34增加到12.43和8.86,两者的种间生态位重叠面积由 0.13 增加到7.69;标准椭圆营养生态位分别由1.11和0.14增加到4.94和4.06,两者的种间生态位重叠面积由0增加到0.26.随时间变化,褐菖鲉和小黄鱼δ¹³C和δ¹⁵N呈减小趋势,且δ¹³C值差异显著,δ¹⁵N不显著,两者的种间饵料重叠度从68.9%增加到90.6%.     

基于稳定同位素技术的海州湾海洋牧场食物网基础及营养结构的季节性变化

基于稳定同位素技术对2015年春季海州湾海洋牧场海域采集的中小型生物消费者,包括鱼类、虾类、蟹类、头足类、螺类和双壳类等与其潜在碳源样品进行分析,利用IsoSource模型计算该海域消费者碳源贡献率,并对2014年夏季生物学样品与2015年春季样品比较,分析食物网营养结构的季节性变化,根据稳定同位素测定结果绘制二维双标图,计算出6种营养结构的量化指标.结果表明: 2015年春季海州湾海洋牧场海域消费者的δ¹³C值范围为-18.9‰～-17.1‰,3种潜在碳源[浮游植物、悬浮颗粒有机物(POM)、沉积物(SOM)]的δ¹³C值范围为-18.1‰～-23.4‰,根据模型计算得出浮游植物对消费者的平均碳源贡献最大,为80.8%,其余依次为SOM和POM,分别为10.8%和8.4%.2014年夏季生物样品与2015年春季样品的δ¹³C值存在显著差异,而δ¹⁵N值无显著性差异;6种量化指标表明群落营养结构存在季节性差异, 2014年夏季的δ¹³C比值范围(CR)、总面积(TA)、平均最邻近距离(NND)和平均最邻近距离标准差(SDNND)均大于2015年春季,δ¹⁵N比值范围(NR)和平均离心距离(CD)无明显变化,夏季群落营养结构冗余度小于春季,且食源多样性水平高于春季,存在季节差异.     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO₂、CH₄)、氮(N₂O)和水汽(H₂O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ ¹³C)和氧稳定同位素比值(δ ¹⁸O)(CO₂)、δ ¹³C (CH₄)、氮稳定同位素比值(δ ¹⁵N)和δ ¹⁸O (N₂O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ ¹⁸O (H₂O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO₂及其δ ¹³C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

西南大西洋春夏季阿根廷无须鳕脂肪酸组分的时空特性

阿根廷无须鳕(Merluccius hubbsi)是西南大西洋较为重要的鱼种,具较高的商业价值,为底拖网渔业的主要捕捞对象。本研究利用气相色谱质谱联用仪测定了阿根廷无须鳕肌肉组织脂肪酸组成,探究各脂肪酸含量,包括饱和脂肪酸(SFA)、单不饱和脂肪酸(MUFA)和多不饱和脂肪酸(PUFA)随体长、月份和纬度的变化。结果表明:各类脂肪酸含量高低次序依次为∑PUFA∑SFA∑MUFA;主要脂肪酸包括C22:6n3(DHA)、C16:0、C18:1n9c、C20:5n3(EPA)和C18:0,其中DHA的含量最高,占总脂肪酸含量的35.27%;高PUFA/SFA表明阿根廷无须鳕肌肉可作为PUFA的补充原料;∑SFA和∑PUFA在小体长组个体中(20.1~30.0 cm)的含量较高,特别是DHA和EPA,使得n-3/n-6增加,说明相对较大个体而言,小个体阿根廷无须鳕的营养价值更高;除n-3/n-6外,其余脂肪酸含量均无显著的月份差异;1月最高的n-3/n-6说明肌肉组织在该月份具有较高的营养价值。鱼体各脂肪酸含量随纬度和表温变化不明显。     

特定化合物同位素分析技术在树木非结构性碳水化合物研究中的应用

特定化合物同位素分析(CSIA)可以实现对复杂基质中特定化合物稳定碳同位素组成(δ¹³C)的精确测定。应用此方法测定树木非结构性碳水化合物(NSC)中特定成分(如糖类、有机酸和糖醇)的δ¹³C,不仅能够追踪新同化的光合产物在树木中的运移及与外界的碳交换,还能够更敏感地指示树木生理状况对环境变化的响应。本文首先系统介绍了CSIA从样品采集、处理到δ¹³C测定的方法,然后综述了树木NSC中各成分之间及各成分在不同器官之间的δ¹³C差异,阐述了树木NSC的δ¹³C时间动态变化特征及内在机制,最后分析了NSC作为主要呼吸底物,其δ¹³C与树木呼吸释放CO₂的δ¹³C(δ¹³C_R)之间的联系,并针对CSIA分析技术在后光合分馏、树木逆境生理和年轮δ¹³C形成机制等研究的应用前景提出了展望。