基于稳定同位素的湿地食物源判定和食物网构建研究进展

湿地生物营养动力学是湿地生态系统结构和功能评价研究的基础.碳、氮稳定同位素作为识别营养关系的方法,已在湿地生态系统食物来源、组成和食物链传递研究中得到广泛运用.本文系统综述了稳定同位素食物贡献度计算模型和营养级确定的基本方法和理论;讨论了动物营养分馏值和基线的选择依据;概括了湿地生态系统典型食物源及其稳定同位素变化特征;总结了草食、杂食和肉食等不同营养级动物的食物来源.指出了稳定同位素在湿地食物源溯源和食物网研究中的不足;基于国内外研究现状和发展趋势及需求,展望了未来同位素技术在湿地食物网生态学研究中的运用前景和研究重点,提出需要加强稳定同位素营养分馏和基线的影响因素、样品处理和保存方式研究以及胃含物、分子标记物和多元素同位素结合分析.     

植物叶片水稳定同位素研究进展

植物叶片水稳定同位素变化可以直接沟通植物叶片内部与外界的物质和能量联系,并能够反映植物生长周围的气候与生态信息.另外,植物叶片水作为参与水循环的一个重要环节,了解叶片水稳定同位素组成有助于揭示其在局地水体稳定同位素循环中的分配与贡献.概述了国内外叶片水稳定同位素研究现况;介绍了叶片水稳定氢、氧同位素在植物体中的分馏过程及形式(热力学平衡分馏、动力学分馏以及生化分馏)以及影响叶片水稳定同位素组成的气象和生态因子;阐述了叶片水稳定同位素修正的Craig-Gordon稳态模型、string-of-lakes模型、Péclet效应的稳态模型、非稳态效应的模型、Péclet效应的非稳态模型以及二维模型的构建与完善过程;最后讨论了植物叶片水稳定同位素研究存在的问题,并从叶片水稳定同位素与气象、生态因子的关系,叶片水蒸腾线的斜率和截距及过量氘的意义,模型适用性的验证以及叶片水稳定同位素在水文循环的应用等方面展望了研究方向.     

鸟类组织中稳定同位素周转率研究现状

稳定同位素分析技术被广泛应用于鸟类生态学多个方面的研究,如鸟类迁徙、营养级关系、生活史、食性等。根据不同的研究目的和要求,选择目标周期相对应的组织进行研究。在此前提下,掌握不同组织稳定同位素的周转率就显得尤为重要。目前国内有关鸟类组织稳定同位素周转率及其差异的研究较为有限,本文对国际上研究周转率的常见假说、方法和影响周转率的因素进行综述,旨在抛砖引玉,为利用稳定同位素技术开展鸟类学方面的研究提供依据。     

锶同位素在森林生态系统研究中的进展

放射性成因锶同位素(87Sr/86Sr)作为一种有效的示踪工具,对理解陆相生态系统结构有极其重要的作用.而非传统稳定同位素δ88/86Sr可以揭示以前所忽略的阳离子在植被中的迁移过程.本文对锶元素在森林生态系统中的循环过程以及定量计算方法进行了综述,阐明了利用放射性成因锶同位素87Sr/86Sr在低温地表迁移过程中不分馏的特性示踪物质来源以及循环途径,利用非传统稳定锶同位素δ88/86Sr来示踪生态系统中生物分馏过程,以及锶元素在植被中的内循环机理,总结采用锶同位素在环境响应和生态系统演化的应用.指出非传统稳定锶同位素与放射性成因锶同位素联立应用将是其在陆地生态系统研究中的发展方向.     

脂类抽提对北太平洋柔鱼肌肉碳、氮稳定同位素测定结果的影响

稳定同位素技术可深层次地分析头足类的摄食习性和栖息地等方面的重要信息.稳定同位素分析多选取动物肌肉为研究组织,然而,肌肉中的脂类含量会影响对其稳定同位素信息的准确解析.北太平洋柔鱼是重要的大洋经济性头足类,在海洋生态系统中具有重要的生态地位.本研究选取了53尾北太平洋柔鱼,通过分析脂类抽提对胴体肌肉稳定同位素比值的影响,探讨脂类物质对稳定同位素比值的干扰机制,对比不同碳稳定同位素比值校正模型的适用性,并提出适用于北太平洋柔鱼胴体肌肉δ¹³-C校正模型.结果表明： 北太平洋柔鱼肌肉的脂类抽提会引起稳定同位素测定结果的显著变化,δ¹³-C和δ¹⁵-N分别平均升高0.71‰和0.47‰,在分析组织碳稳定同位素比值时,脂类抽提在样品预处理过程中十分必要,其能消除脂类对样品稳定同位素分析的干扰,从而更加准确地分析研究对象食性与栖息地的变化.在单独进行氮稳定同位素比值分析时,则不需要进行脂类抽提.     

稳定同位素技术在土壤跳虫研究上的应用

稳定同位素技术的发展和应用是20世纪90年代生态学研究方法最重要的进步之一.许多生态学过程都伴随着同位素比率的变化,根据这些变化可以追踪生态系统的物质循环和能量流动.近年来,许多学者把稳定同位素技术引入到土壤生态学,主要用于研究土壤碳循环和土壤生物之间的营养关系,在很大程度上提升了对地下生态系统的理解.跳虫作为土壤动物群落的重要组分,它的食性和营养位置一直存在着许多不确定性.稳定同位素技术的应用,为确定跳虫的食物来源、营养位置和营养关系提供了一个强大的工具.本文综述了稳定同位素技术在跳虫食性和营养级研究上的应用,并指出了不足之处以及今后的发展方向.     

稳定同位素在滨海湿地生态系统研究中的应用现状与前景

滨海湿地生态系统位于海陆交错地区,具有独特的生态系统特征、很高的服务功能和巨大的资源潜力,但同时也受到人为活动的严峻威胁.作为天然示踪物的稳定同位素为研究滨海湿地生态环境问题提供了重要手段.本文着重探讨了稳定同位素在滨海湿地动物食物源和食物网结构、滨海植物水分来源和利用效率、环境污染和生物入侵等全球变化对滨海湿地结构和功能的影响等方面的应用,指出了当前应用中存在的不足,如食物网研究中样品处理方式和富集度的确定,水分来源研究中水分抽提方法和仪器选择等,展望了稳定同位素在滨海湿地生态系统修复评价以及碳循环和温室气体排放研究中的应用前景.     

蜡质标本制作与保存对沉水植物稳定同位素的影响

实验通过模拟传统方法制作和保存蜡质标本, 旨在探究制作和保存的不同阶段对3种沉水植物碳、氮稳定同位素值的影响。结果表明, 制作和保存标本的过程均会对沉水植物的碳、氮稳定同位素值产生影响。植物标本压制的过程显著降低了沉水植物平均碳稳定同位素值, 其中马来眼子菜下降了1.78‰, 穗花狐尾藻下降了0.98‰, 金鱼藻下降了0.72‰。在压制过程中氮稳定同位素值只有金鱼藻显著下降了1.1‰。沉水植物标本制作的浸泡过程使穗花狐尾藻和马来眼子菜的碳稳定同位素值分别出现了1.00‰和0.52‰的上升, 金鱼藻的碳稳定同位素值增长小于0.08‰, 氮稳定同位素值没有显著变化。沉水植物对标本制作和保存的过程响应存在种间差异。在制作和保存过程中对植物碳稳定同位素产生的影响大于氮稳定同位素值。因此建议, 如果所研究对象的稳定同位素生态学差异小于3‰, 蜡质标本的样品需要进行实验校准, 不然会对结果产生影响。     

稳定同位素技术在鲨鱼摄食和洄游行为研究中的应用

随着稳定同位素分析技术的不断成熟,其在生态学领域中的应用也增长迅速,并成为动物摄食生态学的重要研究工具.鲨鱼因其在生物系统进化过程中的独特地位和海洋生态系统中的重要作用已成为海洋食物网研究的重点,然而国内针对鲨鱼摄食习性和洄游行为等方面的研究仍处于起步阶段.本文在总结了国内外鲨鱼稳定同位素分析组织样品选取和样品预处理方法的基础上,系统归纳了稳定同位素技术在鲨鱼摄食生态学,尤其在其摄食和洄游行为研究领域中的应用,着重分析稳定同位素技术在鲨鱼稳定同位素判别值和更新速率、食性分析、营养级评估、洄游路径分析和生态位分布等核心问题上的应用现状和发展前景,以期为国内学者开展鲨鱼类基础生物、生态学研究提供有益参考.     

鸟类组织稳定同位素分析样品的预处理方法

稳定同位素分析样品在进行同位素质谱分析之前需要适当的处理,然而如何处理尚未形成统一的标准。本文结合鸟类组织稳定同位素分析样品的测试流程,介绍了鸟类学研究领域稳定同位素技术应用中涉及的分析样品解冻清洗、干燥、分离纯化、研磨和储存等前处理方法,并对不同组织常用的处理方法及分析样品测定中有待解决的问题展开了讨论。旨在抛砖引玉,为利用稳定同位素技术开展鸟类学方面的研究提供科学参考和技术支持。     

15N自然丰度法在生态系统氮素循环研究中的应用

稳定性同位素技术是现代生态学研究中的一门新兴技术,在生态学研究的诸多领域都展示了广阔的应用前景,其中,稳定性同位素＾１５Ｎ自然丰度法近年来在生态系统氮素循环研究中发挥了正在发挥着极为重要的作用,首先简述了自然生态系统氮素循环诸过程中的＾１５Ｎ同位素分馏机制,然后,在此基础上,综述了＾１５Ｎ自然丰度法的基本原理与方法,列举了近年 来此法在生物固氮及氮素转化过程研究中的一些应用实例,并预测了该方法在国     

Stable Isotopes and Carbon Cycle Processes in Forests and Grasslands

Abstract: Scaling and partitioning are frequently two difficult challenges facing ecology today. With regard to ecosystem carbon balance studies, ecologists and atmospheric scientists are often interested in asking how fluxes of carbon dioxide scale across the landscape, region and continent. Yet at the same time, physiological ecologists and ecosystem ecologists are interested in dissecting the net ecosystem CO₂ exchange between the biosphere and the atmosphere to achieve a better understanding of the balance between photosynthesis and respiration within a forest. In both of these multiple-scale ecological questions, stable isotope analyses of carbon dioxide can play a central role in influencing our understanding of the extent to which terrestrial ecosystems are carbon sinks. In this synthesis, we review the theory and present field evidence to address isotopic scaling of CO₂ fluxes. We first show that the ¹³C isotopic signal which ecosystems impart to the atmosphere does not remain constant over time at either temporal or spatial scales. The relative balances of different biological activities and plant responses to stress result in dynamic changes in the ¹³C isotopic exchange between the biosphere and atmosphere, with both seasonal and stand-age factors playing major roles influencing the ¹³C biosphere-atmosphere exchange. We then examine how stable isotopes are used to partition net ecosystem exchange fluxes in order to calculate shifts in the balance of photosynthesis and respiration. Lastly, we explore how fundamental differences in the ¹⁸O isotopic gas exchange of forest and grassland ecosystems can be used to further partition terrestrial fluxes.     

Characterization of food web structure of the upper continental slope of the Celtic Sea highlighting the trophic ecology of five deep‐sea fishes

In marine ecosystems, the study of trophic relationships has extensively benefited from the development of stable isotope analyses (SIA) as dietary tracers. SIA are particularly useful in elucidating the structure of deep sea food webs given the constraints involved in obtaining gut‐content data from deep trawling. We used carbon and nitrogen stable isotope analyses and Stable Isotope Bayesian Ellipses in R (SIBER) and Stable Isotope Analysis in R (SIAR) routines, to determine the trophic ecology of five deep‐sea fishes from the upper continental slope of the Celtic Sea. SIA made it possible to deduce some general tendencies in food‐web structure and species trophic interactions and confirmed diet determined by gut‐content analysis for the same species, in other ecoregions. More specifically, mixing models revealed that the deep sea species considered are omnivorous and are able to feed on all the sampled taxa. Based on isotopic ratio, no clear differences in fish diet could be detected from one species to another except for rabbit fish, which has benthic affinities. Three species, blackbelly rosefish, greater forkbeard and softhead grenadier showed overlapping isotopic niches. This study is the first attempt to describe the trophic ecology of deep sea species on the Celtic Sea upper continental slope. In the context of the development of ecosystem integrated modeling approaches for managing fisheries in the Celtic sea, and considering the vulnerability of deep‐water species, improving the knowledge on the trophic ecology of these local species is of importance in order to allow their sustainable exploitation.     

Stable isotopes as tracers of trophic interactions in marine mutualistic symbioses

Mutualistic nutritional symbioses are widespread in marine ecosystems. They involve the association of a host organism (algae, protists, or marine invertebrates) with symbiotic microorganisms, such as bacteria, cyanobacteria, or dinoflagellates. Nutritional interactions between the partners are difficult to identify in symbioses because they only occur in intact associations. Stable isotope analysis (SIA) has proven to be a useful tool to highlight original nutrient sources and to trace nutrients acquired by and exchanged between the different partners of the association. However, although SIA has been extensively applied to study different marine symbiotic associations, there is no review taking into account of the different types of symbiotic associations, how they have been studied via SIA, methodological issues common among symbiotic associations, and solutions that can be transferred from one type of association with another. The present review aims to fill such gaps in the scientific literature by summarizing the current knowledge of how isotopes have been applied to key marine symbioses to unravel nutrient exchanges between partners, and by describing the difficulties in interpreting the isotopic signal. This review also focuses on the use of compound‐specific stable isotope analysis and on statistical advances to analyze stable isotope data. It also highlights the knowledge gaps that would benefit from future research.     

稳定同位素技术在植物水分利用研究中的应用

近20a稳定同位素技术在植物生态学研究中的应用得到了长足发展,使得对植物与水分关系也有了更深一步的了解。介绍稳定同位素性碳、氢、氧同位素在研究植物水分关系中的应用及进展,以期能为国内植物水分利用研究提供参考。由于植物根系从土壤中吸收水分时并不发生同位素分馏,对木质部水分同位素分析有助于对植物利用水分来源,生态系统中植物对水分的竞争和利用策略的研究,更好地了解生态系统结构与功能。稳定碳同位素作为植物水分利用效率的一个间接指标,在不同水分梯度环境中,及植物不同代谢产物与水分关系中有着广泛的应用。同位素在土壤-植被-大气连续体水分中的应用,有助于了解生态系统的水分平衡。随着稳定同位素方法的使用,植物与水分关系的研究将取得更大的进展。     

稳定氢氧同位素定量植物水分来源的不确定性解析

稳定氢氧同位素技术被广泛运用于生态系统、特别是干旱区生态系统中植物水分来源的研究,其理论假设为"水分被植物根系吸收并向木质部运输过程中不发生氢氧同位素分馏"。生态系统中不同水源的氢氧同位素组成普遍存在显著差异,为从水源混合体中区分出各水源的贡献率提供了前提条件。但在实际应用过程中,诸多因素导致稳定氢氧同位素技术定量植物水分来源的结果具有不确定性。综合已有研究并加以分析,举证说明植物吸收水分相对于水源同位素变化的滞后性、水源同位素的季节性变化、蒸发作用和水源之间的混合作用对水源同位素的影响等导致植物水分来源定量结果不确定性的几个因素,以期为今后稳定氢氧同位素技术在植物水分来源领域的应用提供参考。     

The impact of metabolism on stable isotope dynamics: a theoretical framework

Stable isotope analysis is a powerful tool used for reconstructing individual life histories, identifying food-web structures and tracking flow of elemental matter through ecosystems. The mechanisms determining isotopic incorporation rates and discrimination factors are, however, poorly understood which hinders a reliable interpretation of field data when no experimental data are available. Here, we extend dynamic energy budget (DEB) theory with a limited set of new assumptions and rules in order to study the impact of metabolism on stable isotope dynamics in a mechanistic way. We calculate fluxes of stable isotopes within an organism by following fluxes of molecules involved in a limited number of macrochemical reactions: assimilation, growth but also structure turnover that is here explicitly treated. Two mechanisms are involved in the discrimination of isotopes: (i) selection of molecules occurs at the partitioning of assimilation, growth and turnover into anabolic and catabolic sub-fluxes and (ii) reshuffling of atoms occurs during transformations. Such a framework allows for isotopic routing which is known as a key, but poorly studied, mechanism. As DEB theory specifies the impact of environmental conditions and individual state on molecule fluxes, we discuss how scenario analysis within this framework could help reveal common mechanisms across taxa.     

利用稳定氢氧同位素定量区分白刺水分来源的方法比较

水是影响植物分布的重要生态因子之一,对植物水源的研究有助于在全球变化背景下了解植物的时空分布格局.根据同位素质量守恒,利用稳定氢氧同位素可以确定植物水分来源,相关的方法也不断改进.利用三源线性混合模型、多源线性混合模型、吸水深度模型以及动态模型分别对格尔木白刺(Nitraria Tangutorum)的水分来源进行了对比研究,发现格尔木白刺主要吸收利用50-100 cm处的土壤水及地下水.在研究方法上,各模型都有自己的应用范围和局限:三源线性混合模型一般只能在植物吸收的水分来源不超过3个的情况下运行;多源线性混合模型弥补了三源线性混合模型的不足,可以同时比较多种来源水各自对白刺的贡献率及贡献范围;吸水深度模型弥补了混合模型中不能计算白刺对土壤水的平均吸水深度的缺陷;动态模型则会为未来降水格局变化对植物的时空分布的影响研究起很大作用.针对不同的适用范围,模型的选择及综合应用会更广泛.但是,该技术还存在一些不足,需要结合测定土水势,富氘水的示踪等方法来弥补.