基于稳定同位素技术的新疆伊犁河流域鱼类群落营养级初步研究

王 迪，张 燕，李云峰，倪朝辉，茹辉军

(1.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；2.中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430223)

营养级代表生物在生态系统中的营养位置，营养级的研究是分析水域食物网结构的基础，能够揭示生物群落的营养结构特征，对于研究水域生态系统的能量流动、物质转换等方面具有重要意义[1]。而近年来，稳定同位素技术已经逐渐成为国内外学者研究水域生态系统生物食源、营养级位置、营养结构特征与功能不可或缺的方法之一[2-5]。QU等[6]研究了渤海海峡沿岸常见生物之间的营养关系，并在此基础上提出了改善该水域基础食物源(藻类草皮)的生物多样性和分布结构，提高渔业物种生境适应性等生态修复建议。

在国内，稳定同位素示踪技术也已经广泛应用于海洋和淡水生态系统的食物网研究中，并被证实碳(13C)、氮(15N)稳定同位素是研究水域生态系统食物网的有效方法[7]；闫光松等[8]利用稳定同位素技术建立了长江口水域食物网连续营养谱，为长江口渔业资源保护提供了科学依据；邓华堂等[9]利用碳、氮稳定同位素探讨了大宁河不同水位时期及不同地点主要鱼类群落食物网营养结构变化特征。

伊犁河是我国新疆自治区最大的一条河流，全长442 km，总体面积为57 000 km2，多年平均径流量1.67×1010m3[10]。伊犁河流域的鱼类资源较为丰富，现有鱼类约32种，是我国西北淡水鱼类原种和良种收集、选育、推广的重要基因库之一[11]。但有研究表明，由于过度捕捞、人为干扰和气候持续干旱等原因，与历史记录相比土著鱼类资源显著下降[12]，且大中型鱼类资源稀少，鱼类群落多样性低[10]，因此研究伊犁河流域的生物营养级对于后续食物网结构和功能的研究具有重要意义。目前关于伊犁河流域鱼类的研究调查，涉及种类、资源量以及个别土著鱼类研究较多，而对于该区域鱼类营养级研究尚未见报道。本研究运用稳定同位素技术研究新疆伊犁河流域鱼类群落的碳氮稳定同位素特征，计算其营养级位置，分析鱼类群落营养结构特征，旨在为后续研究食物网结构、生态系统的能量流动等提供基础资料，也为伊犁河流域的鱼类资源保护、资源的合理开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本研究在伊犁河流域开展，包括伊犁河(站点1～4)、特克斯河(站点5～7)、巩乃斯河(站点8～10)、喀什河(站点11～13)四条河流。

图1 伊犁河流域采样站点Fig.1 Sampling stations in Ili River basin

1.2 样本采集与处理

为全面分析伊犁河流域鱼类营养层级结构，分别在湿季(2019年5-6月)、干季(2020年11月)两个季节进行样品采集。鱼类样品通过地笼(8 m，网目1.5 cm)和丝网(1.5 m×30 m，网目3 cm)捕捞获得。浮游植物采集需先使10 L水样分别经13#和25#(孔径112 μm，64 μm)浮游生物网滤过以去除浮游动物，其后镜检以确保基本为浮游植物。该样品包含浮游植物和部分悬浮有机质，因此称为seston[13]。在13个调查站位均有采样，所采样品编号后并放置于便携式冰箱带回。

在实验室，将采集到的鱼类样品进行分类鉴定，并进行形态学测量，体长精确到0.1 cm，体重精确到0.1 g。新鲜鱼类样品每尾取适量背部白肌肉(1～2 g)。将全部肌肉样品放置于60 ℃烘箱烘48 h以上。然后用石英研钵研磨成细粉末状，并加入1 mol/L的盐酸酸化处理后烘干[14-15]。seston样品需将滤过水样使用预烧(450 ℃，4 h)过的玻璃纤维滤膜(GF/C)抽滤，其后将全部处理好的样品装入离心管中，放入干燥器保存待测。

1.3 碳氮稳定同位素分析及营养级计算

稳定同位素技术通过在食物链中富集度较低的碳(δ13C)稳定同位素比值来追溯捕食者食物的来源，利用氮(δ15N)稳定同位素在生物组织间相对稳定的富集度来计算生物的营养级[16]。通常需要先选取一个该生态系统的基线值(General baseline)来进一步确定食物网中每个物种的相对营养位置，进而对生态系统中各物种间的营养关系、营养结构进行研究，同时可进行不同时间和区域的对比研究[17]。

本次实验测定氮、碳稳定同位素样品共210个。所有样品的碳、氮稳定同位素比值测定在自然资源部第三海洋研究所科学仪器共享平台(分析测试中心)进行。样品的13C和15N稳定同位素比值由元素分析仪-稳定同位素质谱仪联机(Flash EA 1112 HT-Delta V Advantages)测定，碳稳定同位素测定的标准物质为国际标准物质VPDB(vienna peedee belemnite)，测定精度为±0.2‰；氮稳定同位素测定的标准物质为空气中的氮气，测定精度为±0.25‰。

营养级(trophic level，TL)计算公式为：

软件部分主要包括光纤连接信息采集、智能光纤托盘与单元控制器的485数据传输、485数据到蓝牙数据的转换以及手机端APP设计等。本文重点对光纤连接信息采集进行介绍。

TL=(δ15Nconsumer-δ15Nbaseline)/δ15N+λ

式中，TL表示所计算生物的营养级，δ15Nconsumer为所计算生物的氮同位素比值，δ15Nbaseline为该系统基线生物的氮同位素比值，δ15N为营养级之间的富集度(通常取3.4‰)[16]，λ是基线生物的营养级，一般为2，当λ为初级生产者时，λ=1。

计算营养级首先需要确定系统中的基线生物。本研究选取seston为基线生物，营养级应为1。按照伊犁河流域不同河流的seston δ15N比值的平均值计算各河流鱼类的营养级。

1.4 数值计算与统计分析

参照相关文献按摄食功能类群将采集鱼类分为四类：杂食性鱼类、肉食性鱼类、植食性鱼类和滤食性鱼类[18]。利用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同功能群鱼类稳定同位素比值和营养级的差异，再通过事后检验(LSD test)进行两两比较。对于两个季节鱼类的稳定同位素比值和营养级采用t检验(t-test)检验其差异性。以上分析均通过SPSS 26.0完成。实验数据用平均数±标准差(Mean±SD)表示。显著性计算说明：在单因素方差分析与t检验中，P>0.05表明几组数据差异性不显著；P<0.05说明数据具有显著性差异；若P<0.01则表明数据呈现极显著差异。

将伊犁河、特克斯河、巩乃斯河、喀什河四个河流的鱼类作为四个群落，分析各河流鱼类群落的营养结构特征指标变化。6个营养结构特征指标分别为：氮值范围(δ15N range，NR)、碳值范围(δ13C range，CR)、总面积(total area，TA)、平均离心距离(mean distance to centroid，CD)、平均最邻近距离(mean nearest neighbor distance，NND)、最邻近距离标准差(standard deviation of nearest neighbor distance，SDNND)[19]。前4个指标反映物种空间范围，代表群落营养多样性(trophic diversity)，后两个指标反映物种相对位置，代表营养冗余(trophic redundancy)[19]。分析在R中的SIBER包进行[20](R 4.1.1，R Core Team)。

2 结果

2.1 鱼类氮、碳稳定同位素比值特征及变化

鱼类样品δ15N在5.13‰～17.33‰之间，总跨度12.20‰，平均值11.09‰±2.07‰；δ13C在-33.70‰～-18.51‰之间，总跨度15.19‰，平均值-25.20‰±2.21‰。各种鱼类碳、氮稳定同位素比值见表1。肉食性、杂食性、植食性、滤食性的鱼类样品δ15N范围分别为5.86‰～15.01‰、6.59‰～17.33‰、6.23‰～12.55‰、5.13‰～8.62‰，δ13C范围分别为-33.11‰～-18.51‰、-32.34‰～-20.94‰、-33.70‰～-21.64‰、-30.18‰～-23.77‰。

表1 新疆伊犁河流域主要鱼类碳、氮稳定同位素比值Tab.1 Stable isotope ratios of carbon and nitrogen of major fish species in Ili River Basin，Xinjiang

图2 鱼类不同摄食功能群的碳、氮稳定同位素比值Fig.2 Comparison of carbon and nitrogen stable isotope ratios of different fish feeding functional groups

湿季样品δ15N范围在6.59‰～17.33‰之间，总跨度10.74‰，平均值11.44‰±1.88‰；δ13C范围为-33.70‰～-21.36‰，总跨度12.34‰，平均值-25.40‰±2.10‰。干季样品δ15N范围在5.13‰～15.01‰之间，总跨度9.88‰，平均值10.48‰±2.25‰；δ13C范围为-32.00‰～-18.51‰，总跨度13.49‰，平均值-24.86‰±2.36‰。鱼类氮、碳稳定同位素比值比较见图3。两个不同季节鱼类碳稳定同位素比值无显著性差异；氮稳定同位素比值呈现显著差异。

图3 不同季节鱼类氮、碳稳定同位素比值比较Fig.3 Comparison of fish nitrogen and carbon stable isotope ratios between two seasons

2.2 鱼类营养级特征及变化

伊犁河鱼类营养级范围在1.27～4.07之间(图4)，平均为2.54±0.55，营养层级范围为4级。其中植食性草鱼、滤食性鲢、鳙的营养级均低于2，鳙的营养及最低，大鳞副泥鳅的营养级最高，高于4。

在不同摄食功能群，杂食性鱼类营养级在1.32～4.07之间，平均值2.46±0.50；肉食性鱼类营养级在1.64～3.71之间，平均值2.73±0.45；植食性鱼类营养级在1.06～2.66之间，平均值1.85±0.70；滤食性鱼类营养级在1.25～1.51之间，平均值1.34±0.11。杂食性鱼类的营养级跨度范围最大，滤食性鱼类的营养级跨度范围最小(图5)。单因素方差分析显示，不同功能群的营养级呈现极显著差异。事后检验(LSD test)结果显示，植食性鱼类和滤食性鱼类的营养级有显著差异，其他任意两组之间均呈现极显著差异。

图5 不同摄食功能群鱼类营养级Fig.5 The trophic level of different fish feeding functional groups

在湿季，鱼类营养级在1.34～4.07之间，平均值2.62±0.53；在干季，鱼类营养级在1.06～3.71之间，平均值2.39±0.56。两个季节的鱼类营养级比较见图6。经T检验分析，伊犁河流域两个不同季节的鱼类营养级呈现显著性差异，湿季的营养级水平显著高于干季。

图6 不同季节鱼类营养级Fig.6 The trophic level of fish species between two seasons

2.3 鱼类群落营养结构特征指标变化

伊犁河各河流的鱼类群落营养生态位空间变化见图7，鱼类群落营养结构特征指标计算结果见表2。其中，伊犁河鱼类群落的NR值和CR值最大，巩乃斯河鱼类群落的NR和CR值最小，说明伊犁河拥有更大的营养级跨度，基础食源也更具多样性。伊犁河鱼类群落的TA值最大，巩乃斯河最小，说明伊犁河类鱼类群落生态位空间较大，而巩乃斯河和喀什河的鱼类群落生态位空间较小。伊犁河的CD值较其他三条河流大，且差异显著，代表伊犁河的鱼类较其他三条河流更具营养多样性。各河流NND值和SDNND值的差异表明喀什河的鱼类营养冗余较高，生态位分布程度更加均匀。

表2 伊犁河流域不同河流鱼类群落营养结构指标计算值Tab.2 Calculated value of fish community trophic structure metrics in different rivers

图7 伊犁河流域不同河流鱼类营养空间变化Fig.7 Variations of trophic space of major fish species among different rivers

3 讨论

3.1 伊犁河流域鱼类C、N同位素比值特征

本研究水域伊犁河流域位于中国的西北部，其临近水域的相关研究较少，因此本研究结果同国内其他淡水水域比较(表3)，伊犁河流域鱼类的δ13C值范围与长江中游干流较为接近，较鄱阳湖、洞庭湖大(表3)，说明大型河流鱼类的基础食源较鄱阳湖、洞庭湖更为丰富。有研究表明藻类被认为是维系河流食物网的主要碳源[21]，但伊犁河流域的δ13C值范围较大，这揭示了伊犁河流域鱼类具有除藻类外的其他基础食源作为支撑。在ZEUG等[13]的研究中也发现了相同的研究结果。伊犁河流域的δ15N值范围较其他水域大，略小于长江支流大宁河。δ15N值范围较大可能与人为的氮源输入有关[4]。例如，伊犁河与特克斯河下游处于人类活动密集区域，受人类活动影响较多。其他河流区域放牧、农业活动等的氮输入，也是导致基础δ15N值变大的主要原因，这些因素进一步导致食物网中鱼类的δ15N值变大以及整体的NR值较大[22]。从河流地理特性来看，伊犁河流域属于西北干旱地区的山区河流水域，河流径流补给以冰雪融水为主，独特的水文环境与流程从山区到平原的生境差异可能导致基础食源的稳定同位素比值与其他河流不同，进而造成消费者的稳定同位素比值差异[23]。

目前在伊犁河流域中，存在水利设施的修建、河流型水库中养殖业的大力发展等人为活动[12]。河流连续性和水文的改变以及人为因素均会对河流生态系统的稳定同位素比值产生一定程度的影响[24]，如特克斯河与喀什河中各建有一水库并进行水库鱼类养殖，水库中饲料投放等可能会使河流营养发生变化，这是否影响鱼类等水生生物的稳定同位素比值，并使鱼类营养层级及生态位发生潜在变化，需要持续关注。

3.2 伊犁河流域鱼类营养级变化特征

伊犁河流域主要鱼类的营养级范围在1.27～4.07之间，平均为2.54。其中，营养级在1～3之间的有23种，占92%，营养级大于3的仅占8%。这说明伊犁河流域的鱼类大多数属于中等营养层级的杂食性鱼类，这也与相关文献论述一致[18]。伊犁河流域的鱼类多数为杂食性，肉食性较少，且肉食性鱼类的食物多为底栖动物，而以鱼类做饵料的鱼类较少，这也导致伊犁河流域鱼类营养层级普遍偏低。

研究表明季节性水文变化可对鱼类同位素值及营养级产生影响[25]。本研究中伊犁河流域湿季的鱼类营养级水平高于干季的鱼类营养级水平，其一，可能是鱼类组成差异造成。虽然两季鱼类种类数相近，但湿季更多肉食性鱼类如鲶和伊利鲈的出现，使得鱼类营养级发生变化，这种营养级的季节性变化在其他生态系统也被发现[26]。其二，这种变化与鱼类摄食习性的变化亦有关。在湿季，河流阔大的水域面积以及更适宜的水温使得鱼类饵料种类更为丰富，更有利于鱼类获取高营养级饵料资源。其三，基准生物的同位素值变化影响营养级评估也是潜在因素。基准生物的选择对准确评估大型水体生物营养层级至关重要，有研究就建议使用多个食物源的基准参考[8]。

3.3 伊犁河流域鱼类群落营养结构变化特征

本研究中伊犁河流域不同河流鱼类的NR值具有一定程度的差异。伊犁河(站位1-4)的NR值显著高于其他三条河流。这可能与该河流饵料生物丰富度更高有关[27]。伊犁河(站位1-4)在调查的四条河流中面积更大，河宽较宽，流量大，鱼类活动范围大；处在整个伊犁河流域的下游，水温更高，更有利于一些饵料生物的生存和繁殖，从而促进鱼类的食物可获得性，导致了NR值更高。CR值代表了食物网中基础食物碳源的多样性特征[19，28]。本研究中伊犁河和特克斯河的鱼类群落CR值高于其它两条河流，表明了伊犁河与特克斯河的鱼类具有更多的食物来源。其次，该两条河较高的seston δ13C值也可能是导致伊犁河与特克斯河的鱼类CR值高于其他河流的原因。本研究伊犁河的生态位空间(TA)最大，说明伊犁河鱼类群落营养多样性较高，也可能暗示鱼类物种间竞争较小。而喀什河的TA值较小，应与该河采集到的鱼类生态习性(摄食饵料种类)相似，从而导致鱼类群落较集中有关。

当群落中具有相似营养特征的种类占多数时，群落的营养冗余程度会更高，表现为NND值较低[19]。鱼类群落中存在营养冗余，生态系统更具有抵抗外界干扰的能力[29]。本研究中，喀什河鱼类群落的NND和SDNND值较其它河流较低，说明喀什河鱼类群落营养冗余较高，营养生态位分布程度也更均匀，群落稳定性更高[29]。

本研究初步分析了伊犁河流域鱼类群落营养级时空变化及群落营养结构特征，研究结果也为后续研究该区域食物网结构及系统的能量流动等提供基础资料。由于地区政策和冬季气候等原因导致捕捞困难，存在某些区域、季节鱼类样本采集偏少问题，可在以后的研究中加以改进。目前，在喀什河中建有一水库，水库中的鱼类养殖、饲料投喂等原因对其稳定性的影响亦值得关注。后期仍需继续对伊犁河流域中各河流的食物网结构特征及其影响因素进行更深入的研究，以期更加准确全面地评估伊犁河流域的鱼类群落结构与功能对人类活动干扰的响应。