碳、氮稳定性同位素技术在水生生态系统研究中的应用

俞雅文

（江苏省淡水水产研究所，江苏 南京 210017）

近年来，人们对水生生态系统的关注度越来越高，在评估水生生态资源的过程中，随着稳定同位素技术的逐步成熟，碳、氮稳定同位素技术作为一种稳定且准确的检测手段，被广泛应用于淡水、海域等不同水体的水生生态系统。自然界中的同位素是一种天然的化学示踪物，其分馏效应能指示生物体的物质循环和能量流动信息。在水生生态系统中，不同生物的碳、氮稳定同位素组一般与其食物的同位素比值相一致，会随着食物的改变而发生相应的改变，是生物生存现状的理想示踪物。因此，碳、氮稳定同位素技术在水生生态系统的物质转化、能量流动等研究中发挥着重要作用。

1 稳定同位素技术分析法

1.1 稳定性同位素的概念及特征

质子数相同但中子数具有一定差异的同一类原子被称为同位素。不具备放射性的同位素被称为稳定性同位素。汤姆孙和阿斯顿于1913年首次发现了稳定同位素。1919年阿斯顿发明了第一台质谱仪，并在71种元素中发现了202种核素，绝大多数是稳定的，后来又利用光谱等方法发现了氧、氮等稳定同位素。已知有81种元素有稳定同位素，包括半衰期＞10年的放射性核素在内的稳定核素总数为274种。通常以原子核每个核子的平均结合能ε=作为稳定性的量度。其中，EB为核的结合能，为核子数。ε越大，体系的能量越低，越稳定。同一元素的同位素或者含该元素不同同位素的化合物（又称同位素置换化合物）在性质上存在差异，这是由质量差异引起的，同位素具有不同的核质量，导致其在不同生化反应中存在物理、化学性质差异。且相对质量差越大，其相应的物理化学性质差异则越大，这种效应被称为同位素效应。

通常用同一种元素的同位素组成的混合物中某特定同位素原子数与该元素的总原子数之比，即同位素丰度，来表示同位素的组成情况。同一元素的重同位素原子丰度与轻同位素原子丰度的比值被定义稳定同位素比值，其中C/C，N/N最为常见。

1.2 碳、氮稳定同位素测定

稳定同位素的测定可用同位素比率质谱仪。在对样品的碳、氮稳定同位素进行测定分析时可分别以VPDB和N为标准。分析结果表示为δC和δN，其定义式如下：

式中：是指测定的重同位素（C或N），R为重同位素自然丰度与轻同位素自然丰度的比值（C/C或N/N）。在实际应用中，δ值就是物质同位素组成的代名词。当δ值大于零时，表示样品的重同位素比标准富集，小于零时则相反。

2 碳、氮稳定同位素技术在水域生态中的应用

2.1 碳、氮稳定性同位素在水生生物食性方面的应用

在水生生态系统中，分析水生生物食性的传统方法是胃含物分析法，即在实验室内解剖生物的胃肠道，通过检查胃肠残留的饵料来分析生物的食性。该方法存在一定的不足之处，即只能提供消费者暂时的食物来源信息，当对消费者生物的食物进行鉴定时会受到其消化作用的影响，并且需要消耗较长的工作时间和较多的人力。因为生物所摄入的不同食物具有不同的消化速率，所以消费者实际摄入饵料的比例并不能准确通过胃肠内容物中发现的各种食物成分所占比例来反映，从而扩大了某些生物个体的食物重要性。然而与传统的胃含物分析法相比，稳定性同位素技术的出现弥补了胃含物分析法的种种缺点，能够反映生物相对较长时期内的摄食情况。同时，稳定同位素方法还能够对样品进行回顾性分析，具有较高的准确性。计算公式为：

式中：K为食物A对消费者的贡献比例；δC和δC分别为食物A和食物B的碳同位素比值；△δC为碳同位素营养富集度；δC为消费者的碳同位素比值。Whitedge等运用传统的食性研究方法和稳定同位素技术，对2种淡水鳌虾的食性进行了研究，发现2种方法的测量结果一致，从而说明了稳定同位素技术的研究方法在水生生物食性分析过程中具有可行性。需要注意的是，在运用碳、氮稳定同位素技术评估消费者食物来源时，特别是复杂食物来源时需十分谨慎。在利用稳定同位素的试验研究中通常需要选取某种生物作为基准，不同的基准生物及基准同位素比值的准确性，对于研究不同生态学问题十分重要。

2.2 碳、氮稳定性同位素在水域食物网及营养级的确定方面的应用

在水生生态系统中，生产者形成的有机质从一个营养级到另一个营养级移动的途径称为食物链。每一条食物链均由一定数量的环节组成，在群落中食物链相互交叉构成复杂的网状结构，即食物网。生态系统食物网结构和生物营养级关系是现代生态学最重要也是最基础的研究内容之一，它有助于更好地解释生态系统的特征和过程，包括能量的流动和元素的生物地球化学循环以及环境对生态系统的影响具有一定意义。营养关系是生物群落各成员之间最重要的联系，水生生态系统中通常运用稳定性同位素技术来分析食物网结构以及营养物质的传递途径，该技术已经成为研究生态系统食物网结构和营养关系以及动态变化的重要手段。王荤等应用稳定同位素技术研究了大连近岸海域食物网营养结构，结果发现，该食物网中贝类等是初级消费者，次级消费者主要由虾蟹类无脊椎动物组成，顶级捕食者主要有头足类、杂食性及肉食性鱼类。温周瑞等应用δC、δN稳定同位素研究了太湖贡湖湾食物网特征，结果表明，固着藻类、浮游植物及沉水植物为该食物网中大多数生物有机体的主要碳源，并且发现由于食物来源变化具有多样性，由此造成了复杂的食物网结构和营养关系变化。

对碳、氮稳定同位素自然丰度的测定，能够反映生物长期的摄食情况、体现食物网结构特征和了解生物之间的营养关系，从而判定各生物种属在生态系统中所处的营养位置。当能量在不同食物链中进行循环流动时，δN值受消费者食物来源和新陈代谢的影响，引起生物体同位素值发生富集，但不同营养级间的同位素富集值的大小与动物可能摄食食物间的同位素值具有明显差异。氮稳定同位素在营养级间的富集显著，这一特性主要被用于消费者营养级的估算及食物网营养结构的判断等方面。可以依据消费者对基准生物δN值的相对值来计算评估该生物的营位置，计算公式为：

式中：δN是指消费者的氮同位素比值；δN是指基准生物的氮同位素比值；△δN为营养级传递过程中氮同位素富集度，平均值约为0.34%。

在水生生态系统中，营养关系的研究方法除了上述研究方法外，还有饵料浓度差减法、能量收支法、经验系数法、肠道色素法及放射性同位素分析法等。饵料浓度差减法是通过将生物放入容器中进行一段时间培养后，比较培养前后饵料浓度的变化来估算摄食率。能量收支法及经验系数法均是对消费者理想状态的摄食估算，这3种方法均无法准确真实地反映消费者在自然环境中的摄食情况。肠道色素法主要是用于探究浮游动物对浮游植物的摄食。放射性同位素分析法存在污染及容器效应等问题。稳定同位素技术与上述方法相比具有较为明显的优势，生物体组织中的稳定同位素是其长期捕食、消化及吸收的结果，因而运用同位素分析法所得数据能够克服传统方法不确定性的缺陷，反映消费者与被捕食者长期的营养关系。此外，水体中的一些微型浮游生物由于个体较小，难以对其进行控制，并且其生活环境极其复杂，用传统的研究方法存在较大困难，用稳定同位素技术能够更好地揭示物质和能量的传递，且操作简便，工作量较小，还具有对环境无污染、对人体无放射性危害等优点。因此用稳定同位素技术的研究方法来研究水生生态系统就更加具有意义。

2.3 碳、氮稳定性同位素在能量来源方面的应用

在水生生态系统中，碳稳定同位素比值（δC）被用来指示食物来源以及分析食性转化，为食物网的食物来源、能量流动、营养级等研究奠定了可靠的基础。已有研究表明，不同有机物来源的物质碳稳定性同位素比值（δC）具有一定差异，在淡水水生生态系统中，碳源主要有由水生维管束植物、藻类组成的内源性营养物质及由土壤有机物和树叶碎片及地表径流输入到河流中的有机物组成的外源性营养物质两部分。消费者对食物的摄食和吸收不造成显著的碳同位素分馏，且生态系统中消费者的稳定同位素比值与其食物相近，不同种类的初级生产者稳定同位素天然丰度有较大区别，因此可以运用稳定同位素技术来较为准确地判断动物消费者的食物来源及失踪食物网的能量流动途径。进而深入了解鱼类和其他种群或物种之间的捕食及竞争关系，准确地评估鱼类在生态系统中的功能和地位，为水域饵料资源的运用、种群的养殖驯化及渔产潜力的估算提供更多有益的资料。郭旭鹏等应用稳定同位素技术对南黄海两种鳀科鱼类的食物竞争关系进行了探究，结果发现二者对食物存在非常激烈的种间竞争关系。彭士明等运用稳定同位素技术对东海银鲳（）食性进行了研究，结果表明，东海银鲳可能的食物来源主要为箭虫、虾类、子稚鱼、浮游动物、水母类以及头足类等。张欢等运用稳定同位素技术研究了日本沼虾（）和秀丽白虾（）的食物来源及营养生态位，结果表明，二者具有相同的主要食物来源，种间竞争关系非常激烈。

3 结语

除了上述稳定同位素技术在水生生态系统中的应用之外，稳定同位素技术还广泛应用于其他方面，如在生物放大作用方面、作为示踪剂等。当生态系统受到外源污染时，由于物质来源不同，就会导致生物在不同环境下具有不同的同位素组成，并且在污染物迁移和转化的过程中不发生明显变化，分析结果较为可靠，因而同位素可以作为一种有效污染物示踪剂。刘敏等运用稳定同位素技术对长江口主要有机物质的来源进行了分析，发现有机质的碳氮稳定同位素组成受陆源及海源有机质输入量之间变化的影响。倪兆奎等基于碳氮稳定同位素研究了太湖沉积物有机碳与氮的来源。稳定同位素有效用于研究生物对不同污染物的生物放大作用，为治理环境污染提供理论依据。