論文：中華鱟的食物組成及營養(yǎng)位置分析

中華鱟的食物組成及營養(yǎng)位置分析

郭清揚，谷陽光，鮑虞園，李銀康, 3，周傳江，頡曉勇

（1. 河南師范大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000； 2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，廣東 廣州 510300； 3. 上海海洋大學(xué)/水產(chǎn)種質(zhì)資源發(fā)掘與利用教育部重點實驗室/水產(chǎn)科學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，上海 201306）

鱟是一種淺海底棲節(jié)肢動物，隸屬于肢口綱、劍尾目[1]。其外部形態(tài)在4.75億年前的早古生代奧陶紀(jì)便有化石記錄，迄今為止外觀未發(fā)生重大變化，常被稱為海洋“活化石”[2]?，F(xiàn)存鱟科動物包括美洲鱟 (Limulus polyphemus)、圓尾鱟 (Carcinoscorpius rotundicauda)、南方鱟 (Tachypleus gigas)和中華鱟 (T. tridentatus)[3]。自20世紀(jì)80年代以來，因鱟試劑在醫(yī)療檢測領(lǐng)域作為重要物質(zhì)材料的基礎(chǔ)來源，以及人為活動對其生境的影響，中國海域的中華鱟資源急劇下降[4-6]，2019年3月中華鱟在世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄 (IUCN Red List of Threatened Species) 中被正式更新為瀕危(EN)[3]，對鱟資源的保護(hù)刻不容緩。

目前已有諸多海內(nèi)外學(xué)者對鱟開展研究，如北部灣幼鱟棲息地調(diào)查[3]、染色體水平測序組裝[7]、室內(nèi)外養(yǎng)殖試驗以及功能性飼料飼喂等[8-9]。有觀察顯示中華鱟以底棲動物如軟體動物、環(huán)節(jié)動物及海葵等為主要食物來源[1]，但對該物種在食物鏈中的定位卻缺少科學(xué)測定。由于食物在動物體內(nèi)會進(jìn)行同化作用，動物體內(nèi)穩(wěn)定同位素成分與食源中的成分正相關(guān)[10]，以此為基礎(chǔ)對實驗樣本和潛在食源碳、氮穩(wěn)定同位素值 (δ13C、δ15N) 進(jìn)行比較，可分析該物種在食物網(wǎng)鏈中的營養(yǎng)位置，并通過同位素混合模型計算各類潛在食源對實驗樣本的餌料貢獻(xiàn)率[11]。

營養(yǎng)位置是生物量增減的表達(dá)形式[10]。各營養(yǎng)群內(nèi)物種可能具有不同生態(tài)功能及食物來源，但該群體整體具備同一營養(yǎng)位置[12]。本研究對北部灣海域中華鱟及其潛在食源營養(yǎng)位置進(jìn)行研究，首次采用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)，為進(jìn)一步探索中華鱟營養(yǎng)需求、餌料開發(fā)及物種保護(hù)提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和處理

2018年8月下旬，在北部灣海域開展淺海拖網(wǎng)和潮間帶調(diào)查，采樣地點見表1。所采樣品包含軟體動物、節(jié)肢動物、環(huán)節(jié)動物、脊索動物、刺胞動物、棘皮動物、多孔動物、紐形動物、星蟲動物、扁形動物、螠蟲動物和腕足動物，共12門135科280種。在樣本中選14種生物按類別劃分為魚類、蝦類、蟹類和雙殼類，依據(jù)同種生物個體規(guī)格大小相近選取5～8尾個體進(jìn)行混樣作為一個樣品，個體差異較大的則選8～10尾進(jìn)行混樣處理。按選取生物總量將同種生物的2～3個樣品分為一組。樣品處理方式為：魚類 [ 細(xì)鱗魚 (Brachymystax lenok)、黃斑藍(lán)子魚 (Siganus canaliculatus)、銀鱸 (Bidyanus bidyanus)、彈涂魚 (Periophthalmuscantonensis)和短吻鲾 (Leiognathus brevirostris)] 取背部肌肉；蝦類 [ 日本對蝦 (Penaeus japonicus)、長毛對蝦 (P. penicillatus) 和周氏新對蝦 (Metapenaeus joyneri)] 取尾部肌肉；蟹類 [(鈍齒蟳 (Charybdis hellerii)、銹斑蟳 (C. feriatus) 和遠(yuǎn)海梭子蟹(Portunus pelagicus)] 取第一螯足肌肉；雙殼類 [(文蛤 (Meretrix meretrix) 和毛蚶 (Scapharca subcrenata)] 取閉殼肌；中華鱟取其腹甲收縮肌，同時在生殖蓋板、鰓書及尾部連接處、消化道與結(jié)締組織相連部位取到少量肌肉。全部樣品經(jīng)60 ℃烘干48 h后研磨成粉，干燥保存[12]。

表1 調(diào)查區(qū)域取樣斷面信息Table 1 Imformation of sampling section

樣品的δ13C和δ15N在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境穩(wěn)定同位素實驗室進(jìn)行測定。所用儀器為Vario PYRO Cube型元素分析儀和Isoprime-100型穩(wěn)定同位素比值分析儀。

1.2 數(shù)據(jù)處理和分析

碳、氮穩(wěn)定同位素值計算公式:

式中Rsample代表樣品重輕同位素比值 (如13Csample/12Csample)；Rstandard為國際通用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的重輕同位素比值 (如13Cstandard/12Cstandard)，不同種類穩(wěn)定同位素取δ值根據(jù)其國際通用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)而確定。碳、氮穩(wěn)定同位素標(biāo)準(zhǔn)物分別為非洲擬箭石和大氣氮。操作過程中為了實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，每測試12個生物樣品，重新測試1個標(biāo)樣進(jìn)行同位素值校正[13-14]。

中華鱟及其不同食源的營養(yǎng)位置 (TP) 計算公式為：

式中各項參數(shù)在本研究中設(shè)定：δ15Nconsumer為全部樣本中除基線生物外的δ15N，δ15N為δ15N在營養(yǎng)級傳遞過程中的富集值，δ15Nbaseline為雙殼類的δ15N (因受限于移動能力，且穩(wěn)定生境中壽命較長，故選擇雙殼類作為基線生物來確定本研究中各樣本的營養(yǎng)位置)[12]。

在R軟件中利用SIAR算法 (穩(wěn)定同位素混合模型) 計算各種生物對中華鱟的食物貢獻(xiàn)率[13]。將所有樣本數(shù)據(jù)輸入穩(wěn)定同位素混合模型，經(jīng)過營養(yǎng)富集因子校正[15]，計算各個實驗樣本δ13C和δ15N，表達(dá)不同食源對中華鱟的相對貢獻(xiàn)。δ15N能夠表示營養(yǎng)層次和多樣性水平[16]，δ13C則表達(dá)攝食來源多樣性水平[14]。其中δ13C和δ15N的營養(yǎng)富集因子分別是 (1.63±0.63)‰和 (3.54±0.74)‰。

2 結(jié)果

2.1 中華鱟及潛在食源同位素值

由于野外采集樣本的多樣性，選擇潛在食源進(jìn)行送樣檢測，初篩標(biāo)準(zhǔn)為是否具備適口性、節(jié)律性、分帶性以及同種生物采集量能否滿足后續(xù)實驗要求。潛在食源生物測定中，將14種生物共分為4類分析，分別為魚類、蝦類、蟹類和雙殼類。穩(wěn)定同位素結(jié)果顯示，北部灣東部海域中華鱟δ13C均值為 (?17.11±0.03)‰，δ15N 均值為 (12.14±0.20)‰。在中華鱟4類食物來源中，蟹類δ15N均值最高[(14.22±0.75)‰]；雙殼類δ15N均值最低[(12.07±0.35)‰]；魚類 δ15N 均值為 (12.53±1.80)‰；蝦類 δ15N 均值為 (13.36±0.33)‰。δ13C 計算結(jié)果顯示，雙殼類 δ13C 均值最低 [ ( ?17.55±0.57)‰]；其次是蟹類和魚類，均值分別為 (?15.55±0.53)‰和(?15.37±2.16)‰；蝦類的 δ13C 均值最高 [(?11.75±2.11)‰] (圖 1)。

圖1 潛在食源的氮穩(wěn)定同位素和碳穩(wěn)定同位素 (均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Figure 1 δ15N and δ13C values of potential food ()

2.2 中華鱟的食物組成

采用同位素混合模型計算可知，在95%置信區(qū)間，中華鱟主要以雙殼類為食，平均貢獻(xiàn)率為31.27%；其次為魚類，平均貢獻(xiàn)率為25.91%；蟹類平均貢獻(xiàn)率占比為23.50%；蝦類平均貢獻(xiàn)率占比最低 (19.32%)。

2.3 中華鱟及其潛在食源的營養(yǎng)位置

北部灣中華鱟的營養(yǎng)位置為2.02±0.06。在本研究涉及的4類潛在食源樣本中，魚類位置最低(2.13±0.51)，蝦類和蟹類營養(yǎng)位置分別為2.36±0.09和 2.61±0.21 (表 2)。

表2 中華鱟及潛在食源的氮、碳穩(wěn)定同位素及營養(yǎng)位置Table 2 δ15N, δ13C values and trophic position of T. tridentatus and their potential food

表2 中華鱟及潛在食源的氮、碳穩(wěn)定同位素及營養(yǎng)位置Table 2 δ15N, δ13C values and trophic position of T. tridentatus and their potential food

營養(yǎng)位置Trophic position中華鱟 T. tridentatus12.14±0.20?17.11±0.032.02±0.06魚類 Fish 12.53±1.80?15.37±2.162.13±0.51蝦類 Shrimp13.36±0.33?11.75±2.112.36±0.09蟹類 Crab 14.22±0.75?15.55±0.532.61±0.21雙殼類 Bivalve12.07±0.35?17.55±0.572.0名稱Sample氮穩(wěn)定同位素δ15N/‰碳穩(wěn)定同位素δ13C/‰

細(xì)化分類單元后以毛蚶 (2.0) 為基線生物計算各物種營養(yǎng)位置，中華鱟營養(yǎng)位置為1.933 2±0.057 8。魚類中細(xì)鱗魚、黃斑藍(lán)子魚、銀鱸、彈涂魚和短吻鲾分別為 2.488 7±0.055 3、1.982 6±0.096 6、2.331 6±0.003 3、2.054 8±0.077 1和 2.460 7±0.042 6。蝦類中日本對蝦為 2.304 5±0.060 5，長毛對蝦為2.382 6±0.140 8，周氏新對蝦為 2.259 8±0.075 6。蟹類中鈍齒蟳為 2.637 3±0.170 9、銹斑蟳為 2.238 6±0.031 5、遠(yuǎn)海梭子蟹為 2.624 1±0.037 8。雙殼類中文蛤為 1.828 4±0.062 9。

3 討論

3.1 中華鱟食物組成分析

過度開發(fā)會對生物及其所處的生態(tài)環(huán)境造成難以修復(fù)的破壞，包括中華鱟[17]、底棲軟體生物和魚類[18]。測定食物中成分對于管理物種種群、完善生態(tài)完整性及研究食用某種食源對捕食者的風(fēng)險至關(guān)重要[19]。利用食物網(wǎng)鏈開展食源分析，可同時考量生物種間依存關(guān)系，有利于對多種生境及棲息地生物進(jìn)行針對性保護(hù)。采用胃部內(nèi)容物分析和攝食試驗法，可分析實驗前期樣本攝入的食源種類[11]，卻無法對食物在生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化做出確切判斷，更無法表示食源貢獻(xiàn)率[20]。而穩(wěn)定同位素分析法能夠記錄水域食物網(wǎng)中能量流動路徑，研究消費者之間的營養(yǎng)級關(guān)系[11]，使該方法具有獨特優(yōu)勢。其結(jié)果對于人工繁育后養(yǎng)殖、放流目的地生態(tài)環(huán)境選擇、以國家公園為主體的鱟保護(hù)區(qū)建設(shè)和管理等具有參考意義。

通過分析δ15N和δ13C，發(fā)現(xiàn)中華鱟對各實驗樣本的δ15N和δ13C均存在重疊范圍，表明其食物來源較為多樣。中華鱟與雙殼類的δ15N和δ13C較為接近，表明二者營養(yǎng)層級接近，具有較多相似的食物來源。雙殼類平均貢獻(xiàn)率為31.27%，說明中華鱟在對各類生物都有所攝食的前提下，較偏愛于活動能力不強、體軟的食源。有報道顯示，人工飼養(yǎng)試驗中華鱟對烏賊攝食量最大，生長效果最好[21]。因中華鱟在野生狀態(tài)下很難捕食到烏賊，能夠捕食到的生物種類或其死亡個體都可成為中華鱟潛在食源。生物個體對食源的選擇性與其行為方式有關(guān)，中華鱟使用螯肢捕獲獵物，并通過步足配合磨碎食物送入口中，其進(jìn)食方式并非迅猛的快速捕食[21]，故行為較為緩慢、體軟易于磨碎且遍布范圍最為廣泛的雙殼類成為其首選食物[22]。自然狀態(tài)下中華鱟還有可能以多毛類生物、小型甲殼動物、底棲無脊椎動物及腐爛有機(jī)物等為食。人工繁育過程中，通常對中華鱟選取多種餌料進(jìn)行投飼，如幼鱟飼喂過程中以豐年蟲為餌料[23]，也有選擇沙蠶、菲律賓蛤仔 (Ruditapes philippinarum) 肉、中國明對蝦 (Fenneropenaeus chinensis) 肉等作為餌料[24]，與本研究中華鱟潛在食源分析結(jié)果相符合。沙蠶、海葵、海參等底棲生物以及大型海藻也相對易于被鱟捕食，尤其是海參和沙蠶可能經(jīng)加工后用于中華鱟飼喂，下一步將開展相關(guān)研究。

本研究結(jié)果表明，中華鱟食物組成中魚類平均貢獻(xiàn)率為25.91%，蟹類為23.50%，蝦類為19.32%，證明其食物來源廣泛。中華鱟對生存環(huán)境適應(yīng)性較高，與其基因進(jìn)化及表達(dá)相關(guān)[25]。中華鱟的δ15N和δ13C值均分別與魚類、蝦類及蟹類有重疊部分，推測野外自然狀態(tài)下中華鱟食性有可塑性，隨生境范圍縮小或食物來源減少，其食物選擇傾向于食性分化以降低種內(nèi)競爭，作為廣食性物種適應(yīng)低密度食源生境。

3.2 中華鱟營養(yǎng)位置分析

采用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)分析生物營養(yǎng)級時需要選擇某種生物作為基準(zhǔn)。由于雙殼類生物主要食源為藻類和顆粒有機(jī)質(zhì)[26]，且雙殼類能有效表達(dá)穩(wěn)定同位素值受外界環(huán)境差異的影響[18]，本研究選取雙殼類為基線生物，其營養(yǎng)位置確定為2.0[27-28]。

魚、蝦、蟹、貝類4種食源的研究結(jié)果顯示，中華鱟營養(yǎng)位置為2.02±0.06，魚類為2.13±0.51，蝦類和蟹類分別為2.36±0.09和2.61±0.21。全部實驗樣本均處于初級消費者和次級消費者之間，即全部樣本食源均包含植物和初級消費者。本研究表明中華鱟營養(yǎng)位置最低，即其食物組成中初級生產(chǎn)者的比例高于蝦類、蟹類和魚類。環(huán)節(jié)動物、腔腸動物也有可能作為中華鱟潛在食源，但在其整個生命周期內(nèi)易受水質(zhì)變化影響將污染物沿食物網(wǎng)鏈向上傳遞[29]，故本研究中未送樣檢測。魚類的食物組成相較于中華鱟更為多樣，多數(shù)魚類在其食性研究中被定義為廣食性物種，如銀鱸可攝食海藻、蝦類、昆蟲等[30]。由于蟹類位于全部實驗樣本中的最高營養(yǎng)位置，推測中華鱟食源范圍小于蟹類，蟹類除了具有和中華鱟相同的食源外，還會攝食位于二者之間層級的生物。自然生境中蟹類在底棲生物群落中常作為優(yōu)勢種出現(xiàn)，其食源范圍廣泛，如遠(yuǎn)海梭子蟹可攝食藻類和小型動物等[12]。食物競爭中中華鱟相對蟹類處于弱勢地位。位于愈高營養(yǎng)級的生物類型呈現(xiàn)出偏動物性餌料傾向，其食物組成中初級生產(chǎn)者的比例大幅降低[27]。本研究顯示魚類、蝦類和蟹類營養(yǎng)位置均高于中華鱟，推測其會攝食中華鱟幼體。自然海域的鱟卵及幼鱟是多種鳥類的食物來源[1]。中華鱟在淺海區(qū)域成長至成年后會游向更深處的海域，冬季時會選擇在較深的海域生活，次年水溫升高時重返淺水域覓食[21]。膠狀浮游生物雖然能量密度低，但由于快速消化、低捕獲成本，所以成為海洋捕食者的易選食源[31]。浮游生物如水母等因移動速度慢、生長速度較快，推測其可能會成為中華鱟的潛在食源。由于海洋動物的脂肪酸組成多依賴于食物[32]，下一步將采用胃部內(nèi)容物分析法和脂肪酸組成分析，以期完善中華鱟在自然海域中的營養(yǎng)層級結(jié)構(gòu)，深入理解物質(zhì)與能量在其食物鏈中的傳輸途徑。本研究可為中華鱟人工養(yǎng)殖飼料開發(fā)及建立中華鱟生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型奠定基礎(chǔ)，通過擴(kuò)大范圍考量生物種類間物質(zhì)能量流動以及攝食隨生長、季節(jié)、晝夜、棲息水域水溫等因素變化情況，在表達(dá)營養(yǎng)位置時形成更為緊密的營養(yǎng)位置階梯結(jié)構(gòu)[33]。本研究表明中華鱟在自然生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中處于較弱勢地位，在已然瀕危的情況下更迫切需要科學(xué)的保護(hù)措施。

4 結(jié)論

本文通過碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)，針對性地分析了北部灣海域中華鱟的食物組成及營養(yǎng)位置。研究結(jié)果表明，中華鱟食物來源多樣，對雙殼類、魚類、蝦類、蟹類均有攝食。其貢獻(xiàn)率依次為雙殼類(31.27%)>魚類 (25.91%)>蟹類 (23.50%)>蝦類(19.32%)。此外，中華鱟的營養(yǎng)位置為2.02±0.06，位于初級消費者和次級消費者之間。