2. 北部湾大学海洋学院 广西海洋生物多样性养护重点实验室 广西 钦州 535011;
3. 山东大学(威海)海洋学院 山东 威海 264209;
4. 广西海洋科学研究院 广西 南宁 530007

2. Guangxi Key Laboratory of Marine Biodiversity Conservation, Oceanography Institute, Beibu Gulf University, Qinzhou 535011, China;
3. Marine College, Shandong University at Weihai, Weihai 264209, China;
4. Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China
稳定同位素技术广泛应用于水生生物的饵料组成和营养来源研究(宁加佳等, 2016; Divine et al, 2017; Kristensen et al, 2017; 崔莹等, 2019; Hemmati et al, 2021; 彭彪彪等, 2022; 赵永松等, 2022、2024; Acar et al, 2022; Sandoval et al, 2022)、海洋和淡水生态系统的食物网构建和营养级分析(万祎等, 2005; Burress et al, 2013; 王洁等, 2016; 张硕等, 2016; 谢斌等, 2017; 郭承秧等, 2018; 俞雅文等, 2019; 张博伦等, 2019; 朱文涛等, 2020; 陆亚楠等, 2022; 王开立等, 2022; 赵永松等, 2022、2024; Smith et al, 2023)、水产养殖系统中养殖生物的饵料组成和营养来源分析(李学梅等, 2017; 李聪等, 2018; 张凯等, 2020; Lu et al, 2021; Xu et al, 2022; 苗静等, 2022; 赵永松等, 2024),以及产地鉴别和溯源(郭婕敏等, 2014; 骆仁军等, 2020; 彭凯秀等, 2021; 白淑艳等, 2022; 梅光明等, 2022; 薛竣仁等, 2022)。可靠的消费者–饵料稳定同位素关系是应用稳定同位素技术的基础,而稳定同位素周转速率和分馏系数是影响消费者–饵料稳定同位素关系的主要参数(O'reilly et al, 2002; McCutchan et al, 2003; Michener et al, 2007; Vander Zanden et al, 2015)。尽管Boecklen等(2011)指出,不到2%的研究论文对消费者–饵料稳定同位素的分馏系数进行了实验测定,需要更多的实验研究来改进稳定同位素混合模型的参数和假设。但迄今为止,仍有大量的研究论文直接采用了已发表的分馏系数经验值,如δ15N馏系数(Δ15N)取值3.4‰ (McCutchan et al, 2003),δ13C分馏系数(Δ13C)取值(1.3‰±0.3‰) (Post, 2002)。而近岸和河口生态系统的相关研究表明,消费者对饵料中稳定同位素的分馏系数变动范围巨大(Yokoyama et al, 2005; Mazumder et al, 2010; Herbon et al, 2013),因此,在应用稳定同位素技术时获得准确的分馏系数和周转率参数至关重要,开展更多的养殖实验测定近岸海洋生物对稳定同位素的分馏和周转参数成为应用稳定同位素技术研究相应生态系统营养生态学的基础。
拟穴青蟹(Scylla paramamosain)是我国东南沿海重要的野生和养殖蟹类(林琪等, 2007; 王桂忠等, 2016),主要分布在有红树林的近岸和河口海域。红树林区域野生青蟹的饵料主要由海洋来源的碎屑、贝类、甲壳类、鱼类组成,不同组分的占比在不同地点有明显差异(Shelley et al, 2011; Viswanathan et al, 2015)。国内对拟穴青蟹天然饵料来源的报道较少,主要原因可能是传统的胃含物分析方法繁琐且难以对碎屑食物鉴别和定量,而稳定同位素技术在拟穴青蟹的营养生态学研究中尚未广泛应用。Wang等(2015)通过分析红树叶和青蟹体内的δ13C,发现海南岛的红树林为拟穴青蟹提供了重要的营养来源,但文中拟穴青蟹对饵料稳定同位素的分馏系数也是直接引用了Post (2002)的数据,而Herbon等(2013)认为,这些分馏系数不适合草食性或杂食性的甲壳动物。因此,开展拟穴青蟹对不同饵料中的稳定同位素的分馏和周转参数研究,能够为更准确地估算不同饵料的贡献提供可靠数据支撑。黄国强等(2021)通过66 d的实验发现,拟穴青蟹对不同饵料13C和15N分馏系数差别较大,并与以往文献引用的数据有较大差异,因此,需要进一步的实验研究,为应用稳定同位素技术开展拟穴青蟹的摄食生态学研究提供可靠参数。本研究采用4种饵料,测定拟穴青蟹幼蟹13C和15N周转相关参数和分馏系数,并分析其体内δ13C、δ15N和分馏系数与养殖时间、生长、饵料稳定同位素丰度等的关系,为开展拟穴青蟹营养生态学研究提供参考。
1 材料与方法 1.1 实验设施使用200个50 cm×40 cm×40 cm的塑料箱作为实验容器。使用前用高锰酸钾浸泡消毒,然后用淡水冲洗干净,再加入20 cm深的砂滤海水,持续微量充气待用。
1.2 海水海水经三级砂滤后,再用紫外灯照射杀菌。海水盐度为26~30,pH为7.9~8.3,通过持续充气维持溶解氧含量大于5.0 mg/L。
1.3 幼蟹来源拟穴青蟹幼蟹从广西海洋研究所有限公司获得。挑选1 000只五期仔蟹(C5) (俗称豆蟹,体型大小和黄豆相当)放到1 000个圆形塑料桶中(每个桶底部铺沙2 cm,加水2 L),进行30 d的标粗。标粗期间,每天下午16:00投喂对虾饲料1次,每天早上08:00—8:30全量换水并检查饵料剩余情况,根据饵料剩余情况调整投饵量。幼蟹长到体质量为1.5 g左右,挑选健康均匀的个体作为实验材料。
1.4 实验饵料近年来,青蟹养殖的主要饵料为当地产量大的低值鱼、虾、贝以及沙蚕等。本实验选择李氏
为监测幼蟹体内稳定同位素含量δ13C和δ15N的变化,使用200个养殖箱来养殖作为稳定同位素样品的幼蟹。初始幼蟹为1 000只标粗幼蟹,随机挑选200只健康幼蟹,按每个整理箱1只蟹苗随机放入200个养殖箱,记录初始体质量、饵料种类、养殖箱编号等数据。实验幼蟹的平均初始体质量为(1.45± 0.09) g。200个养殖箱采用完全随机化方法分配到4种饵料处理。实验持续180 d,分别在第30、60、90、135、180天,从每种饵料投喂的幼蟹中随机抽取10只,称重后,每只幼蟹作为1个样品保存。
1.6 养殖管理每天下午15:00将每个水族箱的海水全部虹吸排放,清除剩饵和粪便,然后再加注20 cm深的砂滤海水。幼蟹每天下午16:00投饵1次,投饵量以第2天投饵前略有剩余为准。
1.7 样品采集与预处理在实验用饵料准备好后,每种饵料分别用密封袋装6份500 g的样品,放入–20 ℃冰箱保存。初始幼蟹的样品从标粗的蟹苗采集,共采集6份,每份样品15只幼蟹。初始青蟹经24 h禁食排空消化道后,从标粗桶中捞出,吸干表面水分后称重。用于稳定同位素检测的幼蟹样品分别在第30、60、90、135和180天采集,每种饵料分别采集10只幼蟹作为样品,经24 h禁食排空消化道后,吸干表面水分称重,每只幼蟹作为1个样品,放入密封袋中,在–20 ℃冰箱保存。投喂4种饵料的青蟹在前60 d均死亡1只,后面养殖阶段未出现死亡,除第180天的样品每种饵料均为9个样品外,其余时间批次均为每种饵料10个样品。
在养殖结束后,所有样品称量质量后放入玻璃烧杯,在60 ℃的烘箱内烘干至恒重,然后称量和记录干质量。用粉碎机将样品粉碎,过80目筛,然后将样品分为2份,1份用于测定δ13C,1份用于测定δ15N。用于测定δ13C的样品在培养皿内铺成不超过1 mm的薄层,放置于整理箱内,放入用500 mL烧杯装的250 mL浓盐酸,加盖密封,静置48 h后,取少量样品加入盛有1 mol/L盐酸的小烧杯内,如不产生气泡后,放入60 ℃的烘箱内烘干至恒重;如还有气泡产生,继续用浓盐酸熏蒸至不产生气泡,放入60 ℃的烘箱内烘干至恒重。所有经预处理后的样品均保存在干燥器中备用。
1.8 稳定同位素分析处理好的样品送至中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所测定。采用高温燃烧法,将获得的气体使用Isoprime-100同位素质谱仪测定碳和氮稳定同位素含量(δ13C和δ15N)。13C值以国际通用的标准物质美洲拟箭石(PDB)作为参考标准,氮稳定同位素15N测定以空气为标准,测定精度为0.05‰。每个样品重复测定2次,每9个样品后穿插1个标准物质样品进行校正。样品δ13C和δ15N的计算方法如下:
$ \delta^{13} \mathrm{C}=\left(R_{\text {sample }} / R_{\text {standard }}-1\right) \times 1\;000 $ | (1) |
$ \delta^{15} \mathrm{~N}=\left(R_{\text {sample }} / R_{\text {standard }}-1\right) \times 1\;000 $ | (2) |
式中,Rsample和Rstandard分别为样品和标准物中稳定同位素比值13C/12C或15N/14N (Herbon et al, 2013)。
1.9 数据计算 1.9.1 生长参数青蟹体质量增长率(mass gain rate, MGR, %)、特定生长率(specific growth rate, k, %/d)计算公式分别为:
$ \mathrm{MGR}=100 \times\left(M_t-M_i\right) / M_i $ | (3) |
$ k=\ln \left(M_t / M_i\right) / t $ | (4) |
式中,Ni、Mi、Nt、Mt分别为实验开始时青蟹的数量(ind.)、实验开始时青蟹体质量(g)、时间为t (d)时青蟹的数量(ind.)、时间为t时青蟹体质量(g)。
1.9.2 同位素周转参数当饵料发生转化后,动物体内稳定同位素组成的变化可能是由于组织生长或组织代谢造成的,为了预测本研究所观察到的同位素变化规律,选择Hesslein等(1993)建立的指数模型对稳定同位素变化进行预测。该模型将更换饵料后动物体稳定同位素组成随喂养时间的变化归结于组织生长和代谢的作用,已被运用到水生动物饵料转换后肌肉的稳定同位素周转研究:
$ \delta_t=\delta_{\mathrm{f}}+\left(\delta_{\mathrm{i}}-\delta_{\mathrm{f}}\right) \mathrm{e}^{-(k+\mathrm{m}) t} $ | (5) |
式中,δt为实验第t天时青蟹的δ13C值或δ15N值;δf为青蟹与新食物达到平衡时的δ13C值或δ15N值;δi为青蟹与原食物达到平衡时的δ13C值或δ15N值;m为青蟹的代谢周转常数;k为青蟹在实验期间的生长率常数(特定生长率)。在本实验中,δf和m可以通过将青蟹的δ13C值或δ15N值随养殖时间而变化的实测数据代入公式(5),然后利用迭代非线性回归推算得出。
青蟹碳、氮同位素完成50%周转时间(t50)和完成95%周转的时间(t95)分别用下面的公式计算(周晖等, 2023; 鹿珍珍等, 2023):
$ t_{50}=-\ln (1-0.5) /(k+\mathrm{m}) $ | (6) |
$ t_{95}=-\ln (1-0.95) /(k+\mathrm{m}) $ | (7) |
青蟹对不同饵料中稳定碳和氮同位素的富集效应计算公式为:
$ \Delta^{13} \mathrm{C}=\delta^{13} \mathrm{C}_{\text {青蟹 }}-\delta^{13} \mathrm{C}_{\text {饵料 }} $ | (8) |
$ \Delta^{15} \mathrm{~N}=\delta^{15} \mathrm{~N}_{\text {青蟹 }}-\delta^{15} \mathrm{~N}_{\text {饵料 }} $ | (9) |
式中,δ13C和δ15N为样品中稳定碳和氮同位素的比值(‰)。
1.10 统计分析数据采用SPSS 13.0软件进行统计分析。因本研究计算的成活率、体质量增长率和特定生长率均为百分数且变动范围较大,因此,进行反正弦(
养殖期间幼蟹和饵料的δ13C值见表 1。不同饵料的δ13C值范围为–12.02‰ ~ –22.31‰。随养殖时间延长,投喂鱼和虾的幼蟹δ13C由初始值–20.14‰逐渐升高,在180 d时分别比饵料高1.50‰和0.71‰;投喂贝的幼蟹的δ13C值先上升后略下降,180 d时比饵料高1.35‰;投喂沙蚕的幼蟹的δ13C值无明显的上升或下降趋势,在180 d时比饵料高1.46‰。幼蟹养殖180 d时,对饵料的δ13C的分馏系数Δ13C180 d为0.71‰~1.64‰。
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表 1 幼蟹和饵料稳定同位素13C含量(δ13C, ‰) (平均值±标准差) Tab.1 Content of isotope 13C (δ13C, ‰) in crab and diets (Mean±SD) |
养殖期间幼蟹和饵料的δ15N值见表 2。不同饵料的δ15N值范围为6.53‰~14.57‰。投喂鱼和虾的幼蟹δ15N值随养殖时间延长逐渐提高,180 d时分别比饵料高2.21‰和2.16‰;投喂贝的幼蟹δ15N值随养殖时间延长上升后在10‰~11‰之间小幅波动,在180 d时比饵料高2.66‰;投喂沙蚕的幼蟹δ15N值无明显的上升或下降趋势,在180 d时比饵料高2.15‰。幼蟹养殖180 d时对饵料的δ15N的分馏系数Δ15N为2.15‰~2.66‰。
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表 2 幼蟹和饵料稳定同位素15N含量(δ15N, ‰) (平均值±标准差) Tab.2 Content of isotope 15N (δ15N, ‰) in crab and diets (Mean±SD) |
幼蟹摄食4种饵料的δ13C随养殖时间的变化趋势见图 1。幼蟹摄食4种饵料的δ13C与养殖时间的关系都可以用对数公式δ13C=a×lnt+b描述,但摄食沙蚕的幼蟹回归关系的显著性和相关系数不高(P=0.090, R2=0.102 1),而且a=–0.072,表明δ13C随养殖时间延长有缓慢下降的趋势。摄食鱼、虾、贝的幼蟹回归关系都极显著相关(P < 0.001),相关系数也较高,表明幼蟹δ13C随养殖时间的延长,前期上升较快,后期缓慢上升。
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图 1 投喂不同饵料幼蟹δ13C的变化 Fig.1 The change in δ13C of juvenile S. paramamosain with different feed during the experiment |
幼蟹摄食4种饵料的δ15N随养殖时间的变化趋势都可以用对数公式δ15N=a×lnt+b描述(图 2)。摄食沙蚕的幼蟹回归关系的显著性和相关系数不高(P=0.256, R2=0.047 4),而且a=–0.055,表明,δ15N随养殖时间延长缓慢下降的趋势。摄食鱼、虾、贝的幼蟹回归关系都极显著相关(P < 0.001),相关系数也较高,表明幼蟹δ15N随养殖时间的延长,前期上升较快,后期缓慢上升。
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图 2 投喂不同饵料幼蟹δ15N的变化 Fig.2 The change in δ15N of juvenile S. paramamosain with different feed during the experiment |
幼蟹摄食不同饵料后13C的周转参数见表 3。摄食鱼的幼蟹特定生长率k明显低于其余3种饵料,摄食沙蚕的幼蟹13C新陈代谢速率m明显高于其余3种饵料。摄食鱼、虾、贝、沙蚕的幼蟹13C完成50%周转时间(t50)分别为36.30、24.56、27.96和21.17 d,完成95%周转的时间(t95)分别为156.86、106.16、120.83和91.64 d。摄食鱼、虾、贝、沙蚕的幼蟹生长对13C周转的贡献比例分别为79.83%、83.65%、84.88%和63.80%。由实验数据和模型估算,幼蟹体内13C与4种饵料达到平衡时的δ13C值分别为–12.94‰、–9.60‰、–18.71‰和–21.08‰,此时,幼蟹对13C的分馏系数Δ13Cf范围为1.23‰~3.448‰。
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表 3 稳定同位素13C的周转参数(平均值±标准差) Tab.3 Parameters of isotope 13C turnover (Mean±SD) |
幼蟹摄食不同饵料后15N的周转参数见表 4。摄食沙蚕的幼蟹15N新陈代谢速率m明显高于其余3种饵料。摄食鱼、虾、贝、沙蚕的幼蟹15N完成50%周转时间(t50)分别为37.60 d、24.34 d、24.77 d和20.17 d,完成95%周转的时间(t95)分别为162.49 d、105.22 d、107.05 d和86.99 d。摄食鱼、虾、贝、沙蚕的幼蟹生长对15N周转的贡献比例分别为81.97%、82.88%、75.27%和59.80%。由实验数据和模型估算,幼蟹体内15N与4种饵料达到平衡时的δ15N值分别为19.19‰、15.85‰、11.66‰和8.34‰,此时,幼蟹对15N的分馏系数Δ15Nf范围为2.81‰~4.62‰。
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表 4 稳定同位素15N的周转参数 Tab.4 Parameters of isotope 15N turnover |
幼蟹的稳定同位素周转参数结果表明,摄食不同饵料的幼蟹生长对13C和15N周转的贡献率都较高,明显高于新陈代谢的贡献率。摄食不同饵料的幼蟹13C和15N周转速率明显不同,t50和t95差别较大;而摄食同种饵料的幼蟹13C和15N周转速率接近,t50和t95差别较小。
2.3 幼蟹碳、氮稳定同位素的分馏系数养殖期间幼蟹对13C分馏系数Δ13C与养殖时间(t)的关系符合公式Δ13C=a×lnt+b(图 3)。摄食鱼、虾、贝的幼蟹回归关系都极显著相关(P < 0.001),相关系数也较高,Δ13C在养殖前期上升较快,后期缓慢上升。摄食沙蚕的幼蟹Δ13C与养殖时间的相关性较差(P=0.270, R2=0.048 5),并且a=–0.058,表明幼蟹Δ13C随养殖时间延长缓慢下降。
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图 3 实验期间投喂不同饵料幼蟹13C分馏系数Δ13C的变化 Fig.3 The change in Δ13C of juvenile S. paramamosain with different feed during the experiment |
养殖期间幼蟹对15N分馏系数Δ15N与养殖时间t的关系符合公式Δ15N =a×lnt+b(图 4)。摄食鱼、虾、贝的幼蟹回归关系都极显著相关(P < 0.001),相关系数也较高,Δ15N在养殖前期上升较快,后期缓慢上升。摄食沙蚕的幼蟹Δ15N与养殖时间的相关性较差(P=0.546, R2=0.014 5),并且a=–0.058,表明幼蟹Δ15N随养殖时间延长缓慢下降。
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图 4 实验期间投喂不同饵料青蟹对15N分馏系数Δ15N的变化 Fig.4 The change in Δ15N of S. paramamosain with different feed during the experiment |
拟穴青蟹幼蟹摄食鱼、虾、贝后对13C和15N分馏系数与养殖时间呈现类似的相关关系,但摄食沙蚕后的稳定同位素分馏系数相关性较差。
幼蟹对13C分馏系数Δ13C与增重率(MGR, %)的关系符合公式Δ13C=a×ln(MGR)+b(图 5)。摄食鱼、虾、贝的幼蟹回归关系都极显著相关(P < 0.001),相关系数也较高,曲线显示随增重率提高,Δ13C先迅速上升,然后转变为缓慢上升趋势。摄食沙蚕的幼蟹对13C分馏系数Δ13C与增重率的相关性较差(P=0.031, R2= 0.172 9),且a=–0.042,曲线显示,Δ13C随增重率的提高缓慢下降。
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图 5 投喂不同饵料青蟹对13C分馏系数Δ13C与增重率(MGR)的关系 Fig.5 The relationship between Δ13C and the mass growth rate (MGR) of S. paramamosain with different feed during the experiment |
幼蟹对15N分馏系数Δ15N与增重率的关系符合公式Δ15N=a×ln(MGR)+b (图 6)。与Δ13C与增重率的关系类似,摄食鱼、虾、贝的幼蟹回归关系都极显著相关(P < 0.001),相关系数也较高。摄食沙蚕的幼蟹对15N分馏系数Δ15N与增重率的相关性也较差(P=0.146, R2=0.082 2),且a =–0.033,曲线显示,Δ13C随增重率的提高缓慢下降。
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图 6 投喂不同饵料青蟹对15N分馏系数Δ15N与增重率(MGR)的关系 Fig.6 The relationship between Δ15N and the mass growth rate (MGR) of S. paramamosain with different feed during the experiment |
幼蟹对13C分馏系数Δ13C与饵料的δ13C成负线性相关,幼蟹对15N分馏系数Δ15N与饵料的δ15N也成负线性相关(图 7)。幼蟹对13C分馏系数Δ13C与初始幼蟹与饵料的δ13C相差数值(δ13CIC~δ13CD)成正线性相关,幼蟹对15N分馏系数Δ15N与饵料的(δ15N IC~δ15ND)也成正线性相关(图 8)。
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图 7 青蟹对稳定同位素的分馏系数与饵料中稳定同位素含量的关系 Fig.7 The relationship between fractionation coefficient and dietary stable isotope content of S. paramamosain |
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图 8 青蟹对稳定同位素的分馏系数与饵料中与初始青蟹和饵料稳定同位素含量差值的关系 Fig.8 The relationship between fractionation coefficient and gap between stable isotope content of S. paramamosain and diet |
饵料的同位素组成是决定动物体稳定同位素组成的首要决定因素(Fry et al, 1982; Peterson et al, 1987)。水生动物摄食新的饵料后的一段时间内,体内的碳和氮稳定同位素含量会向新饵料的含量接近并呈现出一定的富集(分馏)(Elsdon et al, 2010; 黄国强等, 2021; 鹿珍珍等, 2023; 周晖等, 2023)。中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)幼蟹不同组织的δ13C随养殖时间的延长逐渐升高,最终与饵料的δ13C值相比出现不同的差值(鹿珍珍等, 2023),香港牡蛎(Crassostrea hongkongensis)的δ13C和δ15N在池塘育肥过程中也逐渐降低和接近所使用的对虾配合饲料中的δ13C和δ15N (周晖等, 2023)。拟穴青蟹幼蟹摄食不同饵料66 d后,体内δ13C和δ15N均接近饵料的δ13C和δ15N,并有一定的差异(黄国强等, 2021)。本研究中,除了摄食沙蚕的拟穴青蟹幼蟹的δ13C和δ15N未表现出明显的上升趋势,摄食鱼、虾、贝的幼蟹的δ13C和δ15N均迅速升高然后再维持缓慢上升的趋势,并在180 d时高于饵料中的稳定同位素丰度。而日本和美虾(Nihonotrypaea japonica)和哈氏和美虾(N. harmandi)摄食纤细角毛藻(Chaetoceros gracilis)后,由于纤细角毛藻的δ13C和δ15N比初始虾低,δ13C和δ15N呈现下降趋势(Yokoyama et al, 2013)。本研究中,摄食沙蚕的幼蟹的δ13C和δ15N之所以未表现出上升趋势,可能是由于初始幼蟹的δ13C和δ15N明显比沙蚕高,加上分馏效应的影响,呈现随养殖时间缓慢下降的趋势。幼蟹摄食沙蚕后δ13C的变化趋势与Herbon等(2013)对新加坡上相手蟹(Episesarma singaporense)和泡粒上相手蟹(Episesarma versicolor)摄食红树叶后δ13C的变化趋势相似,由于实验开始时幼蟹的δ13C明显高于红树叶,因此,在实验过程中蟹的δ13C没有表现出明显的上升趋势。但在Herbon等(2013)的实验中,蟹的δ15N表现出明显的上升趋势,并没有向红树叶δ15N接近的趋势,可能是由于红树叶的氮含量太低(< 1.0%),δ15N也较低(< 5‰),导致蟹获得的氮不足而未能使15N充分周转。而本实验使用的均为动物性饵料,氮含量高,而且δ15N也较高,较接近初始蟹的δ15N,蟹体内的15N能够充分周转。
3.2 拟穴青蟹幼蟹稳定同位素的周转速率稳定同位素周转参数反映了动物摄食新饵料后稳定同位素的更新速率,更新速率主要由生长速率和新陈代谢速率决定(Hesslein et al, 1993; Macavoy et al, 2005)。Herbon等(2013)认为,70 d的喂养足以使2种相手蟹的δ13C和δ15N发生显著变化,日本和美虾和哈氏和美虾的δ13C和δ15N在31 d的投喂实验中也发生了显著改变(Yokoyama et al, 2005),拟穴青蟹幼蟹摄食不同饵料66 d后也与饵料的δ13C和δ15N接近(黄国强等, 2021),表明这几种海水甲壳动物能够较快地进行体内13C和15N的周转。但几个实验中动物体内的δ13C和δ15N变动趋势尚未稳定,所以,可能需要进行更长周期的实验获得稳定同位素值。小规格中华绒螯蟹幼蟹肝胰腺(20.88 d)、鳃(34.14 d)和肌肉(29.37 d)组织的稳定同位素半衰期(t50)均小于大规格幼蟹的对应组织(21.73、66.01和35.18 d)(鹿珍珍等, 2023),表明动物规格对周转速度有明显影响。投喂动物性饵料和欧海神草(Posidonia oceanica)的钩虾(Gammarus aequicauda)的13C的t50分别为12.55 d和51.62 d,显示饵料对周转速率的影响巨大(François et al, 2017)。本研究结果表明,拟穴青蟹幼蟹摄食同种饵料后13C和15N的t50都非常接近,而t95均超过t50的4倍,表明稳定同位素的周转速率在实验前期较高,后期明显下降。摄食不同饵料的幼蟹的13C和15N的t50和t95均存在显著差异,表明饵料种类对稳定同位素的周转速率有明显影响。François等(2017)认为,欧海神草对于钩虾来说是劣质饵料,会导致同化率和新陈代谢率的下降,降低稳定同位素的周转速率。本研究中,摄食鱼的幼蟹的t50和t95均比摄食其余3种饵料的幼蟹长,并且生长速率k也显著低于摄食其余3种饵料的幼蟹,也表明饵料质量会通过改变生长速率来影响稳定同位素的周转速率。
本研究中,拟穴青蟹幼蟹的δ13C和δ15N在180 d时与135 d相比变动不大,并且t95均小于180 d,回归曲线也表明实验后期δ13C和δ15N的变化趋于平缓,因此,180 d的实验周期对于测定拟穴青蟹幼蟹的稳定同位素周转和分馏的相关参数是适宜的。
3.3 生长与新陈代谢对拟穴青蟹幼蟹同位素周转的贡献尽管Hesslein等(1993)、Fry等(1982)、Herzka等(2000)认为稳定同位素周转主要由生长驱动,但在不同的研究中发现了生长速率和新陈代谢速率对稳定同位素周转的不同影响。如斑马鱼(Danio rerio)新陈代谢作用对肌肉组织碳稳定同位素周转的贡献比例高达74% (Tarboush et al, 2006),而新陈代谢是驱动中华绒螯蟹幼蟹体组织碳稳定同位素周转的主要因子,在不同组织中新陈代谢在碳稳定同位素周转的贡献范围可达到67%~94.04% (鹿珍珍等, 2023)。本研究结果表明,青蟹幼蟹的生长对碳和氮稳定同位素周转的贡献率范围为59.80%~84.88%,显然生长在稳定同位素周转中起到主导作用。不同实验研究得到不同结论,可能主要由实验中生物生长速率和新陈代谢速率的差异导致。如在鹿珍珍等(2023)研究中,小规格和大规格中华绒螯蟹幼蟹的生长速率分别为0.006 7和0.001 9,而本实验中拟穴青蟹幼蟹的生长速率则达到了0.017 7~0.026 2,2个研究的实验对象生长速度存在巨大的差距,必然导致碳和氮在身体的同化和沉积速度上的差异,并进而导致生长和新陈代谢对稳定同位素周转贡献比例的差异。
3.4 拟穴青蟹稳定同位素的分馏系数在180 d时,摄食鱼、虾、贝、沙蚕的幼蟹对13C的分馏系数Δ13C180 d分别为1.50‰、0.71‰、1.35‰和1.64‰,而根据模型计算幼蟹体内13C与饵料达到平衡时的分馏系数Δ13Cf分别为3.44‰、2.42‰、1.81‰和1.23‰,二者之间有一定的差距,整体而言,实测值Δ13C180 d与文献引用的1.3‰±0.3‰ (POST, 2002)较接近。摄食鱼、虾、贝、沙蚕的幼蟹对15N的分馏系数Δ15N180 d分别为2.23‰、2.16‰、2.66‰和2.15‰,而根据模型计算幼蟹体内15N与饵料达到平衡时的分馏系数Δ15Nf分别为4.62‰、2.96‰、3.27‰和2.81‰,二者之间也有或大或小的差距,根据模型计算的分馏系数整体上更接近文献引用的3.4‰ (McCutchan et al, 2003)。由于近岸和河口生态系统的消费者对饵料中稳定同位素的分馏系数变动范围巨大(Yokoyama et al, 2005; Mazumder et al, 2010; Herbon et al, 2013),如Yokoyama等(2005)对河口大型底栖动物的研究结果表明,动物–食物的∆13C介于2‰~2.2‰,而新加坡上相手蟹和泡粒上相手蟹对2种红树叶的Δ13C为5.1‰和4.1‰,Δ15N为5.0‰和5.4‰ (Herbon et al, 2013)。因此,相关生态学研究中分馏系数的引用需要谨慎对待,尽量采用实测的数据或引用相似环境条件下获得的同种或同类生物数据。
3.5 养殖期间分馏系数的变化及影响因子本实验发现,除摄食沙蚕的幼蟹外,δ13C和δ15N随养殖时间的延长都是先迅速上升然后维持缓慢上升的趋势,因此,Δ13C和Δ15N也显示出相同的变动趋势,这与香港牡蛎育肥期间δ13C和δ15N随育肥时间下降的趋势(周晖等, 2023)不同,与香港牡蛎育肥期间主要营养来源的对虾饲料δ13C (2.71‰)和δ15N (–23.46‰)较低有关,育肥初始,香港牡蛎的各种组织的δ13C和δ15N都明显比对虾饲料高。因为在实验初始时刻,幼蟹体内的δ13C和δ15N比沙蚕高,摄食沙蚕的幼蟹的δ13C和δ15N变动与香港牡蛎类似,除实验早期有下降外,其余时间维持小幅波动趋势。摄食鱼、虾、杂色蛤的拟穴青蟹幼蟹的δ13C和δ15N变动与中华绒螯蟹幼蟹实验期间的δ13C上升模式(鹿珍珍等, 2023)也不一致,可能是由于生物种类、饵料种类以及稳定同位素周转的主要驱动因素不同。由于本研究中稳定同位素的周转主要由生长驱动,因此,摄食鱼、虾、杂色蛤的幼蟹分馏系数与体质量增长率成明显正相关,先快速上升后维持缓慢上升趋势。由于稳定同位素周转速率的差异,要获得稳定的分馏系数显然需要一个适宜的实验周期。本研究中,幼蟹摄食4种饵料的最长t95为162.49 d,而本实验的周期为180 d,能够满足获得稳定分馏系数的要求。
对本研究的4种饵料的分馏系数与饵料中稳定同位素含量的回归关系表明,分馏系数与饵料中的δ13C和δ15N都是负相关的(图 7),因此,分馏系数与初始青蟹和饵料之间的稳定同位素差值(δ13CIC~δ13CD)和(δ15NIC~δ15ND)的关系则成正相关(图 8)。通过分析拟穴青蟹幼蟹对6种饵料的分馏系数和饵料δ13C和δ15N (黄国强等, 2021)发现,分馏系数与饵料中δ13C和δ15N也呈现负相关关系。因此,尽管实验期间幼蟹的δ13C和δ15N会向饵料的δ13C和δ15N接近,并最终维持高于饵料δ13C和δ15N一定幅度,但分馏系数受到饵料δ13C和δ15N的影响。这与饵料成分对钩虾的稳定同位素周转有重要影响的结论(François et al, 2017)是一致的。
4 结论以拟穴青蟹幼蟹为研究对象,通过180 d的实验,研究了其对鱼、虾、贝、沙蚕中稳定同位素13C和15N的周转和分馏。结果显示,生长对拟穴青蟹幼蟹稳定同位素周转的贡献大于新陈代谢,饵料种类对13C和15N的周转速率有显著影响。幼蟹鱼、虾、贝、沙蚕中13C和15N的分馏系数分别为1.50‰、0.71‰、1.35‰、1.64‰和2.23‰、2.16‰、2.55‰、2.15‰,饵料中的δ13C和δ15N是影响分馏系数的重要因子。
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