碳稳定性同位素分析食物网中能量流动

碳稳定性同位素分析食物网中能量流动摘要：随着科学技术发展，稳定性同位素已经广泛应用在生态学研究的诸多领域。在研究食物网中能量流动关系时，稳定性同位素能提供更迅速、客观的分析。此次实验利用碳稳定性同位素技术对受到人类破坏或其他因素影响的选定区域分析其食物网中的能量流动，旨在研究该区域生物之间的能量流动关系，从而对该区域采取合理的保护措施。关键词：碳稳定性同位素；食物网；能量流动；δ13C值CarbonStableIsotopeanalyzesStudiesEnergyFluxinFoodWebABSTRACT:Stableisotopehasbeenwidelyusedinvariousfieldsinecologystudieswiththedevelopmentofscienceandtechnology.Stableisotopecanproviderapiderandmoreobjectiveanalysiswhenresearchingenergyfluxrelationshipinthefoodweb.Intheprocessofthisexperiment,weanalyzetheenergyfluxrelationshipinthefoodwebofthechosenareasthataredestroyedbyhumanbeingsoraffectedbyotherfactorsbymeansofcarbonstableisotopetechnology,withtheaimofresearchingtheenergyfluxrelationshipamongpopulationinthisarea,consequentlywecanadoptreasonableprotectivemeasuresinthisareas.KEYWORDS:Carbonstableisotope；foodweb；energyflux；δ13C一．研究背景随着世界人口的持续增长和人类活动范围与强度的扩展和增加，地球上的生物多样性逐渐降低。例如，持续不断地砍伐树木已经导致世界上大量树木物种面临灭种的危险；环境污染使得动植物的栖息地环境遭到严重的破坏，致使物种数量锐减[1]。在某一区域中，动植物数量的减少还有一个很重要的原因，即某些因素（例如栖息地减少和改变、滥捕乱猎、外来物种的引入、污染等[2]）导致该区域部分动植物数量的减少，而这进一步通过该区域的食物网影响到区域中其他动植物的种类和数量，进而对整个区域各种生物体造成影响。食物网是在生态系统中的生物成分之间通过能量传递关系存在着一种错综复杂的普遍联系，直接反映生态系统的结构和功能[3]。生产者制造有机物，各级消费者消耗这些有机物，生产者和消费者之间相互矛盾，又相互依存。不论是生产者还是消费者，其中某一种群数量突然发生变化，必然牵动整个食物网。食物网是生态系统长期发展的进化过程中形成的。人类活动使生态系统中某一生物体种群数量遭到破坏，将使生态平衡失调，甚至是生态系统崩溃[2]。因此，研究食物网中生物的能量流动关系，对于维持生态系统的稳定、利用动物间的相互制约来减缓人类活动对生态系统的破坏具有重要的意义。但是研究食物网中各生物的能量流动关系是十分复杂的，因为食物网的真正结构或功能不易通过直接观察生物觅食、胃容物或粪便等的分析而决定，而且这仅能反映出短暂的营养关系[4]。而生物体内的稳定性同位素比值可作为一种自然的标记，用来示踪营养物质在食物网中的流动。因此研究食物网中生物的能量流动关系时选用稳定性同位素技术便可以很方便地进行实验研究。原子是由质子、中子和电子组成。具有相同质子数不同中子数（即不同质量数）的同一元素的不同核素互称为同位素。同位素可以分为放射性同位素和稳定性同位素。稳定性同位素是天然存在于生物体内的不发生或极不易发生放射性衰变的一类同位素。C元素和N元素分别有两种中子数不同的稳定性同位素，即13C和12C以及15N和14N。中子数多的同位素（如13C和15N等）称为重同位素，中子数少的同位素（如12C和14N等）称为轻同位素。同位素丰度是指一种元素的不同种同位素混合后，其中某一特定同位素的原子数与该元素的总原子数之比，它代表了元素的同位素组成。重同位素的自然丰度很低，轻同位素的自然丰度很高，因此一般不直接测定重同位素和轻同位素各自的绝对丰度，而是测定它们的相对丰度或同位素比率（R），以碳元素为例可表达为：13R(C)=13C/12C。为了便于比较物质同位素组成的微小变化，物质的同位素组成更常用稳定性同位素比值（δ值）表示，公式是δR样品(‰)=(R样品-R标准)/R标准×1000。其中，R样品是被测样品13C样品/12C样品的比值，R标准是标准物质13C标准/12C标准的比值。当δ值大于零时，则表示此样品的重同位素比标准物质富集重同位素，小于零时则表示此样品的重同位素比标准物质贫重同位素。δ值与标准物质的选择有关，结果对比时应采用相同的标准。因此，δ值能清晰地反映同位素组成的变化。在某一生态系统中，生产者的δ13C相对于该生态系统中其他消费者的δ13C的差异，可用于追踪生态系统中的主要物质碳源的来源和物质流动[4][5]。在研究食物网中生物的能量流动关系时，相对于传统的消化道内含物分析，稳定性同位素能提供更迅速、客观的分析。稳定性同位素分析为研究食物网结构提供了一种特别的方式，显示出长期以及短期内生物的食性变化，建立营养流动过程以及生物在食物网及营养层的地位。随着生物觅食习性的不同，碳稳定性同位素比值随其在营养层的位置以特定方式增加，因此可用以分析食物的来源和组成。稳定性同位素技术早在20世纪70年代末期就被引入到生态学领域。最初是利用植物碳稳定性同位素的差异开展了许多有关营养流动方面的研究；到90年代，稳定性C和N同位素被用来分析动物的食性、营养级位置关系以及食物链结构；本世纪初，由于科学技术的进步，在国外稳定性同位素（特别是H同位素）被用来开展动物迁徙习性方面的研究[4]。本次研究拟利用碳稳定性同位素技术对某区域食物网中生物的能量流动关系进行实验研究，旨在分析生物之间的相互作用，明确该区域中食物网中生物的能量流动关系，了解某些动植物种群数量的减少或增加对该区域中其他动植物的影响，从而提出科学合理的解决方案，最终减少人类活动等因素对该区域生态系统的干扰，使该区域的生态问题得以有针对性地解决。二．器材和试剂实验器材：解剖针、解剖镊、解剖剪、恒温干燥箱、研钵、研磨杵、100目筛、FinniganMATDELTAPLUSXL同位素质谱仪、元素分析仪、比集运量质谱仪（FinneganMat,Bermen,Germany）实验试剂：标本固定液等三．研究技术路线1．选定研究区域选定此次实验研究的区域。在该区域中，人类的活动导致某些动植物的种群数量发生变化，影响了该区域的生物多样性。但是目前对该区域中食物网各生物的能量流动关系尚不明确，无法提出科学合理的解决对策，因此需要通过此次实验加以明确。2．测定生物群落中碳稳定性同位素比值（δ13C）选取选定区域中待研究的动植物样品，测定碳稳定性同位素比值（δ13C）。具体测定步骤可以参考以下实验步骤，不过具体实验步骤依照实际情况而定。参考实验步骤：选取选定区域中主要植物及部分动物的样品，鸟类以胸肌作样品，哺乳类以后退肌肉作样品，昆虫及两栖类则取全部作样品。所有样品经恒温干燥箱60～80℃烘干至恒重，充分研磨，过100目筛备用。以FinniganMATDELTAPLUSXL同位素质谱仪和元素分析仪进行测定，二者的操作界面为ConFⅢ。制备条件：氧化炉温度为900℃，还原炉温度为680℃，柱温为40℃。产生的CO2在真空管中经纯化注入比集运量质谱仪（FinneganMat,Bermen,Germany）进行测定。测定之后要计算碳稳定性同位素比值（δ13C值），计算公式为δR样品(‰)=(R样品－R标准)/R标准×1000。在这个公式中，δR样品为被测材料的碳稳定性同位素比值；R样品为被测样品13C样品/12C样品的比值，R标准是标准物质13C标准/12C标准的比值。当δ值大于零时，则表示此样品的重同位素比标准物质富集重同位素，小于零时则表示此样品的重同位素比标准物质贫重同位素。δ值与标准物的选择有关，结果对比时应采用相同的标准。3．获得碳同位素富集因子由该区域中某些已知的植食性动物的肌肉或植物的叶片以及植食性动物的胃容物二者的碳稳定性同位素比值差异平均后得到碳同位素富集因子。例如，计算得到的肌肉或叶片碳稳定性同位素（δ13C）平均数是(-25.19±0.37)‰，胃容物碳稳定性同位素（δ13C）平均数是(-26.24±0.30)‰，二者相减得到碳同位素富集因子是(1.05±0.45)‰。DeNiroMJ&EpsteinS(1978,1981)报道的植食性动物与其食物间的碳同位素富集因子为1‰～2‰[6][7]，这个可以作为一个参考标准。4．食物链营养关系分析食物链营养关系分析的时候主要依赖于碳稳定性同位素分析，并且辅以胃容物分析，即通过胃容物获得部分食物信息，并比较两种可能存在取食与被取食的生物间的碳同位素差异，与营养级间的碳同位素富集因子（例如1.05‰±0.45‰）相比较。如果二者在碳同位素富集因子范围内波动，则可认定二者之间存在取食与被取食的营养关系；相反，若二者差异不在此范围之内或差异较大，则可认定二者之间不存在（或存在微弱的）取食与被取食的营养关系。5．食物链长度计算食物链的长度按下述公式计算：FCL=（δ13C顶极物种-δ13C初级生产者）/本次实验测定的碳同位素富集因子。在此式中，FCL是指待计算的食物链的长度，δ13C顶极物种为顶级物种的碳稳定性同位素比值，δ13C初级生产者为初级生产者的碳稳定性同位素比值，最后与本次实验测定的碳同位素富集因子相除便可得到食物链的长度。四．研究进度安排此次实验的进行时间主要取决于选取选定区域中待研究的动植物样品的时间，因为该实验步骤需要充分考虑研究区域中动植物的生活规律，从而依据动植物的生活规律可以顺利高效地选取到待研究的样品。其他实验步骤可以在实验室完成，对自然环境的要求较低，因此实验时间比较灵活。五．研究成本预算此次实验的研究成本主要来自实验仪器的购买，相对昂贵的实验仪器包括恒温干燥箱、同位素质谱仪、元素分析仪、比集运量质谱仪。另外研究成本还包括科研工作人员在选定的研究区域和实验室两地来回的交通费用和在研究区域选取样品期间科研工作人员户外餐饮住宿等的费用。六．可行性分析生物多样性（biodiversity）是指生命有机体的种类和变异性及其与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和，包括动物、植物、微生物和它们所拥有的基因以及它们与其生存环境形成的复杂的生态系统和自然景观。生物多样性通常被认为有三个层次，即：遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。其中，物种多样性是生物多样性在物种上的表现形式，反映了地球上生物有机体的复杂性，是生物多样性研究的核心内容。种群（population）是指在特定时间内，分布在同一区域的同种生物个体的集合。种群具有共同的基因库，种群内部个体之间能够进行自然交配并繁衍后代，因此，种群是种族生存的前提，是物种具体的存在单位、繁殖单位和进化单位。生态系统中有许多食物链，各种食物链并不是孤立的，它们往往纵横交织，紧密结合在一起，形成复杂的多方向的网状结构。这种多个食物链交织在一起、相互联系而成的网叫做食物网（foodweb）。生态系统越稳定，生物种类越丰富，食物网也越复杂。生物体的碳稳定性同位素被广泛应用于食物网的食物组成研究中。将同位素应用于食物网研究基于如下假设：（1）物质来源的同位素差异大；（2）营养级之间δ13C差异很小，在1‰之内[8]。研究通常认为，同一个生态系统中动物的δ13C值通常高于其食物，并有沿着食物链递增的趋势，这是因为动物在摄食时优先吸收13C，同时消耗12C，或二者同时发生。在不同的生态系统中，由于初级生产者对生态系统物质