2. 广西科学院, 广西北部湾海洋研究中心, 广西近海海洋环境科学重点实验室, 广西南宁 530007;
3. 北部湾大学海洋学院, 广西北部湾海洋生物多样性养护重点实验室, 广西钦州 535011
2. Guangxi Key Laboratory of Marine Environmental Science, Guangxi Beibu Gulf Marine Research Center, Guangxi Academy of Sciences, Nanning, Guangxi, 530007, China;
3. Guangxi Key Laboratory of Beibu Gulf Marine Biodiversity Conservation, Ocean College, Beibu Gulf University, Qinzhou, Guangxi, 535011, China
稳定性同位素技术在现代生态学中应用广泛，可用于植物生理生态适应机制、动植物相互作用、食物网结构及营养关系构建等领域研究，通过稳定性同位素分析可以追踪碳、氮、磷等主要元素的地球化学循环过程[1-7]。稳定性同位素用于生态学研究，需要获取生物和非生物环境中可能作为营养或生源要素来源的各类样品，并测定植物、动物和沉积物等的稳定性同位素丰度。
全球范围的调查结果表明，C3植物的稳定性碳同位素丰度(δ13C)为-35‰—-20‰，C4植物的δ13C为-15‰—-7‰，而景天酸代谢(GAM)植物的δ13C为-22‰—-10‰[8, 9]。同种植物体内的δ13C主要由所处地区大气CO2的δ13C和环境因子决定。作为滩涂木本植物的代表，我国沿海滩涂红树植物的δ13C均在-27.5‰以上[10-13]，不同地区和不同种类略有差异，但都在C3植物碳稳定性同位素变动范围之内。草本植物互花米草(Spartina alterniflora)的δ13C为-12.24‰[11]，沉水植物鳗草(Zostera marina)(海草)的δ13C为-18.6‰—-11.16‰[12, 14, 15]。大型海藻的δ13C为-23.26‰—-14.4‰[11, 12, 14-17]，而脆江蓠(Gracilaria chouae)在不同盐度下的δ13C为-27.56‰—-30.38‰[18]。大亚湾底栖硅藻(Bacillariophyceae)的δ13C为-17.23‰，浮游植物(Phytoplankton)的δ13C为-20.76‰[17]。同一地点悬浮颗粒和沉积物的δ13C差别较小，如海南清澜港附近悬浮颗粒和沉积物的δ13C分别为-22.81‰和-22.06‰[12]，广西北海市廉州湾颗粒有机物和表层沉积物的δ13C分别为-22.09‰和-24.18‰[13]，大亚湾颗粒有机物和表层沉积物的δ13C分别为-13.25‰和-16.04‰[17]。
虽然空气的δ15N十分稳定(接近0)，但不同生态系统中不同类别样品的δ15N变化幅度很大[1]。红树植物中，海南清澜港附近的红树植物树皮和叶片的δ15N分别为2.48‰和5.95‰[12]，崔莹等[14]测得海南清澜湾的红树植物的叶片δ15N为1‰—4‰，而广西北海市廉州湾沿岸红树植物叶片的δ15N超过11‰[13]，与前者差异较大。海南清澜港附近海草的δ15N为9.79‰[12]，崔莹等[14]测得海南清澜湾的海草δ15N低于6‰。大型藻类的δ15N变动范围较大，烟台潮间带大型海藻的δ15N为6.18‰—10.99‰[19]，枸杞岛大型藻类的δ15N为4.3‰—5.3‰[16]，大亚湾的裂叶马尾藻(Scagassum siliquastrum)的δ15N为7.17‰[17]，海南澜清港(湾)附近大型海藻的δ15N为6‰—7‰[12, 14]，而广西北海市廉州湾沿岸的大型藻类δ15N达到15.45‰[13]。海南清澜港附近的悬浮颗粒与表层沉积物的δ15N分别为7.28‰和5.93‰[12]，广西北海市廉州湾沿岸的悬浮颗粒与表层沉积物的δ15N分别为8.00‰和7.74‰[13]，而大亚湾的有机颗粒和沉积物的δ15N分别为-0.16‰和9.88‰[17]，不同地点差异极大。
以上有关我国近海生态系统的δ13C和δ15N调查，为开展相关海域食物网链构建、能量流动、生源要素地球化学循环、生理生态学等研究提供了基础参考数据。然而调查结果也表明，由于生存环境背景、环境因子变动、不同生物类群的生理生态学特征差异等影响，不仅区域间的δ13C和δ15N存在差异，同一地点不同样品类型甚至不同季节样品间也可能存在较大差异。因此，不同地区应用稳定性同位素技术开展生态学研究，必须获取当地的同位素分布数据。
广西沿海浅海和滩涂资源丰富，初级生产力高，热带、亚热带生物资源丰富[20]，不仅利于开展增殖、养殖发展海洋经济，更具有开展热带、亚热带海洋生态系统保护与开发研究的便利条件。应用稳定性同位素技术，可为广西沿海红树林、海草、滩涂等生态系统及保护区构建食物网、能量流动和生源要素循环模型提供便利。但目前对广西沿海各类生态系统稳定性同位素的调查研究较少，需要开展更多的基础性调查研究。北海市沿海滩涂分布有大量大型植物，它们的初级生产力可能为沿海的特色海产品如方格星虫和双壳贝类等提供营养来源，但目前尚无充足的基础数据来支持这方面的分析。因此，本文选择北海市南岸从山口镇至银滩镇大冠沙分布有丰富方格星虫和双壳贝类资源的典型区域，测定不同类型样品的δ13C和δ15N，并分析其差异原因，以期为沿岸主要生态系统和重要生物种类的生态学研究提供参考。
1 材料与方法 1.1 采样时间和站点于2013年1月至2013年12月每个月下旬大潮期间，在潮水退至低潮线时到滩涂由低潮线往岸线收集样品，采样点分别为北海市南岸的山口镇英罗村(1)、北暮盐场(2)、营盘镇青山头村(3)、竹林盐场(4)、大冠沙(5)的潮间带，5个采样点都是方格星虫和贝类资源非常丰富的区域，采样点位置见图 1。
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| 图 1 采样区域位置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of sampling district location |
1.2 采样方法
每个取样地点分别在四角和中部共5个区域随机选取一块面积为20 cm×20 cm的方块，用小铲取5 cm厚的表层沉积物作为样品，每个随机位置的样品都采集3份。然后沿与岸线垂直的方向，由低潮线往高潮线行走，收集途中发现的红树落叶(每份500 g以上)和主要大型藻类(每份500 g以上)。在有互花米草分布的岸线区域，采集干枯的互花米草样品3份(每份500 g以上)。
1.3 样品处理与保存采回的红树植物秋茄(Kandelia candel)和白骨壤(Avicennia marina)的落叶，互花米草、大型海藻条浒苔(Enteromorpha clathrata)和细基江蓠(Gracilaria tenuistipitata)样品首先用自来水冲洗除去泥沙，然后用蒸馏水冲洗2次，控干水分，放入烘箱在70℃烘干至恒重，然后用剪刀剪碎，再用电动粉碎机粉碎，过60目筛后装瓶，放入干燥器中保存待测。
沉积物样品回到实验室后立即放入玻璃皿，在70℃烘干至恒重，然后用粉碎机粉碎，过60目筛后装瓶，放入干燥器中保存待用。测试前将样品按需要量取出，用浓盐酸熏蒸24 h除去无机碳后再在70℃烘干至恒重后保存待测。
1.4 样品测试所有样品送中国农业科学院环境稳定性同位素实验室，用Vario PYRO cube元素分析仪测定总有机碳(TOC，%)和总氮(TN，%)，用稳定性同位素质谱仪(Isoprime-100同位素质谱仪)测定稳定性碳同位素丰度(δ13C，‰)和稳定性氮同位素丰度(δ15N，‰)。
1.5 统计分析对不同取样地点各个样品的检测结果计算平均值，对每月均能采到的不同地点样品的TOC、TN、δ13C、δ15N，以地点和月份为变量进行双因素方差分析，以P < 0.05作为统计差异显著的标准。在双因素方差分析的基础上，将没有显著影响的因子计算平均值，然后再以影响显著的因子为变量进行单因子方差分析和Duncan's多重比较，以P < 0.05作为统计差异显著的标准。
2 结果与分析 2.1 红树落叶的TOC、TN、δ13C和δ15N以采样点和采样月份作为因子，对红树落叶的TOC、TN、δ13C、δ15N进行了双因素方差分析，结果表明，不同地点和月份对红树落叶的TOC、TN、δ13C、δ15N均有显著交互效应，但月份对4个指标的主效应均不显著，而取样地点的主效应对TN显著(表 1)。
| 统计参数 Statistical parameters |
df | F | P | |
| TOC | 交互效应 Interaction effect |
1 | 3 761.813 | 0.000 |
| 地点主效应 Main effect of location |
1 | 1.951 | 0.177 | |
| 月份主效应 Main effect of month |
11 | 1.212 | 0.282 | |
| TN | 交互效应 Interaction effect |
1 | 103.185 | 0.000 |
| 地点主效应 Main effect of location |
1 | 13.247 | 0.002 | |
| 月份主效应 Main effect of month |
11 | 0.501 | 0.487 | |
| δ13C | 交互效应 Interaction effect |
1 | 4 344.194 | 0.000 |
| 地点主效应 Main effect of location |
1 | 0.028 | 0.868 | |
| 月份主效应 Main effect of month |
11 | 0.003 | 0.957 | |
| δ15N | 交互效应 Interaction effect |
1 | 574.893 | 0.000 |
| 地点主效应 Main effect of location |
1 | 0.033 | 0.857 | |
| 月份主效应 Main effect of month |
11 | 0.030 | 0.864 | |
对4个指标年平均值的单因素方差分析结果表明，不同地点红树落叶的TOC、δ13C、δ15N不存在显著差异，但大冠沙红树落叶的TN明显比山口镇英罗村的高(图 2)。
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| 同一指标中没有相同字母上标的表示相互之间差异显著 No significant difference existed between the values without the same letter superscript 图 2 不同采样点红树落叶的TOC、TN (a)和δ13C、δ15N (b) Fig. 2 TOC, TN (a), and δ13C and δ15N (b) in mangrove leaves of different sampling sites |
2.2 互花米草、条浒苔、细基江蓠的TOC、TN、δ13C和δ15N
在互花米草分布的2个地点中，仅北暮盐场互花米草的TN显著高于营盘镇青山头村，其余指标不存在显著差异(图 3)。4个地点条浒苔的TOC和δ13C均没有显著差异，北暮盐场条浒苔的δ15N显著高于竹林盐场，大冠沙条浒苔的TN显著高于北暮盐场和山口镇英罗村(图 4)。在发现细基江蓠的3个地点中，竹林盐场细基江蓠的δ13C显著高于另外两个地点，北暮盐场的细基江蓠TOC显著高于另外两个地点，不同地点的TN和δ15N则没有显著差异(图 5)。
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| 同一指标中没有相同字母上标的表示相互之间差异显著 No significant difference existed between the values without the same letter superscript 图 3 不同地点互花米草的TOC、TN (a)和δ13C、δ15N (b) Fig. 3 TOC, TN (a), δ13C and δ15N (b) in S.alterniflora of different sampling sites |
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| 同一指标中没有相同字母上标的表示相互之间差异显著 No significant difference existed between the values without the same letter superscript 图 4 不同地点条浒苔的TOC、TN (a)和δ13C、δ15N (b) Fig. 4 TOC, TN (a), δ13C and δ15N (b) in E.clathrata of different sampling sites |
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| 同一指标中没有相同字母上标的表示相互之间差异显著 No significant difference existed between the values without the same letter superscript 图 5 不同地点细基江蓠的TOC、TN (a)和δ13C、δ15N (b) Fig. 5 TOC, TN (a), δ13C and δ15N (b) in G.tenuistipitata of different sampling sites |
2.3 表面沉积物的TOC、TN、δ13C和δ15N
双因素方差分析结果表明，不同地点和月份对表面沉积物的TOC、TN、δ13C、δ15N均有显著的交互效应，但月份对4个指标的主效应均不显著，而取样地点的主效应对TOC和δ13C均显著(表 2)。对不同地点的年平均数的单因素方差分析结果见图 6，不同地点表面沉积物的TOC、TN、δ13C、δ15N分别为0.110%—0.170%、0.035%—0.047%、-16.23‰—-15.11‰、3.15‰—3.62‰，各项指标均没有显著差异(图 6)。
| 统计参数 Statistical parameters |
df | F | P | |
| TOC | 交互效应 Interaction effect |
1 | 125.648 | 0.000 |
| 地点主效应 Main effect of location |
4 | 2.889 | 0.033 | |
| 月份主效应 Main effect of month |
11 | 1.625 | 0.125 | |
| TN | 交互效应 Interaction effect |
1 | 274.286 | 0.000 |
| 地点主效应 Main effect of location |
4 | 1.849 | 0.137 | |
| 月份主效应 Main effect of month |
11 | 1.469 | 0.178 | |
| δ13C | 交互效应 Interaction effect |
1 | 3 740.090 | 0.000 |
| 地点主效应 Main effect of location |
4 | 2.629 | 0.047 | |
| 月份主效应 Main effect of month |
11 | 1.869 | 0.071 | |
| δ15N | 交互效应 Interaction effect |
1 | 610.32 | 0.000 |
| 地点主效应 Main effect of location |
4 | 1.37 | 0.260 | |
| 月份主效应 Main effect of month |
11 | 1.24 | 0.290 | |
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| 同一指标中没有相同字母标记的表示相互之间差异显著 No significant difference existed between the values without the same letter superscrip 图 6 不同采样点表面沉积物的TOC、TN (a)和δ13C、δ15N (b) Fig. 6 TOC, TN (a), δ13C and δ15N (b) in sediments of different sampling sites |
3 讨论 3.1 红树植物和互花米草的稳定性同位素含量
在本次调查中，采自山口镇英罗村和大冠沙的红树落叶δ13C分别为-28.68‰和-28.71‰，而在北海市北岸廉州湾沿岸采集的红树植物叶片、红树植物落叶、红树植物树皮的δ13C分别为-29.06‰、-28.24‰、-27.79‰[13]，北海市南北两岸红树植物的δ13C没有明显差异。就更大范围而言，不同地区的红树植物δ13C也未发现大幅差异，如东南沿海红树植物秋茄、桐花树、白骨壤叶片的δ13C分别为-27.5‰、-30.9‰、-31.4‰[10]，海南清澜港附近红树植物树皮和叶片的δ13C分别为-28.83‰和-29.73‰[12]，美国东部沿海盐沼陆生植物的δ13C平均为-28.6‰[21]。这可能是因为红树植物作为典型的C3植物，其13C含量主要取决于大气13C含量，仅在一定程度上受气候和生态因子的影响。而由于大气相对均匀，红树植物分布区域的气候和生态因子并未对红树植物13C含量差异造成较大影响。北暮盐场和营盘镇青山头村互花米草的δ13C分别为-13.55‰和-13.66‰，与江苏启东沿海互花米草的δ13C (-12.24‰)[11]、美国东部盐沼互花米草的δ13C(-13.1‰)[21]非常接近，表明作为C4植物的互花米草δ13C在不同地区的变幅较小，这与互花米草的13C含量主要取决于大气13C含量有关。
采自山口镇英罗村和大冠沙的红树落叶的δ15N分别为6.34‰和6.39‰，2个地点的含量均没有显著差异，但显著低于北岸廉州湾沿岸的红树植物叶片、落叶、树皮的δ15N(11.82‰、11.01‰、11.81‰)[13]，与海南清澜港附近红树植物树皮和叶片的δ15N (2.48‰和5.95‰)[12]也有较大差异。这是因为高等植物的氮源主要来源于土壤，土壤δ15N本身具有较大的变化幅度，可达-8‰—20‰[1]，所以不同地点同种植物的δ15N存在较大差异是正常现象。例如在美国东部盐沼，C3植物的平均δ15N仅为-0.6‰左右[21]。北暮盐场和营盘镇青山头村互花米草的δ15N分别为6.33‰和6.80‰，与美国东部盐沼中互花米草的δ15N (3.8‰)[21]有较大差异。
通过以上比较不难发现，沿海滩涂高等植物的δ13C主要受到均匀的大气影响，不同区域和地点的差异较小。而由于植物对氮同位素吸收没有分馏作用[1]，再加上土壤或滩涂沉积物的δ15N本身具有较大的变动幅度，不同区域和地点的δ15N通常存在较大差异。
3.2 大型藻类的稳定性同位素含量本研究中，不同地点条浒苔的δ13C为-18.13‰—-14.66‰，细基江蓠的δ13C为-18.25‰—-15.04‰。我国沿海大型藻类的δ13C存在一定的变动范围，江苏启东滩涂以盘苔(Blidingia minima)为主的底栖藻类δ13C为-18.49‰[11]，浙江舟山枸杞岛孔石莼(Ulva pertusa)、细枝软骨藻(Chondria tenuissima)、舌状蜈蚣藻(Grateloupia livida)、瓦氏马尾藻(Sargassum vachellianum)、羊栖菜(Hizikia fusifarme)的δ13C分别为-14.4‰、-18.0‰、-15.0‰、-18.6‰、-17.7‰[16]，海南清澜港附近大型藻类的δ13C为-17.21‰[12]，大亚湾裂叶马尾藻(Scagassum siliquastrum)、线性硬毛藻(Chaetomorpha linum)的δ13C分别为-16.16‰[17]和-16.10‰[15]，上述大型藻类的δ13C在-18.6‰—-14.4‰变动，与本次调查的情况类似。广西北海市廉州湾与本次调查的地点比较接近，仅与北海市相隔一个小型半岛，但其大型藻类的δ13C有较大差异(-23.26‰)[13]。可能是两次研究取样采集的大型藻类种类组成不一致所导致。另一个可能的原因是，大型藻类同时存在C3和C4光合碳代谢途径，会加剧其δ13C变动范围。对大型藻类而言，光合作用的C4途径是对C3途径的一系列结构和生化修饰，在某些环境胁迫下，二者可发生转变，从而在特定环境条件下提高光合效率，进而提高藻类的竞争力和生存能力[22, 23]。如在不同盐度条件下脆江蓠(Gracilaria chouae)的δ13C为-30.38‰—-27.56‰，脆江蓠可能同时存在C3和C4光合碳代谢途径，盐度的变化(尤其是高盐度胁迫)会引起光合碳代谢途径的改变[18]，进而引起δ13C的变化。廉州湾大型海藻的δ13C较高，可能是由于生物种间差异或者是采集地点生态环境的差异造成。北部湾分布有多种江蓠(包括脆江蓠)及其他大型海藻，本次调查采集仅涵盖其中2种，该现象的关键成因尚需进一步研究。
本次调查中条浒苔的δ15N为9.30‰—12.60‰，细基江蓠的δ15N为8.14‰—10.91‰，与烟台潮间带大型藻类的δ15N (6.18‰—10.99‰)[19]较为接近，高于枸杞岛大型海藻的δ15N(4.3‰—5.3‰)[16]，也高于大亚湾裂叶马尾藻的δ15N(7.17‰)[17]和海南清澜港附近大型藻类的δ15N(6.58‰)[12]。而仅隔一个半岛的廉州湾大型藻类δ15N为15.45‰[13]，明显高于本次北海市南岸的调查结果。由于植物对氮同位素吸收没有分馏作用，藻类的δ15N主要是由水体中氮源的δ15N决定。因此推测可能是由于廉州湾受到大型河流南流江带入的氮源影响较大，而南岸基本没有大型河流带入氮源，导致两地水体中氮源的δ15N存在较大差异，进而导致大型藻类的δ15N差异。
3.3 表层沉积物的稳定性同位素含量表层沉积物有机碳来源受到沿岸和潮间带植被、河流带入、浮游生物沉积和底栖生物活动的影响，在不同区域可能存在较大差异。如青岛崂山湾海泥的δ13C为-25.18‰[15]，大亚湾沉积物的δ13C和δ15N分别为-16.04‰和9.88‰[17]，海南清澜港附近表层沉积物的δ13C和δ15N分别为-22.06‰和5.93‰[12]。本次调查发现，北海市南岸潮间带滩涂表层沉积物的有机碳和氮含量非常均匀，δ13C为-16.23‰—-15.11‰，δ15N为3.15‰—3.88‰，与上述研究较为一致。而与本次调查仅隔一个半岛的廉州湾表层沉积物δ13C和δ15N差异明显，分别为-24.18‰和7.74‰[13]，可能是由于相比南岸而言，廉州湾受到大型河流南流江和陆源生物的影响较大。此外，本次调查发现南岸5个采样点的δ13C和δ15N较均匀，不同采样点之间没有明显差异，可能与南岸为开阔海域的潮间带、没有大型河流和陆源生物影响有关。
3.4 大型植物与表层沉积物的稳定性同位素含量的关系大型植物从组成均匀的大气中吸收CO2作为碳源，从表层沉积物中吸收氮源，因此其稳定同位素含量往往差异不大。本次调查发现，北海市南岸不同地点红树落叶和互花米草的δ13C和δ15N差异不明显，潮间带滩涂表层沉积物的总有机碳、总氮、δ13C、δ15N也非常均匀。一方面可能由于大气的δ13C和沉积物的δ15N存在均匀性，另一方面可能由于取样区域的地理跨度不大，不存在明显的气候条件差异。但同为南岸分布的大型藻类δ15N和δ13C出现了明显差异，可能是由于大型藻类主要从海水中吸收碳和氮，而不同采样点海水的同位素碳和氮受近岸的工农业生产活动(如海水池塘养殖等)的影响而存在差异。本次调查并未同时调查海水的δ13C和δ15N，因此造成上述差异的确切原因仍有待进一步研究。
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