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

Carbon Stable Isotopeanalyzes Studies Energy Flux in Food Web

ABSTRACT: Stable isotopehas been widely used in various fields in ecology studieswith the development of science and technology.Stable isotope can provide rapider and more objective analysis when researching energy flux relationship in the food web. In the process of this experiment, we analyze the energy flux relationship in the food web of the chosen areas that are destroyed by human beings or affected by other factors by means of carbon stable isotope technology, with the aim of researching the energy flux relationship among population in this area, consequently we can adopt reasonable protective measures in this areas.

KEY WORDS: Carbon stable isotope；food web；energy flux；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、Finnigan MAT DELTA PLU SXL同位素质谱仪、元素分析仪、比集运量质谱仪（Finnegan Mat,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