譚文卓，李 斌，王玉玉，肖雅渝，陸修遠，楊梨萍，雷光春**，蔡教慧，何木盈

(1：北京林業(yè)大學生態(tài)與自然保護學院，北京 100083)

(2：湖南洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，常德 415923)

(3：西洞庭湖國家級自然保護區(qū)管理局，常德 415923)

淡水生態(tài)系統(tǒng)是世界上最受威脅的生態(tài)系統(tǒng)，由于棲息地退化、水文節(jié)律變化、全球氣候變暖、過度捕撈、水污染和生物入侵，淡水生物多樣性的喪失速率遠超陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)[1-2]. 生物入侵作為全球變化的重要組成部分，對環(huán)境及社會經(jīng)濟產(chǎn)生了嚴重的負面影響[3]. 通過量化不同人類活動干擾強度下外來入侵物種和本土物種的食性組成差異，有助于明確入侵種的入侵機制以及環(huán)境效應，對于制定科學的管理對策具有重要的意義.

克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)原產(chǎn)于美國中南部和墨西哥東北部[4]，屬節(jié)肢動物門(Arthropoda)甲殼綱(Crustacea)十足目(Decapoda)螯蝦科(Cambaridae)，俗名小龍蝦，是淡水生態(tài)系統(tǒng)中極具破壞力和廣泛分布的入侵物種. 克氏原螯蝦1920s初作為牛蛙餌料由美國引進到日本的本州[5]，后于1929年從日本引入中國南京，并迅速傳播到中國大部分省份，并于1980s初開始成為我國水產(chǎn)養(yǎng)殖品種[6]. 目前已在全國13個省份調(diào)查到克氏原螯蝦野外種群，其高度適宜棲息地集中在長江中下游[7]，而該區(qū)域原先并無十足目螯蝦科的動物生存. 盡管在全球范圍內(nèi)克氏原螯蝦已入侵到除大洋洲外四大洲的40個國家，但早期的發(fā)表論文主要是關(guān)注克氏原螯蝦的人工養(yǎng)殖方法，在2000年左右才開始將其作為入侵物種來研究，目前約25%已發(fā)表研究論文關(guān)注的是其入侵引起的生態(tài)問題[6].

日本沼蝦(Macrobrachiumnipponensis)同隸屬于甲殼綱十足目，分屬于長臂蝦科(Palaemonidae)，為本土種，廣泛分布于我國淡水湖泊及河流中，是長江中下游地區(qū)許多湖泊和河流中蝦類資源的優(yōu)勢種類[8-10]. 克氏原螯蝦與日本沼蝦同為甲殼綱十足目動物[11-12]，食性分析結(jié)果表明克氏原螯蝦的食物來源包括浮游動物、大型水生植物、底棲動物、有機碎屑等[13]. 日本沼蝦主要攝食固著藻類、植物碎片、有機碎屑、底棲動物、浮游動物和魚蝦[14]. 根據(jù)食性分析結(jié)果可知日本沼蝦與克氏原螯蝦的食性有所重疊. 此外還發(fā)現(xiàn)在人工養(yǎng)殖環(huán)境下，當克氏原螯蝦出現(xiàn)時，日本沼蝦不僅降低其活動水平，還會通過改變其空間利用從而遠離克氏原鰲蝦[15]. 例如，張燕萍等調(diào)查發(fā)現(xiàn)在2009-2013年，鄱陽湖克氏原螯蝦捕撈產(chǎn)量已經(jīng)占到蝦類捕撈總產(chǎn)量的50%以上[16]. 與此同時，對比2013和1998年鄱陽湖日本沼蝦種群調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)日本沼蝦種群數(shù)量出現(xiàn)減退趨勢，其產(chǎn)量和個體大小呈明顯下降趨勢[17-18]. 但目前對于野外環(huán)境下二者共存時食性組成的研究較少，對于長江中下游淡水湖泊中入侵種克氏原螯蝦與本土種日本沼蝦之間的營養(yǎng)關(guān)系尚不清楚. 該區(qū)域入侵種與本土種的食性偏好在不同人類活動強度的棲息地中是否存在差異，這一差異是否會影響該區(qū)域中本土種的生存有待探討. 在長江流域“十年禁漁”期間，如何避免克氏原螯蝦因其適應能力強、數(shù)量多和分布范圍廣從而成為影響該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)相互作用的關(guān)鍵種，亟需科學指導.

穩(wěn)定同位素分析技術(shù)已成為評估水生生態(tài)系統(tǒng)中資源利用、食物組成、營養(yǎng)相互作用、營養(yǎng)級和估算食物網(wǎng)功能的重要方法[19]. 這種方法與傳統(tǒng)的食性分析相比可以反映動物在較長時間內(nèi)同化的食物來源，可以用以推斷種間競爭強度[20-21]. 目前主要根據(jù)碳、氮穩(wěn)定同位素比值建立混合模型來研究消費者食性[22]. 其中貝葉斯混合模型由于集合了各潛在食物來源穩(wěn)定同位素組成的變異性，允許納入先驗信息，因而可以更加準確地估算各來源對消費者的貢獻比例[23]. 此外，利用穩(wěn)定同位素混合模型量化食物來源對消費者貢獻過程中的常見問題是來源過多，使得模型量化可信度下降[24-25]. 根據(jù)消費者攝食偏好和生態(tài)系統(tǒng)中食物資源豐富度等先驗信息對多種食物來源分類組合，可以簡化科學問題，控制源的數(shù)量，提高模型可信度，降低不確定性，已成為常用手段[25-26].

長江中下游地區(qū)人口密集，濕地利用強度大，由于圍墾、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水利工程設施建設等人類活動引起區(qū)域景觀格局破碎化，濕地退化明顯[27-28]. 在該區(qū)域第二大淡水湖洞庭湖中，地勢最高的西洞庭湖區(qū)，曾通過挖溝抬壟種植了大量楊樹[29]. 楊樹種植區(qū)域本土濕生植物比例顯著降低[30]，水鳥和魚類數(shù)量大幅減少[31-32]. 雖然當前核心區(qū)域楊樹已經(jīng)被砍伐，但是造林時抬壟留下的溝渠人為地打破了洲灘與低洼地、淺水湖面等濕地景觀的水文連通，切斷了湖水的自然流動，現(xiàn)已成為克氏原螯蝦藏身的重要區(qū)域. 本研究將通過碳、氮同位素分析技術(shù)，運用貝葉斯混合模型，比較克氏原螯蝦與日本沼蝦在西洞庭湖改造濕地與天然濕地間的食性差異，為西洞庭湖濕地恢復工作提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

西洞庭湖(28°47′～29°7′N，111°57′～112°17′E)位于湖南省常德市漢壽縣境內(nèi)，承接松滋、虎渡、藕池三口和沅、澧兩水五支入流，是洞庭湖水文過程最復雜的區(qū)域，也是地勢最高的區(qū)域[29]，屬于國家級自然保護區(qū)，并于2002年被列入國際重要濕地. 區(qū)域內(nèi)主要生境類型有：水域、泥灘、蘆葦灘地、草灘、人工改造溝渠[31]. 其中人工改造溝渠區(qū)域受到人為干擾影響較大，其與湖區(qū)橫向水文連通性降低，枯水期水位穩(wěn)定[33-34]. 本研究區(qū)域為西洞庭湖的天然濕地(水域)和人類活動強度最大的改造濕地(人工改造溝渠區(qū)域).

1.2 樣品采集與處理

2017年8月8-18日，在西洞庭湖湖區(qū)用地籠(長度：30 m，寬度：20 cm，高：20 cm，網(wǎng)目尺寸：10 mm)進行克氏原螯蝦和日本沼蝦樣品采集. 在24個采樣點采集到了克氏原螯蝦，其中分布在人工改造濕地中的樣點為17個，分布在天然濕地中的樣點為7個(圖1). 每個采樣點的地籠放置時間為24 h，均在第2天上午9:00-10:00段收集. 樣品采集后將帶回實驗室進行鑒定、計數(shù)和稱重，記錄克氏原螯蝦和日本沼蝦每網(wǎng)捕撈數(shù)量. 由于克氏原螯蝦和日本沼蝦個體發(fā)育過程中幼體和成體食性會發(fā)生轉(zhuǎn)變[11,35-36]，為避免這一因素的影響，因而從漁獲物中隨機選擇個體大小相近的克氏原螯蝦和個體大小相近的日本沼蝦樣品的體長和體重并冷凍留作穩(wěn)定同位素分析，分別為66和25個.

圖1 西洞庭濕地樣品采樣點示意

在使用貝葉斯混合模型分析消費者的食物來源前，根據(jù)對克氏原螯蝦胃含物中食物組成[37-38]和西洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有食物資源情況采集了來自湖泊浮游層和底棲層的潛在食物來源并歸為5類，分別為：浮游動物、浮葉植物、底棲動物、沉水植物以及由濕地挺水植物碎片組成的凋落物. 由于調(diào)查區(qū)域底質(zhì)多為泥質(zhì)底，因而未采集到底棲附著藻類. 使用孔徑為0.15 mm的浮游動物網(wǎng)現(xiàn)場過濾水樣10 L收集到聚乙烯采樣瓶中，帶回實驗室鏡檢后通過Whatman GF/C濾膜(孔徑1.2 μm)過濾，取濾膜做為浮游動物樣品[39]. 浮游動物主要包括橈足類哲水蚤目(Calanoida)和劍水蚤目(Cyclopoidea). 在天然和人工改造濕地中采集的浮葉植物均為鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes). 使用采草夾定量采集湖區(qū)常見大型維管束植物，帶回實驗室分類鑒定稱重后，留取金魚藻(Ceratophyllumdemersum)樣品用于穩(wěn)定同位素分析[40]. 使用彼得遜采泥器采集表層0～15 cm底泥，帶回實驗室進一步清洗分類鑒定稱重后，留取大型底棲無脊椎動物銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa). 使用孔徑為0.425 mm的抄網(wǎng)采集地籠周邊凋落物.

在各樣點使用手持式聲納測深儀SM-5A(美國Weatherhawk)測量水深，使用賽氏盤測量水透明度，使用YSI水質(zhì)儀測量電導率、pH、水溫和氧化還原電位. 采集5 L水樣帶回實驗室中分別使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-1989)、過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法(GB11893-1989)和熱乙醇法測定水體總氮、總磷和葉綠素a濃度[41].使用0.45 μm濾膜過濾500 mL水樣后105℃烘干至恒重，測定濾膜質(zhì)量差獲得各樣點懸浮固體濃度.

1.3 穩(wěn)定同位素分析

用解剖刀切取克氏原螯蝦和日本沼蝦的尾部肌肉以及銅銹環(huán)棱螺的腹足. 上述樣品和凋落物、鳳眼蓮、金魚藻、浮游動物樣品均在烘箱中保持60°C干燥至恒重后，用研缽和研杵研磨成均勻的粉末，稱重后包入錫膠囊中以進行穩(wěn)定同位素分析. 穩(wěn)定同位素分析在中國科學院水生生物研究所進行，所用儀器為美國Thermo 公司的 Carlo Erba EA-1110 元素分析儀與Delta Plus Finnigan 同位素質(zhì)譜儀. 同位素比值δ13C和δ15N(‰)計算公式為：

δX= [(Rsample/Rstandard)-1]×1000

(1)

式中，X為13C或15N，R為對應的13C /12C或15N /14N. δ13C的測定參考標準是Pee Dee Belemnite石灰石，δ15N 的測定參考標準是大氣氮. 根據(jù)實驗室標準品(尿素)的重復數(shù)據(jù)，觀察到δ13C和δ15N的分析精度分別為±0.1% 和±0.3%. 由于樣品脂質(zhì)含量低(所有樣品的C∶N <3.5)，肌肉組織的脂質(zhì)含量未校正[42]. 測定克氏原螯蝦、日本沼蝦、銅銹環(huán)棱螺、凋落物、鳳眼蓮、金魚藻和浮游動物樣品分別為66、25、28、5、10、4和6個.

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

使用R語言的SIAR軟件包siarmcmcdirichletv4 指令，選擇默認迭代次數(shù)200000，應用貝葉斯混合模型來估算5種潛在食源對克氏原螯蝦及本土種日本沼蝦食性組成的貢獻比例[24,43]. 針對本研究的十足綱甲殼動物設定碳穩(wěn)定同位素的營養(yǎng)富集因子為1.3%±0.3%，氮穩(wěn)定同位素的營養(yǎng)富集因子為3.4%±1%[44]. 對于不同類型濕地中采集的相似生態(tài)位動物，其δ13C區(qū)間(最大值與最小值的差值)反映了消費者利用食物資源的多樣性，而δ15N區(qū)間反映了消費者營養(yǎng)級的多樣性[45]，可以用來說明群落的營養(yǎng)生態(tài)特征.

使用IBM SPSS Statistics 23進行t檢驗分析天然濕地和人工改造濕地中克氏原螯蝦和日本沼蝦體長、體重以及兩種消費者和5種潛在食物來源的δ13C和δ15N比值差異.

2 結(jié)果

2.1 不同類型棲息地中環(huán)境因子差異

2017年8月所調(diào)查的人工改造濕地與天然濕地相比水深較淺，透明度較大，電導率較大，pH值較低，懸浮固體、總氮、水體葉綠素a濃度較高，總磷濃度較低，克氏原螯蝦每網(wǎng)捕撈數(shù)量較多，日本沼蝦每網(wǎng)捕撈數(shù)量較少，沉水植物生物量較低，其中pH值和沉水植物生物量具有顯著差異(表1).

表1 天然濕地和改造濕地的環(huán)境因子差異*

2.2 不同類型棲息地中克氏原螯蝦和日本沼蝦碳、氮穩(wěn)定同位素比值差異

兩種棲息地中，兩種消費者和5種潛在食物來源的碳、氮穩(wěn)定同位素比值如圖2所示，其中僅浮游動物δ15N比值(P=0.004)，金魚藻δ13C和δ15N比值(均為P< 0.001)存在顯著差異. 克氏原螯蝦在改造濕地中的穩(wěn)定同位素比值與日本沼蝦重疊更多. 與天然濕地相比，克氏原螯蝦體長在兩種棲息地中無顯著差異，但是其平均體重在改造濕地中顯著小于天然濕地(表2). 日本沼蝦體長和體重在改造濕地中均顯著小于天然濕地中(表2). 克氏原螯蝦和日本沼蝦δ13C比值在兩種棲息地中差異顯著，克氏原螯蝦δ15N比值在兩種棲息地中無差異顯著，而日本沼蝦δ15N比值在改造濕地中顯著低于天然濕地(表3).

表2 不同濕地類型中克氏原螯蝦與日本沼蝦的體長、體重差異

表3 克氏原螯蝦與日本沼蝦的穩(wěn)定同位素比值差異

圖2 天然濕地(a)和改造濕地(b)中克氏原螯蝦和日本沼蝦及食物來源碳、氮穩(wěn)定同位素比值

2.3 不同類型棲息地中克氏原螯蝦和日本沼蝦的食性差異

克氏原螯蝦在天然濕地中對于5種潛在食物來源沒有明顯的選擇傾向，但是在改造濕地中對于凋落物和鳳眼蓮的取食比例提高(圖3a). 日本沼蝦在改造濕地中對沉水植物金魚藻的取食比例提高(圖3b). 總體而言，克氏原螯蝦與日本沼蝦的食物選擇均發(fā)生了改變，克氏原螯蝦的主要食物來自凋落物和鳳眼蓮，而日本沼蝦提高了對金魚藻的取食比例(圖3).

圖3 克氏原螯蝦(a)和日本沼蝦(b)在天然濕地和改造濕地中的食性組成

3 討論

3.1 不同類型棲息地水環(huán)境及碳、氮同位素值差異

已有研究表明克氏原螯蝦入侵會對沉水植物產(chǎn)生負面影響，顯著減少沉水植物的密度[5,46-47]，影響光合作用強度導致對水體中溶解二氧化碳的消耗減少，從而降低水體的pH值. 此外，改造濕地中周邊楊樹落葉導致水體腐殖質(zhì)過多，周邊農(nóng)業(yè)活動中化肥隨地表徑流進入溝渠也是導致水體pH降低的潛在原因[48]. 克氏原螯蝦的爬行和掘洞行為會擾動表層沉積物，從而導致表層沉積物再懸浮，使得更多離子釋放到水中，水體電導率升高，濁度增加，總懸浮固體濃度增大，葉綠素a濃度升高[47,49-50]，加速水體由“清水”向“濁水”轉(zhuǎn)變. 克氏原螯蝦通過對棲息環(huán)境和沉水植物的破壞改變水體氮、磷營養(yǎng)鹽濃度[51]，從而增加了浮游植物的生物量導致葉綠素a濃度提高. 在本研究中，改造濕地沉水植物生物量顯著低于天然濕地，光合作用強度低，對溶解二氧化碳利用減少少，導從而致水體pH值在兩類濕地中存在顯著差異. 改造濕地中水體與外界交換頻率低，水位變動小，受水體pH值、溶解無機碳濃度和外源輸入的影響金魚藻δ13C比值在天然濕地中顯著偏低[52]，由于含氮化肥的輸入改造濕地中浮游動物和金魚藻δ15N比值在天然濕地中顯著偏低[53].

3.2 不同類型棲息地中克氏原螯蝦和日本沼蝦的食性差異

在兩種棲息地中克氏原螯蝦與日本沼蝦食性均有重疊，與克氏原螯蝦相比，日本沼蝦消費更多的動物性食物，與Mao等基于穩(wěn)定同位素的分析結(jié)果一致[54]. 在改造濕地中由于食物資源可獲得性的變化，日本沼蝦和克氏原螯蝦轉(zhuǎn)向更多取食植物性食物. Zhang等對日本沼蝦的研究發(fā)現(xiàn)，在水流較緩的水庫中要比在南水北調(diào)干渠流動水體中更依靠來自底棲層的碳源[55]. 入侵生物通常具有高度適應能力，可以通過改變食性偏好來適應棲息地變化，從而成功入侵和對本土生物產(chǎn)生影響[35]. 在改造濕地中日本沼蝦的δ15N顯著下降與其食性中動物性食物來源減少引起營養(yǎng)級下降有關(guān). 而雖然食物組成發(fā)生了變化，克氏原螯蝦在兩種棲息地中的δ15N值無顯著變化.

在天然濕地中克氏原螯蝦和日本沼蝦群落的δ13C區(qū)間小于改造濕地，說明在天然濕地中二者的食物來源范圍較小. 在改造濕地中，由于克氏原螯蝦和日本沼蝦擴大了食性范圍，更多依賴植物性食物導致營養(yǎng)級位置降低.這與這兩種十足目動物均為雜食性動物有關(guān)[56-58]. 對非洲河流的研究發(fā)現(xiàn)，本土蟹(Potamonautesloveni)在克氏原螯蝦入侵后營養(yǎng)生態(tài)位空間被擠壓，生長速率減緩，最終出現(xiàn)滅絕[59]. 在天然濕地中克氏原螯蝦和日本沼蝦群落的δ15N區(qū)間大于改造濕地，說明在天然濕地中二者取食更多營養(yǎng)級的食物來源.對西洞庭湖人工改造濕地魚類和底棲動物的研究發(fā)現(xiàn)，改造后的濕地水深較淺，水體流速緩慢，電導率高，水生生物多樣性顯著低于天然濕地[60-61]. 對濕地的人為干擾加劇了本土種利用資源的限制，消費者擴大了其食性范圍，從而影響消費者之間營養(yǎng)關(guān)系的變化.

4 小結(jié)

受到人類活動的影響，由于和湖區(qū)橫向的水文連通被切斷，導致改造濕地棲息地中水生生物生存空間狹小，克氏原螯蝦密度較大，使得同時生活在其中的日本沼蝦的取食空間受到擠壓，種間競爭增強. 在改造濕地中克氏原螯蝦和日本沼蝦δ13C都顯著升高，食物中植物性食物來源比重增加，但僅表征日本沼蝦營養(yǎng)級位置的δ15N值出現(xiàn)了顯著降低. 本研究說明濕地退化克氏原螯蝦數(shù)量增多會對本土十足目動物日本沼蝦的食性組成產(chǎn)生影響.