不管是调查动物的食物来源,还是调查其所在生态系统中的营养级位置,传统方法都是通过直接观察、胃容物分析、食物残留物分析及其粪便分析等来实现。但传统方法所获得的信息极其有限。首先,通过直接在显微镜下解剖和观察的结果就对动物的摄食情况作出判断,其结果难以反映动物长期的摄食情况,存在一定的偶然性,因此,数据只能反映动物最近取食情况,很难调查动物的长期食性变化;其次,数据只能反映表面现象,对于有些食物,动物虽然采食了,但并没有被消化吸收,调查的资料与动物长期依赖的主要食物可能有很大偏差;再者,传统的分析方法虽对大中型动物的可操作性较好,但对一些小型动物(昆虫和土壤动物)的食性分析难度较大,并且这种方法对动物伤害比较严重、调查时间长、劳动强度大,在应用时存在很大的局限性(王建柱,2004)。与传统技术相比,稳定性同位素技术的主要优点在于样品采集对研究的生态系统影响非常小,同时也能更好地反映生态系统中物质循环和能量流动以及生物与生物、生物与环境间的中长时间尺度的变化。通过动物组织的稳定同位素组成来确定其食性和食物来源,所得到的数据反映的是生物长期生命活动的结果,较消化道内含物分析等传统方法稳定准确。动物不但对其栖息环境中植物同位素组成具有继承性,而且还整合了较长时间段内动物所采食的所有食物同位素组成的综合特征。同时,不同生态系统或同一生态系统中不同植物间都存在明显的同位素组成差异,使我们可以利用这些同位素组成的差异研究动物食物的主要来源,还可以计算出每种食物(有多种食物来源的动物)在整体食物中所占的比例,分析动物所处的营养级位置,划分复杂食物网及群落结构等(王建柱,2004)。动物的食物来源动物组织的同位素组成总是与其生活环境中所食植物组织的同位素组成相一致。当动物的栖息环境发生变化或动物迁移到一个新的生境中时,动物组织的同位素组成又会向新环境中的同位素特征转变。这样,动物组织的同位素组成就能真实地反映一段时期内动物的食物来源和栖息环境的变化(赵威,2008)。近年来,稳定同位素方法因其在调查动物食物来源方面优势显著,已得到越来越广泛的应用。例如,Romanek等(2001)利用稳定同位素(δ13C和δ15N)调查林鹤(Mycteria americana)的觅食活动,发现林鹤的食物主要以淡水生物为主。尽管生活环境中盐水生物丰富且更易捕获,但林鹤更喜欢用淡水食物来饲养它们后代,这一结果也得到用航空示踪器所调查的结果证实(王建柱,2004)。魏明瑞等(2002)研究3种植食性哺乳动物牙齿碳同位素的结果表明,被测试的动物以碳同位素值为-7‰~-3‰的C3植物作为主要食物来源,同时他们又通过对动物的牙齿形状分析,发现动物的低冠齿所指示的食性支持了牙齿釉质的碳稳定同位素所指示的食性。稳定同位素也可用来研究动物食物的季节性变化。Ben-David等(1997)分析了貂鼠(Martesa-mericana)及其可能的食物(鹿尸、田鼠、松鼠、野鼠类、蟹和鲑鱼)的δ13C和δ15N值,结果表明,虽然貂鼠有多种猎物,但貂鼠(血细胞和肌肉)的同位素特征与野鼠类的种群数量有相似的季节性变化和年变化,说明貂鼠更喜食野鼠类。尽管其他食物(如鲑鱼)常年都可捕食,只有当野鼠类的数量不足时,貂鼠才食用这些食物。Darimont和Reimchen(2002)用同样的方法调查了灰狼(Canis lupus)食物季节性变化,随着每年夏季鲑鱼(Onchorynchus )的迁移到来,灰狼的食物也发生了明显改变。用稳定同位素技术分析已经灭绝的或用常规方法难以测定的大型珍稀动物的食物来源情况,更显现出其他方法难以替代的优势。Cerling等(1999)对生活在草原和森林环境中的稀有大象的食性进行了分析,结果显示大象的同位素组成和其生活环境的植物的同位素组成很接近,说明大象为草食性动物。Hilderbrand等(1996)也对灭绝的穴居熊和棕熊骨骼的碳氮同位素进行了分析,结果与以前研究的不同,指出穴居熊不仅不是草食动物,而且它所利用的食物中肉类占41%~78%。由此可见,稳定同位素可以标记动物的食物来源。对于那些已灭绝的动物(穴居熊)或大型珍稀动物(大象),稳定同位素是研究它们的食物来源及其生活环境变迁的理想工具。另外,对于体型非常小的土壤动物、昆虫以及水生无脊椎动物,用传统方法确定它们的食物来源及食性十分困难,稳定同位素技术为解决这一难题提供了有力工具(王建柱,2004)。动物食物成分的估算对草食动物食物成分的估算,可以按下式进行:同位素地球化学式中:δ13CSA为动物食物的δ13C值;δ13CG为C3植物的δ13C平均值;δ13CCW为C4植物的δ13C平均值;PW为C4植物对草食动物食物的贡献率。利用该公式,可相对定量算出C3植物和C4植物在动物食物中的比例,也可以应用于较高的营养级,以估算C3和C4两种营养源在食物链间的传递。对食肉动物食物成分的估算,一般以下面方法进行,同时这也适用于食草动物。首先对食肉动物的δ13C和δ15N值进行校正。在食肉动物肌肉或整体的同位素测定值基础上,δ13C和δ15N值分别降低2和3(MBen-David,1996;GVHilderbrand,1996);对于虫草杂食性动物来说,δ13C和δ15N值应分别降低1和2(BRForsberg,1993)。这个下降幅度(食物与组织间的分馏效应)也可以由系统中两种稳定性同位素的富集因子来替代。进一步利用双同位素多元混合模型(dual-isotope multiple-source mixing mode1)估算食物Ai在动物食物中所占的比例FCRi。食物比例FCRi值可以由Ben-David(1997)等方法转换得到:同位素地球化学式中:ZAi是校正后动物的同位素值与食物Ai的同位素值之间的欧氏距离,由下式来计算:Z= 其中,x表示动物和各食物成分的δ13C值之差,y表示动物和各食物成分的δ15N值之差。Z值越小,说明该食物成分在动物食物中所占的比例越大。需要说明的是,在使用欧氏距离模型和其他有关同位素技术定量食性的模型时一个重要的前提就是,各食物资源的碳和氮同位素之间应存在显著性差异。欧氏距离模型有时会低估那些取食较多的食物种类,也会高估某些取食比例较低的食物资源,所以也是一个相对的食物比例,而非绝对的取食比例(易现峰,2005)。当生物有两种食物来源并且两种食物来源的同位素组成不同时,可采用以下公式评价每种食物来源在消费者食性中所占比重(以碳同位素为例):同位素地球化学式中:Kcarbon为食物A对消费者的贡献比例;δ13CA和δ13CB分别为食物A和B的碳同位素组成;Δ13C为不同营养级间碳同位素相对富集系数;δ13Cconsumer为消费者的碳同位素组成。Knitron的计算公式形同Kcarbon。此外,LSaito等(2001)还提出另外一种估算动物食物成分的方法,针对有多种(两种或两种以上)食物来源的动物,通过下述同位素质量平衡方程(isotope mass balance equation)(式18-18至式18-20)确定不同食物在动物食物中所占比例。方程如下:同位素地球化学式中:δ13Ci和δ15Ni分别是消费者的C和N同位素组成;δ13Cj和δ15Nj分别为食物的C和N同位素组成;ΔC和ΔN分别为C和N同位素分馏值;fij是不同食物在整体食物中所占比例;n代表消费者全部食物种类。自碳同位素应用于动物的食性研究以来,迄今为止,已有不少关于动物食物成分估算的研究报道。Ostrom等(1997)用C和N同位素对农业生态系统中植物(小麦、玉米和苜蓿)-蚜虫-瓢虫(Hippodamia variegata)间能量流动进行了研究,运用上述同位素质量平衡方程计算瓢虫的食物组成,结果显示,在5月份,瓢虫的食物有32%来自苜蓿,有68%来自玉米,到了8月份,其食物组成为苜蓿52%、小麦6%和玉米42%。Cormie和Schwarcz(1996)在研究北美白尾鹿(Odocoileus virginianus)食物组成时发现,即使在干季,草原上C4植物占优势,而北美白尾鹿还是很少食用C4植物(<10%)。此外,Ramsay和Hobson(1991)对北极熊(Ursus maritimeus)骨骼、肌肉和脂肪组织δ13C分析时发现,虽然北极熊一年有1/3时间活动在陆地上,但它几乎不食用陆生食物。Boutton等(1983)用碳同位素分析了东非草原上白蚁(Macrotermes michaelseni)的食物成分,并分别求出在Kajiado和Ruiru的白蚁食物中C4植物约占70%和64%。此外,Magnusson等(1999)在亚马孙中部的热带稀树草原上研究了C3、C4植物对不同动物食物的贡献,分别计算出C3、C4植物在多种动物食物中所占的比例。如蝗虫(Tropidacris collaris)食物中C3植物约占90%,两种切叶蚁(Acromyrmex latticeps nigrosetosus和Atta laevigata)食物中C3植物约占70%;两种白蚁(Syntermes mo-lestus和Nasutitermes )主要以C4植物为食,而以白蚁为食的青蛙和蜥蜴有超过50%食物源于C4植物;杂食啮齿动物(Bolomys lasiurus)大约有60%食物来自C3植物。值得注意的是,在调查动物食物来源和不同食物在其食物中所占比例时,各食物的同位素组成必须有明显的差异(王建柱,2004),而且还应注意“同位素印迹(isotopic routing)”的现象(HPSchwarcz,1991),也就是同位素组成不同的食物在进入动物组织时,并不是先进行充分混合,然后平均分配到动物的不同组织或组织的不同组分中去,而是不同食物会直接进入动物的特定组织或部位(LLTieszen,1983)。虽然“同位素印迹”现象还没有得到更多的研究确认,但有研究表明同位素印迹现象确实存在(LZGannes,1998;SBearhop,2002)。这可能导致动物组织并不能反映其整体的食物组成,也使得利用动物组织同位素组成来研究动物食物来源变得更为复杂(王建柱,2004)。要使动物组织同位素组成能更准确地反映其食物组成,还需要更深入地研究动物组织的同位素组成与其食物成分同位素组成间的关系,特别是当动物食物发生转变时,动物组织同位素组成的动态平衡特征的变化(McCutchan Jr JH,2003;LIWassenaar,2001)。动物的营养级位置营养级关系是群落内各生物成员之间最重要的联系,是群落赖以生存的基础,也是了解生态系统能量流动的核心。食物则是研究营养结构中一个重要的不可回避的问题,所以在研究群落时,首先把注意力集中在食物的生产和消耗上。群落的营养级关系就是指生物有机体以什么作为食物,以什么方式获取营养来维持自己的生长和繁衍。用通俗的话讲,就是生物有机体取食什么,又被什么有机体所捕食。正是这种营养级关系以及由此得出的能量流动途径,形成了生物系统的营养级结构。群落中各种生物有机体在食物链或食物网中所处的位置,亦即储存于有机体内的物质和能量作为其他有机体的营养和能量,而沿食物链移动的过程中暂时停留的位置,叫做营养位置或营养水平(trophic position或trophic leve1)。它实际上是把食物网错综复杂的取食关系简化为物质和能量移动的级别关系,营养位置的分类是机能的分类,而不是简单的物种分类(易现峰,2005)。近年来,碳、氮同位素技术被应用于分析生态系统中的营养级关系,是较为实用、准确和简单的一种方法。稳定性同位素技术是基于生物体内天然存在的同位素比值与它们食物密切相关这一原理建立起来的(易现峰,2005)。动物体内同位素组成的变化通过代谢过程完成,消费者最初获得的营养来自于植物,因而植物的同位素分布模式必将影响到动物的组成。生物的新陈代谢会引起同位素的分馏,使15N、13C同位素在生物体内进一步富集,这样逐级富集重同位素从而实现了不同营养级间同位素的富集作用。一般而言,动物的δ13C值较它们的食物约富1~2左右。陆地和水生生态学的研究表明,δ13C有随营养级的升高而增加的趋势,从而为食性研究提供了理论基础和前提条件。δ13C和δ15N在营养级间的富集通常分别为1‰~2‰和3‰~4‰(KAHobson,1992;GVHilderbrand,1996),因此顶级捕食物种(top predator)组织内13C和15N的浓度是最高的。测定消费者组织中的同位素,就可以推断它们的食物信息以及在生态系统中的营养级位置。在动物营养级关系研究中,因为δ15N的富集更为明显(通常为3‰~4‰),所以δ15N更多地用于评价消费者在食物网中的营养级位置,其次是13C,也有一小部分应用D。很多研究表明,在一定环境条件下,动物组织δ15N值在相邻营养级间差异(Δ15N)明显,且比较恒定,Δ15N大约为0‰~0‰。这样,测得已知相邻营养级间动物组织δ15N值,就可以划分动物的营养级位置,公式如下:同位素地球化学式中:δ15Nbase是食物链底层生物N同位素组成(即初级生产者);Δ15N是相邻营养级同位素分馏值,即Δ15N=δ15Nconsumer-δ15Ndiet;当λ=1时,是初级生产者,λ=2时,是严格意义上的草食动物。值得注意的是,δ15Nbase和Δ15N值随环境条件不同(不同地理位置)、生态系统的不同(陆地或海洋生态系统)而有所不同。Δ15N值应从实际捕食关系中(观察到的)或是统计学角度(与主要食物间的差值)确定。而且当λ>2时,营养级通常不是整数,也就是说消费者消费的不单是同一营养级食物(王建柱,2004)。当消费者利用两种δ15N不同的食物来源时(例如杂食性鱼类同时利用敞水区和沿岸带食物),应用其中一种食物的δ15N作为评价消费者营养级的基值显然是不妥的。因此,为了同时考虑δ15Nbase的空间异质性,消费者的营养级位置的计算公式为同位素地球化学式中:α为两种食物来源中一种对消费者氮的贡献比例;δ15Nbase1是食物链底层第一种生物的N同位素组成;δ15Nbase2是食物链底层第二种生物的N同位素组成。生物中δ15N值受食物源和生物的新陈代谢两方面因素的影响。生物的新陈代谢会引起同位素分馏,使15N同位素在生物体内进一步富集,这样逐级富集重同位素从而实现了不同营养级间同位素的富集作用。一些研究表明,动物组织δ13C值随营养级位置增加而增大(McCutchan Jr JH,2003),可以与Δ15N一起作为动物营养级位置指标(PJWOlive,2003)。但有些研究认为相邻营养级间δ13C值的差值(Δ13C)较小,约为4‰~0‰,使δ13C值在动物营养级研究方面的应用受到限制(BJPeterson,1987)。与传统方法相比,稳定同位素技术在研究动物群落结构方面有如下优点:①稳定同位素技术可以连续地测出食物网中动物的营养级位置,从而克服了传统方法营养级只有整数的缺点,比较真实地反映了动物在食物网及群落中的位置及作用;②用稳定性同位素技术所得到的营养级关系,反映了动物间捕食与被捕食相互作用的长期结果,而不是某一偶然的捕食关系;③稳定同位素方法在研究小体型(昆虫和土壤动物)及复杂动物群落结构(水生动物)时更显其优越性,使我们可以真正地弄清这些动物在生态系统能量流动过程中的作用。Cabana和Rasmussen(1994)对高营养层次鱼类———湖鳟营养级的研究是一个相当典型的例子。他们在24个加拿大地盾湖泊(Shield lakes)中测得成年湖鳟的δ15N值范围非常宽(5‰~5‰),对一个生物种属来说这样的氮同位素组成范围太宽,按照每一营养级氮同位素的富集度+5‰来计算,它几乎横跨了3个营养级,如何来认识这一现象呢?进一步的研究证明在这些不同的地盾湖泊中有不同的食物网结构,有的食物链短,有的食物链长。在短食物链湖泊中没有糠虾和饵料鱼,所以,湖鳟只能主要直接摄食浮游植物和底栖生物;而在另一些有糠虾和饵料鱼的食物链中,湖鳟就主要摄食糠虾或饵料鱼。因此,在食物链的两个中间营养层次有或没有的不同情况下,湖鳟可以处于不同的营养层次上,所以会显示出宽的δ15N值范围。这实际上证明杂食性是食物网的一种重要特性。赵亮(2004)根据稳定性同位素技术原理建立了高寒草甸生态系统中动物的营养级模型,根据模型计算得出7种动物在高寒草甸生态系统中的营养级如表18-1所示。表18-1 高寒草甸生态系统7种动物的营养级(引自赵亮,2004)值得考虑的是,在研究动物营养级位置时,虽然稳定同位素在划分一些复杂食物网和群落结构(如蚁类和鸟类群落)时具有很大优势,但应该注意到,在研究不同生态系统动物群落时一定要选择一个适当的同位素基线(isotopic baseline)。因为不同环境中,动物赖以生存的C源(δ13Cbase)和N源(δ15Nbase)的同位素组成差异很大,没有一个适当的同位素基线,单从动物组织同位素组成是无法估计动物所处的营养级位置的(DMPost,2002)。