基于穩(wěn)定同位素分析的洞穴陸生動物食物來源及營養(yǎng)級研究

基于穩(wěn)定同位素分析的洞穴陸生動物食物來源及營養(yǎng)級研究

生態(tài)系統(tǒng)之間的物質(zhì)循環(huán)和能量流直接或間接地驅(qū)動著生態(tài)系統(tǒng)的功能。食物網(wǎng)和營養(yǎng)級的傳統(tǒng)研究方法有野外直接觀察、室內(nèi)培養(yǎng)實驗觀察、胃/腸內(nèi)容物分析等方法,這些方法直觀、快速,但工作量大,難以用于小型動物,且僅能提供近期攝食信息,不能提供攝食史和同化作用(碳、氮穩(wěn)定同位素廣泛應用于洞外生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)和營養(yǎng)級的研究,涉及海洋(荔波地處貴州省最南部,境內(nèi)洞穴數(shù)量多,洞穴動物豐富。該地區(qū)洞穴生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在動物分類、動物群落結構及其與環(huán)境的關系(1.1水浦村第5號小區(qū)洞,空氣單株,以高10m的低碳帶2016年10月,在荔波縣玉屏鎮(zhèn)選擇水江洞、龍宮洞、雙龍洞3個代表性洞穴(規(guī)模大,受人為干擾小)進行研究。根據(jù)光照強度,各洞穴分別劃分為有光帶、弱光帶、黑暗帶(水江洞位于水浦村,洞口位置25°33′N,107°55′E,海拔556m。洞口高40m,寬20m。有光帶采樣時的溫度、濕度、土壤含水率的均值分別為22℃、88%、14.9%,弱光帶分別為18℃、96%、21.1%,黑暗帶分別為18℃、98%、19.6%。龍宮洞位于水浦村,洞口位置25°31′N,107°55′E,海拔684m。洞口高30m,寬50m。有光帶采樣時的溫度、濕度、土壤含水率的均值分別為21℃、92%、15.7%,弱光帶分別為18℃、98%、13.3%,黑暗帶分別為15℃、99%、10.9%。雙龍洞位于水豐村,洞口位置25°26′N,107°48′E,海拔843m。洞口高10m,寬20m。有光帶采樣時的溫度、濕度、土壤含水率的均值分別為18℃、96%、20.5%,弱光帶分別為19℃、92%、33.9%,黑暗帶分別為20℃、88%、41.4%。1.2材料的采集和處理在每個光帶各布設5個梅花型樣方進行樣品采集,樣方調(diào)查總面積不小于該光帶總面積的25%。植物采集及處理:弱光帶和黑暗帶光照強度弱或完全黑暗,無高等植物分布,故僅在有光帶采集植物。在有光帶樣方內(nèi)或其附近采集整株生長較好的植物,裝入牛皮紙袋帶回實驗室鑒定分類。鑒定后的樣品先用去離子水沖洗去除表面吸附的塵土和顆粒物,然后105℃下殺青30min,再60℃烘箱烘干,取出研磨過100目篩。苔蘚植物因植株小,故將其整體研磨。其他植物樣品按根、莖、葉等器官分開研磨,然后再把每株植物按相同重量的根、莖、葉混合為1個小樣品,再將他們按分類單元歸類為蕨類植物、單子葉植物、雙子葉植物。動物采集及處理:采集樣方內(nèi)及距離樣方較近兩洞壁(較低處)肉眼可見的動物,75%的酒精浸泡保存帶回實驗室鑒定分類。鑒定后的樣品先用去離子水沖洗去除表面吸附的塵土顆粒物和酒精,然后60℃烘箱烘干至恒重,取出研磨。翼手類是將肌肉、內(nèi)臟、皮膚、骨骼分別處理后再等重量混合為1個小樣品。土壤采集及處理:在樣方內(nèi)梅花型采集洞底土壤(0–10cm深)1kg。土壤烘干、研磨、過100目篩,然后等量分為2份。一份用1mol/L的HCL酸化(消除無機碳影響),去離子水沖洗、烘干,用于測定δ1.3同位素比率測定樣品在中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室測定,儀器為MAT253同位素比率質(zhì)譜儀。碳、氮穩(wěn)定同位素測試標準物分別為V-PDB和空氣中的氮氣。每個樣品測定3個平行樣,測試6個樣品后加測2個標準樣,儀器測量誤差小于0.01‰。本研究未采集到軟體動物活體,均為螺殼。在分析軟體動物δ式中,δ1.4食物貢獻率的計算穩(wěn)定同位素多元線性混合模型可以估算兩種及以上食物對動物的相對貢獻率,公式如下(Saitoetal,2001):式中,δ1.5營養(yǎng)級tl估算營養(yǎng)級時,需要選擇基準物,它通常為初級生產(chǎn)者\初級消費者\碎屑等(式中,TL表示生物的營養(yǎng)級;δ采用SPSS19.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,檢驗樣品間碳氮穩(wěn)定同位素組成的差異,使用Origin9.1繪圖。2.1動物優(yōu)化動物洞穴基礎碳源植物、土壤有機質(zhì)的δ植物δ土壤有機質(zhì)的δ3個洞穴內(nèi)共采集動物59種,隸屬4門8綱18目37科。因部分物種達不到檢測的量,故以科為單元測定其δ洞穴動物δ部分消費者與所測定的食物源(或有機碳源)之間的δ同一動物類群在同一洞穴不同光帶或不同洞穴同一光帶中的δ2.3不同種類植物的食物源貢獻率洞穴基礎碳源對動物食物源的貢獻率見圖2,其中動物的δ苔蘚植物對動物食物源貢獻率為0–36.1%,蕨類植物為0–26.2%,單子葉植物為0–23.5%,雙子葉植物為0–22.1%,土壤有機質(zhì)為8.6%–100.0%。除了大蚊科、夜蛾科以及鉆頭螺科和雙龍洞的漏斗蛛科外,土壤有機質(zhì)對78.3%的動物類群食物源貢獻率大于50.0%。其中,土壤有機質(zhì)對蟻蛉科(幼蟲)食物源貢獻率最高,其范圍高達94.9%–100.0%。相較而言,洞穴內(nèi)4類植物對大蚊科食物源總貢獻率最高其范圍為72.2%–91.4%,其次對夜蛾科食物源總貢獻率也較高,為67.6%?？傮w來說,洞穴土壤有機質(zhì)對大部分洞穴動物的食物源的貢獻率高于植物,是洞穴消費者的主要食物基礎。2.4消費者的營養(yǎng)級范圍洞穴內(nèi)各動物類群的營養(yǎng)級計算結果見表3。各洞穴陸生動物營養(yǎng)級范圍:水江洞為1.01–5.03,龍宮洞為1.15–4.01,雙龍洞為1.04–5.32。各動物類群的營養(yǎng)級:巨蚓科為1.26;螺類為1.01–2.49(均值1.57);潮蟲科為1.74;蜘蛛為1.48–5.32(均值2.80);刺盲蛛科為3.71;蚰蜒科為2.53–3.46(均值2.89);馬陸為1.04–1.99(均值1.49);蜚蠊科為1.65–2.61(均值2.13);蠼螋科為2.28–4.00(均值3.13);駝螽科為1.79–3.74(均值2.69);蟻蛉科(幼蟲)為2.79–2.94(均值2.87);大蚊科為1.15–2.23(均值1.83);夜蛾科為1.12–2.59(均值1.74);蝙蝠為2.74–3.00(均值2.87)。綜上,在荔波玉屏洞穴陸生生態(tài)系統(tǒng)中,消費者的營養(yǎng)級范圍為1.01–5.32。巨蚓科、螺類、潮蟲科、馬陸、大蚊科、夜蛾科主要處于第2營養(yǎng)層次(初級消費者);蚰蜒科、蟻蛉科(幼蟲)、蝙蝠處于第3營養(yǎng)層次;蜚蠊科處于第2–3營養(yǎng)層次;駝螽科、蠼螋科處于第2–4營養(yǎng)層次;蜘蛛處于第2–5營養(yǎng)層次。由此可見,大部分同一類群的動物在洞穴中所處的營養(yǎng)級位置較穩(wěn)定,少部分同屬于一個類群的動物在不同洞穴或同一洞穴不同光帶所處的營養(yǎng)級位置有差異,尤其是蜘蛛差異最大,跨度3個營養(yǎng)級。3.1洞穴固碳源ii洞外陸生植物主要包括C一般認為,土壤中的有機碳主要來自于陸生植物,土壤有機碳中δ3.2洞穴動物本研究洞穴動物的δ穩(wěn)定同位素生態(tài)位能夠反映生物的生長狀況和營養(yǎng)結構。本研究洞穴動物δ有研究認為洞穴動物的δ3.3洞穴動物的食物來源同位素δ國外有學者提出,洞穴內(nèi)由于缺乏光照和初級生產(chǎn)力植物,大多數(shù)動物依賴洞外地表營養(yǎng)和能量的流動,即洞外地表衍生的有機物(3.4洞穴動物生態(tài)系統(tǒng)結構評價消費者營養(yǎng)級位置需要確定基準物,通過比較消費者與基準的δ荔波玉屏洞穴消費者營養(yǎng)級范圍為1.01–5.32,相差約4個營養(yǎng)級,表明研究區(qū)洞穴動物組成較豐富,生態(tài)系統(tǒng)結構較復雜。研究發(fā)現(xiàn)大部分同一類群的動物可能因食性方面具有很大的相似性,在洞內(nèi)所處的營養(yǎng)級位置較穩(wěn)定,如大部分螺類都