附植生物在草型湖泊食物网中的碳源贡献与营养途径研究

“Epiphyton” which are defined as periphyton living on the surface of aquatic macrophytes, occupy a special ecological niche in macrophyte-dominated lake ecosystems and play an important role in carbon fixation and nutrients cycling. Epiphytes are an important primary producer in macrophyte-dominated shallow lakes, but for the variety of potential organic matter sources and the limits of traditional researching methods, we have no idea about whether epiphytes also act as major carbon sources in food webs and how they transmit in food chain. This project targets on the macrophyte-dominated region of Lake Taihu to identify the main food sources and trophic positions of aquatic organisms such as invertebrates and fish etc., by using the combined methods of fatty acid biomarkers and stable isotope. Based on this, we integrate the gut contents data, elemental compositions and the results from an experiment of trophic enrichment factor to characterize the feeding relationships between the components of the system and diagram the food web structure of Lake Taihu, which describing the carbon flow originating from epiphytes to predators of the upper trophic levels. Meanwhile, a Bayesian stable isotope mixing model will be used to estimate the relative contribution of epiphyte carbon source to higher trophic levels. Water quality and biological resources structure will be also analyzed in the study region throughout the year. Seasonal variations of the proportion of epiphytes carbon source to biota in the lake food web and their relationship with the environmental and biotic factors will be demonstrated. The results of this project may provide the scientific supports for the further study of the special food webs in macrophyte-dominated lakes and ecological restoration of eutrophic lakes.

以水生植物作为附着介质的附着生物称为附植生物，其在草型湖泊生态系统中占有独特的生态位，并在碳源固定和营养盐循环中扮演重要角色。草型湖泊中附植生物具有较高的初级生产力，但由于潜在食物源的多样性与传统方法的限制，附植生物能否成为草型湖泊食物网中重要的碳源提供者及其如何通过食物链传递一直没有深入研究。本项目拟以太湖东部草型湖区为例，综合运用稳定同位素与脂肪酸标志物技术，结合消化道内含物组成、化学计量学分析及同位素营养富集度实验，判断无脊椎动物和鱼类等消费者的主要食物来源并构建草型湖泊食物网结构模型，揭示附植生物等基础碳源的食物链传递途径；利用同位素混合模型定量计算附植生物碳源贡献率的季节变化特征，并探讨促成附植生物碳源贡献发生变化的主要驱动因子及其机制，以期为草型湖泊食物网研究及富营养化水体生态系统修复提供理论依据。

本项目针对附植生物在草型湖泊生态系统中扮演何种角色的问题，以太湖东部草型湖区为例，综合运用脂肪酸与稳定同位素技术研究水生食物网主要生物间的营养关系及附植生物碳源在食物网中的传递途径与贡献率大小，以期为草型湖泊食物网研究及湖泊生态系统功能健康提供理论依据。主要研究结果如下：太湖草型湖区水生食物网中基础食源和消费者的δ13C、δ15N值均表现出明显的季节变化，其中δ13C值总体上呈现出夏季高，冬季低的趋势，而δ15N则表现为冬季同位素比值范围扩大，营养富集度增加；环境因素和生物因子的共同作用（例如光照强度、营养物质来源及饵料生物资源组成等）是引起季节变化的主因。SIAR模型的食物贡献率计算结果则显示，虽然附植生物作为初级生产者对太湖草型湖区的水生生物贡献了部分有机碳源，但以浮游植物为主要组成的悬浮颗粒物仍是该研究区域内食物网中最重要的碳源贡献者。利用δ15N值与营养层次关系模型，计算出太湖草型湖区食物网由4个营养级的生物组成，而消费者的营养等级计算结果与其食性特征具有较好的一致性。结合稳定同位素聚类分析和SIAR模型计算结果，构建出太湖草型湖区水生食物网结构模型的4条主要食物链，可以将初级生产者固定的碳源逐层传递给最高营养级生物；而湖泊生态系统中饵料生物资源的变动对食物网的碳流途径及营养传递过程具有重要影响。不同生态类型的无脊椎动物和鱼类的脂肪酸组成存在明显差异，摄食习性和饵料生物资源变动决定了消费者体内的脂肪酸组成特征，而基于15种最主要脂肪酸含量的聚类分析结果也与消费者的食性特征保持一致。饱和脂肪酸16:0、单不饱和脂肪酸18:1ω9以及多不饱和脂肪酸DHA、EPA是指示生物食性的良好标志物；而DHA/EPA作为食性分析的代替手段，可以比较准确的分析同一水域中消费者间的营养级关系，且与δ15N值具有较好的一致性。本研究结果可以证明稳定同位素与脂肪酸标志物是研究湖泊生态系统食物网结构和营养关系的有效手段，且两种方法相的结合可以进一步提高研究结果的准确性。