最小鳉鱼元素组成种内变异追踪附生藻类组成的空间差异及其生态化学计量学意义

本研究通过分析北美最小鳉鱼（Heterandria formosa）八个种群的元素组成（C、N、P）和稳定同位素（δ13C、δ15N），揭示了其元素变异与附生藻类组成的空间关联性，发现种群间营养级变化不影响元素组成，为生态化学计量学（ES）理论提供了种内变异新视角。

　　

1 引言

生态化学计量学（Ecological Stoichiometry, ES）研究生态系统中物种间元素组成的质量平衡关系，对理解从摄食模式到营养循环等多种生态现象至关重要。生物体化学计量的种间和种内变异均可驱动群落和生态系统动态的显著变化。在水生系统中，初级和次级消费者与其资源之间的元素组成差异尤为明显，而鱼类作为许多溪流生境中营养循环的重要组成部分，显示出显著的种间元素组成变异。

部分种间变异可归因于结构差异，特别是骨骼和骨组织的比例，这对磷含量有重要影响。相反，相关类群间身体结构的相似性导致磷含量和氮磷比（N:P）存在强烈的系统发育信号。许多鱼类在元素特征上表现出显著的种内种群变异，其变异幅度有时可与种间变异相媲美。这种变异部分由种群间环境差异（如栖息地的热条件或饮食）所诱导，通常与地点间初级生产力或食物资源元素组成的变异相关，也可能具有遗传基础。

种内元素组成变异的多个方面尚不明确。例如，元素特征是否随体型大小变化缺乏一致性；种群元素组成变异在多大程度上反映基础资源变异尚不清楚；种间元素组成变异与营养级变异之间的关联是否在种内水平存在平行现象亦未可知。

北美最小鳉鱼（Heterandria formosa）为研究这些问题提供了良好机会。这种小型鱼类栖息于浅水沿岸带，在种群密度和生活史上表现出广泛变异，其食性和营养级在不同种群间存在差异：在一些地点为初级消费者，而在其他地点则为浮游生物食性的次级消费者。与特立尼达孔雀鱼类似，其种群可能沿高捕食压力/低密度到低捕食压力/高密度梯度变化，从而在营养级和元素组成上产生变异。

北佛罗里达的H. formosa栖息地主要分为两类：泉水河流具有碱性水质（pH约7-8）和高氯化物含量；湖泊则具有酸性水质（pH约4-6）和高单宁酸浓度。这两类生境在硅藻和软藻种类上存在显著差异，而附生藻类是这些生境中食物网的基础资源，表明H. formosa利用的资源基础可能存在显著的元素特征变异。

2 材料与方法

2.1 研究地点与采集方法

研究在2010至2013年间对8个H. formosa种群进行采样，包括4个淡水泉（McBride's Slough, Natural Bridge, Shepherd's Spring, Wacissa River）和4个浅水湖（Harper's Eyelet, Little Lake Jackson, Moore Lake, Trout Pond）。这些地点在水化学参数和种群特征上涵盖广泛范围。

鱼类通过抄网在浅水区（深度<0.30 m）采集，采用冰浆快速冷却处死。2012和2013年样本用于元素分析，但仅2013年样本进行同位素分析。附生藻类样本通过刮取水生植物茎叶、岩石和枯枝获得。

2.2 水化学方法

水样使用Nalgene瓶采集，现场通过10 μm过滤器过滤后立即冰上保存，送交认证实验室分析。分析参数包括pH、叶绿素a浓度、总氮、有机氮、亚硝酸盐、硝酸盐、离子化和非离子化氨、总磷和正磷酸盐。研究主要关注pH、叶绿素a、硝酸盐和总氮。

2.3 元素组成与同位素方法

鱼类组织和附生藻类样本制备遵循标准流程。去除内脏器官后，将鱼体冷冻干燥并研磨成细粉。碳氮分析使用EA-IRMS系统，磷含量分析使用ICP-MS系统。附生藻类样本因材料不足未进行磷含量分析。

2.4 基线δ¹⁵N值计算和H. formosa营养级估算

通过校正各地点附生藻类基线δ¹⁵N值来估算个体营养级，使用标准营养级计算公式，其中3.4‰为营养级间δ¹⁵N平均富集值。

2.4.1 重复性声明

研究在种群水平进行推断，在种群水平应用兴趣因子，在适当尺度上有4个淡水泉和4个浅水湖重复。

2.4.2 统计分析

分析仅限于雌性个体，以最小化性别二态性影响并提供更好的体型范围来研究元素组成和营养级与体型的关系。

通过计算各年份间各地点值的成对相关性来检验水化学变异的可重复性。使用主成分分析（PCA）总结水化学变异数据。通过回归分析检验δ¹³C、营养级和元素表型与体型的关系。使用方差分析（ANOVA）和Bonferroni多重比较确定种群间元素组成、化学计量比和营养级的差异。使用Mantel分析检验鱼类元素组成与水化学差异之间的关联。

3 结果

3.1 水质

叶绿素a和总氮浓度持续高于检测限，硝酸盐浓度经常但非总是高于检测限（0.012 mg/L）。这些变量和pH在各地点和年份间变化广泛。硝酸盐浓度和pH的变异在所有4年间具有可重复性，叶绿素a和总氮浓度的可重复性在某些年份间显著。

主成分分析显示一致模式：第一轴描述了从低pH、高叶绿素a浓度和低硝酸盐浓度的湖泊到高pH、低叶绿素a浓度和高硝酸盐浓度的泉水的梯度；第二轴通常描述总氮浓度梯度。个体地点在第一轴上的相对位置在4年间保持稳定。

3.2 化学计量

鱼类元素组成在种群间变异幅度不大。氮质量百分比在各年份中约9%-11%，磷约2.3%-3.5%，碳在2012年变异较大（40%-51%），2013年较小（37%-40%）。2013年大样本量显示与体长无显著关系。

化学计量比在种群间变异水平低，与体型无显著关系。2012年种群间平均C:N比差异显著，形成三个组：两个湖泊最低，三个泉水中间，一个湖泊最高。C:P和N:P比无显著差异。

2013年更大样本量显示某些比率上某些种群 statistically 区别，但总体变异仍小。Mantel分析显示鱼类元素组成差异与水化学变量差异无相关性，但与附生藻类样本中这些变量的差异中度相关（2013年r=0.61，p<0.001）。

3.3 附生藻类同位素样本

δ¹³C平均值在各地点间差异广泛，泉水附生藻类倾向于较低富集，湖泊较高富集。小型泉水Shepherd's Spring和McBride's Slough值明显低于其他地点。δ¹⁵N平均值也广泛变异，泉水附生藻类显示较高富集。δ¹⁵N较低富集的地点也有较高δ¹³C富集，反映泉水和湖泊的广泛区别。Moore Lake的负δ¹⁵N值表明存在固氮蓝藻。

3.4 鱼类同位素样本

2013年样本种群间δ¹³C平均值变异显著，形成梯度：三个小型泉水富集程度低；三个湖泊系统中度富集；两个大型地点富集程度高。鱼类种群δ¹³C平均值与附生藻类样本平均值高度相关（r=0.64，p<0.025），表明附生藻类是鱼类碳的主要食物来源。

δ¹⁵N平均值也显著变异，与附生藻类δ¹⁵N值强烈相关（r=0.91，p=0.002）。除Moore Lake外，所有种群的平均营养级在1.5-3之间，Moore Lake高于3.5（可能因附生藻类δ¹⁵N负值而人为抬高）。营养级平均值在8个种群间显著不同。

小型泉水种群营养级最低（主要作为初级消费者），其余湖泊种群营养级较高（次级消费者），大型泉水种群处于中间位置。种群平均营养级与平均δ¹³C值正相关（r=0.81）。营养级较高的种群倾向于有较低平均C:N比，但与N:P或C:P比无显著关联。

4 讨论

研究发现H. formosa八个种群的元素组成变异较小，但这种变异追踪了相应地点附生藻类样本的变异。鱼类种群的δ¹³C水平变异较大，也追踪了附生藻类δ¹³C水平的变异，这与附生藻类构成H. formosa所处水生食物网资源基础的结论一致。

种群间平均营养级存在类似变异，从可视为初级消费者的种群到次级消费者的种群。尽管营养级存在变异，但未发现与元素组成的关联，这与种间模式形成对比，可能因为种间分析的营养级变异范围比同种种群间更广。

从更大视角看，附生藻类的元素特征与特立尼达溪流和北佛罗里达湖泊的报告结果相似。H. formosa的元素组成与另一种鳉科鱼类特立尼达孔雀鱼（Poecilia reticulata）相当，但氮百分比略高，磷百分比略低，因此C:N比略低，C:P和N:P比略高。

水化学在各地点间显著变异，但与鱼类元素组成变异无关联。水化学变异与泉水湖泊间已知的非生物差异一致。水化学与附生藻类有机体化学计量间的微弱关联可能源于沿pH梯度的附生藻类种类组成变化。

关于鱼类与附生藻类元素组成关联的两种假说并非互斥：一是鱼类可能没有严格的体内稳态调控，以自下而上方式创建关联；二是鱼类可能通过排泄和分解影响营养循环速率，通过自上而下效应创建关联。每种因素的相对重要性需要通过中宇宙实验来验证。

研究发现种群元素特征变异与先前种内变异研究有两个不同：一是H. formosa种群变异小于其他小型鱼类的类似调查，可能反映其利用的基础资源组成分歧较小；二是其他调查发现N:P比变异最大，而本研究发现C:N比变异最大，可能反映H. formosa种群生活史（特别是繁殖分配）变异的影响。

经历较高捕食风险的种群（湖泊种群平均捕食者密度较高）有较高平均营养级。这种较高捕食强度与较高营养级摄食的关联与孔雀鱼高、低捕食种群间的区别类似。两种情况下，较低捕食压力与较高密度和种内食物竞争相关；较高捕食放松了对逃脱捕食者的竞争影响，使其能够摄食更高营养级的更高质量食物（水生无脊椎动物而非附生藻类和碎屑）。但本研究未发现营养级变异与元素组成的差异，而孔雀鱼较高营养级摄食有较高氮百分比，差异可能源于食物差异：孔雀鱼摄食水生昆虫和小型大型无脊椎动物，而H. formosa主要摄食小型枝角类。

研究结果阐明了多个生态问题：首先，强化了捕食压力减轻和密度升高可导致杂食性鱼类更高营养级摄食的发现；其次，展示了低位食物网鱼类元素组成如何追踪其资源基础的元素组成；第三，表明种群间营养级变异与元素组成变异无关。结果共同提示资源基础组成对元素组成种群变异的主导作用超过营养生态。