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摘 要：20世纪70年代末，在生态系统领域开始使用稳定性同位素技术，通过对比植物稳定性碳同位素存在的差异，来研究营养流动方面的内容。随着该技术的应用发展，到了20世界90年代，稳定性碳和氮同位素被用来分析动物的食性、营养级位置关系以及食物链结构。本文在简要介绍湖泊和稳定性同位素的概念和测定方法之后，对稳定性碳、氮同位素在湖泊生态系统中的应用和前景作了简单的概述。
关键词：稳定性碳同位素 稳定性氮同位素 湖泊生态系统
一、湖泊和稳定同位素的概念及其重要性
湖泊是陆地上洼地积水形成的、水域比较宽广、换流缓慢的水体。是广泛分布的自然现象，它具有较清楚的边界，构成相对独立的自然体系。湖泊作为海洋研究的天然实验室，较多地开展了沉积学和水动力学的研究，并在三角洲、蚀流、年纹层等沉积学理论以及湖泊分层与动力学理论方面做出重要贡献。所以在湖泊研究的早期阶段就呈现出学科并举的势态，虽然各自焦聚的目标不同，但却暗示了湖泊环境系统的复杂性。例如，观察研究角度不同，湖泊生态系统的划分類别不同，湖泊生态系统从垂直方向可划分成气-液界面、水层区、水-泥界面和底层泥四个层次。其中水层区和水底区又可以从水平方向接着进行划分，按照离岸远近水层区可以分为沿岸带和湖心区两个部分，水底区分为沿岸带、亚沿岸带和深底带三个部分。这种多样性的水体环境特点为湖泊生态系统的生物多样性和复杂性创造了必要的条件。
稳定性同位素是一种在生物体内本就存在且不具备放射性的同位素。作为我们研究的对象，碳、氮两种元素各自拥有中子数不同的两种稳定性同位素，如13C、12C以及14N、15N，而在生物体内，13C和15N这两种重同位素含量相对较低。如果只是单纯的对这两种同位素的绝对含量进行测定，对于研究很难看出其实际意义。而在这里我们所讲的研究，指的是采用国际标准对生物体内的两种同位素的含量进行比对，通常情况下，我们以δ13C和δ15N来分别表示这两种稳定性同位素在某种物质中的丰富度（enrichment）。近年来，生物体组织中稳定性同位素已被用于湖泊生态学诸多研究领域。
二、稳定性同位素测定方法的简述
在常规条件下，有机碳、氮稳定性同位素比值主要分三个过程进行分析：（1）对有机物进行氧化分解（燃烧过程），（2）去除干扰物质，（3）对碳、氮同位素比值进行质谱分析。
1.样品的预处理过程。样品中有机碳、氮稳定性的测定预处理步骤主要包括样品的采集与保存、干燥、粉碎、气化、纯化过程等。在采集生物样品以后，中小型生物样品通常首先要在过滤后的清水中饲养0.5到1个小时，目的是让它们将消化道内的杂物尽可能的排出干净，然后再将他们放置于-20℃的环境下冷冻储存，在此过程中还需要对样品进行干燥，目前主要采用的是真空冷冻干燥法。最后将样品取出研磨成细粉，并且均匀混合，经过气化和纯化将样品内的有机碳、氮转化成能够使用质谱测量的CO2和N2。常用的气化纯化方式主要有：（1）真空解热法；（2）湿式氧化法。
2.质谱仪分析。通过质谱仪测量可以找出样品生物与标准生物之间的碳或氮同位素存在的比值差别，通常以国际通用的δ标记法表示：
δ13C=（R样品/R标准-1）×1000
δ15N=（R样品/R标准-1）×1000
R样品是样品中某元素的重轻同位素丰度之比，R标准为标准物中相应元素的重轻同位素丰度之比。
三、稳定同位素的应用和前景
在过去的几十年时间里，稳定性同位素已经逐渐地使用在水生态系统的营养研究中，从不同的环境中收集的数据我们可以归纳出一些普遍的模式。如相对于周从生物来说，浮游生物有更低的13C值；在湖泊和湿地食物网中藻类的消费普遍来讲比大型植物的消费更加重要，如在美国西部的5个次高山贫营养化的湖泊中，底栖藻类贡献97%的潮间带生产力以及在大多数贫营养化的系统中贡献最大的比率。各种不同生物体的δ13C和δ15N值在一定的范围内存在着不同。在这个范围内，已被观测到不同的湖泊之间及同一湖泊的不同位置之间的同位素值的预期变化。因此在使用稳定性同位素在生态系统中的应用时，我们应该注意一个问题：那就是同位素的值会随着时空的变化而发生变化。另外，应用创新的方法进行湖泊研究，特别是应用稳定同位素弄清食物网动力学，从而可以建立从病毒到顶级捕食者的完整的湖泊食物网营养结构。蔡德陵、李红燕等曾经在崂山湾、渤海等生态系统中应用碳同位素方法研究食物网结构取得了一系列成果。
稳定同位素法与其它方法结合使用这种研究构成方式，已经在生态系统的众多研究领域进行应用，尽管目前我们已经看到了运用稳定同位素分析在生态系统的研究中已经显著地增加，但是，这个领域仍然只是处于起步阶段。随着CFIRMS及其它技术的发展，在随后的几年时间里，我们无疑将会发现有更多更丰富的关于稳定同位素的研究，在目前看来其具有以下一些应用前景：
1.湖泊水体的富营养化和赤潮危害在近几年越发的严重，它对湖泊生态系统的稳定造成了严重的影响，因此，对赤潮形成原因以及如何避免赤潮的发生的研究迫在眉睫。稳定性同位素可以有效的对赤潮形成和发展全过程进行追踪，并可以准确的了解和掌握赤潮对水体和生态系统各营养层次的影响，对预防赤潮危害提供合理的建议和对策。例如，国外研究人员Street 和Montagna 曾利用稳定碳同位素对得克萨斯Languna Madre 所发生的赤潮进行分析， 不过他们主要研究的方向是在赤潮发生后生态系统所产生的变化以及如何应对赤潮发生而使生态系统保持稳定。
2.具有生物放大与积累作用的陆源污染物对经济价值较高的顶级捕食者的影响最大。为研究陆源污染物在食物链上的传递、放大和积累过程，可以使用天然存在的碳、氮稳定同位素作为其指示剂， 不仅可以直观准确的对陆源污染物的生物放大作用进行定量估计，而且与其它传统污染调查方法相结合，还可以对陆源污染物的扩散运移规律以及在食物网中的生物放大与积累作用进行研究，从而未环境污染的综合治理提供有效的支持。
3.在实验室， 利用该技术可以对动物食性转换过程中肌肉组织内含有的碳同位素组成变化过程进行测量，这一方法发展成熟很可能应用到更为复杂的现场条件下对动物的食性转换过程的研究。
参考文献：
[1]Craig H.1954.carbon-13 in plant and the relationships between carbon-13 and carbon-14 variations in nature [J].J.Geol.62： 115～149.
[2]郑新庆，黄凌风，林荣澄.环境饵料丰度的季节变化对筼筜湖3种大型底栖动物食性的影响—来自稳定同位素的证据[J].海洋学报，2014，36（12）：32-40.
[3]张翔，邓志民等. 鄱阳湖湿地土壤水稳定同位素变化特征[J]. 2015，35（22）：7580-7589.
[4]蔡德陵，毛兴华，韩贻兵.13C/12C比值在海洋生态系统营养关系研究中的应用——海洋植物的同位素组成及其影响因素的初步探讨.海洋与湖沼，1999，30（3）：306～314.
[5]蔡德陵，孟凡，韩贻兵，高素兰. 13C/12C比值作为海洋生态系统食物网示踪剂的研究——涝山湾水体生物食物网的营养关系.海洋与湖沼，1999，30（6）：671～678.
关键词：稳定性碳同位素 稳定性氮同位素 湖泊生态系统
一、湖泊和稳定同位素的概念及其重要性
湖泊是陆地上洼地积水形成的、水域比较宽广、换流缓慢的水体。是广泛分布的自然现象，它具有较清楚的边界，构成相对独立的自然体系。湖泊作为海洋研究的天然实验室，较多地开展了沉积学和水动力学的研究，并在三角洲、蚀流、年纹层等沉积学理论以及湖泊分层与动力学理论方面做出重要贡献。所以在湖泊研究的早期阶段就呈现出学科并举的势态，虽然各自焦聚的目标不同，但却暗示了湖泊环境系统的复杂性。例如，观察研究角度不同，湖泊生态系统的划分類别不同，湖泊生态系统从垂直方向可划分成气-液界面、水层区、水-泥界面和底层泥四个层次。其中水层区和水底区又可以从水平方向接着进行划分，按照离岸远近水层区可以分为沿岸带和湖心区两个部分，水底区分为沿岸带、亚沿岸带和深底带三个部分。这种多样性的水体环境特点为湖泊生态系统的生物多样性和复杂性创造了必要的条件。
稳定性同位素是一种在生物体内本就存在且不具备放射性的同位素。作为我们研究的对象，碳、氮两种元素各自拥有中子数不同的两种稳定性同位素，如13C、12C以及14N、15N，而在生物体内，13C和15N这两种重同位素含量相对较低。如果只是单纯的对这两种同位素的绝对含量进行测定，对于研究很难看出其实际意义。而在这里我们所讲的研究，指的是采用国际标准对生物体内的两种同位素的含量进行比对，通常情况下，我们以δ13C和δ15N来分别表示这两种稳定性同位素在某种物质中的丰富度（enrichment）。近年来，生物体组织中稳定性同位素已被用于湖泊生态学诸多研究领域。
二、稳定性同位素测定方法的简述
在常规条件下，有机碳、氮稳定性同位素比值主要分三个过程进行分析：（1）对有机物进行氧化分解（燃烧过程），（2）去除干扰物质，（3）对碳、氮同位素比值进行质谱分析。
1.样品的预处理过程。样品中有机碳、氮稳定性的测定预处理步骤主要包括样品的采集与保存、干燥、粉碎、气化、纯化过程等。在采集生物样品以后，中小型生物样品通常首先要在过滤后的清水中饲养0.5到1个小时，目的是让它们将消化道内的杂物尽可能的排出干净，然后再将他们放置于-20℃的环境下冷冻储存，在此过程中还需要对样品进行干燥，目前主要采用的是真空冷冻干燥法。最后将样品取出研磨成细粉，并且均匀混合，经过气化和纯化将样品内的有机碳、氮转化成能够使用质谱测量的CO2和N2。常用的气化纯化方式主要有：（1）真空解热法；（2）湿式氧化法。
2.质谱仪分析。通过质谱仪测量可以找出样品生物与标准生物之间的碳或氮同位素存在的比值差别，通常以国际通用的δ标记法表示：
δ13C=（R样品/R标准-1）×1000
δ15N=（R样品/R标准-1）×1000
R样品是样品中某元素的重轻同位素丰度之比，R标准为标准物中相应元素的重轻同位素丰度之比。
三、稳定同位素的应用和前景
在过去的几十年时间里，稳定性同位素已经逐渐地使用在水生态系统的营养研究中，从不同的环境中收集的数据我们可以归纳出一些普遍的模式。如相对于周从生物来说，浮游生物有更低的13C值；在湖泊和湿地食物网中藻类的消费普遍来讲比大型植物的消费更加重要，如在美国西部的5个次高山贫营养化的湖泊中，底栖藻类贡献97%的潮间带生产力以及在大多数贫营养化的系统中贡献最大的比率。各种不同生物体的δ13C和δ15N值在一定的范围内存在着不同。在这个范围内，已被观测到不同的湖泊之间及同一湖泊的不同位置之间的同位素值的预期变化。因此在使用稳定性同位素在生态系统中的应用时，我们应该注意一个问题：那就是同位素的值会随着时空的变化而发生变化。另外，应用创新的方法进行湖泊研究，特别是应用稳定同位素弄清食物网动力学，从而可以建立从病毒到顶级捕食者的完整的湖泊食物网营养结构。蔡德陵、李红燕等曾经在崂山湾、渤海等生态系统中应用碳同位素方法研究食物网结构取得了一系列成果。
稳定同位素法与其它方法结合使用这种研究构成方式，已经在生态系统的众多研究领域进行应用，尽管目前我们已经看到了运用稳定同位素分析在生态系统的研究中已经显著地增加，但是，这个领域仍然只是处于起步阶段。随着CFIRMS及其它技术的发展，在随后的几年时间里，我们无疑将会发现有更多更丰富的关于稳定同位素的研究，在目前看来其具有以下一些应用前景：
1.湖泊水体的富营养化和赤潮危害在近几年越发的严重，它对湖泊生态系统的稳定造成了严重的影响，因此，对赤潮形成原因以及如何避免赤潮的发生的研究迫在眉睫。稳定性同位素可以有效的对赤潮形成和发展全过程进行追踪，并可以准确的了解和掌握赤潮对水体和生态系统各营养层次的影响，对预防赤潮危害提供合理的建议和对策。例如，国外研究人员Street 和Montagna 曾利用稳定碳同位素对得克萨斯Languna Madre 所发生的赤潮进行分析， 不过他们主要研究的方向是在赤潮发生后生态系统所产生的变化以及如何应对赤潮发生而使生态系统保持稳定。
2.具有生物放大与积累作用的陆源污染物对经济价值较高的顶级捕食者的影响最大。为研究陆源污染物在食物链上的传递、放大和积累过程，可以使用天然存在的碳、氮稳定同位素作为其指示剂， 不仅可以直观准确的对陆源污染物的生物放大作用进行定量估计，而且与其它传统污染调查方法相结合，还可以对陆源污染物的扩散运移规律以及在食物网中的生物放大与积累作用进行研究，从而未环境污染的综合治理提供有效的支持。
3.在实验室， 利用该技术可以对动物食性转换过程中肌肉组织内含有的碳同位素组成变化过程进行测量，这一方法发展成熟很可能应用到更为复杂的现场条件下对动物的食性转换过程的研究。
参考文献：
[1]Craig H.1954.carbon-13 in plant and the relationships between carbon-13 and carbon-14 variations in nature [J].J.Geol.62： 115～149.
[2]郑新庆，黄凌风，林荣澄.环境饵料丰度的季节变化对筼筜湖3种大型底栖动物食性的影响—来自稳定同位素的证据[J].海洋学报，2014，36（12）：32-40.
[3]张翔，邓志民等. 鄱阳湖湿地土壤水稳定同位素变化特征[J]. 2015，35（22）：7580-7589.
[4]蔡德陵，毛兴华，韩贻兵.13C/12C比值在海洋生态系统营养关系研究中的应用——海洋植物的同位素组成及其影响因素的初步探讨.海洋与湖沼，1999，30（3）：306～314.
[5]蔡德陵，孟凡，韩贻兵，高素兰. 13C/12C比值作为海洋生态系统食物网示踪剂的研究——涝山湾水体生物食物网的营养关系.海洋与湖沼，1999，30（6）：671～678.