《ScienceAdvance》文章：环境变化引起的远洋食物链长度的时间变异性
气候变化改变了海洋生态系统中的氮循环、初级生产力和溶解氧浓度。本文通过重建来自海豚（一种远洋捕食者）的氨基酸特异性δ15N值的时间序列，来研究这种时间变异性（通过六个变量来衡量）对加利福尼亚海流(CC)中食物链长度(FCL)的影响。在1997年至1999年的厄尔尼诺南方涛动(ENSO)事件之后观察到FCL的明显下降。贝叶斯模型揭示，海表温度、叶绿素浓度、多元ENSO指数和总浮游生物体积在中等条件下食物链长度更长，但低氧深度和硝酸盐浓度则不是如此。本文的结果挑战了加利福尼亚海流中食物链结构长期稳定的主流观点，相反，它们表明，与ENSO事件等气候与环境的持续变化带来的干扰会引起远洋食物链强烈的响应。
研究意义
海洋生态系统正在迅速发生变化，这些变化对生态系统中的物种和食物网产生了重要的影响。过去一个世纪里，海洋环境的物理和化学变化已经影响了生物化循环、初级生产和多种物种的物候和分布。生态系统的生产力是影响物种多样性和食物网稳定性的关键因素，但在某些海洋生态系统中已经存在下降趋势。气候事件如厄尔尼诺南方涛动对海洋食物网产生了显著影响，导致许多物种的丰度、生存率和适应性受到损害。
此外，由于生物多样性丧失、入侵物种和气候变化等人为扰动，海洋食物网的结构也发生了重大变化。同位素分析方法用于追踪食物网中元素的流动，以量化食物链长度和了解生态系统中的营养关系。特异性氨基酸化合物同位素分析已经用于检查生态系统氮转移途径，区分基线元素来源和生态系统中消费者的营养位置。
主要研究方法
1. 数据来源：作者使用了来自1991年至2008年期间，在圣地亚哥湾(SCB)的飘网和小网捕鱼作业中偶然捕杀的海豚皮肤样本，共计204份。
2. 同位素分析：研究使用了氨基酸同位素值（
15N）来追踪食物链基础，并分为来源氨基酸和营养氨基酸2类。同时，计算了谷氨酸(Glu)和苯丙氨酸(Phe)之间的同位素差异(Δ15NGlu-Phe)以及平均营养氨基酸和来源氨基酸之间的同位素差异(Δ15NTro-Src)来代表圣地亚哥湾短吻海豚的FCL。
3. 模型分析：本文使用了分层贝叶斯模型来研究食物链长度(FCL)在不同时间和环境条件下的变化。其中使用了ENSO的气候指数(MEI)以及自1990年至2008年采集的五个海洋学变量。这些变量包括海表温度、硝酸盐浓度、叶绿素浓度、浮游动物体积和缺氧深度。FCL被建模为与这些环境变量之间的复杂关系，并在海豚皮肤样本收集前6个月内的70天内进行平均值计算，以考虑到样本收集的时间滞后效应。
研究结果与讨论
- 氮同位素值的时间趋势
对大量氮同位素值(δ15N)进行了1990年至2008年的时间趋势分析结果没有显示明显的线性趋势(r2=0.17)。相比之下，氨基酸同位素记录（包括Glu-Phe以及平均营养氨基酸-来源氨基酸）的δ15N值在年际间变化较大，但同样没有线性时间趋势的证据(r2<0.1, P>0.2)。两个FCL代理，Glu-Phe和Tro-Src，也表现出时间内高度的变异性，但没有线性趋势。
图4氮稳定同位素记录的时间序列
- 两种代理FCL的变异性
两个代理FCL显示相对相似的变化模式，但幅度不同。Δ15NGlu-Phe的变异性更大，因为它基于单一氨基酸的营养和来源水平。在1997-1998年的厄尔尼诺事件和2004-2006年的缺氧深度变浅期间，两个代理FCL都观察到两次强烈下降(≥10‰)。
图5 δ15N(‰)代理FCL的年际变化(平均值 ± 1 SE): Δ15NGlu-Phe和Δ15NTro-Src
- FCL对环境变量的响应
分层贝叶斯模型揭示了FCLGlu-Phe和FCL Tro-Src与表面温度、叶绿素浓度、多元ENSO指数(MEI)和浮游动物总体积之间的相关变化模式。FCLGlu-Phe和FCLTro-Src对不同环境变量的响应有所不同，FCLGlu-Phe具有更强的模式，但贝叶斯可信区间更宽。FCLGlu-Phe在缺氧深度和硝酸盐浓度方面显示出独特的模式，与时间的变化相关。
图6环境变量的时间序列
图7FCL(以Δ15NTro-Src或Δ15NGlu-Phe测量)作为六个海洋学变量的函数关系
总结与展望
研究关注了短吻海豚的氮同位素以及食物链长度(FCL)在南加州附近的时间变化。研究发现海豚的氮同位素值没有显示出明显的时间趋势，与1950年至2002年的浮游动物氮同位素值的缺乏时间趋势一致。相反，氨基酸同位素值存在年际变化，特别是在1997-1998年的主要ENSO事件和2006年期间，出现了谷氨酸和营养性氨基酸的低值。这种巨大变化在以前的研究中未曾观察到。此外，两个代理FCL在1997-1998年的厄尔尼诺事件后和2004年之后表现出强烈的下降趋势，这与缺氧深度的浅层化同时发生，与以前提出的食物链结构的长期稳定性不一致。最后，影响FCL的变异性相关的各种因素包括氮循环、ENSO事件、生态系统稳定性、初级生产力和浮游动物数量等。这些因素都可能对整个生态系统和物种多样性产生的深远影响。
来源：ScienceAdvance、海洋与淡水生态圈-许岩