摘要

附生草皮藻类的存在可能通过改变珊瑚藻壳上方扩散边界层内的海水化学性质，从而调节海洋酸化对珊瑚藻钙化速率的影响。我们使用微电极测量了在环境CO₂（36 Pa）和高CO₂（200 Pa）的海洋酸化情景下，草皮藻类附生植物对水螅藻科珊瑚藻壳表面扩散边界层内海水pH和氧分压的影响。草皮藻类显著增加了pH和pO₂的平均昼夜振幅，并且在升高CO₂条件下这种效应更为明显。我们认为，海洋酸化条件下海水CO₂的增加可能驱动附生草皮藻类丰度的增加，从而改变扩散边界层内的化学性质。因此，附生草皮藻类对微尺度pH的影响是显著的，很可能影响珊瑚藻对海洋酸化的响应，这凸显了理解环境变化对物种相互作用影响的重要性。


1. 引言

大气二氧化碳正以前所未有的速度被世界海洋吸收，导致海洋酸化。预计这将显著影响许多海洋物种的新陈代谢和生存，从而可能产生重大的、大尺度的生态后果。大型藻类群落极为重要，因为它们在浅海沿岸系统中执行一系列生态系统服务。主导这些群落的底栖光合自养生物对海洋酸化表现出了对比鲜明的响应。壳状珊瑚藻具有根本的生态重要性，它们为其他海藻和无脊椎动物提供附着基质以及化学定居信号。此外，它们提供食物，并对其所在栖息地的碳酸盐沉积做出重大贡献。


如综述所述，藻类内部的碳捕获过程高度多样化。因此，丝状藻和壳状珊瑚藻对pCO₂升高的反应会有所不同。事实上，已经观察到珊瑚藻的反应存在物种和地点特异性。尽管如此，海水CO₂的增加通常会对钙化的代谢过程产生负面影响，使得珊瑚藻对海洋酸化敏感。在实验室的海洋酸化条件下，也经常观察到珊瑚藻生长、补充和光合作用的减少。相反，丝状草皮藻类——在底栖群落中形成低矮、广泛分布的垫层的肉质海藻——可能受益于海洋酸化，因为可获得的碳增加提高了光合作用和生长速率。


同一群落中不同分类单元对海洋酸化的敏感性差异，说明了在环境变化下由于生态相互作用的变化而导致群落结构变化的可能性。已观察到某些藻类物种对放牧的敏感性增加，以及在海洋酸化下由于竞争相互作用改变而导致从钙质藻类向肉质藻类的优势度转变。因此，群落对环境变化的响应比从单一敏感物种的响应外推更为复杂，理解环境变化对物种相互作用的影响将有助于更好地预测近期海洋群落的状态。


珊瑚藻和丝状草皮藻类争夺资源，这种相互作用的结果是可变的。珊瑚藻常常被生长更快的草皮藻类覆盖，这通常由于光照、CO₂、营养物质和基质空间等可用资源的限制而对前者的生长和存活产生负面影响。相反，当辐照度高时，珊瑚藻可能从草皮藻类的覆盖中受益，因为覆盖可以通过遮荫保护下面的珊瑚藻壳免受高光环境的有害影响。珊瑚藻和草皮藻类之间的相互作用预计会随着环境变化而变化，在酸化海水中，草皮藻类覆盖对珊瑚藻钙化速率产生了意想不到的积极影响。在升高CO₂条件下，珊瑚藻白天出现过度钙化已被观察为夜间溶解的一种补偿机制。然而，也有假设认为，草皮藻类光合作用的增加可能会改变珊瑚藻壳上方扩散边界层内的海水化学性质，从而在升高CO₂条件下促进珊瑚藻钙化。珊瑚藻和其他光合生物已被证明能改变扩散边界层内的化学微环境，其程度取决于生态和环境背景。目前，食草动物限制了草皮藻类对珊瑚藻的覆盖，这在补充期间尤其重要。然而，许多研究表明，主要食草动物将受到海洋酸化的负面影响，尤其是那些具有钙化幼虫的种类。因此，了解在没有食草动物的情况下，草皮藻类在多大程度上改变了珊瑚藻壳上方扩散边界层内的化学环境，将增进我们对大型藻类群落如何响应近期环境变化的理解。我们研究了在环境和高CO₂条件下，草皮藻类覆盖对珊瑚藻壳上方扩散边界层内海水pH、pCO₂和pO₂的影响，以了解草皮藻类附生植物在海洋酸化下改变局部海水化学性质的能力。


2. 材料与方法

2.1. 野外地点与样品采集

2013年10月，在位于西澳大利亚西南海岸的马米恩泻湖（一个裙礁-泻湖系统）的惠特福德岩（南纬31°48'，东经115°42'）约5米深处，由SCUBA潜水员用锤子和凿子采集了60块水螅藻科珊瑚藻的“碎片”。惠特福德岩的环境pCO₂季节性地在大约21-41 Pa范围内变化，海表温度季节性变化大约在16-24°C。从礁石上采集的珊瑚藻碎片装在有海水的容器中运往岸上实验室，在那里被切割成大约4-12 cm²的小块，并清除所有可见的附生生物。然后在应用实验处理之前，让这些碎片在环境pCO₂条件下的水族箱中适应一周。


2.2. 实验设计

建立了一个流水式水族箱系统，在两个pCO₂条件下在珊瑚藻碎片上建立附生草皮藻类。该系统由六个25升的水族箱组成，从两个200升的供水箱接收过滤至30微米的天然海水。每个处理水族箱内的水体更新时间约为90分钟。自变量为：(1) 溶解的pCO₂（环境：36 Pa，和高：203 Pa）；(2) 丝状草皮藻类的存在与否。其中三个处理水族箱含有环境CO₂水平的海水，其余三个水族箱含有升高CO₂水平的海水。六个处理水族箱中各放置10块珊瑚藻碎片；其中5块被草皮藻类覆盖，5块无附生生物。为了控制丝状草皮藻类的水平，每周两次用软刷从每个处理水族箱中10块珊瑚藻碎片的5块上去除所有可见的附生生物，而允许丝状草皮藻类在其他5块珊瑚藻碎片上定殖。结果形成了四个处理组，每组15块珊瑚藻碎片：(i) 环境pCO₂，无丝状草皮藻类；(ii) 环境pCO₂，有丝状草皮藻类；(iii) 高pCO₂，无丝状草皮藻类；(iv) 高pCO₂，有丝状草皮藻类。高pCO₂处理组的pCO₂水平设置得高于本世纪内的预测值（例如，到2100年约为71 Pa），以便在我们的实验条件下清楚地展示草皮藻类对珊瑚藻壳上方扩散边界层内海水化学性质的影响。


使用pH恒定系统通过直接注入纯（食品级）CO₂气体来控制三个“高pCO₂”处理水族箱中的pCO₂。让珊瑚藻在这些处理中生长，并使丝状草皮藻类建立四周。在此期间建立的丝状草皮藻类混合物大约由80%的刚毛藻属和20%的石莼属组成。丝状体长约5-10厘米，形成覆盖珊瑚藻碎片的草皮层，类似于文献中图2E所描述的。


建立了一个小规模的封闭水族箱系统来进行扩散边界层内的化学测量。该系统包括两个25升的水族箱，分别从两个独立的混合水箱接收海水；第一个水箱为环境pCO₂（约36 Pa），第二个为高pCO₂（约203 Pa）。两个处理水族箱各包含20块珊瑚藻碎片；10块被丝状草皮藻类覆盖，10块清除所有附生生物，这些碎片在四周生长期结束后立即从原始水族箱系统转移过来。这些水族箱的水体更新时间约为12小时。珊瑚藻在小规模系统中维持了大约一周。水族箱放置在温度为20°C的恒温室内。在大规模和小规模系统中，均使用Maxspect s系列LED灯维持约250 μmol光子 m⁻² s⁻¹的下行PAR，光照周期为12小时光照和12小时黑暗，这反映了春季马米恩泻湖5米深处的自然辐照度水平和日照长度。为了尽量减少与周围空气的气体交换，高pCO₂处理水族箱用透明塑料覆盖，这不影响下行PAR。


2.3. 海水测量

在大规模水族箱系统中，每周三次在中午前使用配备Blueline Elektrode的Schott Handylab pH计测量每个处理水族箱和供水箱中的温度和总标度pH。在小规模水族箱系统中，每天两次测量两个处理水族箱中的温度和pH。电极和pH计在每个采样日前用海水（‘Tris’）和NBS缓冲液校准。在大规模和小规模水族箱系统中，每周使用便携式折射仪测量两个混合水箱中的盐度。每周从每个混合水箱取样用于总碱度分析，并按先前描述的方法进行分析。其他碳酸盐化学参数，包括pCO₂和文石饱和状态（因为文石的溶解度更接近高镁方解石而非方解石），是根据我们对温度、盐度、总碱度和总标度pH的测量得出的，并使用CO2SYS程序根据定义的输入条件计算，该程序基于指定的离解和溶解度常数。