3. 结果


3.1. 扩散边界层内的海水化学性质


微传感器水族箱中的海水保持平均温度为19.7 ± 0.4°C（n=15），环境处理组的平均pH为8.03 ± 0.02，酸化处理组为7.48 ± 0.02。相应地，环境处理组的pCO₂为43 ± 2 Pa，酸化处理组为181 ± 8 Pa。在两个CO₂处理组中，当存在草皮藻类时，扩散边界层内pH、pCO₂和pO₂在光照和黑暗条件之间的波动更大，并且在CO₂升高时最为明显（图1和图2）。在高CO₂+草皮处理组中，pH在光照下达到平均最大值8.63 ± 0.11，在黑暗中降至7.22 ± 0.08。相比之下，在高CO₂处理组中，pH在光照下达到平均最大值7.60 ± 0.15，在黑暗中降至最小值7.24 ± 0.03。对于环境CO₂+草皮处理组，pH在光照下达到平均最大值8.42 ± 0.17，在黑暗中降至最小值7.62 ± 0.02。在环境CO₂处理组中，光照下平均pH为8.23 ± 0.05，黑暗中为7.59 ± 0.28。高CO₂+草皮处理组中光照和黑暗之间的pH范围是高CO₂处理组的四倍，相应地，高CO₂+草皮处理组中pCO₂和pCO₂的范围分别是高CO₂处理组的约1.8倍和约2.5倍（图2）。

图1 在不同CO₂处理和有无丝状草皮藻类覆盖条件下，珊瑚藻壳表面扩散边界层内pH（左列）和pO₂（右列）的时间序列。 （a、b）环境CO₂，（c、d）环境CO₂+草皮，（e、f）高CO₂，（g、h）高CO₂+草皮。灰色阴影区域表示黑暗期。注意高CO₂+草皮处理组中较大的pH和pO₂昼夜振幅。

图2 在有无丝状草皮藻类覆盖的条件下，环境CO₂和高CO₂处理组中扩散边界层内（a）pH、（b）pO₂和（c）pCO₂的平均昼夜范围（光照与黑暗之差）。 误差线表示标准差（n=3）。不同字母表示处理组间存在显著差异（p < 0.05）。


3.2. 光合作用与暗呼吸

氧气培养室中的海水温度保持在平均值19.5 ± 0.7°C（n=10），环境处理组的平均pH为8.04 ± 0.07（n=10），酸化处理组为7.43 ± 0.01。对于珊瑚藻，在两个CO₂处理组中，通过呼吸作用在黑暗中消耗的氧气显著多于通过藻类光合作用在光照下产生的氧气（Z=-2.02，P=0.04；图3a和b），这可能是由于珊瑚藻表面（尤其是碎片背面）细菌生物膜的影响，或者珊瑚藻壳上常见的钻孔藻类所致。这些会增加群落呼吸速率，因此在解释珊瑚藻的暗呼吸测量时应谨慎。与环境中CO₂处理组相比，高CO₂处理组中珊瑚藻呼吸所需的氧气显著更多；但这仅在暗呼吸归一化为叶绿素a含量时成立（Z=-2.61，P=0.01；图3a）。对于归一化为干质量的氧气平衡，两个CO₂处理组在黑暗中消耗的氧气量没有显著差异（Z=-0.52，P=0.60；图3b）。在光照下，两个CO₂处理组之间未检测到光合产氧量的差异（叶绿素a：Z=-1.57，P=0.12；干质量：Z=-1.15，P=0.25；图3a和b）。对于丝状草皮藻类，处理组和光照条件之间氧气平衡的相对变化在归一化为叶绿素a含量和归一化为干质量的计算中是一致的（图3c和d）。在环境和高CO₂处理组中，草皮藻类在黑暗中消耗的氧气显著少于在光照下产生的氧气（Z=-2.02，P=0.04）。环境处理组中的暗呼吸大于高CO₂处理组（叶绿素a：Z=-1.98，P=0.04；干质量：Z=-2.61，P=0.01），但两个CO₂处理组之间的净光合作用未检测到差异（叶绿素a：Z=-0.10，P=0.92；干质量：Z=-0.31，P=0.75；图3c和d）。

图3 珊瑚藻（a、b）和丝状草皮藻类（c、d）在环境和高CO₂处理组中的氧气平衡，分别归一化为叶绿素a含量（a、c）和干质量（b、d）。 正值表示净产氧（光合作用），负值表示净耗氧（呼吸）。箱线图显示中位数、四分位距和范围（n=5）。星号表示处理组之间存在显著差异（p < 0.05）。


3.3. 海水特性

在边界层和氧气平衡测量之前的四周生长期间，高pCO₂处理水族箱中的pH保持在相对恒定的值7.40 ± 0.03，环境pCO₂处理水族箱中为8.08 ± 0.03（n=13）。因此，在四周生长期间，我们能够在高pCO₂处理水族箱中维持pCO₂为209 ± 13 Pa和ΩAr为0.80 ± 0.07，在环境CO₂处理水族箱中维持pCO₂为35 ± 3 Pa和ΩAr为3.18 ± 0.27。实验处理水族箱之间的海水温度没有显著差异（Kruskal-Wallis：χ²=0.706，P=0.983），温度范围从20.8到22.2°C，在四周生长期间平均上升约1.4°C，模拟了春季马米恩泻湖的自然季节性温度变化。


在实验的第五周，高pCO₂处理水族箱中的pH保持在7.57 ± 0.13（n=14），环境pCO₂处理水族箱中为8.05 ± 0.07。因此，在高CO₂处理水族箱中维持了pCO₂为147 ± 41 Pa和ΩAr为1.20 ± 0.37，在环境CO₂处理水族箱中维持了pCO₂为41 ± 8 Pa和ΩAr为2.96 ± 0.41。小规模系统中的碳酸盐化学值变化较大，且平均值低于大规模系统。尽管如此，小规模系统中CO₂处理组之间所有测量的碳酸盐化学参数均存在显著差异（Mann-Whitney U检验：pCO₂：Z=-6.029，P<0.001；pH：Z=-6.029，P<0.001；ΩAr：Z=-6.03，P<0.001）。该系统中处理组之间的温度略有差异，环境和高CO₂处理水族箱的平均温度分别为19.1 ± 0.62（n=14）和19.8 ± 0.38。在整个研究过程中，总碱度在CO₂处理组或水族箱系统之间没有显著变化，范围从2298到2350 μmol kg⁻¹。


3.4. 珊瑚藻净钙化

在四周生长期间，pCO₂（F(1,17.35)=0.01，P=0.53）和草皮藻类（F(1,38)=0.41，P=0.53）对珊瑚藻碎片的净钙化没有显著的主效应。在此期间，所有处理组的净钙化速率与零没有显著差异（t=-0.171，P=0.865）。


3.5. 丝状草皮藻类的生长

在环境CO₂+草皮和高CO₂+草皮处理组中，丝状草皮藻类的覆盖率随时间增加。在四周生长期结束时，高CO₂水族箱中珊瑚藻碎片上的附生植物覆盖率显著更高，为82 ± 6%，而环境CO₂处理水族箱中为63 ± 5%（t=2.39，P=0.03）。