孫有方，江雷，雷新明，張浴陽，俞曉磊，黃暉,4*

(1. 中國科學院 南海海洋研究所 熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室，廣東 廣州 510301；2. 中國科學院 南海海洋研究所 廣東省應用海洋生物學重點實驗室，廣東 廣州 510301；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 海南熱帶海洋生物實驗站，海南 三亞 572000)

1 引言

由于化石燃料燃燒、森林砍伐等原因，全球大氣CO2濃度由工業(yè)革命之前的280×10-6增加至現(xiàn)今的409×10-6（https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/weekly.html）。過去200年以來，海洋吸收了空氣中大約26%～30%的CO2[1-2]，導致平均海水表層pH下降幅度超過0.1；全球變暖導致平均海水表層溫度升高了近1℃[3]，稱之為海洋酸化和暖化。全球CO2排放呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢，海洋環(huán)境變化的問題將會日益加劇[4]。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）預測，在本世紀末，大氣CO2濃度將會達到 800×10-6～1 000×10-6[5]。已有實驗證實，海洋酸化對海洋生物有負面影響，尤其是依靠碳酸鈣來形成骨骼或貝殼的鈣化生物，例如造礁石珊瑚[6]、硨磲[7]、牡蠣[8]等。歷史上曾有3次高溫事件(1998年、2010年、2016-2017年)導致全球造礁石珊瑚大面積死亡，活珊瑚覆蓋率下降[9]。海洋酸化和暖化不僅對成體造礁石珊瑚光合作用、呼吸作用、鈣化等各種生理過程有影響，而且還會對造礁石珊瑚幼蟲的附著、幼體存活以及生長發(fā)育有影響。近期研究證實，海洋酸化不會顯著影響成體鹿角杯形珊瑚（Pocilopora damicornis）的鈣化[6,10]、光合作用[11]等過程。許多生物的早期發(fā)育過程對環(huán)境壓力比較敏感[12]，所以為應對快速變化的海洋環(huán)境，需要成功的有性繁殖、幼蟲附著、幼體的生長和存活[13]。

珊瑚的早期發(fā)育過程可分為受精作用、浮浪幼蟲發(fā)育、散播、附著和變態(tài)作用等[14]，其關(guān)鍵過程是浮游狀態(tài)的珊瑚幼蟲在合適的基底上成功附著變態(tài)為幼體。珊瑚幼蟲的附著、存活和幼體存活深刻影響造礁石珊瑚的種群補充過程和珊瑚礁潛在的恢復力[15]，對維持珊瑚遺傳多樣性和受損珊瑚礁恢復等具有重要意義[16-17]。

造礁石珊瑚集中繁殖的季節(jié)是春季滿月后幾天[18]，因此珊瑚浮浪幼蟲和珊瑚礁容易受到海水升溫的威脅[19-20]。研究表明，海水溫度上升可以增加幼蟲附著率[21]、死亡率和變態(tài)率[15]，促進幼體的生長或鈣化[22]，不影響幼體的白化[23]，抑制或不影響幼體生長[19,22]。再者，海洋酸化會降低珊瑚受精率[24]、幼蟲的附著[25]及早期生長發(fā)育[24]等。

海洋酸化和暖化一般同時發(fā)生，且愈演愈烈，但前期的研究多探究溫度或酸化單因素的影響，所以研究兩者綜合效應對海洋生物的影響顯得尤為重要。在全球造礁石珊瑚覆蓋率明顯下降的背景下，了解造礁石珊瑚早期生活史階段對海洋酸化和暖化的響應，已經(jīng)成為一個關(guān)鍵的研究問題[26]，因此本研究通過探討海洋酸化、暖化對兩種鹿角珊瑚幼蟲附著、存活及幼體存活的影響，以期在海洋環(huán)境變化的趨勢下為珊瑚幼體補充和珊瑚礁恢復提供科學依據(jù)。

2 方法

2.1 珊瑚浮浪幼蟲采集和培養(yǎng)

三亞鹿回頭海域（18°12′N, 109°28′E）2 m 水深處，于2016年4月各采集4株簡單鹿角珊瑚（Acropora austera）和中間鹿角珊瑚（A. intermedia）的成熟個體，收集同種珊瑚不同個體排放的精卵束，并混合使其受精[27]，受精卵于玻璃纖維缸中培育，溫度約為28℃，保持氣石連續(xù)充氣，每天更換1/3砂濾海水。簡單鹿角珊瑚幼蟲培育6 d，中間鹿角珊瑚幼蟲培育5 d（兩種珊瑚相隔1 d排卵），隨機挑選游動能力強的浮浪幼蟲用于實驗。采集鹿回頭海域常見的殼狀珊瑚藻（布氏水石藻,Hydrolithon onkodes），并將其切割成約0.50 cm×0.50 cm×0.30 cm小片作為附著基，暫養(yǎng)5 d后進行幼蟲附著實驗。造礁石珊瑚采集、排卵、幼蟲培育、附著基采集及實驗均參考現(xiàn)行的實驗方法進行[25,28-31]。實驗全部在中國科學院海南熱帶海洋生物實驗站內(nèi)完成。

2.2 實驗設(shè)計

實驗系統(tǒng)設(shè)置4組處理，共8個實驗缸。實驗系統(tǒng)由熒光水族燈（24 W）、小型潛水泵（600 L/h）、加熱棒（50 W）、溫度控制器和酸化裝置等組成。對照組溫度（Ambient Temperature，AT）設(shè)為 28℃，此溫度為鹿回頭海域夏季和秋季的日均溫；對照組CO2分壓（Ambient CO2，AC）設(shè)為約 500 μatm，為鹿回頭海區(qū)實測pCO2。實驗組溫度（High Temperature, HT）設(shè)為30℃，此溫度低于鹿回頭海域記錄到的極端高溫[32]，與IPCC第5次評估報告預測本世紀末海水表層的溫度將上升2～3℃[5]相一致；實驗組pCO2設(shè)為約1 300 μatm（High CO2, HC），表示IPCC預測本世紀末pCO2。實驗4個處理設(shè)計為對照組(ATAC)、酸化組（ATHC）、升溫組（HTAC）和升溫酸化組（HTHC）。

每個實驗缸放入7個20 mL透明玻璃瓶，玻璃瓶加入預先處理好的海水和1塊附著基。因兩種珊瑚幼蟲的收集數(shù)量不同，將簡單鹿角珊瑚幼蟲置于4個透明玻璃瓶內(nèi)，每個玻璃瓶中放入20個簡單鹿角幼蟲，將中間鹿角珊瑚幼蟲置于3個透明玻璃瓶內(nèi)，每個玻璃瓶中放入20個中間鹿角珊瑚幼蟲。瓶口用180 μm篩絹封住以保證水流交換，隨機放入相應處理缸。幼蟲附著參照Heyward和Negri[30]的標準：珊瑚幼蟲緊貼在附著基表面，變扁且分化出觸手和隔膜。因幼蟲死亡后會在24 h內(nèi)分解，缺失的珊瑚幼蟲即為死亡[33-34]。3 d后統(tǒng)計兩種造礁石珊瑚幼蟲附著數(shù)目和存活數(shù)目。附著后實驗持續(xù)5 d，統(tǒng)計兩種造礁石珊瑚幼體存活數(shù)目。

實驗期間，每天08:00、16:00采用多參數(shù)測量儀（Thermo，Orion 5-star）記錄溫度、pH、鹽度等海水理化參數(shù)（表1）。記錄儀（Hobo）每30 min記錄1次溫度，用于計算各處理的平均溫度。每隔1 d采集1次50 mL海水樣品，并加入50 μL飽和HgCl2溶液固定用于總堿度等指標測定。海水總堿度測定采用自動電位滴定儀（Apollo，AS-ALK2）。文石飽和度ΩArag和pCO2等數(shù)據(jù)計算采用CO2SYS表格。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

簡單鹿角珊瑚幼蟲附著率（Settlement Rate，SR）、死亡率（Mortality Rate，MR）及幼體存活率（Survival Rate Post-settlement，SRP）分別按照以下公式計算：

式中，SR1、MR1、SRP1分別代表簡單鹿角珊瑚幼蟲附著率、死亡率及幼體存活率，m1、n1、p1分別代表簡單鹿角珊瑚幼蟲附著、死亡及幼體存活數(shù)目。中間鹿角珊瑚幼蟲附著率、死亡率及幼體存活率分別按照以下公式計算：

表1 實驗期間各個處理海水理化因子的平均水平Table 1 Experimental seawater conditions for each treatment

式中，SR2、MR2、SRP2分別代表中間鹿角珊瑚幼蟲附著率、死亡率及幼體存活率，m2、n2、p2分別代表中間鹿角珊瑚幼蟲附著、死亡及幼體存活數(shù)目。

實驗數(shù)據(jù)的處理、分析及作圖分析采用SPSS version 22、Excel 2013、SigmaPlot version 10等軟件。兩種鹿角珊瑚幼蟲附著率、死亡率以及珊瑚幼體存活率采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)來檢驗溫度、pCO2之間的關(guān)系；以溫度和pCO2為固定因子，而珊瑚幼蟲附著率、死亡率以及珊瑚幼體存活率作為因變量，p＜0.05為顯著性水平。

3 結(jié)果

3.1 幼蟲附著與存活

3.1.1 簡單鹿角珊瑚幼蟲附著與存活

升溫和酸化均對簡單鹿角珊瑚幼蟲附著率無顯著性影響，兩者之間也無顯著交互作用。酸化單獨作用時，幼蟲附著率增加了10.63%；溫度單獨作用時，幼蟲附著率降低了8.75%；溫度和酸化共同作用時，幼蟲附著率比對照組增加了6.25%。溫度和酸化均對簡單鹿角珊瑚幼蟲死亡率無顯著性影響，兩者之間也無顯著交互作用。酸化單獨作用時，幼蟲死亡率降低了9.37%；溫度單獨作用時，幼蟲死亡率增加了15.00%；溫度和酸化共同作用時，幼蟲死亡率恢復至對照組水平（圖1）。

3.1.2 中間鹿角珊瑚幼蟲附著與存活

溫度和酸化均對中間鹿角珊瑚幼蟲附著率無顯著性影響，兩者之間也無顯著交互作用。酸化單獨作用時，幼蟲附著率增加了5.00%；溫度單獨作用時，幼蟲附著率增加了20.00%。方差分析結(jié)果顯示，溫度對幼蟲附著率無顯著性影響，但是升溫會增加中間鹿角珊瑚幼蟲附著率。溫度和酸化共同作用時，附著率恢復至對照組水平。溫度和酸化對中間鹿角珊瑚幼蟲死亡率無顯著性影響，兩者也無顯著性交互作用。酸化單獨作用時，幼蟲死亡率增加了；溫度單獨作用時，死亡率與對照組相當；溫度和酸化共同作用時，幼蟲死亡率比對照組略高4.20%（圖1）。

3.2 附著后幼體存活

3.2.1 簡單鹿角珊瑚幼體存活

簡單鹿角珊瑚幼體存活受pCO2主效應影響顯著（表2)，且溫度和酸化之間無顯著的交互作用。酸化會顯著降低簡單鹿角珊瑚幼體存活率，酸化處理組和高溫酸化處理組幼體存活率較對照組分別下降了25.87%和24.96%。此外，溫度對幼體存活率影響不顯著，高溫處理組幼體的存活率與對照組相當（圖2）。

3.2.2 中間鹿角珊瑚幼體存活

溫度和pCO2對中間鹿角珊瑚幼體存活的影響均不顯著，兩者之間也無顯著的交互作用。幼體在升溫處理組和酸化處理組的存活率均出現(xiàn)不同程度的降低。酸化單獨作用時，幼體存活率降低了32.14%；溫度單獨作用時，幼體存活率降低了11.16%；而當升溫和酸化兩者協(xié)同作用時，幼體存活率又升至與對照組相當（圖 2）。

4 討論

4.1 升溫和酸化對造礁石珊瑚幼蟲附著和存活的影響

圖1 兩種珊瑚幼蟲在不同條件下的附著率和死亡率Fig. 1 Percentages of settlement and larval mortality of two species of scleractinian coral larvae at different conditions

表2 雙因素方差分析結(jié)果：溫度、pCO2對兩種珊瑚幼蟲附著率、死亡率及附著后存活的影響Table 2 Results of two-way ANOVAs testing the effects of elevated temperature, pCO2 on the percentages of settlement, mortality,post-settlement survival of two coral species

圖2 兩種珊瑚幼體在不同處理下的存活率Fig. 2 Percentages of survival of two species of scleractinian coral juvenile at different conditions

海水酸化和暖化對造礁石珊瑚幼蟲附著和存活已有較多的研究，但目前尚無統(tǒng)一的結(jié)論。例如，Nozawa和Harrison[21]和江雷等[35]研究發(fā)現(xiàn)升溫（+3℃）會顯著提高孵卵型珊瑚（A. robusta、A. solitaryensis）幼蟲5 d、7 d的附著率。溫度升高也會造成造礁石珊瑚幼蟲附著率和存活率的下降。孵卵型加勒比海鹿角珊瑚（A. palmata）幼蟲在升溫（+3.5℃）140 h后附著率和存活率明顯下降[20]。即使同一種造礁石珊瑚幼蟲，不同研究結(jié)果之間也存在差異。濱珊瑚(Porites astreoides)幼蟲在升溫（+5℃）24 h后死亡率高達3.7倍[15]，而升溫（+3.5℃）68 h后沒有明顯造成幼蟲死亡[36]。蜂巢珊瑚（Favia fragum）幼蟲在31℃（+3℃）培養(yǎng)48 h，幼蟲存活率沒有明顯變化，而培養(yǎng)156 h后幼蟲存活率下降了13%[19]。本實驗發(fā)現(xiàn)約2.5℃的升溫并不影響兩種鹿角珊瑚3 d內(nèi)的附著和存活，說明不同種類的珊瑚幼蟲對熱脅迫的敏感程度不同，存在種類特異性，蜂巢珊瑚幼蟲可以抵抗高溫脅迫（31℃）長達48 h，但幼蟲的存活率會隨著處理時間的增加（151～196 h）而明顯降低[19]。說明珊瑚種類及升溫幅度、時間均為影響實驗的因素。另外，各實驗中使用的幼蟲發(fā)育程度不一，本實驗和江雷等[35]的實驗采用的是發(fā)育至5～8 d的幼蟲，Randall和Szmant[19]采用的是發(fā)育不足1 d的幼蟲，所以不同發(fā)育時期的幼蟲抵抗溫度脅迫的能力也不同。

酸化對珊瑚幼蟲附著率和存活率影響的研究也呈現(xiàn)出不同的實驗結(jié)果。Doropoulos和Diaz-pulido[25]研究發(fā)現(xiàn)，3 d 的酸化處理（447 μatm, 705 μatm,1 214 μatm）會降低石松鹿角珊瑚(A. selago)幼蟲的附著率。同樣的研究發(fā)現(xiàn)pH值降低0.3（從pH 7.9到pH 7.6）會顯著降低鹿角杯形珊瑚幼蟲附著率[37]。酸化條件下指形鹿角珊瑚（A. digitifera）幼蟲存活率7 d后從 60%（pH 8.0）下降到 33%（pH 7.6），但酸化（pH 7.6, pH 7.3）對柔枝鹿角珊瑚（A. tenuis）幼蟲存活率無明顯影響[38]。本研究發(fā)現(xiàn)酸化并不影響兩種鹿角珊瑚幼蟲3 d內(nèi)的附著和存活。以上研究結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，說明了不同的珊瑚幼蟲對酸化的響應不一致，珊瑚幼蟲對酸化響應存在種類特異性。上述引用文獻只探討了升溫或酸化單因素對造礁石珊瑚幼蟲附著、存活率的影響，尚不能代表實際海水生態(tài)環(huán)境變化的效應。

研究發(fā)現(xiàn)，升溫和酸化雙因素協(xié)同作用對某些造礁石珊瑚幼蟲附著率影響不顯著。例如，升溫和酸化（+1℃，+400 μatm；+約 3℃，約 900 μatm）對巴拿馬濱珊瑚（Porites panamensis）[19]和標準鹿角珊瑚（A. spicifera）[27]幼蟲的附著影響不顯著。不同程度升溫和酸化（29℃，635 μatm；30.5℃, 845 μatm）對鹿角杯形珊瑚幼蟲存活影響不顯著[39-41]。本實驗結(jié)果顯示，升溫和酸化對兩種鹿角珊瑚幼蟲附著和存活影響不顯著，可能是鹿回頭海域夏季日均溫變化幅度較大[32]，夏季3 m水深處極端溫度可達32.17℃（未發(fā)表數(shù)據(jù)），促成了珊瑚對溫度的馴化適應。已有實驗證實，海洋生物母體的環(huán)境經(jīng)歷會影響其后代對環(huán)境脅迫的響應，即母體效應[41]。

4.2 升溫和酸化對造礁石珊瑚幼體存活的影響

造礁石珊瑚浮浪幼蟲經(jīng)過一定時間浮游期后，附著變態(tài)為珊瑚幼體[14]，酸化往往會對珊瑚幼體產(chǎn)生不利的影響[40]。本文研究結(jié)果表明，酸化（約1 300 μatm）使簡單鹿角珊瑚幼體存活率顯著下降。加勒比海鹿角珊瑚幼體存活率隨著酸化（560 μatm、800 μatm）程度的增加而顯著降低[24]。酸化（896 μatm、1 681 μatm）也會抑制鹿角杯形珊瑚幼體的鈣化[42]，而升高溫度可以緩解酸化對鹿角杯形珊瑚幼體鈣化的影響[43]。由于本文實驗周期較短且沒有設(shè)置與鈣化參數(shù)相關(guān)的指標，所以沒有探查到相關(guān)鈣化的影響。而Anlauf等[44]發(fā)現(xiàn)升溫和酸化（29.5℃、pH 7.83）條件下，鹿角杯形珊瑚幼體的生物量降低28%。本研究結(jié)果顯示，酸化（1 300 μatm）對簡單鹿角珊瑚幼體存活有顯著性影響，而對中間鹿角珊瑚幼體存活無顯著影響，說明酸化對珊瑚幼體的影響存在種類特異性。隨著酸化程度增加，珊瑚幼體生長速率和碳酸鈣飽和狀態(tài)均有所降低，抑制了珊瑚幼體的生長[45-47]，幼體的死亡率與幼體大小、生長率成反比[47-49]，而緩慢的生長可能會導致死亡率增加[24]。另外，有轉(zhuǎn)錄組研究證明，酸化可以影響多孔鹿角珊瑚（A. millepora）、指形鹿角珊瑚幼體的基因表達[49-50]，并可以使與鈣化相關(guān)的基因出現(xiàn)下調(diào)，尤其是與Ca2+、HCO3-轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因[49]，從而產(chǎn)生不利的影響，抑制珊瑚幼體的生長。

5 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)升溫（+約 2.5℃）和酸化（約 1 300 μatm）對三亞鹿回頭海域簡單鹿角珊瑚和中間鹿角珊瑚幼蟲的附著率和死亡率的影響不顯著；酸化（約1 300 μatm）可以使簡單鹿角珊瑚幼體存活率顯著下降；海洋酸化將是影響鹿回頭海域珊瑚群落結(jié)構(gòu)演化的重要環(huán)境因子。