馬鴻梅,王云祥,秦傳新,段丁毓,朱文濤,陳丕茂
(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,國家農(nóng)業(yè)科學(xué)漁業(yè)資源環(huán)境大鵬觀測實(shí)驗(yàn)站,中國水產(chǎn)科學(xué)研究院海洋牧場技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510300;2.江蘇海洋大學(xué)海洋生命與水產(chǎn)學(xué)院,江蘇連云港 222005)
我國珊瑚礁主要分布在南沙、西沙、東沙群島,及海南省、廣東省和臺(tái)灣省附近海域,約占世界總量的18.48%[1]。珊瑚礁通常分布在水流交換優(yōu)良、透明度高、風(fēng)浪緩和的低濃度溶解無機(jī)鹽海區(qū),在海洋生物多樣性保護(hù)、漁業(yè)資源保護(hù)、減輕溫室效應(yīng)等方面起到了積極的生態(tài)作用[2]。近年來,隨著海洋開發(fā)活動(dòng)不斷發(fā)展,近海生態(tài)環(huán)境卻在不斷惡化,如污水的排放、違規(guī)采集、炸魚、挖掘再沉積[3],以及風(fēng)暴[4]、厄爾尼諾現(xiàn)象[5]、寒潮[6]等因素的影響,使得我國近岸珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。鄒仁林等[7]在廣東大亞灣和廣西北部灣調(diào)查發(fā)現(xiàn)21屬45種珊瑚,由于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)和自然環(huán)境變化等原因,珊瑚礁資源退化嚴(yán)重。2015年7月王云祥等[8]對(duì)大亞灣海域造礁石珊瑚進(jìn)行普查發(fā)現(xiàn),該海域整體珊瑚覆蓋度為41.15%,最高覆蓋率為55%,最低覆蓋率僅為13%,覆蓋度差異較大,近3年內(nèi)珊瑚死亡率較高。
影響珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的因子較多,水溫是造成珊瑚白化的一個(gè)重要因子[9-10]。相關(guān)研究表明,在夏季雨量充沛時(shí),隨著CO2值的不斷升高,經(jīng)地表徑流的淡水會(huì)使珊瑚發(fā)生白化[11];HOEGH等[12]于1999年發(fā)文認(rèn)為,再過80年將會(huì)有70%的珊瑚礁生活在酸化海域。過強(qiáng)的紫外線輻射也會(huì)迫使蟲黃藻脫離珊瑚,而泥沙或者大型藻類的覆蓋也會(huì)造成珊瑚的窒息性死亡[13]。因此,本研究以大亞灣海域土著珊瑚風(fēng)信子鹿角珊瑚(Acropora hyacinthus)為研究對(duì)象,通過正交試驗(yàn)探討溫度、鹽度、光強(qiáng)、pH對(duì)珊瑚生長以及蟲黃藻(Zooxanthella)數(shù)量的影響,探討風(fēng)信子鹿角珊瑚對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)模式,篩選其最適生長環(huán)境條件,以期為大亞灣珊瑚資源保護(hù)提供理論依據(jù)。
風(fēng)信子鹿角珊瑚采自深圳南澳島及周邊水域(22°33′50.78″~22°40′38.18″N、114°30′35.62″~114°33′26.90″E),實(shí)驗(yàn)用海水取自七星灣天然海水,將現(xiàn)場采集到的活體珊瑚迅速放入暫養(yǎng)桶,氧氣泵供氧,運(yùn)輸期間暫養(yǎng)桶避光。1 h后到達(dá)暫養(yǎng)車間,將珊瑚樣品放入暫養(yǎng)池(4 m×3 m×1.5 m),同時(shí)用氧氣泵供氧,保持水流循環(huán),暫養(yǎng)車間棚頂為透明玻璃板。陰雨天期間,暫養(yǎng)池上方距離水面1 m安裝有5盞120 W藍(lán)色光源的金屬鹵化燈,當(dāng)車間內(nèi)的光照強(qiáng)度不足1 500 lx時(shí),開啟金屬鹵化燈,日落后關(guān)閉光源,光照時(shí)間同野外環(huán)境保持一致。暫養(yǎng)5~7 d后,珊瑚觸手完整伸展時(shí)即可開始實(shí)驗(yàn)。1組珊瑚實(shí)驗(yàn)完畢后,將珊瑚放回到暫養(yǎng)池中,與未進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)的珊瑚分開擺放。
將實(shí)驗(yàn)用珊瑚放入20 cm×30 cm×20 cm的有機(jī)玻璃箱中,待珊瑚狀態(tài)穩(wěn)定不釋放粘液后,放入光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)按照L25(56)正交表進(jìn)行,設(shè)計(jì)了4個(gè)環(huán)境因子(溫度、pH、光強(qiáng)、鹽度),每個(gè)環(huán)境因子5個(gè)梯度,共計(jì)25組實(shí)驗(yàn)(表1),每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù),每個(gè)梯度持續(xù)觀測5 d,每天上午9∶00拍照觀測珊瑚的形態(tài),在第5天用剪刀截取珊瑚一個(gè)分枝(30~40 cm2),于顯微鏡下通過血球計(jì)數(shù)板統(tǒng)計(jì)蟲黃藻數(shù)量。實(shí)驗(yàn)期間分別在0、4、12、24、72、120 h采集水樣,依據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB12763.4—2007)中的實(shí)驗(yàn)方法,用靛酚藍(lán)法測定水中氨態(tài)氮濃度(NH+4-N),用抗壞血酸還原鉬藍(lán)法測定活性磷濃度(PO3-4-P)。
表1 L 25(56)正交表實(shí)驗(yàn)方案表Tab.1 L 25(56)orthogonal experiment table
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第5天時(shí),用剪刀直接在水中取樣,盡量減少珊瑚裸露在空氣中的時(shí)間,迅速放入預(yù)先準(zhǔn)備好的采樣瓶中,并編號(hào)記錄,將剩余珊瑚放回原暫養(yǎng)池。采集好的珊瑚樣品逐一取出并用鋁箔紙包裹,放入4℃冰箱保存30 min,去除表面粘液。然后將鋁箔紙沖洗干凈,烘干準(zhǔn)備稱重,取珊瑚池中的清潔海水經(jīng)0.45μm濾膜過濾,置于洗牙器中,沖洗珊瑚至水螅體分離骨骼,準(zhǔn)確量取沖洗液體積。搖勻沖洗液,再取9 mL沖洗液加入1 mL甲醛溶液(10%)放入10 mL離心管中,1 h內(nèi)將其他珊瑚樣品全部處理完后,再把全部盛有沖洗液的離心管放入離心機(jī)中離心10~15 min,速度設(shè)為4 000 r·min-1。離心后取上清液,置于血球計(jì)數(shù)板中統(tǒng)計(jì)蟲黃藻的單位面積個(gè)數(shù)。
珊瑚表面積共生蟲黃藻密度采用以下公式計(jì)算:
式中,D:共生蟲黃藻密度;C:共生藻濃度;V:沖洗液體積;M:包裹在珊瑚樣品外的鋁箔重量;90%:固定液中原液比例;G:鋁箔單位面積質(zhì)量。通過6個(gè)相等面積的方格計(jì)算鋁箔平均單位面積質(zhì)量,用包裹珊瑚表面的鋁箔間接估算珊瑚的表面積。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖1,表2),當(dāng)水溫超過30℃后,珊瑚在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)白化;水溫在15℃時(shí),珊瑚體內(nèi)共生蟲黃藻平均密度為2.698×106個(gè)·cm-2(圖1-a)。pH為5.1時(shí),珊瑚在4 h即出現(xiàn)蟲黃藻脫落現(xiàn)象,在24 h后水體呈現(xiàn)淡黃色,至120 h珊瑚已瀕臨死亡,出現(xiàn)大面積的白化(圖1-b);隨pH值上升,珊瑚狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)好,pH為8.3時(shí),蟲黃藻密度最高達(dá)到2.576×106個(gè)·cm-2;但當(dāng)水體中pH超過9.0時(shí),4 h后珊瑚表面覆蓋有一層白色薄膜,蟲黃藻脫離表面,12~24 h即發(fā)生白化死亡。風(fēng)信子鹿角珊瑚對(duì)低鹽環(huán)境有一定耐受性,對(duì)高鹽環(huán)境則反應(yīng)較為激烈。當(dāng)鹽度為33時(shí),蟲黃藻密度最高為2.418×106個(gè)·cm-2(圖 1-c);當(dāng)鹽度繼續(xù)升高,蟲黃藻數(shù)量隨之減少,在鹽度為37時(shí),蟲黃藻密度下降60%,至鹽度升高到43時(shí),珊瑚48 h內(nèi)白化死亡。在低鹽度環(huán)境,蟲黃藻密度隨鹽度降低呈緩慢下降狀態(tài);鹽度為23時(shí),珊瑚在4 h時(shí)開始分泌粘液,24 h時(shí)蟲黃藻已開始脫離水螅體,至實(shí)驗(yàn)結(jié)束,水體呈現(xiàn)淡黃色,但珊瑚并未完全白化死亡。光強(qiáng)因子對(duì)蟲黃藻密度的影響差異不顯著,為次要因素。當(dāng)光強(qiáng)在6 000 lx時(shí),蟲黃藻密度最高為2.050×106個(gè)·cm-2;當(dāng)光強(qiáng)為最低(0 lx)和最高(12 000 lx)時(shí),5 d實(shí)驗(yàn)未對(duì)珊瑚造成明顯影響:光強(qiáng)為0 lx時(shí),珊瑚48 h后觸手不再伸展,至實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,珊瑚與水體均無顯著變化;當(dāng)光強(qiáng)最高為12 000 lx時(shí),至實(shí)驗(yàn)結(jié)束珊瑚觸手正常伸展,但有部分蟲黃藻逐漸脫離宿主,珊瑚顏色變淺,水體中可見輕微的淡黃色,蟲黃藻密度為 1.736×106個(gè)·cm-2,顯著低于6 000 lx時(shí)蟲黃藻密度,可見珊瑚在強(qiáng)光照射下通過降低蟲黃藻密度以維持正常的光合作用水平。
表2 各試驗(yàn)組蟲黃藻密度Tab.2 Coral Zooxanthella density(×106個(gè)·cm-2)
圖1 環(huán)境因子變化對(duì)蟲黃藻數(shù)量的影響Fig.1 Effects of different environmental factors on the number of Zooxanthella
根據(jù)以上不同環(huán)境因子對(duì)蟲黃藻數(shù)量的影響可以得出,在水溫25℃、鹽度33、pH 8.3、光照6 000 lx環(huán)境下蟲黃藻的數(shù)量達(dá)到最高值,因此篩選這4個(gè)環(huán)境指標(biāo),觀察珊瑚代謝對(duì)NH+4-N濃度的影響。結(jié)果表明:溫度為25℃時(shí),隨著鹽度、pH、光強(qiáng)的變化,第11組與第15組差異顯著(P<0.05)。第11組限制性因素為鹽度43、pH 5.1,光強(qiáng)6 000 lx,24 h時(shí)NH+4-N開始顯著增長,72 h后珊瑚瀕臨死亡,水體表現(xiàn)為水質(zhì)惡化伴有腥臭味出現(xiàn),至實(shí)驗(yàn)結(jié)束NH+4-N濃度顯著升高(P<0.01);第15組限制性因子為鹽度37、pH 9.5、光強(qiáng)4 000 lx,在72 h時(shí)NH+4-N開始出現(xiàn)放量式增長,可見高pH水環(huán)境對(duì)珊瑚造成嚴(yán)重的危害(圖2-a)。鹽度為33時(shí),隨著溫度、pH、光強(qiáng)的變化,第6、17組變化差異明顯(P<0.05),第6組限制因子為溫度21℃、pH 5.1、光強(qiáng)4 000 lx,在酸性水體中珊瑚表現(xiàn)出一定范圍內(nèi)的耐受力,本組中水體的NH+4-N濃度在120 h時(shí)達(dá)到最高,珊瑚白化;第17組限制因子為溫度29℃、pH 6.3、光強(qiáng)12 000 lx,在12 h時(shí)NH+4-N濃度開始升高,72 h時(shí)出現(xiàn)峰值,珊瑚死亡(圖2-b)。pH 8.3時(shí),隨著溫度、鹽度、光強(qiáng)的變化,第19、24組NH+4-N濃度變化差異顯著(P<0.05),第19組限制因子為溫度29℃、鹽度43、光強(qiáng)4 000 lx,至72 h NH+4-N濃度上升至峰值,即發(fā)生白化;第24組限制因素為溫度35℃、鹽度29、光強(qiáng)6 000 lx,珊瑚在12 h時(shí)白化,72 h時(shí)水體中NH+4-N濃度最高,珊瑚出現(xiàn)死亡(圖2-c)。光強(qiáng)為6 000 lx時(shí),隨著溫度、鹽度、pH的變化,第 11、20組NH+4-N濃度變化差異顯著(P<0.05),第11組限制因素為pH 5.1,120 h時(shí)水體中NH+4-N達(dá)到最高,珊瑚死亡;第20組限制性因子為pH 9.5,珊瑚在48 h內(nèi)出現(xiàn)白化,72 h時(shí)水體NH+4-N濃度升高,珊瑚死亡(圖2-d)。
圖2 環(huán)境因子變化對(duì)NH+4-N濃度的影響Fig.2 Effects of coral metabolism on the concentration of NH+4-N under different environmental factors
通過觀察珊瑚代謝對(duì)PO3-4-P濃度的影響發(fā)現(xiàn),水溫25℃下,第11、15組差異顯著(P<0.05),第11組在24 h時(shí),PO3-4-P開始顯著性增長,且PO3-4-P出現(xiàn)快速增長的時(shí)間早于NH+4-N,72 h后珊瑚白化,出現(xiàn)死亡(P<0.01);第15組在72 h時(shí)PO34--P開始出現(xiàn)放量式增長(圖3-a)。鹽度33條件下,第 6、17、25組 PO34--P濃度的變化差異顯著(P<0.05),第6組在120 h時(shí)濃度明顯升高,珊瑚出現(xiàn)白化;第17組72 h時(shí)PO34--P濃度顯著升高;第25組的主要限制因子為高溫,pH為9.5,在12 h時(shí)珊瑚即發(fā)生白化,水體中PO34--P濃度顯著上升(圖3-b)。pH 8.3條件下,第4、19、24組水體中PO34--P濃度變化差異顯著(P<0.05),第4組的PO34--P在低溫、高鹽下釋放較快,24 h時(shí)升至峰值,之后開始下降;第19組在4 h后-P開始釋放,至72 h上升至峰值,即發(fā)生白化,本組PO34--P濃度變化趨勢與NH4+-N濃度變化趨勢相同;第24組珊瑚在高溫狀態(tài)下反應(yīng)劇烈,短時(shí)間內(nèi)水體中PO34--P未見顯著性增長(圖3-c)。光強(qiáng)為6 000 lx的各組中,第11組珊瑚72 h出現(xiàn)死亡,120 h水體PO34--P濃度顯著升高;第20組珊瑚在48 h內(nèi)白化,72 h時(shí)水體PO34--P濃度達(dá)到峰值,珊瑚出現(xiàn)白化;第24組珊瑚在72 h時(shí)白化,水體中PO34--P濃度達(dá)到峰值(圖3-d)。
圖3 環(huán)境因子變化對(duì)PO3-4-P濃度的影響Fig.3 Effects of coral metabolism on the concentration of PO3-4-P under different environmental factors
造礁石珊瑚對(duì)外界環(huán)境的改變較為敏感,其自適應(yīng)過程主要體現(xiàn)為氮磷水平及其蟲黃藻含量的變化,適宜的生長溫度一般為23~28℃[14],大亞灣海域年均最低溫14~15℃[15]。實(shí)驗(yàn)中25℃時(shí)珊瑚單位面積蟲黃藻密度最高,水體中營養(yǎng)鹽濃度呈現(xiàn)出先下降后升高趨勢,15℃時(shí)珊瑚的蟲黃藻密度和營養(yǎng)鹽濃度變化均不顯著。在日本海生活的石珊瑚中22.5%的種類能夠忍受10.5℃低溫,超過48%的種類可以忍受14.1℃的低溫[16]。雷新明等[9]研究富營養(yǎng)化與共生藻關(guān)系中指出,NH+4-N濃度增高的水體會(huì)影響珊瑚的光合效率,從而降低珊瑚的蟲黃藻密度與葉綠素含量。本研究中,珊瑚在29℃的水體中經(jīng)過96 h培養(yǎng)后開始分泌粘液,此時(shí)水體中NH+4-N濃度顯著高于72 h時(shí)的NH+4-N濃度(P<0.01),120 h后珊瑚基本白化。珊瑚白化程度主要是由外界干擾所引起的蟲黃藻流失造成[17],相關(guān)研究指出,當(dāng)溫度超過34℃時(shí),珊瑚體內(nèi)的細(xì)胞功能完全紊亂,共生藻的分解速度加快,隨著珊瑚粘液的分泌流入海水中,珊瑚光合作用完全停止[18]。
鹽度是影響造礁石珊瑚存活的重要因子,適宜珊瑚生長的鹽度范圍是27~40,低鹽環(huán)境可能會(huì)對(duì)珊瑚造成嚴(yán)重影響[19]。本研究中風(fēng)信子鹿角珊瑚最適鹽度是33,當(dāng)珊瑚處在鹽度29的環(huán)境中,單位面積共生藻密度為 1.907×106個(gè)·cm-2,顯著低于鹽度33時(shí)的水平。已有研究指出,鹽度在小范圍內(nèi)的波動(dòng)并不會(huì)短時(shí)間內(nèi)致珊瑚白化死亡,但是珊瑚不具備調(diào)節(jié)滲透壓的能力[20],因而如果珊瑚長時(shí)間置于此環(huán)境會(huì)抑制珊瑚的光合作用效率,進(jìn)而影響珊瑚的鈣化速率,最終發(fā)生白化死亡。珊瑚生存環(huán)境一般為偏堿性,pH在8.0~8.5之間為正常水平[21]。珊瑚可以通過調(diào)節(jié)自身的酸堿度來適應(yīng)環(huán)境,在pH偏低情況下珊瑚依然可以存活[22]。但是當(dāng)pH下降至6.3以下時(shí),珊瑚單位面積蟲黃藻數(shù)量迅速下降,說明當(dāng)水質(zhì)一旦超過珊瑚的耐受范圍,無論傷害到宿主還是蟲黃藻都會(huì)引起共生藻脫離宿主。SUZUKI等[23]于日本野外的實(shí)驗(yàn)證實(shí),珊瑚礁在夜晚會(huì)發(fā)生凈溶解。大洋區(qū)珊瑚發(fā)生溶解現(xiàn)象較為少見,海岸帶附近溶解現(xiàn)象較為普遍[24]。而當(dāng)海洋酸化問題與溫度升高協(xié)同作用時(shí),珊瑚將會(huì)在更低的溫度下發(fā)生白化[25]。海水溫度的升高將使珊瑚發(fā)生更多的不可逆疾病與白化問題,未來的珊瑚礁區(qū)多樣性將會(huì)受到不可忽視的影響[26]。FINE等[27]研究指出,有骨骼的珊瑚在酸化的實(shí)驗(yàn)條件下能夠以??麪畹男问骄S持基本的生命功能,包括生殖能力,并且當(dāng)它們重新進(jìn)入正常的海洋環(huán)境時(shí),能夠恢復(fù)骨骼的建造。因此在一定的強(qiáng)度范圍內(nèi),并非所有珊瑚都受到海洋酸化的脅迫。
光強(qiáng)是影響珊瑚鈣化效率的重要因子,在適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度下,蟲黃藻可將光合作用所吸收的95%的碳轉(zhuǎn)移至水螅體中,為宿主的不斷鈣化提供必不可少的能源[28]。正是由于蟲黃藻的多樣性對(duì)光照強(qiáng)度有著不同需求,造成了珊瑚垂直分布的多樣性[29]。在本實(shí)驗(yàn)中,珊瑚在6 000 lx光強(qiáng)時(shí)單位面積蟲黃藻密度最高,而珊瑚處在無光照環(huán)境中時(shí),蟲黃藻密度相對(duì)大于低光強(qiáng)(4 000 lx)時(shí)。在沉積物較多、透明度低的海區(qū),珊瑚會(huì)通過增加共生藻密度以增加葉綠素-a含量的方式來維持其在惡劣環(huán)境中的生存[30]。DUBINSKY等[31]的研究證實(shí),當(dāng)珊瑚面對(duì)高強(qiáng)度光照時(shí),珊瑚體內(nèi)的共生藻濃度和葉綠素-a濃度都會(huì)出現(xiàn)較為明顯的下降,以降低光合效率,保護(hù)光合器官。當(dāng)光強(qiáng)超過珊瑚承受的正常水平時(shí),珊瑚可調(diào)整體內(nèi)的熒光蛋白含量,將吸收的多余光能以熒光方式轉(zhuǎn)移出體表,可以起到保護(hù)光合系統(tǒng)的目的。
綜上所述,溫度為25℃、鹽度為33、pH為8.3、光強(qiáng)為6 000 lx時(shí),是風(fēng)信子鹿角珊瑚最適宜存活條件。近年來由于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)和氣候變化,珊瑚礁資源正面臨著前所未有的生存挑戰(zhàn),大亞灣經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),水環(huán)境污染應(yīng)該引起高度重視。本研究確定了風(fēng)信子鹿角珊瑚的最適環(huán)境因子,可以為將來室內(nèi)培育珊瑚以及野外珊瑚移植提供參考依據(jù)。