孫有方，江雷，雷新明，張?jiān)￡?yáng)，俞曉磊，黃暉,4*

(1. 中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所 熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301；2. 中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所 廣東省應(yīng)用海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 海南熱帶海洋生物實(shí)驗(yàn)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(guò)去200年以來(lái)，海洋吸收了空氣中大約26%～30%的CO2[1-2]，導(dǎo)致平均海水表層pH下降幅度超過(guò)0.1；全球變暖導(dǎo)致平均海水表層溫度升高了近1℃[3]，稱(chēng)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(shì)，海洋環(huán)境變化的問(wèn)題將會(huì)日益加劇[4]。根據(jù)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）預(yù)測(cè)，在本世紀(jì)末，大氣CO2濃度將會(huì)達(dá)到 800×10-6～1 000×10-6[5]。已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，海洋酸化對(duì)海洋生物有負(fù)面影響，尤其是依靠碳酸鈣來(lái)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(dǎo)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(duì)成體造礁石珊瑚光合作用、呼吸作用、鈣化等各種生理過(guò)程有影響，而且還會(huì)對(duì)造礁石珊瑚幼蟲(chóng)的附著、幼體存活以及生長(zhǎng)發(fā)育有影響。近期研究證實(shí)，海洋酸化不會(huì)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(guò)程。許多生物的早期發(fā)育過(guò)程對(duì)環(huán)境壓力比較敏感[12]，所以為應(yīng)對(duì)快速變化的海洋環(huán)境，需要成功的有性繁殖、幼蟲(chóng)附著、幼體的生長(zhǎng)和存活[13]。

珊瑚的早期發(fā)育過(guò)程可分為受精作用、浮浪幼蟲(chóng)發(fā)育、散播、附著和變態(tài)作用等[14]，其關(guān)鍵過(guò)程是浮游狀態(tài)的珊瑚幼蟲(chóng)在合適的基底上成功附著變態(tài)為幼體。珊瑚幼蟲(chóng)的附著、存活和幼體存活深刻影響造礁石珊瑚的種群補(bǔ)充過(guò)程和珊瑚礁潛在的恢復(fù)力[15]，對(duì)維持珊瑚遺傳多樣性和受損珊瑚礁恢復(fù)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(chóng)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(chóng)附著率[21]、死亡率和變態(tài)率[15]，促進(jìn)幼體的生長(zhǎng)或鈣化[22]，不影響幼體的白化[23]，抑制或不影響幼體生長(zhǎng)[19,22]。再者，海洋酸化會(huì)降低珊瑚受精率[24]、幼蟲(chóng)的附著[25]及早期生長(zhǎng)發(fā)育[24]等。

海洋酸化和暖化一般同時(shí)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?jī)烧呔C合效應(yīng)對(duì)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(duì)海洋酸化和暖化的響應(yīng)，已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵的研究問(wèn)題[26]，因此本研究通過(guò)探討海洋酸化、暖化對(duì)兩種鹿角珊瑚幼蟲(chóng)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(shì)下為珊瑚幼體補(bǔ)充和珊瑚礁恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 方法

2.1 珊瑚浮浪幼蟲(chóng)采集和培養(yǎng)

三亞鹿回頭海域（18°12′N(xiāo), 109°28′E）2 m 水深處，于2016年4月各采集4株簡(jiǎn)單鹿角珊瑚（Acropora austera）和中間鹿角珊瑚（A. intermedia）的成熟個(gè)體，收集同種珊瑚不同個(gè)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(jiǎn)單鹿角珊瑚幼蟲(chóng)培育6 d，中間鹿角珊瑚幼蟲(chóng)培育5 d（兩種珊瑚相隔1 d排卵），隨機(jī)挑選游動(dòng)能力強(qiáng)的浮浪幼蟲(chóng)用于實(shí)驗(yàn)。采集鹿回頭海域常見(jiàn)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(jìn)行幼蟲(chóng)附著實(shí)驗(yàn)。造礁石珊瑚采集、排卵、幼蟲(chóng)培育、附著基采集及實(shí)驗(yàn)均參考現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行[25,28-31]。實(shí)驗(yàn)全部在中國(guó)科學(xué)院海南熱帶海洋生物實(shí)驗(yàn)站內(nèi)完成。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置4組處理，共8個(gè)實(shí)驗(yàn)缸。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)照組CO2分壓（Ambient CO2，AC）設(shè)為約 500 μatm，為鹿回頭海區(qū)實(shí)測(cè)pCO2。實(shí)驗(yàn)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(píng)估報(bào)告預(yù)測(cè)本世紀(jì)末海水表層的溫度將上升2～3℃[5]相一致；實(shí)驗(yàn)組pCO2設(shè)為約1 300 μatm（High CO2, HC），表示IPCC預(yù)測(cè)本世紀(jì)末pCO2。實(shí)驗(yàn)4個(gè)處理設(shè)計(jì)為對(duì)照組(ATAC)、酸化組（ATHC）、升溫組（HTAC）和升溫酸化組（HTHC）。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)缸放入7個(gè)20 mL透明玻璃瓶，玻璃瓶加入預(yù)先處理好的海水和1塊附著基。因兩種珊瑚幼蟲(chóng)的收集數(shù)量不同，將簡(jiǎn)單鹿角珊瑚幼蟲(chóng)置于4個(gè)透明玻璃瓶?jī)?nèi)，每個(gè)玻璃瓶中放入20個(gè)簡(jiǎn)單鹿角幼蟲(chóng)，將中間鹿角珊瑚幼蟲(chóng)置于3個(gè)透明玻璃瓶?jī)?nèi)，每個(gè)玻璃瓶中放入20個(gè)中間鹿角珊瑚幼蟲(chóng)。瓶口用180 μm篩絹封住以保證水流交換，隨機(jī)放入相應(yīng)處理缸。幼蟲(chóng)附著參照Heyward和Negri[30]的標(biāo)準(zhǔn)：珊瑚幼蟲(chóng)緊貼在附著基表面，變扁且分化出觸手和隔膜。因幼蟲(chóng)死亡后會(huì)在24 h內(nèi)分解，缺失的珊瑚幼蟲(chóng)即為死亡[33-34]。3 d后統(tǒng)計(jì)兩種造礁石珊瑚幼蟲(chóng)附著數(shù)目和存活數(shù)目。附著后實(shí)驗(yàn)持續(xù)5 d，統(tǒng)計(jì)兩種造礁石珊瑚幼體存活數(shù)目。

實(shí)驗(yàn)期間，每天08:00、16:00采用多參數(shù)測(cè)量?jī)x（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(jì)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(biāo)測(cè)定。海水總堿度測(cè)定采用自動(dòng)電位滴定儀（Apollo，AS-ALK2）。文石飽和度ΩArag和pCO2等數(shù)據(jù)計(jì)算采用CO2SYS表格。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

簡(jiǎn)單鹿角珊瑚幼蟲(chóng)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(jì)算：

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

表1 實(shí)驗(yàn)期間各個(gè)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(chóng)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(chóng)附著、死亡及幼體存活數(shù)目。

實(shí)驗(yàn)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(chóng)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(lái)檢驗(yàn)溫度、pCO2之間的關(guān)系；以溫度和pCO2為固定因子，而珊瑚幼蟲(chóng)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(chóng)附著與存活

3.1.1 簡(jiǎn)單鹿角珊瑚幼蟲(chóng)附著與存活

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

3.1.2 中間鹿角珊瑚幼蟲(chóng)附著與存活

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

3.2 附著后幼體存活

3.2.1 簡(jiǎn)單鹿角珊瑚幼體存活

簡(jiǎn)單鹿角珊瑚幼體存活受pCO2主效應(yīng)影響顯著（表2)，且溫度和酸化之間無(wú)顯著的交互作用。酸化會(huì)顯著降低簡(jiǎn)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(duì)照組分別下降了25.87%和24.96%。此外，溫度對(duì)幼體存活率影響不顯著，高溫處理組幼體的存活率與對(duì)照組相當(dāng)（圖2）。

3.2.2 中間鹿角珊瑚幼體存活

溫度和pCO2對(duì)中間鹿角珊瑚幼體存活的影響均不顯著，兩者之間也無(wú)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(dú)作用時(shí)，幼體存活率降低了32.14%；溫度單獨(dú)作用時(shí)，幼體存活率降低了11.16%；而當(dāng)升溫和酸化兩者協(xié)同作用時(shí)，幼體存活率又升至與對(duì)照組相當(dāng)（圖 2）。

4 討論

4.1 升溫和酸化對(duì)造礁石珊瑚幼蟲(chóng)附著和存活的影響

圖1 兩種珊瑚幼蟲(chóng)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(duì)兩種珊瑚幼蟲(chóng)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(duì)造礁石珊瑚幼蟲(chóng)附著和存活已有較多的研究，但目前尚無(wú)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(huì)顯著提高孵卵型珊瑚（A. robusta、A. solitaryensis）幼蟲(chóng)5 d、7 d的附著率。溫度升高也會(huì)造成造礁石珊瑚幼蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)，不同研究結(jié)果之間也存在差異。濱珊瑚(Porites astreoides)幼蟲(chóng)在升溫（+5℃）24 h后死亡率高達(dá)3.7倍[15]，而升溫（+3.5℃）68 h后沒(méi)有明顯造成幼蟲(chóng)死亡[36]。蜂巢珊瑚（Favia fragum）幼蟲(chóng)在31℃（+3℃）培養(yǎng)48 h，幼蟲(chóng)存活率沒(méi)有明顯變化，而培養(yǎng)156 h后幼蟲(chóng)存活率下降了13%[19]。本實(shí)驗(yàn)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(shuō)明不同種類(lèi)的珊瑚幼蟲(chóng)對(duì)熱脅迫的敏感程度不同，存在種類(lèi)特異性，蜂巢珊瑚幼蟲(chóng)可以抵抗高溫脅迫（31℃）長(zhǎng)達(dá)48 h，但幼蟲(chóng)的存活率會(huì)隨著處理時(shí)間的增加（151～196 h）而明顯降低[19]。說(shuō)明珊瑚種類(lèi)及升溫幅度、時(shí)間均為影響實(shí)驗(yàn)的因素。另外，各實(shí)驗(yàn)中使用的幼蟲(chóng)發(fā)育程度不一，本實(shí)驗(yàn)和江雷等[35]的實(shí)驗(yàn)采用的是發(fā)育至5～8 d的幼蟲(chóng)，Randall和Szmant[19]采用的是發(fā)育不足1 d的幼蟲(chóng)，所以不同發(fā)育時(shí)期的幼蟲(chóng)抵抗溫度脅迫的能力也不同。

酸化對(duì)珊瑚幼蟲(chóng)附著率和存活率影響的研究也呈現(xiàn)出不同的實(shí)驗(yàn)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(huì)降低石松鹿角珊瑚(A. selago)幼蟲(chóng)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(huì)顯著降低鹿角杯形珊瑚幼蟲(chóng)附著率[37]。酸化條件下指形鹿角珊瑚（A. digitifera）幼蟲(chóng)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(duì)柔枝鹿角珊瑚（A. tenuis）幼蟲(chóng)存活率無(wú)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(chóng)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(shuō)明了不同的珊瑚幼蟲(chóng)對(duì)酸化的響應(yīng)不一致，珊瑚幼蟲(chóng)對(duì)酸化響應(yīng)存在種類(lèi)特異性。上述引用文獻(xiàn)只探討了升溫或酸化單因素對(duì)造礁石珊瑚幼蟲(chóng)附著、存活率的影響，尚不能代表實(shí)際海水生態(tài)環(huán)境變化的效應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，升溫和酸化雙因素協(xié)同作用對(duì)某些造礁石珊瑚幼蟲(chóng)附著率影響不顯著。例如，升溫和酸化（+1℃，+400 μatm；+約 3℃，約 900 μatm）對(duì)巴拿馬濱珊瑚（Porites panamensis）[19]和標(biāo)準(zhǔn)鹿角珊瑚（A. spicifera）[27]幼蟲(chóng)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(duì)鹿角杯形珊瑚幼蟲(chóng)存活影響不顯著[39-41]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，升溫和酸化對(duì)兩種鹿角珊瑚幼蟲(chóng)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(dá)32.17℃（未發(fā)表數(shù)據(jù)），促成了珊瑚對(duì)溫度的馴化適應(yīng)。已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，海洋生物母體的環(huán)境經(jīng)歷會(huì)影響其后代對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)，即母體效應(yīng)[41]。

4.2 升溫和酸化對(duì)造礁石珊瑚幼體存活的影響

造礁石珊瑚浮浪幼蟲(chóng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間浮游期后，附著變態(tài)為珊瑚幼體[14]，酸化往往會(huì)對(duì)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(jiǎn)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(huì)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(duì)鹿角杯形珊瑚幼體鈣化的影響[43]。由于本文實(shí)驗(yàn)周期較短且沒(méi)有設(shè)置與鈣化參數(shù)相關(guān)的指標(biāo)，所以沒(méi)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(duì)簡(jiǎn)單鹿角珊瑚幼體存活有顯著性影響，而對(duì)中間鹿角珊瑚幼體存活無(wú)顯著影響，說(shuō)明酸化對(duì)珊瑚幼體的影響存在種類(lèi)特異性。隨著酸化程度增加，珊瑚幼體生長(zhǎng)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(zhǎng)[45-47]，幼體的死亡率與幼體大小、生長(zhǎng)率成反比[47-49]，而緩慢的生長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)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(dá)[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(yùn)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(zhǎng)。

5 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)升溫（+約 2.5℃）和酸化（約 1 300 μatm）對(duì)三亞鹿回頭海域簡(jiǎn)單鹿角珊瑚和中間鹿角珊瑚幼蟲(chóng)的附著率和死亡率的影響不顯著；酸化（約1 300 μatm）可以使簡(jiǎn)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。