摘要

大型藻類約占沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的 15%，每年固定高達(dá) 27.4 Tg 的碳，并為沿海水域的生命提供重要的結(jié)構(gòu)成分。 盡管具有生態(tài)和商業(yè)重要性，但對(duì)具有不同生活史策略的海藻中 pCO2 升高的短期反應(yīng)的直接測(cè)量和比較仍然很少。 在這里，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中、在室內(nèi)中層設(shè)施的水箱中以及在 pCO2 水平為 400 至 2,000 latm 的沿海中層中培養(yǎng)了幾種海藻物種（開(kāi)花形成/非開(kāi)花形成/多年生/一年生）。 我們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的所有尺度上，石莼屬的短暫物種在 pCO2 升高時(shí)增加了它們的光合作用和生長(zhǎng)速率，而壽命較長(zhǎng)的多年生物種的增加或減少幅度較小。 短期生長(zhǎng)和光合作用速率的這些差異可能使形成開(kāi)花的綠色海藻在混合群落中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此我們的結(jié)果表明，富營(yíng)養(yǎng)化水域中的沿海海藻組合可能會(huì)發(fā)生初始轉(zhuǎn)變，向以開(kāi)花形成、短時(shí)間為主的群落。 - 活的海藻。

一、介紹

大型藻類是多種生物體，它們對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)至關(guān)重要。 它們還在水產(chǎn)養(yǎng)殖中發(fā)揮著越來(lái)越重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)作用。 作為短命的多年生植物或一年生植物，它們參與快速碳循環(huán)（Fourqurean 等人，2012 年），為幼魚(yú)和無(wú)脊椎動(dòng)物提供庇護(hù)所（Best、Chaudoin、Bracken、Graham 和 Stachowicz，2014 年），并作為珊瑚礁定居點(diǎn)的墊腳石（Doropoulos、Ward、Diaz-Pulido、Hoegh-Guldberg 和 Mumby，2012 年）。 在這些龐大而多樣化的群體中，不同的分類群具有特定的生態(tài)作用。 例如，巨型海帶（如巨囊藻和糖藻）形成水下森林并在沿海生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)提供結(jié)構(gòu)化棲息地。 其他物種（如石莼屬）的生態(tài)作用高度依賴于其他環(huán)境，因?yàn)樗鼈兛梢詼p輕富營(yíng)養(yǎng)化沿海水域的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，并通過(guò)化感作用抑制其他有害藻華的生長(zhǎng)（Tang & Gobler，2011），但可以本身也會(huì)形成有害的花朵。 此外，如果它們?cè)陂_(kāi)花后沒(méi)有從系統(tǒng)中移除，生物量就會(huì)增加，養(yǎng)分會(huì)重新釋放到系統(tǒng)中。 這會(huì)導(dǎo)致高度富營(yíng)養(yǎng)化的缺氧條件，進(jìn)而促進(jìn)沿海死區(qū)的蔓延（Smetacek & Zingone，2013 年）。

在影響大型藻類群落的氣候變化的不同方面中，由于海洋酸化 (OA) 引起的 pCO2 水平上升和相關(guān)的 pH 值下降正在以地質(zhì)記錄中前所未有的速度和幅度增加（Mart?nez-Boti 等等，2015）。 雖然海帶生物量在氣候變化下下降并轉(zhuǎn)向兩極（Chen、Hill、Ohlem€uller、Roy 和 Thomas，2011），但許多富營(yíng)養(yǎng)化沿海地區(qū)的綠色大型藻類生物量顯著增加（Smetacek 和 Zingone，2013），導(dǎo)致這些地區(qū)的藻類生物多樣性總體減少。 最近的評(píng)論（例如 Brodie、Williamson、Smale 和 Hall-Spencer，2014 年）強(qiáng)調(diào)，肉質(zhì)和鈣質(zhì)海藻將受到二氧化碳濃度升高的不同影響，肉質(zhì)原生和入侵物種預(yù)計(jì)將增加豐度和碳富集，從而允許更大的投資在草食動(dòng)物防御化合物中，例如酚類物質(zhì)（例如，Mattson、Julkunen-Tiitto 和 Herms，2005 年）。

雖然增加的二氧化碳水平可以作為一種潛在的有益富集，但相關(guān)的 pH 值下降可能會(huì)對(duì)鈣質(zhì)海藻產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是 (Shi, Kranz, Kim, & Morel, 2012)，對(duì)非鈣質(zhì)海藻。 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)大型藻類對(duì) OA 的反應(yīng)方式的方向和幅度在很大程度上取決于物種的生命階段和進(jìn)化歷史（Hepburn 等，2011；Koch、Bowes、Ross 和 Zhang，2013；Nunes 等al., 2016; Xu, Wang, et al., 2015)，以及實(shí)驗(yàn)的時(shí)間尺度 (Xu et al., 2014) 和設(shè)計(jì) (Cornwall & Hurd, 2015)。 此外，二氧化碳濃度升高和氣候變化其他方面的相互作用可以極大地改變對(duì)二氧化碳濃度升高的反應(yīng)：溫度（Pandolfi、Connolly、Marshall 和 Cohen，2011）和養(yǎng)分負(fù)荷（Cai 等，2011；Flynn 等， 2015 年；以及例如，Porzio、Buia 和 Hall-Spencer，2011 年；研究營(yíng)養(yǎng)耗盡條件下的天然高 CO2 區(qū)域）已知會(huì)改變微藻和大型藻類對(duì)海洋酸化的反應(yīng)。 觀察和實(shí)驗(yàn)研究表明，OA 改變了海藻組合的群落結(jié)構(gòu)（Hepburn 等人，2011 年；Kroeker、Micheli 和 Gambi，2013 年；Porzio 等人，2011 年），其中，在貧營(yíng)養(yǎng)條件下，褐藻往往表現(xiàn)最好和珊瑚，最差，處于酸化狀態(tài)（Enochs 等人，2015 年；Johnson、Russell、Fabricius、Brownlee 和 Hall-Spencer，2012 年；Linares 等人，2015 年）。

關(guān)于海洋浮游植物如何適應(yīng)和進(jìn)化以響應(yīng)海洋酸化，以及浮游植物物種內(nèi)部和之間這些響應(yīng)之間的變化，有大量實(shí)證研究（Hall-Spencer 等，2008 年；Hutchins、Fu、Webb， Walworth 和 Tagliabue，2013 年；Schaum、Rost、Millar 和柯林斯，2013 年）。 然而，大型藻類物種缺乏可比較的數(shù)據(jù)集，它們?cè)趯?shí)驗(yàn)環(huán)境中更難維持，特別是在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)。 直到最近，調(diào)查主要集中在使用少數(shù)物種的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)（在高度可復(fù)制和可控的環(huán)境中，但嚴(yán)重限制了我們包括自然環(huán)境復(fù)雜性和波動(dòng)的能力），或沿著自然高 CO2 的橫斷面觀察，例如例如，在時(shí)空替代中（產(chǎn)生關(guān)于自然環(huán)境中海藻群落的重要信息，但很難，如果不是不可能，控制和復(fù)制）。 當(dāng)在中宇宙環(huán)境中進(jìn)行研究時(shí)（例如 Baggini、Issaris、Salomidi 和 Hall-Spencer，2015 年；Baggini 等人，2014 年），他們已經(jīng)表明半自然環(huán)境的復(fù)雜性（例如，放牧和季節(jié)性）極大地影響海藻對(duì)升高的 pCO2 的反應(yīng)。 總體而言，關(guān)于非鈣化海藻草甸內(nèi)對(duì) OA 的保守反應(yīng)在不同物種之間如何保守的數(shù)據(jù)仍然很少，以及關(guān)于天尺度上的適應(yīng)反應(yīng)是否與幾周尺度上的反應(yīng)相當(dāng)，尤其是在原位實(shí)驗(yàn)或中宇宙中(Enochs et al., 2015; Ji, Xu, Zou, & Gao, 2016)。 后者對(duì)于更好地了解氣候變化中的海藻反應(yīng)規(guī)范尤其重要，因?yàn)樵谶@些環(huán)境中，大的 pH 值波動(dòng)是常態(tài)，并且遵循主要由光合作用和呼吸作用引起的晝夜和季節(jié)性模式（布里頓、康沃爾、雷維爾、赫德） , & Johnson, 2016 年；赫德等人，2011 年）。

在這里，研究了 11 種在生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)上具有重要意義的海藻物種（該物種的系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)性圖 S1），包括多年生和短暫的一年生物種。 它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室設(shè)置（短期培養(yǎng) 6 天，圖 1，表 S1 中的碳酸鹽化學(xué)）中在 pCO2 水平范圍從 400 到 2,000 latm pCO2 的情況下在室內(nèi)中層水箱中培養(yǎng)（參見(jiàn)圖S2 和 S3，圖 S4 和表 S2 中的碳酸鹽化學(xué)，28 天）以及 400 和 1,000 latm pCO2 在離海岸一公里的室外中空環(huán)境中（參見(jiàn)圖 S5 和 S6 以及表 S3 中的設(shè)置和碳酸鹽化學(xué)，28 天） . 我們使用這些設(shè)置來(lái)測(cè)試：(i) 天數(shù)范圍內(nèi)的短期反應(yīng)是否高估了數(shù)周范圍內(nèi)對(duì)海洋酸化的適應(yīng)； (ii) 是否可以比較具有不同生活策略（例如，多年生/一年生，開(kāi)花形成/非開(kāi)花形成）的海藻在實(shí)驗(yàn)室、室內(nèi)-中層和室外中層環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 我們表明，在營(yíng)養(yǎng)充足的培養(yǎng)條件下，開(kāi)花形成的短命植物比多年生大型藻類的表現(xiàn)更好，雖然在最初幾天內(nèi)建立的反應(yīng)方向會(huì)保持?jǐn)?shù)周，但幅度不是。 然后我們討論了如何通過(guò)升高的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)解釋為什么不保持對(duì)升高的 pCO2 響應(yīng)的初始強(qiáng)度。

圖 1 開(kāi)花形成（淡綠色）和非開(kāi)花形成（淺棕色）大型藻類的特定增長(zhǎng)率在它們對(duì) pCO2 升高（F10,55 = 20.51，p < .001）。 在碳富集下，pCO2 水平在 280 到 2,000 latm 之間，增長(zhǎng)率增加 在形成開(kāi)花的大型藻類中強(qiáng)烈，而多年生的非開(kāi)花形成物種對(duì)升高的 pCO2 水平顯示出單峰反應(yīng)， 在大約 700 latm pCO2 時(shí)的最高增長(zhǎng)率。 箱線圖按標(biāo)準(zhǔn)顯示，粗線表示中位數(shù)，而粗線表示中位數(shù) 框作為下四分位數(shù)和上四分位數(shù)的末端，胡須延伸到 1 個(gè)四分位距 (IQR) 內(nèi)的最高和最低值 下/上四分位數(shù)。 n = 3 每個(gè)物種每個(gè) pCO2 水平。 [色圖可在 wileyonlinelibrary.com 查看]

在環(huán)境復(fù)雜性海洋環(huán)境中馴化的藍(lán)藻和海藻能提高海洋中PCO2分壓總保有量——摘要、介紹

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