海洋酸化下刺参对泻湖生态系统碳酸盐平衡的补偿机制

Ocean acidification is now identified as a major threat for marine species and ecosystems. Current studies on climate change focus on the effects of ocean acidification on marine organisms and their dependent ecosystems, whereas lack of studies on the strategies adopted by ecosystem participants to mitigate the adverse effects of ocean acidification. Lagoons, one of the most important types of coastal wetlands, are mainly influenced by ecosystem participants due to the characteristics of their close or semi-close. Here, we target the sea cucumber Apostichopus japonicus (Selenka), an ecologically important holothurian in East Asia coasts and so called “ecosystem engineer”, and aim to test the carbonate dynamics of the lagoon ecosystem driven by the bioturbation of sea cucumber under ocean acidification, such as feeding and excretion, respiration across diel cycles, and intestinal microbial function group; to elucidate the correlation and coupling effects of sea cucumber and its intestinal microbial community with acidification level and seawater carbonization. Moreover, it is analyzed that lagoon ecosystem participants establish compensation mechanism through ecological feedback effect to deal with the negative effects raised by ocean acidification. This project provides a new idea for the study of active response strategies of coastal ecosystem to global climate change.

海洋酸化是海洋生物及其依存生态系统所面临的主要生态问题之一。当前对气候变化的研究集中于海洋酸化对海洋生物及其依存生态系统的影响，而缺乏对生态系统参与者通过何种策略缓解酸化造成不利影响的相关研究。泻湖生态系统是近海独特的湿地类型，以其封闭或半封闭特性，生境特征主要受生态系统参与者的影响。本项目拟以东亚沿岸浅海生态系统的关键种，被誉为“生态系统工程师”的刺参为研究对象，分别从刺参的摄食排泄、昼夜呼吸及肠道微生物功能群等方面探讨海洋酸化下刺参的生物扰动行为对泻湖生态系统碳酸盐动力学的驱动作用，阐明刺参及其肠道微生物群落同酸化水平及海水碳化学的关联性及其耦合效应，解析泻湖生态系统参与者通过生态反馈效应建立补偿机制以应对海洋酸化造成的负面影响。本项目为研究近岸生态系统在全球气候变化下的主动应对策略提供新思路。

海洋酸化对生态系统的影响是当前生态动力学范畴的前沿领域和研究热点。目前，对海洋酸化的研究聚焦于对海洋生物及其依存生态系统的影响，而缺乏对生态系统参与者通过何种策略缓解酸化造成不利影响的相关研究。本研究以近海独特的湿地类型—潟湖生态系统海草床生境及其生物关键种刺参为研究对象，通过现场观测、中宇宙（隔室）模拟实验、模型模拟等多种手段，掌握了不同酸化水平下的刺参通过生物扰动、摄食排泄和昼夜呼吸对潟湖生态系统碳酸盐动力学的驱动作用；阐明了刺参通过调节微生物主要功能群及小型底栖动物群落结构实现对生态系统碳酸盐平衡的调节机制；明确了生态系统微藻在酸化和生物扰动耦合作用下的生态特征变化；基于结构方程模型在生态系统水平下分析了生物扰动作用对海水碳酸盐平衡和生态系统对酸化胁迫缓冲能力的调节和反馈机制。结果表明，在弱酸环境中，刺参通过搬运和淋洗作用直接影响沉积物中碳酸盐释放到水体环境中，调节生态系统对海洋酸化的缓冲能力；刺参通过调节摄食食谱结构对生态系统中的微藻和小型底栖动物群落结构进行下行调控，间接提升海水的酸化缓冲能力；此外，刺参的肠道微生物群落结构和功能群随着酸化水平的增加发生显著变化，通过实现内环境稳态维持刺参对环境的调控作用。方差分析结果表明，刺参、微生物、微藻丰度和小型底栖动物丰度对海水缓冲能力的贡献率分别为43.86%、28.6%、32.4%和37.8%。研究结果有助于揭示潟湖生态系统参与者对海洋酸化的响应策略及其贡献率，并为后续深入开展全球气候变化背景下海洋生态系统动力学研究奠定了基础。