廈門大學高坤山團隊在海洋酸化對大型海藻效應方面取得新進展！

科研進展

RESEARCH PROGRESS

近日，廈門大學海洋與地球學院、海洋生物地球化學全國重點實驗室高坤山教授團隊在海洋酸化對大型海藻效應方面取得新進展，相關成果以“Brown algae as winners: divergent resilience to high light under acidified conditions shapes macroalgal communities around a carbon dioxide vent”為題，發表于國際期刊Limnology and Oceanography。

該研究聯合中、英、日三國科研人員，在日本伊豆群島式根島（34°19′12″N，139°12′11″E）近岸的天然CO?噴口周邊，沿海水pH梯度開展原位調查，同時輔以系列控制實驗，揭示了海洋酸化對大型海藻光合生理影響的深層機制。在太陽輻射強烈的淺海區域，高光與酸化雙重脅迫是導致海藻豐度和多樣性下降的主要驅動力，僅有高光耐受型褐藻在酸化海區維持了相對較高的豐度（圖1）。該研究為預測海洋酸化情景下近岸底棲生物的演變提供了科學依據，對評估近海海藻多樣性變化趨勢及固碳潛力具有重要參考價值。

圖1.自然海區與CO?噴口區大型海藻群落與多樣性變化：僅耐受高光脅迫的褐藻在CO?噴口附近維持較高的豐度，酸化與高光疊加降低了海藻多樣性與豐富度

研究背景

Background

大型海藻廣泛分布于近岸淺海，在近海生態系統功能和漁業經濟中扮演重要角色。近岸水域因晝夜及季節變化，pH波動本就較大，海洋酸化對其碳酸鹽體系的影響遠甚于開闊大洋，因此亟需研究酸化對大型海藻的影響。既往研究多集中于單一物種成體階段的受控實驗，揭示了單一物種響應機制，但難以反映原位復雜環境下種群的真實趨勢。為此，研究團隊利用日本式根島CO?噴口這一天然“酸化模擬器”，系統探究了酸化對底棲大型海藻群落的綜合效應。

研究結果

Research Results

研究團隊在式根島近岸選取了5個站位，海水pCO?分別為約360、433、571、661和1170 μatm，依次對應reference和RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5及超RCP8.5的未來酸化情景。潛水采集到13種定生大型海藻（包括10種紅藻、1種綠藻和2種褐藻）。隨著pCO?升高（pH降低），群落整體的光能利用效率（α，代表弱光下利用光能的能力）和最大電子傳遞速率（ETRmax）均呈上升趨勢，而達到光飽和所需的光強（Ek）下降，表明高CO?一定程度上提升了群落的光合潛能（圖2）。

圖2.五個站位大型海藻群落的固有光合活性變化

但在種群層面，不同藻類響應各異。例如，雅致石花菜（Gelidium elegans）在靠近噴口、高pCO?站位表現出較高的光飽和固碳速率，同時其CO?半飽和常數（K?.?，即光合固碳達到最大速率一半時所需的CO?濃度）增大，說明其無機碳濃縮機制（主動吸收胞內濃縮CO?的功能）下調，碳獲取方式發生了改變。鈣化紅藻圓果胞藻（Tricleocarpa cylindrica）的固碳速率變化不明顯；而常見于高CO?區的鋸齒藻（Prionitis elata）和優勢褐藻波狀網翼藻（Dictyopteris undulata）也呈現各自獨特的碳利用特征（圖3）。它們有一個共同點：酸化脅迫導致無機碳濃縮效率降低（K?.?增大），這通常伴隨光呼吸增強，從而加重高光脅迫的損害。

圖3.不同站位幾種大型海藻的CO?半飽和常數（K?.?）與最大固碳速率（Vmax）

一個看似矛盾的現象是：靠近噴口時，部分海藻的光合與固碳指標升高，但群落整體多樣性和物種豐富度卻顯著下降。研究團隊推測，關鍵不在于CO?是否充足，而在于酸化海水與淺海強光協同作用時，海藻能否保護光系統免于受損。為驗證這一假設，研究者從參照站位和“RCP4.5”站位分別取雅致石花菜、圓果胞藻和波狀網翼藻，在高光（300 μmol photons m?2 s?1）下進行交互培養。結果顯示，高CO?處理降低了石花菜的光系統II有效量子產量（YII，反映光合效率）和電子傳遞速率（ETR），并加劇了非光化學淬滅（NPQ，即熱耗散過程）；圓果胞藻變化不明顯；而褐藻波狀網翼藻則表現出較強的適應能力（圖4）。

圖4.三種海藻（紅藻G. elegans、紅藻T. cylindrica和褐藻D. undulata）在強光下YII、ETR和NPQ的變化。YII，反映光合效率；ETR，光合電子傳遞速率， NPQ，非光化學淬滅（熱耗散效率）

進一步的光損傷與恢復動力學分析表明，酸化條件下生長的紅藻（G. elegans）光損傷加劇，修復速率降低；而褐藻（D. undulata）則顯示出較高的光保護潛能。總之，酸化和高光疊加時，部分紅藻的光合電子傳遞鏈更容易過載，受損后修復緩慢；褐藻則擅長將多余光能以熱的形式釋放，從而耐受雙重脅迫。

研究意義及展望

Significance and Prospects

該研究為預測未來海洋酸化情景下近岸底棲生態系統的演變提供了科學依據和實測參數，對于評估近海海藻多樣性變化趨勢及固碳潛力具有重要參考價值。但研究尚未涉及海藻微觀生活史階段（如配子、孢子、合子）的響應，未來需進一步探究海洋酸化對大型海藻不同生活史階段的影響，以全面評估其生態后果。

研究團隊及資助

Research Group and Funding

論文第一作者為廈門大學2021屆博士畢業生張迪，通訊作者為廈門大學高坤山教授，共同作者還包括廣島大學Shigeki Wada教授和塞浦路斯理工大學Jason Hall-Spencer教授。該研究獲得國家自然科學基金（42361144840，41720104005，42306139）和山東省自然科學基金（ZR2022QD134）的聯合資助。

論文來源及鏈接

Di Zhang, Shigeki Wada, Jason Hall-Spencer, Kunshan Gao. 2026. Brown algae as winners: Divergent resilience to high light under acidified conditions shapes macroalgal communities around a carbon dioxide vent. Limnology and Oceanography, 71: e70435.

https://doi.org/10.1002/lno.70435

供稿 | 高坤山教授團隊

編輯 | 房月 蘇穎

排版 | 陳蕾

審核 | 鄭強 曹知勉 鐘書庫

• 信息來源：廈門大學海洋與地球學院。

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