| Summary: | Since the Industrial Revolution, a huge amount of anthropogenic carbon dioxide have been discharged into both atmospheric and oceanic reservoirs. The increase in CO2 concentration has caused ocean acidification and warming. Previous research indicated that seagrass beds have good carbon capture and storage capacity. Most previous research focused on the single effect of acidification or warming instead of the combined effect. It is not known whether seagrass beds can benefit under the condition of ocean acidification and temperature rising. This study used a mesocosm system to examine the single and combined effects of temperature rising and acidification on the seagrass Thalassia hemprichii and quantify carbon budgets. Results showed that acidification would increase seagrass productivity, carbon sequestration, belowground biomass and the carbon content of rhizomes. Rising temperature increased the maximum quantum yield, productivity, relative dry weight increase rate, growth rate, carbon sequestration and decomposition rate, but reduced the shoot density change rate, the carbon content of root and leaf. Compared with current marine environment(25℃ normal group), Thalassia hemprichii at 31℃ acidification group had the highest productivity (1.78±0.24 mg DW shoot-1 d-1), relative dry weight increase rate (9.41 mg DW g-1 d-1), maximum quantum yield (0.81±0.00), growth rate (1.78±0.24 mm shoot-1 d-1), belowground biomass (128±24 mg DW shoot-1), carbon content of shoot(6.55±0.91 g C shoot-1) and carbon sequestration (0.59±0.05 mg C shoot-1 d-1). The results of carbon budgets showed that seagrass bed had highest leaf production(32.6±2.5 g C m-2 month-1), belowground production(128±24 mg DW shoot-1), and aboveground and belowground carbon storage(15.6±1.3 g C m-2 month-1 + 239±18 g C m-2 month-1). In addition, we found rising temperature led corals to bleach and increased herbivory on seagrasses by sea urchins. This research predict that Thalassia hemprichii could benefit from the scenario of ocean environments under climate change in the case of the exclusion of other disturbance, and able to absorb and store more carbon in the shoot and sediments. 自工業革命後，大量人為排放的二氧化碳進入到大氣以及海洋中，過高的二氧化碳濃度造成海洋酸化，而二氧化碳與其他溫室氣體所引起的溫室效應也使得海洋逐漸暖化。海草床具有極高的碳匯功能，在酸化環境下能夠吸存更多的碳。然而未來海洋是屬於酸化且暖化的環境，但目前多數的研究卻只在暖化或酸化的單一條件下觀測海草的反應，少有兩者加乘作用的研究。因此本研究利用中觀生態池(mesocosm)探討酸化與溫度上升在獨立以及共同作用下對泰來草(Thalassia hemprichii)的影響，並建構碳收支模式以分析其碳匯能力的差異。結果顯示，酸化情況下，海草有較高的葉片生產力、地下部生物量、莖部碳含量以及碳吸存量和植株碳含量；溫度上升則促使海草最高光化學效率、生產力、相對乾重增加速率、碳吸存量、生長速率、分解速率上升，但減緩植株密度變化率以及根部和葉片的碳含量。相對於現今的海洋環境(25℃對照組)，泰來草在31℃的酸化組有較高的葉片生產力(1.78±0.24 mg DW shoot-1 d-1)、相對乾重增加速率(9.41 mg DW g-1 d-1)、最高光化學效率(0.81±0.00)、生長速率(1.78±0.24 mm shoot-1 d-1)、地下部生物量(128±24 mg DW shoot-1)、植株碳含量(6.55±0.91 g C shoot-1)以及碳吸存量(0.59±0.05 mg C shoot-1 d-1)。而碳收支的結果則顯示，在酸化以及暖化的海洋環境下，泰來草會提高葉片生產量(32.6±2.5 g C m-2 month-1)、地下部生產量(241±18 g C m-2 month-1)以及地上部和地下部的碳儲存量(15.6±1.3 g C m-2 month-1 + 239±18 g C m-2 month-1)，這些結果都顯示出海草床在酸化且暖化的條件下會有更好的碳匯能力。此外，當溫度上升至31℃約3天後，生態池中的珊瑚開始白化，海膽爬上防草食網偷取海草的頻率似乎有增加的現象。本研究的結果預測，在排除其他外力干擾的情況下，泰來草可獲利於未來酸化且暖化的海洋環境，並且能夠吸收以及儲存更多的碳在植株體內以及沉積物中。 第一章、前言 1 1-1 近代氣候變遷 1 1-2 海洋暖化的影響 1 1-3 海洋酸化的影響 2 1-4 沿海碳匯系統 2 1-5 海草床的重要性 3 1-6 台灣的海草床 5 1-7 研究目的 6 1-8 研究假說 7 第二章、材料方法 9 2-1 實驗對象與採樣地點 9 2-2 中觀生態池之設置與維持 11 2-3 實驗設計 15 2-4 酸化控制 16 2-5 暖化控制 16 2-6 環境因子測定 17 2-6-1 水質因子 17 2-6-2 海草可利用光度 17 2-6-3 營養鹽 17 2-6-4 總鹼度 18 2-7 生物因子 19 2-7-1 葉綠素螢光法 19 2-7-2 葉片生產力 20 2-7-3 葉片相對乾重增加速率 20 2-7-4 葉片生長速率 21 2-7-5 植株密度 21 2-7-6 生物量 21 2-7-7 分解速率 22 2-7-8 元素分析 22 2-7-9 碳吸存量及植株碳含量 22 2-7-10 碳收支模式 22 2-8 統計分析 23 2-8-1 重複測量二因子變異數分析 23 2-8-2 獨立樣本二因子變異數分析 23 第三章、結果 26 3-1 海洋酸化與暖化對環境因子的影響 26 3-1-1 水質 26 3-1-2海草可利用光度 29 3-1-3 碳酸鹽系統 29 3-1-4 營養鹽 29 3-2 海洋酸化與暖化對泰來草的影響 38 3-2-1最高光化學效率 38 3-2-2 葉片生產力 38 3-2-3 葉片相對乾重增加速率 38 3-2-4 葉片生長速率 38 3-2-5 植株密度 39 3-2-6 生物量 39 3-2-7 分解速率 40 3-2-8 元素分析 40 3-2-9 碳吸存量與植株碳含量 41 3-2-10 碳收支模式 41 第四章、討論 57 4-1 酸化與暖化對生態池環境因子的影響 57 4-2 酸化對泰來草的影響 57 4-3 暖化對泰來草的影響 59 4-4 暖化與酸化對泰來草碳收支的影響 61 4-5 泰來草海草床的未來動向 63 4-6 研究限制與未來展望 64 第五章、結論 66 第六章、參考文獻 67 表次 表 1、實驗前中觀生態池內的生物列表。 14 表 2、中觀生態池環境因子數據常態分析檢測與非常態分佈時所使用之轉換方式表。 24 表 3、中觀生態池生物因子數據常態分析檢測與非常態分佈時所使用之轉換方式表。 25 表 4、酸化組與對照組各項環境因子在實驗期間於不同溫度階段的平均值。 34 表 5、海水酸化與暖化對中觀生態池各項環境因子之two-way repeated-measures ANOVA統計結果。 35 表 6、酸化組與對照組各項泰來草生理因子在實驗期間於不同溫度階段的平均值。 52 表 7、海水酸化與暖化對泰來草各項生理因子之two-way repeated-measures ANOVA統計結果。 53 表 8、海水酸化與暖化對泰來草分解速率之two-way ANOVA統計結果。 54 圖次 圖 1、於潮汐乾潮時至(A)後壁湖大光潮間帶採集(B)新鮮泰來草植株，並放入(C)飼養盆內。 10 圖 2、實驗開始前，生態池每盞燈具正下方的水面照度。 11 圖 3、位於國立海洋生物博物館內以人工設置的中觀生態池。 13 圖 4、於生態池中架設(A)實驗操作平台，並在平台上擺放(B)海草飼養盆與(C)珊瑚功能群。 13 圖 5、生態池酸化處理之配置示意圖。 15 圖 6、於5/2-7/21期間，利用AquaController連續測得之生態池(A)pH值和(B)溫度。 29 圖 7、於5/8-7/22期間，每天上午利用攜帶式綜合水質儀所測得之酸化組與對照組(A)溫度和(B)鹽度，以及於5/14-7/22期間，以溶氧監測儀器HOBO連續測得之(C)水中溶氧變化。 30 圖 8、於5/2-7/21期間，利用光照監測儀器HOBO連續測得之酸化組與對照組(A)溫度與(B)水下照度。 31 圖 9、於5/5-7/21期間，每週酸化組與對照組碳酸鹽系統變化，包括(A)總鹼度、(B)二氧化碳分壓、(C)碳酸氫根離子濃度以及(D)霰石飽和度。 32 圖 10、於5/1-7/18期間，每週酸化組與對照組營養鹽濃度變化，包括(A)氨氮、(B)磷酸鹽、(C)亞硝酸鹽以及(D)硝酸鹽。 33 圖 11、實驗期間泰來草(A)最高光化學效率、(B)葉片生產力與(C)相對乾重增加速率變化。 41 圖 12、實驗期間泰來草(A)生長速率、(B)植株密度以及(C)植株密度變化率變化。 42 圖 13、實驗期間泰來草(A)地上部與(B)地下部生物量，以及(C)R/S ratio變化。 43 圖 14、泰來草於不同溫度階段下的(A)地上部與(B)地下部分解速率。 44 圖 15、實驗期間泰來草根部(A)碳、(B)氮含量，以及(C)C/N ratio變化。 45 圖 16、實驗期間泰來草莖部(A)碳、(B)氮含量，以及(C) C/N ratio變化。 46 圖 17、實驗期間泰來草葉片(A)碳、(B)氮含量，以及(C)C/N ratio變化。 47 圖 18、實驗期間泰來草(A)碳吸存量，以及(B)植株碳含量變化。 48 圖 19、酸化組於25℃下海草碳收支模式。(A)地上部；(B)地下部。 49 圖 20、對照組於25℃下海草碳收支模式。(A)地上部；(B)地下部。 49 圖 21、酸化組於28℃下海草碳收支模式。(A)地上部；(B)地下部。 50 圖 22、對照組於28℃下海草碳收支模式。(A)地上部；(B)地下部。 50 圖 23、酸化組於31℃下海草碳收支模式。(A)地上部；(B)地下部。 51 圖 24、對照組於31℃下海草碳收支模式。(A)地上部；(B)地下部。 51
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