气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统及其应用

摘要

一种气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统及其应用，所述系统由模拟生态系统I、气体循环系统II及液体循环系统III组成；系统承载水槽(1)用于构建模拟生态系统I；系统承载水槽(1)、缓存水槽(2)、气囊(3)及串联三者的气体管路(41、42、43)组成气体循环系统II；系统承载水槽(1)、缓存水槽(2)及连接二者的液体管路(51、52)组成液体循环系统III。使用上述本发明的气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统及相应方法，可以成功地在可控条件下重复构建所需要的潮间带生态环境，并可成功模拟变化气候条件下的潮间带生态环境，以利用进一步对此类生态环境的研究和开发利用。

说明书

技术领域

本发明涉及一类特殊生态环境的模拟系统及其应用。

背景技术

全球气候变化显著影响地球生态系统。海岸带承载着地球50％以上人口，世界 70％的年GDP产生于此，因此研究气候变化对近岸海洋生态环境系统的影响是焦点问 题。然而气候变化和近岸海洋生态系统都是极大尺度的，并且气候变化趋势虽已明确、 但这种趋势在将来产生怎样影响是未知的，因此如何模拟研究气候变化对近岸海洋生 态环境系统的影响是人类必需解决的问题。

全球气候变化及其对近岸海洋生态环境的影响主要有：大气中CO₂浓度升高及其 导致海水pH值降低(即海洋酸化)；大气中CO₂浓度升高导致的全球气候变暖使海 水温度升高、海平面上升；大气中CO₂浓度升高破坏大气中的臭氧，导致地球表面太 阳紫外辐射水平升高(《海洋生态学》2009)。潮间带处于近岸海洋生态系统中承上 启下的位置，每天面对海水涨潮、落潮，潮间带海洋生物处于海水浸没和暴露于空气 的交替变化之下，因此气候变化对潮间带生态系统的影响既复杂、但又必需掌握。建 立全球气候变化背景下潮间带海洋生态模拟系统，是人类研究近岸海洋生态环境系统、 进而研究全球气候变化对近岸海洋生态环境系统影响的理想途径。现有技术中多针对 单一气候变化因子的影响开展研究，该类研究并不能真实有效地反应出气候变化的综 合影响。本发明旨在针对本领域现有研究现状，建立一种可用于模拟全球气候变化背 景下海洋潮间带生态环境的系统，并将其应用于相关考察中。

发明内容

本发明所述的气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统由模拟生态系统I、 气体循环系统II及液体循环系统III组成；系统承载水槽用于构建模拟生态系统I；系 统承载水槽、缓存水槽、气囊及串联三者的气体管路组成气体循环系统II；系统承载 水槽、缓存水槽及连接二者的液体管路组成液体循环系统III；

所述的系统承载水槽侧壁设置进水通孔，相对侧壁设置高潮位溢流通孔和低潮位 溢流通孔；缓存水槽侧壁相对设置进水通孔和出水通孔；

液体管路连接系统承载水槽和缓存水槽，其靠近系统承载水槽的一段分支为高潮 位溢流管和低潮位溢流管，分别开口于系统承载水槽侧壁的高潮位溢流通孔和低潮位 溢流通孔；液体管路上设置潮位调节阀；液体管路另一端开口于缓存水槽侧壁的进水 通孔；液体管路上安装蠕动泵；

液体管路连接系统承载水槽和缓存水槽，分别开口于系统承载水槽侧壁的进水通 孔和缓存水槽侧壁的出水通孔；液体管路上安装蠕动泵；

气体管路分别连接系统承载水槽与气囊、气囊与缓存水槽，以及缓存水槽与系统 承载水槽；气体管路在水槽上的开口的位置均高于两个水槽中预设最高水位的位置。

本发明另一方面提供模拟气候变化背景下海洋潮间带生态环境系统的方法，所述 方法使用本发明所公开的生态环境模拟系统，包括如下步骤：

①向系统承载水槽和缓存水槽中注入按设定条件制备的海水，连接系统承载水 槽、缓存水槽及液体管路，组成密闭的液体循环系统III；

②向气囊中注入按照设定条件制备的气体，连接系统承载水槽、缓存水槽、气囊 及气体管路，组成密闭的气体循环系统II；

③打开气体管路上的所有气体阀门，使整个气体循环系统II内气体扩散平衡；

④按照设定的高潮位/低潮位条件选择打开阀门或阀门，并打开液体管路上的所 有其它阀门，开启蠕动泵，调节其流量为设定流量，使液体循环系统III内海水循环起 来；

⑤根据所需模拟的潮间带海水涨落特征，交替开启/关闭潮位调节阀，并调整蠕 动泵的流量。

使用上述本发明的气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统及相应方法，可 以成功地在可控条件下重复构建所需要的潮间带生态环境，并可成功模拟变化气候条 件下的潮间带生态环境，以利用进一步对此类生态环境的研究和开发利用。具体来看：

(1)本发明模拟潮间带的涨潮、落潮的生态系统，能够更准确、真实地反映潮间 带的实际情况，如潮间带某些固着生长的生物在落潮时会暴露于空气中、在涨潮时浸 没在海水中，这在现有的技术或方法中没有实现。

(2)气候变化对近岸海洋生态环境的影响主要有大气中CO₂浓度升高、海水酸 化(即随大气中CO₂浓度升高而导致的海水pH值降低)、海水温度升高、太阳紫外辐 射增强等。本发明的系统及方法可用于考察这几种主要影响因子同时作用于潮间带海 洋模拟生态环境系统的效果。

附图说明

本发明附图2幅，其中：

图1是本发明的气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统结构示意图；

图2是系统承载水槽结构示意图。

附图中：

1、系统承载水槽；2、缓存水槽；3、气囊；4、气体管路；5、液体管路；6、进 水通孔i；7、高潮位溢流通孔；8、低潮位溢流通孔；9、进水通孔ii；10、出水通孔； 11、开口；12、蠕动泵；13、液体阀门；131、涨潮位调节阀、132落潮位调节阀；14、 气体阀门；15、石英板。

具体实施方式

本发明提供一种气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统，由模拟生态系统 I、气体循环系统II及液体循环系统III组成；系统承载水槽1用于构建模拟生态系统 I；系统承载水槽1、缓存水槽2、气囊3及串联三者的气体管路41、42、43组成气体 循环系统II；系统承载水槽1、缓存水槽2及连接二者的液体管路51、52组成液体循 环系统III；

所述的系统承载水槽1侧壁设置进水通孔i6，相对侧壁设置高潮位溢流通孔7和 低潮位溢流通孔8；缓存水槽2侧壁相对设置进水通孔ii9和出水通孔10；

液体管路51连接系统承载水槽1和缓存水槽2，其靠近系统承载水槽1的一段分 支为高潮位溢流管511和低潮位溢流管512，分别开口于系统承载水槽1侧壁的高潮 位溢流通孔7和低潮位溢流通孔8；液体管路511、512上设置潮位调节阀131、132； 液体管路51另一端开口于缓存水槽2侧壁的进水通孔ii9；液体管路51上安装蠕动泵 121；

液体管路52连接系统承载水槽1和缓存水槽2，分别开口于系统承载水槽1侧壁 的进水通孔i6和缓存水槽2侧壁的出水通孔10；液体管路52上安装蠕动泵122；

气体管路41、42、43分别连接系统承载水槽1与气囊3、气囊3与缓存水槽2， 以及缓存水槽2与系统承载水槽1；气体管路41、42、43在水槽1、2上的开口11的 位置均高于两个水槽中预设最高水位的位置。

本发明的优选的实施方式之一，特征在于所述的进水通孔i6、高潮位溢流通孔7 和低潮位溢流通孔8距离系统承载水槽1底的距离与水槽侧壁高度的比值分别为 0.6～1∶1、0.62～0.65∶1、0.28～0.35∶1。最优选分别为0.6、0.62及0.3。

本发明的再一优选方式中，为了考察紫外照射对目标生态系统的影响，所述系统 承载水槽1顶盖设置石英板15，石英板15上方设置紫外照射装置。使用中，可以通 过不同的方式来对进入系统承载水槽1的紫外辐射量进行调节。其一可以通过调节石 英板15上方紫外照射光源的强度、与石英板15的距离，其二也可以在系统承载水槽 1顶盖石英板15区域设置可活动遮盖物，通过移动该遮盖物，来调节石英板15暴露 区域的大小，从而实现紫外辐射量的调节。作为优选方式，所述石英板15面积为系统 承载水槽1顶盖面积的45～55％。

从系统安全角度出发，避免由于液体/气体泄漏而对所构建的生态系统产生设计外 影响，可以通过在管路上加装阀门来进行控制。优选方式之一，是在所述的气体管路 41、42上设置气体阀门141、142。也可以进一步在液体管路51、52上靠近缓存水槽 2位置设置液体阀门134、135。

本发明另一方面提供的是利用上述系统模拟气候变化背景下海洋潮间带生态环境 系统的方法，优选的技术方案中，除了构建模拟生态系统I以及对气体循环系统II和 液体循环系统III的调节，还包括对进入系统承载水槽1的紫外照射强度调节的步骤， 使透射入系统承载水槽1的紫外照射强度为设定值，通常即考察区域的紫外辐射强度。

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以 任何方式限制本发明。

实施例

如附图1所示：气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统，由模拟生态系统 I、气体循环系统II及液体循环系统III组成；

系统承载水槽1为长方体封闭容器，由有机玻璃制备，外部尺寸长×宽×＝高50cm ×30cm×50cm，其侧壁距槽底30cm处设置进水通孔i6，相对侧壁设置高潮位溢流通 孔7和低潮位溢流通孔8，二者分别距槽底31cm和15cm。系统承载水槽1顶盖中间 设置35cm×21cn石英板15，顶盖非石英板区域设置通孔111和112。石英板15上方 设置紫外照射装置。本实施例中紫外(UVR)辐射装置是用Ultraphan 295滤膜(UVT 100， Digefra，Munich，Germany)覆盖紫外灯，允许波长295nm以上的光透过，UVC被滤掉， 保证UVR(UVA和UVB)辐射。用光谱辐射仪监测UVA和UVB的辐射强度。为了 调节太阳紫外辐射UVR照射进入系统的量，采用与此石英板尺寸相同的有机玻璃板 放在石英板上，从一侧向另一侧滑动上面的有机玻璃板，则UVR进入系统的量随下 面的石英板逐渐暴露于阳光而逐渐增加，反之，则UVR进入系统的量随下面的石英 板逐渐隐藏在有机玻璃板下而逐渐减少。

缓存水槽2外部尺寸与系统承载水槽1相同，其侧壁相对设置进水通孔ii9和出 水通孔10；进水通孔ii9接近槽顶盖设置，出水通孔10接近槽底设置。缓存水槽2顶 盖设置通孔113和114。

系统承载水槽1、缓存水槽2及连接二者的液体管路51、52组成液体循环系统III； 液体管路51连接系统承载水槽1和缓存水槽2，其靠近系统承载水槽1的一段分支为 高潮位溢流管511和低潮位溢流管512，分别开口于系统承载水槽1侧壁的高潮位溢 流通孔7和低潮位溢流通孔8；液体管路511、512上设置潮位调节阀131、132，液体 管路51、52上设置液体发明134、133和135，其中阀门134位于液体管路51靠近缓 存水槽2管段，阀门133和135位于液体管路52上，分别靠近系统承载水槽1和缓存 水槽2；液体管路51另一端开口于缓存水槽2侧壁的进水通孔ii9；液体管路51上安 装蠕动泵121。液体管路52连接系统承载水槽1和缓存水槽2，分别开口于系统承载 水槽1侧壁的进水通孔i6和缓存水槽2侧壁的出水通孔10；液体管路52上安装蠕动 泵122。液体循环系统III中的液体循环流动动力源自蠕动泵121、122，液流的方向是 系统承载水槽1→液体管路51→缓存水槽2→液体管路52→系统承载水槽1。

系统承载水槽1、缓存水槽2、气囊3及串联三者的气体管路41、42、43组成气 体循环系统II；气体管路41连接系统承载水槽1与气囊3、气体管路42连接气囊3 与缓存水槽2、气体管路43连接缓存水槽2与系统承载水槽1；气体管路41、42、43 在水槽1、2上的开口分别为111、112、113、114。气体管路41和42上靠近气囊3 的管段分别设置气体阀门141和142。系统启动之前，该两处阀门处于关闭状态。当 气囊3中填充了设定浓度的气体后，连接并确定气体循环系统II密闭，即可开启气体 阀门141和142。并给予足够长的时间使气体循环系统II内各处达到平衡。

CO₂是本发明中主要使用的气体。对气囊3内气体的设定最主要的因素即不同浓 度CO₂气体。对于低浓度CO₂空气的制备，先将空气通过NaOH溶液，空气中CO₂与NaOH反应而消耗掉；再将不含CO₂的空气收集于气囊中；然后使之与普通空气混 合于气囊，获得低浓度CO₂的空气。对于高浓度CO₂空气的制备，将空气和纯CO₂(99.9％)混合的方法获得，即先将一定体积纯CO₂充入气囊内，然后泵入一定体积 的普通空气。将气囊密封后滚动并放置至少12小时以保证气囊内气体充分混合。用 CO₂分析仪测定气囊内的混合气体，以确定混合气体中CO₂浓度(±25ppm)。若气囊 中CO₂浓度偏差过大，则通入纯CO₂或空气，以调整气囊中CO₂浓度。

上述生态环境模拟系统整体放置于温度可控的空间，并将整个系统放在装有循环 水的PVC低位槽中，循环水用恒温水循环装置以控制水温。

气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统的运行

本部分所有海洋样品，包括礁石、砂石、海水及海洋生物均采自大连黑石礁海域 潮间带。

1、首先考察本发明的生态环境模拟系统下的生态系统与自然条件下的生态系统 的差异。

在系统承载水槽1中构建目标的潮间带生态环境系统，选择的模拟目标海域为大 连周边海域。采集选定区域的光合生物，即大型海藻孔石莼(Uiva pertusa)和角叉菜 (chondrus ocellatus holmes)为模式生物，潮间带海洋动物以广泛分布于大连周边海 域的繁茂膜海绵(Hymeniacidon perleve)为模式生物，并采集其它目标海域的海水、 礁石等等。以生物样品采集区域的自然状态为对照试验条件。

①在缓存水槽2中注入砂滤海水，向系统承载水槽1中注入砂滤海水至低潮位溢 流通孔8的高度，然后放入从海边采集的大型海藻和海绵，三个组孔石莼的鲜重分别 为20.5g、21.6g和21.8g，三个组角叉菜的鲜重分别为30.6g、31.5g和29.7g，三块繁 茂膜海绵鲜重分别为10.9g、12.3g和11.7g。连接系统承载水槽1、缓存水槽2及液体 管路51、52，组成密闭的液体循环系统III；

②向气囊3中注入空气，连接系统承载水槽1、缓存水槽2、气囊3及气体管路 41、42、43，组成密闭的气体循环系统II；③打开气体管路41、42、43上的所有气 体阀门，使整个气体循环系统II内气体扩散平衡；

③先关闭低潮位调节阀512，打开高潮位调节阀511及液体管路51、52上的其 它所有阀门134、133、135；第一阶段：开启蠕动泵121、122，调节其流量为5～8ml/min， 使系统承载水槽1内水位逐渐上升以模拟涨潮环境；第二阶段当系统承载水槽1内水 位升至高潮位溢流通孔7，再调节蠕动泵121和122流量来稳定系统承载水槽1内水 位；第三阶段，打开低潮位调节阀512，调节蠕动泵121、122流量使系统承载水槽1 内水位逐渐下降。降至低潮位溢流通孔8，即完成一次涨潮/落潮模拟。

④开启紫外照射装置，使透射入系统承载水槽1的紫外照射强度与参比的自然条 件相同。

⑤实验期间每天更换模拟生态系统中全部海水，7天后从系统中取出大型海藻， 孔石莼鲜重为22.3g、23.8g和24.1g，角叉菜的鲜重为32.5g、33.3g和32.0g，繁茂膜 海绵鲜重为11.9g、14.0g和13.2g。相同实验时间，在海边潮间带设置实验网箱，采集 大型海藻和海绵、称其鲜重，三个组孔石莼分别为21.7g、20.3g和20.7g，三个组的角 叉菜分别为32.1g、30.6g和31.7g，三块繁茂膜海绵分别为9.7g、11.3g和10.8g。然后 分别放于网箱中，大型海藻用用礁石压住、海绵放于拴在网箱上的尼龙网中、并加几 块小礁石。实验7天后，孔石莼的鲜重为23.3g、21.9g和22.8g，角叉菜的鲜重为34.0g、 32.7g和33.5g，繁茂膜海绵的鲜重为11.3g、13.0g和12.5g。比较实际潮间带和模拟潮 间带生态系统中的大型海藻和海绵，其鲜重均增加；实验前，实际和模拟两个生态系 统中的大型海藻和海绵的生物量无显著差异(t-test，p＜0.02)；实验后，实际和模拟 两个生态系统中的大型海藻和海绵的生物量也无显著差异(t-test，p＜0.02)。

以上实验证明，海洋潮间带生态环境模拟系统包括光合生物和海洋动物等不同生 态位的潮间带海洋生物，能够相对准确、真实地反映潮间带的实际情况。

2、研究气候变化导致的单一因子(大气中CO₂浓度升高)对潮间带海洋动物的 影响。

采用两套相同的生态环境模拟系统。在两套模拟潮间带生态系统均分别放在装有 海水的PVC低位槽中(由循环恒温水浴控制其海水温度为16℃)。作为实验系统；一 套系统连接含有CO₂浓度为450ppm的空气的气囊，作为实验系统；另一套系统连接 空气气囊(CO₂浓度约为380ppm)，作为对照系统。两套系统分别放入砂滤海水、并 模拟潮间带的涨潮和落潮；同时分别放入繁茂膜海绵41.5g(对照系统)和43.2g(实 验系统)。实验期间，每天更换系统中的全部砂滤海水。实验第7天，在两个系统中分 别加入新月菱型藻(Natzchia closterum)至密度为200×10⁴cells/mL，24小时后分别计 数实验系统和对照系统中微藻密度，考察温度对海绵滤食能力的影响。对照系统(CO2 浓度约为380ppm)和实验系统(CO2浓度为450ppm)中微藻密度分别为86×10⁴cells/mL和89×10⁴cells/mL；结果显示，气候变化因子(大气中CO2浓度升高——从 380ppm至450ppm)对海绵的滤食能力没有显著影响(p＜0.05)。

由此可见，当大气中CO2浓度从当前的约380ppm上升至450ppm时，对潮间带 海绵的滤食能力几乎没有影响(p＜0.05)，也即对海绵在潮间带的生态作用没有显著 影响。

2、气候变化对潮间带海洋生态系统的影响研究

在两套模拟潮间带生态系统中，一套系统通入含有CO₂浓度为1000ppm的空气、 放入装有海水的PVC低位槽中(由循环恒温水浴控制其海水温度为18℃)。把Ultraphan 295滤膜贴在石英板上作为实验系统。另一套对比模拟生态系统的气体循环系统中通 入空气，放入水温为16℃的PVC低位槽中，石英板15以有机玻璃板覆盖，通入含有 空气(CO₂浓度约为380ppm)的气囊连接，作为对照系统。对照系统和实验系统的其 它条件相同，即放入砂滤海水、并模拟潮间带的涨潮和落潮，分别放入孔石莼40.2g (鲜重，下同)和42.7g、角叉菜50.6g和52.3g、繁茂膜海绵40.5g和43.6g。实验系 统每天更换全部砂滤海水和含有CO₂浓度为1000ppm的空气气囊；对照系统每天更换 砂滤海水和空气气囊。7天实验结束后，取掉模拟系统的上盖，使之处于空气开放状 态，先称量大型海藻和海绵的鲜重，然后把海绵分别放入原来各自的模拟系统中，再 在实验系统和对照系统中分别加入新月菱型藻(Natzchia closterum)至密度为200×10⁴cells/mL，24小时后分别计数实验系统和对照系统中微藻密度，考察海绵滤食能力的 变化，进而评价气候变化因子对海绵生态作用的影响。实验中，检测海水pH值。

结果显示，实验前海水平均pH值为8.19；每天更换海水前模拟系统中海水平均 pH值分别为8.16(对照系统)和7.80(实验系统)。对于对照系统，实验更换前后(1 天时间)，海水pH值无显著差异(p＜0.05)；对于实验系统，实验更换前后(1天)， 海水pH值差异显著(p＞0.05)。表明大气中CO₂浓度升高至1000ppm，将导致海水 明显酸化。另外，在7天的实验结束后，对照系统中的孔石莼、角叉菜、繁茂膜海绵 的鲜重分别为43.5g、53.7g和43.2g，分别增长了8.2％、6.1％和6.7％；实验系统中的 孔石莼、角叉菜和繁茂膜海绵的鲜重分别为48.5g、57.7g和38.7g，分别增长了12.9％、 10.3％和-11.2％。结果表明，气候变化因子耦合作用对大型海藻的生物量显著增加，但 海绵的生物量显著降低。再者，海绵滤食能力对比实验显示，24小时后对照系统和实 验系统中微藻密度分别为85×10⁴cells/mL和130×10⁴cells/mL，微藻密度分别减少了 57.5％和35.0％。结果表明，在气候变化因子耦合作用下海绵的滤食能力明显减弱，因 此作为滤食性动物的海绵的生态作用也明显减弱。

以上实验证明，本发明所构建的气候变化背景下海洋潮间带生态环境模拟系统可 以成功地在可控条件下重复构建所需要的潮间带生态环境，并可成功模拟变化气候条 件下的潮间带生态环境，以利用进一步对此类生态环境的研究和开发利用。