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行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 期 中 進 度 報 告 微 孔 珊 瑚 鍶 / 鈣 和 鎂 / 鈣 海 表 溫 溫 度 計 : 水 箱 實 驗 (II)(1/2) 計 畫 類 別 : 個 別 型 計 畫 計 畫 編 號 : NSC91-2611-M-006-001- 執 行 期 間 : 91 年 08 月 01 日 至 92 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 國 立 成 功 大 學 地 球 科 學 系 ( 所 ) 計 畫 主 持 人 : 游 鎮 烽 共 同 主 持 人 : 樊 同 雲 報 告 類 型 : 精 簡 報 告 處 理 方 式 : 本 計 畫 可 公 開 查 詢 中 華 民 國 92 年 5 月 19 日

國 科 會 NSC91-2611-M-006-001 進 度 報 告 計 劃 主 持 人 : 游 鎮 烽 成 功 大 學 地 球 科 學 系 前 言 珊 瑚 是 一 個 忠 實 的 氣 候 資 料 記 錄 器 ; 以 珊 瑚 骨 骼 重 建 古 氣 候 的 研 究 開 啟 了 科 學 家 探 討 全 球 環 境 變 遷 趨 勢 的 熱 潮 ; 近 年 來 溫 室 效 應 或 聖 嬰 現 象 影 響 人 類 的 生 活 的 幅 度 日 漸 擴 大, 全 球 變 遷 議 題 因 而 受 到 更 廣 泛 的 重 視, 人 們 關 心 的 不 再 只 是 最 近 幾 天 的 氣 象 變 化, 對 於 長 期 間 的 氣 候 變 動, 也 越 來 越 多 人 在 討 論 而 欲 瞭 解 未 來 氣 候 變 動 趨 勢 最 可 行 的 辦 法, 就 是 研 究 過 去 氣 候 的 循 環 規 律 珊 瑚 骨 骼 的 化 學 成 分 提 供 了 過 去 數 百 年 來 全 球 環 境 變 遷 的 高 解 析 度 資 料 珊 瑚 骨 骼 主 要 由 碳 酸 鈣 所 組 成, 其 微 量 化 學 組 成 反 映 了 珊 瑚 生 長 當 時 環 境 的 改 變, 其 中 鎂 鈾 及 鍶 在 珊 瑚 骨 骼 中 的 濃 度 被 認 為 可 指 示 海 水 表 面 溫 度, 尤 其 是 鍶 / 鈣 已 經 被 廣 泛 的 應 用 於 重 建 古 海 水 表 面 溫 度 的 研 究 上 (Beck et al., 1992; McCulloch et al., 1994; Shen et al., 1996) 然 以 珊 瑚 骨 骼 化 學 成 分 作 為 古 環 境 代 用 指 標 仍 有 一 些 問 題 亟 待 改 進, 其 一 是 上 述 微 量 元 素 變 化 與 環 境 因 子 的 關 係 乃 是 根 據 現 生 珊 瑚 和 野 外 實 驗 的 經 驗 公 式, 這 些 元 素 之 濃 度 與 分 佈 與 環 境 因 子 的 關 係 未 經 系 統 性 的 研 究, 無 法 釐 清 其 反 應 機 制 除 溫 度 外, 其 它 因 素 如 生 長 速 率 (Barnes et al.,1995) 共 生 藻 (Cohen et al.,2002) 及 偶 發 事 件 (Taylor et al.,1995) 皆 有 可 能 改 變 珊 瑚 骨 骼 之 化 學 組 成, 因 而 有 更 進 一 步 的 研 究 的 必 要 研 究 目 的 本 研 究 以 水 箱 培 養 微 孔 珊 瑚, 使 其 在 不 同 的 溫 度 及 照 度 下 生 長, 並 嚴 密 監 控 其 生 長 及 水 質, 希 望 能 探 討 以 下 幾 個 主 題 : 1 生 長 溫 度 與 珊 瑚 骨 骼 成 分 的 關 連 2 照 度 與 珊 瑚 骨 骼 成 分 的 關 係 3 溫 度 與 照 度 與 珊 瑚 骨 骼 成 分 的 相 互 影 響 方 法 微 孔 珊 瑚 (Porites lutea 及 Porites lobata) 取 自 恆 春 海 域, 每 個 樣 品 敲 取 約 5 到 10 公 分 大 小 樣 品 採 取 後 移 至 國 立 海 洋 生 物 博 物 館 的 中 型 生 態 箱 先 行 復 育 約 二 個 月 後 即 可 進 行 實 驗 實 驗 所 需 樣 品 總 數 為 162 個, 考 慮 復 育 過 程 約 15% 的 死 亡 率, 採 樣 總 數 為 200 個 為 確 知 實 驗 進 行 時 珊 瑚 骨 骼 生 長 的 時 間 控 制 點 ( 包

括 監 測 起 點 及 生 長 速 率 ), 在 實 驗 進 行 前 先 以 硼 和 鈣 同 位 素 及 生 物 染 劑 對 珊 瑚 骨 骼 進 行 標 定 其 方 法 為 將 珊 瑚 放 入 加 有 10 B 43 Ca 及 Alizarin Red 的 海 水 中 24 小 時 本 研 究 初 期 設 有 兩 組 實 驗 設 備, 位 於 屏 東 縣 車 城 鄉 國 立 海 洋 生 物 博 物 館 的 實 驗 水 箱 為 五 噸 中 型 生 態 箱 ( 圖 一 ), 此 水 箱 配 有 精 密 的 海 水 溫 度 控 制 器, 可 將 水 溫 控 制 在 ±0.5 間, 水 箱 中 除 研 究 對 象 - 微 孔 珊 瑚 外, 還 育 有 各 式 珊 瑚 魚 類 甲 殼 類 棘 皮 動 物 及 軟 體 動 物 等, 盡 可 能 模 擬 珊 瑚 礁 生 態, 水 箱 中 海 水 為 天 然 海 水 每 日 海 水 補 充 量 約 為 水 箱 容 量 的 10%, 光 源 除 陽 光 外, 另 有 三 盞 500W 鹵 素 燈 供 珊 瑚 光 合 作 用 所 需 實 驗 水 箱 共 有 六 個, 隨 機 均 分 為 A B C 三 組, 並 以 光 度 計 量 測 水 箱 不 同 位 置 的 照 度, 依 其 照 度 在 每 個 水 箱 中 選 定 強 中 弱 三 種 照 度 區 域, 在 每 個 照 度 區 域 中 放 入 6 個 標 定 後 的 微 孔 珊 瑚 ( 每 個 水 箱 計 18 個 ) 溫 控 實 驗 有 三 個 階 段,( 一 ) 將 A B C 三 組 水 箱 溫 度 控 制 在 24, 維 持 一 個 月 ( 二 ) 將 A 組 B 組 C 組 水 箱 溫 度 分 別 控 制 在 20 24 28, 維 持 二 個 月 ( 三 ) 將 A B C 三 組 水 箱 溫 度 回 溫 到 24, 維 持 一 個 月 最 後 將 珊 瑚 組 織 去 除 後 分 析 其 骨 骼 化 學 組 成 此 實 驗 可 比 較 出 不 同 溫 度 時 珊 瑚 骨 骼 成 分 的 變 化, 並 可 比 對 溫 度 與 光 度 的 交 互 影 響 圖 一 照 度 照 度 控 制 實 驗 另 一 組 實 驗 設 備 設 於 國 立 成 功 大 學 地 球 科 學 系, 水 箱 設 置 於 空 調 室 內 ( 恆 溫 20 ), 採 用 水 箱 有 : 一 個 2000 公 升 水 箱 兩 個 50 公 升 水 箱 及 九 個 10 公 升 水 箱 2000 公 升 水 箱 為 中 型 生 態 箱, 育 有 軟 珊 瑚 魚 類 甲 殼 類 及 棘 皮 動 物, 所 使 用 海 水 為 人 工 海 水, 所 需 光 源 以 兩 盞 40W 的 螢 光 燈 管 提 供, 並 以 海 水 冷 卻 機 精 確 控 制 水 溫 在 20 此 中 型 生 態 箱 提 供 實 驗 所 需 海 水, 水 箱 管 路 配 置 如 圖 二 50

公 升 的 水 箱 為 溫 度 調 節 用, 以 加 熱 器 配 合 自 耦 變 壓 器 控 制 輸 出 功 率, 將 來 自 水 箱 A 的 海 水 分 別 加 熱 至 24 及 28 再 送 入 三 個 分 別 受 不 同 光 照 量 的 10 公 升 水 箱 中 光 源 的 控 制 為 以 不 同 大 小 及 數 量 的 金 屬 鹵 素 燈 (150 瓦 二 個 150 瓦 和 二 個 250 瓦 ) 模 擬 三 種 不 同 的 照 度, 光 照 時 間 為 早 上 六 點 到 下 午 六 點 圖 二 水 箱 管 路 配 置 圖 實 驗 期 間 詳 細 記 錄 珊 瑚 外 型 及 顏 色 的 變 化, 每 兩 個 星 期 以 浮 力 重 量 法 評 估 珊 瑚 生 長 速 率, 做 為 珊 瑚 骨 骼 成 分 變 化 的 對 照 依 據 另 外 並 以 螢 光 光 度 計 量 測 珊 瑚 體 內 共 生 藻 的 含 量, 用 以 評 估 珊 瑚 的 生 理 概 況 水 箱 水 質 則 是 利 用 各 種 物 理 及 化 學 電 極 現 場 監 控 海 水 的 溫 度 溶 氧 量 照 度 ph 值 及 氯 鈣 氨 根 等 離 子 濃 度 並 定 期 採 取 水 箱 中 的 海 水 以 離 子 層 析 儀 和 感 應 耦 合 電 漿 質 譜 儀 分 析, 以 提 供 更 精 確 完 整 的 資 料 並 作 為 校 正 電 極 的 依 據 本 研 究 以 設 立 於 國 立 成 功 大 學 地 球 科 學 系 的 雷 射 剝 蝕 感 應 耦 合 電 漿 質 譜 儀 (LA-ICP-MS) 對 珊 瑚 骨 骼 進 行 高 空 間 解 析 度 的 微 量 化 學 成 分 分 析, 所 分 析 的 元 素 有 硼 鎂 鈣 鍶 鋇 鉛 等 初 步 成 果 在 91 年 度 期 間, 本 研 究 已 針 對 微 孔 珊 瑚 進 行 容 忍 溫 度 試 驗,28 顆 Porites lutea 及 Porites lobata 被 放 置 於 不 同 溫 度 的 水 箱 中, 結 果 顯 示 20 到 28 為 微 孔 珊 瑚

較 合 適 的 生 長 溫 度 另 一 方 面, 對 珊 瑚 水 箱 的 監 控 成 果 也 令 人 滿 意, 水 中 酸 鹼 值 氨 根 離 子 和 溶 氧 隨 光 合 作 用 與 呼 吸 作 用 強 弱 有 系 統 性 的 變 化, 白 天 珊 瑚 共 生 藻 行 光 合 作 用 時 水 中 溶 氧 量 增 加 ph 值 升 高, 同 時 也 因 為 珊 瑚 蟲 建 造 骨 骼 而 耗 用 水 中 的 鈣 離 子, 並 釋 放 出 氨 離 子 ( 圖 三 ) 5 4 3 2 DO 1300 1 0 Ca 535 635 735 835 935 Sample Number 1200 圖 三 鈣 濃 度 與 溶 氧 變 化 曲 線 在 珊 瑚 骨 骼 標 定 方 面 也 獲 致 良 好 初 步 結 果, 以 硼 同 位 素 標 定 配 合 雷 射 剝 蝕 感 應 耦 合 電 漿 質 譜 儀 分 析, 可 精 確 的 量 測 數 小 時 內 珊 瑚 所 生 長 的 骨 骼 ( 圖 四 ), 解 析 度 較 傳 統 生 物 染 劑 方 法 高 出 數 十 倍 10 8 01/25 1605 add 10B spike 10 B/ 11 B 6 4 2 0 0 50 100 150 200 Laser Spot 圖 四 硼 同 位 素 標 定 結 果 未 來 方 向 目 前 進 行 中 的 工 作 如 下 : 1 持 續 溫 度 及 照 度 水 箱 實 驗 : 獲 取 在 不 同 溫 度 及 照 度 下 所 生 長 的 珊 瑚 骨 骼, 進 而 分 析 其 微 量 元 素 組 成, 配 合 海 水 化 學 光 度 及 溫 度 等 監 測 資 料, 可 全 面 評 估 珊 瑚 鍶 / 鈣 溫 度 計 的 基 本 機 制, 為 全 球 環 境 變 遷 研 究 提 供 重 要 的 訊 息

2 改 進 珊 瑚 骨 骼 雷 射 感 應 耦 合 電 漿 質 譜 儀 量 測 精 確 度 : 雷 射 剝 蝕 雖 具 有 極 高 的 空 間 解 析 度 及 快 速 的 優 點, 但 受 到 基 質 效 應 及 表 面 特 性 不 同 的 影 響, 量 測 精 度 仍 不 如 傳 統 液 體 進 樣 的 電 漿 質 譜 儀, 本 研 究 將 建 立 不 同 性 質 及 濃 度 的 碳 酸 鹽 類 標 準 樣, 提 高 量 測 精 度 3 開 發 新 的 珊 瑚 骨 骼 標 定 技 術 : 以 穩 定 同 位 素 標 定 珊 瑚 骨 骼 具 高 解 析 度 的 優 點, 但 其 過 高 的 價 格 限 制 了 其 應 用 的 範 圍, 未 來 將 嘗 試 以 鉛 或 鋇 等 元 素 來 標 定 珊 瑚 骨 骼, 取 代 昂 貴 的 同 位 素 標 定 參 考 文 獻 Barnes D.J., Taylor R.B. and Lough J.M. (1995) On the inclusion of trace materials into mass coral skeletons. Part II: distributions in skeleton records of annual climate cycles due to growth processes. Journal of experimental marine biology and ecology 194, 251-275 Beck, J. W., Edwards R. L., Ito E., Taylor F. W., Recy J., Rougerie F., Joannot P. and Henin C. (1992) Sea-surface temperature from coral skeleton Strontium/Calcium ratios. Science 257, 644-647 Cohen A. L., Owens K. E., Layne G. D. and Shimizu N. (2002) The Effect of Algal Symbionts on the Accuracy of Sr/Ca Paleotemperatures from Coral. Science 296, 331-333 McCulloch, M. T., Gagan M. K., Mortimer G. E., Chivas A. R., and Isdale P. J., (1994) A high-resolution Sr/Ca and δ 18 O coral record from the Great Barrier Reef, Australia, and the 1982-1983 El Nino, Geochim. Cosmochim. Acta 58, 2747-2754. Shen, C.C., T. Lee, C.Y. Chen, C.H. Wang and C.F. Dai (1996) The calibration of D[Sr/Ca] versus sea surface temperature relationship for porites corals. Geochim. Cosmochim. Acta 60, 3849-3858. Taylor, R.B., Barnes, D.J. and Lough J.M. (1995) On the inclusion of trace materials into massive coral skeletons. 1. Materials occurring in the environment in short pulses. Journal of experimental marine biology and ecology 185, 255-278.