火山石對破碎化珊瑚礁的修復(fù)效果研究

夏景全，賈志宇，張國豪，任瑜瀟，王豐國，李秀保，周國偉，王愛民，丁 峰

(1.海南大學(xué)，南海海洋資源利用國家重點實驗室，海南海口 570228；2.海南大學(xué)，海洋學(xué)院，海南?？?570228；3.海南蜈支洲旅游開發(fā)股份有限公司，海南三亞 572013；4.海南熱帶海洋生物技術(shù)重點實驗室，中國科學(xué)院海南熱帶海洋生物實驗站，海南三亞 572000)

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是典型的熱帶海洋生態(tài)系統(tǒng)，是海洋環(huán)境中生物多樣性最高、物種最豐富的生態(tài)類型之一，已被發(fā)現(xiàn)的生物總數(shù)占海洋生物總數(shù)的30%[1]。因此珊瑚礁也被稱為“海洋中的熱帶雨林”。珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)在維持生物多樣性[2]、為人類提供優(yōu)質(zhì)蛋白食物[3]、保護(hù)海岸線[4]等方面發(fā)揮重要作用。隨著大氣CO2濃度不斷上升[5]及全球氣溫[6]和海溫不斷上升，珊瑚白化逐步變得普遍和嚴(yán)重[7]。目前，全球珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)都呈現(xiàn)退化趨勢，其中東南亞地區(qū)最為嚴(yán)重，澳大利亞地區(qū)最為輕微[8]。我國海南島的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)不僅存在著氣候變化的影響，還面臨著過度的人類活動帶來的威脅，這些威脅主要包括工地建設(shè)、拖網(wǎng)式捕撈、炸魚、采挖珊瑚、養(yǎng)殖及工業(yè)廢水排放，還有局部區(qū)域存在珊瑚礁潛水旅游的破壞[9]。1990 年以后珊瑚礁面積迅速降低，減少了約80%[10]。

蜈支洲島位于海南島最南端三亞市北部的海棠灣內(nèi)，距海岸線(三亞林旺后海村)約2.7 km。蜈支洲島附近海域有著豐富和獨特的熱帶珊瑚礁資源，是近岸退化珊瑚礁的種源地；位于瓊東上升流核心區(qū)，是氣候升溫大趨勢下潛在的避難所[11]。由于蜈支洲島旅游活動開發(fā)、臺風(fēng)侵襲和藤橋水庫泄洪等影響，蜈支洲島的活珊瑚覆蓋率由2007 年的80%下降到2017 年28.18%。2017 年，李秀保等[12]通過對蜈支洲島海域開展珊瑚礁普查發(fā)現(xiàn)北側(cè)區(qū)域出現(xiàn)礁盤破碎化現(xiàn)象，該區(qū)域活珊瑚覆蓋率為13.26%，其中造礁石珊瑚覆蓋率僅有13.13%。礁盤破碎化是指造礁石珊瑚死亡的枝體在涌浪的作用下逐漸破碎，在底部聚集并形成以斷枝和沙礫為主的底質(zhì)類型。礁盤破碎化底質(zhì)類型又被稱之為“珊瑚墳?zāi)埂?，不僅影響珊瑚生長，還阻礙珊瑚幼體附著[13]，對珊瑚礁造成長期不利影響[14]。如果不及時采取合理的措施修復(fù)，該區(qū)域珊瑚礁在長時間內(nèi)難以自我恢復(fù)，嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致局部區(qū)域珊瑚覆蓋率大幅度下降。西沙北礁局部區(qū)域因采挖硨磲造成礁盤破碎化，由于沒有及時改善導(dǎo)致珊瑚覆蓋率在兩年內(nèi)下降20%[15]。

為促進(jìn)蜈支洲島北側(cè)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，根據(jù)珊瑚礁普查結(jié)果[12]與EDWARDS，et al[16]提出的珊瑚礁修復(fù)決策圖綜合分析，該區(qū)域珊瑚礁具有較高的恢復(fù)潛力，可以采用人為改善底質(zhì)的方式促進(jìn)該區(qū)域珊瑚礁恢復(fù)。FOX，et al[17-18]曾利用巖石、水泥板、網(wǎng)格覆蓋底質(zhì)的方式修復(fù)科莫多國家公園礁盤破碎化區(qū)域，結(jié)果表明利用巖石覆蓋底質(zhì)的區(qū)域修復(fù)效果最好且成本最低。巖石覆蓋可以減少斷枝之間因摩擦導(dǎo)致附著的珊瑚幼體脫落，還能建立復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)吸引珊瑚幼體附著[19]。火山石由于其表面粗糙且?guī)д姾蒣20]，可以促進(jìn)珊瑚藻等生物的附著[21]，而且在海南島有大量分布而被選為實驗材料。本研究通過調(diào)查利用火山石覆蓋底質(zhì)后的修復(fù)效果，判斷火山石是否可以作為修復(fù)礁盤破碎化的優(yōu)良材料，對修復(fù)海南島近岸破碎化珊瑚礁具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 修復(fù)位點

依據(jù)蜈支洲島珊瑚礁普查的水質(zhì)環(huán)境因子和底質(zhì)類型結(jié)果綜合分析，選定一處水深4～5 m，無活造礁石珊瑚生長的區(qū)域作為實驗區(qū)域。實驗區(qū)域的中心坐標(biāo)為18°18′992″ N，109°45′851″ E(圖1a)，位于潛水旅游點外側(cè)，距離蜈支洲島排污口直線距離約100 m(圖1b)。為保證修復(fù)效果評估的可靠性，在附近選擇水質(zhì)環(huán)境因子和底質(zhì)類型相同的100 m2區(qū)域作為對照區(qū)域。

圖1 蜈支洲島地理位置和實驗位點Fig.1 The location of Wuzhizhou island and stations of experiment

1.2 火山石的選擇與覆蓋面積調(diào)查

2017 年8 月投放8 t 適度大小火山石石塊(圖2a)對實驗區(qū)域破碎化礁盤進(jìn)行固定。為保證既能形成間隙為生物提供棲息環(huán)境，又能形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)尺寸對購置火山石塊進(jìn)行挑選[19]。因選取的實驗區(qū)域無活珊瑚覆蓋，所以采取從船上直接投放的方式對破碎化礁盤進(jìn)行覆蓋。隨機(jī)選取實驗區(qū)域表面火山石石塊，測量其對角線長度進(jìn)行尺寸統(tǒng)計；測量火山石覆蓋區(qū)域總長度及部分?jǐn)嗝鎸挾冉y(tǒng)計實際修復(fù)面積。

1.3 底質(zhì)類型及指標(biāo)性

在實驗區(qū)域和對照區(qū)域采用樣框(40 cm×70 cm)對底質(zhì)類型、珊瑚幼體補(bǔ)充量和大型底棲生物數(shù)量進(jìn)行調(diào)查(圖2b)。2018 年6 月和2019 年4 月對實驗區(qū)域進(jìn)行調(diào)查，2019 年5 月調(diào)查對照區(qū)域數(shù)據(jù)。生物鑒別參考《A Guide to Tropical Marine Life》[22]。

1.4 珊瑚礁魚類調(diào)查

2019 年9 月利用手寫記錄實時監(jiān)測并同步錄像的方法對修復(fù)區(qū)域和對照區(qū)域進(jìn)行魚類種類和數(shù)量調(diào)查(圖2c)。根據(jù)前期調(diào)查識別魚類種類，并在記錄本預(yù)先寫好可能出現(xiàn)的魚類種類，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確同時進(jìn)行攝像記錄。

圖2 投放的火山石、調(diào)查珊瑚覆蓋率所用樣框和魚類攝像調(diào)查Fig.2 The basalt used for the experiment,sample frame for survey coral cover andvideo for survey fish

1.5 數(shù)據(jù)分析

在每次底質(zhì)類型及指標(biāo)性生物(珊瑚幼體補(bǔ)充量、海參、海膽、海百合、底棲生物總量)調(diào)查時將調(diào)查區(qū)域分為4 組，每組拍攝10 個樣框，共拍攝40 個樣框，通過樣框內(nèi)生物數(shù)量(Ni)與拍攝樣框總面積(S總)的比值計算調(diào)查區(qū)域內(nèi)生物密度(N)。每個樣框平均分布18 個交點，通過交點下對應(yīng)的底質(zhì)類型數(shù)(C)與樣框總交點數(shù)計算覆蓋率。

調(diào)查區(qū)域指標(biāo)性生物的優(yōu)勢種由優(yōu)勢度決定，計算公式為[23]

其中，Y 為優(yōu)勢度，fi為第i 個種在每次調(diào)查中出現(xiàn)的頻率，ni為第i 種出現(xiàn)的個體數(shù)，N 為調(diào)查中總個體數(shù)，當(dāng)Y＞0.02 時，該種為優(yōu)勢種。

物種多樣性指數(shù)的計算采用物種豐富度指數(shù)(D，Margalef)、香農(nóng)-威納指數(shù)(H，Shannon-Wiener)、物種均勻度指數(shù)(J，Pielou)計算公式為[24]：

其中，S 為物種種數(shù)，N 為個體總數(shù)，Pi為第i 種的個體數(shù)與區(qū)域總個體數(shù)的比值。

1.6 統(tǒng)計分析

為檢驗火山石修復(fù)2a 內(nèi)珊瑚幼體補(bǔ)充量、大型底棲生物總量是否具有差異性，利用DPS 對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行兩樣本平均數(shù)Student t 檢驗的統(tǒng)計學(xué)分析。為了更直觀的分析投放火山石之后底質(zhì)類型和指標(biāo)性生物組成變化，利用PRIMER 6 對其進(jìn)行主成分分析(PCA)和相似性分析(ANOSIM)檢驗它們的差異。

2 研究結(jié)果

2.1 火山石尺寸及覆蓋面積調(diào)查

經(jīng)調(diào)查所投放火山石在海底整體呈田字形。為調(diào)查火山石實際覆蓋面積，隨機(jī)選取10 處橫斷面測量其寬度，橫斷面處最小寬度為1.6 m，最大寬度為4.2 m，經(jīng)計算得平均寬度為2.3 m；將火山石長度分段測量后總長度為103 m，計算得火山石實際覆蓋面積為232.7 m2。在火山石購置及運(yùn)輸、投放等工作中總計產(chǎn)生費(fèi)用4 000 元，合計修復(fù)成本為2.5 萬美元·hm-2。

在對火山石尺寸調(diào)查中，隨機(jī)選取72 塊火山石測量其對角線長度。調(diào)查結(jié)果顯示，所選火山石石塊任一面最小對角線長度為20 cm，任一面最大對角線長度為70 cm，計算得其平均長度為38.2 cm(圖3)。

圖3 Origin 分析圖：火山石石塊尺寸頻率分布圖Fig.3 Origin analysis diagram:The frequency distribution of basalt size

2.2 底質(zhì)覆蓋率調(diào)查結(jié)果

根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示(圖4a)，2018 年6 月和2019 年4 月實驗區(qū)域石質(zhì)底質(zhì)覆蓋率分別為98.28%和97.36%，而對照區(qū)域石質(zhì)底質(zhì)覆蓋率僅為4.88%。經(jīng)PCA 和ANOSIM 分析結(jié)果表明，投放火山石之后，2018 和2019 年實驗區(qū)域底質(zhì)組成沒有顯著性差異(p=0.60)，但均與對照區(qū)域具有顯著的不同(圖5a，p=0.029)。表明火山石投放后已形成穩(wěn)定的石質(zhì)礁盤，而對照區(qū)域底質(zhì)類型仍處于不利于珊瑚生長的破碎化階段。

圖4 實驗區(qū)域與對照區(qū)域底質(zhì)覆蓋率和實驗區(qū)域與對照區(qū)域總生物量的Origin 分析圖Fig.4 The Origin analysis diagram ofsubstrate coverage was based on experimental area and control area and total biomass in experimental and control areas

2.3 珊瑚幼體補(bǔ)充量及大型底棲生物棲息密度調(diào)查

根據(jù)對實驗區(qū)域和對照區(qū)域的珊瑚及大型底棲生物調(diào)查結(jié)果顯示(圖4b)，2018 年實驗區(qū)域珊瑚幼體補(bǔ)充量為0.62 個·m-2，2019 年增長為7.5 個·m-2，而同年對照區(qū)域僅為0.27 個·m-2。2018 年實驗區(qū)域大型底棲生物密度(包括海參、海膽、海百合)為1.8 個·m-2，2019 年增長為3.4 個·m-2，同年對照區(qū)域僅為0.37 個·m-2。根據(jù)公式計算得實驗區(qū)域珊瑚幼體補(bǔ)充優(yōu)勢種為杯形珊瑚屬Pocillopora 為主，海參和海膽的優(yōu)勢種分別為紅腹海參Holothuria edulis 和棘冠海膽Diadema setosum。

經(jīng)PCA 和ANOSIM 對生物組成分析結(jié)果表明(圖5b)，2019 年實驗區(qū)域的生物組成與2018 年實驗區(qū)域、對照區(qū)域明顯不同(p=0.029)，但是2018 年實驗區(qū)域和對照區(qū)域差異不顯著(p=0.60)。

利用Student t 檢驗對珊瑚幼體補(bǔ)充量和大型底棲生物密度進(jìn)行分析，2018 年實驗區(qū)域與對照區(qū)域的珊瑚幼體補(bǔ)充量(p=0.387)和大型底棲生物棲息密度(p=0.286)均表現(xiàn)為差異不顯著；2019 年實驗區(qū)域與對照區(qū)域的珊瑚幼體補(bǔ)充量(p=0.000)和大型底棲生物棲息密度(p=0.04)分別表現(xiàn)為差異極顯著和差異顯著。

根據(jù)分析可以看出在火山石投放1a 內(nèi)修復(fù)效果并不明顯，在第2 年珊瑚幼體及底棲生物均出現(xiàn)明顯聚集，而對照區(qū)域仍沒有改善。

圖5 基于實驗區(qū)域與對照區(qū)域底質(zhì)覆蓋率和實驗區(qū)域與對照區(qū)域總生物量的PCA 分析圖Fig.5 The PCA analysis diagram ofsubstrate coverage was based on experimental area and control area and (b)Total biomass in experimental and control areas

2.4 珊瑚礁魚類數(shù)量

2019 年9 月通過對魚類進(jìn)行調(diào)查結(jié)果顯示，實驗區(qū)域(圖6a)共有魚類23 種，密度為120.7 尾·100-1·m-2；對照區(qū)域(圖6b)調(diào)查共有魚類7 種，密度為51.3 尾·100-1·m-2。在實驗區(qū)域中的魚類優(yōu)勢種為肉色宅泥魚Dascyllus marginatus、斗氏天竺鯛Apogon doderieini、煙色光鰓魚Chromis fumea、新月錦魚Thalassoma lunare 和尾斑光腮魚Chromis notatus；對照區(qū)域中的魚類優(yōu)勢種為新月錦魚Thalassoma lunare、齒頜眶棘鱸Scolopsis ciliatus、黃尾雀鯛Pomacentrus chrysurus 和白宅泥魚Dascyllus albisella。

圖6 實驗區(qū)域魚類數(shù)量與對照區(qū)域魚類數(shù)量Fig.6 The number of fish in the experimental area andthe number of fish in the control area

調(diào)查區(qū)域魚類生物多樣性如表1 所示。實驗區(qū)域物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均高于對照區(qū)域，對照區(qū)域均勻度指數(shù)高于實驗區(qū)域。

表1 調(diào)查區(qū)域魚類生物多樣性Tab.1 The fish biodiversity in the survey area

3 討論

3.1 火山石礁盤修復(fù)效果

礁盤破碎化是珊瑚礁區(qū)域最惡劣的一種底質(zhì)類型，一旦形成會對珊瑚礁造成毀滅性的損害。CAMERON，et al[25]將珊瑚斷枝和碎石聚集在一起，以形成大規(guī)模硬質(zhì)底質(zhì)修復(fù)珊瑚礁，但由于小于12 cm的斷枝在涌浪的作用下會移動70 cm/3 月，對珊瑚幼體造成嚴(yán)重?fù)p傷，使得損失率(死亡+遷移)高達(dá)50%。在進(jìn)行珊瑚礁底質(zhì)修復(fù)時不僅要提供附著基底，還要建立穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。FOX，et al[17]所投放的碎石直徑在20～30 cm 可以有效地抵抗浪流，但由于每個位點規(guī)模太小，易受到周圍斷枝移動對其產(chǎn)生的摩擦損傷。本實驗中投放的火山石在強(qiáng)涌浪下仍然保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并為珊瑚、珊瑚藻、大型藻類等附著生物提供良好的附著基底，生物附著生長還能對火山石所形成的結(jié)構(gòu)起到加固作用[26]。因此，大規(guī)模投放大塊火山石對破碎化礁盤具有修復(fù)效果。

3.2 珊瑚幼體補(bǔ)充及底棲生物聚集效果

珊瑚幼體補(bǔ)充量、珊瑚成活率是珊瑚礁生態(tài)修復(fù)中關(guān)鍵的評價指標(biāo)[27]。珊瑚幼體補(bǔ)充量在第一年內(nèi)只有0.62 個·m-2，而第二年增加至7.5 個·m-2，這與張浴陽等[28]所提到附著基浸泡一年對珊瑚幼體具有更好的吸引力相符。由于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)對珊瑚幼體更具的吸引力[29]，2019 年珊瑚幼體補(bǔ)充量比該區(qū)域平均水平(2.6 個·m-2)高出1.9 倍[12]。而對照區(qū)域由于破碎化底質(zhì)類型(圖7)沒有改變，使得珊瑚幼體補(bǔ)充量較低且死亡率較高[30]，仍處于嚴(yán)重退化階段。因此，在水質(zhì)環(huán)境適合、珊瑚幼體補(bǔ)充充足的礁盤退化區(qū)域，可以通過投放火山石修復(fù)底質(zhì)吸引珊瑚幼體附著，加以人類活動管理，達(dá)到實現(xiàn)珊瑚礁自然恢復(fù)的目的[31-33]。

大型底棲生物在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中起著維護(hù)和調(diào)節(jié)底質(zhì)的作用[34]，如海參以海底沉積物為食可以消化礁盤破碎形成的碎石和砂礫[35]；海膽以藻類為食可以減弱海藻與珊瑚對附著基的競爭[36]。由于投放后火山石表面附著藻類增加，局部區(qū)域初級生產(chǎn)力以及餌料可獲得性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于礁盤破碎化區(qū)域，以植食性為主底棲生物往火山石范圍聚集[37]，使得實驗區(qū)域底棲動物棲息密度高于黃端杰等在蜈支洲島調(diào)查中統(tǒng)計的0.92 個·m-2[34]。

圖7 實驗區(qū)域鹿角珊瑚幼體和對照區(qū)域橙黃珊瑚幼體Fig.7 Juvenile coral (Acropora sp.) in the experimental area and juvenile coral (Porites lutea) in the control area

3.3 魚類聚集效果

珊瑚礁魚類是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是維持珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康的重要種群[38]。實驗區(qū)域擁有較高的初級生產(chǎn)力并構(gòu)建了復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，吸引雀鯛科和天竺鯛科等以藻類和有機(jī)碎屑為食的小型魚類聚集，由于修復(fù)面積較大也為大型珊瑚礁魚類提供活動場所，在魚類生物量和生物多樣性上均高于對照區(qū)域。而對照區(qū)域只有隆頭科和金線魚科等肉食性魚類，所以在均勻度上高于實驗區(qū)域。因此，火山石的投放可以起到人工魚礁所具有的改善棲息地和保護(hù)魚類生物多樣性的作用[39]。

圖8 實驗區(qū)域聚集肉色宅泥魚和幼魚Fig.8 The experimental area gather Dascyllus carneus andjuveniles fish

3.4 火山石修復(fù)破碎化礁盤成本

隨著珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)退化日益嚴(yán)重，世界各地已開展大量珊瑚礁生態(tài)修復(fù)相關(guān)的技術(shù)研究[40]，基于破碎化生境的工程化修復(fù)技術(shù)所需成本是最高的，根據(jù)不同的修復(fù)方式成本為(1×105～1×106)美元·hm-2[16]，2002 年FOX，etal[17]在印度尼西亞科莫多國家公園投放石塊，最終合計該修復(fù)費(fèi)用為1.7×105美元·hm-2。在本實驗中火山石因在海南有大量分布，購置及運(yùn)輸所產(chǎn)生成本僅為2.5×104美元·hm-2。覆蓋破碎化礁盤的目的在于促進(jìn)其自然恢復(fù)，在后續(xù)僅在調(diào)查工作用需要資金支出。因此，利用火山石修復(fù)破碎化礁盤是一種高性價比的修復(fù)方式。

4 結(jié)論

火山石可以穩(wěn)定覆蓋破碎化礁盤增加石質(zhì)基底覆蓋率，減少碎石、珊瑚斷枝對珊瑚造成的不利影響；表面多孔結(jié)構(gòu)及特殊的理化性質(zhì)可以顯著促進(jìn)珊瑚幼體的附著，增加珊瑚幼體補(bǔ)充量；形成的三維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并為藻類提供附著基，可以吸引大型底棲生物和魚類的聚集生長；修復(fù)方式簡單，成本低。因此，火山石是可以應(yīng)用于近岸修復(fù)珊瑚礁礁盤破碎化的優(yōu)質(zhì)材料。