龍麗娟, 楊芳芳, 韋章良

綜述

珊瑚礁生態(tài)系統修復研究進展

龍麗娟, 楊芳芳, 韋章良

中國科學院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室, 中國科學院南海海洋研究所, 廣東 廣州 510301

健康的珊瑚礁生態(tài)系統具有造礁、護礁、固礁、防浪護岸、防止國土流失的功能。同時, 珊瑚礁生態(tài)系統生物多樣性極高, 被稱為海洋中的“熱帶雨林”。我國南海擁有200多個珊瑚島、礁與沙洲, 是世界海洋珊瑚礁最豐富的區(qū)域之一。近年來, 由于全球氣候變化和圍填海等人類活動的影響, 珊瑚礁生態(tài)系統受到了不同程度的影響或破壞, 危及海洋生態(tài)與島礁安全, 珊瑚礁生態(tài)系統的修復至關重要。本文對珊瑚礁生態(tài)系統的現狀、修復方法及存在的問題進行了總結, 并在此基礎上創(chuàng)新性地提出了基于系統的珊瑚礁多維生態(tài)系統修復模式并付諸實踐, 以期提供更有效的珊瑚礁生態(tài)系統修復新方法。

珊瑚礁; 退化; 生態(tài)修復; 修復技術

由于氣候變化和人為干擾的影響, 珊瑚礁生態(tài)系統受到不同程度的影響或破壞, 迄今為止全球至少20%的珊瑚礁發(fā)生了退化或消失。如何有效修復珊瑚礁生態(tài)系統成為亟待解決的難題。1990年Richmond等首次在印度洋—太平洋海域和紅海開展了大規(guī)模的珊瑚礁生態(tài)修復(Richmond et al, 1990), 之后眾多學者相繼開展珊瑚礁保護、修復等方面的研究工作(Silva et al, 2016; 覃禎俊等, 2016; Martinez et al, 2019), 并取得了一定成果, 但相關的理論、技術和修復方法仍在探索之中, 實際推廣并取得成功的案例甚少。本文概述了珊瑚礁生態(tài)系統的現狀, 對目前主要的自然修復、生物修復、生態(tài)重構等珊瑚礁生態(tài)系統修復方法進行分析, 并對珊瑚礁生態(tài)系統的科學修復提出建議。

1 珊瑚礁生態(tài)系統現狀

受水溫、水深、光照、鹽度、波浪、海流等自然環(huán)境條件和人為因素的影響, 全球現代珊瑚礁主要分布于南北回歸線之間的熱帶海洋中, 而我國主要分布在北回歸線以南的熱帶海岸和海洋中, 且多為岸礁和環(huán)礁, 其中位于我國熱帶北緣的華南大陸沿岸及臺灣島沿岸的珊瑚礁覆蓋度遠低于離赤道較近的熱帶和赤道海區(qū)(安曉華, 2003)。南海諸島是我國遠海漁業(yè)活動、科研和其他海事活動的重要基地, 也是珊瑚島礁最多的區(qū)域, 島嶼和沙洲多由珊瑚礁構成, 呈小規(guī)模且零星分布, 部分礁體厚達兩千多米, 珊瑚礁生態(tài)系統的健康關乎海洋生態(tài)安全和國土安全(趙煥庭等, 2016)。珊瑚礁生態(tài)系統物種豐富, 多樣性極高, 被譽為海洋中的“熱帶雨林”。幾乎所有種類的海洋生物都有代表生活其中, 如造礁生物和礁棲生物, 其中造礁生物以造礁石珊瑚、硨磲貝、大型鈣化海藻等為主。太平洋和印度洋的淺水造礁石珊瑚已知的約500種, 我國造礁石珊瑚約占世界的1/3(姜峰等, 2011)。礁棲生物主要以海膽、海參、魚類等為代表。珊瑚礁生態(tài)系統通過內部自調控機制使得其中各生物種類、數量和分布與生態(tài)環(huán)境相適應, 以保證整個生態(tài)系統的相對穩(wěn)定。

珊瑚礁生態(tài)系統有著極其重要的生態(tài)、經濟及文化價值, 具有極高的初級生產力和生物多樣性、為海洋生物提供繁育棲息場所、維持海洋生態(tài)平衡、促進海洋物質能量循環(huán)、防浪護岸、防止國土流失等功能(Brander et al, 2012)。同時, 珊瑚礁也是一個敏感脆弱的生態(tài)系統, 易受到自然環(huán)境和人為干擾的影響, 尤其是人類高強度擾動對陸地和海上的生態(tài)破壞、環(huán)境污染等, 導致珊瑚礁生態(tài)系統嚴重破壞, 甚至難以恢復(De’ath et al, 2012; Williams et al, 2015)。調查研究顯示, 近年來, 世界各地的珊瑚礁正在以驚人的速度減少, 全球珊瑚礁至少20%已退化或消失, 另有約50%受到不同程度的威脅, 預計到2030年, 全球近70%的珊瑚礁將會發(fā)生白化事件(Benayas et al, 2009; Jaleel, 2013; Maynard et al, 2016)。中國的情況同樣嚴重, 1984年以前我國珊瑚礁生態(tài)系統還處于良好狀態(tài), 珊瑚覆蓋率高于70%, 1990年以后珊瑚礁面積迅速降低, 減少了約80%(王麗榮等, 2018), 其中, 西沙群島珊瑚覆蓋率從2006年的65%以上下降到2007年的50%左右, 2008年開始下降趨勢更加明顯, 至2009年已低于10%(吳鐘解等, 2011)。海南島沿岸珊瑚礁自20世紀50年代以來破壞率已達80%, 珊瑚覆蓋率也顯著下降, 其中海南三亞鹿回頭81種造礁石珊瑚中有30種已經發(fā)生區(qū)域性滅絕(涂志剛等, 2014)。雖然有研究表明, 一旦環(huán)境壓力消失, 由環(huán)境因素引起的生態(tài)系統破壞可以自然恢復, 但可能需要長達20至25年, 甚至上百年。而人為修復與重建可以加速自然恢復的進程。因此, 研發(fā)、建立珊瑚礁生態(tài)修復技術和策略成為了珊瑚礁保護和可持續(xù)利用領域的研究熱點。

2 珊瑚礁生態(tài)系統修復策略

隨著珊瑚礁生態(tài)系統的不斷退化, 各國政府、科學家和社會公益團體等都逐漸加大了對珊瑚礁生態(tài)系統的保護、修復和可持續(xù)利用的關注力度。

珊瑚礁生態(tài)系統修復是針對受損的或衰退的生態(tài)系統, 利用其自身的修復能力和必要的人工輔助手段, 促進其恢復到原來或與接近原來狀態(tài)的結構和功能, 使珊瑚礁生態(tài)系統得以重建的過程。根據珊瑚礁受損程度, 珊瑚礁生態(tài)修復策略一般分為三大類: 自然修復、生物修復和生態(tài)重構。對于相對健康、有良好造礁生物和礁棲生物種源補充的輕度受損珊瑚礁, 其自行恢復只是時間問題, 采取相應的措施消除壓力、避免人為破壞是最關鍵的修復策略; 對于一些中度受損的珊瑚礁生態(tài)系統, 其通過自然恢復可能需要長達數百年, 人為干預措施可以加速自然修復進程, 促進生態(tài)系統的自然恢復; 但對于重度受損的珊瑚礁, 其生態(tài)系統功能可能已完全退化或喪失, 通常需要人為干預, 重構生態(tài)系統。澳大利亞、以色列、日本、美國等國的研究工作均表明, 主動的生物多樣性保護措施和適當的人為干預可以加速珊瑚礁生態(tài)的恢復過程(Rinkevich, 2005, 2008)。通過人為活動有效的管理和多項修復技術的應用, 部分海域的珊瑚礁生態(tài)系統退化趨勢得到了一定的遏制, 珊瑚覆蓋率甚至有所提高(Guzmán, 1991; 吳鐘解等, 2013; 周紅英等, 2017)。Guzmán(1991) 采用人工干預和自然修復的策略修復哥斯達黎加的太平洋海岸珊瑚礁, 是一個較大規(guī)模的珊瑚礁生態(tài)修復成功案例, 共將110個活珊瑚斷枝從附近的珊瑚礁移植到受損礁區(qū), 3年后珊瑚存活率達79%~83%, 生長率為41%~115%。

2.1 生物修復

生物修復指的是通過自然或人工方法恢復和重建珊瑚礁內受損的一種或多種生物, 包括人工移植所需生物、抑制或殺滅病敵害生物, 以優(yōu)化退化區(qū)的群落組成和結構。1990年首次在印度洋—太平洋海域和紅海海域開展了較大規(guī)模的珊瑚礁生態(tài)修復工作(Richmond et al, 1990); 于登攀等(1999)從理論上提出了可以通過保護或移植珊瑚礁生態(tài)系統修復所需的關鍵物種來改變群落空間格局, 縮短向亞頂級和頂級群落生態(tài)演替時間。但實際上, 由于珊瑚礁生態(tài)修復工程成本高、周期長等因素, 成功推廣的珊瑚礁修復案例并不多, 其中珊瑚移植和珊瑚園藝養(yǎng)殖、敵害生物的移除是目前報道最多的修復方法。

造礁石珊瑚是珊瑚礁生態(tài)系統的主要框架生物, 也是修復和重構受損珊瑚礁生態(tài)系統的關鍵對象。珊瑚移植指的是將整個珊瑚、珊瑚斷片或珊瑚幼蟲移植到相應的受損區(qū)域, 該技術因成本低且可以較快速增加受損區(qū)域珊瑚的數量, 被認為是珊瑚礁生態(tài)系統修復的一種有效手段, 得到了較為廣泛應用(Edwards et al, 1999; 李元超等, 2008; 覃禎俊等, 2016)。Kaly(1995)在澳大利亞大堡礁測試了不同的珊瑚移植方法, 證明了規(guī)?；浦采汉鲾嘀Φ目尚行浴haish等(2010)將薔薇珊瑚()移植至退化礁區(qū)15個月后, 珊瑚體積增加了3.84倍; 我國陳剛等(1995)、于登攀等(1996)、高永利等(2013)、張浴陽等（2013）、Zhang等（2016）也開展了部分珊瑚移植實驗, 并在海南西瑁洲島建立了珊瑚培育基地。Okubo等(2015)建議將珊瑚移植和生態(tài)旅游相結合, 以加快修復珊瑚礁生態(tài)系統。Edwards等 (1999)認為大部分移植珊瑚死亡發(fā)生在前7個月, 而且存活率與移植區(qū)域有關, 移植到夏威夷群島的珊瑚2年后死亡率5%~50%不等, 移植到Armoflex礁坪上的珊瑚28個月存活率約50%, 而移植到墨西哥科蘇梅爾島一個小區(qū)域的珊瑚1個月內存活率高達97 %。此外, 研究表明珊瑚種類、大小、移植方案和移植環(huán)境等因素也會影響移植珊瑚的存活率(Cabaitan et al, 2015; Zhang et al, 2016; Martinez et al, 2019)。因此, 在移植珊瑚前有必要開展調查和評估, 盲目移植不僅達不到預期效果, 還可能會傷害珊瑚供體。一般而言, 當受損或退化區(qū)域的優(yōu)勢種處于由石珊瑚向軟珊瑚或大型海藻轉換的過渡時期, 或者退化的原因是珊瑚幼蟲減少、底質不穩(wěn)固但水質適合珊瑚生長的礁區(qū), 適合使用珊瑚移植的方法進行修復。

珊瑚園藝養(yǎng)殖是指在特定的海區(qū)培養(yǎng)珊瑚斷片或幼蟲, 待其長到合適大小的時候, 再將其移植到受損或退化區(qū)域, 該技術對珊瑚組織損傷較小,移植珊瑚死亡率較低(Rinkevich, 2014, 2015)。珊瑚園藝養(yǎng)殖的概念最早是由Rinkevich (1995)提出, 之后在加勒比海、紅海以及新加坡、菲律賓、日本等國得到廣泛的應用。Mbije 等(2010)在桑給巴爾群島和馬非亞群島采用珊瑚園藝養(yǎng)殖方法培養(yǎng)珊瑚, 用于修復坦桑尼亞受損珊瑚礁生態(tài)系統。Shafir 等(2001)在紅海嘗試了將一個懸浮在水中的塑料網作為珊瑚的苗床培養(yǎng)珊瑚, 待珊瑚長到合適大小后進行移植, 取得良好的修復效果, 移植的珊瑚生長較快且存活率超過80%。Oren等(1997)將珊瑚移植到一些固定在繩子上的PVC板上面, 結果表明垂直放置的PVC板比水平放置的PVC板更適合珊瑚生長, 主要原因是垂直放置的PVC板上沉積物、覆蓋的藻類更少, 敵害生物也更少。Rinkevich (2015)基于珊瑚園藝養(yǎng)殖的概念, 進一步提出了一種新的可商業(yè)化的生態(tài)修復方法, 可擴大珊瑚礁生態(tài)修復市場。

苗種是珊瑚移植和珊瑚園藝養(yǎng)殖的基礎和前提, 如何提升珊瑚等生物對環(huán)境的耐受和恢復能力也是珊瑚礁生態(tài)修復的重要環(huán)節(jié)。研究表明馴化與選擇性繁育珊瑚可以提高珊瑚的耐受能力(Barshis et al, 2013; Palumbi et al, 2014; Chan et al, 2019)。Van Oppen 等(2015)將相對高溫區(qū)的珊瑚幼蟲移植到低溫區(qū)的珊瑚礁區(qū)進行雜交, 明顯提高了新生珊瑚對溫度的耐受力。此外, 選擇性接種蟲黃藻(Silverstein et al, 2012)、重組珊瑚—共生微生物系群結構(Brown et al, 2013)等也可以改變珊瑚的耐受能力, 但相關研究還處于實驗室階段, 如何從基因水平提升珊瑚對環(huán)境的適應能力, 以及基因改造可能產生的生態(tài)影響還有待于進一步評估和研究。

敵害生物的移除, 主要包括控制珊瑚捕食者(如棘冠海星)的數量、去除過度生長的大型海藻等等, 但是目前相關研究還較少(Bos et al, 2013; Ceccarelli et al, 2018)。在一些沿海暗礁上, 由于富營養(yǎng)化或食草性動物的減少等原因導致大型海藻過度生長, 豐度增加, 使得珊瑚面臨著巨大的競爭。Ceccarelli 等(2018)總結了大型海藻在珊瑚礁的生態(tài)作用, 并評價移除大型海藻的優(yōu)劣勢, 認為通過增加草食性魚類或人為清除大型藻類可以降低珊瑚與大型海藻之間的競爭, 為珊瑚繁殖提供充足空間, 可能是一種有效的珊瑚礁生態(tài)系統修復方法, 而且通過移除大型海藻固著器修復效果更好。

2.2 生態(tài)重構

生態(tài)重構主要是針對重度受損的珊瑚礁, 包括生境修復和生物修復兩部分內容, 通常在生境修復的基礎上, 再進行生物移植。生境修復指的是通過建造人工礁體并將其投放至受損珊瑚礁區(qū)或者人工修復已有的珊瑚礁體, 重構珊瑚礁生境, 提高珊瑚礁三維結構的復雜性, 為海洋生物提供良好的、穩(wěn)定的棲息和繁殖場所, 從而促進珊瑚等生物附著、生長、繁殖及其種群恢復, 加速珊瑚礁生態(tài)系統的修復進程。許多國家(中國、美國、澳大利亞、日本等)均開展了人工礁體修復珊瑚礁試驗, 應用最多的人工礁體原材料有天然礁巖、混凝土塊和陶瓷塊等(Keller et al, 2017; Silva et al, 2016; Ng et al, 2017)。Clark 等(1994)在馬爾代夫投放了360t水泥材料的礁體, 3至5年后觀察發(fā)現礁體上附著有500多個珊瑚。Blakeway 等(2013)在澳大利亞帕克角(Parker Point)海區(qū)投放人工礁體并移植珊瑚, 發(fā)現人工礁體是珊瑚生長的理想基質, 移植后珊瑚覆蓋率快速增加。李元超等(2014)針對西沙群島珊瑚礁生態(tài)系統現狀, 在趙述島海域投放人工礁基并開展造礁石珊瑚移植試驗, 發(fā)現只投放礁基的修復效果比較理想, 推測人工礁基的投放能促進石珊瑚群落的恢復, 加速珊瑚礁生態(tài)系統的修復進程。近期研究報道了一種新的礁體材料, 在室內利用微生物誘導碳酸鈣沉積技術(microbial induced calcite precipitation, MICP)能夠有效固化、膠結珊瑚基質(唐陽等, 2017)。但是, 投放至海區(qū)的人工礁體容易被底棲海藻覆蓋, 從而占據珊瑚的生態(tài)位, 使得珊瑚群落向海藻群落演替, 影響珊瑚礁生態(tài)修復效果, 而隆頭魚、雜紋鸚嘴魚和大甕籃子能夠捕食底棲海藻, 降低其覆蓋度, 從而促進珊瑚附著與生長(Bruno, 2014)。因此, 利用人工礁體修復珊瑚礁時需要關注相關生態(tài)因子之間的平衡。相比而言, 珊瑚礁體修補的案例較少, 常用的方法是用水泥和石膏粘結開裂的珊瑚礁體, 以恢復珊瑚礁結構的完整性, 再借助移植技術修復珊瑚礁生態(tài)系統, 恢復珊瑚的數量(Jaap, 2000; Shafir et al, 2006)。此外, 減少環(huán)境壓力, 改善生存環(huán)境, 減少人類活動干擾如減少過度開采利用、減少工程帶來的泥沙、管理污染物、處理廢水、清除或減少敵害、競爭生物等, 也能夠促進珊瑚礁生境修復, 加快珊瑚礁生態(tài)修復進程。

2.3 監(jiān)測評估

珊瑚礁生態(tài)系統監(jiān)測評估是珊瑚礁生態(tài)系統修復的關鍵環(huán)節(jié)之一, 通過定時評估修復效果, 可為下一步生態(tài)修復提供建議。目前常用于評價修復效果的指標甚少, 主要有2個: 珊瑚生長狀況和存活率(Guest et al, 2011; Bayraktarov et al, 2016)。少數研究將這兩個評價指標與有限的其他生態(tài)因子結合使用。Hein 等(2017)對83篇有關珊瑚礁生態(tài)系統修復的文獻進行總結, 發(fā)現對修復效果的評價工作多集中在短期試驗, 少見長期監(jiān)測評估。53%的研究僅監(jiān)測了修復后珊瑚礁狀態(tài)一年甚至更短時間, 只有5%的研究監(jiān)測了修復后的珊瑚礁5年以上。

3 我國珊瑚礁生態(tài)修復工作

我國珊瑚礁生態(tài)系統修復工作起步較晚, 20世紀90年代才相繼開展珊瑚礁保護、修復相關研究, 現已建立了多個國家級省級縣級珊瑚礁保護區(qū), 包括海南三亞珊瑚礁國家級自然保護區(qū)、廣東徐聞珊瑚礁國家級自然保護區(qū)、福建東山珊瑚礁海洋自然保護區(qū)和廣西潿洲島珊瑚礁國家級海洋公園等(王麗榮等, 2018)；并于1995年最先在海南三亞開展了珊瑚礁生態(tài)修復試驗, 之后在廣東大亞灣開展了4 次大規(guī)模的造礁石珊瑚移植試驗, 目前在三亞、西沙群島、南沙群島、大亞灣、潿洲島等地均有開展珊瑚礁修復項目, 且各區(qū)域應用技術不盡相同, 主要為生物修復和生態(tài)重構單一技術的應用。其中實施最多種修復技術的區(qū)域為西沙群島, 采用的修復技術包括珊瑚幼體繁育, 珊瑚斷枝培育、珊瑚苗圃構建、珊瑚底播移植、底質穩(wěn)固技術等。從目前實施效果來看, 西沙群島、三亞、潿洲島、大亞灣等珊瑚礁修復區(qū)已顯現出部分成效; 在西沙晉卿島與七連嶼、潿洲島和大亞灣珊瑚礁修復區(qū), 珊瑚多樣性與珊瑚礁生物種群數量均得到有效提升; 三亞蜈支洲珊瑚礁區(qū)在修復后, 不僅珊瑚覆蓋率提高, 而且擴大了旅游資源, 為今后深入修復珊瑚礁建立了良好基礎。

國內相關研究機構主要有中國科學院南海海洋研究所、中國科學院廣州地球與化學研究所、國家海洋局第三海洋研究所、海南省海洋與漁業(yè)科學院、廣西大學、海南大學、廣東海洋大學等。其中, 中國科學院南海海洋研究所是國內最早開展珊瑚研究和珊瑚礁生態(tài)修復的單位, 在西沙群島、南沙群島、三亞、大亞灣均有開展珊瑚礁保護和修復研究工作, 初步形成了一套珊瑚礁生態(tài)修復和管理的技術模式, 取得了良好的效果。國家海洋局第三海洋研究所在珊瑚礁保護和修復方面開展了系列工作, 在海南三亞、廣西潿洲島及我國南沙群島等區(qū)域均有開展珊瑚礁生態(tài)調查和修復工作。

2015年起, 筆者的研究團隊承擔了中科院重點部署項目和中科院A類先導專項項目, 針對珊瑚礁生態(tài)系統修復工作中生態(tài)修復策略單一, 缺乏系統管養(yǎng)、長期監(jiān)測和修復效果評價的現狀, 從生態(tài)修復目標的制定、修復技術與集成、監(jiān)測與評估等方面進行了系統的分析研究, 原創(chuàng)性提出了基于生態(tài)系統和關鍵功能恢復的珊瑚礁多維生態(tài)修復新模式, 開辟了珊瑚礁生態(tài)修復的新方向?；趯δ虾Ｄ喜?2個無人島礁珊瑚礁生態(tài)系統連續(xù)、定點的綜合科考, 首次系統掌握了南沙群島珊瑚礁生態(tài)系統本底、現狀和結構特征; 精確評估了珊瑚礁生態(tài)系統結構和生物多樣性水平特征。根據對礁棲框架生物的環(huán)境適應性、生態(tài)功能和食物鏈結構評估與分析, 甄選出30種關鍵造礁和護礁功能生物, 用于指導受損珊瑚礁生態(tài)系統的修復。突破了包括造礁石珊瑚、鈣化海藻、硨磲貝等18種關鍵功能生物的人工繁殖技術, 實現了苗種的批量化生產。研發(fā)并集成珊瑚礁區(qū)三維結構重構技術、水下基質表面生物膜化技術、造礁石珊瑚苗圃技術、功能種群恢復和群落構建技術、功能微生物營養(yǎng)技術、次生海洋生物群落保育與撫育技術、次生生態(tài)系統演替與適應性評估技術等珊瑚礁多維生態(tài)修復技術, 針對重度、中度、輕度受損的不同珊瑚礁生態(tài)系統類型, 首次開展了集“基底修復/再造、種群恢復、群落構建、系統養(yǎng)護”于一體的多維生態(tài)系統修復示范工程, 并研制了微生物功能菌劑、珊瑚病原檢測技術、珊瑚天敵殺滅裝置、功能生物保護裝置、沉積物去除器、原位監(jiān)測系統等生態(tài)系統管養(yǎng)技術產品和設施, 形成了“人工干預+自然修復”快速演進生態(tài)修復技術與系統集成示范。用五年的時間, 建成世界上最大的珊瑚礁生態(tài)系統修復示范區(qū), 面積達十萬多平方米, 多維綜合生態(tài)修復技術世界領先, 為珊瑚島礁的生態(tài)系統修復與重建提供了范例和技術支持。

4 存在主要問題及展望

世界各國在珊瑚礁生態(tài)修復方面開展了一系列工作, 并取得了一定成果, 但相關的理論和技術仍在探索之中, 實際推廣并取得成效的案例很少, 主要存在以下3個方面的問題。

1) 與全球珊瑚礁廣泛分布相比, 目前研究的珊瑚礁數量、面積太少; 對珊瑚礁的研究缺乏長期、持續(xù)的監(jiān)測以及合適的生態(tài)修復評價標準, 難以明確和定量評價修復效果; 對珊瑚礁修復過程中生態(tài)結構和功能恢復的研究較少, 如物種多樣性、生物之間的關系及生態(tài)系統之間物質基礎研究不足。

2) 從生態(tài)修復的尺度看, 大多停留在小尺度、局部區(qū)域范圍內或集中單個群落或物種的修復。但是, 事實上, 珊瑚礁生態(tài)系統是一個具有極高生物多樣性的復雜系統, 其內部各種生物緊密、動態(tài)地聯結在一起, 相互關系十分復雜。珊瑚礁修復與重建應從特定的物種或單個生態(tài)系統的生態(tài)修復工程逐漸向大尺度的生態(tài)修復轉變, 需要對生態(tài)系統的結構、功能、生物多樣性和持續(xù)性等進行全面有效的修復。雖然基于系統思維和關鍵功能恢復的多維生態(tài)修復技術與示范已有成功案例, 但其系統修復理論、技術體系和應用推廣有待進一步探索提升。

3) 缺乏對綜合成本的考量和效益評估。研究表明珊瑚礁生態(tài)修復不僅能夠為當地和海洋產業(yè)帶來重大的經濟利益, 還能影響當地社會文化價值(Rogers et al, 2015; Kittinger et al, 2016; Pascal et al, 2016)。Abelson等(2016)將珊瑚礁生態(tài)修復和漁業(yè)管理相結合, 認為儲備草食性魚類是修復退化珊瑚礁的有效方法之一。增加魚類生物量既可以增加漁業(yè)產量, 也可減少對珊瑚礁的破壞, 提高當地居民對漁業(yè)政策的遵守程度。但是, 現有研究大多仍集中在修復的生態(tài)意義, 少有涉及修復工作的社會、經濟、文化價值和綜合成本估算(de Groot et al, 2013)。因此, 有必要綜合分析評價珊瑚礁生態(tài)修復的價值。

未來珊瑚礁多維生態(tài)修復技術成果的推廣對修復與保護我國受損珊瑚礁生態(tài)系統具有重要的指導和示范意義, 可為管理部門提供技術服務, 制定生態(tài)系統保護及修復策略, 保障海洋及島礁生態(tài)安全。針對珊瑚礁生態(tài)系統面臨的生態(tài)環(huán)境問題, 應以珊瑚礁生態(tài)系統作為調控單元編制生態(tài)修復總體規(guī)劃, 以恢復海洋生態(tài)服務功能、改善海洋生態(tài)環(huán)境和構建珊瑚礁生態(tài)景觀為目標, 重點開展珊瑚礁生態(tài)系統監(jiān)測及評估、珊瑚礁生態(tài)系統關鍵功能生物繁育技術和多維珊瑚礁生態(tài)系統保護與修復等方面的工作, 具體展望如下。

1) 珊瑚礁生態(tài)系統的監(jiān)測及評估。在珊瑚礁加快開發(fā)利用的背景下, 迫切需要加強珊瑚礁生態(tài)系統環(huán)境監(jiān)測系統能力建設, 建立實時在線監(jiān)控技術; 加強珊瑚礁生態(tài)系統健康評價指標及其體系研究, 建立科學完善的生態(tài)系統健康評估方法, 定期開展生態(tài)系統健康評價和預測, 評估受損珊瑚礁生態(tài)系統修復或治理效果, 指導珊瑚礁生態(tài)系統保護、修復及可持續(xù)利用工作。

2) 發(fā)展珊瑚礁生態(tài)系統關鍵功能生物繁育技術。苗種是生態(tài)系統修復的關鍵及基礎, 急切需要解析關鍵功能生物的繁育、功能及其機理, 建立珊瑚礁生態(tài)系統關鍵功能物種造礁石珊瑚、硨磲貝、大型鈣化海藻的規(guī)?；庇B(yǎng)護、病敵害風險防控技術, 修復受損生態(tài)系統。

3) 珊瑚礁生態(tài)系統的保護與修復。由于珊瑚礁生態(tài)系統修復的理論基礎研究較薄弱, 需加強相關理論研究, 包括系統認知珊瑚礁生態(tài)系統的結構與功能, 解析生物之間的相互作用, 生物與非生物因子之間的關系等建立多維珊瑚礁生態(tài)系統修復的綜合理論體系。突破珊瑚礁基底穩(wěn)固技術和立體重構技術, 建立珊瑚礁生態(tài)修復的框架生物與關鍵功能物種的底播、增殖放流、養(yǎng)護技術體系, 形成多維生態(tài)修復工程模式。

珊瑚礁生態(tài)修復應堅持需求導向、目標導向和問題導向相結合, 堅持生態(tài)優(yōu)先理念, 以“自然保護和自然恢復為主, 人工干預為輔”為原則, 從經濟、社會、文化等多角度綜合分析珊瑚礁生態(tài)修復的成本和價值, 構建基于生態(tài)系統的珊瑚礁綜合管理框架及調控策略體系。此外，還需合理規(guī)劃空間, 有效控制污染, 減少導致珊瑚礁生態(tài)系統退化或損害的影響因子, 維護珊瑚礁生態(tài)環(huán)境健康永續(xù)發(fā)展。

安曉華, 2003. 中國珊瑚礁及其生態(tài)系統綜合分析與研究[D]. 山東: 中國海洋大學. AN XIAOHUA, 2003. Comprehensive analysis of coral reef in China and its ecosystem[D]. Shandong: Ocean University of China (in Chinese with English abstract).

陳剛, 熊仕林, 謝菊娘, 等, 1995. 三亞水域造礁石珊瑚移植試驗研究[J]. 熱帶海洋, 14(3): 51–57. CHEN GANG, XIONG SHILIN, XIE JUNIANG, et al, 1995. A study on the transplantation of reef-building corals in Sanya waters, Hainan province[J]. Tropic Oceanology, 14(3): 51–57 (in Chinese with English abstract).

高永利, 黃暉, 練健生, 等, 2013. 大亞灣造礁石珊瑚移植遷入地的選擇及移植存活率監(jiān)測[J]. 應用海洋學學報, 32(2): 243–249. GAO YONGLI, HUANG HUI, LIAN JIANSHENG, et al, 2013. Recipient site selection and hermatypic corals’ survival rate in Daya Bay, China[J]. Journal of Applied Oceanography, 32(2): 243–249 (in Chinese with English abstract).

姜峰, 陳明茹, 楊圣云, 2011. 福建東山造礁石珊瑚資源現狀及其保護[J]. 資源科學, 33(2): 364–371. JIANG FENG, CHEN MINGRU, YANG SHENGYUN. Investigating the status quo of hermatypic corals resources and its protection in Dongshan water areas, Fujian province[J]. Resources Science, 2011, 33(2): 364–371 (in Chinese with English abstract).

李元超, 黃暉, 董志軍, 等. 2008. 珊瑚礁生態(tài)修復研究進展[J]. 生態(tài)學報, 28(10): 5047–5054. LI YUANCHAO, HUANG HUI, DONG ZHIJUN, et al, 2008. Headway of study on coral reefs ecological restoration[J]. Acta Ecologica Sinica, 28(10): 5047–5054 (in Chinese with English abstract).

李元超, 蘭建新, 鄭新慶, 等. 2014. 西沙趙述島海域珊瑚礁生態(tài)修復效果的初步評估[J]. 應用海洋學學報, 33(3): 348–353. LI YUANCHAO, LAN JIANXIN, ZHENG XINQING, et al, 2014. Preliminary assessment of the coral reef restoration in areas of Zhaoshu Island, Xiasha Islands[J]. Journal of Applied Oceanography, 33(3): 348–353 (in Chinese with English abstract).

覃禎俊, 余克服, 王英輝, 2016. 珊瑚礁生態(tài)修復的理論與實踐[J]. 熱帶地理, 36(1): 80–86. QIN ZHENJUN, YU KEFU, WANG YINGHUI, 2016. Review on ecological restoration theories and practices of coral reefs[J]. Tropical Geography, 36(1): 80–86 (in Chinese with English abstract).

唐陽, 閆玥, 貢小雷, 2017. 基于MICP珊瑚礁生態(tài)修復技術研究[J]. 土工基礎, 31(5): 602–605. TANG YANG, YAN YUE, GONG XIAOLEI, 2017. Coral reef ecological restoration using MICP method[J]. Soil Engineering and Foundation, 31(5): 602–605 (in Chinese with English abstract).

涂志剛, 陳曉慧, 張劍利, 等, 2014. 海南島海岸帶濱海濕地資源現狀與保護對策[J]. 濕地科學與管理, 10(3): 49–52. TU ZHIGANG, CHEN XIAOHUI, ZHANG JIANLI, et al, 2014. Current status of coastal wetland resources in Hainan Island and strategies for protection[J]. Wetland Science & Management, 10(3): 49–52 (in Chinese with English abstract).

王麗榮, 于紅兵, 李翠田, 等, 2018. 海洋生態(tài)系統修復研究進展[J]. 應用海洋學學報, 37(3): 435–446. WANG LIRONG, YU HONGBING, LI CUITIAN, et al, 2018. Progress in marine ecosystem restoration[J]. Journal of Applied Oceanography, 37(3): 435–446 (in Chinese with English abstract).

吳鐘解, 王道儒, 涂志剛, 等, 2011. 西沙生態(tài)監(jiān)控區(qū)造礁石珊瑚退化原因分析[J]. 海洋學報, 33(4): 140–146. WU ZHONGJIE, WANG DAORU, TU ZHIGANG, et al, 2011. The analysis on the reason of hermatypic coral degradation in Xisha[J]. Acta Oceanologica Sinica, 33(4): 140–146 (in Chinese with English abstract).

吳鐘解, 陳石泉, 陳敏, 等, 2013. 海南島造礁石珊瑚資源初步調查與分析[J]. 海洋湖沼通報, (2): 44–50. WU ZHONGJIE, CHEN SHIQUAN, CHEN MIN, et al, 2013. Preliminary survey and analysis of the resources of hermatypic corals in Hainan Island[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, (2): 44–50 (in Chinese with English abstract).

于登攀, 鄒仁林, 黃暉, 1996. 三亞鹿回頭岸礁造礁石珊瑚移植的初步研究[C]//陳宜瑜. 生物多樣性與人類未來——第二屆全國生物多樣性保護與持續(xù)利用研討會論文集. 北京: 中國林業(yè)出版社.

于登攀, 鄒仁林, 1999. 三亞鹿回頭岸礁造礁石珊瑚群落結構的現狀和動態(tài)[M]//馬克平. 中國重點地區(qū)與類型生態(tài)系統多樣性. 杭州: 浙江科學技術出版社: 225–268.

張浴陽, 黃暉, 黃潔英, 等, 2013. 西沙群島珊瑚幼體培育實驗[J]. 海洋開發(fā)與管理, 30(S1): 78–82.

趙煥庭, 王麗榮, 袁家義, 2016. 南海諸島珊瑚礁可持續(xù)發(fā)展[J]. 熱帶地理, 36(1): 55–65. ZHAO HUANTING, WANG LIRONG, YUAN JIAYI, 2016. Sustainable development of the coral reefs in the South China Sea Islands[J]. Tropical Geography, 36(1): 55–65 (in Chinese with English abstract).

周紅英, 姚雪梅, 黎李, 等, 2017. 海南島周邊海域造礁石珊瑚的群落結構及其分布[J]. 生物多樣性, 25(10): 1123–1130. ZHOU HONGYING, YAO XUEMEI, LI LI, et al, 2017. Scleractinian coral community structure and distribution in the coastal waters surrounding Hainan Island[J]. Biodiversity Science, 25(10): 1123–1130 (in Chinese with English abstract).

ABELSON A, OBOLSKI U, REGONIEL P, et al, 2016. Restocking herbivorous fish populations as a social-ecological restoration tool in coral reefs[J]. Frontiers in Marine Science, 3: 138.

BARSHIS D J, LADNER J T, OLIVER T A, et al, 2013. Genomic basis for coral resilience to climate change[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(4): 1387–1392.

BAYRAKTAROV E, SAUNDERS M I, ABDULLAH S, et al, 2016. The cost and feasibility of marine coastal restoration[J]. Ecological Applications, 26(4): 1055–1074.

BENAYAS J M R, NEWTON A C, DIAZ A, et al, 2009. Enhancement of biodiversity and ecosystem services by ecological restoration: a meta-analysis[J]. Science, 325(5944): 1121–1124.

BLAKEWAY D, BYERS M, STODDART J, et al, 2013. Coral colonisation of an artificial reef in a turbid nearshore environment, Dampier Harbour, Western Australia[J]. PLoS One, 8(9): e75281.

BOS A R, GUMANAO G S, MUELLER B, et al, 2013. Management of crown-of-thorns sea star (L.) outbreaks: removal success depends on reef topography and timing within the reproduction cycle[J]. Ocean & Coastal Management, 71: 116–122.

BRANDER L M, REHDANZ K, TOL R S J, et al, 2012. The economic impact of ocean acidification on coral reefs[J]. Climate Change Economics, 3(1): 1250002.

BROWN T, BOURNE D, RODRIGUEZ-LANETTY M, 2013. Transcriptional activation ofandas part of the immune response ofto bacterial challenges[J]. PLoS One, 8(7): e67246.

BRUNO J F, 2014. How do coral reefs recover?[J]. Science, 345(6199): 879–880.

CABAITAN P C, YAP H T, GOMEZ E D, 2015. Performance of single versus mixed coral species for transplantation to restore degraded reefs[J]. Restoration Ecology, 23(4): 349–356.

CECCARELLI D M, LOFFLER Z, BOURNE D G, et al, 2018. Rehabilitation of coral reefs through removal of macroalgae: state of knowledge and considerations for management and implementation[J]. Restoration Ecology, 26(5): 827–838.

CHAN W Y, PEPLOW L M, VAN OPPEN M J H, 2019. Interspecific gamete compatibility and hybrid larval fitness in reef-building corals: implications for coral reef restoration[J]. Scientific Reports, 9(1): 4757.

CLARK S, EDWARDS A J, 1994. Use of artificial reef structures to rehabilitate reef flats degraded by coral mining in the Maldives[J]. Bulletin of Marine Science, 55(2–3): 724–744.

DE’ATH G, FABRICIUS K E, SWEATMAN H, et al, 2012. The 27-year decline of coral cover on the Great Barrier Reef and its causes[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109(44): 17995–17999.

DE GROOT R S, BLIGNAUT J, VAN DER PLOEG S, et al, 2013. Benefits of investing in ecosystem restoration[J]. Conservation Biology, 27(6): 1286–1293.

EDWARDS A J, CLARK S, 1999. Coral transplantation: a useful management tool or misguided meddling?[J]. Marine Pollution Bulletin, 37(8–12): 474–487.

GUEST J R, DIZON R M, EDWARDS A J, et al, 2011. How quickly do fragments of coral “self-attach” after transplantation?[J]. Restoration Ecology, 19(2): 234–242.

GUZMáN H M, 1991. Restoration of coral reefs in Pacific Costa Rica[J]. Conservation Biology, 5(2): 189–194.

HEIN M Y, WILLIS B L, BEEDEN R, et al, 2017. The need for broader ecological and socioeconomic tools to evaluate the effectiveness of coral restoration programs[J]. Restoration Ecology, 25(6): 873–883.

JAAP W C, 2000. Coral reef restoration[J]. Ecological Engineering, 15(3–4): 345–364.

JALEEL A, 2013. The status of the coral reefs and the management approaches: the case of the Maldives[J]. Ocean & Coastal Management, 82: 104–118.

KALY U L, 1995. Experimental test of the effects of methods of attachment and handling on the rapid transplantation of corals[R]. Tech Rep1, CRC Reef Research Centre, Townsville, Australia.

KELLER K, SMITH J A, LOWRY M B, et al, 2017. Multispecies presence and connectivity around a designed artificial reef[J]. Marine and Freshwater Research, 68(8): 1489–1500.

KITTINGER J N, BAMBICO T M, MINTON D, et al, 2016. Restoring ecosystems, restoring community: socioeconomic and cultural dimensions of a community-based coral reef restoration project[J]. Regional Environmental Change, 16(2): 301–313.

MARTINEZ A, CROOK E D, DANIEL J, et al, 2019. Species- specific calcification response of Caribbean corals after 2-year transplantation to a low aragonite saturation submarine spring[J]. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 286(1905): 20190572.

MAYNARD J, VAN HOOIDONK R, HARVELL C D, et al, 2016. Improving marine disease surveillance through sea temperature monitoring, outlooks and projections[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 371(1689): 20150208.

MBIJE N E J, SPANIER E, RINKEVICH B, 2010. Testing the first phase of the ‘gardening concept’ as an applicable tool in restoring denuded reefs in Tanzania[J]. Ecological Engineering, 36(5): 713–721.

NG C S L, TOH T C, CHOU L M, 2017. Artificial reefs as a reef restoration strategy in sediment-affected environments: insights from long-term monitoring[J]. Aquatic Conservation: Marine Freshwater Ecosystems, 27(5): 976–985.

OKUBO N, ONUMA A, 2015. An economic and ecological consideration of commercial coral transplantation to restore the marine ecosystem in Okinawa, Japan[J]. Ecosystem Services, 11: 39–44.

OREN U, BENAYAHU Y, 1997. Transplantation of juvenile corals: a new approach for enhancing colonization of artificial reefs[J]. Marine Biology, 127(3): 499–505.

PALUMBI S R, BARSHIS D J, TRAYLOR-KNOWLES N, et al, 2014. Mechanisms of reef coral resistance to future climate change[J]. Science, 344(6186): 895–898.

PASCAL N, ALLENBACH M, BRATHWAITE A, et al, 2016. Economic valuation of coral reef ecosystem service of coastal protection: a pragmatic approach[J]. Ecosystem Services, 21: 72–80.

RICHMOND R H, HUNTER C L, 1990. Reproduction and recruitment of corals: comparisons among the Caribbean, the Tropical Pacific, and the Red Sea[J]. Marine Ecology Progress Series, 60: 185–203.

RINKEVICH B, 1995. Restoration strategies for coral reefs damaged by recreational activities: the use of sexual and asexual recruits[J]. Restoration Ecology, 3(4): 241–251.

RINKEVICH B, 2005. Conservation of coral reefs through active restoration measures: recent approaches and last decade progress[J]. Environmental Science & Technology, 39(12): 4333–4342.

RINKEVICH B, 2008. Management of coral reefs: we have gone wrong when neglecting active reef restoration[J]. Marine Pollution Bulletin, 56(11): 1821–1824.

RINKEVICH B, 2014. Rebuilding coral reefs: does active reef restoration lead to sustainable reefs?[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability, 7: 28–36.

RINKEVICH B, 2015. Novel tradable instruments in the conservation of coral reefs, based on the coral gardening concept for reef restoration[J]. Journal of Environmental Management, 162: 199–205.

ROGERS A, HARBORNE A R, BROWN C J, et al, 2015. Anticipative management for coral reef ecosystem services in the 21st century[J]. Global Change Biology, 21(2): 504–514.

SHAFIR S, VAN RIJN J, RINKEVICH B, 2001. Nubbing of coral colonies: a novel approach for the development of Inland Broodstocks[J]. Aquarium Sciences and Conservation, 3(1–3): 183–190.

SHAFIR S, VAN RIJN J, RINKEVICH B, 2006. Steps in the construction of underwater coral nursery, an essential component in reef restoration acts[J]. Marine Biology, 149(3): 679–687.

SHAISH L, LEVY G, KATZIR G, et al, 2010. Employing a highly fragmented, weedy coral species in reef restoration[J]. Ecological Engineering, 36(10): 1424–1432.

SILVA R, MENDOZA E, MARI?O-TAPIA I, et al, 2016. An artificial reef improves coastal protection and provides a base for coral recovery[J]. Journal of Coastal Research, 75(S1): 467–471.

SILVERSTEIN R N, CORREA A M S, BAKER A C, 2012. Specificity is rarely absolute in coral-algal symbiosis: implications for coral response to climate change[J]. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 279(1738): 2609–2618.

VAN OPPEN M J H, OLIVER J K, PUTNAM H M, et al, 2015. Building coral reef resilience through assisted evolution[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(8): 2307–2313.

WILLIAMS I D, BAUM J K, HEENAN A, et al, 2015. Human, oceanographic and habitat drivers of central and western Pacific coral reef fish assemblages[J]. PLOS One, 10(4): e0120516.

ZHANG YUYANG, HUANG HUI, HUANG JIEYING, et al, 2016. The effects of four transplantation methods on five coral species at the Sanya Bay[J]. Acta Oceanologica Sinica, 35(10): 88–95.

A review on ecological restoration techniques of coral reefs

LONG Lijuan, YANG Fangfang, WEI Zhangliang

CAS Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China

Coral reefs play vital roles in the construction, protection, and adhesion of reefs, and they protect coastal and national territories as well. Coral reefs have also been considered as tropical rainforests in the marine ecosystem with their abundant biodiversity. More than 200 species of coral reefs exist in the South China Sea; however, some of them have been severely damaged due to natural climate change and human activities in recent years, which threats marine and island safety. Therefore, ecological restoration for coral reef ecosystem is necessary and urgent. In this paper, we summarized the status of coral reefs, technical progress of ecological restoration, and important issues of coral reefs. Furthermore, a novel multidimensional restoration model based on system integrity was proposed and applied in restoring coral reefs, which may provide a new way to restore marine ecosystem.

coral reefs; degeneration; ecological restoration; restoration technology

10.11978/2019066

http://www.jto.ac.cn

P737.2; Q178

A

1009-5470(2019)06-0001-08

2019-06-16;

2019-07-17。

林強編輯

中國科學院重點部署項目(KGZD-EW-609); 中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(A類)(XDA13020000); 中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(A類)(XDA13020203); 國家自然科學基金(41806145); 廣州市科技計劃項目(201707010174)

龍麗娟(1965—), 女, 廣東省肇慶市人, 主要從事海洋生物資源挖掘、功能利用與生態(tài)工程應用研究。E-mail: longlj @scsio.ac.cn

龍麗娟, E-mail: longlj@scsio.ac.cn

2019-06-16;

2019-07-17.

Editor: LIN Qiang

Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences (KGZD-EW-609); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA13020000); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA13020203); National Natural Science Foundation of China (41806145); Science and Technology Program of Guangzhou (201707010174).

LONG Lijuan, E-mail: longlj@scsio.ac.cn