我在南海“种”珊瑚
2018/9/4 7:00:00 科学大院
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“平时潜水，一个氧气瓶可以用40分钟到1个半小时，但干‘海底打锤’这样的力气活时，20分钟就能把一瓶氧气耗尽。”
央视《家园·生态多样性的中国》第一集，展现了中国科学院南海海洋研究所张浴阳老师所在的团队在海底“种植珊瑚”的场景。在海底的工作困难重重，甚至充满危险。但张浴阳不曾退缩，他说，“有我在，就不能让这片海成为‘死海’”。
珊瑚礁的现状有多糟糕？张浴阳老师所在的团队为了改变这一现状又做出了怎样的努力？
全球5亿人生活依赖的珊瑚礁 正在变成白色坟场
2018年5月，夏威夷州颁布针对特定防晒产品的禁令，以期拯救夏威夷濒危的珊瑚礁。
可能有的人会不理解，我不就是擦点防晒霜吗？至于吗？有必要吗？
我想讲讲研究结果和我的个人体验，希望大家能对珊瑚(如非特别说明，此处所指的珊瑚均为造礁石珊瑚)生存的艰难处境有所了解，重视保护珊瑚这件事。
| 面临世纪危机的珊瑚礁
说到珊瑚礁，知名度最高的恐怕就是澳洲大堡礁了。
从照片和视频上可以看到，大堡礁不少多彩繁盛的珊瑚礁已经变成了仅剩白色骨骼的珊瑚“坟场”。
大堡礁珊瑚原本的美丽模样(图片来源：https://speed.ettoday.net/news/901909)
全球变暖后，将近三分之二的大堡礁珊瑚已经白化(图片来源：https://speed.ettoday.net/news/901909)
这个世界上最著名的珊瑚礁，遭受到海水升温的持续影响，在2016和2017年连续出现珊瑚大量白化的事件。2016年，海水升温在大堡礁远北部和北部造成超过26%和67%的珊瑚死亡。大堡礁中部和南部珊瑚死亡率在2016年相对较低，不过它们并未逃过一劫，2017年的白化出现了进一步的恶化，并且对中部的影响更大(ARC Centre of Excellence for Coral Reef Studies)。
ARC Centre of Excellence for Coral Reef Studies
2016年大堡礁的珊瑚白化主要发生在北部，中部和南部的珊瑚礁白化现象较少(图片来源：https://www.aims.gov.au/)
同前一年相比，2017年的大堡礁珊瑚白化主要发生在维度更高的中部
(图片来源：ARC Centre of Exc ellence for Coral Reef Studies)
在纪录片《追逐珊瑚(Chasing Coral)》中，也很直观地展示了大堡礁珊瑚白化的状况，在空中鸟瞰到的一片片白色、粉色或紫色的珊瑚正在宣告死亡的临近，而片子结尾处对世界珊瑚礁大会的记录和来自全球各地珊瑚礁的状况报告更是揭示了珊瑚礁在全球范围内面临海水升温造成的白化威胁。
| 为什么海水升温会造成这么严重的白化问题？
这要从珊瑚的生长环境说起。
珊瑚礁主要分布在南北半球海水平均温度20℃的等温线内，这是由于形成珊瑚礁的造礁石珊瑚对海水水温有着严格要求，多数造礁石珊瑚生活的适宜水温是18-29℃。
放大，我们能看到珊瑚虫的触手和口(图片来源：视觉中国)
过低和过高的水温都会造成造礁石珊瑚的白化和死亡。
由于造礁石珊瑚依赖于体内共生的虫黄藻的光合作用为其提供能量，所以多数的造礁石珊瑚是生活在50米深度以浅的海水中，但有些无虫黄藻共生的非造礁珊瑚生活的深度可达数百甚至上千米。
正是由于虫黄藻和珊瑚虫的共生系统维持了珊瑚的生存和生长。但这个系统又是脆弱的，当海水温度上升超过正常温度3-4℃时，珊瑚与虫黄藻这一对好伙伴就会翻脸，虫黄藻会离开珊瑚虫，而珊瑚则因为缺少虫黄藻提供能量而饿死。
除了温度和深度，海水的盐度、水体内营养物含量、沉积物等因素都会影响造礁石珊瑚的分布，所以想要形成一个珊瑚礁是需要满足许多环境条件，这也是为什么如此广阔的海洋中，珊瑚礁只占据了不到0.2%的面积。
不过莫要小瞧这0.2%的面积，它养育了四分之一的海洋生物种类，近三分之一的海洋鱼类生活在其中，也被称为海洋中的“热带雨林”。
海洋中的“热带雨林”(图片来源：视觉中国)
而除了白化外，珊瑚礁更是时刻遭受着过度捕捞、污染、海岸工程破坏、海水酸化、海平面上升、珊瑚疾病、长棘海星暴发等多种威胁。
长棘海星(图片来源：视觉中国)
| 我国珊瑚礁令人痛心的现状
再以我国的情况为例。
中国科学院南海海洋研究所珊瑚生物学与珊瑚礁生态学学科组与澳洲ARC Centre of Excellence for Coral Reef Studies合作，报道了我国珊瑚礁半个多世纪的变化。
截至2010年，我国广东、广西、海南沿岸的珊瑚礁在过去的30年中由于人类活动破坏和污染导致失去了80%的造礁石珊瑚数量；而南海的珊瑚岛礁尽管没有污染的影响，但由于渔业的过度捕捞和长棘海星的暴发，在近10-15年珊瑚平均覆盖率从60%下滑至20%左右。
在从事珊瑚礁研究的过程中，我亲身经历了这令人痛心的变化。
2009年，我参与了珊瑚生物学与珊瑚礁生态学学科组西沙珊瑚礁调查航次，并进行了科研生涯中的第一次潜水。
由于自小在书中看到的都是“美丽富饶的西沙群岛”，而且虽然从事了珊瑚礁生态方向的研究，在课题组里看到的西沙调查照片(拍摄自2006年)中，也尽是生机勃勃的珊瑚礁，所以在下水前，我心中所想象的都是无尽美景。
然而，期望越大，失望越大。
当亲眼看到水下只有成片的死亡珊瑚骨骼留存于珊瑚礁上，周围荒无“鱼”烟时，那滋味说不出的难受，无异于当头一棒。
游荡在一片死寂与荒凉中，看着满眼的珊瑚骨骼，心中的震惊逐渐被疑惑取代。
为什么西沙的珊瑚礁会在几年内变成如此荒凉的景象，那个“富饶美丽”的西沙群岛怎么就这么消失了？
直到航次的最后，在西沙洲的珊瑚礁上见到成群的长棘海星时，我们才明白造成这一切的罪魁祸首。
那也是我第一次见到长棘海星的暴发和它们如同蝗灾一样对珊瑚礁的破坏。
2006年，西沙珊瑚礁仍然欣欣向荣，各种珊瑚在水下呈现不同形状(图片来源：中国科学院南海研究所)
2009年，许多珊瑚仅存骨骸，碳酸钙骨骼也逐渐在海水和生物侵蚀下坍塌(图片来源：中国科学院南海研究所)
| 如果珊瑚礁消失了，会发生什么？
目前，在全球范围已经有超过一半珊瑚礁出现严重退化，但更严重的问题是，珊瑚礁的退化速度在未来还会加快。
如果人类不采取任何挽救措施，那么依照现在的退化速度，珊瑚礁生态系统可能在本世纪末，就从地球上消失。
珊瑚礁的消失，对人类会有哪些影响？
有人说没有什么影响，至多是少一些旅游景点嘛，毕竟居住在珊瑚礁附近的人不是很多。
这种看法实在大错特错。
实际上，全球有5亿人依赖珊瑚礁生活，从珊瑚礁中获取食物、以珊瑚礁渔业养家、从事珊瑚礁旅游观光工作、依靠珊瑚礁保护自己的家园。如果没有珊瑚礁，他们将失去工作、收入甚至难以获得足够的食物维持生存。
在全球范围内，珊瑚礁为人类提供了价值27000亿美元的服务，其中包括渔业、旅游业、海岸保护、维持生态多样性、药品研制、教育产业等(https://www.iyor2018.org/about-coral-reefs/benefits-of-coral-reefs/)。
甚至，珊瑚礁还同国家领土与主权有密切关系，很多领海基点就是珊瑚礁形成的岛屿，譬如我国的西沙群岛的领海基点均为珊瑚岛礁。
如果珊瑚礁退化，失去保护岛屿的功能，珊瑚岛礁就会在海水侵蚀与海浪和台风的破坏下缩小甚至消失，造成领海面积的缩小。
以西沙群岛举例来说，由于珊瑚礁鱼类以珊瑚作为其家园、产卵地或庇护所，所以西沙珊瑚礁的退化造成了鱼类数量下降，这直接影响到相关渔民和驻岛人员的生活。
自2010年每年对西沙进行珊瑚礁生态调查开始，我们发现，在西沙当地渔民贩卖的渔产品价格一直是快速上涨的趋势，这部分说明了渔获量的下降引起了价格上涨。同时，在与渔民的交流中，也得知了同往年相比渔获量大幅下降的消息。
有一个极端的例子就是西沙的小八爪鱼。2010年，西沙小八爪鱼鱼干的售价是35元/斤，小八爪鱼鲜鱼的售价为15元/斤。但第二年小八爪鱼鲜鱼的售价就涨到30元/斤，而小八爪鱼鱼干则很少在市场上见到，原因是捕捞量下降，鲜鱼已经供不应求，没有多余的留下来晒干了。2011年的时候，我们在西沙已经很少再见到有小八爪鱼售卖了。下水时虽然偶尔能见到小八爪鱼，但数量已经少到无法维持这个市场了。仅仅2年，小八爪鱼就从市场上“消失”了。
渔获的减少不仅影响到渔民收入，还会影响到西沙驻岛渔民与群众的食物构成，一旦失去陆地补给支持，仅靠珊瑚礁现有的渔获，根本难以长期维持岛上的食物需求。
我们是不是应该做些什么？难道就这样坐视美丽的珊瑚礁以及它所创造的珊瑚礁生态，从生机勃勃走向消亡吗？
为了修复珊瑚礁，我们在海底“造林”
目前，在全球范围已经有超过一半珊瑚礁出现严重退化，但更严重的问题是，珊瑚礁的退化速度在未来还会加快。如果人类不采取任何挽救措施，那么依照现在的退化速度，珊瑚礁生态系统可能在本世纪末，就从地球上消失。
珊瑚礁系统的存在，关系到海洋生态，关系到5亿人的生活，我们绝不能坐视它的消失。从大堡礁到西沙群岛，全世界的科学家们，正联合起来解决这场珊瑚大危机。
我们能帮助珊瑚礁恢复吗？能。
我们怎么帮助珊瑚礁恢复？保护+人工修复。
由于珊瑚礁生态系统的退化愈加严重，各国科学家与海洋保护人士也都在积极寻找帮助珊瑚礁恢复的方法和技术。
目前采用的方法主要是分为两大类，一种是保护，通过去除造成珊瑚礁退化的影响因素，如人类破坏、污染、过度捕捞、敌害生物等，让珊瑚礁生态系统的弹性(resilience)自我恢复；另一类是人工修复，通过人为的手段加速与辅助珊瑚礁生态系统的恢复，例如通过移植增加珊瑚数量、培育珊瑚、改善珊瑚礁底质状况等方法。
在实际的操作中，第一类方法更为重要，因为不去除威胁，珊瑚礁做再多的人工修复也无法恢复。
但对于退化严重的珊瑚礁来说，其自我恢复能力衰退，即便实施保护也难以恢复，就需要采用两类方法结合的方式进行修复。
| 首先，我们如何保护珊瑚礁生态？
在保护方面，最主要的是建立珊瑚礁保护区或国家公园，对关键区域进行严格的保护。
澳洲的大堡礁与美国夏威夷均将珊瑚礁海域设立为国家公园，并且划分为不同功能区，对关键区域进行严格保护，部分区域对垂钓等休闲渔业开放。然而，即便如此，在全球变化的影响下，珊瑚礁白化、长棘海星暴发、珊瑚礁疾病等仍然造成了不少珊瑚礁的退化。
我国在这方面起步较晚，尤其在保护区规划、管理珊瑚礁保护方面的政策与法规还未跟上。不过，海南省2017年开始实施的《海南省珊瑚礁和砗磲保护规定》将珊瑚礁的保护推进了一步，严禁对珊瑚礁和砗磲实施破坏行为，更重要的是禁止了珊瑚与砗磲制品的出售、购买、运输、携带、寄递等行为，力图从源头上遏制珊瑚与砗磲工艺品加工对珊瑚礁的破坏。
保护措施还包括控制珊瑚礁沿岸农药使用、减少排污、降低珊瑚礁捕捞强度等。
最后还有一个保护措施，是最重要也最难做到的一个，那就是减少二氧化碳排放，减缓全球变暖，降低珊瑚白化规模和频率。
| 我们又是如何进行人工修复的？
在进行保护的同时，人们还开始进行珊瑚礁的人工修复。
从上个世纪开始，人们就尝试进行珊瑚移植和培育。
日本、以色列、美国是较早开始这方面研究的国家。不过随着东南亚国家对珊瑚礁的重视，从上世纪末，泰国、菲律宾、印度尼西亚也开始了相应的尝试。
珊瑚在移植过程中需要有足够数量的珊瑚用于移植，而严重退化的珊瑚礁往往没有太多的珊瑚可供应，仅依靠采集野外自然环境中的珊瑚可能对珊瑚礁现有珊瑚造成破坏，因此就需要珊瑚的培育来增加珊瑚数量。因此，人工珊瑚培育技术也相应登场。
日本移植的柔枝鹿角珊瑚(Acropora tenuis )生长至成体后(a)，在2015年6月排放出大量珊瑚卵团(b)(图片来源：Zayasu and Shinzato 2016)。
目前各国采用的珊瑚人工培育技术分为两大类，利用珊瑚有性繁殖和无性繁殖的特点进行培育。
前一类是借由珊瑚有性繁殖产生的配子或幼虫进行育幼，发育成幼虫或珊瑚个体后再放归或底播移植到珊瑚礁中。而利用珊瑚无性繁殖技术的培育方法就有些类似农业中的扦插，将珊瑚的断枝在人工环境中或野外条件下培育成珊瑚的成体，再将成体底播移植回珊瑚礁中用于增加珊瑚数量。
两种类别方法的优缺点可见下表。
两种类别的珊瑚培育方法优缺点比较
虽然利用有性繁殖的方法缺点较多，但它的两个优点确是无可替代的。
首先，珊瑚的基因多样性对于珊瑚礁非常重要，是构成珊瑚礁生态系统弹性的重要基础，基因多样性高的珊瑚礁生态系统在面对不同的环境压力时能具有更好的抗性。
其次，一旦突破珊瑚幼体初期死亡率高的难题，就可批量产生大量珊瑚幼体，提高珊瑚培育速率。
不过在当前阶段，利用珊瑚无性繁殖的方法更实际有效，也是绝大多数国家采取的主要方法。
在珊瑚培育领域，日本是最早着力研发经由珊瑚有性繁殖培育珊瑚幼体的技术的国家，并已经将这一技术应用在恢复珊瑚礁生态系统与造岛护礁中。
其中，最受关注的就是他们将培育出的珊瑚幼虫与珊瑚个体运送至冲之鸟礁，用于保护该礁盘免于受海平面上升和海浪侵袭而消失，以维持他们宣称的基于冲之鸟礁的16万平方公里专属经济区海域(https://www.nytimes.com/2014/11/19/business/energy-environment/growing-coral-to-keep-a-sea-claim-above-water.html)。
近两年，澳大利亚也在考虑用人工培育出的珊瑚幼虫放归到珊瑚礁上增加珊瑚数量，以期望加快恢复受白化影响的珊瑚礁。
帕劳、泰国、印度尼西亚等热带国家采用的珊瑚培育多是利用无性繁殖的断枝培育，利用放置在海底的铁架或PVC管架作为珊瑚苗圃，在其上固定珊瑚让其生长。他们选择的区域多是台风影响较小的水域，珊瑚培育用的铁架或PVC管架多直接放在海底，无须特别固定。
而在加勒比海域，除了在海底放置珊瑚苗圃外，TNC(The Nature Conservancy)还利用绳索和浮球在水中建立“珊瑚树”培育珊瑚断枝，从而更加立体的利用海区水体。
TNC在加勒比海的“珊瑚树”培育方法(图片来源：https://curacaotodo.com/)
| 我们在西沙海底“造林”
相较于国外的珊瑚礁和修复工作，大家可能更关心的是我们的南海珊瑚礁和相关修复工作。
目前，西沙珊瑚礁状况不容乐观，退化的珊瑚礁自然恢复能力不足，渔业捕捞压力还未消除，因此在遭受长棘海星破坏后的10年间，珊瑚礁的恢复速度一直非常缓慢，有些区域甚至出现部分“退化—恢复—退化”的反复现象。
为了修复西沙珊瑚礁生态，自2009年后，中科院南海海洋研究所的珊瑚生态学与珊瑚礁生物学学科组就在西沙开始了珊瑚培育与珊瑚移植技术的实验。
在2010-2012年的三年间，对西沙的珊瑚进行了珊瑚幼体培育，获得了数万珊瑚幼体，并放归到西沙的珊瑚礁上。不过由于西沙群岛条件限制，在岛上开展珊瑚人工幼体培育面临重重困难，不易扩大规模。
发育中的珊瑚受精卵(左)与附着后的珊瑚幼体(右)
西沙的水体污染小，珊瑚礁盘广阔，比较适合野外培育，但台风的影响严重，每年都有数个台风直接影响西沙海域。如果采用帕劳、泰国等地区的方法，直接将珊瑚培育苗圃放置在海底，而不施以牢固的稳固方法，一次台风就可造成所有成果付之东流。
在西沙珊瑚礁盘上进行的实验显示，即便采用直径18mm的钢筋做出珊瑚培育的框架，并用30cm长的铁钉将其钉在珊瑚礁盘上，仍然无法承受台风和海浪的袭击。台风过后，一半的铁架都被海浪连同铁钉拔起，甚至有的铁架直接被打散，上面培育的珊瑚也全部丢失。
铁架做成的珊瑚苗圃(左)与台风过后被破坏的铁架(右)
为减少台风与海浪的作用，我们借鉴了TNC的方法，采用绳索、浮球和PVC管架搭建“珊瑚树”，利用绳索和浮球的弹性，削减海浪直接作用在珊瑚断枝上的力量，有效地降低了珊瑚的脱落率。
经过2年多的努力，现在已在七连屿已经形成一小片“珊瑚树”构成的水下“森林”。
虽然“珊瑚树”有以上的优点，但因为它在台风中摇摆幅度较大，鱼线悬挂的珊瑚断枝间也有相互碰撞的情况，所以很多分枝较细、骨骼脆弱和对强烈水流敏感的珊瑚种类不适宜在其上培育，同时形状为团块状、皮壳状与叶状的珊瑚难以用鱼线绑缚，很容易松脱掉落。
为了弥补这个缺点，我们根据西沙的海底情况，研发了浮床式的珊瑚断枝培育苗圃应用于珊瑚礁修复中，作为“珊瑚树”的补充。
在“珊瑚苗圃”上生长的珊瑚断枝在8个月左右可以增长3-5倍的大小。
珊瑚苗圃的制作
浮床式的苗圃安置在贴近海底1-2m的高度，受海浪影响小，能培育多种形状的珊瑚与骨骼脆弱的珊瑚，但它需要4点固定，建立它所需的水下工作量和时间比“珊瑚树”要增加至少一倍以上。
海底“种”珊瑚
当苗圃上的珊瑚生长起来后，每个浮床就宛如一个海底花圃，长满形状各异的珊瑚。
苗圃上生长起来的珊瑚，可以为珊瑚礁生物提供栖息地，特别是在鱼类繁殖期间，可以为稚鱼和幼鱼提供庇护所，同时也为小型肉食鱼类和鱿鱼提供摄食场所，这对于珊瑚礁鱼类数量的恢复也有重要的促进作用。
从培育珊瑚的“珊瑚树”，到浮床苗圃均可以看到大量小鱼生活在其间，苗圃在不经意间起到了人工鱼礁的效果。
不过，培育的珊瑚仅是“暂住”在苗圃上，还需要最后一步才算是真正“落地生根”，那就是移植到珊瑚礁上。
珊瑚的断枝经过数月的培育后，生长至合适大小时(10-20cm)，就需要移植到待修复的珊瑚礁上，用于增加该区域的珊瑚数量。
和培育珊瑚一样，移植珊瑚也需要防备台风的侵扰。
因为移植的珊瑚需要数月的时间才能将其组织和骨骼生长至珊瑚礁上，在生长过程一旦出现移动，珊瑚就需要重新在它同珊瑚礁底质的接触点上构建骨骼和组织。所以，一旦有海浪和台风影响，移植的珊瑚就很难稳固在珊瑚礁上生长，死亡率会大幅上升。
为避免这种情况，我们通过将珊瑚绑缚在死亡的珊瑚骨骼上、用水下胶固定、绑在钉在海底的钉子上等方法，对移植珊瑚进行稳固。
在西沙的珊瑚移植中，我们采用了多种移植方法，取得了不错的成效，移植的珊瑚已经稳固生长在珊瑚礁上，并且个体增长了4-5倍，明年有可能在它们当中出现第一批繁殖的珊瑚(现在还只能说有可能，不能打保票)。
珊瑚苗圃的效果
最后，就像上一篇文章所说的，对于我们每个人来说，虽然不一定有机会去培育或移植珊瑚，但是如果从我们身边的小事做起，也会对珊瑚礁生态的保护起到很大的作用。
首先，拒绝购买珊瑚和砗磲工艺品或纪念品，因为采集珊瑚与砗磲都能对珊瑚礁造成直接破坏。
其次，当我们在珊瑚礁附近的海域游泳、浮潜或潜水时，不要踩踏、摘取、捡拾珊瑚骨骼。
同时，在海中尽量采用物理方式防晒，不要涂抹对珊瑚有害的防晒霜。
暗中安利一下青岛大妈的“脸基尼”(图片来源见水印)
即使不去海边，也一样能保护珊瑚。
生活中，我们可以少用塑料制品，能减少海洋中的塑料污染，减轻珊瑚受塑料垃圾和微塑料的威胁；减少碳排放，减缓全球海水变暖的步伐。
让我们在给珊瑚留下一线生机的同时，也为子孙后代留下一片美丽的海底花园，不要让他们只能从存留的影像中品味这份美。
参考文献:
Hughes TP, Huang H, Young MA (2013) The wicked problem of China's disappearing coral reefs. Conservation Biology 27:261-269
Zayasu Y, Shinzato C (2016) Hope for coral reef rehabilitation: massive synchronous spawning by outplanted corals in Okinawa, Japan. Coral Reefs 35:1295-1295
(Hughes et al. 2013)
本文由科普中国融合创作出品，张浴阳制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌
(文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn)
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