海洋岛礁开发典型生态系统修复方法研究

苗 青，李海东，佃 柳

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430000)

珊瑚礁是地球上重要的生态景观和人类最重要的资源之一，生物生产力是周围热带海洋的50～100倍，全世界的珊瑚礁仅占世界海洋的四百分之一，却有四分之一的海洋生物生活在珊瑚礁海域，因此珊瑚礁也被誉为“热带海洋沙漠中的绿洲”。海洋岛礁及其周边海域是珊瑚礁典型海洋生态系统发育的依托，珊瑚自身不仅是一个较大的物种群，同时也是海洋鱼类洄游、产卵、越冬和索饵的理想场所。

随着国家对海洋环境保护力度的加大，我国在海洋岛礁开发建设过程中既要肩负起国家海洋战略实施的使命与责任，也要履行海洋生态保护的义务，因此制定合理的岛礁开发战略，将岛礁生态保护和修复纳入岛礁开发总布局之中，坚持开发和保护并重、污染防治和生态修复并举，科学合理开发利用海洋资源，维护岛礁生态系统的稳定性，在开发过程中加强生态保护势在必行。

目前针对海洋岛礁尤其对于珊瑚类典型海洋岛礁的生态系统保护和修复的研究比较匮乏，缺乏可直接利用的经验和手段，也无系统的保护和修复理论研究与工程技术研究成果。在此背景下，开展海洋岛礁开发典型生态系统保护及修复方法研究以服务于国家海洋战略，具有较强的前瞻性和现实意义。

1 海洋岛礁开发活动对岛礁生态系统的影响分析

珊瑚自身是重要的海洋物种，以珊瑚礁作为栖息地的海洋生物生活在珊瑚礁提供的理想生境中，因此珊瑚是维系珊瑚礁生态系统的重要指示生物，保护和修复珊瑚礁也是保护和修复珊瑚礁生态系统。

海洋岛礁开发方式主要分为填海造地、构筑物建设、围海开发、开放式开发等。开发活动对海洋岛礁影响的环境因素可以分为海水水质、海洋水文动力环境、海洋生态和生物环境资源三类。海水水质主要包括温度、盐度、pH值和水溶性物质、混浊度；海洋水文动力环境主要包括水深、水流、潮汐、波浪；海洋生态和生物环境资源主要包括微生物、其他动植物。海洋岛礁开发活动对岛礁生态系统的主要影响途径是水下施工对造礁石珊瑚及其所在海域的水质和局部海洋水文动力因素等产生影响，并直接或间接影响珊瑚礁生态系统的生存环境。

珊瑚类海洋岛礁开发对珊瑚礁的直接影响主要为占用珊瑚礁，特别是直接占用礁体生长带。在珊瑚礁附近建设构筑物而改变珊瑚礁附近的水文条件以及施工产生的悬浮泥沙影响共生虫黄藻的光合作用对珊瑚礁产生间接影响。珊瑚需要阳光进行快速的钙化，当水下施工产生的大量悬浮物(SS)增加水的浊度时，会抑制共生虫黄藻的光合作用，降低珊瑚的生长率；堵塞呼吸通道，抑制珊瑚的呼吸作用；同时，也会因珊瑚将能量用于清除覆盖其表面的沉积物而生长减缓。另外，泥沙沉积还通过改变造礁石珊瑚群体的生长形态、大小，降低生长率等导致珊瑚群落结构发生变化[1]。粒径小于125 μm的悬浮泥沙沉积物对珊瑚礁产生的危害最大，而施工过程中产生的悬浮物泥沙粒径基本小于125 μm。根据多项研究，虽然不同种类的珊瑚共生虫黄藻对水体混浊度的耐受能力不同，但其所受影响随混浊度的增加而加强，珊瑚在高混浊度水体中白化速度较快[2-3]。水下施工产生的悬浮物(SS)增加是珊瑚岛礁开发对珊瑚礁扰动的重要影响因素。因此，珊瑚岛礁开发需重点关注混浊度(光照)、水文条件(水深、水流、潮汐和波浪)对珊瑚礁的影响(表1)。

表1 岛礁开发活动中各开发方式对生态系统的扰动识别表

2 海洋岛礁开发典型生态系统保护和修复

海洋岛礁生态修复可以分为生境修复和生物修复，生境修复主要通过建设水文构筑物或重建生长基底恢复生境；生物修复主要通过自然或人工措施恢复和重建受损生物[4]。珊瑚礁的修复既是对海洋生物的生境修复，也是对珊瑚礁本身的生物修复。

通常，海洋生物有规避危险和不利环境的能力，当珊瑚礁遭到破坏后，以珊瑚礁为基础的生态系统也会发生变化。因此，目前对于海洋岛礁生态系统的修复，无论是生境修复还是生物修复，仍考虑以对珊瑚礁的修复为主。

海洋岛礁的开发应优先以保护珊瑚礁为主，以减少对珊瑚礁生态系统的影响和破坏，优先采取不占用或少占用珊瑚岛礁，特别是不占用造礁石珊瑚方案；采取措施以避免对珊瑚礁扰动，保护珊瑚礁生态环境。当工程不得不占用造礁石珊瑚时，应采取珊瑚礁修复措施。

海洋岛礁典型生态系统保护和修复主要划分为五个阶段：工程影响初步判定、海域环境调查、生态系统保护和修复方案论证、施工策划和修复验收。工程影响初步判定、海域环境调查、生态系统保护和修复方案论证主要在工程可行性研究和设计阶段开展，以珊瑚礁生态系统保护为优先，整体关注的是海洋岛礁开发活动的可行性；施工策划重点关注施工期对珊瑚礁的保护措施；修复验收重点关注海洋岛礁生态系统的恢复效果。

2.1 工程影响初步判定

(1)初步判别岛礁开发工程是否在海洋保护区范围内。对划定为国家级、省级珊瑚礁保护区的岛礁应慎重开发。(2)识别岛礁开发工程类型并比选占用海洋岛礁的形式，尽量选用不占或少占海洋岛礁的方案。岛礁开发不可避免地要经过珊瑚丛生带时，应尽量避免设围堰工程，以保留珊瑚丛生带。(3)根据表1初步识别岛礁开发工程对珊瑚礁生态系统的扰动影响。

2.2 海域环境调查

2.2.1 资料收集

(1)政府规划资料或行政许可资料。主要包括：海岛所在地的权属情况，包括所有权和使用权；海岛涉及的地方管理部门的意见。

(2)珊瑚礁基本信息。岛礁开发工程附近是否存在珊瑚礁自然保护区，如存在，需收集保护区坐标范围和保护区管理部门的管理要求等信息。

2.2.2 珊瑚礁覆盖情况初步判别

具体调查方法为定性调查与定量调查相结合。调查人员重复潜入水底2～3次，游动50 m距离，如果没有珊瑚或仅仅见极少量的造礁石珊瑚零星分布，则认为此站位的珊瑚覆盖率小于1%，对于没有造礁石珊瑚分布或造礁石珊瑚覆盖率小于1%的站位不进行录像样带法调查，只做定性描述。如果有较多的造礁石珊瑚分布，则采用断面线监测法[5]。调查区一般选择造礁石珊瑚覆盖率较高的海域。

2.2.3 珊瑚礁调查

(1)珊瑚礁调查。

珊瑚礁调查采用断面线监测法[5]，调查的主要要素为活珊瑚种类及覆盖度、底质类型、珊瑚规格、硬珊瑚死亡率、病害、硬珊瑚补充量、大型底栖藻类及海胆等。

(2)岛礁周边海域基本信息调查。

海域水环境现状调查包括水深、水温、盐度、pH、透明度、叶绿素a、溶解氧(DO)、悬浮物(SS)、亚硝酸盐、硝酸盐、氨、无机磷、活性磷酸盐、油类以及重金属含量等。海洋沉积物现状调查包括石油类、镉、铅、铜、铬、锌、砷、硫化物和有机碳等。海洋生态现状调查包括浮游植物、浮游动物、底栖生物、游泳动物、潮间带生物及重要鱼类等。海洋水文现状调查包括潮位、流速、流向、泥沙和地形资料等。

海水水质、沉积物、海洋生物及海洋水文的现场调查与监测均参照《海洋调查规范》、《海洋监测规范》和《海洋监测技术规程》等标准进行。

2.3 海洋岛礁生态系统保护和修复方案论证

2.3.1 海洋岛礁生态系统保护和修复方案论证

珊瑚礁修复是协助已经受损或破坏的生态系统恢复的过程。这是人工协助自然恢复的过程，可能是间接的措施，也可能是直接的干预。一个没有受物理损伤的健康珊瑚礁生态系统，受影响后可能自己恢复到扰动前的状态。在这种条件下，顺其自然也能达到恢复的目标。但是如果珊瑚礁生态系统受损面积较大，主动恢复结合管理措施，才能使珊瑚礁生态系统恢复到一个比较理想的状态。

决定能否进行生态恢复的重要因子应该是当地的环境状况。根据珊瑚礁受损区域的大小和工程建设前后海域水文、水质、生态群落和基底等改变情况，选择生态恢复的方向：

(1)珊瑚礁仅因占用而受损，且受损面积较小，根据工程建设前后监测对比，周围水文、水质、生态群落和基底等状况总体不发生改变，恢复没有物理阻碍，则可选择原地自然恢复方案，受损区域可能在5～10 a内自然恢复[6]；

(2)珊瑚礁被占用，周围水文、水质、生态群落和基底等状况虽有改变，但总体环境仍适合珊瑚礁的生长，且附近海域有足够的珊瑚幼虫补充，则可考虑原地修复方案；

(3)珊瑚礁受损面积占整个海域珊瑚礁的比例较大，且周围水文、水质、生态群落和基底等状况已不适合珊瑚礁的生长，则可考虑在其他有珊瑚礁生长的海域进行异地修复方案，异地修复需评估移植修复区的水文、水质、生态和基底等状况。

工程如占用珊瑚岛礁，特别是占用礁体生长带，则需评估环境的可接受程度及珊瑚礁恢复的可行性。根据收集或实地测量的海洋水文资料和地形资料建立数学模型或物理模型，针对工程建设后的海洋水文动力环境、冲淤环境和海水水质等各特征影响因子进行预测，如可以恢复到工程未实施时的水文和水质条件，则可将原地修复作为首要选择。若选定的移植修复区基本不受施工影响，可将工程区域的珊瑚礁直接移植至修复区；若选定的移植修复区受施工影响，则先采用园艺式养殖、养殖箱培养等方式进行保存，等工程施工结束后再将培养保存的珊瑚移植至修复区。进行珊瑚修复前，应先选择修复区部分海域作为修复试点。

如工程建设后的海洋水文动力环境、冲淤环境和海水水质等各特征影响因子与工程建设前相比改变较大，则选择异地修复。珊瑚礁异地修复的条件是珊瑚礁受损区域较大或将被全部损坏，附近将没有大量的活珊瑚礁以提供共生虫黄藻，需在其他相邻的活珊瑚礁海域选择合适的移植区。异地修复工作需在施工前开展。

原地修复和异地修复方案中，园艺式养殖、养殖箱培养等是提供和保存珊瑚移植对象的相对有效途径；人工礁基则是协助珊瑚建立发育基底的重要手段；营造和维持适于珊瑚生长的环境有助于提高珊瑚礁生态修复成效。借助水流扩散、幼虫附着和变态行为的化学诱导、微地形对幼虫附着的帮助等可促进珊瑚浮浪幼虫的传播和存活[7]。七洲列岛造礁石覆盖率为22.70%，补充量为1.50 ind./m2[8]，2012年调查表明晋卿岛的造礁石补充量非常高，平均可达4.2 ind./m2，局部甚至达到了6.4 ind./m2。在南海诸岛有正常珊瑚幼虫补充的珊瑚礁中，珊瑚群落可以自行恢复[9]。

2.3.2 海洋岛礁生态系统保护和修复措施

海洋岛礁生态系统的修复主要需考虑修复区域水文、水质、基底和生态群落等方面是否适合进行珊瑚礁修复，但水文、水质状况在工程施工结束后已基本稳定，人工干预不仅成本高，且收效不大，仅适合作为珊瑚礁恢复地点选择的环境因子指征，不适合作为人工干预的措施。

目前，海洋岛礁生态系统修复措施主要有：珊瑚礁局部修补、活珊瑚移植、补充活珊瑚虫、投放珊瑚礁基等，必要时采取放流以底栖海藻为食的鱼类等生物群落恢复措施。珊瑚移植是珊瑚类海洋岛礁生态系统修复的重要技术手段[7]，可通过对移植后的珊瑚进行损伤组织修补、重建免疫系统，改变共生体虫黄藻系群结构等以增强移植珊瑚适应新环境的能力，迅速恢复珊瑚礁受损区域的珊瑚覆盖，对于海洋岛礁生态系统恢复具有积极作用。

活珊瑚移植、补充活珊瑚虫、投放珊瑚礁基和放流鱼类虽然均是人工干预修复生态系统的措施，但能帮助珊瑚礁生态系统进行自我恢复，促使珊瑚礁修复取得良好的效果。同时，生态群落恢复是一个长期的过程，在珊瑚礁的恢复过程中可跟踪监测，依据整体生态恢复的效果和藻类生长情况评估是否要采取生物群落恢复措施(如采取鱼类放流等)。

珊瑚礁移植主要包含人工礁基制作以及珊瑚采集、保存和移植。

(1)珊瑚礁典型人工礁基制作方法。

珊瑚礁生长的好坏与基底有着密切关系。较硬的基底，如基岩、礁块及砾石等均是珊瑚生长的良好条件，而松散的基底如沙泥或泥，珊瑚则难以生长[10]。可建立人工礁基进行珊瑚礁移植，国内外已经对各种材质和形状的礁基进行了大量研究，具有在工程中应用的基础。

人工礁基是一个稳定、抗风浪的庇护结构，具有栖息地的功能[11]，促使珊瑚的附着、生长和繁殖。但人工礁体中底栖海藻易于快速繁殖，抢占珊瑚的生存空间，影响珊瑚的生长，抑制幼虫补充。底栖海藻的快速繁殖，使得人工礁基中的珊瑚群落产生更替，影响珊瑚礁生态修复的效果。放流以底栖海藻为食的鱼类可降低这些海藻的覆盖度，从而帮助珊瑚的附着和生长。异地移植时，投放珊瑚礁基后应定期跟踪观察珊瑚的生长状况，关注相关生态因子的平衡。

珊瑚礁典型人工礁基制作方法主要包括固定移植法、悬浮移植法和礁基法，各移植方法适用条件、参考制作方法和投放方式见表2。

表2 珊瑚礁典型人工礁基制作方法

(2)珊瑚采集、保存和移植。

随着对珊瑚研究的深入，有助于更有效地利用珊瑚碎片，并设计更有效的珊瑚移植策略。珊瑚的采集方式主要有：采摘供体珊瑚，并将整个供体珊瑚移植到恢复区域；将枝状珊瑚的片段移植到恢复区域；将块状珊瑚的碎片移植到恢复区域。

珊瑚礁采集、保存和移植步骤主要有：

①对工程占用区内的活珊瑚进行定位和标记并估算移植珊瑚的总重量，根据所采用的移植方法估算礁基数量和所占面积。例如：将茂盛的珊瑚枝丛(覆盖率85%～95%)完全采摘，1 m2将可得到70 kg的活珊瑚。如果按10%的覆盖率水平放置，这些珊瑚可覆盖30 m2[14]。

②采集珊瑚前完成礁基的制作，并运输至移植修复区。

③采集时挑选直径大于15 cm的健康珊瑚作为母体，用锤子和凿子将整个珊瑚母体小心敲下后放置于船上的塑料桶中，在2 h内运输至移植修复区。研究显示，4 cm的长度对鹿角珊瑚的移植来说是最合适的，同时新的枝杈会在珊瑚片段的切口处生长起来，所以比较长的珊瑚应该切割以提供更多的切口。

④珊瑚母体在船上用凿子凿成所需大小的珊瑚断枝，并放入浸泡在海水中的塑料筐中。在船只到达移植地后将盛有珊瑚断枝的塑料框放入海水中，并马上开始进行珊瑚移植。

⑤当天采集的珊瑚应当天完成移植工作。

2.4 施工策划

在施工阶段做好施工策划，尽可能减少施工对珊瑚岛礁的影响至关重要。

(1)可在珊瑚礁顶上低潮干出、基本上不长造礁石珊瑚的外礁坪和低潮时局部积水浅薄、造礁石珊瑚生长稀疏的内礁坪上划出一定造陆范围，并建造围堰以控制悬浮物扩散，再进行吹填。如岛礁开发过程中不适合设置围堰以致可能会影响附近海域健康的造礁石珊瑚时，应结合附近洋流制定详尽的施工计划，同时避免在同一施工地点连续3 d以上施工作业。

(2)岛礁开发在填海造地时可结合疏浚的需要，采用机械疏浚吹填，从附近礁坪、礁塘或泻湖挖取砂石，向围堰内吹填堆高，人工模拟由礁坪演变成灰沙岛的自然形成过程。

(3)选择合适的吹填料。泥沙易沉积在珊瑚表面不易被水流冲刷而堵塞呼吸通道，抑制珊瑚的呼吸作用；大块碎石可能会使珊瑚礁受损，因此推荐采用粗砂进行吹填。

(4)施工避开造礁石珊瑚生长的高峰期和主要经济鱼类的产卵期。

2.5 修复验收

(1)结合《近岸海洋生态系统健康评价指南》(HY/T 087-2005)，筛选珊瑚礁生态系统的健康评价指标，对海洋岛礁生态系统修复进行验收，并对生态系统健康状况进行评价。

珊瑚礁生态系统健康评价是近期生态与环境领域研究热点之一，国内采用《近岸海洋生态系统健康评价指南》(HY/T 087-2005)作为珊瑚礁生态系统健康评价的行业标准，但此方法周期为5 a[15]，不能快速获得珊瑚礁生态系统的健康状况。多项研究结合《近岸海洋生态系统健康评价指南》(HY/T 087-2005)，筛选造礁石珊瑚覆盖率、死珊瑚覆盖率、大型藻类和大型底栖生物等生物指标作为珊瑚礁生态系统的健康评价指标，构建评价指标体系，采用权重法综合得出珊瑚礁生态系统健康状况[16-17]。施工结束后，海洋岛礁生态系统修复可结合最新的行业标准和研究成果进行验收。

(2)可在珊瑚礁移植恢复区设立海洋观测和研究站点，监测珊瑚补充量、海洋生物量等，持续关注海洋岛礁生态系统恢复效果，并采用行业标准定期开展海洋岛礁生态系统健康评价工作。

3 结论

(1)海洋岛礁以珊瑚类典型海洋岛礁为主，开发方式主要分为填海造地、构筑物建设、围海开发、开放式开发等，开发活动对海洋岛礁影响的环境因素可以分为海水水质、海洋水文动力环境、海洋生态和生物环境资源三类。珊瑚类海洋岛礁开发对珊瑚礁的影响主要为占用珊瑚礁，在珊瑚礁附近建设构筑物而改变造礁石珊瑚附近的水文条件以及施工产生的悬浮泥沙对共生虫黄藻的光合作用的影响。

(2)海洋岛礁生态修复可以分为生境修复和生物修复，珊瑚礁的修复既是对海洋生物的生境修复，也是对珊瑚礁本身的生物修复。海洋岛礁典型生态系统保护和修复可划分为五个阶段：工程影响初步判定、海域环境调查、生态系统保护和修复方案论证、施工策划和修复验收。

(3)海洋岛礁生态修复应在调查珊瑚礁以及岛礁周边海域水环境、生态环境和水文环境的基础上，根据珊瑚礁受损区域的大小和工程建设前后海域水文、水质、生态群落和基底等改变情况，将生态系统保护和修复分为自然恢复、原地修复和异地修复三个方向。

(4)珊瑚移植、补充活珊瑚虫、投放珊瑚礁基和放流鱼类均是人工干预修复生态系统的措施，珊瑚移植是珊瑚类海洋岛礁生态系统修复的重要技术手段，建立人工礁基可在珊瑚适合生长区为珊瑚生长提供稳定、抗风浪的庇护结构，促使珊瑚的附着、生长和繁殖。

(5)施工策划重点关注施工期对珊瑚礁的保护措施，施工时避免在珊瑚生长区设置围堰、采用粗砂吹填等，在施工结束后应持续监测海洋岛礁生态系统的恢复效果。