人工生态组件可提升香港等地的海堤生物多样性

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一项由香港城市大学(香港城大)海洋生态学家团队带领的联合研究显示,人工生态组件能够增加香港海堤的生境复杂程度,因此有效提升生物多样性。该项在香港进行的考察实际上是一个环球研究项目的一部分,目的是探究在人造海洋构建物上,生境复杂程度与海洋生物多样性之间的关系。

近期加入了香港城大、新任海洋污染国家重点实验室主任兼环境毒理及化学讲座教授梁美仪教授,带领来自香港大学以及英国、澳洲和新加坡的大学的研究团队,合作在香港进行实验。他们早前将研究成果以〈提供庇护栖地及种植本土双壳贝类可提高垂直海堤的生物多样性〉(Provision of refugia and seeding with native bivalves can enhance biodiversity on vertical seawalls)为题,在科学期刊《海洋污染通报》(《Marine Pollution Bulletin 》)上发表。

沿海发展和填海令全球的直立人工海堤大量增加,以保护海岸线免受海浪冲击、侵蚀和水浸。不过,人工海堤表面平滑,缺乏天然海岸凹凸不平的复杂性,而且退潮时会因曝露于空气中而变得极高温,令许多潮间带的海洋生物,包括属滤食性动物、有助改善水质的牡蛎(即俗称蚝),均难以栖息,导致人工海堤缺乏生物多样性,因而削弱了海岸生态系统。

为了解决上述问题,悉尼海洋科学研究所发起了"世界海港项目"(World Harbour Project),而梁教授的研究正是该国际协作项目的一部分。他带领研究人员,在香港测试人工生态砖块组件(eco-engineered tiles)如何影响沿海生物多样性。那些试验组件是专为"世界海港项目"而特制,结合了"生态"和"工程"的原理,砖块表面粗糙,并布有坑纹和沟槽。研究团队将这些坑纹深度不同的组件,安装在香港大屿山深水角和屯门乐安排的海墙上进行测试。

Eco-engineered tiles
人工生态组件的原貌(左)和置于海堤12个月后(右)的情况,可见有不少生物例如石鳖、海螺及帽贝依附在上面生长。(图片来源:梁教授团队提供)

 

结合"生态"和"工程"的原理

Eco-engineered tiles
有坑纹(左)和没有坑纹(右)的人工生态组件在夏天的温度比较图,可见有坑纹的组件温度较低。(图片来源:梁教授团队提供)

 

研究数据显示,有坑纹的生态砖块相对于比较平滑的海墙甚至是没有坑纹的砖块,在12个月之后承载了更多的物种和更多动物。与没有坑纹的砖块相比,有坑纹的生态砖块上物种数量增加了19%至51%,而动物数量就增加了59%至416%。这些结果显示,组件的坑纹增加了表面的复杂程度,为动物提供遮荫和庇护,同时降低栖息处的温度。研究更发现,藏于深度为2.5厘米或5厘米的坑纹内的物种数量,足足是坑纹与坑纹间突出位置的接近三倍。海螺和帽贝等动物会栖息于较阴凉的坑纹内,令组件上的物种及动物数量都增加。

Eco-engineered tiles
研究团队将牡蛎预先放在人工生态组件上,然后再安装在海墙上。(图片来源:梁教授团队提供)

 

梁教授解释,微藻或细菌等会在生态砖块粗糙的表面上形成一层微生膜(biofilm),于是会吸引素食动物来觅食,继而吸引以素食动物为食物的肉食动物于砖上栖息。同时,由于每块砖均有罅隙及沟槽,为海洋生物提供微栖地;而罅隙及沟槽的阴暗部位于潮退和夏天时,可减低砖面的温度,解决现有海堤过热的问题,于潮涨时则可作保护,免海洋生物被捕猎者捕食。

梁教授说:"这个在香港进行的实验,结果令人鼓舞,清楚显示了透过生态工程能有效增加生境的复杂度,提升海堤的海洋生物多样性。这种生态工程技术可以应用于香港及大湾区所有人工海堤,以提升生物多样性。"

团队又在其中一半的组件,预先放上本地石蚝僧帽牡蛎,然后才安装在海堤上,以测试会否进一步提升海洋生物多样性。他们发现,有坑纹兼预先放上活牡蛎的砖块效果最好。与既没有坑纹亦无预先放上活牡蛎的砖块相比,有坑纹兼已放上活牡蛎的生态砖块上物种数量增加了38%至76%,而动物数量更增加了120%至571%。12个月后,这些预先放上的牡蛎存活状况良好,部分更成为了捕猎者的食物,促进了生态系统健康地运作;预先放上牡蛎的组件更加孕育出新的牡蛎,而且多见于组件的坑纹内。

梁教授在香港土木工程拓展署的支持下,现于马料水、西贡和屯门垂直的海墙和斜式的防波堤对多款人工生态组件(如:砖块、板块、潮汐池、铠装组件和牡蛎壳篮)进行试验。他相信生态工程技术的应用潜力巨大,可以在香港、以至国际上减缓人工海堤带来的负面影响。

生境复杂度对生物多样性影响因地而异

除了在香港,"世界海港项目"的国际专家团队亦把同款的生态砖安装在全球另外13个地方、包括伦敦、悉尼和旧金山的海堤上,进行一年的实验。

他们发现,受惠于生境复杂度的增加,全数地方的生态工程组件上,海洋无脊椎动物的生物多样性均有不同程度的提升。在低纬度或热带的地区,生境的复杂程度对总物种数量和可移动的软件动物(例如腹足动物以及帽贝)数量的影响最大;而在高纬度或亚热带地区,生境复杂程度对固着(sessile,即依附于某固定位置生长)无脊椎动物,例如牡蛎、藤壶和青口的覆盖率影响更大。

值得留意的是,研究发现生境复杂度对个别生物数量的影响,会因为潮位(tidal elevation)和纬度等因素而有所不同,部分地方有极为正面的影响,有些地方并无特别效果,而有地方甚至出现反效果。梁教授进一步说:"这反映为了将生态工程的效益发挥到最大,我们仍需深入了解生境复杂度在不同海域对生物多样性的影响,会如何按特定地点的环境和生物因素而改变。"

梁教授和现为香港城大海洋污染国家重点实验室副研究员的Juan C. Astudillo博士Marine Pollution Bulletin论文的通讯作者。四位第一作者均来自香港大学,其他共同作者则来自斯旺西大学(Swansea University)、塔斯曼尼亚大学、新南威尔士大学以及南洋理工大学。

而梁教授联同其他45位国际专家共同就"世界海港项目"研究发表的论文题为〈关于在海洋设置人工生态组件复杂性与生物多样性关系的全球研究分析〉(〈A global analysis of complexity–biodiversity relationships on marine artificial structures〉),已刊于科学期刊《全球生态和生物地理》(Global Ecology and Biogeography)

Eco-engineered tiles
图为人工生态组件在香港乐安排(上)和深水角(下)的海堤放置12个月后,固着物种于组件上的覆盖百分比。图中的虚线是组件上预先放上牡蛎后的初始覆盖百分比,可见在已有牡蛎的组件(绿色棒)上,固着物种覆盖百分比继续增长。(图片来源:DOI number: 10.1016/j.marpolbul.2020.111578)

 

Eco-engineered tiles
在人工生态组件上找到的不同物种。(图片来源:梁教授团队提供)

 

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梁教授(右二)与他的团队,(左起)罗智超、Thea Bradford、(右一)周嘉乐博士 (Dr Juan C. Astudillo)。(加香港城大研创水印)

 

梁教授于香港城大取得环境科学哲学硕士学位后负笈苏格兰,于当地取得海洋生态毒理学博士学位后,一直从事与海洋相关的研究。他于2020年8月回归母校,正式执掌香港城大海洋污染国家重点实验室。

海洋污染国家重点实验室由香港城大牵头于2009年与香港六家大学共同建立,透过人才交流合作和共享仪器设备去拓展海洋污染相关基础及创新科研。实验室主要科研方向包括:海洋污染监测技术开发、污染物及有害藻类的环境风险评估、海洋生态系统研究、以及污染控制与生态修复方案建立,以保护海洋生态安全。

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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