利用自然平流期无网释放珊瑚幼体实现可扩展的珊瑚礁修复：招募效果与有网约束相当

本研究通过对比无网自由释放与网约束方法，在自然平流期进行珊瑚幼体增殖，发现尽管初始附着量存在差异，但长期招募密度相似，证明利用水动力窗口可突破珊瑚修复的尺度限制（RRAP），为公顷级生态修复提供新策略。

　　

引言

沿海海洋生态系统，包括珊瑚礁、海草床、海藻林和牡蛎礁，通过渔业和旅游提供经济价值，支持文化传统和生计，并维持生物多样性和气候调节功能。然而，由于热浪、疾病爆发和热带气旋等压力因素的加剧，这些生态系统的退化正在加速，三分之一到一半的海洋栖息地已经退化或丧失。这种惊人的衰退表明，仅靠保护是不够的，需要采取主动干预措施促进早期恢复和修复。

尽管存在新的修复技术，但大多数操作仍局限于小空间尺度（即≤2公顷），其可行性受到质疑。使用繁殖体直接重新播种受损栖息地已被证明可有效重建栖息地形成生物（如红树林、海草、海藻和底栖无脊椎动物）的种群。这种方法将繁殖体引入海底，提供了一种可扩展、低影响和成本效益高的方法来恢复生物多样性。

在珊瑚礁上，大规模幼体投放的概念已被提出，并在退化栖息地的小尺度上证明可有效恢复珊瑚的繁殖种群。然而，其在公顷尺度上的成功尚未得到证明，部分原因在于控制珊瑚幼体从供应到附着过渡的机制尚未完全理解。

珊瑚幼体在具备附着能力时游泳能力较差，因此水动力条件强烈影响其扩散和从浮游到底栖栖息地的过渡。在浅珊瑚礁系统周围的观察和模型显示，水运动模式可导致局部幼体滞留。海湾、海盆和入口可滞留幼体团超过24小时，促进自我补充。然而，大多数礁石缺乏这种滞留期，并经历交替的快速和平流潮流。这些平流潮流是潮汐过渡期间发生的 minimal 水运动时期，在许多 Indo-Pacific 礁石上持续1-3小时。在快速流动期间，幼体无法逆流游泳，而平流潮流可能通过促进幼体在边界层中的滞留来增强其向海底的过渡。然而，短暂的平流期是否支持有意义的幼体附着仍不清楚。

在幼体增强研究中，为了将幼体保留在目标礁区，应用网或帐篷约束幼体超过48小时。虽然这些研究旨在实验尺度上允许重复和假设检验，但由于在水下部署和维护网的物流挑战，对物理围栏的依赖将干预区域限制在<100平方米。调查动态礁系统中自然发生的平流期（<3小时）是否支持幼体的局部滞留尚未经过实验测试，但代表了扩大基于幼体的珊瑚修复的关键一步。

幼体在礁石上附着后，生物物理和生态过程控制其生存、生长和补充。从附着到1年龄，这些过程已得到充分研究。珊瑚在促进性基质附近附着或隐蔽的微生境中以躲避捕食者和/或沉积作用。幼体可能群聚附着，增强亲属间的融合并形成嵌合体，从而提高生长和生存。然而，高附着者密度会加剧竞争并吸引捕食者，增加死亡率。这引发负密度依赖性生存，将种群稳定在承载能力。非生物因素，包括沉积、微生境复杂性、水流和光照，也塑造补充模式。

调节珊瑚早期生命阶段（从幼体到1年龄幼体）的过程使用附着瓦片而非礁底质代理进行研究，因为补充体非常小。然而，瓦片可能由于材料、结构、取向和调节的偏差而难以代表自然礁微生境。尽管基于瓦片的补充数据作为代理，但它们被参数化到生态模型中并外推至生态系统过程。自然礁底质上的补充模式由于早期阶段补充体的微尺度而难以量化。宏观摄影测量提供了评估自然礁底质上补充、生长和附着后生存的宝贵方法。了解从幼体到幼体阶段的这些生命率至关重要，因为这个隐蔽阶段驱动恢复，并且是珊瑚礁修复和基于恢复的管理焦点。

方法

本研究在蜥蜴岛西北侧的一个岸礁上进行，这是一个位于大堡礁北部的 mid-shelf 礁。该地点具有约20%的珊瑚覆盖率，结构复杂，底质稀疏地被竞争者如 Lobophora spp. 或殖民无脊椎动物 colonized。2022年12月10日，在产卵后几小时，从以 Acropora 为主的礁坡 between Palfrey and South Island 收集了珊瑚产卵浮油。使用150微米网池勺收集配子和胚胎，并转移到船上的250升收集桶中。配子和胚胎被放入一个4米×4米的幼体池中，带有3米×3米的网用于培养，锚定在蜥蜴岛东南泻湖的 sheltered 区域，水深约10米。珊瑚幼体培养5天，直到>50%具备附着能力，通过环境温度下的 metamorphosis 测定评估。12月15日，5.5天大的幼体被浓缩并转移到250升容器中。然后，取5份15毫升样品用于幼体密度估计。浓缩的幼体培养被分成大致相等的体积，每份约50,000幼体。样品被转移到5升食品级塑料袋中，填充医用氧气，并在遮荫的32升容器中储存1小时，然后运输到实验地点。

建立了15个实验样地（1.5米×1.5米），沿50米 transect 在5米深度，遵循礁石的等高线。每个选定的样地具有低丰度的活珊瑚群落和高覆盖的可用底质用于附着，并用镀锌甲板钉在对角端标记。四种幼体约束处理（见实验1和2）被随机分配给12个样地，每个处理3个重复。建立了三个对照样地，大约在上游300米。一个 tilt current meter 监测水流约10天。预处理的5厘米×5厘米×1厘米 travertine 石灰石附着瓦片在礁石上调节约2个月，在1天前准备。每个瓦片组装在一个不锈钢螺栓上，下面固定一个鸟带。不锈钢底板带有焊接螺母，钉在底质上，然后瓦片被固定在底板上。部署瓦片（每样地6-8个）后，1.5米×1.5米的150微米浮游生物网围栏安装在样地上，并使用帐篷钉和链环固定。每个围栏有一个拉链顶部部分。围栏在幼体释放前保持开放。2022年12月15日，大约在幼体增强前20分钟，围栏被关闭。具备附着能力的幼体在平流条件下30分钟内被输送到每个样地。

实验1调查了自由释放与约束时间对珊瑚附着和长期补充的影响。9个样地各接收100,000幼体（约44,000幼体/立方米）：3个自由释放样地（在平流潮流=0.01米/秒，持续约2.5小时），3个2.5小时网约束样地，和3个24小时网约束样地。对于自由释放样地，幼体在平流期期间分散在底质上方约30厘米处。这种保守方法是由于幼体可用性有限，并为了最小化在较高流动条件下从实验样地扩散的风险。增强后，潜水员离开该区域以最小化礁石附近的局部湍流。2.5和24小时后，网样地的拉链被打开并留在现场。

实验2调查了幼体密度对珊瑚附着和补充的影响。另一个幼体密度处理在额外的2.5小时网约束样地中测试，使用50,000幼体（约22,000幼体/立方米，n=3），并与实验1中的100,000幼体（约44,000幼体/立方米，n=3）处理进行比较。对照网样地（n=3）没有幼体，在幼体增强期间保持关闭，并在2.5小时后打开。

这些实验无法进一步重复，因为来自同一 cohort 的具备附着能力幼体有限。

珊瑚附着和补充在瓦片上的监测

附着瓦片在48小时后从每个样地收集并放入篮子中。瓦片在立体显微镜下检查，计数所有表面的珊瑚附着者。顶面和底面使用索尼α7R IV相机和LAOWA 24毫米f/14 2X Macro Probe镜头拍摄。瓦片在第二天返回样地进行监测。观察在幼体增强后66、255和455天进行。在每个时间点，瓦片在立体显微镜下检查，顶面和底面重新拍摄。对于66天监测，使用与初始附着监测相同的相机设置。对于255和455天监测，瓦片在现场使用奥林巴斯TG6（12MP）数码相机在奥林巴斯PT-059 housing 中拍摄，带有3,000流明LED环灯（Kraken Weefine）安装在物镜周围。

图像分析跟踪了附着者位置和大小随时间的变化，区分了 seeded 和自然附着者，并评估了嵌合率。Python工作流程裁剪、编辑和标记了跨时间点的瓦片照片。使用CVAT中的多边形工具注释补充体。注释文件使用Python处理，其中补充体多边形根据在瓦片网格内的位置随时间分类为 alive、dead、natural recruit 或 chimera。当在后续监测时间点在一个补充体的 perimeter 内发现多个补充体时，确定嵌合现象。

自然底质上的珊瑚补充

实验3旨在比较从66天附着后起，附着瓦片与相邻自然底质的补充估计。为了评估自然礁底质上的珊瑚补充，我们应用宏观摄影测量来量化两个约束处理中的珊瑚补充体。调查集中在长期约束处理（2.5和24小时网约束，44,000幼体/立方米），因为对所有处理进行连续采样不可行。宏观摄影用于捕获平均570平方厘米区域内的礁底质，由沿0.5米样方对角线放置的两个甲板钉标记。每个样方（每2.25平方米样地1-2个）位于每个六个实验样地内的可用底质上。设备包括索尼α7R IV相机带索尼90毫米FE Macro G OSS镜头，在SeaFrogs housing 中带67毫米螺纹平 port。为了照明，一个LED环灯固定在 port 周围，四个2000流明水下灯（Scubalamp PV22）使用柔性臂安装在PVC样方上。图像使用Affinity Photo软件批量编辑。遵循Gouezo等人的宏观摄影测量工作流程，3D重建使用Agisoft Metashape在CSIRO高性能计算机上处理。珊瑚补充体，小至0.5-1毫米最大直径，通过彻底检查Metashape内的高分辨率源图像进行识别，通过标记它们在3D模型上的位置进行地理参考，并测量以量化其面积和跟踪随时间生存和生长。尽管该方法在附着后2-3天应用，但对最小钙化的新附着珊瑚的检测在高分辨率图像上不够敏感；因此，仅呈现从66天起的数据。

数据分析

由于补充主要由 acroporids 主导，因为它们在提供的幼体组合中占主导地位，以下分析排除了 merulinids（n=2）、pocilloporids（n=8）和其他补充体（n=2）的数据。

幼体增强约束对珊瑚补充的影响（目标1）

为了评估幼体约束对珊瑚附着的影响，瓦片上2-3天大的附着者计数被建模为处理（四个水平：对照、自由释放、2.5小时约束、24小时约束）的函数，使用广义线性混合效应模型（GLMM）与负二项分布，包括样地作为随机项。对照瓦片从66天起有零附着者，因此从后续分析中移除，该分析将补充体计数建模为处理（三个水平：自由释放、2.5小时约束、24小时约束）、附着后天数（四个水平：2、66、255、455）及其相互作用的函数，使用相同的GLMM来探索幼体增强处理随时间的影响。

为了测试幼体约束处理影响瓦片上补充体生存随时间变化，补充体状态（alive、dead）被建模为每个时间段（2-66、66-255和255-455天）处理的函数，使用GLMM与二项（Bernoulli）分布，包括瓦片和样地作为随机效应。绘制了每个时间段的平均比例生存和累积比例生存以可视化发现。

幼体增强密度对珊瑚补充的影响（目标2）

对于实验2，采用相同的分析方法，我们调查了在2.5小时约束内幼体密度（三个水平：0幼体/立方米、22,000幼体/立方米、44,000幼体/立方米）对瓦片上珊瑚补充体计数和生存的影响。

底质对珊瑚补充的影响（目标3）

在两个幼体增强处理（2.5和24小时约束，44,000幼体/立方米）中，量化了瓦片和自然礁底质上的补充、附着后生存和生长。我们使用LMM测试了处理之间补充体计数的显著差异，处理和时间作为固定效应，采样面积（对数转换）作为偏移。由于未发现幼体约束对任一底质或瓦片上的珊瑚补充体计数有显著影响，样本被合并用于后续分析。

补充体计数被建模为底质类型（瓦片、礁石）、时间及其相互作用的函数，采样面积（对数转换）作为偏移变量，调查样地作为随机效应，使用GLMM与负二项分布。礁石样本（150-1,130平方厘米）比瓦片面积（70平方厘米）大3-16倍，因此使用对数转换的采样面积来解释比例补充体差异。为了可视化结果，补充体数量标准化为平方米。

补充体生存（alive、dead）被建模为每个时间段（66-255和255-455天）底质类型（2个水平：瓦片、礁石）的函数，使用GLMM与二项分布，包括调查样地作为随机效应。绘制比例生存以可视化发现。

珊瑚补充体融合仅发生在瓦片上。生长速率（平方毫米/月）在间隔期评估：66-255和255-455天。生长速率按底质类型和融合发生情况分析：嵌合体（瓦片）、无嵌合体（瓦片）和无嵌合体（礁石）。使用Gamma-log GLMM，调查样地作为随机效应。一些补充体显示负生长速率，违反Gamma-log假设。检查了瓦片与礁石底质之间的收缩可能性。无显著差异且收缩概率为0.05（66-255天）和0.2（255-455天），模型仅应用于正生长数据（移除13个负点）以满足Gamma-log假设。

瓦片特定驱动因素的珊瑚死亡率（目标4）

为了调查密度依赖性效应，对于每个监测期（2-66、66-255和255-455天），补充体生存被建模为每个期初附着者密度的函数。66-255和255-455天之间的补充体生存被建模为附着者密度、嵌合现象（存在或缺失）和补充体距瓦片边缘距离的函数。最初测试了嵌合现象与密度、嵌合现象与距离之间的相互作用，但不显著；模型简化为加性。分析使用GLMM与二项分布，瓦片重复和调查样地作为随机效应。

由于嵌合现象被确定为66-255天之间的显著生存因素，我们分析了初始附着者密度和幼体约束处理如何影响瓦片上的嵌合体数量。使用Poisson分布GLMM检查每个瓦片嵌合体计数与2天时补充体密度和瓦片重复水平幼体约束处理之间的关系。我们应用该模型使用66天时补充体密度，因为嵌合体形成发生较晚。为了解释嵌合体计数与补充体密度之间的非线性关系，我们将自然立方样条纳入Poisson GLMM。所有分析使用R统计软件完成。

结果

幼体约束对幼体附着和瓦片上补充的影响

幼体增强处理对瓦片上幼体附着有高度显著影响（GLMM，p<0.001）。所有幼体约束处理的附着者密度比对照瓦片高40-305倍（平均每瓦片8-61个附着者）。与自由释放处理（平均每瓦片8个附着者）相比，2.5小时（每瓦片43个附着者）和24小时（每瓦片61个附着者）约束处理的附着分别高4-7倍。虽然附着在24小时约束处理中最高，但并不显著高于2.5小时约束处理。

从附着后66天起，虽然补充体数量始终高于对照（即零），但未观察到幼体约束处理之间存在显著差异。瓦片上的补充体密度随时间显著下降（GLMM-NB，p<0.001），从66天后平均每瓦片5-25个补充体到455天后平均每瓦片0.5-1.3个补充体。

从2到66天，瓦片上早期阶段补充体的生存率在幼体增强处理之间差异显著（GLMM，p<0.05）。自由释放处理的补充体平均生存率为0.66，比平均生存率为0.4的网处理高1.5-1.8倍。在初始2-66天后，从66到255或255到455天附着后，处理之间的生存率无显著差异。

幼体密度对瓦片上珊瑚补充的影响

在2.5小时约束期内，两种幼体密度处理（22,000和44,000幼体/平方米）对瓦片上附着者密度的影响相似，但显著高于对照组（GLMM-NB，p<0.001），平均约38个附着者每瓦片。

从附着后66天起，两种密度处理中的补充体数量保持相似（GLMM-NB，p>0.05）。补充体密度随时间下降（GLMM-NB，p<0.001），从66天后平均每瓦片12-15个补充体到455天后平均每瓦片0.5-0.9个补充体。同时，瓦片上附着后补充体的生存率在两种幼体密度之间随时间无显著差异（GLMM，p>0.05）。

瓦片与礁石上珊瑚补充、生存和生长速率的对比

礁石上的补充体密度在两个调查的约束处理（2.5和24小时网约束）之间无显著差异，但低于瓦片上（图3A），并且随时间变化（GLMM相互作用p<0.05）。差异在66天后为11倍，255天后为5倍，455天后为3倍。在附着后455天，礁石上的补充体密度为每平方米47（±7.6）个体，而瓦片上为每平方米162（±34.8）个体。

虽然瓦片上的补充体数量随时间显著下降，但自然礁底质在255和455天具有相似的补充体计数。瓦片上的补充体生存显著低于礁石上（GLMM-二项式，p<0.01），瓦片上 recruits 平均比例生存约为0.25（66-255天和255-455天期间），而礁石上 recruits 分别为0.86和0.62（图3B）。

在最初255天内，瓦片上的珊瑚补充体表现出比礁石上高2.2-3.8倍的生长速率（图3C）。然而，从255到455天，两种底质类型的生长速率相似，平均每月4.5至7.9平方毫米。仅在瓦片上观察到的融合珊瑚补充体在最初255天内表现出比非融合补充体快1.7倍的初始生长速率。

瓦片特定驱动因素的珊瑚死亡率

附着者密度对2-66天和66-255天期间的补充体生存有显著影响，但对255-455天期间无影响。当调查密度、嵌合现象和补充体在瓦片内空间位置对补充体生存的 combined 效应时，所有三个变量的加性效应在66-255天期间显著（GLMM-二项式p<0.05）。嵌合体表现出0.98生存率（n=79）；比非融合补充体（n=1,131）高5.4倍。观察到补充体生存与距瓦片边缘距离之间的负相关关系，边缘平均约0.38，靠近中心下降至<0.1。补充体生存也受66天时瓦片上附着者密度的影响，类似速率从0.35下降至<0.1。对于随后的255-455天期间，仅嵌合现象对补充体生存显示显著影响，但效应较弱，融合补充体生存率为0.37（n=77），非融合补充体为0.22（n=187）。瓦片上的嵌合体数量受2天和66天时初始附着者数量的正影响。关系是非线性的，在2天时50个附着者和66天时25个补充体处显示峰值。虽然网约束处理中的嵌合体数量显得高，但并不显著高于自由释放处理。

讨论

本研究评估了在自然发生的平流期期间释放幼体是否可以增强幼体附着和珊瑚补充结果。我们的结果表明，在平流期期间可以增强幼体附着。虽然用网约束幼体2.5和24小时增加了初始附着 compared to 自由幼体释放，但15个月后补充体密度在各处理间收敛。这种模式与 populated 瓦片上在前8个月期间的密度依赖性过程一致。在附着瓦片的 space-limited 微生境中，群聚附着和靠近边缘改善了早期生存。相比之下，礁石底质上的生存率比瓦片上高2.5-3.5倍， due to 礁环境中密度无关的生存，其中微生境条件可能更有利。

我们的研究解决了一个先前未量化的现象：人工附着瓦片难以代表自然礁底质。我们发现瓦片高估了初始附着率，尤其是对于 Acropora 幼体，因为它们强烈诱导幼体附着。这种 inflated 附着 triggered 附着后阶段的级联密度依赖性效应，特别是在高幼体密度和长期约束（24小时）下，其中群聚附着导致瓦片上有限空间的超饱和。相比之下，具有多样化微生境的礁石底质支持更高的补充体生存，尽管初始附着 much lower。这些发现表明，基于瓦片的早期阶段珊瑚生命率可能 misrepresent 自然底质上的 colonization 动态。

平流期条件在珊瑚幼体增强中需考虑

了解当地水动力如何影响幼体滞留对于设计有效的基于幼体的修复策略至关重要。当水流减慢时，它们创建了一个时间窗口，使水柱中具备附着能力的珊瑚幼体能够向下游泳并被限制在底栖边界层内，那里流动最小，促进幼体附着和 metamorphosis。当当前速度超过阈值时，珊瑚幼体的慢游泳速度（0.1–0.5厘米/秒）限制了它们到达海底的能力。取决于当前速度和到海床的距离，幼体在向下游泳时可能被 displacement 下游数百米。在当前速度>0.06米/秒时，幼体可能无法在目标礁石上附着（即水平位移下游40-150米，取决于它们在水柱中的位置）并继续漂流，直到遇到更平静的水域或从系统中丢失。这假设层流，并未考虑细尺度湍流，这可能有助于运输到底栖边界层。尽管本研究未包括高流量比较，但先前的试验表明，即使靠近海底释放，珊瑚幼体在流量速度增加下也会经历 substantial 下游位移。在这种背景下，平流期的发生 served as 一个减少扩散和最大化局部滞留的机会。平流期是 essential 还是 simply desirable 将取决于当地水动力条件、幼体行为和目标地点的释放策略。需要未来研究来定义流量速度或湍流开始阻碍局部附着的阈值。

我们在2-3小时平流期期间自由释放幼体时发现附着信号证明了利用自然水动力窗口扩大珊瑚修复的潜力。虽然网约束增强了初始附着并重新建立了繁殖种群，但它仍然劳动密集型，空间受限（通常<100平方米），并且在大型、复杂或暴露的礁系统上设置具有挑战性。可预测的平流期具有间歇性快速和平流潮流（例如）可能 enable 足够的幼体滞留，而无需物理屏障如网，如在大堡礁上所示。通过减少物流约束和基础设施需求，在平流期或中尺度涡流易发礁石上投放幼体可以将干预从平方米扩大到公顷， given 许多数百万幼体可用。然而，成功的扩大需要基于当地水动力和合适的底栖栖息地进行战略选址以取得补充成功。集成监测工具如现场海流计、无毒染料释放或细尺度水动力模型可以指导最佳时机并验证自然流动条件下的幼体滞留。

高幼体滞留促进瓦片上的群聚附着和嵌合现象

在所有幼体约束处理中观察到附着信号，但在2.5和24小时长期约束处理下高4-7倍，饱和了2.25平方米研究样地并显示高附着者密度（即20个瓦片显示50-158附着者每瓦片）。附着瓦片诱导珊瑚幼体附着 due to 皮壳状珊瑚藻和其他诱导剂以及瓦片表面微观结构提供避难所。密度依赖性过程积极和消极地影响早期珊瑚生存。群聚附着，常见于一些珊瑚和软珊瑚物种，可能导致息肉聚集并融合成嵌合体。我们的研究表明，嵌合现象也发生在以 Acroporidae 为主的混合物种组合中。多物种幼体组合中的高嵌合形成率表明幼体同种识别或早期阶段融合，创建“镶嵌 genotype”和群体内遗传变异性。嵌合体具有更高的生长和生存，与先前使用单一物种的研究一致。然而，在密集 populated 瓦片上 recruits 损失最高，表明负密度依赖性。高初始附着密度通常导致随时间推移更少的补充体。在修复中，集中幼体释放可以促进附着但可能降低生存，可能浪费幼体。确定平衡附着和生存的最佳幼体密度对于有效扩大修复至关重要。

人工与自然底质：微生境质量最终驱动珊瑚补充结果

在本研究的栖息地条件下，我们的发现表明人工底质，虽然有助于标准化比较，并不能准确反映自然礁底质上的珊瑚补充和附着后生存。这些差异可能受微生境条件差异的影响，如瓦片设计和周围底栖环境，这些可能因地点而异。对于修复实践者，这强调了谨慎解释基于瓦片的数据的重要性，特别是在用于评估长期结果时。集成使用宏观摄影测量或其他视觉方法的自然底质评估提供了更生态现实的补充成功度量。随着修复干预的扩大，纳入此类礁基指标对于准确预测恢复轨迹和评估幼体增强策略的成本效益至关重要。

我们的研究表明，利用自然发生的平流期可以促进礁石上的珊瑚幼体附着和补充，而无需幼体增强干预中网约束的物流负担。随着修复工作的扩展，必须继续将幼体投放与可预测的平流期条件对齐，以足够的幼体浓度优化附着在超过100平方米的空间尺度上。同样重要的是集成礁基监测用于早期阶段珊瑚，因为这些数据是准确评估干预成本效率的关键。