如何翻转珊瑚礁

热带珊瑚礁是脆弱的生态系统，对各种环境条件和干扰非常敏感，这些环境条件和干扰可以改变它们的组成，从生机勃勃的珊瑚礁变成大片的海藻或贫瘠的碎石。

现在，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员已经证实，这些明显不同的群落可以在完全相同的条件下继续存在。这项研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上，可能会对全世界的生态和保护产生广泛的影响。

大型藻类，通常被称为海藻，除非受到食草动物的控制，否则它们往往比珊瑚礁上的珊瑚更有竞争力。因此，珊瑚礁上食草动物的数量是决定该地点是珊瑚礁还是海藻地的一个重要因素。

加州大学圣巴巴拉分校海洋科学研究所(MSI)的萨莉·霍尔布鲁克教授是这篇论文的合著者之一，她说:“世界上许多地方的珊瑚礁已经从珊瑚变成了海藻，问题是是什么让珊瑚礁一直被海藻所主导，而不是回归到珊瑚。”

一种可能性是环境的变化有利于海藻的生长，所以即使海藻消失了，新的环境也不再适合珊瑚生长。但研究人员想要确定是否可能有另一种解释，一种对珊瑚礁管理有着非常不同含义的解释。他们研究了在相同的环境条件下——即珊瑚礁上食草动物的数量——是否会同时出现一个健壮的珊瑚群落和一个健壮的海藻群落。

在法国波利尼西亚国家科学基金会(National Science foundation)资助的莫里亚珊瑚礁长期生态研究基地(Moorea Coral Reef Long Term Ecological Research site)进行的实验中，该小组首先调查了珊瑚礁上是否存在一种水平的食草动物，在这种水平上珊瑚和藻类都能存活，被称为双稳态区(bi-stable region)。如果是这样的话，他们想要确定这个窗口的位置与珊瑚礁目前的状况相比较。

研究人员将草食动物的活动降低到不同的水平，方法是把它们关在珊瑚礁的特定区域，这样鱼类就不能进入珊瑚礁去啃食藻类。他们成群结队地在原本有或没有海藻的地方搭建了烤箱大小的笼子。每一组的笼子都有不同大小的洞，形成了一个梯度，从任何食草动物都很难到达的地方，到那些可以容纳除最大的藻类食用者以外的所有人的地方。

这一设置使研究团队能够确定什么水平的食草性阻止了海藻的生长，以及需要什么水平来清除现有的海藻。他们发现，在相同的条件下，双向翻转并不会发生。

“我们发现，去除海藻比预防海藻需要更多的食草性，”该研究的第一作者、MSI的研究员、生态、进化和海洋生物学教授拉斯施密特(Russ Schmitt)说。“这意味着这里有大量的食草动物，它们的栖息地既可以是珊瑚礁，也可以是海藻为主的珊瑚礁，这取决于群落最初是珊瑚还是海藻。没有什么不同。”

由于这项实验历时数年，研究小组能够证明他们的结果适用于好几代海藻。施米特说:“这是第一次有实地实验表明，在相同的条件下，珊瑚礁上可能存在两个不同的、持续存在的群落。”

研究结果不仅仅是学术性的。“这一发现之所以重要，原因之一是它表明，对珊瑚礁的巨大冲击可以使其从珊瑚转变为海藻，而食草动物的数量不会发生任何变化，”该大学科学与工程伙伴关系中心(Center for Science and Engineering Partnerships)本科生研究项目协调员、共同作者萨曼莎·戴维斯(Samantha Davis)说。“一旦翻转，珊瑚礁就会被海藻占据。”

MSI研究科学家、论文的另一位合著者托马斯•亚当(Thomas Adam)对此表示赞同。他说:“这种翻转很难逆转，因为只有非常大的扰动才可能导致珊瑚礁重新变成珊瑚。”“我们的第二个实地实验验证了这个想法。”

这个想法是，如果情况是在这个双稳定的地区，那么在一个小的冲击之后，社区应该回到它以前的状态。另一方面，一个巨大的冲击将改变这个系统运作的模式，使其朝着一个不同的方向发展，然后它将继续存在。

研究小组模拟了一个类似气旋的事件，他们把泻湖礁上的一小块一小块的海藻冲刷掉，他们已经确定这片区域处于稳定的重叠区域。珊瑚礁的行为就像模型预测的那样。未受影响的区域保持在最初的海藻状态，而中度受干扰的区域则恢复到海藻区域，并保持多年。然而，受到更剧烈扰动的珊瑚礁会转变成没有海藻的状态，从而使珊瑚得以生长。除了实验开始时的不同干扰，所有场地的环境条件都是一样的。

这种动态给保护带来了两个挑战。首先，它表明，将一个改变后的系统恢复到以前的状态——比如将一个海藻覆盖的泻湖恢复为一个欣欣向荣的珊瑚礁——比简单地维持一个群落的初始状态要困难得多。其次，它表明，即使是一个看似健康的生态系统，也可能容易受到其群落剧烈变化的影响。在不改变珊瑚礁状况的情况下，如果系统受到足够大的震动，可能会把一个生态系统转变成另一种状态，然后它将继续被困在那里。

幸运的是，这项研究的方法本身提供了一个强大的工具，可以确定一个生态系统在从一种状态切换到另一种状态时的脆弱性，以及评估逆转这种切换的难度。“我们开发提供一个路线图的方法评估生态系统所在的环境梯度——在我们的例子中不同水平的食草性与生态系统的临界点可能从一个持久状态翻转到另一个,“说MSI项目科学家安德鲁·布鲁克斯也是一个合作者。这也使他们能够确定这个临界点是否位于一个双稳区域。

“珊瑚礁正在消失，”国家科学基金会长期生态研究项目主任丹·桑希尔(Dan Thornhill)说。“我们看到全球从生机勃勃的珊瑚礁生态系统向海藻地的转变。但这些科学家表明，在适当的条件下，珊瑚礁可以从干扰中恢复过来。”