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热带海洋学报 >

2017 , Vol. 36 >Issue 2: 33 - 39

DOI: https://doi.org/10.11978/2016071

单轴抗压强度揭示南海珊瑚骨骼结构的差异*

  • 金昱昕 , 1, 2 ,
  • 陈天然 , 1 ,
  • 孟庆山 3 ,
  • 胡敏航 1
展开
  • 1. 中国科学院边缘海地质重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 2. 华南理工大学土木与交通学院, 广东 广州 510640
  • 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北 武汉 430071
通信作者：陈天然, 男, 博士, 副研究员, 主要从事珊瑚礁与全球变化研究。E-mail:

作者简介：金昱昕(1994—), 女, 华南理工大学海洋工程专业本科生。本文是作者在中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室的科研实习期间完成的工作。E-mail:

收稿日期: 2016-07-27

  要求修回日期: 2016-09-26

  网络出版日期: 2017-04-06

基金资助

国家重点基础研究发展计划(2013CB956104)

国家自然科学基金项目(41476038、41330642、41372316、41676049)

中国科学院青年创新促进会项目(2015284)

收起

Difference of coral skeletal structure revealed by compressive strength measurements

  • JIN Yuxin , 1, 2 ,
  • CHEN Tianran , 1 ,
  • MENG Qingshan 3 ,
  • HU Minhang 1
Expand
  • 1. Key laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. South China University of Technology, Marine Engineering, Guangzhou 510640, China
  • 3. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
Corresponding author: CHEN Tianran, male, PhD, Associate Professor, major in coral reefs and global changes. E-mail:

Received date: 2016-07-27

  Request revised date: 2016-09-26

  Online published: 2017-04-06

Supported by

National Basic Research Program of China (2013CB956104)

National Natural Science Foundation of China (41476038, 41330642, 41372316 and 41676049)

CAS Youth Innovation Promotion Association (2015284)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

摘要

通过单轴抗压强度测试法, 测量南海北部涠洲岛和南部南沙群岛美济礁块状珊瑚骨骼的抗压强度, 将工程力学和珊瑚礁地质生态学相结合, 用定量的数据揭示南海南、北部珊瑚骨骼结构的差异性。结果表明, 美济礁珊瑚的单轴抗压强度近3倍于涠洲岛样品, 显示涠洲岛珊瑚的承载能力相对较弱。南沙群岛海域珊瑚样品的力学性质呈弹性曲线规则变化, 而涠洲岛珊瑚的抗压强度时间曲线呈现不规则变化, 有不断压密、调整、再压密的过程。通过对破坏后样品的观察, 涠洲岛样品的破坏并没有发生在沿生长轴线的方向, 而是在孔洞和骨骼密度小的部位。生物侵蚀加重、孔洞增多导致涠洲岛珊瑚骨骼结构的改变, 进一步导致了珊瑚不仅抗压强度差、承载力下降, 而且力学性质紊乱。该研究工作用定量的数据论证了海水污染对珊瑚骨骼结构改变的影响, 建议开展岛礁工程、生态修复等工作之前的首要任务是保护水质、控制排放、有效治理海水污染。

关键词： 单轴抗压强度; 珊瑚; 骨骼结构; 生物侵蚀; 南海

本文引用格式

金昱昕 , 陈天然 , 孟庆山 , 胡敏航 . 单轴抗压强度揭示南海珊瑚骨骼结构的差异*[J]. 热带海洋学报, 2017 , 36(2) : 33 -39 . DOI: 10.11978/2016071

Abstract

In this study, we measured compressive strength in coral samples from Weizhou Island, northern South China Sea, and the Meiji Reef, the Nansha Islands, southern South China Sea, using uniaxial compressive strength experiments. Differences in coral skeletal structure were revealed using these data, coral reef geological and ecological methods, and the engineering mechanics. The results showed that the uniaxial compressive strength of Meiji corals is approximately three times higher than that of Weizhou corals, indicating that Weizhou corals’ carrying capacity is relatively low. The mechanical properties of Nansha corals showed a character of elastic curve, with a short stage of yield and good ductility. On the contrary, the compressive strength of Weizhou corals has an irregular changing elastic curve character, with multiple compression processes. Based on the observations on the broken samples after compressive experiments, Weizhou samples were not broken on the growth direction of the axis, but in the area of small holes and low density. Increased bioerosion caused changes in the structure of Weizhou coral skeletons, and subsequently poor compressive strength, low bearing capacity, and chaotic mechanical properties. This work demonstrates the effect of water pollution on coral skeletal structure. We suggest that priority should be given to seawater quality protection and control before reef project and coral ecological restoration.

Key words： compressive strength; coral; skeletal structure; bioerosion; South China Sea

珊瑚礁是热带海洋中极其重要的生态系统和生态资源, 极具保护和可持续利用价值 (赵美霞 等, 2006)。然而, 全球珊瑚礁正在快速退化, 其原因既有全球尺度的气候变暖, 也有局部的人为干扰(Hughes et al, 2003; Pandolfi et al, 2003; Hoegh-Guldberg et al, 2007)。对于受到严格保护的珊瑚礁, 如澳大利亚大堡礁等, 活珊瑚覆盖度(衡量珊瑚礁健康状况最直接的定量指标)依然呈现递减的趋势(Bellwood et al, 2004), 气候变暖以及海水酸化是主导因素(Hoegh-Guldberg et al, 2007); 而位于人类活动密集的沿海的珊瑚礁, 比如南海(Hughes et al, 2013)和加勒比海(Gardner et al, 2003)等, 特别是在发展中国家, 人为破坏导致了其急剧的退化。在这些海域, 人为破坏力远超自然因素。所以, 针对这类珊瑚礁开展的保护、修复、可持续利用等研究, 首先要明晰人类活动是如何影响造礁珊瑚的生长和岛礁的发育。
南海北部是全球受人为干扰最严重的海域之一(Halpern et al, 2008)。在一些岸区, 如海南岛和涠洲岛周边, 全新世以来发育了典型的珊瑚岸礁; 然而近来的珊瑚礁生态调查结果令人担忧(黄晖 等, 2009; 吴钟解 等, 2013), 甚至是更高纬度的未成礁的珊瑚群落也呈现明显的退化趋势(Chen et al, 2009)。在诸多的人为干扰中, 海水养殖、污水排放等造成的海水富营养化对珊瑚礁既能造成急性胁迫(直接杀死珊瑚), 同时也能造成慢性胁迫(干扰珊瑚生长, 降低珊瑚繁殖力, 降低幼虫存活率等)。在南海北部, 虽然定期的生态监测能够很好地定量化揭示珊瑚礁退化的程度, 但寻找原因时, 大多只是笼统地归结到“海水污染、旅游业、沿岸工程、养殖业、过度捕捞等人类活动导致”, 对具体的人类活动如何影响珊瑚生存及珊瑚礁发育的研究相对偏少。陈天然等(陈天然 等, 2013a; Chen et al, 2013)在南海北部涠洲岛和大亚湾的研究发现, 水体富营养化能够加重珊瑚骨骼中的生物侵蚀, 导致骨骼内部千疮百孔, 因此进一步提出富营养化阻碍珊瑚生长和珊瑚礁的发育。该研究工作虽然给出了有关人为影响珊瑚生长的实例, 但无法用定量的数据说明该影响的程度。
本文将工程力学中的实验方法——单轴抗压强度测试法应用于珊瑚礁地质和生态学中, 测量南海不同区域珊瑚骨骼的抗压强度及其时间曲线, 用定量的数据分析海水富营养化、生物侵蚀加剧对珊瑚骨骼结构的影响程度, 为研究南海北部珊瑚礁对人类活动的响应提供参考, 也为保护、修复珊瑚礁生态提供科学依据。

1 研究区域概况

涠洲岛是一座火山岛, 位于南海北部的北部湾内(图1), 面积约26km2。岛上地貌组成复杂, 可分为火山地貌、海蚀地貌、珊瑚岸礁地貌等(亓发庆 等, 2003)。涠洲岛属于亚热带季风气候区, 年平均水温约24.6℃, 夏季水温可达31℃, 冬季可达15℃以下(陈天然 等, 2013b)。沿涠洲岛海岸发育有珊瑚礁, 主要分布在岛的北部、东部和西南部10m水深以内。前人通过断面调查等生态学方法, 在详细摸清当地珊瑚礁的种属组成、分布、环境条件、活珊瑚覆盖度等参数的基础上, 评估了珊瑚礁的健康状况、退化趋势以及可能的人为干扰(黄晖 等, 2009; 梁文 等, 2002, 2010a, 2010b, 2011; 黎广钊, 2004; 周浩郎 等, 2013, 2014; 陈刚 等, 2016)。此外, 气候变化, 如水温(余克服 等, 2004; 汤超莲 等, 2010; 周雄 等, 2010; 郑兆勇 等, 2012)、极端事件(陈天然 等, 2013b)、海平面上升(汤超莲 等, 2013)等对涠洲岛珊瑚生长和珊瑚礁发育影响也有报道。
Fig. 1 Map of study sites (a) and coral sampling locations. Sites 1, 2, 3, and 4 are located around Weizhou Island, northern South China Sea (b); Site 5 is located on the Meiji Reef of the Nansha Islands (c)

图1 研究区域的地理位置(a)以及南海北部涠洲岛(b) 和南沙群岛美济礁(c)上的珊瑚样品的采样点(▲)

2 材料与方法

珊瑚样品(编号W1~4)于2015年12月采集于涠洲岛西岸和北岸海域(图1), 该地区受强烈的人为干扰, 主要是陆源污染物的排放, 如岛上居民生活污水、养殖废水、炼油厂和码头废弃物等; 而作为对照的样品(NS1~3)于2007年6月采集于南沙美济礁(图1)。当时的南沙群岛生态环境良好, 水质清澈, 但由于高温事件爆发了大规模的珊瑚白化, 采集的滨珊瑚骨骼内的元素地球化学指标记录了白化的过程(Li et al, 2017)。
将珊瑚骨骼的柱状样品(图2)进一步打磨成50mm×100mm 的圆柱试件, 清洗后晾干。单轴抗压实验是在中国科学院武汉岩土力学研究所的实验室完成, 所用仪器为XTR01型微机控制电液伺服试验仪。测量力学参数的同时, 对实验破坏后的样品进行高清拍照。南沙群岛的滨珊瑚群体大致呈半球型, 在部分样品(NS2和NS3)上能够钻出2根的柱状样品, 可作为重复样; 而涠洲岛的珊瑚呈尖塔形, 顶部较底部小, 只能从上钻取单一样品。因此, 从单个珊瑚上钻取一根样品能否代表该区域, 则从南沙群岛的重复珊瑚样品上得到检验。
Fig. 2 Cylindrical coral samples used in the experiment. a: W1, b: W2, c: W3, d: W4, e: NS 1, f: NS2-1, g: NS2-2, h: NS3-1, and i: NS3-2. Labels use “Location abbreviations (W: Weizhou Island; NS: Nansha) + sampling sites - sampling number (no for without duplicates).” Coin is used as the scale for 25-mm-diameter

图2 实验所用的珊瑚柱状样品
a. W1; b. W2; c. W3; d. W4; e. NS 1; f. NS2-1; g. NS2-2; h. NS3-1; i. NS3-2。标注格式为“采样地点缩写(W涠洲岛, NS美济礁)+采样点编号-样品编号(如果没有重复样则不标注)”。图中作为比例尺的硬币直径为25mm

数据处理按照弹性力学公式。抗压强度的计算公式为: 抗压强度(骨骼应力)[MPa]=最大压缩载荷[kN]/试件底面积[m3]。弹性模量以及泊松比采用材料力学通用公式E=σ/ε, 其中E 表示弹性模数, σ表示正向应力, ε表示正向应变。在计算机中, 对实验抗压强度以及时间曲线进行进一步分析。

3 结果与讨论

3.1 涠洲岛和美济礁珊瑚骨骼单轴抗压强度的差异

表1显示了所有样品的单轴抗压强度的数据。样品NS2-1和NS2-2以及NS3-1和NS3-2为分别从一个珊瑚上垂直钻取的两个柱状样。可以看出, NS3-1和NS3-2的抗压强度数值相对接近, 但NS2-1和NS2-2的数据有一定的差距, 然而无论是单个数值还是均值都显示南沙群岛珊瑚的单轴抗压强度显著高于涠洲岛样品, 该显著的差异性通过了方差分析（ANOVA）的验证(P<0.001, F=31.8)。因此, 在一个珊瑚上取1或2个柱状样均能代表该地域。通过柱状图(图3)可以更明显地看出涠洲岛珊瑚与美济礁样品抗压强度的显著差异, 显示涠洲岛珊瑚的抗压性能及承载能力相对于南沙群岛的珊瑚较弱。
Tab. 1 Uniaxial compressive experiment data

表1 单轴抗压实验数据

编号 珊瑚种属 采样地点 抗压强度/MPa 平均值/MPa 弹性模量/GPa 泊松比
W1 蜂巢珊瑚 1 4.91 3.76 2.259 0.191
W2 滨珊瑚 2 4.83 1.368 0.100
W3 滨珊瑚 3 3.74 3.218 0.415
W4 滨珊瑚 4 1.58 2.070 0.064
NS1 滨珊瑚 5 8.37


10.11		 6.591 0.330
NS2-1 滨珊瑚 5 11.65 4.883 0.101
NS2-2 滨珊瑚 5 7.43 2.973 0.023
NS3-1 滨珊瑚 5 10.74 7.490 0.048
NS3-2 滨珊瑚 5 12.34 6.909 0.063
Fig. 3 Histogram of the compressive strength

图3 抗压强度柱状图

3.2 单轴抗压强度揭示的珊瑚骨骼结构的差异

破坏后样品照片可以看出, 南沙群岛美济礁样品大致沿珊瑚的生长轴线被破坏, 说明生长轴线可能是珊瑚骨骼应力集中、比较脆弱的部位, 这与王新志等(2008)的研究结果非常一致, 即礁灰岩(死亡的珊瑚块体)具有脆性岩石的特性, 抗压实验中的破裂面是沿着珊瑚生长线, 并保持较高的残余强度。然而, 涠洲岛的珊瑚样品的破坏并没有沿生长轴线的方向, 而是在孔洞密集的部位。在这些部位的应力最集中, 同时也是这些部分最先被破坏, 再压密、贯穿, 并且无延展性, 不符合弹性变形。结合抗压强度平均值, 说明涠洲岛珊瑚样品不仅抗压强度差, 而且力学状态紊乱, 体现了涠洲岛的珊瑚样品与美济礁样品的力学性质有显著差异, 从而体现了两地珊瑚骨骼结构的差异性。
Fig. 4 Profiles of compressive strength time series in Nansha (a) and Weizhou (b) coral samples. Photos on the right are broken corals after compressive experiments. The red dotted lines indicate stages of compression in the process. The time series curves of all Nansha corals are consistent, so we use a solid line to indicate the average value and use shading to show their variation range. In contrast, the curves for the Weizhou coral samples are inconsistent, so we display all of them in the figure.

图4 南沙(a)和涠洲岛(b)珊瑚样品的抗压强度时间曲线图
右图是各珊瑚样品破碎后的照片。照片中的红色虚线表示样品在压缩过程中的屈服断面。美济礁抗压强度变化曲线非常一致, 因此用实线表示所有样品的平均值, 阴影区域表示变化范围; 而涠洲岛珊瑚样品的曲线非常不一致, 因此单个列出

3.3 造成骨骼结构差异的原因

造成涠洲岛和美济礁珊瑚骨骼力学性质和结构差异的重要原因是, 前者疏松多孔、质地不均, 而后者较为均匀致密。涠洲岛珊瑚骨骼内的这些孔洞是被生物侵蚀后留下的痕迹。这些侵蚀生物主要包括双壳类、海绵和蠕虫等(陈天然 等, 2013a)。这些生物通过物理挖掘和化学腐蚀的方法侵蚀珊瑚骨骼, 形成大小不一的孔洞作为栖身的庇护所。这些侵蚀生物多为滤食性, 以浮游生物等有机颗粒为食。因此当海域污染加剧、水体富营养化严重时, 也会刺激侵蚀生物爆发, 加重当地珊瑚骨骼的生物侵蚀, 导致珊瑚骨骼内部布满大小不一的空腔(陈天然 等, 2013a)。相应的, 骨骼的多孔导致了上述抗压能力弱、承载力下降、力学性质紊乱等特性。
我们在美济礁调查和采样时期, 人类活动较少, 污水排放很少, 海水非常清澈, 生物侵蚀并不严重, 仅有的侵蚀也多发生在死亡的珊瑚表面。我们采集的珊瑚骨骼内部没有孔洞(图2), 抗压承载性能优良。而涠洲岛珊瑚的骨骼生长不均匀, 生物侵蚀严重, 这与周边的人类活动的排污直接相关(陈天然 等, 2013a)。涠洲岛是南海北部受人类活动严重干扰的地区之一, 其他沿海海域也存在类似的现象(Chen et al, 2013)。

3.4 研究结果的启示

人类活动, 特别是污水排放导致的海水富营养化, 能够加剧生物侵蚀, 进一步导致珊瑚骨骼的抗压性能大大减弱。对于生长在珊瑚礁坡和礁坪上的珊瑚, 这意味着它们抗击物理冲击的能力减弱。当风暴、波浪冲击或者人为(如抛锚等)对珊瑚造成物理冲击或者压力时, 珊瑚容易破碎、死亡。此外, 如果在礁体上开展工程施工, 对珊瑚礁和其上的构筑物都是极其不利的。以珊瑚礁作为基底的构筑物, 其安全性必然与基底的结构稳定性息息相关。再者, 当下大力推行生态修复的方法, 旨在通过人工干预的手段尽可能缩短原本需要几十年乃至更长时间的自然恢复过程。然而, 通过本研究发现, 如果不从根本上改善当地水质, 减少富营养化水平, 即使移植再多的珊瑚, 如果其生长过程中难以形成足够抗击风暴等冲击的致密骨骼, 那么存活率会大打折扣。此外, 本文采集的南沙群岛美济礁样品是在2007年, 当时的水质非常好。然而随着当下的大面积开发、驻扎人口的增加, 难免会对南沙群岛海域的水质产生影响, 如果控制和保护不当, 南海南部的岛礁或许会像当今的北部一样。所以保护珊瑚礁首先要做到的是保护水质免受污染。

4 结论

本文采用单轴抗压实验的方法测量南海北部涠洲岛和南部美济礁珊瑚骨骼样品的抗压强度和时间曲线, 分析两者之间的差异以及所反映的骨骼结构的差异性。南沙群岛珊瑚样品的力学性质呈弹性曲线规则变化, 最大强度约12MPa, 并有较短的屈服阶段和良好的延展性, 破坏大致沿珊瑚的生长轴线; 相对的, 涠洲岛珊瑚的抗压强度时间曲线呈现不规则变化, 有一次加压和二次加压的过程, 并无延展性, 样品的破坏是在孔洞和骨骼密度小的部位。这种差异性主要是由于涠洲岛受到海水污染、富营养化的干扰, 导致骨骼内的生物侵蚀加剧、孔洞增多, 骨骼的结构和力学性质相应地改变。本文通过工程力学和珊瑚礁地质生态学相结合的方法, 定量揭示了海水污染对南海北部珊瑚骨骼结构的影响程度。通过本研究, 说明在开展岛礁工程、生态修复等工作的同时, 保护水质、控制排放是首要任务。

The authors have declared that no competing interests exist.

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