人工礁体材料组成与表面复杂度对冷水珊瑚礁底栖生物补充影响的现场试验研究

《Frontiers in Environmental Science》：Field trials testing material composition and surface complexity and the effects on benthic faunal recruitment at a cold-water coral reef site

本综述通过现场试验评估了不同混凝土配方（PC、M1、M2、M3）与表面复杂度（矿渣 vs. 黄麻布）对冷水珊瑚礁（CWC）底栖生物补充的影响。研究发现，表面复杂度（而非材料组成）是驱动生物多样性（Shannon指数）和物种丰富度的关键因素，而面板朝向（受局部水动力影响）和离海底高度也显著影响生物覆盖度和多样性。研究为人工礁体（AR）设计提供了重要依据，强调在保证材料耐久性（如使用GGBFS降低碳足迹）的同时，应优先考虑结构复杂性以促进生态恢复。

　　

引言

斯卡尔格拉克海峡的冷水珊瑚礁生态系统主要由石珊瑚Desmophyllum pertusum（原名Lophelia pertusa）构建。这些礁体是重要的生物多样性热点，但其在过去几十年因底拖网捕捞等人为活动而遭到严重破坏，几近灭绝。然而，一个名为V?der?的礁点却显示出蓬勃生机，为生态恢复带来了希望。为此，大型恢复项目LIFE Lophelia启动，旨在通过部署人工礁体（ARs）来恢复失去的栖息地复杂性。本研究作为该项目的一部分，通过现场试验测试了三种不同配方的混凝土（对比标准波特兰水泥PC）以及两种不同复杂度的表面纹理，以寻找最优的人工礁体材料，促进底栖动物群落（包括目标珊瑚D. pertusum）的补充和定殖。

材料与方法

研究区域位于瑞典西海岸的科斯特海峡-维德约峡湾Natura 2000保护区内的V?der?礁点。该区域水深约94米，海流强劲，存在一个活跃的D. pertusum礁体（约324平方米）和周围大面积的珊瑚碎屑区（约20,361平方米）。该区域自2001年起禁止底拖网作业。

试验面板制备了四种混凝土配方：标准波特兰水泥（PC）作为对照，以及三种添加了不同比例高炉矿渣（GGBFS）和二氧化硅（SiO₂）的混合料（M1, M2, M3）。M3配方添加了额外的SiO₂，旨在将固化后混凝土的pH值降低约1个单位。每种配方又通过添加矿渣颗粒（5-10毫米）或浸渍水泥的皱褶黄麻布，制造了两种不同复杂度的表面（矿渣表面和黄麻布表面）。最终制成约5×10厘米的面板。

这些面板被随机安装在一个铝制框架上，框架四面分别标记为YR（东南向）、G（西南向）、Y（西北向）、R（东北向），面板离海底高度分为四个层级（约15、30、60、75厘米）。框架于2022年4月部署在活礁体以南20-40米处，在海底停留19个月后，于2023年11月回收。回收后，对面板上的固着和活动生物进行拍照、鉴定，并利用网格法计算覆盖率。统计分析了总覆盖率、香农-威纳多样性指数（H′）和物种丰富度等指标，考察了混凝土配方、表面复杂度、面板朝向和离地高度这四个因素的影响。

结果

总体多样性

经过19个月的浸泡，面板上记录了来自11个门类的98个物种或分类单元，显示出高度的生物多样性和密集的生物覆盖。最优势的类群包括环节动物门（多毛纲，约20种）和刺胞动物门（水螅纲13种、六放珊瑚亚纲4种、八放珊瑚亚纲1种）。覆盖率最高的物种是群居的龙介虫（Serpulidae）Filograna implexa（总覆盖率61%）和水螅Corydendrium dispar（39%）。数量最多的个体是两种管栖多毛类：Sabella pavonina（1060个个体）和Ampharete octocirrata（754个个体）。物种累积曲线并未出现平台期，表明仍有大量稀有物种未被完全记录。

功能群组与潜在次级基质

为了评估哪些生物可能成为D. pertusum珊瑚幼虫附着的潜在次级基质，研究者将生物按功能分组。其中，能够分泌钙质骨骼的类群，如龙介虫（总覆盖率64%）、蔓足类（藤壶，15%）和硬质苔藓虫（9%），被认为是珊瑚幼虫潜在的理想附着基。值得注意的是，本次试验未在面板上观察到任何D. pertusum的补充个体。

物种分布与指示种分析

热图和指示种分析（ISA）显示，材料配方（Mix）对物种分布影响较小。仅有少数物种在某些配方上表现出显著差异，例如有孔虫Psammatodendron arborescens在PC对照组覆盖率显著更高。表面复杂度（Surface）则表现出更明显的影响：在更复杂的矿渣表面，软珊瑚Alcyonium digitatum和龙介虫Hydroides norvegica的覆盖率显著更高；而在复杂度较低的（黄麻布脱落后）表面，水螅C. dispar的覆盖率显著更高。面板朝向（Side）和离地高度（Row）的影响最为显著。例如，较大的水螅物种偏好西南朝向（G面），而苔藓虫则更多地出现在东北朝向（R面）。许多物种，尤其是苔藓虫和被囊动物，显著偏好靠近海底的较低层级。

多样性指数与多因素方差分析

多因素方差分析结果明确：

1. 1.
   材料配方（Mix）的影响：M3配方面板的总覆盖率、H′和物种丰富度均显著低于PC对照组。M1和M2配方与PC对照组差异不显著。这表明添加过量SiO₂（如M3）对底栖生物补充无益甚至有害。
2. 2.
   表面复杂度（Surface）的影响：表面复杂度对总覆盖率无显著影响，但对多样性指数影响重大。矿渣表面的H′和物种丰富度均显著高于（黄麻布脱落后的）较低复杂度表面。这表明增加表面复杂度能有效提升生物多样性。
3. 3.
   面板朝向（Side）的影响：面板朝向对H′和物种丰富度有极显著影响，表明局部水动力条件是驱动生物分布的关键环境因子。
4. 4.
   离地高度（Row）的影响：靠近海底的层级（第3、4层）通常具有更高的覆盖率、H′和物种丰富度。

讨论

材料配方的影响相对有限。M3配方（高SiO₂，低pH）的较差表现可能与深海环境中混凝土pH平衡过程较慢，以及礁区底栖动物本身适应于钙质环境有关。有趣的是，与本现场试验配套的实验室研究显示，D. pertusum幼虫反而偏好M3配方。这提示，在构建人工礁体时，或许可以考虑在主结构（使用更耐久的配方如M1或M2）上附加由M3配方制成的小部件，以专门吸引珊瑚幼虫。

表面复杂度的积极效应与大量前人研究一致。复杂的微地形为小型底栖生物提供了庇护所，增加了生态位多样性，从而促进了物种共存。本研究中黄麻布的意外脱落是一个局限，但结果仍清晰表明高复杂度表面的优势。

面板朝向和离地高度所反映的水动力和微环境差异，是影响幼虫输送、食物颗粒供应和沉积作用的关键，其影响甚至超过了基质本身的性质。这强调了在人工礁体选址和设计时充分考虑局部海洋环境的重要性。

尽管未发现D. pertusum补充个体，但面板上丰富的钙质生物（如大型藤壶Chirona hameri、龙介虫等）为未来珊瑚幼虫的附着提供了潜在的次级基质。面板上记录的物种组成与历史调查相比，发现了一些过去未在斯卡尔格拉克海峡报道过的物种，如海葵Actinothoe sphyrodeta和多毛类Myxicola aesthetica，这可能反映了环境的变化或本次调查的高分辨率。

结论

本研究的主要结论是，对于冷水珊瑚礁生态系统中底栖动物的补充而言，人工礁体的表面复杂度和其所处的局部环境（水动力、离底高度）是比材料化学组成更重要的驱动因素。因此，在设计用于生态恢复的人工礁体时，在确保材料耐久性（例如，使用50%-70%的GGBFS以增强耐久性并降低碳足迹）的前提下，应优先考虑创造复杂的表面结构，并谨慎选择礁体的部署位置和朝向。本研究为LIFE Lophelia项目及类似的深海生态恢复工程提供了关键的科学依据，强调了基于生态系统工程学原理进行人工栖息地设计的重要性。