人工礁石改造环境：人为结构对近海水体生态动态的影响

《Marine Environmental Research》：Reefing the environment: implications of human-made structures on the ecological dynamics of coastal waters

　　

摘要

通过提供结构复杂性，人工礁 (ARs) 支持和重塑生态系统。虽然它们作为底栖和鱼类群落调节者的作用已有充分记录，但其对周围水柱的影响仍了解甚少。在此，我们将位于阿根廷巴塔哥尼亚地区著名休闲潜水胜地拉斯格拉塔斯水下公园内的四处作为 ARs 发挥作用的沉船周围的水体生物学和物理化学特性与非礁 (nR) 软底区域进行了比较。通过多变量和单变量分析，考虑季节变化和海岸距离，同时结合 ARs 固有特征（如大小、年龄、水流方向及相关生物量），评估了 ARs 存在与水环境之间的关系。尽管季节性和海岸距离是主要的宏观结构因素，但 ARs 与 nRs 之间的环境条件始终存在差异。与 nRs 相比，ARs 表现出溶解无机营养盐消耗高达四倍，初级生产指标增加（包括 pH 值升高和叶绿素 a 浓度增加 2.5 倍），以及与增强的溶解色质有机物循环一致的模式。总体而言，尽管受特定特征调节，这些巴塔哥尼亚 ARs 与软底区域相比显示出明显的生态特征，其特征为生产增强并伴有持续的营养盐消耗。通过将观察焦点扩展到礁体直接相关的生物体之外，本研究有助于更全面地了解人造结构如何整合并改变沿海生态系统功能，同时为人工礁系统的设计和有效管理提供相关信息。

引言

人工礁 (ARs) 是放置在海底的人造结构，旨在模仿自然礁石并实现特定的生态、社会和经济目标 (Baine, 2001; Madiedo et al., 2024)。通过提供硬基底和增加结构复杂性（与软底相比 (Perkol-Finkel et al., 2006; Riera et al., 2024)），ARs 创造了更多可用的生态位（例如栖息地多样性、庇护空间、沉降基质以及提供营养资源，Svane and Petersen, 2001），从而增强了当地生物多样性和生态系统生产 (Giglio et al., 2024; Layman and Allgeier, 2020; Madiedo et al., 2024)。

人造结构以各种形状、大小和材料部署，反映了其多样的用途 (Berman et al., 2025; Bugnot et al., 2021)。ARs 的设计和实施通常与鱼类和底栖群落 (Claisse et al., 2014; Layman et al., 2013; Taormina et al., 2020)、栖息地恢复 (Berman et al., 2025)、沿海保护 (Madiedo et al., 2024)、近海石油和天然气工业 (Qiu et al., 2024) 以及促进旅游和娱乐 (?ensurat Gen?, 2022) 等记录在案的益处有关。最近，对 ARs 的研究已包括其对周围水柱——即环绕礁体的液体环境——动力学的影响 (Babcock et al., 2020; Cox et al., 2025; Falc?o et al., 2007, 2009; Wilking et al., 2023)。水下结构作为物理障碍物改变局部水动力学，在其周围产生流速梯度、湍流尾流和局部涡旋 (Baynes and Szmant, 1989; Berman et al., 2025; Lindquist and Pietrafesa, 1989; Liu et al., 2013)。这些水动力学改变在控制沉积物传输、有机颗粒保留以及沉积物 - 水界面处的营养交换方面起着关键作用 (Falc?o et al., 2007, 2009; Tong et al., 2022)，从而影响底栖 - 浮游耦合以及周围水柱的物理化学和生态条件 (Babcock et al., 2020)。例如，这导致它们被应用于减轻水产养殖农场排放废物和化学品带来的环境影响 (Layman and Allgeier, 2020; Sarà, 2007)。尽管日益增加，我们对 ARs 如何影响周围环境的物理、化学和生物动力学的理解仍然有限。将生态系统的生物成分与水柱的物理化学动力学相结合的方法，为 ARs 的作用提供了更全面的理解，扩大了其实施带来的潜在益处范围。

位于阿根廷北部巴塔哥尼亚地区圣马蒂亚斯湾内的拉斯格拉塔斯水下公园，为研究 ARs 对周围水环境的影响提供了绝佳机会。此外，作为一个拥有多种类型、大小和年龄结构的多礁公园，它允许评估 ARs 的潜在影响如何受礁体成熟度和附生生物量等特征调节。AR 年龄的影响在理论上基于生态演替。随着礁体生态系统随时间成熟，预计它们将从早期的机会主义定居者转变为生物量和结构复杂性更高的复杂附生群落。因此，预计其代谢需求和生物地球化学足迹会发生变化 (Babcock et al., 2020; Bohnsack and Sutherland, 1985; Svane and Petersen, 2001; Wilking et al., 2023)。此外，公园的温带条件及其空间配置，即 ARs 部署在不同深度和离岸距离，允许解释受时空变化调节的影响。在此背景下，本研究的主要目标是评估与软底非礁 (nR) 区域相比，ARs 对周围水柱物理化学和生物学特性的影响。我们假设 ARs 会改变周围水环境，这种改变受时空变异性调节，并受礁体特定特征（如大小、年龄和相关附生生物量）的影响。我们预测：i. 多变量环境行为主要随空间和季节变化。ii. 关键参数的幅度（包括溶解无机营养盐 (SiO₃^?2, PO₄^?3, NO₃^?, NO₂^? 和 NH₄⁺)、悬浮颗粒（总悬浮固体、无机物和浊度）以及生态系统生产指标（有机物、叶绿素 a、S? 和 pH））在 AR 和 nR 系统之间存在差异。iii. ARs 的存在将导致更具生产力的环境，这反映在更高的生态系统生产指标和/或更大的无机营养盐吸收上。iv. 较老的 ARs 由于更成熟的附生群落而会对环境产生差异化影响。鉴于底栖 - 浮游耦合的权衡可能会调节环境参数中的预期模式（例如通过增强的滤食活动导致叶绿素 a 消耗，或由光合作用活动和整体呼吸作用驱动的 pH 值变化），我们还预测 v. 初级和次级附生生产者的生物量会对环境产生差异化影响，生物量越大，环境差异越大。

章节摘要

研究区域

拉斯格拉塔斯水下公园位于阿根廷拉斯格拉塔斯市附近 (40°48′30″S 65°05′12″W)，是一个专门为生态旅游、休闲潜水和研究设计的巴塔哥尼亚水肺潜水公园。该公园位于圣马蒂亚斯湾西北部，处于一个半封闭盆地内 (17000 km²; 最深达 200 m)，其特征为大陆架交换受限，深层区域存在强烈的季节性温盐分层，浅层扇区存在强烈的潮汐混合 (Piola and Scasso,

结果

环境参数的多变量结构主要由季节性驱动，观察到每个季节具有明显的分组。季节组之间没有重叠，春季样本相对于其他季节表现出更中心或平均的环境行为 (图 2)。在分析完整数据集时，近点始终与远点分组分开，这种分离在秋季最为明显。相反，弥漫性分离

讨论

已知温带纬度的人工礁能够增强底栖生态系统及其相关鱼类群落的生物多样性和生产力，相对于软底栖息地 (Claisse et al., 2014; Layman and Allgeier, 2020)。通过提供硬基底和增加栖息地复杂性，它们增加了生态位的可用性和多样性 (Perkol-Finkel et al., 2006; Riera et al., 2024)。这种生态位可用性的增加与基础

结论

本研究有助于了解人工礁在其周围水环境中的作用，这一方面远比它们对相关生物群落（即底栖动物和鱼类）的影响研究得少。这是首个关于拉斯格拉塔斯水下公园（巴塔哥尼亚休闲潜水胜地）四处沉船人工礁的综合研究，探讨了其对物理化学和生物环境的影响，同时考虑了礁体的身份，

CRediT 作者贡献声明

Macarena Marello: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，项目管理，方法学，调查，形式分析，概念化。Giuliana Marianela Burgue?o Sandoval: 写作 – 审阅与编辑，方法学，概念化。Raúl Gonzalez: 写作 – 审阅与编辑，监督。Fausto Firstater: 写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取。

伦理批准

无需伦理批准或动物实验许可。

资金

本研究由阿根廷国家科学技术研究理事会 (CONICET) 通过授予 MM 的奖学金和授予 FF 的研究基金 (PIP CONICET 112-201501-00465CO) 资助。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在利益冲突：Fausto Firstater 报告获得了国家科学技术研究理事会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

我们感谢航海公司 'Salvamento El Austral' 和潜水中心 'Cota Cero' 的所有工作人员在实地工作期间的后勤支持和协助。我们感谢匿名审稿人提出的宝贵反馈和建议，以改善手稿。

Macarena Marello|Giuliana Marianela Burgue?o Sandoval|Raúl Gonzalez|Fausto Firstater