《Marine Environmental Research》：Evaluating Ecological Concrete Cubes with Recycled Oyster Shell Aggregates for Oyster Reef Restoration
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本研究利用废弃牡蛎壳制成生态混凝土方块，测试不同粒径对力学性能及生态功能的影响。结果表明，抗压强度随粒径增大而降低，孔隙率增加，但方块均保持完整。纯水泥组牡蛎生物量最高，而>2cm组物种多样性最优，证明碎壳材料可兼顾礁石修复与生态多样性提升。
赵鹏|杨海杰|姜宏友|季欣然|谢尧|刘春生|Jay J. Minuti|Thea E. Bradford|Kenneth Mei Yee Leung
海南大学海洋科学与工程学院，海口570228，中国
摘要
牡蛎礁修复对成本效益高且具有生态功能的基底材料需求日益增加，尤其是在牡蛎壳废弃物丰富的地区。本研究提出了一种模块化的生态混凝土立方体，该立方体由回收的牡蛎壳（作为粗骨料）和波特兰水泥制成（不含细骨料），旨在评估这种材料是否能够在降低成本的同时提供足够的机械强度和生态性能，从而实现礁石修复。我们将这些生态混凝土立方体（尺寸为100 × 100 × 100毫米）悬挂在中国茂威湾1.5米深的牡蛎养殖筏下，持续观察一年，测试了五种不同粒径的牡蛎壳（<1厘米至>4厘米）以及仅使用水泥的对照组。结果表明，随着牡蛎壳粒径的增加，混凝土的抗压强度逐渐降低（从<1厘米组的32.45 ± 3.17 MPa降至>4厘米组的0.58 ± 0.27 MPa），而孔隙率则从4.76 ± 0.73%增加到54.99 ± 1.49%，表明存在强度与孔隙率之间的权衡。所有立方体在野外放置一年后仍保持完整。从生态角度来看，纯水泥立方体在12个月后的牡蛎生物量（47.89 ± 5.43克）和表面覆盖率（33.89 ± 8.08%）方面优于含有牡蛎壳的混凝土立方体，这可能是由于生物沉积作用导致表面粗糙化。相比之下，含有>2厘米牡蛎壳骨料的立方体显示出最高的Shannon–Wiener生物多样性指数（高达0.55），这归因于其更复杂的微生境和更高的孔隙率。这些发现表明，粉碎的牡蛎壳是用于牡蛎礁修复和生物多样性提升的可行材料。较小粒径的牡蛎壳有利于牡蛎快速定居，而较大粒径的牡蛎壳则有助于提高生物多样性。这种方法为沿海环境中的资源回收和功能性栖息地创建提供了一种可扩展的策略。
引言
牡蛎礁是由牡蛎聚集形成的复杂三维生物结构，主要属于Crassostrea和Ostrea属。这些礁石的形成依赖于牡蛎壳的积累，牡蛎壳为新牡蛎的定居和生长提供了基底（Chowdhury等人，2021年；Fitzsimons等人，2019年）。牡蛎礁在沿海生态系统中起着关键作用，它们为多种海洋生物提供了必要的栖息地，通过生物过滤改善水质，稳定海岸线，并作为抵御风暴潮和侵蚀的自然屏障（Morris等人，2021年；Bradford等人，2025年）。此外，牡蛎礁因其生物多样性和生产力而重要，支持着包括鱼类、甲壳类动物和其他海洋无脊椎动物在内的多种物种（Borsje等人，2011年；Luo等人，2022年；Richardson等人，2022年；Smith等人，2022年）。然而，在过去一个世纪里，由于人类活动的影响，如资源过度开采和栖息地退化（如土地开垦、疏浚和污染），牡蛎礁在全球范围内经历了显著下降（Beck等人，2011年；Thurstan等人，2024年；Williams等人，2024年）。据估计，全球牡蛎礁栖息地减少了85%，某些海湾和生态区的牡蛎礁几乎消失（Beck等人，2011年；McAfee等人，2022年；zu Ermgassen等人，2025年）。在某些地方，超过99%的牡蛎礁已经功能性灭绝（Beck等人，2011年）。
为应对这一下降趋势，美国、加拿大、澳大利亚、欧洲和中国等地开展了大规模的牡蛎礁修复工作（Morris等人，2019年；McAfee等人，2022年；zu Ermgassen等人，2025年）。修复的关键方面之一是提供适合幼虫定居并过渡到底栖生活阶段的基底（Zhang等人，2022年）。成功的牡蛎礁修复取决于礁石材料的选择、礁石结构的设计以及选址，所有这些措施都是为了促进牡蛎种群的自我维持（Dunn等人，2014年）。用于牡蛎礁修复的基底材料通常包括瓷器、混凝土、石灰石、废弃贝壳、木材和人工建造的礁石（Goelz等人，2020a）。此外，还探索了各种非塑料替代品，如生物基复合材料和其他工程基底（Nitsch等人，2021年）。其中，混凝土和牡蛎壳因其生物兼容性和成本效益而受到广泛青睐。牡蛎壳因其对同属或相似属牡蛎幼虫的定居信号作用而常被使用（Anderson等人，1996年）。相比之下，石头和非牡蛎壳材料在生态适用性、耐久性和可用性之间往往存在权衡（De Santiago等人，2019年；Graham等人，2017年）。
传统的礁石建造方法通常依赖产生光滑表面的模具，无意中忽视了微生境的重要性。结构复杂性，如裂缝、隆起和表面粗糙度，在保护潮间带生物免受捕食和环境压力方面起着关键作用（Loke和Todd，2016年；Strain等人，2018a）。研究表明，在海堤中加入复杂的微生境可以显著增加栖息生物的多样性和数量（Summerhayes等人，2009年）。这种生物多样性的增加被认为是由于提供了更多的生态位（Barry和Dayton，1991年）以及减少了竞争和捕食（Chapman和Underwood，2011年）。因此，将微生境设计融入人工礁石建造对于生态功能和长期可持续性至关重要。生态混凝土以其粗糙的表面和高孔隙率为特征，越来越多地应用于陆地和海洋修复项目（Bao等人，2017年；Kuruppu等人，2019年；Liu等人，2021年）。这些特性模仿了自然栖息地，并支持了多样化生物群落的形成。此外，生态混凝土还具有资源利用减少和与回收材料（包括沿海水产养殖产生的废弃牡蛎壳）兼容的优势。
本研究旨在开发一种使用废弃牡蛎壳制成的生态混凝土立方体来增强牡蛎礁修复的方法。目标是探索基于牡蛎壳的混凝土是否能够在降低成本的同时提供足够的机械和生态性能。在本文中，我们概述了多孔、经济且模块化的生态混凝土立方体的制作过程，并测试了牡蛎壳粒径和混凝土抗压强度等相互作用因素的影响。在为期一年的实验中，我们研究了：（1）废弃牡蛎壳的粒径与混凝土立方体的抗压强度和孔隙率之间的关系；（2）不同粒径组中牡蛎生物量和覆盖率的动态变化；（3）这些组中栖息在立方体裂缝中的生物的生物多样性动态。
研究地点
本研究于2022年6月至2023年3月在中国广西壮族自治区茂威海（21°45′54″N；108°33′19″E）进行（图1）。茂威海是一个半封闭的自然海湾，内部宽阔，入口狭窄，通向北部湾。该海湾面积约为135平方公里，海岸线长度接近120公里。海湾平均深度小于10米，潮汐为混合半日潮，日潮差为2.5米。
混凝土立方体的抗压强度和孔隙率
GLM分析结果显示，生态混凝土的抗压强度随着水泥等级的提高而显著增加（p < 0.001，df = 2，Wald X2 = 144.76），而随着牡蛎壳粒径的增加而降低（p < 0.001，df = 5，Wald X2 = 9755.26）（图3a）。纯水泥组成的对照组表现出最高的抗压强度（63.78 ± 7.54 MPa），这符合没有骨料的情况。在含有骨料的组中，使用<1厘米粒径牡蛎壳制成的混凝土...讨论
本研究评估了一种利用多孔、成本效益高且模块化的生态混凝土立方体进行牡蛎招募和牡蛎礁修复的新方法。这种方法通过提高定居基底的可用性、增加孔隙率和降低建造成本，同时解决了生态和结构方面的问题。牡蛎礁修复正在全球范围内扩展，其目标不仅限于提升局部...
作者贡献声明
姜宏友：研究、概念构思。季欣然：研究。谢尧：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化。刘春生：研究、资金获取。Jay J. Minuti：撰写 – 审稿与编辑、可视化。Thea E. Bradford：撰写 – 审稿与编辑、可视化。Kenneth Mei Yee Leung：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资金获取。赵鹏：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。
未引用的参考文献
Brumbaugh和Coen，2009年；Kong等人，2022年；Lau等人，2020年；Zhu等人，2019年。利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42366007）、海南省国际科技合作计划（GHYF2024014）、海南省重点研发计划（SQ2021SHFZ0638、ZDYF2024SHFZ139）、北海市科技计划（2020165011）以及WWF的海南碳中和试点项目（PORO001311）的支持。我们非常感谢Chu Liang先生和Chuliang水产养殖场的支持。
