综述：基于自然解决方案的海岸保护服务：人工礁石与自然礁石

《Frontiers in Marine Science》：Coastal protection services provided by nature-based solutions: artificial and natural reefs

　　**摘要**
由于海平面上升和风暴潮增加导致的海岸侵蚀加剧，海岸保护已成为全球性的紧迫任务。传统的硬工程结构虽然在减少波浪能量方面有效，但往往会对海洋生态系统造成严重破坏，引发了人们对长期可持续性和生态恢复力的担忧。作为应对措施，基于自然的解决方案（NBS），包括作为活海岸线系统一部分的牡蛎或珊瑚礁恢复，因其同时提供海岸防御和提升海洋栖息地质量的潜力而受到越来越多的关注。此外，水下人工礁或防波堤可以被视为生态改善的“灰色基础设施”或混合海岸防御系统，通过提供栖息地发育和物种定居的基质来促进二次生态功能，其作用类似于基于自然的解决方案（NBS）。通过对自然存在的礁石和人工礁进行的大量研究，包括实验室实验、数值建模和实地应用，评估了海岸保护服务的工程性能。本研究旨在系统地回顾关于自然存在的礁石（牡蛎或珊瑚）或水下人工礁的研究，评估它们的主要功能、局限性以及减弱波浪能量的方法论方法，并批判性地综合这些研究方法及其发现，以突出海岸保护服务的进展。本文的结果旨在指导海岸管理者、工程师、研究人员和政策制定者开发并实施结合工程效率和环境改善的可持续的、基于生态系统的海岸保护策略。

**图形摘要**
1. **引言**
海岸地区因其美学价值、休闲机会和经济潜力（包括渔业、旅游业和贸易）而极具吸引力，这些推动了城市化和基础设施的发展。全球约40%的人口居住在距离海岸100公里以内的地区（Lansu等人，2024；Strain等人，2018；Xu X等人，2025）。有3090万人居住在距离海岸线2公里以内的地区，他们更容易受到热带风暴、海平面上升、降雨不规律和极端天气等与气候相关的威胁（Jones等人，2020；Spalding等人，2014b）。除此之外，波浪作用、潮汐和海洋 currents 也会导致海岸侵蚀（Airoldi等人，2005），而这种侵蚀由于人类活动和气候变化的影响正在以前所未有的速度加速（Gracia等人，2018；Perricone等人，2023；Zhang等人，2014）。此外，人口压力和发展的增长导致了关键自然海岸生态系统的退化，包括珊瑚礁、牡蛎和贻贝床、红树林以及海草草甸，这些生态系统对于海岸保护等生态服务至关重要（Burt和Bartholomew，2019）。高能量事件和风暴潮进一步破坏了海岸生物多样性，并挑战了栖息地的恢复力。这些压力表明需要可持续的、基于自然的解决方案来保护海岸线，同时保持生态完整性（Carmo，2023；Xu W.等人，2025）。
基于自然的解决方案（NBS）的概念在21世纪末提出，并在近年来迅速发展，已被纳入欧盟的多种政策中，如生物多样性战略和可持续融资的欧盟分类法（Riisager-Simonsen等人，2022）。欧盟委员会（EC）将海洋环境中的基于自然的解决方案定义为受自然启发和支持的方法，这些方法具有成本效益，能够提供环境、社会和经济效益，并有助于增强恢复力（Riisager-Simonsen等人，2022）。鉴于其在减少与海平面上升相关的海岸灾害和保护海岸社区方面的巨大潜力，建议采用基于自然的解决方案（Manes等人，2023）。此外，基于生态系统的混合解决方案或与自然结合的工程（例如，活海岸线和人工礁）越来越受欢迎，并在过去几十年中获得了应有的投资，因为它们在提供海岸保护的同时模仿了自然特征，并带来了与基于自然的解决方案相当的协同效益（Arkema等人，2017；Bridges，2015；DeLorme等人，2022；Kochnower等人，2015；Reguero等人，2018；Ruckelshaus等人，2016；Singhvi等人，2022；Sutton-Grier等人，2015）。相比之下，传统的工程海岸保护措施（如海堤、堤坝、护岸和防波堤）旨在解决海岸侵蚀和洪水问题，同时提高海岸资产的安全性，但没有考虑对海岸栖息地的生态影响（Dafforn等人，2015；Mamo等人，2022；Morris等人，2024；Villarroel-Lamb等人，2024）。由于硬工程或传统方法对海滩设施、美观性和生态系统的负面影响，其使用逐渐减少，因为持续使用可能会危害人类生存所必需的生态系统商品和服务（Mamo等人，2022；Ranasinghe和Turner，2006）。近年来，传统的硬工程或灰色工程解决方案已经转向更环保或基于自然的解决方案，这些方法在海岸保护和风险降低策略中更加生态可持续（Pontee等人，2016）。
自然海岸生态系统，如珊瑚礁、牡蛎床或礁、红树林等地，具有提供海岸保护的潜力（Hein等人，2006；Koch等人，2009；NRC，2005）。海岸生态系统通过自我修复和恢复的能力，在减少波浪能量和侵蚀、减弱波高和风暴潮以及维护海岸轮廓方面发挥着重要作用（Spalding等人，2014a）。珊瑚或牡蛎作为“生态系统工程师”，能够应对近岸区域的强波浪和风暴，并可以作为人工礁或水下防波堤（Jordan和Fr?hle，2022）。与传统的硬工程海岸结构相比，人工礁或水下防波堤具有显著的生态优势，因为它们创造了有利于幼年珊瑚和鱼类定居的栖息地，这一点在阿拉伯湾得到了证实（Burt和Bartholomew，2019）。人工礁也可以被视为基于自然的解决方案（NBS），因为它们的功能包括加强自然礁生态系统（例如，促进珊瑚或牡蛎的恢复）、鼓励生态功能和生物多样性以及提供海岸保护（Temmerman等人，2013；Villasante等人，2023）。最近，人工礁作为一种多目标的基于自然的解决方案出现，包括海岸保护和海洋生态系统的生物恢复。通过引入环保的人工结构，本地海洋生物在人工环境中执行生态功能（Firth等人，2024）。
已经采用了不同类型的基于自然和生态工程的应用来保护海岸线免受侵蚀并提高海洋生物多样性（Salauddin等人，2021；Habib等人，2025）。人工和自然礁，包括牡蛎礁和珊瑚礁，越来越被认为是有效的海岸保护措施。为了研究人工礁或自然存在礁在保护海岸灾害方面的有效性，采用了多种实验方法，包括使用不同原型的物理建模、具有不同参数化的数值建模以及在多个地点和条件下进行的实地实验。然而，关于它们的实施实践、在波浪能量减少方面的功能性能和设计特性的综合分析仍然有限。本文汇集了来自世界各地关于基于礁的基于自然解决方案的研究，包括人工和自然存在的礁系统。它考察了一系列研究方法，包括数值模拟、实验室实验和现场观察，以评估它们的水力性能、波浪减弱能力、保护措施的设计参数等方面的影响。本文旨在通过综合之前关于人工和自然存在礁与海岸保护服务相关的研究发现，为海岸管理者、工程师、研究人员和政策制定者提供启示，从而促进开发和实施结合工程效率和环境改善的可持续海岸保护策略。

**2. 文献综述**
2.1 **PRISMA分析**
这项系统的文献综述是根据《优先报告系统评价和荟萃分析项目》（PRISMA）框架的指南进行的，该框架在现代系统评价研究中得到了广泛应用（Page等人，2021）。根据PRISMA标准（图1），使用预定义的搜索字符串在两个广泛使用的学术数据库Scopus和Web of Science中进行了搜索（详见补充信息中的补充表1），以识别相关研究。在识别过程中，应用了特定的搜索项或关键词“海岸保护”、“基于自然的解决方案”、“波浪减弱”、“流体动力学”、“海岸防御”、“人工礁”、“自然礁”、“牡蛎礁”和“珊瑚礁”来检索与人工或自然存在的礁（牡蛎或珊瑚）作为基于自然的解决方案用于海岸保护服务的出版物。此初步搜索共找到了1,251篇出版物，包括研究文章、综述论文、会议论文、书籍章节、会议记录、预发表文章等。在识别出版物后，根据预定义的资格标准对这些出版物进行了筛选。资格标准旨在确保排除和包含标准的相关性和方法论严谨性。筛选方法明确包括研究出版物、综述论文和会议论文，以确定证据基础的科学与完整性。选择了2000年以后用英语出版的研究，以总结使用基于自然的解决方案在海岸保护服务方面的进展。评估重点关注水下人工礁、混合方法和自然礁（珊瑚或牡蛎），以确保明确强调不同类型礁对海岸保护的贡献，同时排除了其他基于自然的解决方案（NBS），以符合本综述评估的目标。

2.2 **数据提取和分类**
在检索到选定的出版物后，提取了与研究目标相关的具体信息（表2），并根据出版物类型、实验方法、用于海岸保护服务的措施、出版年份和研究地点进行了分类。如果研究地点未提及，则使用第一作者的隶属关系按地理位置对文章进行分类。

2.3 **数据综合**
分类后，综合了每个类别中的出版物数量，以识别通过人工或自然存在礁发展海岸保护服务的主流趋势和模式。此外，还对研究目的、实验特性、关键发现（定性和定量）和其他信息进行了深入审查，并进行了适当的数据综合，以确保与研究问题的一致性。在数据综合过程中，通过对同一类别下多篇出版物中的最小值和最大值进行合并，对波浪高度或能量衰减等研究结果进行了范围分析。此外，所研究的参数类型、设计考虑因素等也被识别并归纳到不同的出版物类别中。每个类别都通过整合关键研究结果进行了批判性讨论，以突出其潜在的有效性和实际应用性。

3 结果
沿海工程师、地质学家、生态学家和社会科学家之间的共同努力对于研究典型海岸保护结构（如防波堤、丁坝等）的生态和生物物理效应至关重要，这最终有助于改进这些结构在海岸保护战略中的设计和实施（Scyphers等人，2015年）。基于这一概念，基于自然的沿海措施（或绿色基础设施）已经引起了关注，它们在保护措施中发挥着作用（Reguero等人，2018年），而天然礁或人工礁作为基于自然的解决方案，可以消散波浪能量并改善海洋栖息地（Ronglan等人，2024年）。本系统综述对从PRISMA分析中检索到的相关出版物进行了分类，并从天然礁或人工礁的角度综合了海岸保护服务进展的信息。

3.1 检索到的出版物分类
此次文献搜索重点关注了利用人工礁或珊瑚礁/牡蛎礁的海岸保护服务，以及相关的文献搜索方法。PRISMA方法共识别出152篇出版物，其中147篇与人工礁或天然礁的海岸保护方法相关，5篇与文献搜索方法相关（图1）。总体而言，超过80%的出版物是研究文章或期刊论文，会议论文和综述文章各占约10%（图2a）。过去几十年的出版物趋势表明，人们对基于自然的解决方案的兴趣日益增加（DeLorme等人，2022年；Pontee等人，2016年），这些解决方案涵盖了通过人工礁和其他天然珊瑚礁或牡蛎礁进行的技术和非技术研究。自2000年以来，每5年的出版物数量显著增加，最近5年的出版物占总数的59.3%（图2b）。这一趋势反映了在该领域研究关注度的显著提升和学术兴趣的增长。

图2 PRISMA分析提供的数值和文献信息。
全球范围内，人工礁被用于消散波浪能量，从而降低海岸侵蚀的风险。在这篇文献综述中，共有88篇出版物关注人工礁，其中29篇关于牡蛎礁，22篇关于珊瑚礁，另有8篇出版物研究了结合活岸线（牡蛎或珊瑚）的人工礁海岸保护服务，被称为混合礁（图2c）。近年来，在基于自然的沿海保护服务领域取得了显著进展，采用了不同的方法来评估人工礁或天然礁的有效性。这篇系统综述整合了关于不同方法的出版物（图2d），例如数值建模（31篇）、基于物理实验的建模（27篇）、物理和数值建模结合（2篇）以及基于现场的实验（15篇）。此外，这篇综述还研究了51篇综述类出版物，探讨了人工礁和天然礁的早期研究及非技术特性，以及21篇基于设计、材料和形状差异评估不同礁效力的研究。本研究筛选了欧洲、亚洲、北美、南美、大洋洲和非洲各国关于人工礁或天然礁提供的海岸保护服务的研究出版物（图2e）。大部分研究由一些特定国家开展，包括美国（34篇）、澳大利亚（20篇）、中国（17篇）和葡萄牙（15篇）。相对较少的贡献来自韩国（7篇）、阿联酋（3篇）、巴西（5篇）、哥伦比亚（4篇）、英国（7篇）、爱尔兰（4篇）、意大利（4篇）、德国（4篇）、墨西哥（4篇）、加勒比群岛（4篇）以及其他国家。

根据Morris等人（2018年）的分类方法，定义了海岸保护服务中使用的各种措施术语，将海防策略分为三种主要类型：灰色海防（或传统的硬工程技术）、绿色海防和混合海防。这种系统性评估将忽视环境考虑因素并对生物群落产生影响的海岸保护策略归类为硬工程技术。利用天然基质（如牡蛎、珊瑚和盐沼）和建造的物体来增强水下生物多样性而不造成伤害的海岸保护措施，则被归类为基础自然的解决方案（图3）。

图3 海岸保护措施的术语 [改编自（Morris等人，2018年；Sutton-Grier等人，2015年；Xu X.等人，2025年）]

3.2 天然礁的海岸保护
天然礁，如珊瑚礁或牡蛎礁，作为天然屏障，可以抵御波浪能量、风暴和海平面上升对海岸的破坏，同时维持海洋生态系统的平衡。天然礁通过消散海岸波浪能量，保护了世界大部分海岸线免受侵蚀和洪水的影响（Geldard等人，2023年）。
牡蛎被誉为生态系统工程师，它们形成礁石、稳定沉积物并保护潮滩地貌，这些都对消散波浪能量和减少海岸侵蚀至关重要（Walles等人，2015年）。例如，Roncolato等人（2024年）研究了澳大利亚三个大潮汐区域的牡蛎礁对波浪的影响，主要研究的是悉尼岩牡蛎（Saccostrea glomerata），发现边缘礁在较高波浪曝光度下具有更强的消散潜力。Morris等人（2021年）研究了美国大西洋和墨西哥湾沿岸的牡蛎礁设计，考虑了淹没时间的生态限制，发现在50%的淹没时间内波浪高度降低了68%。Walles等人（2015年）也指出了牡蛎礁的保护作用，它们能有效增强沉积物分布动态并促进沙堆积过程。
珊瑚礁或边缘礁被认为是保护沿海地区人民、经济和基础设施免受洪水和侵蚀的宝贵因素，因为它们能有效减少波浪能量（Burke和Spalding，2022年）。珊瑚礁可以减少高达97%的波浪能量，保护了全球71,000公里的海岸线作为天然海岸结构，同时为生态系统提供养分并带来持续的经济效益（Beck等人，2018年；Ferrario等人，2014年；Ronglan等人，2024年）。如果没有天然珊瑚礁，预期的年度海岸洪水损失将会翻倍，而反复风暴造成的损失成本则会增加三倍（Beck等人，2018年）。这项研究分析了世界各地关于天然礁海岸保护服务的多项研究，发现不同类型的珊瑚，如Scropora、Pocillopora、Porites和Acropora Palmata，都是有效的海岸防护基质。关于天然珊瑚或边缘礁的波浪衰减潜力的研究已在多种数值水动力模型中进行了模拟，如Delft3D（SWAN）、MIKE21 SW、WAPOQP等，以及计算流体动力学（CFD）模型，如OpenFOAM或Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）模型，如SMC模型。例如，Boodu和Villarroel-Lamb（2025年）使用Delft3D模型研究了海平面上升（SLR）和珊瑚退化对波浪条件的影响，以及加勒比海岸线上边缘礁的波浪衰减效果。他们得出结论，在基准情景下波浪高度分别减少了100%和96.45%，如果珊瑚礁退化，则波浪高度增加了21.74%。Carlot等人（2023年）研究了法属波利尼西亚莫罗里亚岛的一个波浪能量消散模型中珊瑚的结构复杂性，发现当礁的复杂性减半时，极端波浪上升幅度增加了50倍。Zimmerman等人（2025年）使用Delft3D模型在夏威夷莫洛凯岛复制了飓风事件，展示了边缘礁的显著能量消散效果。

研究将量化海岸保护服务的不同决定性参数（如传输系数、衰减率、波浪能量、高度等）的出版物从本研究的既定类别中分离出来。随后，概述了每个决定性参数的数量及其相应的结果范围。图4展示了这些数据的综合，强调了天然礁的波浪衰减效果，并总结了结果范围及其对应的数量。关于天然礁的详细研究总结见补充信息中的补充表S2。

3.3 人工礁的海岸保护
欧洲人工礁研究网络（EARRN）将人工礁定义为一种埋藏在海底并模仿天然礁基本特征的结构（Baine，2001年）。考虑到人工礁与相邻天然礁在体积、面积和垂直起伏方面的结构特性和复杂性相似，人工礁在鱼类密度、生物量、物种丰富度和多样性方面也与天然礁相当（Paxton等人，2022年、Paxton等人，2020年；Ronglan等人，2024年；Stender等人，2021年）。
历史上，人工礁的主要关注点是吸引鱼类、鱼类群落、它们的分布和丰度，这一点在Baine（2001年）的文献综述中有所体现。最近，人工礁在全球范围内被用于减少海岸侵蚀、吸引鱼类或海洋生物多样性、改善冲浪条件和其他辅助功能（Maslov等人，2024年）。不同的沉入水中的结构，包括石油和天然气平台、船只和港口结构，以及由混凝土、金属、塑料、轮胎或岩石制成的人工结构，都被用作人工礁（Lima等人，2019年；Ronglan等人，2024年）；直到2001年，立方体、块体和管道形式的混凝土是最受欢迎的礁材料（Baine，2001年）。不同的组合方式，如船只与混凝土、纤维增强塑料与混凝土、轮胎与混凝土，以及加强组合（包括船只、混凝土、纤维增强塑料和飞机）也被用作人工礁（Baine，2001年）。此外，人工建造的牡蛎礁（COR）或填充牡蛎的袋子或笼子也因其作为基于自然的解决方案在波浪衰减方面的有效性而受到关注。如今，诸如3D打印等技术的进步使得可以用人工牡蛎礁或珊瑚礁模仿自然环境，这些礁可以在实验室或现场实验中实现，旨在复制自然特性以消散波浪能量并促进海洋生物文化（Hong等人，2021年；Kim等人，2022年；Kim等人，2021年；Osorio-Cano等人，2018年）。

3.3.1 形状和材料
人工礁的设计材料和形状对其结构稳定性、生态功能和水动力效率至关重要。选择设计材料和礁的几何布局对于提高礁的耐久性、保护海洋生态系统、调节冲浪水流和改善沉积物输送起着重要作用（Maslov等人，2024年）。不同的材料，如混凝土、与环保材料混合的混凝土、木材、土工织物沙袋等，已在实验室实验或现场应用中使用，同时也在计算流体动力学（CFD）中执行了具有不同设计的人工礁的计算模型（Norris等人，2025年，第0页；Norris等人，2024年；Osorio-Cano等人，2018年；Tao等人，2025年；Yang等人，2023年）。这项综合研究回顾了由不同材料和形状制成的人工礁，并提供了不同礁所用材料和形状的定量总结，如图5所示（补充信息中的补充表S3、S4）。

图5 人工礁中使用的材料和形状

3.3.2 实验方法
关于人工礁的研究采用了多种方法，如基于实验室实验的物理模型、基于数值模拟的模型以及基于现场的应用，目的是减少波浪能量或波浪高度，改善生态条件，或减轻气候变化引起的海岸危害。对波浪高度或能量衰减过程的理解，以及特定礁参数（如孔隙率、粗糙度、布局等）或不同波浪条件对衰减过程的影响，导致了基于水槽的物理模型或计算流体动力学（CFD）环境中的数值模拟的广泛应用。另一方面，无论是用于研究还是特定地点的实际应用，对部署的人工礁的性能监测或评估通常采用现场调查方法或数值模拟技术。波浪特性（如高度或周期）、水下结构的特征或布局、水深或浸没深度等因素是影响人工礁整体波浪衰减性能的主要原因（Jeffreys, 1944；Xu等人, 2024）。例如，Srisuwan和Rattanamanee（2015）在波浪水槽中实验了一种海穹顶型结构作为人工礁，结果表明，波浪高度的衰减潜力随着相对浸没深度和结构高度的增加而增加，而随着相对波长的增加则呈指数级下降。Geldard等人（2021）通过实验室设置中的多孔梯形礁结构实验，展示了波浪能量通过波浪破碎和阻力以及反射的衰减机制。结构的孔隙率、摩擦系数或粗糙度被认为是重要因素，并会影响人工礁的性能，因为更多的摩擦会导致性能提升，或者较高的孔隙率会导致性能下降（Huang等人, 2025；Srisuwan和Rattanamanee, 2015）。波浪水槽有助于构建人工海滩，以研究海岸侵蚀和形态行为，使用多种形状的礁石，如梯形、矩形、三角形等，由混凝土、填充沙子的土工布袋、网状填充的砾石等材料制成（Antunes Do Carmo等人, 2011a；Cardenas-Rojas等人, 2021；Ma等人, 2020；Srineash和Murali, 2015）。例如，Ma等人（2020）显示海滩侵蚀减少了28-62%，湍流动能减少了17-73%。人们正在波浪水槽中进行实验，改变多功能人工礁（MFAR）的设计参数，以寻找改善海岸保护、冲浪设施和安全的最佳参数（Corbett等人, 2023；Ten Voorde等人, 2009）。在波浪水槽环境中也研究了能量转换器（WECs）的使用，作为一种潜在的海岸保护方案，并考虑了能量产生方法（De Almeida和Santos Martinho, 2020；Li等人, 2024）。数字波浪水槽（NWT）中的波浪水槽实验允许设计师测试独特的设计，如圆形、多孔建筑块、滴状或模块化形状（箱子、隧道、拱门、立方体）的人工礁，以研究礁石的最佳设计及其详细的衰减过程。基于Navier-Stokes方程的计算流体动力学模型（CFD），如OpenFOAM、ANSYS-CFX、COBRAS-UC和DualSPHysics或Boussinesq COULWAVE模型，被广泛用于模拟带有数字设计人工礁的波浪水槽。例如，Norris等人（2025）使用CFD建模套件OpenFOAM以及称为SEAHIVE的互锁六边形礁系统，减少了70%的波浪能量。数值水槽模拟为理解MFAR或人工礁的有效性提供了重要的见解，展示了由于设计参数的不同变化对流体动力学或形态的影响，这对海滩轮廓的保护或冲浪设施的改善具有重要意义（Antunes Do Carmo等人, 2011a；Armono等人, 2022；López等人, 2016；Maslov等人, 2023；Mendon?a等人, 2012）。根据Antunes Do Carmo等人（2011b）的研究，入射波高为1.5米，向外坡度为1:10，剥离角为66°被认为是适合冲浪的条件。XBeach、SMC、Delft3D-SWAN和2dBeach等数值模型被用来模拟基于位置的礁石系统，以探索波浪衰减、能量耗散、沉积物输送和礁石结构的流体动力学响应。这些模型基于波浪传播、水流生成或沉积物输送等重要物理过程构建，利用给定的数据集（如水深、波浪变化等），并使用一系列子模型来模拟主要的流体动力学模型（López等人, 2016）。可以模拟气候变化情景，如海平面上升、风暴事件和波浪条件的变化，以揭示在不同预测情景下人工礁的流体动力学和形态性能。例如，Schuh等人（2023）在Ninigret Trustom Pond海滩屏障系统中使用2D形态动力学XBeach模型，在不同的波浪气候、风暴事件和海平面上升条件下进行了实验，显示波浪能量减少了72-84%，海滩侵蚀减少了约40%。数值模拟现在被广泛用于预测预测气候情景下的海滩侵蚀，并评估人工礁在沉积物输送方面的有效性。例如，López等人（2016）使用SMC模型试验了多功能人工礁（MFAR），显示海滩增加了33.2米；Kuang等人（2023）使用Xbeach模型显示侵蚀减少了53%。Vieira Da Silva等人（2022）使用Delft3D数值模型观察了Narrowneck多功能人工礁（MPARs）周围的流体动力学、沉积物输送和形态变化，并建议适合沙沉积的斜波为1.5米。另一方面，Carral等人（2019）展示了一个与GIS集成的数据库管理系统（DBMS）和高分辨率数值模型（Delft 3D），该系统在选择人工礁的合适位置时考虑了社会经济和环境因素。Marin-Diaz等人（2021）在荷兰Wadden海试验了630米长的可降解人工礁，并在3年期间进行了监测，显示波浪高度减少了多达30%。Black等人（2020）专注于通过两个离岸礁石恢复印度西海岸的沙滩沉积，结果显示这增强了海岸保护的效果。量化了由人工基底制成的人工礁所提供的海岸保护服务的出版物，如传输系数、耗散率、波浪能量、波浪破碎等相关参数的研究已被排除在本研究的定义范围之外。随后，概述了每个决定性参数的数量及其相应的结果范围。图6a展示了这些数据的综合，强调了人工礁在波浪衰减和侵蚀控制方面的作用，并总结了结果范围及其相应的数量。关于由人工基底制成的人工礁的全面研究总结在补充信息中的补充表S5中。图6总结了在海岸保护服务中研究的参数及其相应的结果。(a) 展示了人工礁在波浪衰减和侵蚀控制方面的综合效果，并总结了结果范围及其相应的数量。(b) 展示了基于牡蛎的活岸线在波浪衰减和侵蚀控制方面的综合效果，并总结了结果范围及其相应的数量。3.4 多功能人工礁历史上，人工礁在全球范围内被用于多种目的，包括在日本提高渔业产量、在美国改善潜水设施或在欧洲防止拖网捕鱼（Baine, 2001）。目前，人工礁的部署主要集中在通过创造就业机会来增强旅游业、支持海洋生态学和促进当地经济（Maslov等人, 2024）。多功能人工礁（MFAR）在其仿生设计中具有不同程度的结构复杂性，目前被用来通过防止沿海侵蚀、恢复或重建海洋生物多样性、拓宽海滩轮廓以及促进冲浪和潜水等娱乐活动来增强海岸韧性（Corbett等人, 2023；Maslov等人, 2018；Ng等人, 2013）。考虑到这些因素，这些礁的设计很大程度上受到休闲潜水者的需求的影响，他们喜欢有丰富海洋生物、优美拍摄前景和可靠潜水安全性的地点（Maslov等人, 2024）。Ng等人（2013）概述了全球范围内MFAR的发展，特别是在澳大利亚、新西兰、印度、英国和美国的开发情况，这些礁石建于1997年至2012年间，具有包括海岸保护、促进冲浪、捕鱼和浮潜活动在内的多重目标。MFAR将生态功能与工程变量结合起来，提供了一种同时考虑海岸管理和海洋生物保护的人工礁解决方案（Maslov等人, 2024）。这也可以嵌入到低洼沿海地区的气候变化适应策略中，因为在这些地区休闲资源受到威胁，这种方式可能更具成本效益，并为沿海社区提供进一步的生态系统优势（Hynes等人, 2022）。除了改善冲浪设施和生态功能外，MFAR还可以与能源生成元件结合，例如集成波浪能量转换器（WECs），这些元件既能减少波浪负荷又能产生能量（Li等人, 2024）。MFAR控制入射波的破碎，提供合适的涌浪高度（Hs > 1–2米），并提高波浪破碎的质量，从而在舒适条件下提供高质量的波浪以适合冲浪（Corbett等人, 2023）。这种方法可以为集成传感器用于自我监测和环境传感提供平台，从而揭示人类活动对海洋和沿海生态系统的影响（Maslov等人, 2018）。本综述列举了世界各地关于MFAR的研究，这些研究使用土工布或混凝土制成的沙袋，重点在于通过部署MFAR来增加冲浪设施、能源生成和海岸保护，详细信息见补充信息中的补充表S6。3.5 基于礁石的活岸线通过自然系统及其生物的复杂解决方案系统，可以实现生态友好、可持续、基于自然的先进海岸屏障或保护系统（Perricone等人, 2023）。如今，天然环境基底如牡蛎和珊瑚与人工礁或防波堤相结合，以提高人工基底的有效性，并为海洋种群提供适宜的栖息地和繁殖场所。基于礁石的活岸线方法也可以定义为混合解决方案，包括纯天然环境基底，如牡蛎或珊瑚，其中天然元素与人工结构相结合。利用双壳类生物种群（如牡蛎、贻贝或珊瑚）的生态系统为基础的海岸保护策略被认为是面对沿海侵蚀、海平面上升和频繁风暴事件的自我维持选项（La Peyre等人, 2022）。基于牡蛎或珊瑚的人工礁的海岸保护最近被认为是一种可以通过减轻海岸侵蚀和波浪及风暴的影响来稳定岸线的方法，同时改善水质（Ghiasian等人, 2021b；Grabowski等人, 2012；Storlazzi等人, 2019）。3.5.1 基于牡蛎的活岸线牡蛎在世界各地的不同的海域中发挥着生态系统功能，增强水产养殖或海洋生态系统，并且最近被用作海岸保护的措施（Yu等人, 2024）。牡蛎礁被视为在受气候变化影响的低洼沿海地区的可持续和先进的基于自然的方法，因为它们的垂直增长超过了预期的海平面上升（Hynes等人, 2022）。牡蛎产生的床面粗糙度通过增加阻力和底部摩擦力影响周围的波浪和水流传输，从而导致沉积物输送、波浪倾泻和整体波浪能量耗散（Hitzegrad等人, 2022；Yu等人, 2024；Ghasemi等人, 2026a；Ghasemi等人, 2026b）。人工牡蛎礁具有减少海岸侵蚀以及改善礁石附近海洋生长的潜力（Dunlop等人, 2017）。它们还提供了一个详细研究牡蛎基底结构复杂性对波浪流体动力学、波浪衰减过程、湍流和海洋种群栖息地适宜性的平台（Hitzegrad等人, 2024a）。人工牡蛎礁有两种形式：建造的牡蛎礁（COR）或填充有牡蛎壳的容器，使用了不同类型的牡蛎，如图7所示。贝壳、混凝土和石头是建造牡蛎礁的常用材料（Shinn等人, 2025），有助于牡蛎的殖民和生长，从而减少波浪能量（Wu等人, 2024）。除了COR之外，牡蛎壳还被用作加筋篮的填充材料、椰子或合成材料袋或其他形状的结构，以创建人工礁来耗散波浪能量并提供海岸保护，如图7所示。（补充信息中的补充表S7、S8）。图7显示了在海岸保护服务中使用的牡蛎及其形状。在波浪水槽中进行了许多关于由牡蛎制成的人工礁的研究，分析了它们在波浪衰减方面的有效性，优化了设计标准，或观察了在不同波浪条件下的流体动力学和形态动力学响应的影响。例如，Coghlan等人（2017）使用椰子纤维袋填充的悉尼岩牡蛎和太平洋牡蛎作为人工礁进行了实验，结果显示波浪高度减少了20-60%，波浪能量减少了5-35%。徐等人在2024年对不同形状的填充了牡蛎的袋子进行了实验，包括礁球、牡蛎壳袋、WAD和Reef BLK，得出结论认为Reef BLK和牡蛎壳袋具有更高的衰减效果，其中波浪破碎是主要的耗散因素。尖锐的边缘在摩擦能量耗散过程中起着重要作用，而层状牡蛎壳相比圆形或钝形状的牡蛎壳具有更高的耗散效果（Hitzegrad等人，2024b）。吴等人（2025年）通过波浪水槽中的牡蛎城堡研究了牡蛎种植的布局设计，考虑了牡蛎的生长和波浪衰减。此外，蒋等人（2025年）在实验室水槽中研究了牡蛎与另一种基于自然的解决方案——红树林的整合效果，证明了波浪衰减系数增加了0.26，并且牡蛎-红树林组合在波浪衰减中起主导作用。杨等人（2023年）使用OpenFOAM进行了数值波浪水槽实验，研究了连续多孔牡蛎礁状结构中的浅水波浪衰减，并得出了预测波浪透射系数的经验公式。王等人（2025年）使用了一种名为高阶谱（HOS）的数值波浪模型，并结合加权K均值机器学习方法来优化牡蛎设计。他们的研究结果表明，减少波浪透射系数的三个主要因素是：浸没深度、牡蛎礁的长度与入射波数的关系，以及牡蛎礁的数量。洪等人（2023年；Salatin等人，2022年；Stanley等人，2024年）使用FUNWAVE-TVD Boussinesq模型、ADCIRC或Delft3D SWAN流体动力学模型，并结合数字化制造的牡蛎模型，模拟了特定位置的条件，以研究牡蛎礁的最佳设计、流体动力响应或耗散能力。

陶等人（2025年）使用物理模型和数值模型研究了牡蛎城堡在规则波浪下的波浪衰减特性，得出结论认为波浪透射系数随着浸没深度的增加而非线性增加，随着波峰宽度的增大和牡蛎密度的增加而减少。在美国不同地区，包括弗吉尼亚州、阿拉巴马州和新泽西州等地，对使用不同类型的建造牡蛎礁（如牡蛎壳或混凝土）或不同形状的人工牡蛎礁（如牡蛎礁球或散装牡蛎）进行了实地应用实验，以研究它们在波浪能量耗散和海岸保护方面的有效性。例如，Wiberg等人（2019年）在美国德尔马瓦半岛的浅水湾对四个恢复的牡蛎礁进行了实验，显示出波浪高度减少了30-50%。美国马里兰州东海岸的一个结合了牡蛎的防波堤在百年一遇的事件中具有75%的波浪减弱潜力，证明了其在波浪衰减和沉积物保持方面的显著效果（Vona和Nardin，2023年）。

从基于珊瑚的生物海岸线通过牡蛎进行波浪衰减的类别中，排除了量化关键评估研究参数的出版物，如透射系数、耗散率、波浪能量、波浪破碎、波浪高度等与牡蛎作为生物海岸线或建造的牡蛎礁相关的内容。之后，概述了每个决定性参数的数量及其相应的结果范围。图6b展示了这些数据的综合，强调了基于珊瑚的生物海岸线通过牡蛎的波浪衰减和侵蚀控制，并总结了结果范围及其相应的数量。关于基于珊瑚的生物海岸线的研究综述详细记录在补充信息中的补充表S9中。

3.5.2 基于珊瑚的生物海岸线
珊瑚可以通过其复杂的几何结构有效耗散波浪能量，并在提供生态系统功能方面发挥重要作用（Burke和Spalding，2022年；Costa等人，2016年；Elliff和Silva，2017年）。实验室实验中研究了鹿角珊瑚礁的人工礁的有效性（Ghiasian等人，2021b，Ghiasian等人，2021a），同时将不同类型的牡蛎整合到人工实施的防波堤或礁中以改善波浪衰减和海洋环境（G. Hall，2015年；Safak等人，2020年；Vona和Nardin，2023年）。在物理模型实验中，添加珊瑚骨架的人工礁可以将波浪能量减少3%到56%，波浪衰减减少0.20到0.94%，波浪高度减少多达10%（Ghiasian等人，2021a，Ghiasian等人，2021b）。波浪能量耗散可以通过基于线性波浪理论的模型进行分析，其中波浪高度、波浪周期和珊瑚摩擦是关键参数（Beck等人，2018年；Sheppard等人，2005年）。韩等人（2025年）使用三维数值波浪水槽和人工多孔礁（VOF）以及k-ω SST（剪切应力传输）湍流模型，研究了人工珊瑚礁（ACRs）与波浪力的复杂相互作用，展示了礁的设计参数如何影响波浪衰减特性。Osorio-Cano等人（2018年）使用OpenFOAM CFD模型对3D数字珊瑚礁（模仿Acropora Palmata）进行了实验，证明了珊瑚礁可以减少55%的波浪能量，并研究了粗糙度参数对波浪衰减过程的影响。实验结果可以与大规模流体动力学模型相结合，以帮助战略性设计人工珊瑚并改善珊瑚对海岸线的保护作用（Quataert等人，2015年；Roelvink等人，2009年）。

自然礁的结构复杂性，包括牡蛎礁、珊瑚礁或边缘礁，现在正通过3D打印技术复制，模仿自然生命周期或栖息地，允许在物理实验室中使用代表性原型进行栖息地恢复或进一步研究生态功能。例如，Kim等人（2020年）使用高密度聚乙烯制造了人工珊瑚礁，并在实验室水槽中研究了局部冲刷的减少情况，并结合机器学习方法（ANN）揭示了波浪耗散的能力以及底栖群落的改善（Hong等人，2021年；Kim等人，2022年，Kim等人，2021年，Kim等人，2020年）。珊瑚礁的复杂结构有助于衰减波浪能量，为进一步的珊瑚生长和其他海洋生物提供栖息地（Miller等人，2021年）。从文献中获得的3D打印礁的关键特征，包括使用的材料、礁的类型和形状以及相关的好处，见表3。

表3 材料
礁的类型和形状
好处
参考文献
由直接提取（淀粉、纤维素、半纤维素、木质素等）或合成（PLA或PHA）的废弃物生物质制成的可生物降解聚合物
3D打印，模仿自然生命周期或栖息地
• 低成本的可生物降解材料，允许材料重复使用
• 有助于生态系统恢复，如在实验室设置中的珊瑚或礁的发展
• 植物和固着动物物种在未受干扰的环境中的生长（Talekar等人，2024年）
专利的砂岩材料
3D打印的珊瑚礁
• 无毒且碳足迹更好
• 吸引鱼类和珊瑚栖息地（Perricone等人，2023年）
使用选择性水泥激活（SCA）通过颗粒床3D打印牡蛎礁
• 允许详细研究牡蛎礁对周围流体动力学的影响，包括波浪衰减、湍流产生和垂直混合，这些对海岸管理和生态恢复及保护工作至关重要（Hitzegrad等人，2024a）
使用3D打印的复杂几何形状的人工珊瑚
• 在实验室实验中复制海洋整合，并在实际现场提高环境兼容性（Martins等人，2025年）
3D打印技术，复制自然礁的结构复杂性。

关于人工珊瑚或牡蛎的实验仅在简化了规则波浪条件的实验室环境中进行，这些条件并不代表现实世界中的不规则波浪，而在使用自然模拟特征的实验中普遍面临的一个挑战是缺乏基于现场的实时数据验证。尽管如此，这种方法为海岸线的保护和退化海洋生态的改善打开了新的可能性。例如，Kim等人（2020年）对3D打印的人工珊瑚礁（ACR）进行了实验，证明了ACR可以有效减轻局部冲刷和海底侵蚀，减少回流，并稳定近岸形态。相反，Hong等人（2021年）复制了Kim等人（2020年）开发的ACR实验，并得出结论认为ACR的波浪衰减随着波浪陡度的增加和波浪周期的减小而增加。此外，Kim等人（2022年）将机器学习方法与ACR的物理建模技术相结合，证明了人工神经网络（ANN）模型在预测波浪衰减方面比之前建立的经验公式更准确。

尽管利用基于珊瑚的礁进行海岸侵蚀保护的研究不如其他人工礁的研究广泛，但它显示出在海岸保护服务方面的潜在效果。尽管这些生物整合的海岸保护策略具有显著效果，但它们也有一些限制，包括长期监测不足、深水分析不足以及在极端条件下的影响，这需要进一步的研究。补充信息中的补充表S10提供了有关实验设置、研究参数和其他与人工礁与生物海岸线结合相关方面的更多细节。

3.6 基于自然的解决方案与传统硬工程
随着自然过程的结合，实施基于自然的解决方案或软工程解决方案越来越被认为是不可避免的，因为传统的硬工程方法通常会对自然栖息地和便利价值产生不利影响（Ng等人，2013年）。基于自然的解决方案被认为是具有成本效益的方法，此外还具有生物多样性、碳封存和休闲价值等额外好处，并且随着未来海平面上升而变得越来越受欢迎（Reguero等人，2018年；Ruckelshaus等人，2016年）。这种方法被认为是一种环保的方法，结合了生态和环境因素与工程原理（Kim等人，2012年；Stender等人，2021年）。图8说明了基于自然的解决方案相对于传统硬工程的优势，随后的部分进一步强化了这一观点。

图8 基于自然的解决方案相对于传统硬工程方法在海岸管理中的优势。

3.6.1 硬工程方法的影响
加速基础设施发展的海岸扩张，包括沿海的商业或保护结构，被认为是全球浅海生态系统衰退的重要原因之一（Sempere-Valverde等人，2024年）。传统硬结构经常被用作快速解决紧急问题的方法，而没有解决阻碍自然海岸特征和便利价值的根本原因（Ng等人，2013年）。传统的海岸保护人工结构正在改变自然环境以及各种依赖沉积物的物种数量，如微生物、无脊椎动物和底栖鱼类，导致海洋和海岸生态系统及其提供的基本生态系统服务发生显著变化（Bulleri和Chapman，2010年；Dugan，2011年；Heery等人，2017年）。影响人工结构效果的因素包括声音和光照条件的变化、位置损失、流体动力调整、污染、有机物质流动以及生物系统之间的相互作用变化（Heery等人，2017年）。这些因素取决于结构的设计和布局，以及它们安装的物理、化学和生物环境（Heery等人，2017年）。表4总结了传统硬工程应用对海洋栖息地和环境的影响。

表4 硬工程方法
生态或环境破坏
参考文献
由混凝土制成的传统方法，用于控制侵蚀
• 更少的生物量和个人群落
• 更高的钙质生物壳脱落率
• 更快的表面磨损率和碳酸盐材料的损失（Sempere-Valverde等人，2024年）
• 显著的高成本，可能导致不利的波浪反射（Bigdeli和Barbato，2017年）
Groyens和防波堤
• 增加的有机物改变了底栖生物群落结构并积累了细颗粒沉积物（Bertasi等人，2007年）
垂直墙
• 栖息地退化（Scyphers等人，2015年）
海堤
• 海滩变窄（Ng等人，2013年）

3.6.2 基于自然的解决方案的好处
基于自然的解决方案因成本效益而受到越来越多的关注，并因相较于传统海岸防御方法而在气候缓解和适应海岸保护方面引起了注意（Ghiasian等人，2021b；Hynes等人，2022年）。基于自然的解决方案，如自然栖息地的保护或恢复，被认为是一种成本效益较高的方法，与传统的基础设施方法相比，可以保护人类和海洋社区免受海岸危害（Ruckelshaus等人，2016年）。随着气候变化和未来海岸发展的影响变得越来越严重，这种方法的优势越来越明显（Reguero等人，2018年）。与传统方法相比，这种方法显示出更高的成本效益比，具有巨大的生态系统服务价值，如水质改善、海岸线稳定、鱼类栖息地提供、碳封存、浮游植物过滤、有益于水下植被（SAV）等。传统的硬工程方法很少考虑自然栖息地退化所导致的间接成本，以及与之相关的非线性和动态生态系统服务，这经常导致诸如防波能量保护和养分吸收等功能之间的冲突。而基于自然的解决方案（NBS）可以通过同时提供这两种功能来促进协同效应（Koch等人，2009年）。有时，环保材料（如可生物降解的替代品）可能具有较高的初期成本，但传统方法对海洋生态系统造成的长期影响成本要大得多（Comba等人，2023年）。表5展示了NBS在海岸保护服务中的经济价值，其中整合了生态和工程效益。

自然基解决方案可以避免超过500亿美元的成本，并且平均效益成本比超过3.5（Reguero等人，2018年）。净效益为正，效益成本比远远高于灰色基础设施（Hynes等人，2022年）。NBS的成本估计为每平方米1290美元，而建造结构的成本为每平方米19,791美元（Ferrario等人，2014年）。牡蛎礁的服务价值，不包括牡蛎捕捞，每年每公顷为5500至99,000美元（Grabowski等人，2012年；Xu等人，2024年）。牡蛎礁栖息地的年价值为85,998美元（Grabowski等人，2012年）。创建0.005公顷的额外海草湿地，价值2584美元（Grabowski等人，2012年）。全球珊瑚礁对GDP的保护作用为1090亿美元（Burke和Spalding，2022年）。2011年估计，牡蛎礁每公顷每年的氮去除价值在1385至6716美元之间（Grabowski等人，2012年）。

自然礁，如牡蛎礁或边缘珊瑚礁，在海岸保护以及支持和保护海洋生物和栖息地方面发挥了重要作用（Martins等人，2025年；Scyphers等人，2015年）。牡蛎礁提供了多种生态系统服务，包括改善水质、稳定海岸线、碳封存、为移动鱼类、无脊椎动物和底栖动物提供栖息地、景观多样化以及牡蛎生产（Grabowski等人，2012年；La Peyre等人，2014年；Piazza等人，2005年；Scyphers等人，2015年，Scyphers等人，2011年）。人工牡蛎礁，如袋装牡蛎防波堤或礁球防波堤，支持幼鱼和小型鱼类以及虾、蟹等海洋生物的物种丰富性（Scyphers等人，2015年）。在20世纪70年代至80年代期间，日本、美国和韩国大规模地在海洋底部部署了人工礁，旨在减少鱼类资源的下降并保护海洋生态系统（Lee等人，2018年；Xu等人，2024年）。这种方法通过为海洋生物提供生长、发育、产卵和庇护的场所，有助于支持丰富和多样化的海洋种群，包括鱼类以及其他海岸生物，如牡蛎、蟹等，这对于海岸生态管理至关重要（Bigdeli和Barbato，2017年；Burt等人，2009年；Lee等人，2018年；Xu等人，2024年）。

在设计人工结构时，了解海洋生态、生物以及它们受到部署结构的影响是一个重要方面。例如，结构的设计需要与相应的波浪动态相联系，以确保移动和无固定生物的生存，从而确保栖息地在不同波浪气候条件下的适宜性（Stender等人，2021年）。在其他例子中，安装合适的基质基础栖息地以促进生物（包括牡蛎幼体）的招募和生长，有助于恢复壳资源和退化的栖息地（Comba等人，2023年）。这些例子强调了在考虑人工礁的几何形状和材料时，仿生特征、美学和功能要求的重要性（Maslov等人，2024年）。通过模仿纳米技术开发的“Oceanite”人工礁被证明可以在14个月内增强珊瑚招募并为鱼类群落提供栖息地支持（Higgins和Sobolev，2021年）。在海岸保护结构中常用的材料是塑料、金属和混凝土，因为它们价格低廉、易于获得且特性可预测。但这些常用材料会对海岸生态系统产生一些不利影响，减少了海洋物种的栖息地空间，从而阻碍了海洋群落的丰富度和多样性。例如，Masucci等人（2021年）发现，在配备装甲混凝土四足块和碎石堆的海岸区域，珊瑚碎屑隐生动物群落的丰度较低，而Díaz-Mendoza等人（2020年）认为塑料或聚合物材料由于释放微塑料（<5毫米）可能对海洋生物健康构成威胁。如今，作为最广泛使用的材料，混凝土已经通过添加多种材料（如粉煤灰、牡蛎壳、氟石膏（FG）、波特兰水泥等）进行了改良，这些材料表现出环保行为，如促进珊瑚或底栖生物的招募等。例如，基于FG的混合物已被提议作为人工海岸保护措施的基质材料，因为它们可以促进结构周围的海洋生物生长（Bigdeli和Barbato，2017年）。

表6总结了不同改性混凝土在海岸保护中的实验及其相应的效益。

**表6**
**材料** | **效益** | **参考文献**
--- | --- | ---
特殊粉煤灰混凝土混合物 | • 有助于提高结构在海洋环境中的耐久性 | Srisuwan和Rattanamanee，2015年
ARCOS（包含牡蛎壳的人工礁混凝土）与海沙和水泥材料 | • 有助于改善海洋生态系统，如减少碳足迹和促进贝类幼体附着到礁上 | Rupasinghe等人，2024年
含氟石膏、C级粉煤灰和II型波特兰水泥的混凝土 | • 作为水下应用（如牡蛎养殖或保护结构）的潜在材料，成本大幅降低且更耐用 | Bigdeli和Barbato，2017年

作为混凝土的替代品，决策者现在更感兴趣于对环境影响较小的基质，这些基质是可生物降解的，并由回收或废弃物材料制成。例如，包含植物纤维和岩石以及基于生物和可生物降解的塑料的替代元素被认为在碳排放、化学物质和颗粒物排放方面影响较小（Sakr和Altieri，2025年）。诸如辉长岩、采石场岩石和地质聚合物等材料已经显示出支持底栖生物群落或其他生态生物聚集的功能，详见表7。

**表7**
**替代材料** | **生态效益** | **参考文献**
辉长岩 | • 提高珊瑚招募率 | Burt等人，2009年
赤陶 | • 支持珊瑚招募 | Burt等人，2009年
花岗岩 | • 支持底栖生物，如果当地可用则较为合适 | Burt等人，2009年
采石场岩石（例如玄武岩） | • 与传统混凝土相比，底栖生物的招募速度更快 | Sempere-Valverde等人，2024年
玄武岩 | • 玄武岩材料中的底栖生物生物量和丰度高于混凝土 | Sempere-Valverde等人，2024年
地质聚合物 | • 由工业废弃物、生物质粉煤灰和红泥制成 | Martins等人，2025年
牡蛎壳废弃物 | • 高度耐用且具有生物导电性 | Rupasinghe等人，2024年
高密度聚乙烯 | • 减少环境污染 | Kim等人，2020年

**4. 挑战与未来方向**
4.1 基于自然的解决方案的跨领域问题**
在极端事件中，基于自然的方法可以减少足够的能量，它们在减弱波浪方面的作用相当显著，但即使使用硬工程方法，也无法确保100%的成功率（Gracia等人，2018年）。基于自然的解决方案的服务表现出空间变异性，这源于不同的水深、海岸类型、地质、沉积物供应、洋流、潮汐以及不同地点的栖息地尺寸（Spalding等人，2014a）。例如，随着水深的增加，珊瑚礁减弱波浪能量的能力开始下降，在极端风暴事件中可能不够有效（Spalding等人，2014a）。在海岸侵蚀管理中采用基于自然的解决方案需要考虑一些跨领域问题，如应用面积（Gracia等人，2018年）。例如，NBS需要比传统硬工程方法更多的空间来繁荣，这成为在人口密集的城市中使用NBS进行海岸保护的障碍，因为可能会导致土地使用效率低下，例如在马尼拉、东京或不同的小岛屿发展中国家（SIDS）地区（Gracia等人，2018年）。与传统方法相比，NBS不被视为立即的保护措施，因为它需要时间来适应周围的水动力并获得足够的稳定性以提供海岸保护服务。尽管像珊瑚礁或红树林这样的NBS在重大灾难事件后具有恢复能力，但恢复过程较长，一些外部因素可能会阻碍它们的恢复能力（Gracia等人，2018年；Spalding等人，2014a）。此外，作为基于自然的解决方案的人工礁可能会带来与改变底栖生物群落相关的一些风险，尽管它们提供了经济、社会和生态效益（Bartholomew等人，2022年）。

4.2 知识差距与未来方向**
尽管通过多种方法在人工礁减少波浪衰减方面的研究有所进展，但已经确定了一些技术限制，这可能会扭曲关于它们对水动力和形态影响的实际结果的准确表示。在波浪水槽中的实验室实验中，尺度效应对设计的礁和波浪环境设置有着重要影响，无法模拟现实世界的情况。例如，Xu等人（2024年）提到在检查不同形状的牡蛎礁减弱波浪能量的效率时，需要考虑尺度效应和表面粗糙度的影响。此外，来自实验室或数值实验的见解通常需要通过真实世界的现场应用数据进行验证。同时，需要长期监测和参数化来描绘自然行为在物理或数值原型中的表现。用于研究基于自然解决方案的波浪衰减的数值模型通常缺乏对不同特征（如粗糙度、礁几何形态等）的适当参数化（Boodoo和Villarroel-Lamb，2025年；Osorio-Cano等人，2019年）。许多实验在浅水条件下进行，导致缺乏对更深水条件的了解，这可能在实际应用中误解效率。此外，大多数涉及NBS的研究本质上考虑了生态方面，但缺乏结合生态和工程参数的定量分析。

图9总结了先前研究中关于利用NBS进行海岸保护服务的研究不足之处以及未来研究的方向。为了弥合本研究中确定的现有研究差距，需要改进物理和数值建模活动，特别是通过改进实验设置和数值模拟，结合生态功能的量化、选项分析以及AI，以及使用现场数据的更强大的验证策略。图9展示了利用NBS进行海岸保护服务的未来研究方向的全面概述。对珊瑚礁属性的定量分析，如人工礁的几何配置（孔隙度、粗糙度等）与波浪衰减参数（波高、波能、传输和耗散系数等）之间的关系，可以展示出相关性，从而改进现有的礁发展指南。另一方面，需要特定季节的数值模拟和更细的分辨率以及适当的参数化，以准确表示系统的行为。应增加利用NBS进行海岸保护服务的基于现场的研究，并将其与数值模拟和物理实验相结合，以便随后使用实测数据验证模型数据。此外，对混合解决方案的实验和现场研究，特别是将人工结构与 living shorelines（活岸线）的整合，目前非常有限，需要进一步研究以评估它们相对于单独基于自然的解决方案在增强波浪衰减能力方面的潜力。此外，还需要识别和量化living shoreline（牡蛎、珊瑚等）恢复作为基于自然的解决方案对当前和未来幼体运输的影响，在变化的气候条件下保护这些生态系统免受退化，并支持它们的长期韧性和可持续发展。

大多数与海岸保护服务相关的创新研究都受到生态特性和工程价值之间技术桥梁因素缺乏的显著限制（Dunlop等人，2023年）。尽管通过实验室研究、数值建模和现场应用取得了显著进展，但大多数研究主要集中在NBS的工程效果上，而环境优势往往被忽略或未进行量化。在实施NBS进行海岸保护服务时，应评估生态功能（如过滤、栖息地提供、碳和养分循环等）的量化。生态效益和工程效益的量化能够建立生态系统服务与结构性能之间的不同关联，从而为基于生态系统服务的海岸保护措施设计提供更可靠的指导原则。在海岸管理中引入了多种基于自然的解决方案，这些方案对生态环境和周边社区都具有明确的好处，每种方案都针对不同的目标进行定制，而这些目标因地点和相关因素而异，并非适用于所有沿海区域（Kaya等人，2024年）。多标准分析（MCA）和SWOT等分析方法可以通过提供系统化的框架来评估沿海保护中基于自然解决方案的权衡并确定优先级，从而显著提升决策的严谨性。MCA是一种决策过程，能够整合工程、生态和社会因素，以及相应的定量效益和不同尺度上的性能排名，以在各种方案中选择最佳方案（Gravas等人，2022年；Kaya等人，2024年）。在考虑任何干预措施之前，采用SWOT方法突出各方案的优势、机会、劣势和威胁，可以指导决策者全面了解正面和负面因素，正如Ng等人（2015年）在研究Sa?o Roque地区的多功能人工礁（MFAR）时所探讨的那样。此外，将机器学习（ML）方法与数值或物理建模结果相结合，可以为海岸管理中的基于自然解决方案引入新的维度。基于预测的机器学习方法可以与不同的自然特征或属性相关联，有助于验证来自物理或数值模拟及实证公式的见解。例如，Kim等人（2022年）在实验室实验中使用了人工珊瑚礁，并结合了机器学习（ANN）分析，证明了该方法在计算和预测人工珊瑚礁的水力行为和波浪衰减系数方面比现有实证公式更为准确。Wang等人（2025年）则使用数值波浪模型结合机器学习方法（加权K-means）来推导牡蛎礁的最佳设计。整合机器学习方法有可能克服数值模拟或实验室实验的局限性，包括参数化、长期监测等方面的问题。

**结论**

这项系统的文献综述综合了152篇经过同行评审的出版物和会议论文，提供了关于人工或自然形成的珊瑚礁作为基于自然的解决方案在海岸保护服务中日益重要角色的关键见解。评估的研究涵盖了现有研究、实地应用、使用物理模型的实验室实验以及数值模拟。研究结果显示，许多研究重点关注自然珊瑚礁，强调其消波能力和对环境参数的敏感性。使用不同材料以不同几何配置建造的人工珊瑚礁已被用于通过多种实验方法研究其减弱波浪高度或能量的潜力，这些方法显示出在海岸保护服务方面的显著效果。尽管尚未深入研究设计材料和珊瑚礁形状对波浪衰减的影响，但一些研究为海岸管理者提供了关于选择材料以开发环保型水下珊瑚礁系统的有用信息。由混凝土或填充沙子的土工织物袋构成的水下防波堤被广泛用作多功能人工礁（MFAR），旨在减少海岸侵蚀同时增强休闲和冲浪活动。基于珊瑚礁的滨水生态系统（如牡蛎礁系统）在消波和改善底栖生境方面展现出巨大潜力，而基于珊瑚的珊瑚礁系统则较少受到研究。目前很少有混合措施将人工珊瑚礁结构与其他滨水生态系统（如海带、牡蛎、珊瑚等）结合起来，这些组合方案相比单独方案通常能提供更强的海岸保护效果。

尽管在研究人工或自然珊瑚礁提供的海岸保护服务方面取得了显著进展，但仍存在方法论挑战，包括尺度效应、验证不足、参数化有限以及长期监测不到位等问题。此外，尽管人们对环境因素的关注不断增加，但很少有研究将生态效益和工程性能整合在一个统一的框架内进行全面分析。未来的研究应朝着多学科方向发展，结合实验技术和建模方法以及新兴的分析工具（如机器学习、多标准决策分析和SWOT框架），以优化基于自然的解决方案的设计和政策应用。此外，未来的研究应重点关注生态功能的量化以及需要防止退化的牡蛎或其他基于自然系统的幼虫扩散模式，以确保其长期韧性和可持续发展。

基于自然的解决方案因具有长期的可持续性和显著的工程优势而受到广泛欢迎，与传统的硬质工程方法相比，它们能够同时改善海洋栖息地。尽管基于自然的方法可能需要更长的适应期和更大的初始投资，但最终它们能够培养出适应性强的自维持系统，增强海岸的韧性并促进海洋生态系统的长期健康。