贝壳礁构建和生态效应研究进展

王莲莲，陈丕茂，陈勇，罗虹霞、3

(1．中国水产科学研究院南海水产研究所，农业部南海渔业资源环境科学观测实验站，中国水产科学研究院海洋牧场技术重点实验室，广东广州510300;2．大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁大连116023;3．上海海洋大学海洋科学学院，上海201306)

中国水产养殖贝类和捕捞贝类产量较大，2012年全国贝类产量达1318万t，其中贝类养殖产量为1234万t，贝类捕捞产量为84万t［1］。由于中国对贝壳的利用率低［2］，每年有大量的贝壳得不到有效利用，造成了大量废弃贝壳堆积占地和因其老化分解等环境问题。

人工鱼礁种类繁多，按材料可分为钢筋混凝土、钢制、石料、玻璃钢、竹制、木制、塑料和废弃物鱼礁［3-4］。早期用作人工鱼礁材料的轮胎、汽车、船体等废弃物，如果处理不当可能会对海水环境造成污染［3］。贝壳礁是一种新型的环保人工鱼礁，是将废弃贝壳固装制成礁体，投放入海作为人工鱼礁。利用废弃贝壳建设人工鱼礁，不仅可以解决因贝壳堆积造成的占地和环境污染问题，还可为海洋生态修复和渔业资源养护开创新途径。本研究中，介绍了国内外对贝壳的利用概况，综述了贝壳礁的构建和生态效应研究进展，展望了贝壳礁的开发前景，以期为推广和发展贝壳礁提供参考。

1 国内外贝壳的利用概况

据《易经》、《史记·平准书》和《说文·贝部》等记载，在中国，贝壳作为流通货币的历史可以追溯到夏、商、周时代，而在世界范围内，据《西洋番国志》记载，印度洋岛国溜山国时期 (今马尔代夫)，当地居民采集的贝壳就已经被当作流通货币贩卖到其他国家。随着社会的发展，国内外对贝壳的利用有了扩展:在工艺品制造方面，贝壳可作为观赏品、装饰品、工艺品和护肤品容器等［5］;在农畜养殖方面，贝壳因含有大量碳酸钙，可作为良好的钙质饲料或饲料添加料，也作为贝类、海藻养殖的附着载体等［6］;在医药方面，贝壳被用来制备活性离子钙、药物载体、骨替代仿生材料等［7］;贝壳也用于污水处理、构建海岸线［8］和修复海岸生境［9］等;还用于融雪、食品保鲜剂、强化剂、燃煤脱硫剂［10］、混凝土辅料［11-12］等。目前，在工农业和医药方面所利用的贝壳仅是水产贝类废弃贝壳的小部分。近年来，随着海洋渔业资源的衰退和海洋生态环境的恶化，利用水产养殖贝类和捕捞贝类废弃贝壳制作贝壳礁进行海洋生态修复的探索受到重视，在天然牡蛎礁生态修复和浅海贝壳礁人工生境建设方面开始应用贝壳。

2 贝壳礁构建的研究进展

2.1 潮间带贝壳礁

近年来，由于过度采捕、海岸工程建设、环境污染等影响，天然牡蛎礁生境遭到严重破坏。潮间带贝壳礁作为人工鱼礁的一种，其建设已成为修复天然牡蛎礁海岸生态的重要措施。

20世纪 60年代，Heffernan等［13-14］使用已附着牡蛎卵的牡蛎壳构建潮间带贝壳礁，结果显示，当附着的牡蛎卵生长形成稳定牡蛎种群之后，3～4年就会形成天然牡蛎礁。1999—2004年，美国在弗吉尼亚州和南卡罗来纳州海岸开展了多次投放牡蛎壳促使天然牡蛎礁恢复的活动［15］。Borde等［16］用牡蛎壳制作防浪堤，以实现天然牡蛎礁的修复。Piazza等［17］研究了使用牡蛎壳建筑海岸线、创建生物栖息地的方法，期望能够有效减缓海岸侵蚀，永久地延长海岸线。2010年，英国石油公司墨西哥湾油井漏油之后，各国海洋志愿者在岸边堆积袋装贝壳礁，重建天然牡蛎礁，以恢复生态环境［18］。Scyphers［19］将牡蛎壳与混凝土结合制成牡蛎壳防浪堤，以减缓海岸侵蚀，促进渔业发展。Soniat等［20］研究表明，潮间带贝壳礁的垂直结构以及为海洋生物提供避敌、栖息场所是贝壳礁设计和建设需要考虑的重要方面。

在中国，天然牡蛎礁同样普遍受到破坏，但在长江口沿岸，通过堆放圆柱型塑料网袋固装牡蛎壳形成的贝壳礁构建防浪堤，对天然牡蛎礁的生态功能恢复［9］起到了积极作用。

国外发达国家的潮间带贝壳礁建设和研究，在开发利用时间、构建规模和研究深度等方面，均较中国取得较大进展。

2.2 浅海贝壳礁

利用废弃贝壳制作人工鱼礁，已成为世界上建设人工鱼礁保护海洋资源环境的重要发展趋势。

在国外，20世纪50年代中期，美国就将贝壳(牡蛎壳、扇贝壳、蛤壳和海螺壳等)作为人工鱼礁的选材［16］。但由于不同种类贝壳的性质差异，美国后期的贝壳礁建设主要依赖于牡蛎壳［21］。Arve［22］通过将牡蛎壳铺设到近岸海底的方式构建简易的牡蛎贝壳礁。到2000年，阿拉巴马州近岸共投放39 500 m3牡蛎贝壳礁［6］。进入21世纪后，日本的人工鱼礁建设就朝着贝壳型鱼礁和高层鱼礁发展［23］，扇贝壳是其贝壳礁建设的主要选材。奥村重信等［24］在正四棱台框架内放置4组由36个填充扇贝壳的不锈钢网状管道，构成扇贝贝壳礁。村上俊哉等［25］将扇贝壳作为人工藻礁新型材料的添加原料。佐藤朱美等［26］将完整扇贝壳和扇贝壳碎片分别装入圆柱体框架内制成圆柱型贝壳礁单体，再将贝壳礁单体放入正方体架台内，形成贝壳礁。藤澤真也等［5］将若干不锈钢网柱型贝壳礁进行组合，作为龙虾饵料培养设施。青山智等［27］设计了两种保育型扇贝贝壳礁，其结构为正方体混凝土框架内分别放置9个和20个填充扇贝壳的不锈钢网状管道，并设定了两种扇贝壳的间隔，分别为30 mm和15 mm。岡本健太郎等［28］设计了具有不同数目通水孔的不锈钢网架，在网架中填充扇贝壳后形成贝壳礁。

在中国，王洪瑞等［29］、王雪瑞［30］均使用袋装贝壳礁作为刺参养殖礁体。于沛民等［31］提出将贝壳作为人工藻礁选材之一。姜少杰等［32］通过将贝壳嵌在钢筋混凝土方形框架表面的方法制成了贝壳方礁。刘国山等［33］将钢板焊接制成框架，在框架内部盛载贝壳网袋，外部连接苗绳，形成了苗绳—贝壳复合式人工藻礁。田涛等［34］采用将贝壳串与钢筋混凝土框架接合的方法，设计出饵料培养型贝壳礁。杨红生等［35-36］发明了牡蛎贝壳礁制作方法及其配套制作装置，将牡蛎壳制成礁体投入海底后进行海珍品增殖。李国迎等［37-38］设计了将钢筋混凝土、尼龙网绳和废弃贝壳进行组合而成的方型笼式增殖贝壳礁和抗沉陷三角型网状贝壳礁。王莲莲等［39-42］针对广东沿海资源环境状况，设计、制作和试验了几种可形成较好流场效应、阴影效应和具抗风浪等作用的贝壳礁。

相对于美国和日本等渔业发达国家，中国的浅海贝壳礁构建起步较晚，已开展的贝壳礁建设还处于试验阶段，但在贝壳礁的设计和构建等方面已取得了一批成果。

3 贝壳礁生态效应的研究进展

3.1 潮间带贝壳礁的生态效应

Szedlmayer等［43］研究表明，天然牡蛎礁是沙底海区鱼类的首选栖息场所。Coena等［44］认为，天然牡蛎礁是鱼类重要的栖息地，海洋环境特征如潮差、海底底质、海水浊度和盐度等对天然牡蛎礁恢复具有重要影响。Waltersa等［45］对天然牡蛎礁进行了连续7年的调查，建立了系统的天然牡蛎礁生态功能评价标准，并指出天然牡蛎礁在提供饵料、避难所和提高生物多样性等方面发挥了巨大作用。Juliana等［46］、Harding 等［47］研究了潮间带贝壳礁浮游动物的群落组成和丰度的水平分布和时间变化，并对贝壳礁区与非礁区鱼类胃含物进行分析，发现贝壳礁区鱼类胃含物的生物多样性高于非礁区。Yeager等［48］用同位素追踪的方法，对天然牡蛎礁的食物网进行研究，并指出天然牡蛎礁对重要渔业品种的幼鱼、稚鱼具有很好的保护作用，可有效促进渔业生产。Peterson等［49］研究表明，活体牡蛎礁的修复能够使渔业产量增加0．26 kg/(m2·a)，其生态系统服务价值平均达853万元/(km2·a)(2003年美元兑换人民币汇率约为8．28)，尚未包括牡蛎提供的食品供给服务。

在中国，Quan等［9］使用牡蛎壳作为长江口牡蛎礁恢复的底物替代材料，结果表明，长江口导堤牡蛎种群数量有明显增长，牡蛎礁区水生生态系统的结构与功能得到明显改善，产生11万元/(km2·a)的海洋生态系统服务价值［50］。王在峰等［51］采用模糊综合评价模型，从潮间带牡蛎礁的环境、结构和稳定性三方面对海门市沿海牡蛎礁进行了生态健康评价。孙万胜等［52］研究发现，天津近岸天然牡蛎礁已遭到严重破坏，海区浮游动物平均密度及鱼类、虾类、蟹类、头足类等游泳动物资源量显著降低，需要进行人工修复。

在潮间带贝壳礁生态效应研究方面，国外学者对天然牡蛎礁的修复已进行了相对充分的研究，并已建立起生态功能评价标准，中国在此方面的研究虽已起步，但在诸多方面仍需要努力探索。

3.2 浅海贝壳礁的生态效应

浅海贝壳礁的生态效应，主要表现在海洋环境修复效应、生物附着与聚集效应和固碳作用方面。

国外的一些学者通过分析不同海区贝壳礁诱集鱼类胃含物中生物种类的差异，推测海水盐度差异是影响贝壳礁生物诱集效果的重要因素［46-47］。佐藤朱美等［26］分析了扇贝贝壳礁降低水体污染和底质污染的能力，发现贝壳礁附着干质量为1 g钩虾类去除水体有机物的能力可达到20 mg C/(g·d)、0．327 mg N/(g·d)。岡本健太郎等［28］研究表明，扇贝贝壳礁主要通过固着附着生物、诱集鱼类等的摄食行为，固定碳元素和氮元素的速率分别达到2273．9 mg C/(m2·d)和 273．0 mg N/(m2·d)。

Arve［22］研究表明，牡蛎贝壳礁区所聚集的鱼类明显多于非礁区的鱼类，并且投放时间为2年的礁体比1年的礁体具有更大的食物存储潜力，能够吸引更多鱼类。Warren等［53］研究显示，相对于混凝土鱼礁，牡蛎贝壳礁对鱼类有更好的诱集效果。奥村重信等［24］研究发现，扇贝贝壳礁区幼鱼的捕获率较高，说明贝壳礁具有很好的饵料效应，并且能够为幼鱼提供避敌、栖息场所。青山智等［27］研究显示，扇贝贝壳礁区的保卵效果是非礁区的2．8倍，且贝壳礁结构越复杂对鱼卵及幼鱼的保护效果越好。佐藤朱美等［26］分析了扇贝贝壳礁区底栖生物的种类、数量和生物量指标，并得出底栖生物是贝壳礁发挥净化水体与底质的重要原因。岡元節雄等［54］通过分析扇贝贝壳礁附着生物种类、数量、食性等指标，并与石块礁体进行对比，发现扇贝贝壳礁具有更好的生物聚集效果。贝壳礁能够为龙虾生长、摄食和繁殖提供良好的环境条件，藤澤真也等［5］也采用贝壳礁作为龙虾的饵料培养基，结果显示，贝壳礁区龙虾产量大幅上升。岡本健太郎等［28］对扇贝贝壳礁进行研究，结果表明，扇贝贝壳礁具有很好的生物附着效果，同时也为鱼类等提供了良好的产卵场。

Zhang等［55］、Xu 等［56］分别对浅海网袋型牡蛎贝壳礁的海参增殖效果及其底栖生物进行了试验研究，结果表明，牡蛎贝壳礁能够促进海参的增殖，但是在较小的时间尺度内对底栖生物群落结构的影响不显著。张立斌［57］估算了用于增殖刺参的贝壳礁单位面积固碳量可达2．70 kg/m2，相当于构建1110 hm2的热带雨林所产生的生态效益。王洪瑞等［29］利用袋装扇贝贝壳礁进行刺参增养殖，每年每667 m2海域纯收益可达12 850～13 850元。徐增勤［58］对牡蛎壳贝壳礁刺参增殖生态效应进行评估，得出牡蛎壳贝壳礁平均生态系统服务价值为1291万元/(km2·a)，包括直接使用价值 (供给服务)为939万元/(km2·a)，间接使用价值 (调节服务、文化服务)为351万元/(km2·a)。

国内外研究表明，浅海贝壳礁以具有不规则表面形态的贝壳制作，能有效增加礁体的生物附着量，改良海区海洋生态环境，增加水域生产力，提高海洋生态系统服务价值，为鱼类等游泳生物提供优良的栖息、产卵、避敌场所，加速有机物的积累和循环，提高海洋固碳能力，有效促进参鲍等海珍品的增殖。

相对于国外，中国浅海贝壳礁生态效应的研究主要集中于黄渤海海参等海珍品的增殖效果评价和固碳作用的探索等，在海洋环境修复效应、生物附着与聚集效应等方面的研究鲜有涉及，将是中国贝壳礁的建设发展方向。

4 展望

4.1 利用废弃贝壳建设贝壳礁的生态效应预测

目前，贝壳礁建设主要使用扇贝壳和牡蛎壳，根据2013年中国渔业年鉴提供的牡蛎与扇贝产量［1］，并参考深圳杨梅坑人工鱼礁区的布局方案［59］，以20 cm×20 cm方形混凝土梁柱框架固制贝壳礁单体的规格为3 m×3 m×3 m，贝壳装量按贝壳礁体积的90%计算，构建1个贝壳礁单体需要贝壳24．3 m3。按照此贝壳礁构建模式，参考王洪瑞等［29］、徐增勤［58］和秦传新等［59］分别对扇贝贝壳礁、牡蛎贝壳礁和混凝土人工鱼礁海洋生态系统服务价值的计算方法，构建以下计算公式，对利用废弃贝壳建设贝壳礁可形成的海洋生态系统服务价值等方面进行预测，即:

单体贝壳礁数量为

牡蛎贝壳礁海洋生态系统的服务价值为

扇贝贝壳礁海洋生态系统的服务价值为

清理废弃贝壳堆积填埋占地的面积为

其中:P为贝类产量;i为贝类出肉率，牡蛎和扇贝的出肉率分别取 15．5%［60］、36．7%［61］;ρ为贝壳堆积密度，牡蛎壳、扇贝壳堆积密度分别取404．4 kg/m3［59］、4．17 kg/m3［29］;V 为贝壳礁单体体积;M1为混凝土人工鱼礁生态系统服务价值，M1=1715 万元/(km2·a)［58］，M2为牡蛎贝壳礁系统生态服务价值，M2=1291 万元/(km2·a)［58］，M3为扇贝贝壳礁系统生态的服务价值，M3=2003万元/(km2·a)［29］;h为陆地贝壳堆积高度，取h=1 m。

根据公式，仅利用中国2012年养殖牡蛎和扇贝废弃贝壳，就可构建单体贝壳礁338．9万个，可建贝壳礁礁区约24 461．9 km2，其生态调控区面积可达64 854 km2，平均生态系统服务价值可达1653万元/(km2·a)，高于全球近海生态系统服务价值平均值 2．48万元/(km2·a)［62］(按汇率 1美元=6．1238元人民币计算);另外，可清理陆地废弃贝壳堆积面积803．1 km2，或者可减少陆地废弃贝壳填埋体积 8．031×108m3(表 1)。

可见，利用废弃贝壳建设贝壳礁，无论是在解决陆地大量废弃贝壳堆积填埋占地和废弃贝壳老化分解污染环境等问题方面，还是在变废为宝形成海洋生态系统服务价值方面，作用是巨大的。

表1 利用中国2012年养殖牡蛎和扇贝废弃贝壳建设贝壳礁的生态效应预测Tab.1 Ecological effect prediction of artificial shell reefs built by discarded farmed oyster and scallop shells in China in 2012

4.2 贝壳礁发展展望

人工鱼礁能够修复海洋生态环境，养护海洋渔业资源。贝壳礁作为人工鱼礁投入建设和使用，能够降低人工鱼礁建设成本，促进生态渔业和生态旅游的发展，发挥蓝色碳汇的功能，满足保护海洋环境和可持续发展的需求。

以废弃贝壳作为贝壳礁材料具有以下优点:(1)来源广，易获得，建设投资少;(2)具有良好的生物亲和性，不会释放碱性物质［63］;(3)表面结构复杂，粗糙度高，能为附着生物提供良好附着基，充分发挥固碳能力;(4)贝壳礁生态系统更早达到稳定阶段，有利于发挥人工鱼礁生态效应、修复海洋生态环境。因此，利用废弃贝壳建设贝壳礁，是使用生物材料进行海洋生态修复的低碳环保行为，是值得大力推广和发展的生态环保措施。

但是，中国的贝壳礁无论是建设还是研究均处于起步阶段，科技支撑力量不足，科研投入少。在贝壳礁的选材处理、礁型设计制作、礁区布局投放、海洋环境调控功能、生物附着效果、渔业资源增殖效果、贝壳礁建设与天然牡蛎礁生态修复结合、休闲渔业开发等方面，需要进一步加大投入，加强研究。

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