用于促进动物群和植物群生长的方法和基材技术领域
本发明提供了用于促进陆生和水生环境中动物群和植物群的生长的
方法。
现有技术
以下列出被认为作为背景与目前公开的主题相关的参考文献：
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US6,186,702
US556,436
US2006/147,656
对本文以上参考文献的承认不被推断为意指这些以任何方式与目前
公开的主题的专利性相关。
背景
因为接近三分之二的人群沿着海岸线生活(Creel,2003)，供应诸如运
输(港口)、能量(管道、发电站、钻井平台)和城市化(游船码头、海堤、防
波堤等)的多种社会需求的沿海和海洋基础设施(CMI)的激增是不可避免
的。现今，>50条地中海海岸线被混凝土结构占据(EEA,1999)，并且在一
些地区，城市、港口和工业的增长已经开发了超过90％的海岸线(Cencini,
1998)。结果是沿海硬化替代天然海岸线的持续且增长的趋势(Bulled和
Chapman,2010；Dugan等人,2011)。
尽管硬化的和装甲的海滨线遍及全球的增长的优势，我们关于CMI
的物种聚集的理解，尤其关于其环境影响是有限的(Connell和Glasby,
1999；Dugan等人,2011)。此知识缺口严重损害我们管理城市化沿海环境
的能力(Bulled和Chapman,2010)。已经检查诸如浮码头和防浪堤的CMI
上的海生物的少数研究发现与毗邻的天然栖息地的聚集物很大不同的聚
集物(比如，Connell,2000；Lam等人，2009)。CMI上形成的群落通常比
天然聚集物较少多样性并且常常被损害和入侵性物种占据(Glasby等人，
2007)。这主要由CMI的独特物理特征，主要地组成和设计造成。CMI
常包括具有最小表面复杂性的高度倾斜的且均一的表面，将潮间带区压缩
至仅支持高度耐受的物种的窄带(Chapman和Underwood,2011)。此外，
超过50％的CMI由波特兰水泥制成，已知其为在生物募集方面差的基材，
大概由于高表面碱度(相比于海水的～8，pH～13)和对海洋生命有毒的化合
物的存在(Lukens和Selberg.,2004；EBM,2004)。因此，CMI提供与由天
然栖息地提供的生态系统服务相似的生态系统服务的能力被严重危害，并
且最城市/工业沿海环境被认为是与环境活动相关的牺牲区域。
在最近几年，已经出现了不同的方法，利用用于提高CMI的生物和
生态价值(比如，Li等人，2005；Naylor,2011)的生态工程的原理(Bergen
等人，2001)。目前为止，提高措施集中于设计或纹理方面，目标为吸引
更丰富和多样的天然聚集物(Wiecek,2009，Goff,2010；Dyson,2009)，产
生生态和结构优势。这些优势主要涉及生物成因的形成；天然过程，其中，
如牡蛎、龙介虫蠕虫、藤壶和珊瑚的工程物种将碳酸钙(CaCO3)骨架沉积
至硬表面上，因此产生对多种生物体有价值的栖息地(Jones等人，1994)，
同时也有助于结构的强度和稳定性(Risinger,2012)。然而，缺乏尝试修改
CMI的组成，使得其对诸如生态系统工程者的有生态价值的物种有利的
研究。
本申请的发明人提供了以组成和设计二者为目标的综合的方法。为
此，检测了一系列五种创新混凝土基材，目标为提高天然生物聚集物，同
时仍旧遵守海洋建筑的形式要求。新的基材相比于波特兰水泥具有降低的
碱度，并且包含降低波特兰水泥在混合物中的优势的多种添加剂，可能使
得其对海洋生命更舒适。此外，检测了提高的表面复杂性的影响，已知提
高的表面复杂性促进生物形成(Perkol-Finkel等人，2012和其中的参考文
献)，以及其与混凝土基材的相互作用。
本文以下详述了其长达一年的实验所得的结果，评估创新混凝土基材
相比于标准波特兰水泥在热带(红海)和温带(地中海)环境方面的生物性
能。采用一系列长期现场实验和受控制的实验室试验实验地评估组成和复
杂性的影响。与标准波特兰水泥比较，不同混凝土基材示出不同物种聚集
物的不同募集(在聚集物方面，目标物种的生物量和募集能力)。此外，提
高的表面复杂性产生天然生物聚集物的提高的生长和被生态系统工程者
的碳酸钙沉积。结果表明，混凝土组成和设计的轻微修改可以改进基于混
凝土的CMI支持提高的海洋动物群和植物群并且提供有价值的生态系统
服务的能力。这样的提高的天然生物聚集物不危害混凝土的耐用性；相反，
它们经由重量增加可提供随时间的物理保护和生物保护。
一般描述
本发明提供了海洋基础设施，所述海洋基础设施包括具有小于12的
pH的混凝土基材，所述海洋基础设施用于促进水生环境中动物群和植物
群生长。
在本申请的另外的方面中，提供了促进陆生和水生环境中动物群和植
物群生长的方法，所述方法包括提供包括具有小于12的pH的混凝土基
材的海洋建筑基础设施。
当提及“水生环境”时，其应该理解为包含任何类型的水体，包括但不
限于海洋(包括大洋区域、水底区域、潮间区域、浅海区域、河口、盐沼、
珊瑚礁、泻湖和红树沼泽)和淡水(包括静水、激流、湿地和池塘)。该术语
涉及所述水生环境的任何深度、在任何温度、在年中任何时间或天气条件
和任何流速。
当提及“动物群和植物群”时，其应该理解为包含对涉及的水生环境生
态系统是常见的任何类型的植物、生物体或动物。
在某些实施方案中，海洋动物群和植物群包括以下中至少一种：(i)
工程物种，诸如珊瑚、牡蛎、龙介虫蠕虫、珊瑚藻和藤壶，它们沉积提高
结构的结构复杂性并且产生其他生物体的栖息地的钙质骨架；(ii)滤食性
生物，诸如牡蛎、贻贝、被囊类和海绵动物，它们使用过滤器官进食，同
时在该过程中摄取来自水的养份和有机颗粒；(iii)石内/石上蓝绿藻类，并
且在某些实例中，当混凝土表面在水平面以上时，还有地衣类、真菌和藓
类。
当提及“促进动物群和植物群生长”时，其应该理解为涵盖在水生环境
生态系统中已经生长或者能够生长的动物群和植物群的稳定性、生长、健
康和扩散的任何定性或定量的促进、提高、增强、加强、强化、支持、募
集或支持，所述动物群和植物群定量的促进、提高、增强、加强、强化、
支持、募集或支持通过本领域已知的任何参数(个体或物种的数目、生命
周期、生长或表面的覆盖率等)可测量。
在某些实施方案中，海洋动物群和植物群的所述促进有助于无机物质
在所述结构的表面上的沉积在1-10米的深度范围在12个月之后可以达到
约50至1000gr/m2之间的值。同时，在所述结构的表面上叶绿素浓度在
1-10米的深度范围在12个月之后可以达到约100至800gr/m2之间的值。
在其他实施方案中，海洋动物群和植物群的所述促进使得在所述结构
的表面上的珊瑚募集物在1-10米的深度范围在12个月之后在约5至25
个募集物/15x15表面积之间，并且在实验室条件下在所述结构的表面上
珊瑚沉降率在<1个月之后是在约5％至60％之间。
术语“海洋建筑基础设施”应该被理解为包含任何类型、形状或大小的
被定义适于海洋建筑的基础设施，包括沿海防御结构，诸如防浪堤、海堤、
护岸和丁坝、防水壁、桥墩、泊位和相关基础设施，诸如港口、游船码头、
海滨、散步长廊等(还参见
http://ia600208.us.archive.org/14/items/shoreprotectionm01unit/shoreprotecti
onm01unit.pdf中的Armycorps-SHOREPROTECTIONMANUAL)。这样
的海洋建筑基础设施的实例包括但不限于加强的海堤、装甲单元、潮汐池、
桩、桥基、向海护堤、混凝土沉排、水下电缆和管道套管、系泊单元。
术语“混凝土基材”指的是通常包含至少一种类型的水泥(诸如例如，
波特兰水泥或铝酸钙水泥)、至少一种骨料(诸如例如，石灰石、蓝石)、砂
土(小于4.75mm的细级骨料和或小于0-2mm的天然的或破碎骨料)和水
(饮用水，并且不应含有大于1000ppm(partspermillion)的氯化物或硫
酸盐，不含有害物质诸如，铅、铜、锌(<5ppm)或磷酸盐(<5ppm))的混凝
土组合物。
在另外的方面中，本发明提供了促进石内和石上植物生长的方法，所
述方法包括提供包括具有小于12的表面pH的混凝土基材的基础设施。
应该注意的是这样的基础设施还可以被称为生物活性陆生结构(即，水平
面以上的生物活性结构)，但是具有足够的湿度和沉淀物以促进陆生植物
的生长，如在天然系统中。
术语“石内和石上植物群”应该被理解为包含地衣类、真菌、藓类以及
蓝绿藻类。
应该理解的是，这样的石内和石上植物群可以在具有足够湿度和沉淀
物的陆地环境中生长。
在一些实施方案中，本文以上提及的这样的基础设施是被设计以诱导
内陆建筑物的快速植物墙覆盖的“生物活性墙”元素。绿色植物覆盖明显改
进城市景观，提供更清洁且更健康的空气，并且降低城市发展的生态足迹。
墙基底的物理和化学性质强烈影响其支持和提高生长的能力。在一些实施
方案中，这样的生物活性墙结构诱导墙附着植物、石内藻类、地衣类和藓
类的自然生长。在一些另外的实施方案中，所述生物活性墙结构具有允许
产生支持植物群的潮湿生态位的高复杂性和多孔性，不需要复杂的土壤系
统。
在其方面的另一个中，本发明提供了促进石内和石上厌氧和需氧动物
群和植物群生长的方法，所述方法包括提供包括具有小于12的pH的混
凝土基材的结构。
在一些实施方案中，本文以上提及的所述结构是“活石”结构，即被置
于单独封闭的海洋环境，诸如例如水族馆(诸如，盐水水族馆)中的根据本
发明的结构。这样的活石结构赋予封闭的海洋环境盐水水族馆喜好者期望
的多重益处。本发明的活石结构提供寄生处理废物的氮循环所需的厌氧和
需氧硝化细菌二者的极佳生物滤池。因此，所述活石变为盐水水族馆的主
要生物硝化基础或生物滤池。此外，本发明的活石结构还可以对水化学具
有稳定化作用，尤其通过碳酸钙的释放帮助维持恒定pH。另外，活石结
构是水族馆的装饰元素并且对于居住者提供庇护。
应该注意的是，促进诸如例如硝化菌属和亚硝化单胞菌属的石内和石
上厌氧和需氧动物群和植物群的生长。
在一些实施方案中，所述混凝土基材具有小于约11的pH。在其他实
施方案中，所述混凝土基材具有约9至约10.5之间的pH。
在一些实施方案中，所述混凝土基材的所述pH是大体上整个混凝土
基础设施的pH。在其他实施方案中，所述混凝土基材的所述pH是大体
上所述基础设施的上表面的pH。在又另外的实施方案中，所述上表面的
厚度是约5cm或更厚。
在一些实施方案中，所述水生环境的盐度是在约0至45ppt之间(即，
盐度可以是0、1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45ppt)。
动物群和植物群的提高涉及在暴露至足够光线的区域，即在透光区中
(最大深度0-100米)中和来自海床以及上至浪溅区或支持陆生植物群的生
物活性结构以上的区域中的水生环境。
在某些实施方案中，所述基础设施具有粗糙等级为至少12的表面粗
糙度。在其他实施方案中，所述基础设施具有至少50微米的RA值。此
外，所述基础设施具有为5-20mmRA值的表面纹理。
在某些其他实施方案中，所述混凝土基材具有在约1100至约2500
Kg/m3之间的重量/体积。在又另外的实施方案中，所述混凝土基材具有
在约1100至约1800Kg/m3之间的重量/体积。
在另外的实施方案中，所述混凝土基材包含具有重量上在波特兰水泥
重量的0至约90％之间的添加剂和水泥或完全替代波特兰水泥。
在其他实施方案中，所述混凝土基材包含微硅/硅灰和偏高岭土和铝
酸钙水泥的至少一种。在某些实施方案中，将以上注明的硅和/或偏高岭
土和/或铝酸钙水泥加至混凝土基材以替代基材中任何相当重量％的量的
波特兰水泥。
在一些另外的实施方案中，所述混凝土基材具有约30至80MPa之
间的平均抗压强度(即，约30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或
80Mpa)。(ASTMC39(AASHTOT22))
在某些另外的实施方案中，所述混凝土基材在7巴的压力下具有约5
至50mm之间的水压渗透耐受度(即，约5、10、15、20、25、30、35、
40、45、50mm)。(EN12390-8)
在另外的实施方案中，所述混凝土基材具有约500至2000库仑之间
的氯离子抗性(即，约500、600、700、800、900、1000、1100、1200、
1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000库仑)。(ASTMc1202)
附图简述
为了更好地理解本文公开的主题并且为了例证如何在实践中实施，现
在参考附图通过仅非限制性实例的方式描述各个实施方案，其中：
图1描绘了与布置后3个月(分别表示为红海3、地中海3)、6个月(分
别表示为红海6、地中海6)和12个月(分别表示为红海12、地中海12)对
应的来自两个实验站(红海＝方形；地中海＝三角形)的群体数据的
2D-MDS。每一个点表示一个瓦片(合并的瓦片面)。
图2描绘了典型的群体数据的2D-MDS。每一个点表示一个瓦片(合
并的面)。布置后6个月的来自红海的实例，在图的右侧显示本发明的多
种混凝土基材(分别表示为Ml、M2、M3、M4、M5)，而波特兰水泥瓦
片簇集在左侧。
图3A-3B提供了相比于波特兰水泥，在本发明的多种创新性混凝土
基材(分别表示为M1、M2、M3、M4和M5)上布置后3、6和12个月(分
别表示为3M、6M和12M)生命覆盖率百分比的示意图比较。图3A提供
了在红海(表示为红海)的生命覆盖率。图3B提供了在地中海(表示为地中
海)的生命覆盖率。实线表示平滑瓦片面(表示为S)，而虚线表示有纹理的
面(表示为T)。
图4A-4C示出了海底生物向本发明的混凝土基材上的典型募集(在红
海，来自M4，布置后6个月的实例)。图4A示出了完全具有100％覆盖
率的有纹理的面。图4B示出了具有有限的募集物的相同瓦片的平滑面。
图4C示出了群体数据的2D-MDS。每一个点表示一个瓦片面(有纹理的面
＝方形，平滑面＝圆形)。来自布置后6个月的在红海的瓦片实例示出有纹
理的(上)和平滑的(下)瓦片面之间的分离。
图5A-5B提供了相比于波特兰水泥，布置后6和12个月(分别表示
为6M和12M)，本发明的混凝土基材(分别表示为M1、M2、M3、M4和
M5)上累积的有机(虚线，表示为O)和无机(实线，表示为I)生物质的示意
图比较。图5A示出了在红海(表示为红海)的比较。图5B示出了在地中
海(表示为地中海)的比较。
图6提供了在地中海(表示为地中海)和红海(表示为红海)站，布置后
6个月(表示为6M)和12个月(表示为12M)，相比于波特兰水泥，本发明
的混凝土基材(分别表示为M1、M2、M3、M4和M5)上叶绿素浓度的示
意图比较。
图7A-7B提供了布置后3个月(表示为3M)、6个月(表示为6M)和12
个月(表示为12M)之后，相比于波特兰水泥，本发明的混凝土基材(分别
表示为M1、M2、M3、M4和M5)上珊瑚募集物的示意图比较。值表示
募集物/混凝土基材(瓦片和合并的瓦片面)的总数。图7A示出了软珊瑚的
募集物。图7B示出了石珊瑚的募集物。
图8A-8C提供了相比于波特兰水泥，至本发明的混凝土基材(分别表
示为M1、M2、M3、M4和M5)上的D.hemprichi碎片的天然附着(图8A)、
H.fuscescens幼虫的沉降(图8B)、多室草苔虫(B.neritina)幼虫的沉降(图
8C)的示意图比较。
图9描绘了布置后3个月，包括本发明的混凝土基材上累积的钙质
生物源生长的废料，表示为M4瓦片。
实施方案的详细描述
材料和方法
现场试验
检测了与标准波特兰水泥比较，五种不同混凝土基材的募集能力(在
植物群和动物群二者方面)。所有检测的基材经受30-50MPa的压缩力，
符合海洋建筑物的不同要求(参见“混凝土基材的制备”部分)。除了检测混
凝土组成对募集的作用，检测了表面纹理(即平滑的表面对有纹理的表面)
对海洋动物群和植物群的募集的作用。同时检测在埃拉特国际大学学院
(InterUniversityInstituteinEilat)的红海的热带环境中和在以色列阿什
杜德附近的地中海的温带水域中的募集。
15x15x4cm混凝土瓦片被用于现场试验。每一个瓦片，称重约2.5kg，
具有一个平滑面和一个有纹理的面。纹理使用塑料模板衬垫形成，产生珊
瑚虫样纹理。对于5种检测的基材(M1-M5)的每一种和波特兰水泥对照，
制备十个复制品。每一个瓦片用不揭示基材组成的ID数字(1、2、3...)来
标记。对每一个瓦片编号单独列出基材类型，允许“盲”取样(即，检验员
在不知道其混凝土组成下取样瓦片)，消除偏倚的数据收集。将瓦片安置
在海中布置的金属网格上。在红海站，将瓦片置于10m深处，而在地中
海站，由于较浅海床条件，在6m深处。将各种基材的瓦片随机放在网
格上，具有纹理的面朝向朝海方向。
将每一种基材的五个瓦片在布置后3、6和12个月取样。在每一个监
测事件中，将瓦片从海中临时重新取回并且完全在水下转移至实验室。使
用解剖显微镜仔细检查每一个瓦片的两面，在重新布置之前拍照并且取
样。根据Perkol-Finkel等人(2008)，使用1x1cm网格进行每一个瓦片面
上募集的类群的覆盖物的定量。注明的数据包括类群组成、群体生物(苔
藓虫类、被囊类和海绵类)的覆盖率百分比，以及单生生物体(被囊类、双
壳类和藤壶)的数目。不能按个体计数的分类学的组(即，龙介虫蠕虫的簇)，
或密度不同的组(菌丛和珊瑚藻)，被如下分级：0-不存在，1-稀疏分散，
2-密集分散和3-密集均匀。
此外，在布置后6和12个月监测期间，按照Perkol-Finkel等人(2006)
通过仔细将来自每一个瓦片的平滑面的四分之一的全部海底生物体和藻
类刮削，测量叶绿素浓度和生物量(有机和无机干重)。将每一个平滑面的
另外四分之一取样，用于按照Greenberg(1995)叶绿素含量分析。
数据分析包括基于欧几里德距离的相似度指数的单变量单向
PERMONOVA检验，用于有机和无机生物量、叶绿素浓度和生命覆盖率
百分比，以及通过基于Bray-Curtis相似度指数的参数PERMANOVA检验
(parametricPERMANOVAtest)类群聚集物的多变量数据分析。此外，当相
关时，应用事后成对检验。采用2D-MDS图图示地表示多变量数据中的
趋势。采用PRIMER/PERMANOVA程序进行所有分析(Anderson等人，
2008；Clarke和Gorley,2006)。图中数据被表示为平均值±SE，除非不同
地提及。
实验室试验
为了定量五种不同混凝土基材的募集提高能力，与标准波特兰水泥比
较，实施体外实验室试验。这些包括两种软珊瑚物种；Heteroxenia
fuscescens和Dendronephthyahemprichi，以及滤食性苔藓虫多室草苔虫的
幼虫。通过在实验室中孵育集落实施H.fuscescens和多室草苔虫的幼虫收
集，而对于D.hemprichi，使用捕捉器(seizers)从成年集落制备小碎片。除
了H.fuscescens较慢的沉降过程而在开始试验后一个月检查其的沉降之
外，在开始试验之后监测幼虫/碎片的沉降1周。监测期间，确定沉降在
每一个立方体上的幼虫/碎片的数目。
与和波特兰水泥对照相比，试验单元由现场中检测的五种基材
(M1-M5)对应的2.5x2.5x2.5cm混凝土立方体组成。每一个试验期间，检
测每一种基材的5-8个复制品(取决于幼虫可得性)。为此，将每一个混凝
土立方体置于填充有新鲜流动海水的单个250ml烧杯中并且留置持续3
天用于适应。适应之后，将一致数目的幼虫加至每一个烧杯。引入每一个
烧杯的幼虫的数目根据幼虫可得性不同，范围从5个/烧杯的最小值至40
个/烧杯的最大值。将水温保持与自然条件的水温相同。将烧杯置于具有
良好循环的流动水面中完全在水下。如果检查移动的幼虫，将烧杯至其高
度的3/4浸在流动的水系统中直到初始幼虫沉降(通常，24-72h)，之后将
烧杯完全浸在水下。
数据分析包括基于欧几里德距离的相似度指数的单变量单向
PERMONOVA检验、和采用PRIMER/PERMANOVA程序的事后成对检
验(Anderson等人，2008；Clarke和Gorley,2006)。
混凝土基材的制备
本研究中检测的基材在混合物中波特兰水泥的量、其他水泥的使用、
空气含量和加入混合器方面不同。在所有基材中包括防裂25mm微纤维。
通过80升卧式混合器将基材混合并且铸成带有塑料模板衬垫的
10x60x160cm模型。28天之后，通过水力喷射大理石散布(waterjetmarble
sow)将混凝土板切割成15x15cm试验瓦片。由于模板衬垫仅被应用于模
型的底面，每一个瓦片具有有纹理的一面和平滑的一面。
根据ASTM或EN标准检测所有基材，所述标准包括：抗压强度
-ASTMC39(AASHTOT22)、水压渗透耐受度-EN12390-8、氯离子渗透
耐受度-ASTMCI202-12。通过收集来自混凝土表面上的0.5cm深钻孔的
5gr钻剩余物并且将其在50ml的蒸馏水(pH7)中混合来检查混凝土pH
值。所有检测的混凝土基材(M1-M5)示出比基于波特兰水泥的混合物更低
的pH值(9-10.5分别相比于12.5-13.5，表1)。在抗压强度方面，M1-M5
具有与基于波特兰水泥的混合物的抗压强度相似或更大的强度，值达到高
达39.3MPa(M2)。除了具有高空气含量的M4和M5，所有基材提供比具
有相似密度(2300-2500kg/m3)和水压渗透耐受度(<20mm)的基于波特兰
水泥的混合物更高的氯离子渗透耐受度(<1500库仑)。
表1.各种创新性混凝土基材与波特兰水泥比较的物理参数。
![]()
![]()
NR-对于高空气含量混凝土不相关
结果
现场试验
群体数据的统计分析揭示位置(红海对地中海：df＝1,pseudof＝177.47,
P＝0.001)、布置后月数(3、6、12个月：df＝2,pseudof＝83.38,P＝0.001)、
基材类型(M1-M5、波特兰水泥：df＝5,pseudof＝2.45,P＝0.001)和板面(平滑
对有纹理的：df＝1,pseudof＝11.12,P＝0.001)之间物种聚集物的显著差异。
图1阐明了红海和地中海站的不同群体结构，以及表明群体结构随时间获
得相似度的明显的时间模式，如通过布置后12个月簇的相对邻近性(暗
影)，与MDS上呈现间隔较远的3和6个月的相对邻近性(浅影)比较表明
的。
募集至不同混凝土基材的类群组成在位置之间和随时间也不同(显著
位置x基材相互作用项：df＝5,pseudof＝1.50,P＝0.049以及月x基材：df＝10,
pseudof＝1.37,P＝0.037)。又，一般趋势表明包括波特兰水泥的瓦片不同于
其他混凝土基材(M1-5)地簇集，如图2中看到的。不同基材之间相似度的
水平随时间和在位置之间变化。
生命覆盖率百分比的分析(图3)支持多变量群体数据分析的结果，揭
示位置(df＝1,pseudof＝6.77,P＝0.009)、月数(df＝2,pseudof＝133.36,
P＝0.001)、瓦片面(df＝1,pseudof＝20.58,P＝0.001)和基材(df＝5,pseudo
f＝27.57,P＝0.001)之间不同的生命覆盖率。多种基材的覆盖率百分比趋势
在位置之间是一致的，但不随时间改变并且与瓦片面相关(显著相互作用
项：月x基材，df＝10,pseudof＝4.64,P＝0.001以及月x面：df＝2,pseudo
f＝9.00,P＝0.001)。成对比较示出，早在布置后3个月，波特兰水泥瓦片具
有比其他基材(主要地，募集最高生命覆盖率百分比的M1、M4和M5)
更低的生命覆盖率。
当检查与瓦片表面复杂性的趋势时，明显的是尽管在红海站中平滑的
和有纹理的瓦片面之间的差异是随时间一致的，但是在地中海站中，板面
之间的差异在开始是显著的(布置后3M)，但布置后6和12个月不显著。
这些结果与来自红海的多变量群体数据分析是一致的，清楚地表明总体上
复杂表面纹理与平滑不同，募集更多样性的和密集的水底聚集物(图4)。
多种创新性混凝土基材与波特兰水泥瓦片比较的募集能力的差异从
布置后6和12个月实施的生物量分析高度明显，尤其与无机材料相关(图
5)。尽管瓦片上募集的有机物质的量在位置之间不同(df＝1,pseudof＝4.93,
P＝0.029)，与布置后月数相关或不同基材之间没有呈现明显趋势。然而，
无机物质的浓度在位置(df＝1,pseudof＝83.53,P＝0.001)、月数(df＝1,pseudo
f＝11.16,P＝0.002)和基材(df＝5,pseudof＝7.28,P＝0.001)之间明显不同。这些
差异在位置(显著位置x月数相互作用：df＝1,pseudof＝4.23,P＝0.039)之间
随时间变化，并且成对比较表明在红海站中，M4和M5驱动基材之间的
差异，具有与其他基材相比的最高值，而在地中海站中，M1、M4和M5
在无机物质方面与其余基材相比具有最高值。
地中海站中募集至试验瓦片上的无机材料的量一致地高于红海中募
集的。然而，值通常在二者站中是高的，在地中海站中具有413.51±25.63
gr/m-2的平均值并且在红海站中具有201.14±10.28的平均值。浸没一年之
后，在红海和地中海二者站中，相同的基材展示无机物质的最大累积，在
地中海，M1、M4和M5分别具有547±107.58、659.51±65.844和
553.95±94.94gr/m2的值，并且在红海分别具有272.31±33.84、249.79±37.00
和257.03±39.34gr/m2。
叶绿素含量在位置(df＝1,pseudof＝52.62,P＝0.001)、布置后月数(df＝1,
pseudof＝9.09,P＝0.001)和基材中(df＝5,pseudof＝4.86,P＝0.001)之间也显著
不同。尽管，在大多数情况下，在两个研究站的叶绿素浓度在月数和基材
之间不同(显著位置x月数x基材相互作用项：df＝5,pseudof＝2.84,
P＝0.015)，如可以在图6中看到的，在两个站中一个趋势是一致的，其中
M1瓦片的叶绿素浓度明显比波特兰水泥瓦片的叶绿素浓度高(在两个站P
<0.05)。
珊瑚募集物，仅在热带红海环境中被发现，在布置后前6个月期间通
常是低的并且在最后监测中大大提高(图7)。一年之后，鉴定到不同基材
之间募集能力的显著差异，主要由软珊瑚募集的结果造成(df＝5,pseudo
f＝3.74,P＝0.015)。软珊瑚数据的成对分析示出，M5和M1具有比波特兰
水泥瓦片显著更高的募集，而与放置面无关。
实验室试验
在不同基材之间D.hemprichi碎片的自然附着是显著不同的(图8A，
df＝5,pseudof＝2.75,P＝0.042)，其中波特兰水泥具有最低附着率(16±9.42％
附着)，而M1和M5具有最高附着率(分别是44±11.86％和36±6.69％)。
相似但不显著的趋势也从以H.fuscescens幼虫的实验明显(图8C)。尽管
波特兰水泥示出比生态活性基材最低的平均值，但是由于在结果中的高变
异性，这不被统计检验支持。然而，成对比较确实发现M5和波特兰水泥
之间的最少限度地显著差异(P＝0.067)。但是，以多室草苔虫幼虫的实验
未产生显著结果(图8C，df＝4,pseudof＝4.05,P＝0.009)，其中波特兰水泥具
有最低沉降率(2.35±1.25％附着)，而M1具有最高募集率(14.14±7.20％)。
注意，这里不包括M5结果，因为由于技术误差，本试验中不包括M5。
讨论
随着沿海人群中逐渐增长的全球预言，预计沿海硬化和沿海城市的扩
大的趋势进一步增长。此外，鉴于与全球气候变化有关的过程，海岸线正
面临涉及海平面升高和提高的风暴度的增长的威胁(Dugan等人2011及其
中的参考文献)，要求现有沿海防御措施的立即修正。此项工作检查将轻
微修改应用至混凝土的组成和表面纹理的创新性方法，目标为促进海洋生
长和促进提高的生物源的积累。发现五种检测的基材中三种(M1、M4和
M5)是生态学活性的，相比于标准波特兰水泥展示提高的募集能力。这从
在二个取样站的实验室中和在现场中检查的生物参数中的大多数明显的。
总的来说，这些生态学活性基材募集更大生命覆盖(图1)，更多无机物质
(图5)，并且具有比基于波特兰水泥的标准混合物更高的珊瑚和目标微生
物沉降率(图7-8)。海洋动物群和植物群在基于混凝土的CMI上的天然聚
集的提高的募集能力产生有价值的结构、环境和社会经济益处。
在结构益处方面，因为CMI常被用于沿海防卫(比如，防波堤和海堤)，
所以重量和稳定性在结构性能方面起主要作用。在本研究中，生态活性混
凝土基材比波特兰水泥累积显著更多的无机物质。生态系统工程者如牡
蛎、龙介虫蠕虫、藤壶和珊瑚的生物源的积累，提高结构的重量，有助于
其稳定性和强度(Risinger,2012)。根据我们的结果，413(地中海)-201(红
海)gr/m2的平均值可以在12m时间段内被加至生态活性混凝土表面，达
到地中海中1kg/m2的最大值并且红海中接近0.5kg/m2最大值。
尽管有海洋生物体主要是穴居的海绵动物或某些物种绿藻的物种的
生长可以使混凝土表面恶化的情形(Jayakumar和Saravanane,2010；Scott
等人,1988)，我们的结果表明有益的生物保护作用。除了有助于CMI的
总重，珊瑚藻、牡蛎、珊瑚和龙介虫蠕虫的生物源的生长可以加强混凝土
表面。例如，Risinger(2012)检查了牡蛎生长对混凝土强度的影响，发现
用海生物覆盖的混凝土示出了在两年时间段内挠曲强度的十倍的显著提
高。除了重量增加，生物源的积累还提高毗邻基础设施元素(装甲单元、
海堤预制元素等)之间的结合，因为海生物充当可以帮助吸收波能和降低
结构的波浪冲击的生物源的胶。这样的生物源的积累，其随时间可以用钙
质层覆盖表面(图9)，还通过吸收水动力和保护混凝土免受氯化物攻击和
剥落来增加结构的耐用性。
尽管这样强的生长可以打乱基础设施的状态的视觉调查，可以通过随
机刮去将随时间重新生长的生长部分(通常，不多于表面的10％)实现检
查。鉴于以上，CMI中生态活性混凝土基材的应用可以帮助使其更可持
续的，并且从长远来看可以降低维修工作的需要和成本。
除了结构益处，生态活性混凝土基材还与实质环境利益有关。如从结
果明显的，已经证明生态活性的基材具有比标准波特兰水泥显著更高的生
命覆盖率(M1、M4和M5的平均覆盖率在布置后12个月二个站中接近
100％，而波特兰水泥瓦片平均82％-92％)。大部分的生命覆盖率由一方
面有助于生物源的积累的生态系统工程者(牡蛎、珊瑚、藤壶和龙介虫蠕
虫)、和另一方面可以提高水质和澄清度的滤食性生物体(比如，被囊类、
海绵动物、牡蛎和贻贝类)组成。此外，如从就地和体外沉降试验二者明
显的，珊瑚和其他典型潮间带生物体诸如多室草苔虫示出了明显偏好于生
态活性基材，主要地M1和M5。产生具有募集珊瑚和提供有价值的生态
系统服务的物种诸如滤食动物和生物源的建设者的提高的能力的CMI具
有很大生态重要性。通过提高CMI的生物生产力和生态价值，其生态足
迹可以被降低并且被用作城市自然区，而非将其视为受损的“城市化工业
沙漠”。
检测的一些创新性混凝土基材的另一环境优势是降低的碳足迹。因为
基材包括可以明显降低混合物中波特兰水泥的量的各种添加剂，已知波特
兰水泥是高碳足迹的(Matthews等人,2008)，这样的基材可以被认为是更
生态的。例如，M2和M3在给定的时间框架下未表现出非常不同于标准
波特兰水泥，但因为M2和M3具有降低的碳足迹，其仍旧被认为比标准
混凝土混合物更生态。然而，评估各种混凝土基材的碳足迹不是目前本研
究的范围并且需要进一步调查。
最后，因为CMI是遍及全球的海滨的完整的部分，所以其社会经济
影响不能被忽视。现今，当环境意识一直在提高时，环境机构要求生态补
偿(Puig和Villarroya,2013)和缓解政策。可持续的“绿蓝”海洋建筑技术可
以为管理者和决策者提供有效工具，降低CMI的环境足迹。除此以外，
将复杂纹理和设计整合至CMI，其促进天然海洋聚集，也促进产生城市
海洋天然区的提高的美学品质，能够提高沿海社区中环境意识。
概述
对基于混凝土的CMI的轻微修改，考虑到混凝土组成、表面纹理和
宏观设计，具有提高其支持工程物种形成生物源的积累，以及相关的滤食
性聚集物的能力的潜能。结果是提供提高的生态系统服务和诸如，提高的
水质、提高的使用寿命、结构稳定性和水动力的吸收的经济优势的独特的
水底聚集物。这些益处对必须对付攻击性盐水环境的CMI是非常重要的。