一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统及其构建方法

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本发明具体涉及一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统及其构建方法，广泛适用于水族馆市场、珊瑚生态系统的研究和应用。一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统，包括主珊瑚礁区、海浪冲刷区、沉降区、红树和沙层系统，藻床系统，珊瑚群落。同时，还提供了这种珊瑚礁景观系统的构建方法。通过搭建完善的硝化细菌系统、水流系统、海浪冲刷带、藻床、红树、沙层系统、珊瑚群落的配置成功模拟了海洋珊瑚礁中的多种生物过程，最终取代大型设备以及高强度的人工维护，成功在高生物密度的情况下长时间保持珊瑚需要的水质条件，而且实现珊瑚在自然状态下的生长速度并最终高度还原野生珊瑚礁的景观及功能，对各类型海洋馆以及人工珊瑚养殖技术和研究有重要的意义。

1.一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统，其特征在于，主要分为主珊瑚礁区(1)、海浪冲刷区(2)、沉降区(3)、红树和沙层系统(4)，藻床系统(5)，珊瑚群落，各个系统都设有光照系统，所述的主珊瑚礁区(1)包括多样的水流系统、强浪区、礁石间的弱流区，由礁石(11)、管道(12)、水泵(13)、蛋白质分离器和恒温设备(14)以及光照系统组成，管道(12)在入水口连接水泵(13)，并将多个管道(12)埋入礁石(11)中，蛋白质分离器(14)以及恒温设备(15)与水泵(13)连接，强浪区紧邻海浪冲刷区(2)，之后依次连接沉降区(3)、红树和沙层系统(4)，以及藻床系统(5)，最后与主珊瑚礁区(1)构成一个循环系统，珊瑚群落分布于整个循环系统中。 2.根据权利要求1所述的模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：1)、礁石以及暗涌管道的搭建，光照为14000K或日光，2)、鱼类群落的构建，构建鱼类群落，主要包括大型素食鱼类、小型素食鱼类、小型肉食鱼类和小型杂食鱼类，3)、硝化细菌系统的构建，4)、海浪冲刷区的搭建，光照为14000K或日光，5)、藻床系统的搭建，光照为6000K或日光，6)、珊瑚群落的搭建，包括小水螅体石质珊瑚、大水螅体石质珊瑚以及软珊瑚的搭建，光照为14000K或日光，7)、沙层和红树林系统的搭建，光照为6000K或日光。 3.根据权利要求2所述的模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，其特征在于：所述的硝化系统的构建，还包括如下步骤：利用海洋中岛礁上的干燥礁石，或是利用水泥以及树脂等的替代物作为细菌的菌床，在搭建系统初期，在鱼类开始排泄的初期进行第一次细菌引种，以开启氮循环；在水中检测到硝酸盐时进行第二次细菌引种，以获得更强的硝化作用；珊瑚生物种群搭建完善之后进行第三次细菌引种，用以再次平衡氮的输入和输出。 4.根据权利要求3所述的模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，其特征在于：所述的硝化系统的构建，首次引种方式是使用小块的天然珊瑚礁礁石或使用已搭建的人工系统中的礁石，以后使用已搭建的人工系统中的礁石。 5.根据权利要求2所述的模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，其特征在于：所述的水流系统是通过在礁石中埋入管道，利用水泵制造多向的水流，模拟浅海到深海的水流循环，通过造浪水泵在开阔区域创造间歇性或摆动性的水流模拟海浪。 6.根据权利要求2所述的模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，其特征在于：所述的海浪冲刷系统的构建是在浪较强的位置安置坡状结构。 7.根据权利要求2所述的模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，其特征在于：所述的藻床系统构建是通过在种植的藻类植物底部搭建空隙，并在空隙下方铺设海沙。 8.根据权利要求2所述的模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，其特征在于：所述的沙层和红树林系统，是通过在沉淀区旁边设置缓流区，同时在缓流区由上到下铺设逐渐变粗的贝壳沙，并在粗砂下层架空一个3cm到5cm的空间，使得水可以由上到下慢慢渗透；并在沙层种植红树。 9.根据权利要求2所述的模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，其特征在于：所述的珊瑚生物群落的搭建，主要包括根据世界各地野生珊瑚礁的实际景观进行珊瑚种类的搭配及拓扑结构构建，包括软珊瑚和石质珊瑚的投放；根据实际珊瑚礁的鱼类组成进行鱼类群落搭建，包括大型素食鱼类，小型素食鱼类，小型肉食鱼类，小型杂食鱼类；根据野生珊瑚礁的群落结构，引入包括清洁，食腐，食藻等功能的无脊椎动物；利用来自天然环境的浮游生物，搭建浮游生物群落。

技术领域

本发明具体涉及一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统及其构建方法，广泛适用于水族馆市场、珊瑚生态系统的研究和应用。

背景技术

珊瑚礁是海洋中最为重要的生态系统，对珊瑚礁的研究有着极高的科学价值，但是由于海洋大环境的不可控以及不确定性，开展珊瑚的相关研究也就极大地受到限制，寻求可控的高还原的人工珊瑚礁系统也是目前重要的研究方向。

人工珊瑚礁系统技术一直是国内短板，现阶段能够实现活体珊瑚饲养的系统多为家庭型，即较小水体的规模，并且需要通过大量昂贵的设备以及频繁的换水来维持珊瑚需要的高质量的水质。并且由于要维持珊瑚需要的清洁以及低营养的水质，难以在保障珊瑚存货的情况下饲养大量的鱼类，因此无法实现海洋中高生物多样性以及高生物密度的景观。

由于维持水质的高成本以及较高的技术要求，在国内海洋馆中，珊瑚礁景观基本是通过假珊瑚，例如塑料或树脂制作的珊瑚模型来实现的，仅有的活体珊瑚也只能通过很小的水族箱来展示，并且种类极其有限。特别是大型海洋馆，能完全模拟自然珊瑚礁的大型生态系统还未出现。

最主要的原因是珊瑚对水质的要求非常严格，在地球上，也仅有3％海域适合珊瑚生存，因此在人工环境下保障珊瑚存活的根本问题就是对水质的控制。在海洋中，由于其巨大的水量以及丰富的生态环境和生物多样性，能够为珊瑚礁生物提供稳定且舒适的生活环境。但是在人工环境下，由于有限的水体以及封闭的环境，长时间维持高质量的海水水质是比较困难的。现阶段主要依靠昂贵的水处理设备以及频繁的更换水质才能够实现。由于鱼类会向水中排便，这些粪便或代谢废物会逐渐在水中积累并使得海水中的含氮和含磷有机物越来越多，这些营养盐会使得珊瑚无法健康生活，过高的浓度甚至会杀死珊瑚。因此模拟海洋中大量鱼类的景观就更加加大了维持水质的难度。珊瑚礁所在海域的水质得以保持优质除了海洋巨大的水体量外，还包括微生物在内的各种生物行使的功能也极其重要。

发明内容

根据以上技术问题，本发明提供一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统及其构建方法。通过该技术，可以有效地模拟自然生态环境的珊瑚礁系统，对于各类型的水族馆或海洋馆的构建有非常重要的意义。

本发明的技术方案如下：

一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统，主要分为主珊瑚礁区(1)、海浪冲刷区(2)、沉降区(3)、红树和沙层系统(4)，藻床系统(5)，珊瑚群落，各个系统都设有光照系统，所述的主珊瑚礁区(1)包括多样的水流系统、强浪区、礁石间的弱流区，由礁石(11)、管道(12)、水泵(13)、蛋白质分离器和恒温设备(14)以及光照系统组成，管道(12)在入水口连接水泵(13)，并将多个管道(12)埋入礁石(11)中，蛋白质分离器(14)以及恒温设备(15)与水泵(13)连接，强浪区紧邻海浪冲刷区(2)，之后依次连接沉降区(3)、红树和沙层系统(4)，以及藻床系统(5)，最后与主珊瑚礁区(1)构成一个循环系统，珊瑚群落分布于整个循环系统中。

本发明还提供一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统的构建方法，包括如下步骤：

1).礁石景观以及暗涌管道的搭建，光照为14000K或日光，

2).鱼类群落的构建，构建鱼类群落，主要包括大型素食鱼类、小型素食鱼类、小型肉食鱼类和小型杂食鱼类，

3).硝化细菌系统的构建，

4).海浪冲刷区的搭建，光照为14000K或日光，

5).藻床系统的搭建，光照为6000K或日光，

6).珊瑚群落的搭建，包括小水螅体石质珊瑚、大水螅体石质珊瑚以及软珊瑚的搭建，光照为14000K或日光，

7).沙层和红树林系统的搭建，光照为6000K或日光。

进一步地，所述的硝化系统的构建，还包括如下步骤：利用海洋中岛礁上的干燥礁石，或是利用水泥以及树脂等的替代物作为细菌的菌床，在搭建系统初期，在鱼类开始排泄的初期进行第一次细菌引种，以开启氮循环；在水中检测到硝酸盐时进行第二次细菌引种，以获得更强的硝化作用；珊瑚生物种群搭建完善之后进行第三次细菌引种，用以再次平衡氮的输入和输出。

所述的硝化系统的构建，首次引种方式是使用小块的天然珊瑚礁礁石或，以后使用已搭建的人工系统中的礁石。

在海洋中，氮元素通过异养细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌的作用，由异养细菌将废物和排泄物转化为有毒的氨，再通过亚硝化作用转化为有毒的亚硝酸盐，之后通过硝化细菌转化为低毒的硝酸盐，最后通过反硝化作用转化为无毒的氮气并进入大气中。其中各个环节的产物如硝酸盐还能被其他生物利用。这些类型的细菌在珊瑚礁中一般生活在礁石表面或缝隙中，把礁石直接放入人工系统是一个最为直接的复制硝化细菌系统的方法，但是，礁石中也会带来大量有害的生物，并且长途运输的礁石会积累大量的生物尸体和废物，最为重要的是大量开采珊瑚礁的礁石是对珊瑚礁生态系统的极大破坏。

本发明利用一些海洋中岛礁上的干燥礁石，或是利用水泥以及树脂等的替代物作为细菌的菌床，在搭建系统初期，在鱼类开始排泄的初期进行一次细菌引种，以开启氮循环，首次引种方式是使用小块的天然珊瑚礁礁石，以后可以使用已搭建的人工系统中的礁石，在水中检测到硝酸盐时进行第二次细菌引种，以获得更强的硝化作用。鱼类类群搭建完善之后进行第三次细菌引种，用以再次平衡氮的输入和输出。

同时，本发明在系统中搭建大量的低氧环境和暗光区域，为硝酸盐参与反硝化的厌氧细菌提供生存环境。通过添加有机碳源的作用加快反硝化作用并最终将硝酸盐变为氮气排出系统，保持系统的低营养状态。

进一步地，所述的水流系统是通过在礁石中埋入管道，利用水泵制造多向的水流，模拟浅海到深海的水流循环，通过造浪水泵在开阔区域创造间歇性或摆动性的水流模拟海浪。

在礁石中埋入管道，利用水泵创造了多向的水流，模拟浅海到深海的水流循环，把高光带的有机废物输送到暗光区域，让生活在暗光环境的硝化细菌产生硝酸盐，再把硝酸盐输送到浮游生物，珊瑚和藻类生长的区域供其利用，多余的硝酸盐在被输送到厌氧区域转化为氮气。过造浪水泵在开阔区域创造间歇性或摆动性的水流模拟海浪的效果，以保证珊瑚生长所需的水流，并使海浪冲刷带能够工作。

进一步地，所述的海浪冲刷系统的构建是在浪较强的位置安置坡状结构。

优选地，所述的藻床的构建是通过在种植的藻类植物底部搭建空隙，并在空隙下方铺设海沙。

藻类在海洋中是控制水体富营养的重要生物之一，本发明通过在人工系统中种植大量的藻类有效的去除了富营养，并且藻类生长后能够成为植食性鱼类的食物。

不同于简单在水族箱中种植藻类的方法，本发明在藻类底部搭建了空隙，并在空隙下方铺设海沙，这使得这层空隙在夜间形成了一个低氧环境，为生活在下层海沙中的厌氧细菌提供反硝化的条件。

在海洋海岸区域以及暗礁、岩壁受到海浪的冲刷会滋生大量的潮间带藻类，这些藻类会快速的吸收水中过剩的含氮物质和磷酸盐。本发明通过在人工系统中浪较强的位置安置坡状结构，让水流反复冲刷其表面以滋生潮间带藻类。由于水会在藻类的空隙间停留一段时间，使得藻类能够有更多的时间吸收富营养，效率要高于传统的用于污水处理的藻屏系统(ATS)，另外藻类空隙间能够滋养浮游生物，并被海浪带回系统中供珊瑚捕食。

进一步地，所述的沙层和红树林系统，是通过在沉淀区旁边设置一个缓流区，在缓流区由上到下铺设逐渐变粗的贝壳沙，并在粗砂下层架空一个三到五厘米的空间，使得水可以由上到下慢慢渗透；并在沙层种植红树。

沙层在海洋中是反硝化作用的重要场所，另外大量的沙层生物也为很多鱼类提供了食物，鱼类的排泄物也能被沙层生物利用。

在人工系统中，本发明通过在沙层系统设置一个缓流区，让大量的营养盐在这个区域沉积，在此区域由上到下铺设逐渐变粗的贝壳沙，从而使得氧气由上到下逐渐被消耗，在下层较粗的沙的空隙间形成低氧环境从而使得反硝化过程得以实现。粗砂下层架空一个3cm到5cm的空间，使得水可以由上到下慢慢渗透。

红树林一般在江河入海口或是海岸潮间带生长，丰富的根系能够吸收富营养。通过在沙层中种植红树，使得系统中包含硝酸盐，厌氧细菌产生的硫化物等营养盐能够快速并集中的被红树根系吸收。

进一步地，珊瑚群落的搭建，主要包括根据世界各地野生珊瑚礁的实际景观进行珊瑚种类的搭配及拓扑结构构建，包括软珊瑚和石质珊瑚的投放；根据实际珊瑚礁的鱼类组成进行鱼类群落景观搭建，包括大型素食鱼类，小型素食鱼类，小型肉食鱼类，小型杂食鱼类；根据野生珊瑚礁的群落结构，引入包括清洁，食腐，食藻等功能的无脊椎动物；利用来自天然环境的浮游生物，搭建浮游生物群落。珊瑚礁的存在除了珊瑚本身，丰富的生物多样性也起着关键的作用，各个营养级共同组成了完整的珊瑚礁生态系统。

浮游生物是珊瑚重要的食物来源之一，尽管大部分的能量都通过共生藻光合作用供给，但是充足的浮游生物能够使珊瑚更好的抵抗疾病并获得更快的生长速度。

本发明在人工珊瑚礁系统中结合海浪冲刷、藻床中的空隙区域，以及礁石中由水流从暗光区带来的营养物质，保障了浮游生物能够充分繁殖和扩散，使得整个系统中始终能够有一定密度的浮游生物。

在人工珊瑚礁系统中，每一种生物都有各自的功能，由于能够很好的控制水中的富营养，本发明可以最大程度的模拟野生珊瑚礁的生物多样性结构，通过引入多种食腐生物，植食性生物，肉食性生物能够使得人工系统获得更高的“自动化”能力，对控制有害生物和平衡营养盐输出都有积极的作用。另外，高生物多样能够使系统更好的抵抗外界的干扰和影响，获得更好的稳定性。

本发明的工作原理：

通过搭建完善的硝化细菌系统，水流系统，海浪冲刷带，藻床，红树，沙层系统，珊瑚群落的配置成功模拟了海洋珊瑚礁中的多种生物过程。通过8年的研究，发明人对珊瑚礁中各种生物的功能进行了深入地探索，对包括微生物，藻类，鱼类，无脊椎动物，珊瑚等的生物作用开展了多方面的实验，最终对氮循环，营养的输入输出，营养级的构建，生物间的相互作用都根据海洋中的情况进行了成功模拟。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过本发明搭建完善的硝化细菌系统，水流系统，海浪冲刷带，藻床，红树，沙层系统，浮游生物系统以及生物多样性结构成功模拟了海洋珊瑚礁中的多种生物过程，最终取代大型设备以及人工换水，成功在高生物密度(包括鱼类)的情况下长时间保持珊瑚需要的水质条件，从而珊瑚能够基本实现在自然状态下的生长速度并最终高度还原野生珊瑚礁的景观及功能。

首次通过模拟珊瑚礁中各个生物环节实现搭建满足珊瑚生长所需的人工环境。去除了对大型设备和高频换水的依赖，这种人工系统不再受到成本和水体量的限制，在建筑条件允许的前提下，理论上能实现任何大小的水体量，对于大型海洋馆的建设来说是一个不小的进步。

通过成功控制营养的输入和输出，本发明首次解决了人工环境下鱼类生物量和珊瑚存活的矛盾，模拟鱼群和茂密的珊瑚共存的景观已经能够实现。

本发明通过对各个生物过程的调控，能够实现对人工珊瑚礁系统的控制，能够为科研提供平台

人工环境不受自然条件的影响和限制，加上高度还原野生珊瑚礁的特点，能够为珊瑚礁种质保藏和恢复提供条件。高还原度人工珊瑚礁系统能够为海洋馆提供真正的珊瑚礁景观，能够让人们无需前往海中就能看到珊瑚礁的风貌，弥补国内空白的同时可以提供更为准确且专业的海洋科普。高还原度人工珊瑚礁系统能够为珊瑚礁研究提供科研平台和种质资源，并为珊瑚礁保护和恢复提供种质保藏和野放种苗。

附图说明

图1为本发明珊瑚礁系统的结构示意图，

其中图中标记：1-主珊瑚礁区、2-海浪冲刷区、3-沉降区、4-红树和沙层系统、5-藻床系统，11-礁石、12-管道、13-水泵、14-蛋白质分离器和恒温设备。

具体实施方式：

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例1模拟自然环境的珊瑚礁景观系统

如图1所示，一种模拟自然生态环境的珊瑚礁系统，主要分为主珊瑚礁区1、海浪冲刷区2、沉降区3、红树和沙层系统4、藻床系统5，珊瑚群落，各个系统都设有光照系统，所述的主珊瑚礁区1包括多样的水流系统、强浪区、礁石间的弱流区，由礁石11、管道12、水泵13、蛋白质分离器和恒温设备14以及光照系统组成，管道12在入水口连接水泵13，并将多个管道12埋入礁石11中，蛋白质分离器14以及恒温设备15与水泵13连接，强浪区紧邻海浪冲刷区2，之后依次连接沉降区3、红树和沙层系统4，以及藻床系统5，最后与主珊瑚礁区1构成一个循环系统，珊瑚群落分布于整个循环系统中。实施例2模拟自然环境的珊瑚礁系统的构建方法

主要包括以下步骤：

首先，礁石景观以及暗涌管道的搭建，并引入水流。在人工礁石中埋入多根管道，利用水泵制造多向水流，模拟浅海到深海的水流循环，通过造浪水泵在开阔区域创造间歇性或摆动性的水流模拟海浪，光照强度为14000K或日光。然后，鱼类群落的构建，模拟海洋中的鱼群，构建鱼类群落，主要包括大型素食鱼类，小型素食鱼类，小型肉食鱼类，小型杂食鱼类。

再进行硝化细菌的第一引种，利用海洋中岛礁上的干燥礁石，或是利用水泥以及树脂等的替代物作为细菌的菌床。在鱼类开始排泄的初期，进行第一次细菌引种，以开启氮循环；首次引种优选使用小块的天然珊瑚礁礁石。

再次，进行海浪冲刷区的搭建，在浪较强的位置安置坡状结构构成海浪冲刷区。

第二次细菌引种，当在水中检测到硝酸盐时，进行第二次细菌引种，以获得更强的硝化作用；第二次引种可以使用已搭建的人工系统中的礁石或者小块的天然珊瑚礁礁石。

再进行藻床系统的搭建，通过在种植的藻类植物底部搭建空隙，并在空隙下方铺设海沙，光照强度为6000K或日光。

准备好后，进行珊瑚群落的配置以及沙层和红树林的搭建，光照强度为6000K或日光。沙层和红树林系统，是通过在沉淀区旁边设置缓流区，同时在缓流区由上到下铺设逐渐变粗的贝壳沙，并在粗砂下层架空1个3-5cm的空间，使得水可以由上到下慢慢渗透；并在沙层种植红树。所述的珊瑚生物群落的搭建，主要包括浮游生物及引入多种食腐生物，植食性生物，肉食性生物，主要包括根据世界各地野生珊瑚礁的实际景观进行珊瑚种类的搭配及拓扑结构构建，包括软珊瑚和石质珊瑚的投放；根据实际珊瑚礁的鱼类组成进行鱼类群落景观搭建，包括大型素食鱼类，例如单角鼻鱼，丝尾鼻鱼等，小型素食鱼类，例如黄高鳍刺尾鱼，拟刺尾鲷等，小型肉食鱼类，例如花斑连鳍黄身海猪鱼等，小型杂食鱼类，例如雀鲷科各物种；根据野生珊瑚礁的群落结构，引入包括清洁，食腐，食藻等功能的无脊椎动物，诸如鞭藻虾属各物种；利用来自天然环境的浮游生物，搭建浮游生物群落。

珊瑚生物种群搭建完善之后进行第三次细菌引种，用以再次平衡氮的输入和输出。第三次引种可以使用已搭建的人工系统中的礁石或者小块的天然珊瑚礁礁石。

本文标签： 珊瑚礁生态环境自然方法系统