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珊瑚礁方舟：一种 原位 用于构建珊瑚礁群落的中型生态系统及工具包

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DOI：

10.3791/64778

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2023年1月6日

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1Department of Biology, San Diego State University, 2Energy and Environmental Sciences Branch, Naval Information Warfare Center (NIWC) Pacific, 3Coastal Monitoring Associates, 4Department of Marine Microbiology and Biogeochemistry, NIOZ Royal Netherlands Institute for Sea Research, 5Computational Science Research Center, San Diego State University, 6Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, 7Department of Organismic and Evolutionary Biology, Harvard University

本文内容

摘要

被称为珊瑚方舟的锚定中层水体二十面体结构，提供了一种模块化、可扩展且垂直可调的科研平台，可用于在以往无法作业的区域（包括远海）构建、监测和扰动珊瑚礁群落。

摘要

珊瑚礁在支持多级营养结构并生长于有利的水质条件下（包括高光照强度、快速水流和低营养盐水平）时能够茁壮成长，并提供最大程度的生态系统服务。近年来，由于水质恶化及其他人为压力因素，导致许多珊瑚礁出现珊瑚死亡现象，进而引发营养级退化和生物复杂性的丧失。目前仍缺乏有效解决方案来逆转营养级退化的成因，部分原因在于珊瑚礁恢复工作往往仍在最初导致珊瑚死亡的不利环境条件下进行。

珊瑚方舟是一种具有正浮力的中层水体结构，旨在为迁移和自然定殖的珊瑚提供更优质的水质条件以及有益的隐存生物多样性，从而构建健康的珊瑚礁中型生态系统，用作长期研究平台。自主式珊瑚礁监测结构（ARMS）是一种被动沉降装置，可用于将隐存的珊瑚礁生物多样性转移到珊瑚方舟上，从而“促进”自然定殖过程，并为珊瑚健康提供生态支持。我们对两种方舟设计进行了建模和实验测试，以评估其结构的拖曳特性，并根据其对水动力作用的响应来评价其在中层水体中的长期稳定性。

随后，我们在两个加勒比海珊瑚礁地点安装了两种设计的珊瑚方舟结构，并随时间测量了与方舟环境相关的多项水质指标。在部署时及部署6个月后，珊瑚方舟显示出增强的珊瑚礁功能指标，包括更高的水流速度、光照强度和溶解氧水平，更高的移植珊瑚存活率，以及相较于同深度邻近海底区域更低的沉积物沉降和微生物化程度。该方法为研究人员提供了一个可调节的长期平台，用于构建珊瑚礁群落，其中局部水质条件可通过调整部署参数（如深度和地点）进行优化。

引言

在全球范围内，珊瑚礁生态系统正经历着从高生物多样性、以珊瑚为主的底栖群落向低多样性、以丝状藻和肉质大型藻类为主的群落转变1,2,3。数十年来，对珊瑚礁退化机制的研究揭示了微生物群落与大型生物群落之间的相互作用如何加速并加剧这些转变过程。例如，人类活动导致的珊瑚礁过度捕捞会引发营养级联效应，未被摄食的藻类通过光合作用产生过量糖类，将能量输入珊瑚礁微生物群落，从而促进病原体增殖，导致珊瑚衰退4,5,6。水质下降引起的珊瑚礁生物多样性丧失进一步加剧了这种营养级简化过程7,8。通过增加生物多样性和改善水质，中型生态系统（mesocosm）水平的实验可用于深入理解并缓解珊瑚礁群落的营养级退化问题，但受制于实际操作上的困难，这类研究在原位（in situ）实施具有较大挑战性。

珊瑚礁生态系统中营养级退化的一个后果是隐存生物多样性的广泛丧失，其中大部分物种尚未被充分研究和描述7,9。珊瑚依赖于一系列多样的隐存礁区生物（“隐存生物群”），这些生物通过在抵御捕食者10、清洁作用11、摄食竞争性藻类12,13以及调节礁区水体化学环境14,15等方面发挥关键作用，从而支持珊瑚的健康。由于传统视觉调查方法存在局限性，直到最近，隐存生物群在珊瑚礁生态学中的重要性一直被低估且认知不足，因此在珊瑚礁修复或重建工作中极少被纳入考虑。在过去十年中，通过使用标准化的附着装置——自主礁区监测结构（Autonomous Reef Monitoring Structures, ARMS），并结合高通量测序技术，科研人员得以更有效地收集和鉴定礁区隐存生物群16,17。ARMS能够被动地吸引几乎所有已知珊瑚礁生物多样性的代表类群，帮助揭示了隐存生物在礁区尺度生态过程中的多种功能作用9,18,19,20,21,22,23。因此，这类附着装置提供了一种机制，可在移植珊瑚的同时转移隐存生物群，从而构建更为完整的礁区群落，并重建由生物介导的关键生态功能，例如摄食、防御以及局部水体质量的改善，这些功能对于维持珊瑚礁的营养级结构至关重要。

以珊瑚为主的珊瑚礁在高光照、低营养盐和富氧的环境中茁壮成长。城市化、农业活动和过度捕捞等人类活动通过增加径流中的沉积物、营养盐、金属及其他化合物24,25，以及改变生物地球化学循环26，降低了众多珊瑚礁的水质。这些活动进而通过掩埋、能量耗竭、输送与沉积相关的污染物27,28，促进与珊瑚竞争的大型藻类生长29，增加微生物病原体的丰度6,30,31，以及形成导致隐生无脊椎动物死亡的低氧区域32,33，从而破坏珊瑚礁群落。这些“局部影响”还叠加了海洋环境的区域性和全球性变化，包括海水温度升高和pH值降低，进一步恶化了珊瑚及其他礁栖生物的生存条件34,35。特别是在底栖-水体界面，底栖群落的呼吸和光合作用动态导致pH值和溶解氧出现昼夜波动，这种波动在严重退化的珊瑚礁上更为显著，从而形成底栖无脊椎动物无法耐受的环境条件32,36,37,38。因此，提供适宜的水质条件对于构建功能完整的珊瑚礁群落至关重要，但这一目标仍具挑战性，因为越来越多的珊瑚礁陷入不同程度的退化状态。

珊瑚及底栖环境中关键的隐存生物类群所面临的诸多挑战可能得以克服 通过 重新安置到中层水域，此处定义为海洋表面与海底之间的水体环境。在中层水域环境中，水质得到改善39,40，沉积作用减少，且距离海底较远可减弱与底栖代谢相关的参数波动。通过向 offshore 区域移动，这些特征可进一步改善，因为陆地来源的人为影响（如陆源径流）随着离岸距离增加而逐渐被稀释。本文介绍并提供珊瑚礁方舟（Coral Reef Arks）的构建、部署与监测方案，该方法利用中层水体更优良的水质条件，并在锚定的正浮力结构上整合隐存生物多样性，以促进珊瑚礁群落的组建。

珊瑚礁方舟系统（简称“方舟”）由两个主要部分组成：（1）悬浮的刚性球形平台，位于海底之上；（2）覆盖生物体或经过“接种”的ARMS，用于将邻近海底区域的隐生生物群落迁移到方舟上，从而补充自然定殖过程，为移植的珊瑚提供更加多样且功能完整的珊瑚礁群落。选择球形结构是为了最大限度地增强结构强度，减少建筑材料（从而减轻重量），同时创造一个内部湍流环境，类似于珊瑚礁基质的水动力条件。

两种设计的珊瑚方舟已成功安装在加勒比海的两个野外地点，目前正用于珊瑚礁群落建立与生态演替的研究（图1）。珊瑚方舟结构旨在作为长期研究平台，因此本文的重点是描述选址、安装、监测和维护这些结构的操作规程，以最大限度地提高其在中层水体环境中的稳定性和使用寿命。通过建模与水下测试相结合的方法，评估了结构的拖曳特性，并据此优化设计以抵御预期的水动力作用。安装后，通过主动移植（珊瑚和接种过的ARMS单元）与自然定殖相结合的方式，在方舟结构及同深度附近的底栖对照区域建立了珊瑚礁群落。在早期演替阶段的多个时间点，记录了方舟上的水质条件、微生物群落动态以及珊瑚存活率，并与底栖对照区域进行了比较。迄今为止，与同深度邻近的底栖对照区域相比，中层水体珊瑚方舟环境的相关条件对珊瑚及其共生的隐存生物群落始终更为有利。以下方法描述了复制珊瑚方舟技术所需的步骤，包括如何选择地点、设计和部署珊瑚方舟结构。有关珊瑚方舟监测的建议方法详见补充文件1。

方案

注意：有关ARMS和珊瑚方舟（Coral Arks）结构的制造、部署和监测的详细信息，包括技术图纸、示意图和照片，详见补充文件1。涉及水下作业的实验步骤，包括方舟和ARMS结构的安装，建议由三名潜水员（使用水肺装备）和两名水面支援人员组成的团队完成。

1. ARMS 的组装与部署

注意：ARMS 是由聚氯乙烯（PVC）或石灰石基材制成的、体积约为 1 ft3（30 cm3）的结构，可模拟珊瑚礁硬质基底的三维复杂性。表1 针对不同项目需求讨论了两种 ARMS 设计方案。建议在转移至珊瑚方舟（Arks）前，先将 ARMS 部署 1 至 2 年，以最大程度促进隐生生物的定殖。

  1. PVC ARMS
    注意：本方案中提到的现成组件（列于材料表中）使用英制单位描述。所制备的材料则使用公制单位描述。详细的制备说明，包括各组件的技术图纸，见补充文件1的第1节。
    1. 组装
      1. 将四根直径1/4英寸、长8英寸、六角头螺栓穿过一块厚度为1/2英寸的PVC底板中心孔；然后将底板翻转，使螺栓垂直向上。
      2. 在每根螺栓上加一个尼龙垫片，再安装一块厚度为1/4英寸、尺寸为9英寸×9英寸的PVC板。由此在底板与第一块堆叠板之间形成一个开放层。
      3. 在对角的两根螺栓上安装长型十字间隔件，再在其余两根螺栓上安装短型十字间隔件，形成“X”形结构。然后添加另一块PVC堆叠板，构成一个封闭层。
      4. 重复步骤1.1.1.2和步骤1.1.1.3，交替构建开放层与封闭层，直至螺栓上共安装7至9层板（补充文件1-图S5）。
      5. 在每根螺栓顶端依次安装一个垫圈、一个六角螺母和一个尼龙嵌件锁紧螺母，并牢固拧紧。
    2. 部署时，将组装好的PVC ARMS运送至目标部署地点，在转移过程中用100 μm网眼材料覆盖ARMS，以保留小型移动无脊椎动物（补充文件1-图S6）。选择靠近健康珊瑚礁群落的一片硬质基底礁区。
      注意：具体部署地点的选择应考虑当地法规和许可要求，例如避免美国水域内《濒危物种法》所列物种的关键栖息地。
      1. 使用长度为3英寸、直径为1/2英寸的钢筋和锤子，将ARMS的四个角固定在海底。将钢筋略微向外倾斜打入基底石灰岩中，使钢筋对底板边缘产生张力（图2A，B）。
      2. 或者，使用重型扎带连接ARMS的链条，并用硬化混凝土袋锚定链条末端（图2C和补充文件1-图S6）。
  2. 石灰岩ARMS
    1. 组装时，首先准备12英寸×12英寸的未加工石灰岩或洞石瓷砖（图2）。确定所需石灰岩ARMS内部结构的复杂程度。
      注意：建议使用2 cm3的立方体。其他设计和考虑事项见补充文件1的第2节。
      1. 使用湿式瓷砖切割机，将若干未加工瓷砖切割成2 cm2的方形间隔件（约250个）。
      2. 将洞石瓷砖切割成所需形状作为ARMS各层。类似于PVC ARMS，使用12英寸×12英寸的正方形，并用间隔件堆叠形成1 ft3的立方体（补充文件1-图S8）。
      3. 使用双组分、无毒、海洋级环氧树脂，按照预先绘制的网格图案，将较小的洞石块粘接到较大的洞石堆叠板上。
      4. 制备多个层，当堆叠在一起时达到所需的ARMS高度。根据制造商建议让环氧树脂充分固化。
      5. 使用环氧树脂将ARMS堆叠板逐层粘合组装。
        注意：ARMS的高度将根据所需的重量和内部复杂性而变化。建议最终尺寸约为1 ft3。
      6. 部署前，将环氧树脂在无直射阳光条件下固化24小时。
    2. 部署时，将组装好的石灰岩ARMS运送至目标部署地点。选择靠近健康珊瑚礁群落的一片硬质基底礁区。
      ​注意：具体部署地点的选择应考虑当地法规和许可要求，例如避免美国水域内《濒危物种法》所列物种的关键栖息地。
      1. 使用牛奶箱和提升袋将ARMS运送至海底。将石灰岩ARMS楔入死亡的礁体基质（活石）中。避免沙质底质以及被丝状藻或底栖蓝细菌膜严重定植的区域。
      2. 将石灰岩ARMS放置在岩石悬垂体和露头旁，以保护其免受波浪作用和风暴潮的影响。

2. 珊瑚方舟的组装与部署

注意：表2讨论了在不同项目参数下珊瑚方舟的设计考虑因素。可根据所需最终珊瑚方舟结构的尺寸和重量，调整其子部件（支撑杆、连接件、平台、系泊组件和正浮力装置）的尺寸。

  1. 锚固系统的安装
    注意：根据具体地点和项目情况（如珊瑚方舟的设计、风暴频率、底质类型、地点暴露程度、项目持续时间以及由拖曳力、水流和浮力引起的预期受力）选择锚定系统。参见 PADI41 了解系泊系统选择的要点。
    1. 在沙质底部和松散碎石生境中使用沙锚。
      1. 将沙锚运送到海底。将沙锚垂直立起，旋转并将其埋入沙中或松散的碎石中，直至第一个圆盘完全被覆盖。
      2. 将一根5英尺长的金属转杆穿过锚环，使转杆的大部分从锚环的一侧伸出。
      3. 在海底行走或游泳绕圈，将沙锚螺旋拧入底质，直至仅剩锚眼露出海底（补充文件1-图S20).
      4. 以三角形模式安装三个沙锚螺钉，并用链条吊索连接，以增强固定力（补充文件1-图S20).
    2. 在硬质基底和碳酸盐基岩生境中使用 Halas 锚。
      1. 将9-12个吊环螺栓和一台潜水钻机（电动或气动）运送至锚定位置。
      2. 使用潜水钻和直径1英寸的砌体开孔锯，在基岩上钻一个深9英寸、宽1英寸的孔。 periodically 使用火鸡注射器清除孔中多余的基质。
      3. 用波特兰水泥或海洋级环氧树脂填充孔洞。将吊环螺栓杆插入孔中，并用水泥或环氧树脂填满剩余间隙。
      4. 让水泥/环氧树脂固化5天。
      5. 为增强固定能力，安装三个Halas锚，呈三角形排列，并用链条连接。
    3. 在已有系泊块或重型碎屑物的区域，使用块状系泊方式。
      注意：安装新的系泊块需要使用商业级安装设备（如驳船起重机），不建议在规模较小的项目中进行。
      1. 将系泊系统连接到现有的重型残骸物体（如沉船、发动机块）或现有的系泊块环上 通过 硬件和索具
      2. 确保金属系泊组件采用相似的金属材料制成，并使用牺牲阳极防止电偶腐蚀。
  2. 1V 频率结构（双平台）
    注意：组件制造的技术图纸及详细制作说明见 第4节 的 补充文件 1. 本方案中提到的现成组件（列于下文） 材料表) 使用英制单位进行描述。
    1. 1V 二十面体框架的组装
      1. 将一个1/4-20不锈钢六角螺母拧到一个1/4-20 2.5英寸不锈钢螺栓上，拧至螺栓顶部的3/4位置。将该螺栓插入型材内侧朝向的孔之一。
      2. 将一个锁紧螺母固定在螺钉的另一侧，拧紧至与PVC管紧密贴合，以防止轮毂沿槽钢长度方向滑动。
      3. 对另一侧的支柱以及其余29根支柱重复上述操作。
      4. 将每根支杆的一端穿过轮毂上的一个孔，并通过支杆外侧的孔安装另一颗螺栓，最后用锁紧螺母固定，以防止支杆从轮毂中滑出 （补充文件1-图S24）).
      5. 对一个中心节点中的全部五根支柱重复上述步骤，然后继续添加中心节点和支柱，直至组装成测地线球体（补充文件1-图S24).
      6. 展开1/8英寸不锈钢钢丝绳，开始将其穿入支撑杆中。使用尼龙扎带在每个轮毂处制作12个环，大小约如一枚银元，每个轮毂一个。当钢丝绳穿过支撑杆时，将其穿过轮毂处的扎带环，然后继续穿入下一个支撑杆。
        注意：部分支撑杆将被重复使用。
      7. 继续穿线，直到钢丝绳穿过所有支柱，并通过每个顶点中心的扎带环连接。
      8. 将钢缆穿回起点。使用钳子拉紧扎带环，使其收缩至最小尺寸，使各段钢丝绳紧密靠拢。在所有钢丝绳段上安装一个1/2英寸不锈钢钢缆夹，并牢固拧紧。
      9. 对结构的所有顶点重复上述步骤。
      10. 将钢丝绳的起始端与末端对接，并使用三个1/2英寸电缆夹将其固定在一起。
        注意：钢丝绳（断裂强度：2,000 磅）现在应承受结构上的大部分载荷，从而显著增强其强度。
      11. 安装由两段3/8英寸不锈钢钢缆组成的索具系统，钢缆两端通过液压压接形成环状。将PVC端帽安装在压接件之间，使钢缆贯穿整个珊瑚方舟的长度，并在顶部和底部留出环状结构，用于连接锚泊/浮标绳索。中部采用花篮螺栓系统连接两段不锈钢钢缆。
      12. 将缆绳的底端穿过方舟的顶部和底部，使用锤子将端盖安装到顶部和底部的轮毂上。将螺纹吊环拧入松紧螺旋扣，并拧紧，直至结构受到足够的张力，使整个系统变得稳固（补充文件1-图S24).
      13. 将每个模压玻璃钢格栅（切割成两个半五边形）放入 Ark 内部，使用承重 250 磅的重型扎带将平台侧边固定在 Ark 的支撑杆上（补充文件1-图S24).
      14. 在结构下方放置一根玻璃钢工字梁，使其连接玻璃钢平台的两个半部分。使用两个1/4 in-20不锈钢U型螺栓将其固定在平台的底面。
      15. 对剩余的四根工字梁重复上述操作，沿平台长度方向均匀分布。这将连接并支撑平台的两个半部分，形成一个完整的五边形。
      16. 拧紧平台边缘的重型扎带，并剪去多余部分。此步骤完成后，内部平台已牢固地整合到珊瑚方舟结构中。补充文件1-图S24).
      17. 使用不锈钢扎丝将松紧器的两端以及所有卸扣进行绑扎固定。完成此步骤后，方舟结构将具备两个集成平台、顶部和底部的硬件安装附着点，以及一根承受结构上大部分张力的中心缆索。 通过 锚定与正浮力
    2. 将系泊绳固定到球形框架上
      注意：系泊系统的设计应确保所有单个系泊组件的断裂强度超过由环境条件和极端环境条件引起的最大预期负荷。有关水动力学建模在系泊系统设计中应用的说明，请参见代表性结果部分。建议将负荷分布在珊瑚方舟和海床锚定系统的多个连接点上，以便在个别组件失效时增加系统的冗余性。
      1. 设计系泊绳索和硬件，以确保方舟基座与锚定系统之间的牢固连接（参见 图1 （以一个实例为例）。
        注意：建议设计系泊系统，使方舟结构的中线位于30 m深度。
      2. 将双编绳的一端通过卸扣连接到珊瑚方舟的基座环上。将一个高强度不锈钢旋转卸扣连接到该绳索的底部图1 和 补充文件1-图S25).
      3. 将双编绳索的顶端连接至旋转卸扣的底部。该绳索的底端将连接至锚定系统。图1 和 补充文件1-图S25).
    3. 将珊瑚方舟运送到部署地点
      1. 运输珊瑚方舟 通过 一辆平板卡车运送到部署地点附近的海滩（近岸部署，经由沙滩入水）或船只下水点（船舶部署）。
      2. 使用一个1/2英寸的卸扣，将一个220磅的提升袋连接到方舟顶部的不锈钢吊环上。
      3. 将系泊绳（含用于连接海底锚点的硬件）固定在方舟基部。
      4. 对于缺乏A型架或吊艇架的船只，在部署时应将珊瑚方舟装载到船上，使其能够轻松地从船体滚动入水（避免从船首高舷处或船尾外挂发动机处下水）。
      5. 从岸边部署时，将珊瑚方舟滚入水中，直至达到可向提升袋充气的足够水深（图3).
      6. 游至、拖拽或在水面运输珊瑚方舟至锚定位置（图3).
    4. 珊瑚礁方舟与系泊系统的连接
      注意：此时，珊瑚方舟系统由一个提升袋支撑，漂浮在锚定位置上方的水面处。以下任务需在水下通过自携式水下呼吸器（SCUBA）完成，且至少需要三名潜水员组成的团队协作执行。
      1. 缓慢释放提升袋中的空气，控制下降速度，使装置平稳降落至锚定系统。
      2. 将 Ark 底部的系泊硬件连接到锚定系统。
      3. 通过向提升气囊充气来增加珊瑚方舟系统的正浮力，并检查监测组件的结构完整性。确保卸扣安装到位且锚固牢固。使用保险丝对所有卸扣进行保险固定。
      4. 将一段较短的双编结绳索的一端绳眼通过卸扣连接至珊瑚方舟系统顶部的绳眼。用卸扣将一个聚氨酯充气浮标连接至该绳索的另一端补充文件1-图S25).
      5. 使用连接到压缩空气小气瓶的标准低压空气喷嘴适配器，向系泊浮标内充入空气，直至其充满约75%的空气。
      6. 缓慢释放提升袋中的空气，并将其从系统中移除。
      7. 为使用石灰岩 ARMS 或需补偿生物量积累的珊瑚方舟系统，增加更大或更多的系泊浮标。
    5. 珊瑚礁自主监测结构（ARMS）在珊瑚方舟（Arks）上的安装
      1. 从接种位置回收 ARMS，并放入内衬有牛奶箱的容器中 100 µm 网眼，以防止ARMS内部小型移动无脊椎动物的流失。
      2. 将 ARMS 转移至 Ark 站点时，应置于装有遮阴、低温海水的容器中。
      3. 将ARMS放置在Arks的顶部或底部平台，均匀分布其在平台上的重量。
      4. 将重型电缆扎带穿过模压玻璃钢平台以及 PVC 或石灰岩 ARMS 的底部，并拧紧以将 ARMS 固定在方舟框架上（补充文件1-图S25).
  3. 2V 频率结构（Shell）
    注意：组件制造的技术图纸及详细制作说明见 第3节 的 补充文件 1.
    1. 2V 二十面体球顶框架的组装
      1. 根据 VikingDome 提供的指南组装 Ark 支架框架补充文件1-图S11).
      2. 在一根长2.5英寸、规格为10/32的不锈钢螺栓上加一个垫圈。将螺栓穿过撑条末端的两个孔之一，在内侧表面（针对S1或S2撑条的特定孔）添加一个STAR连接器，并用锁紧螺母固定。
      3. 对第二个螺栓孔重复上述操作。在结构完全组装完毕之前，暂不拧紧锁紧螺母。补充文件1-图S12).
      4. 拧紧珊瑚方舟的安装框架。在完成步骤2.3.1.1后，支柱与STAR连接处仍处于松动且可调节状态。使用套筒扳手（10 mm或3/8英寸套筒）和十字头螺丝刀开始拧紧锁紧螺母。
      5. 在整个结构中依次进行，直至所有锁紧螺母均已拧紧，且锁紧螺母的尼龙嵌件完全旋入螺栓的螺纹中。
      6. 在基座的不锈钢S1支柱上安装垫眼，用于固定系泊索具，并用四个3英寸平头不锈钢螺栓固定。
      7. 添加1/4英寸-20锁紧螺母并拧紧。重复操作，共设置五个系泊连接点（补充文件1-图S17).
      8. 将10个ARMS基板安装到朝向中间的N2 STAR连接器上。将一根3英寸盘头螺栓穿过ARMS基板的中心孔，然后在螺栓杆上加一个灰色PVC垫柱，并将其穿过N2 STAR连接器的中心孔，使基板位于结构内部。添加一个垫圈和一个锁紧螺母，并拧紧。
      9. 安装两个支架，并使用四个 3 1/4 英寸六角头螺栓和锁紧螺母将 ARMS 基板固定在支撑杆上。拧紧所有锁紧螺母。保持所有 ARMS 基板的方向一致（补充文件1-图S15).
      10. 将20个珊瑚板基板安装到朝上的支撑杆上。将四根3英寸六角头螺栓穿过珊瑚板基板上的孔，并使用支架和锁紧螺母将其固定在支撑杆上。另一侧重复此操作。拧紧锁紧螺母以固定补充文件1-图S15).
      11. 在珊瑚方舟的中央脊柱上添加一根中心杆和拖网浮标。将一根8英尺长的无螺纹玻璃纤维杆插入方舟底部经焊接管段改装的STAR连接器中。在结构内部的无螺纹玻璃纤维杆上套入一个1英寸的垫圈和一个未经改装的拖网浮标。最后将杆穿过方舟顶部的STAR连接器，完成安装。
      12. 将螺栓穿过改装后的STAR连接器上的金属管，并将锁紧螺母固定在Ark内部的锁杆上。在拖网浮球（Ark顶部）正下方安装一个绿色管夹并拧紧。
      13. 将改装后的拖网浮标安装在顶部，朝向已改装并带有1英寸中心孔的N2和N1 STAR连接器。在暴露的螺纹玻璃纤维杆较长一端添加一个玻璃纤维垫圈。
      14. 通过改装后的 STAR 连接器孔固定，使拖网浮标朝向结构内部。添加另一个玻璃钢垫圈和一个玻璃钢六角螺母。使用扳手并旋转浮标将其拧紧补充文件 1-图 S16).
    2. 将系泊系统固定到球形框架上
      1. 设计系泊绳索和硬件，以确保方舟基座与锚固系统之间连接牢固（参见 图1 例如）。
        注意：建议设计系泊系统，使珊瑚方舟结构的中线位于10 m水深处。
      2. 将 Ark 结构底部的每个吊环垫片与一根直径为 3/4 英寸的双编光谱绳末端的编结环用高强度、直径为 7/16 英寸的不锈钢卸扣连接补充文件1-图S17).
      3. 使用1/2英寸螺纹销卸扣，将每根Spectra绳的另一端连接至两个不锈钢Masterlink中的一个，使每个连接环具有两到三个连接点。
      4. 将3/4英寸旋转卸扣连接至主连接环底部，并与一根1英寸尼龙绳的眼环端连接，该尼龙绳已用不锈钢衬套进行插接。
      5. 将一个 3/4 英寸的卸扣连接到尼龙绳另一端的眼环和索环上。该卸扣将与锚定系统相连补充文件1-图S17).
    3. 2V型珊瑚方舟向部署地点的运输
      注意：壳状方舟（Shell Ark）的部署需要配备平 stern 和内置发动机的船只，以便将方舟从船甲板上直接滚入水中，或使用带有大型吊臂或A型架的船只。
      1. 运输珊瑚方舟 通过 一辆平板卡车到码头或游艇港。
      2. 使用合适尺寸的叉车将珊瑚方舟装载到船上补充文件1-图S21).
      3. 将系泊绳索和硬件（包括用于连接至海底锚固系统的下放绳索及相关硬件）固定在方舟基部。
      4. 将珊瑚方舟运送到锚定位置（图3准备一根长度约等于锚定系统深度的绳索，一端系上卸扣，另一端系上浮标。
      5. 将绳索的卸扣端连接至锚定系统，浮标端漂浮于水面。
      6. 将珊瑚方舟安全地从船尾甲板滚入水中，或使用吊臂或A型架将其部署入水。将绳索的浮标端连接至具有正浮力的方舟，使结构体浮于锚定系统上方。
    4. 珊瑚礁方舟与系泊系统的连接
      注意：此时，珊瑚方舟结构依靠集成的浮力元件（浮体）漂浮在锚定位置的水面之上。以下任务需在水下通过自携式水下呼吸器（SCUBA）完成，且至少需要三名潜水员和两名水面支援人员协作进行。
      1. 将滑轮组系统的上滑轮块固定在珊瑚方舟基座的稳固连接点上，下放滑轮组的同时将其从卷轴上展开，然后将下滑轮块连接至锚定系统（补充文件1-图S19).
      2. 将绳索穿过底部滑轮组以启动滑轮系统，将珊瑚方舟下放至预定深度。每次拉动后，应将绳索固定在系缆桩上。补充文件1-图S19).
        注意：对于初始正浮力较大的方舟系统，应使用6:1的滑轮组以获得最大机械效益。也可暂时在方舟系统上附加配重，以减小使结构下沉所需的浮力。
      3. 继续将珊瑚方舟下放至目标深度，直至下放绳索和系泊连接硬件能够与锚固系统相连。使用金属丝固定所有卸扣。
      4. 检查所有系泊部件的完整性。确保卸扣正确安装，锚固点牢固就位。
      5. 缓慢地将滑轮组的张力转移至系泊系统。取下滑轮组、配重和浮标绳。
    5. 珊瑚礁自主监测结构（ARMS）在珊瑚方舟（Arks）上的安装
      1. 从接种位置取出 ARMS，并放入内衬有牛奶箱的容器中 100 μm 使用网筛防止生活在ARMS内的小型移动无脊椎动物流失。将ARMS转移至Ark地点时，应置于装有遮阴且冷却海水的容器中。
      2. 将ARMS穿过Ark中线附近的较大三角形开口之一，使ARMS进入结构内部。将ARMS牢固地固定在Ark框架内部安装的白色基板之一上。
      3. 将一根 1/2 英寸-13、1.75 英寸长的不锈钢六角头螺栓穿过 ARMS 基板的一个开口角孔及下方白色的 HDPE 基板，于螺栓从另一侧穿出处安装一个不锈钢锁紧螺母，并拧紧至稳固。其余三侧依同样方式重复操作。图 2D).
      4. 前后推动 ARMS 以确保牢固附着。
    6. 珊瑚在珊瑚方舟上的附着
      1. 使用长度为2英寸、规格为1/4英寸-20的不锈钢六角头螺栓，配合垫圈和锁紧螺母，在四个角将含有用环氧树脂固定在石灰岩瓦片上的珊瑚的珊瑚板，紧固到珊瑚方舟外部的高密度聚乙烯（HDPE）基板上。
      2. 使用套筒扳手拧紧锁紧螺母，以固定珊瑚板的位置。

3. 珊瑚方舟的监测与维护

注意：组件制造的技术图纸及详细制作说明见 第7节 的 补充文件 1.

  1. 测量珊瑚方舟在水中的重量
    1. 将水下负荷传感器连接到滑轮组系统，用于暂时将系泊线上的张力转移至应变仪系统。
    2. 将滑轮组的底端固定在珊瑚方舟系泊系统的稳固位置，例如中间卸扣点或海底锚点；将负荷传感器的顶端固定在珊瑚方舟安装框架上的稳固位置（补充文件1-图S33）。
    3. 在不拆除或改动珊瑚方舟系泊组件的前提下，将系泊线穿过滑轮组系统，通过逐次拉动并将绳索固定在绞盘上，使张力从珊瑚方舟系泊系统转移至滑轮系统（补充文件1-图S33）。
    4. 确保系泊线完全松弛，以便应变仪采集张力数据（补充文件1-图S33）。
    5. 缓慢将张力从滑轮组系统重新转移回珊瑚方舟的系泊线，检查确认卸扣及其他系泊组件已正确就位并牢固固定。
    6. 对于长期数据采集，可将负荷传感器作为“串联”组件集成至系泊系统中，并定期更换数据记录仪以获取数据。
  2. 珊瑚方舟的长期维护
    1. 定期检查珊瑚方舟的系泊系统，并根据需要进行维护工作。
      注：参见 补充文件-图S18 中的维护检查表示例。建议每半年进行一次维护。
    2. 确保锚点持续提供最大抓持力（即未从基质中脱出）。
    3. 清除附着在系泊线上的污损生物，防止其侵入并破坏系泊线的完整性。
    4. 根据需要更换老化组件，例如牺牲阳极、卸扣和系泊线（补充文件-图S18）。
    5. 根据生物量积累情况，通过增加固定浮体或向现有系泊浮标充气的方式，适时补充浮力。

结果

上述方法提供了两种珊瑚方舟（Coral Arks）系统设计的组装与安装说明。在长期部署之前，每种设计的原型均在美国加利福尼亚州圣迭戈（San Diego, USA）完成组装并进行了实地测试，以评估其拖曳特性，并根据强度的建模值与实测值优化结构完整性。用于选择和优化本文所展示的两种方舟几何结构的建模工作，包括风洞测试、水动力模拟以及利用原型结构对建模值进行水下验证的结果，已在补充文件1的第6节中详细描述。此处展示了“壳状”（Shell）方舟设计的建模与水下测试结果。随后，每种设计各部署两个结构，分别位于加勒比海地区的波多黎各和库拉索实地站点（共安装四个方舟结构），并将珊瑚移植至这些结构上。在为期6个月的多个时间点，采集了与“壳状”方舟设计及两个海底对照点相关的水质、微生物群落以及珊瑚存活率等指标，以表征并确定自然定殖以及添加接种的ARMS后，与方舟结构相关的环境参数和珊瑚健康状况的变化。

珊瑚方舟的阻力特性
为了设计能够在目标环境中长期存续的结构和系泊系统，了解珊瑚方舟的阻力特性至关重要。从结构角度来看，水动力阻力与净浮力共同作用，会在结构内部产生载荷，尤其对系泊系统及其锚固装置造成显著影响。我们通过建模与实验测量相结合的方法，评估了方舟结构的阻力特性。以下详述针对“壳体”（Shell）设计的方舟结构测试结果。建模过程通过估算结构各个组成部分的阻力，将其逐项求和，再将结果整合为一个有效阻力系数，如公式（1）和公式（2）所示：

总位移公式，D_total=Σ 从 i=0 到 n 的 D_i；数学公式。    （1）

阻力系数公式 \(C_D = \frac{D_{\text{total}}}{\frac{1}{2} \rho U^2 A}\)，空气动力学分析    (2)

其中 D总计 结构的总阻力是否由各部分阻力之和估算得出 Di 元素拖拽， CD 是整体结构的阻力系数，是流体密度， U 是物体相对于流体的流速，且 A 是该结构的迎水面积。在这些计算中，所有构件均被假定为圆柱体，其相对于水流的方向由“方舟”结构的直立几何形态决定。建模所针对的是与后续拖曳测试（见下文）所采用的相同原型“外壳”系统（一个2V级测地线球体），该系统用于最终野外系统的建造之前。该原型的总迎水面积约为2.10 m²。2，建模结果表明整个结构的有效阻力系数约为 0.12。结构阻力随速度变化的模型预测结果如图所示 图4.

通过将“方舟”结构体拖曳在船只后方，利用串联在拖曳绳中的测力传感器和倾斜传感器，测量了在不同拖曳速度下该结构体在水中所受阻力的实验估计值，同时记录了“方舟”相对于垂直轴方向的姿态变化。在拖曳实验前，首先确定了结构体在水中的重量，并向结构体添加了足够的额外重量，以模拟约200 kg的净浮力（该系统的初始设计目标）。根据拖曳缆绳中的张力以及“方舟”的倾斜角度，利用公式（3）计算出各速度下的阻力（Dtow）：

静态平衡；公式：D<sub>tow</sub> = T × sinθ；物理公式；矢量分量。    (3)

其中 T 为测力传感器测得的张力，为相对于垂直轴的倾斜角度。由此得到的阻力与速度关系如图4所示。通过阻力随速度变化的最佳拟合曲线（形式为 Dtow α U2；见图4），结合对迎流截面积和水密度的估计，计算得到经验阻力系数为 0.13。

拖曳测试期间（以及建模所用范围）的雷诺数处于105-106范围内，通常属于湍流流动状态。在此雷诺数范围内，球体的阻力系数典型值介于0.2至0.4之间。为便于比较，图4展示了阻力系数为0.3的球体阻力曲线。因此，模型计算与实验测得的阻力系数比球体小约2至3倍，这与该结构更为开放的特性一致。

为了验证这些模拟结果，我们还对两个“Shell”Arks结构在水流作用下的响应进行了现场测量。为此，将相同的载荷传感器临时安装在Arks主锚绳的线路中，同时在Arks上安装了倾角传感器，并在站点安装了流速仪以同步监测水流速度。随后，根据倾角和载荷传感器的测量结果计算出张力中的浮力和拖曳力分量（图5）。测量期间的流速相对稳定，约为20 cm/s，且数据集持续时间较短；因此，将该时段内的数据取平均值，用于将现场测得的拖曳力与流速响应同模拟和实验拖曳估算结果进行比较。这些结果表明，在部署地点预期的条件下（典型风暴事件中流速最高达1.3 m/s），系统所受的拖曳力预计低于300 kg。

波多黎各别克斯岛的两座“Shell”结构在2022年9月遭受一级飓风菲奥娜的正面袭击后，结构、系泊系统及锚固系统均未出现明显损坏，证明了其 原位 支持该设计的测试显示，部署点附近的一个浮标（CARICOOS）在10 m水深记录到1.05 m/s的流速，相当于对系泊系统产生约160 kg的拖曳力。该系统设计可承受1,600 kg的力（综合考虑锚固能力和组件断裂强度），因此在常规环境条件或典型风暴条件下预计不会发生失效。

珊瑚方舟的净浮力监测
用于验证方舟结构拖曳特性的相同方法也被用于开发一种监测方舟净浮力的方法。只要方舟的物理结构保持不变，净浮力便可作为整体群落钙化程度（从而反映珊瑚生长状况）的一个粗略代理指标，同时也可作为维护参数，用以判断系统是否具有足够的正浮力以补偿随时间推移的生物生长。系留张力中的浮力分量（B）通过应变计和倾斜传感器的数据，代入公式（4）计算得出：

静力平衡方程 B=Tcosθ，用于演示力的分量分析。    (4)

其中 T 是来自测力传感器的测量张力，是倾斜角度。净浮力的最终时间序列如图所示 图5在波多黎各维埃克斯岛部署的两次现场监测期间，水流条件相对稳定。在初始结构部署6个月后，将所有珊瑚和接种的ARMS单元转移至结构上，监测期间（±一个标准差）的平均结果显示，两个“Shell”Arks结构的净浮力相似，分别为82.7 kg ± 1.0 kg（Arks 1）和83.0 kg ± 0.9 kg（Arks 2）。结果表明，在水流相对稳定的短期监测期内，可在现场将净浮力测定到约1 kg的精度，这一方法长期来看可用于监测生物量的变化。

水质与微生物群落动态
在波多黎各维埃克斯岛近海的两个中层水域“Shell”人工礁（Arks）上测量了与水质及水体相关微生物群落相关的指标，这些人工礁锚定在水深55英尺处，其顶部位于水下25英尺深度（图6C）。将来自两个Arks的水质参数、微生物与病毒丰度以及平均微生物大小，与另外两个邻近海底“对照”站点（同样位于水下25英尺深度，但更靠近岸边）的相同指标进行了比较（图6D）。所示数据分别采集于人工礁部署后立即进行的第一批珊瑚迁移时（2021年11月），以及6个月后第二批珊瑚和接种过的ARMS迁移至人工礁时（2022年5月）；随后对两个地点（人工礁和对照点）的数据进行了平均处理以进行比较。由于接种的ARMS是在部署6个月后才转移至人工礁，因此在最初6个月期间结构上生物群落的积累主要与生物污损和自然定殖有关。

与底栖对照点相比，Arks 环境表现出更高的平均白天光照强度（图 6A）、更高的平均水流速度（图 6C）、更低的溶解有机碳浓度（图 6F）以及更小的溶解氧浓度昼夜波动幅度（图 6G）。Arks 上的微生物群落病毒与微生物比值也高于对照点（图 7A），这主要是由于中层水体 Arks 环境中游离病毒丰度更高（图 7C）而微生物丰度更低（图 7B）所致。Arks 上的微生物群落细胞平均物理尺寸小于海底位点的微生物群落（图 7D）。Arks 与对照点之间的温度差异无显著性（图 6E）。上述所有趋势均表明，Arks 上的水质更优，微生物群落更健康。这些条件在部署初期6个月内持续存在，在此期间，通过珊瑚小枝的迁移、水体中生物的自然定殖，以及在第6个月向结构上添加接种的ARMS，Arks 上逐渐形成了初期生物群落，并经历了演替变化。

珊瑚存活率
在珊瑚礁栖息地（Arks）安装后（第0个月）以及在第6个月添加接种的ARMS后，将包含八个物种和多种形态的一批珊瑚分配至Arks和底栖对照区域。每个珊瑚物种的原始亲本群体被切割成小枝片段（某一维度上为2-8 cm），并固定在石灰岩珊瑚板上（每20 cm2的板上固定4至5个片段），然后均等地分布于Arks和对照区域，确保在中层水域的Arks区域和对照区域中均包含相同的物种和基因型。每3个月对这些移植珊瑚在Arks和对照区域的存活情况进行评估。在首批珊瑚移植9个月后，Arks上的存活珊瑚比例（80%，图8）高于对照区域（42%，图8）。

用于海洋生物多样性研究的珊瑚监测装置示意图，包含系泊浮标和ARMS。
图1：显示两个已完全安装的珊瑚方舟（Coral Ark）结构组成部分的示意图。 左侧为“外壳式”（Shell）珊瑚方舟结构，右侧为“双平台式”（Two-Platform）珊瑚方舟结构，图中同时展示了提供正浮力的两种方法以及两种锚定方法。缩写：ARMS = 自主珊瑚礁监测结构（Autonomous Reef Monitoring Structures）。请点击此处查看该图的放大版本。

用于海洋环境中珊瑚恢复的人工礁结构；包括设置和部署。
图 2：ARMS 单元的设计、部署和转移。（A-D）从海底播种点到珊瑚方舟的 PVC ARMS，以及（E-H）石灰岩 ARMS。（A）照片来源：Michael Berumen。（B）照片来源：David Littschwager。缩写：PVC = 聚氯乙烯；ARMS = 自主珊瑚礁监测结构。请点击此处查看此图的放大版本。

海洋环境中用于珊瑚礁修复的水下养殖笼海洋研究装置。
图3：代表珊瑚方舟部署阶段的图像，包括运输至现场及完全安装。 (A-C) 贝壳类型和 (D-F双平台型系统 请点击此处以查看此图的放大版本。

拖曳力与拖曳速度关系图，含最佳拟合线；用于水动力学研究的数据分析。
图 4：基于建模、实验拖曳测试及现场验证所得的“壳体”方舟结构拖曳特性，相对于同尺度球体拖曳力的比较。 “ARK1”和“ARK2”为安装于波多黎各维埃克斯岛同一地点的相同“壳体”方舟结构。请点击此处查看该图的放大版本。

力与时间关系图；拖曳力、净浮力、水流速度数据；流体动力分析。
图 5：波多黎各维埃克斯岛两个“贝壳”方舟的实测净浮力值。 图中显示了“贝壳”方舟1（蓝色）和“贝壳”方舟2（绿色）的水流速度（右侧坐标轴，中等色调）、净浮力（左侧坐标轴，浅色调）以及计算得到的锚绳拖曳力/张力（左侧坐标轴，深色调）。请点击此处查看该图的放大版本。

珊瑚礁修复实验；光照强度、水流速度、温度的箱线图分析；水下装置。
图6：波多黎各维埃克斯“壳形”人工礁（"Shell" Arks）与海底对照点在部署后即刻及6个月后的水质参数。（A）白天光照强度，（B）水流速度，（C、D）部署6个月后拍摄的照片，（E）温度，（F）溶解性有机碳，（G）6个月内人工礁与对照点溶解氧水平的变化。 请点击此处查看该图的高清版本。

微生物与病毒动态：显示病毒与微生物比值及随时间变化的颗粒数量的箱线图。
图 7：波多黎各维埃克斯“壳”形人工礁（Shell Arks）及海底对照点在部署后即刻及6个月后的水体相关微生物群落指标。 （A）病毒与微生物比值，（B）细菌细胞丰度，（C）游离病毒丰度，以及（D）平均细菌细胞大小。请点击此处查看该图的放大版本。

珊瑚存活率曲线图；存活率百分比 vs. 时间；实验组 vs. 对照组；包含第0个月和第6个月的照片。
图8：波多黎各维埃克斯岛“壳状”保育架（Arks）与海底对照区域在迁移后前9个月内的珊瑚存活比例。 图像显示了迁移后立即（左）以及迁移6个月后（右）保育架上（上）和底栖对照区域（下）单个珊瑚板的状态。请点击此处查看该图的高清版本。

表1：ARMS构建与设计考虑因素。 缩写：ARMS = 自主珊瑚礁监测结构；PVC = 聚氯乙烯。 请点击此处下载该表格。

表2：珊瑚方舟设计考虑因素。 缩写：PVC = 聚氯乙烯；ARMS = 自主珊瑚礁监测结构；HDPE = 高密度聚乙烯。 请点击此处下载该表格。

补充文件。 请点击此处下载该文件。

讨论

上述代表性结果表明，珊瑚方舟为在稳定环境中构建珊瑚礁群落提供了栖息地和更优的水质条件， 原位 研究平台。相同深度的珊瑚方舟与海底对照点始终表现出不同的水质特征。方舟所在中层水域的平均流速更高，且距离海岸更远，从而降低了沉积物沉降和水体浊度。图6B），这可能有助于珊瑚方舟上测得的溶解性有机碳浓度较低（图 6F此外，这些水质透明度的改善使得珊瑚方舟上的白天光照强度高于对照位点。图6A）。珊瑚礁在珊瑚礁上的溶解氧昼夜波动较小，表明与同深度的底层环境相比，尤其是夜间，珊瑚在珊瑚礁上具有更优的氧气可利用性。图 6G这些指标均与珊瑚存活率的提高相关42生长43,44,45，以及从胁迫中恢复46,47 在以往的研究中，这一现象可能与移植到珊瑚方舟上的珊瑚相比海底对照点具有更高的存活率有关（图8这些条件即使在附着大量生物膜后仍能持续存在，表明自然附着过程不会削弱中层水体环境的优良水质特性。珊瑚方舟的布放位置位于底栖对照区3公里以外的 offshore 区域，可能受益于陆源沉积物、营养物质输入以及可能影响近岸区域的捕捞压力的减少。将珊瑚方舟设置在水质清洁、人类干扰较少的区域（例如 offshore 区域），相较于受干扰严重的近岸地带，可能为开展中观实验水平的珊瑚礁生物多样性扩增提供更适宜的环境。

初步研究结果还表明，中层水域的珊瑚方舟所经历的微生物化程度较低，而微生物化是与底栖珊瑚礁生境退化相关的核心过程4,48。已有研究指出，过量的营养输入和过度捕捞是导致整个珊瑚礁生态系统营养级反馈循环的驱动因素，这些因素使能量状态不稳定的微生物群落大量增殖，从而消耗代谢可用的溶解氧，并增加底栖区域珊瑚病原体的发生频率6,49,50,51。在高度微生物化的珊瑚礁上，自由病毒丰度降低——这些病毒本是控制微生物群落生长的主要裂解因素——表明营养结构已遭到破坏，进而更有利于微生物的进一步扩张52。与海底站点相比，珊瑚方舟水体中的微生物不仅丰度更低（图7B），个体尺寸也更小（图7D）。此外，珊瑚方舟显示出更高的病毒与微生物比值（图7A）、更多的自由病毒数量（图7C）以及更高的溶解氧可用性，尤其在夜间表现更为明显（图6G）。综合来看，这些结果表明，与海底站点相比，中层水域环境发生微生物化的潜力更低。珊瑚方舟作为一种中型生态系统实验平台，仅需在水体中进行垂直位置调整即可改变其环境条件，因此为缓解并深入探究珊瑚礁退化的微生物与分子机制提供了新的研究机会。

本研究中所展示的珊瑚方舟（Coral Arks）采用了两种不同频率的球面多面体设计（图1）。测地线频率（1V、2V、3V）表示测地线球体中重复子单元的数量，频率越高，三角形子单元的数量越多。从结构角度来看，测地线多面体能够将机械应力均匀分布于整个结构中，从而使其在同等尺寸下具有较高的固有强度53,54。这些特性赋予了结构较高的耐久性和使用寿命，但同时也带来较高的流体动力阻力，可能导致系泊系统承受更大的载荷。从生境角度来看，方舟系统产生的阻力反映了结构内部动量扩散的程度，因而也体现了内部环境水流减弱的程度。建模与实验验证结果表明，由于结构内部产生湍流，“壳状”方舟（"Shell" Arks）内部的流速相较于周围流场降低了40%–70%（见补充文件1的第6节）。尽管目前尚不明确内部流速降低的最佳程度（且该程度随测地线频率而变化），但结构内部流速较低的区域对于形成生态位生境55,56、促进养分再矿化57,58以及增强幼体的滞留与附着59,60具有重要意义。总体而言，更大尺寸且更高频率的测地线结构，特别是在暴露程度较高的安装地点，需要配备具有更高抓地力并融入更多冗余设计的锚固系统。

“壳”型珊瑚方舟系泊系统张力中阻力分量的现场测量结果与模型模拟及实验拖曳估算结果高度吻合（图4），且处于预期设计范围之内。这些结果表明，水动力模型的假设是合理的，该模型能够准确预测背景流速范围内的阻力。然而，尽管模型与实验数据之间的偏差较小，但测试期间的水流范围代表了该地点典型的环境非风暴流速，因此未能在整个建模谱系范围内实现严格的验证。在预测珊瑚方舟系统的设计需求时，应结合计划部署地点的风暴频率和暴露程度信息，以设计出能够承受预期水动力作用的结构和系泊系统。本文提供的建模方法可用于其他地点的方舟系统设计，仅需少量输入参数（期望的方舟尺寸、出现频率以及部署地点的平均流速），即可提供系泊与锚定系统的阻力系数及最大预期受力。

“方舟”（Arks）和“自主珊瑚礁监测结构”（ARMS）系统具有模块化特性，可根据不同需求以与本文所述不同的规模和替代材料进行构建。尽管其最终使用寿命尚未确定，但“珊瑚方舟”设计寿命约为10年。方舟和ARMS的材料组成会影响结构的耐久性、系统的重量，进而影响为抵消重量所需提供的浮力，还可能影响早期附着生物群落的定殖情况（补充文件1-图S7）。例如，石灰岩为ARMS上的生物定殖提供了更自然的基质，且在大多数碳酸盐岩珊瑚岛礁上易于获取且成本低廉，但其比聚氯乙烯（PVC）和玻璃纤维等其他材料更脆弱且更重。在设计ARMS、方舟及锚泊系统时，应结合具体地点的环境特征综合考虑上述因素，以实现预期的项目目标。

珊瑚方舟的部署地点应根据项目的具体目标（即科研、减缓或修复）进行选择。选址时需考虑的因素包括材料获取的便利性、珊瑚礁的状态或状况、社区参与度、资源限制、机构支持以及许可要求。珊瑚方舟可能为满足以下特定需求的地点提供机会：（1）存在存活珊瑚礁但整体状况相对较差，可通过修复活动提升珊瑚补充、珊瑚覆盖率、海岸防护或人类食物资源；（2）需要将珊瑚迁移至其他地点，例如当法律要求必须将即将被清除的残骸上的活体珊瑚移走时（在这些地点，珊瑚方舟可与现有的修复和移植工作协同或配合，以改善迁移效果）；（3）需要利用珊瑚方舟开展针对新型保护与修复技术的研究，以提高本地修复工作的成功率；或（4）具有足够差异化的局部环境条件（即人为影响程度不同），从而使得标准化的中型生态系统实验装置能够对珊瑚礁过程及干预措施提供有意义的比较。针对珊瑚方舟生态系统（如生物生长、多样性及水质化学）监测的具体方法将因项目目标和特定地点变量而异。迄今为止开展的珊瑚方舟科学监测工作的代表性方案详见补充文件1的第5节。

珊瑚方舟结构的设计可容纳几乎所有物种、尺寸和年龄的珊瑚，并应提供优于受干扰的珊瑚礁底栖环境的生长条件。根据特定系统中观察到的生长和钙化速率，可能需要向方舟结构添加正浮力，以补偿生物生长并降低沉没风险。可使用拉压式负荷传感器或应变计对具有正浮力的中层水体结构进行称重，以确定其水下群落重量是否增加（图5）。利用负荷传感器进行定期或长期测量，可与其他高分辨率珊瑚生长指标相互补充，从而生成群落水平的生长/钙化指标；该操作已被列为常规维护任务，用于判断系统是否具备足够的正浮力，以长期抵消生物生长带来的影响。若已部署的方舟无法继续被监测或维护，则可将其重新安置和/或移除浮力，使其牢固附着于海底。

本文所述方法为研究人员提供了一套多功能工具，用于在水质更优越的区域构建中层水域珊瑚礁群落。通过调整“方舟”结构的深度或位置，可将水质参数的变化与珊瑚礁群落结构及演替轨迹的变化进行实验性关联。该设计特点使研究人员能够利用中层水域环境中丰富而未被充分利用的空间，来构建并研究珊瑚礁中型生态系统。利用接种了隐生生物的自主礁盘监测结构（ARMS）来转移隐生生物多样性，并促进移动性 grazers 无脊椎动物的自然定殖，从而有效减少藻类生物污损，降低珊瑚所面临的底栖竞争压力。将已建立且标准化的采样结构作为本系统组成部分，不仅有助于对“方舟”上的隐生生物群落进行长期监测，还可与全球范围内利用ARMS作为生物多样性普查工具所产生的数据集进行比较，进一步提升了该系统的应用价值。

珊瑚方舟可作为一种更全面、整合且自调节的平台，用于扩增珊瑚和无脊椎动物生物量，随后可将这些生物移植至邻近退化的珊瑚礁区域，同时为珊瑚在更优水质条件下生长与繁殖提供安全庇护所。正如目前正在波多黎各所展示的那样，珊瑚方舟可显著提高将珊瑚及珊瑚礁生物多样性从残骸物或退化区域迁移所开展的缓解项目的存活率。珊瑚方舟在长期项目中具有重要意义，可作为替代鱼类栖息地、测试新型保护策略以及保存本地珊瑚礁生物多样性的方法。在此过程中，珊瑚方舟为开展 原位 对珊瑚礁群落结构和生态演替的研究，以及对珊瑚礁连通性的新见解。

披露

作者不存在竞争性财务利益或其他利益冲突。

致谢

我们感谢库拉索岛CARMABI研究基金会的Mark Vermeij、Kristen Marhaver为本项目提供的资源、支持与指导。感谢美国海军设施工程司令部大西洋分部维埃克斯修复计划（NAVFAC Atlantic Vieques Restoration Program）以及Jacobs工程团队在维埃克斯珊瑚方舟（Coral Arks）的安装、维护和监测工作中提供的大量后勤与技术支持。我们还感谢Mike Anghera、Toni Luque、Cynthia Silveira、Natascha Varona、Andres Sanchez-Quinto、Lars ter Horst和Ben Darby在野外工作中提供的帮助和建设性意见。本研究由戈登与贝蒂·摩尔基金会水生共生研究者奖（Gordon and Betty Moore Foundation Aquatic Symbiosis Investigator Award）资助，授予FLR <https://doi.org/10.37807/GBMF9207>，并由美国国防部环境安全技术认证计划（Department of Defense Environmental Security Technology Certification Program，项目编号RC20-5175）提供资金支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
PVC ARMS
316 不锈钢六角头螺栓，部分螺纹，8" 长度，1/4"-20 号螺纹尺寸McMaster Carr92186A569PVC ARMS 组装用螺栓
每单位：4x
316 不锈钢六角螺母，超耐腐蚀，1/4"-20 号螺纹尺寸McMaster Carr94805A029用于PVC ARMS组装的螺母
每单位：8x
316 不锈钢尼龙嵌件锁紧螺母，超耐腐蚀，1/4"-20 螺纹尺寸McMaster Carr90715A125用于PVC ARMS组装的锁紧螺母
每单位：4x
1/4 英寸 316 不锈钢垫圈" 螺钉尺寸，0.281" ID，0.625" ODMcMaster Carr90107A029用于PVC ARMS组装的垫圈
每单位：8x
尼龙无螺纹间隔柱 - 1/2" 长，1/2" OD，黑色McMaster Carr90176A159用于PVC ARMS组装的尼龙垫片
每单位：20x
PVC板材 1型，0.25" 厚的，灰色McMaster Carr8747K215用于 ARMS 堆叠板的 PVC。参见补充文件 1-图 SI 4。
每单位：9x
指代图纸：是
PVC板材1型，0.5" 厚的，灰色McMaster Carr8747K217用于 ARMS 基板的 PVC。参见补充文件 1-图 SI 1。
每单位：1x
是，附有图纸
PVC板材 1型，0.5" 厚的，灰色McMaster Carr8747K217用于 ARMS 长横撑的 PVC。参见补充文件 1-图 SI 2。
每单位：4x
指代图纸：是
PVC板材1型，0.5" 厚的，灰色McMaster Carr8747K217用于 ARMS 短交叉垫片的 PVC。参见补充文件 1-图 SI 3。
每单位：8x
是，指代图纸
棘轮组合扳手，7/16"McMaster Carr5163A15用于固定PVC ARMS硬件的扳手
每单位：2x
钢筋，3 英尺长度，1/2" 厚McMaster Carr7480N115用于固定PVC ARMS至海底的钢筋桩，需使用锤子。
每单位：4x
顺序编号的金属标签McMaster Carr2208N349用于 ARMS 编号识别的标签
每单位：1x
石灰岩自主礁盘监测结构
DeWalt 湿式瓷砖切割机家得宝D24000S将石灰岩瓦片切割成可堆叠的块状
每单位：1x
升力袋，50磅容量亚马逊B07GCNGRDR用于将石灰岩 ARMS 运输至海底的提升袋
每单位：1x
牛奶箱，重型，13" ×19" x 11"亚马逊B06XGBDJMD用于将石灰岩 ARMS 运输至海底的运输箱
每单位：1x
天然石灰石或未填充的洞石瓷砖 - 12" x 12"贝德罗西安瓷砖 & 石头TRVSIENA1212T用于石灰岩ARMS层及堆叠部件的基底材料。参见补充文件1-图SI 7和图SI 8。
每单位：10x
指代图纸：是
PC-11 环氧胶粘剂膏，双组分船用级亚马逊B008DZ1864用于石灰岩 ARMS 组装的双组分环氧树脂
贝类方舟
下缆：1" 尼龙，6英尺长，两端带套环，顶部为不锈钢制帆匠套环，底部为重型镀锌套环West Marine定制用于将珊瑚方舟系泊索具连接至锚定系统的尼龙系泊绳。
每单位：1
主体结构：105-B 环氧树脂West Marine（由 West System 生产）318352用于密封支柱中泡沫的环氧树脂。 
主体结构：205-B 固化剂West Marine（由 West System 生产）318378用于密封支柱中泡沫的环氧树脂。 
系泊索：3-1/8" X 2" 小型菱形底座吊环螺栓，配7/8" 舀出West Marine（Harken 公司制造）130560用于将系泊系统连接至珊瑚方舟基座的吊环螺栓。
每单位：5
主体结构：3/4" H-80 Divinycell 闭孔泡沫，平板 48" × 96"玻璃纤维供应L18-1110用于支柱的浮力泡沫。将泡沫切割成1.5" 宽条带，15.5" S1 支撑杆长度为 19" S2 支杆较长，将其添加到支杆上。
每单位：120
下缆：3/4" 不锈钢主链Lift-It（Suncor 公司生产）S0652-0020主连接环，用于连接旋转接头顶部与五点系泊索具的下部。
每单位：1
系泊索具：3/8" 带自锁销钉的不锈钢长D型吊环螺栓West Marine（由 Wichard 生产）116293用于连接吊环与锚泊系统的高强度卸扣。
每单位：5
主体结构：316不锈钢，盘头十字螺钉，1/4-20，3个" 长McMaster Carr91735A385用于将船体阳极固定到不锈钢支架的螺栓
每单位：2
ARMS 附着件：316 不锈钢尼龙嵌件锁紧螺母，超耐腐蚀，1/2"-13 螺纹尺寸McMaster90715A165用于将 ARMS 固定到 ARMS 安装底板的锁紧螺母（每套 8 个）
每单位：80
ARMS基板：316不锈钢尼龙嵌件锁紧螺母，超耐腐蚀，1/4"-20 螺纹尺寸McMaster90715A125用于 ARMS 安装底板（支柱和 Stars）的锁紧螺母
每单位：600
珊瑚板基板：316 不锈钢尼龙嵌件锁紧螺母，超耐腐蚀，1/4"-20 号螺纹尺寸McMaster90715A125用于将珊瑚板底座固定到支柱上的锁紧螺母
每单位：600
珊瑚板固定：316不锈钢尼龙嵌件锁紧螺母，超耐腐蚀，1/4"-20 号螺纹尺寸McMaster90715A125用于将珊瑚板固定到底板上的锁紧螺母
每单位：80
系泊索具：316 不锈钢尼龙嵌件锁紧螺母，超耐腐蚀，1/4"-20 号螺纹尺寸McMaster90715A125用于将吊环螺栓固定到支撑杆上的帕德眼锁紧螺母。
每单位：20
主体结构：316 不锈钢尼龙嵌件锁紧螺母，超耐腐蚀，10-32 螺纹尺寸McMaster90715A115星形支架连接用锁紧螺母
每单位：475
主体结构：316 不锈钢圆头十字螺钉，10-32 螺纹，2-1/2" 长McMaster91735A368星形支撑连接用螺栓
每单位：475
系泊索具：316 不锈钢 Phillips 平头螺钉，1/4"-20 螺纹尺寸，2-3/4" 长McMaster91500A341用于将吊环螺栓连接到支撑杆上的帕德眼螺栓。
每单位：15
ARMS 基板：316 不锈钢 Phillips 平头螺钉，1/4"-20 螺纹尺寸，3" 长McMaster91500A554用于将 ARMS 安装底板固定到星形支架的螺栓
每单位：475
系泊索具：316 不锈钢 Phillips 平头螺钉，1/4"-20 螺纹尺寸，3" 长McMaster91500A554用于通过支柱连接吊环螺栓的帕德眼螺栓 & 星形。
每单位：5
系泊索具：316 不锈钢螺纹销卸扣 - 用于起吊，1/2" 厚McMaster3583T15用于连接下部挽具卸扣与Masterlink上小链环的链条
每单位：5
ARMS 附件：适用于 1/2 的 316 不锈钢分体式锁紧垫圈" 螺钉尺寸，0.512" ID，0.869" ODMcMaster92147A033用于将 ARMS 固定到 ARMS 安装底板的防松垫圈（每单位 4 个）
每单位：40
ARMS 附件：1/2 英寸用 316 不锈钢垫圈" 螺钉尺寸，0.531" ID，1.25" ODMcMaster90107A033用于将 ARMS 固定到 ARMS 安装底板的背衬垫圈（每单位 4 个）
每单位：40
ARMS 基板：用于 1/4 英寸螺栓的 316 不锈钢垫圈" 螺钉尺寸，0.281" ID，0.625" ODMcMaster90107A029用于将 ARMS 安装底板固定到支柱上的垫圈
每单位：40
珊瑚板基板：1/4 英寸用 316 不锈钢垫圈" 螺钉尺寸，0.281" ID，0.625" ODMcMaster90107A029用于将珊瑚板基板固定到支柱上的垫圈
每单位：40
珊瑚板固定：适用于1/4英寸的316不锈钢垫圈" 螺钉尺寸，0.281" ID，0.625" ODMcMaster90107A029用于将珊瑚板固定到底板上的垫圈
每单位：160
主体结构：316 不锈钢垫圈，适用于 10 号螺钉尺寸，0.203" ID，0.438" ODMcMaster90107A011星形支撑连接用垫圈
每单位：475
浮力：316不锈钢垫圈，1个" 螺丝尺寸，2" ODMcMaster90107A038用于中央杆的大型垫圈（每浮球 2 个）
每单位：22
ARMS 附件：316 不锈钢垫圈，加大型，1/2" 螺丝，1.5" OD，0.052"- 0.072" 厚度McMaster91525A145用于将 ARMS 固定到 ARMS 安装底板的加大型垫圈（每单位 4 个）
每单位：40
珊瑚板：3M Marine Adhesive Sealant - Fast Cure 5200 McMaster67015A44使用粘合剂将石灰岩瓷砖粘接到PVC珊瑚基板上。用砖石钻头钻出角落。 
浮力：3M Marine Adhesive Sealant - Fast Cure 5200 McMaster67015A44用于将玻璃钢螺纹杆固定在拖网浮筒中的粘合剂
每单位：2
系泊索：5/8" 顶部和底部配有不锈钢制帆索工环的涤纶绳West Marine定制用于将珊瑚方舟连接至下潜绳的五腿系泊索具
每单位：5
下缆：销对销旋转接头 - 仅限非起重用途，316不锈钢，6-7/32" 长McMaster37405T29转环，底部连接下潜绳顶端，顶部连接主链中的大链环。
每单位：1
浮力：玻璃钢六角螺母，1"-8 螺纹尺寸McMaster91395A038用于将玻璃纤维螺纹杆固定到拖网浮筒中的玻璃纤维六角螺母
每单位：30
浮力：玻璃纤维螺纹杆，1"-8 螺纹尺寸，8 英尺长McMaster91315A238用于将浮体连接至珊瑚方舟的玻璃钢螺纹杆。参见补充文件1-图SI 16。
每单位：10
指代图纸：是
锚固系统：带螺纹销的镀锌合金钢卸扣 - 用于起重，1/2" 厚McMaster3663T42链条至梨形环的中间卸扣。
每单位：3
锚固系统：带螺纹销的镀锌合金钢卸扣 - 用于起重，3/4" 厚McMaster3663T44上部大型卸扣，用于连接梨形环与下部主缆索环。
每单位：1
锚固系统：带螺纹销的镀锌合金钢卸扣 - 用于起重，3/4" 厚McMaster3663T44锚链卸扣
每单位：3
锚固系统：带螺纹销的镀锌合金钢卸扣 - 用于起吊，3/8" 厚McMaster3663T51用于连接链条与上部中段卸扣的搭扣。
每单位：3
锚固系统：带螺纹销的镀锌合金钢卸扣 - 用于起重，3/8" 厚McMaster3663T51将较小的卸扣降低，以连接链条和锚链卸扣。
每单位：3
安装 & 工具：HARKEN–57mm Carbo Air® 三重阻断West Marine200076滑轮组顶端
每单位：1
安装 & 工具：HARKEN–57mm Carbo Air® 带羊角和凸轮的三重滑轮组West Marine1171644滑轮组底座
每单位：1
ARMS 基板：热缩管，0.50" 缩小前的 IDMcMaster7856K47用于防滑的热缩管，切成1.5" 长度，滑过不锈钢U形螺栓支架，并使用热风枪收紧固定在支架上。
每单位：20
珊瑚板基板：热缩管，0.50" 缩小前的 IDMcMaster7856K47用于防滑的热缩管，切成1.5" 长度，滑过不锈钢U形螺栓支架，并使用热风枪将其紧固在支架上。
每单位：40
浮力：用于在浮体中安装前包裹螺纹杆的热缩管，14" 部分McMaster7856K66用于防滑的热缩管，剪成14段" 长度。将样品滑至带1的玻璃纤维棒上" 一端暴露，另一端为2-1/4" 另一侧暴露在外。使用热风枪加热至紧密贴合。
每单位：11 
锚定系统：高强度 40/43 级链条—不可用于吊装，镀锌钢，5/16 贸易尺寸McMaster3588T23连接锚点和下潜绳的链条。
每单位：3
安装 & 工具：低延展性绳索，7/16" 直径McMaster3789T25滑轮组用绳索
每单位：250
ARMS 基板：海洋级防潮高密度聚乙烯，48" x 48", 1/2" 厚McMaster9785T82用于 ARMS 安装基板的卷材。参见补充文件 1-图 SI 13。
每单位：10
指代图纸：是
珊瑚板基板：海洋级防潮高密度聚乙烯，48" x 48", 1/2" 厚McMaster9785T82珊瑚板基板用卷材。参见补充文件1-图SI 14。 
每单位：20
指代图纸：是
系泊索具：Martyr Collar 阳极锌 3/4" × 2 1/8" x 2 1/8"West Marine5538715系泊线上主连接件的牺牲阳极
每单位：2
主体结构：Martyr Hull 阳极锌 6 1/4" x 2 3/4" x 5/8"West Marine484998珊瑚礁方舟基部不锈钢支柱的牺牲阳极
每单位：3
ARMS 底板：1/4 英寸安装板"-20 螺纹尺寸，2" ID 304 不锈钢 U 型螺栓McMaster8896T156带热缩管的支架板，用于将 ARMS 安装底板固定到支柱上
每单位：6
珊瑚板基板：1/4英寸螺纹底座"-20 螺纹尺寸，2" ID 304 不锈钢 U 型螺栓McMaster8896T156带热缩管的支架板，用于将珊瑚板基板固定到支柱上
每单位：40
主体结构： N1 星316 不锈钢，5 毫米厚连接件，用于 DIY VikingDome F2 球体，已修改 维京穹顶ICO2-AISIN1 星形结构经改造以适配中央杆。通过机械/焊接连接方式将无螺纹玻璃钢结构杆的顶部和底部插入。参见补充文件1-图SI 10。
每单位：2
主体结构： N1 星星316不锈钢，5毫米厚连接件，用于DIY VikingDome F2球体，未修改维京穹顶ICO2-AISI用于礁体组装的未修饰 N1 星形结构。参见补充文件 1-图 SI 10
每单位：10
指代图纸：是
主体结构： N2 星星316不锈钢，5毫米厚连接件，用于DIY VikingDome F2球体，已修改维京穹顶ICO2-AISIN2 星形件经改装用于浮体。钻出更大的中心孔以容纳 1" 螺纹玻璃纤维杆
每单位：10
主体结构： N2 星星316不锈钢，5毫米厚连接件，用于DIY VikingDome F2球体，已修改维京穹顶ICO2-AISIN2 星形件改装为垫眼。钻更大的螺栓孔（钻头 - 1/4") 用于一个臂的外孔上的吊眼连接器。
每单位：5 
主体结构： N2 星星，316不锈钢，5毫米厚连接件，用于DIY VikingDome F2球体，未修改维京穹顶ICO2-AISI用于珊瑚方舟组装的未修饰 N2 星形结构
每单位：15
锚固系统：梨形连接环 - 禁止用于起吊，镀锌钢，3/4" 厚McMaster3567T34连接 3 个 1/2 的链接" 上部大卸扣连接至卸扣。
每单位：1
安装 & 工具：十字螺丝刀，2号规格McMaster Carr5682A28拧紧星形支撑螺栓上的锁紧螺母
每单位：1
珊瑚板：PVC板材1型，灰色，48" x 48", 1/4" 厚McMaster8747K194用于珊瑚板的PVC基板。参见补充文件1-图SI 4。
每单位：20
是，指代图纸
安装 & 工具：棘轮组合扳手，3/4"McMaster Carr5163A21将ARMS固定到ARMS安装底板上
每单位：2
安装 & 工具：棘轮组合扳手，3/8"McMaster Carr5163A14拧紧星形支撑螺栓上的锁紧螺母
每单位：2
安装 & 工具：棘轮组合扳手，7/16"McMaster Carr5163A15将珊瑚板固定到珊瑚板基板上
每单位：2
安装 & 工具：圆形弯折定型多功能不锈钢丝，0.012" 直径，645 英尺McMaster9882K35用于固定不锈钢卸扣的金属丝
每单位：1
主体结构： S1 支撑杆 - 结构用FRP玻璃钢方管，2" 宽 x 2" 高外部，1/4" 壁厚McMaster8548K34玻璃纤维 S1 支撑杆。切割至 20.905" 长（531 毫米），钻螺栓孔（钻头 - 7/32）"），填充 Divinycell 泡沫 & 环氧树脂。参见补充文件1-图SI 9
每单位：55
指代图纸：是
主体结构： S1 支撑杆（SS） - 耐腐蚀 316/316L 不锈钢矩形管，0.12" 壁厚，2" × 2" 外部McMaster2937K17不锈钢 S1 支撑杆。切割至 20.905" 长（531 毫米），钻螺栓孔（钻头 - 1/4"参见补充文件1-图SI 9。
每单位：5
是，指代图示
主体结构： S2 支撑杆 - 结构用FRP玻璃钢方管，2" 宽 x 2" 高外部，1/4" 壁厚McMaster8548K34玻璃纤维 S2 支撑杆。切割至 24.331" 长（618 毫米），钻螺栓孔（钻头 - 7/32）"），填充 Divinycell 泡沫 & 环氧树脂。参见补充文件1-图SI 9。
每单位：60
是示意图
锚定系统： Skrew SK2500 Spade 锚（美国）SK2500双板砂螺旋锚
每单位：3
珊瑚板：用于1/4英寸螺栓的不锈钢垫圈" 螺钉尺寸，0.281" ID，0.625" ODMcMaster90107A029为珊瑚板编号标记。使用带数字的印章将不锈钢垫圈编号，并粘贴到珊瑚板上以备后续识别。
每单位：100 
主要结构：结构级玻璃纤维增强塑料（FRP）杆，10英尺长，1" 直径McMaster8543K26中心玻璃钢管，按珊瑚方舟直径切割
每单位：1
ARMS 附着装置：超耐腐蚀 316 不锈钢六角头螺钉，1/2"-13 螺纹尺寸，1-3/4" 长McMaster93190A718用于将 ARMS 固定到 ARMS 安装底板的螺栓（每单位 4 个）
每单位：40
珊瑚板固定：超耐腐蚀316不锈钢六角头螺钉，1/4"-20 螺纹尺寸，2" 长型，全螺纹McMaster93190A550用于将珊瑚板固定到底板的螺栓
每单位：80
ARMS 基板：超耐腐蚀 316 不锈钢六角头螺钉，1/4"-20 螺纹尺寸，3-1/2" 长McMaster92186A556用于将 ARMS 安装底板固定到支柱上的螺栓
每单位：40
珊瑚板基板：超耐腐蚀316不锈钢六角头螺钉，1/4"-20 螺纹尺寸，3" 长，部分螺纹McMaster92186A554用于将珊瑚板基板固定到支柱上的螺栓
每单位：160
浮力：TFLOAT 14" 中心孔或 437FM，经修改西雅图海洋YUN12B-8 14" 将拖网浮标安装到星形支架上。将带热缩管的玻璃纤维杆穿过拖网浮标。在两侧分别添加不锈钢垫圈和玻璃纤维六角螺母。使用3M 5200密封垫圈。拧紧螺母。  参见补充文件1-图SI 16。
每单位：11
指代图示：是
浮力：TFLOAT 14" CENTERHOLE 或 437FM，未修饰西雅图海洋YUN12B-8 14" 拖网浮子
每单位：2
ARMS 基板：厚壁深灰色 PVC 给水管，无螺纹，1/4 英寸管径，5 英尺长McMaster48855K41用于将 ARMS 安装底板固定到星形支架上的星形垫片。切割至 1.75" 长片段
每单位：40
珊瑚板：未填充，天然洞石地板砖，16" ×16"家得宝304540080用于珊瑚板的石灰岩瓦片。切割成 9" x 9" 使用湿式瓷砖切割机切割瓷砖。
每单位：20
浮力：减振布线夹，焊接安装，聚丙烯材质带不锈钢板，1" IDMcMaster3015T47中央杆与浮体的连接件
每单位：1
浮力：适用于1的耐水耐蒸汽玻璃纤维垫圈" 螺丝尺寸，1.015" ID，1.755" ODMcMaster93493A110用于将玻璃钢螺纹杆固定到拖网浮筒中的玻璃钢垫圈
每单位：20
安装 & 工具：镀锌钢丝，0.014" 直径，475英尺长McMaster8872K19用于固定镀锌卸扣的铁丝
每单位：1
双平台方舟
下缆：1" 尼龙，15 英尺长度，两端带索眼，顶部插接不锈钢制帆索眼，底部插接镀锌索眼West Marine定制从旋转卸扣（SS）底部延伸至锚固系统（镀锌）顶部
每单位：1x
下缆：1/2" 顶部和底部带SS316不锈钢索具眼环插接的光谱绳West Marine定制从珊瑚方舟底部延伸至旋转卸扣顶部
每单位：2x
浮力：1/2" 顶部和底部编织连接不锈钢316制索具眼环的光谱绳West Marine定制将系泊浮标连接至珊瑚方舟顶部的吊环
每单位：2x
主体结构：3/8 x 36 英寸不锈钢索具套环和 5/8 英寸对夹式螺旋扣钢缆组件太平洋索具 & 高架区定制定制索具系统，含花篮螺栓，3/8" SS钢丝绳压接至PVC端帽中
每单位：1x
主体结构：304不锈钢U型螺栓配安装板，1/4"-20, 2" IDMcMaster Carr8896T123使用工字梁连接玻璃钢平台
每单位：10x
主体结构：316 不锈钢六角螺母，1/4"-20McMaster Carr94804A029用于固定轮毂中的支撑杆
每单位：120x
主体结构：316 不锈钢尼龙嵌件锁紧螺母，1/4"-20McMaster Carr90715A125用于固定轮毂中的支撑杆
每单位：240x
主体结构：316 不锈钢圆头十字螺钉，1/4"-20 螺纹，2.5" 长McMaster Carr91735A384用于固定轮毂中的支撑杆
每单位：120x
下系绳：316不锈钢安全别针型卸扣，1/2" 厚McMaster Carr3860T25将 Ark 底部吊环连接至 1/2" 光谱绳
每单位：1x
浮力：316不锈钢安全销卸扣，1/2" 厚McMaster Carr3860T25连接1/2底部" 将绳索系至上方珊瑚方舟的环扣
每单位：2x
浮力：316 不锈钢安全销卸扣，7/16" 厚McMaster Carr3860T24将系泊浮标连接至1/2" 绳索
每单位：2x
安装 & 工具：带 7/16 的 Arbor" 1-1/2 英寸六角头螺栓" 直径孔锯McMaster Carr4066A63在6个" PVC（集线器）
每单位：1x
主体结构：夹紧用U形螺栓，304不锈钢，1/4"-20 螺纹尺寸，9/16" IDMcMaster Carr3042T149用于在珊瑚方舟顶点夹紧不锈钢钢丝绳
每单位：15倍
下缆：叉形至叉形旋转接头，316不锈钢，5-7/16" 长McMaster Carr37405T281/2 英寸旋转卸扣" 光谱绳和1" 尼龙下沉绳
每单位：1x
主体结构：耐腐蚀钢丝绳，316不锈钢，1/8英寸" 厚McMaster Carr8908T44将绳索穿过组装好的珊瑚方舟，并在顶点处用夹具固定
每单位：250英尺
主体结构：玻璃钢模压格栅，方形网格，1" 网格高度，1-1/2" x 1-1/2" 方形网格，磨砂表面，70% 开放面积McNicholsMS-S-100裁剪成半个五边形，呈镜像对称。见图S23。
每单位：2x
是，指代图示
锚固系统：镀锌合金钢螺栓销卸扣，1/2" 厚McMaster Carr3663T42连接底部的1" 尼龙下引绳连接锚链
每单位：1x
锚固系统：镀锌合金钢螺栓销卸扣，3/8" 厚McMaster Carr3663T51连接锚链
每单位：1x
锚固系统：30级链条，镀锌钢，1/4英寸贸易规格McMaster Carr3592T45锚链
安装 & 工具：HARKEN–57 mm Carbo Air 三重气块West Marine200076滑轮组顶端
每单位：1x
安装 & 工具：HARKEN–57 毫米 Carbo 气动三滑轮组，带索环和夹紧装置West Marine1171644滑轮组底座
每单位：1x
安装 & 工具：孔锯，1-15/16" 切割深度，1-1/2" 直径McMaster Carr4066A27在6个" PVC（轮毂）
每单位：1x
安装 & 工具：低压充气喷嘴Amazon（由 Trident 生产）B00KAI940E在水下充气系泊浮标
每单位：1x
安装 & 工具：低延展性绳索，7/16" 直径McMaster3789T25滑轮组用绳索
每单位：100英尺
主体结构：尼龙扎带，抗紫外线重型，19" 长，250磅强度CableTiesAndMoreCT19BK用于固定平台至珊瑚方舟框架
每单位：30倍
安装 & 工具：3号十字螺丝刀McMaster Carr5682A29用于固定轮毂中的支撑杆
每单位：1x
浮力：Polyform 浮标，A-5 系列通用浮标，27"West Marine（由 PolyformUS 生产）11630142用于浮力的系泊浮标
每单位：2x
主要结构：PVC 管，80 级，1" 直径McMaster Carr48855K13支柱。截成 1.2 m（4 英尺）长，钻孔以安装螺栓
每单位：30倍
主要结构：PVC 管，80 级，6" 直径McMaster Carr48855K42轮毂。切成4份" 长度，在中线周围对称钻5个孔，使用1-1/2" 孔锯。参见补充文件1-图S22。
每单位：12x
指代图纸：是
主要结构：PVC 厚壁管件，端盖，80 级，6 " 直径，雌性PRMFiltration（ERA 公司生产）PVC80CAP600X珊瑚方舟顶部和底部的端盖。底部切掉2英寸。
每单位：2x
安装 & 工具：棘轮组合扳手，7/16"McMaster Carr5163A15用于固定轮毂中的支撑杆
每单位：1x
安装 & 工具：棘轮式PVC切割器，1-1/4"McMaster Carr8336A11切割 1" PVC 制成支柱
每单位：1x
主体结构：环形，18-8不锈钢，适用于5/32链条贸易尺寸，3/4" 内部长度McMaster Carr3769T711/2 的替代方案" SS钢丝绳夹具
每单位：12x
安装 & 工具：圆形弯折定型多功能不锈钢丝，0.012" 直径，645 英尺McMaster9882K35用于固定不锈钢卸扣的金属丝
每单位：1
主体结构：结构级玻璃纤维增强塑料（FRP）工字梁，1/4" 壁厚，1-1/2" 宽 x 3" 高，5 英尺长McMaster Carr9468T41切成5段，每段1英尺长。
每单位：1x
安装 & 工具：水下提升袋，220磅提升容量商业性分株C-200将珊瑚方舟运送至部署地点
每单位：1x
安装 & 工具：镀锌钢丝，0.014" 直径，475英尺长McMaster8872K19用于固定镀锌卸扣的钢丝
每单位：1x
应变计
316 不锈钢 钢制吊环螺栓，用于 lifting，M16 × 2 螺纹尺寸，27 mm 螺纹长度McMaster Carr3130T14用于应变计吊环螺栓
每单位：2x
Bridge101A 数据记录仪，30 mVMadgeTechBridge101A-30从负荷传感器收集电压数据。
每单位：1x
耐化学腐蚀 PVC 杆，2" 直径McMaster Carr8745K26用于数据记录仪外壳端盖。参见补充文件1-图S32。
每单位：1x
指代图纸：是
夹紧 U型螺栓，304不锈钢，5/16"-18 螺纹尺寸，1-3/8" IDMcMaster Carr3042T154用于将数据记录仪外壳固定到应变计上。
每单位：1x 
道康宁 Molykote 44 中等润滑脂Amazon（由道康宁公司生产）B001VY1EL8用于水下连接器的公母接头 mating
每单位：1x
STA-8 不锈钢S型拉压两用负荷传感器LCM 系统STA-8-1T-SUB用于评估水下重量的载荷传感器仪器。
每单位：1x 
标准壁 用于水的透明硬质PVC管，无螺纹，管径1-1/2，长2英尺McMaster Carr49035K47用于数据记录仪外壳。参见补充文件1-图S31。
每单位：1x
是，指代图示
标准壁 用于水的PVC管件，堵头，白色，1-1/2英寸管径插口雌接头McMaster Carr4880K55用于数据记录仪外壳。
每单位：2x
结构型 FRP 玻璃钢板，12" 宽 x 12" 长，3/16" 厚McMaster Carr8537K24用于将数据记录仪外壳固定到应变计上。
每单位：1x
SubConn 微型圆形连接器，母头，4 端口McCartney（由SubConn制作）MCBH4F安装到加工好的外壳端盖中。
每单位：1x
SubConn 微型圆形连接器，公头，4 触点McCartney（由SubConn制作）MCIL4M连接至负荷传感器线路并进行防水连接。
每单位：1x
螺纹锁固剂， Loctite 262, 0.34 佛罗里达州 oz 瓶McMaster Carr91458A170用于应变计吊环螺栓
每单位：1x
减振 路由夹具，焊接安装，聚丙烯材质，镀锌钢顶板，1-7/8" IDMcMaster Carr3015T39用于将数据记录仪外壳固定到应变计上。
每单位：1x

参考文献

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