海洋生态系统

地球上最大的水生生态系统是海洋生态系统，它存在于高盐度的海域。这些系统与淡水栖息地不同，因为它们含盐量较低。海洋占据了地球表面的70%以上，并提供了地球97%以上的水源和90%的宜居空间。海水平均盐度为每千克水35克。许多海洋环境的盐度水平各不相同。根据海岸特征和水深，海洋栖息地可分为多个区域。被称为海洋区的广阔开阔海域，是鲸鱼、鲨鱼和金枪鱼等生物的家园。被称为底栖区的海底基质，是各种无脊椎动物的家园。被称为潮间带的区域是高潮线和低潮线之间的区域。其他近岸（浅海）区域的例子包括泥滩、海草草甸、红树林、岩石潮间带系统、盐沼、珊瑚礁和泻湖。在食物网底部深水中，可能会出现由化能合成硫细菌形成的能量来源——海底热泉。

海洋生态系统由与之相关的生物群落以及它们的物理环境定义。海洋环境是各种生物类的家园，包括鲨鱼、棘皮动物、甲藻、褐藻和珊瑚。

海洋生态系统为世界上绝大多数人口提供重要的食物供应、就业机会和生态系统服务。污染和改变海洋环境的人类活动严重威胁着海洋生态系统的稳定。海洋资源的可持续利用（例如某些物种的过度捕捞）、海洋污染、气候变化和沿海地区开发是影响海洋生态系统的环境问题。此外，海洋吸收了导致全球变暖的大部分二氧化碳和它所吸收的热量。海洋酸化等过程正在改变海洋的化学性质，危及海洋生态系统。

国际社会已将“水下生命”指定为可持续发展目标14，这表明了人类对海洋生态系统的潜力和挑战。目标是“保护和可持续利用海洋、海洋和海洋资源以实现可持续发展”。

海洋生态系统的起源

地球花了大约45亿年才形成。当地球降温，大气中的水凝结时，地球经历了持续的降雨，填满了大盆地，形成了海洋。氢、甲烷、氨和水是原始大气和海洋中的无机元素。据信，这些元素通过闪电的点燃而结合，产生了第一个有机分子。蓝藻，有时被称为蓝绿藻，是已知最古老的生物之一。澳大利亚的前寒武纪海层，称为叠层石，有这些早期光合原核生物的证据，可追溯到约30亿年前。尽管在寒武纪（5.42亿年至4.88亿年前）期间，海洋中出现了生命的大辐射，但各种各样的细菌、藻类、原生动物和原始多细胞动物在（46亿年至5.42亿年前）的前寒武纪时期出现，以利用地球早期海洋环境。该时期的海洋地层包含可识别物种的化石，包括腔肠动物（水母）、棘皮动物（羽星）、原索动物（如加拿大伯吉斯页岩中的皮凯亚）和其他脊椎动物。来自奥陶纪的沉积物包含已知的最早的鱼类化石，可追溯到4.88亿年至4.44亿年前。生命在海洋物理条件发生变化时可能得到了促进，这些变化被认为发生在太古宙，包括海水含氧量的增加以及臭氧层的形成，从而降低了有害的紫外线辐射。

海洋生态系统的类型和位置

海洋沿岸生态系统

• 珊瑚礁

珊瑚礁是世界上最著名的海洋环境之一，其中大堡礁是最大的。这些礁石由许多物种共存的大型珊瑚群落组成。珊瑚与附近的生物形成了多种共生关系。

• 红树林

红树林是生长在热带或亚热带沿海地区的植物或灌木，它们在低氧土壤中茁壮成长。它们形成了一个复杂且生产力极高的生态系统，连接着陆地和水域。红树林中的物种并不总是相互关联的；相反，它们通常根据共同的特征而不是遗传相似性来分组。由于靠近海岸，它们都进化出了适应咸水、缺氧水域的适应性，例如盐分泌和根系通气。红树林通常以其浓密的根系纠缠而闻名，这些根系可以保护海岸免受海浪、潮汐、风暴潮和洋流造成的侵蚀。红树林生态系统是多种物种的重要食物来源，并且非常有效地从大气中清除二氧化碳；据估计，全球红树林每年储存3400万吨二氧化碳。

• 海草草甸

海草床是世界上最多产的生态系统之一，密集地种植着海草。与珊瑚礁类似，它们为各种海洋生物提供了住所和食物。这包括鸟类、海洋动物和甲壳类动物，如对虾、螃蟹、鳕鱼和比目鱼。它们为儒艮、海马和海龟等受威胁物种提供了安全的避风港。几种商业鱼类以及对虾和扇贝作为繁殖环境。由于海草草甸的叶子在海浪拍打海岸时吸收波浪能量，因此它们保护沿海地区免受风暴侵袭。它们通过吸收营养物质和微生物来维持沿海水的健康。它们还通过在海底沉积物中储存二氧化碳来减缓气候变化的影响。

大约1亿年前，侵入陆地并转变为陆地植物的海洋藻类产生了海草。然而，人类活动，包括地表径流造成的污染、捕鱼船在海草床上拖曳挖泥船或拖网导致海草被连根拔起，以及破坏生态系统平衡的过度捕捞，现在正在损害海草草甸。目前海草草甸的破坏速度约为每小时两个足球场。

• 海带森林

在全球范围内，海带森林可能存在于温带和极地沿海水域。此外，2007年在厄瓜多尔附近的热带海域发现了海带森林。

海带森林由褐藻组成，为海洋生物提供了独特的家园，并为各种生物过程提供了见解。在过去一个世纪里，它们一直是许多研究的主题，尤其是在营养生态学方面，并且它们继续提出许多具有超越该特定环境意义的重大问题。例如，海带森林提供了多种生态服务，并可能影响沿海水流的模式。

另一方面，人类的影响常常导致海带森林的破坏。近岸生境过度捕捞的影响尤其令人担忧，因为它可能使食草动物摆脱其正常的种群控制，导致海带和其他藻类过度生长。这可能迅速导致环境变得贫瘠，只有少数物种得以生存。过度捕捞和气候变化的结合导致在一些非常脆弱的地区，如塔斯马尼亚东海岸和加州北部海岸，海带森林几乎被完全清除。应对这些问题的一种有效管理策略是建立海洋保护区，它可以减轻捕捞的影响，并保护生态系统免受其他环境压力的复合影响。

• 河口

河口存在于淡水和咸水来源的盐度差异明显的地方。通常，这发生在河流汇入海洋时。由于河口的水是微咸的——淡水流向海洋和咸海水的混合物——因此那里的动物群是独特的。其他类型的河口也具有经典微咸河口的特征。例如，五大湖就是如此。当湖水和河水混合时，那里就形成了淡水河口。

众多动物和人类物种依赖河口，河口是非常有生产力的生态系统，用于多种目的。例如，世界上32个最大的城市中有22个位于河口，河口提供了多种环境和经济效益，包括作为许多物种的重要栖息地，以及作为许多沿海城镇的商业中心。除了提供气体管理、氮循环、栖息地保护、水过滤和侵蚀控制等重要的生态功能外，河口还为人类提供了旅游、休闲和教育的机会。

• 泻湖

泻湖是由沙洲或珊瑚礁将更广阔的水体自然分隔开的区域。泻湖可以分为沿海泻湖或海洋/环礁湖。如上所述，沿海泻湖只是一个有屏障将其与海洋隔开的水体。围绕泻湖的圆形珊瑚礁或一群珊瑚岛被称为环礁湖。与沿海泻湖相比，环礁湖通常更深。由于大多数泻湖很浅，风、蒸发和降水的变化对其影响很大。这意味着泻湖可以包含从淡水到超咸水的水，其盐度和温度可能差异很大。除南极洲外，全球每个大陆的海岸线都有泻湖。它们是多种多样的栖息地，是各种动物的家园，包括鱼类、鸟类、螃蟹、浮游生物等。除了是许多物种的栖息地外，泻湖还提供广泛的生态服务，这使其对经济很重要。渔业、营养循环、洪水控制、水过滤甚至人类传统都是这些功能的一部分。

• 盐沼

盐沼是指淡水和咸水在从海洋到陆地的流动过程中混合的区域。这些湿地通常包含覆盖着泥炭（一种有机物质）的泥土。泥炭被定义为潮湿、充满根系的腐烂植物碎屑，通常会导致缺氧或低氧水平。这些缺氧条件引起的细菌增殖是盐沼产生特征性硫磺气味的原因。盐沼遍布全球，对繁荣的经济和生态系统都至关重要。它们是非常生产力的生态系统，可以保护海岸免受侵蚀和洪水的影响，并为超过75%的渔业物种提供关键服务。盐沼分为三个主要区域：高地边缘、低盐沼和高盐沼。除了低潮外，几乎每次潮汐都会淹没低盐沼，因为它更靠近海洋。高盐沼位于低盐沼和高地边界之间，仅在极高潮时被淹没。被称为高地边缘的潮湿边缘，通常位于比高盐沼略高的海拔。与盐沼的其他区域相比，该区域的水浸和盐分胁迫要小得多，通常仅在恶劣天气期间被淹没。

• 潮间带

潮间带是指低潮时可见并暴露于空气中，而在高潮时被海水淹没的区域。潮间带在物理上分为四个区域，每个区域都有独特的动物和特征。这些区域包括喷雾区、高潮间带区、中潮间带区和低潮间带区。喷雾区是一个潮湿区域，通常只能通过海洋到达，仅在强风暴或高潮时被淹没。在高潮间带区，在高潮时被淹没，但在中间的干燥时期则很长。由于该区域可能出现各种各样的情况，因此像藤壶、海螺、贻贝和寄居蟹等适应性强的物种生活在那里，并且能够适应这些变化。在中潮间带区，每天有两个潮汐，有更多的动物多样性。由于低潮间带区受到海洋的保护，因此几乎一直被淹没，除了最低潮时，此时生命更为丰富。

海面

浮游生物是指生活在表面之上的自由生活的动物，包括海螺、海蛞蝓、腔肠动物、漂浮的藤壶以及像金海藻马尾藻这样的关键物种，马尾藻构成了马尾藻海。许多对生态和经济都很重要的鱼类物种生活在浮游生物中或依赖浮游生物。海洋表面的物种分布并不均匀；那里存在着独特的浮游生物群落和生态区域，仅限于特定的纬度和海洋盆地。然而，表面也直接受到污染和气候变化的影响。世界通过海面上的生命相互联系。许多陆地和海洋物种依赖于表层环境，那里的生物，从浅水到深海，从开阔的海洋到河流和湖泊。

海面是下方水体和上方大气之间的屏障，是特定生态系统的家园。由于大约一半的UV-B射线在第一米内衰减，这个阳光充足的环境通常可以被描述为一米深。在这里，生物体必须应对独特的化学和物理特性以及波浪运动。许多不同的鱼类和鲸目动物，以及乘坐海洋垃圾（称为筏子）的生物，都使用海面。海面主要是一个独特的自由生活生物群体——浮游生物——的家园，这个词源自希腊语υεω，意为游泳和漂浮。尽管浮游生物是最常使用的术语，但浮游生物有时也用于描述漂浮的生物。尽管海洋表面多种多样，但在连接不同生态系统方面发挥着作用，并且受到威胁，但对浮游生物的了解却很少。

在商业航线下方但高于天气系统的地方，一股空气中的微生物绕着地球旋转。虽然尘暴会将一些迁徙的微生物从陆地上带走，但大多数来自海洋喷雾中的海洋微生物。科学家们在2018年透露，每天有数千万细菌和数亿病毒沉积在地球的每平方米上。

海底和深海

高达95%的生物栖息空间位于深水中。这两个区域以及海底（也称为底栖区）仍然需要探索，并且缺乏关于那里栖息生物的记录。

大型海洋生态系统

为了确定海洋区域以进行环境保护，并促进跨国界区域的合作式生态系统管理，以符合1982年《联合国海洋法公约》的方式，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）于1984年开发了大型海洋生态系统（有时简称为LME）的概念。该术语指定了相对广阔的区域，大约为20万平方公里（7.7万平方英里）或更多，具有独特的生产力、水深、水文和营养依赖性生物。这些LME包括从流域和河口到主要洋流系统外缘和大陆架外缘的沿海区域。

总共有66个LME，它们的年贡献预计为3万亿美元。这包括负责全球每年海洋渔业产量的90%。基于LME的保护是基于这样一种理解：不可持续的捕捞方式、栖息地退化、富营养化、有毒污染、气溶胶污染和新发疾病是全球沿海海洋水域退化的主要原因，并且减轻这些威胁的有效措施需要各国政府和民间社会共同努力来补充枯竭的鱼类种群，恢复受损的栖息地，并减少沿海污染。生产力、鱼类和渔业、污染和生态系统健康、社会经济学和治理是评估LME时考虑的五个模块。为了维持生态系统的健康并为管理国家提供未来效益，建议定期评估海洋LME内的每个模块。通过在邻国环境、渔业、能源和旅游部门之间建立资源管理协议，全球环境基金（GEF）帮助管理非洲和亚洲沿海的大型海洋生态系统（LME）。为了支持依赖LME的渔业和其他企业的寿命和恢复，成员国就当地LME交流信息和资源。

生态系统服务的作用

海洋生态系统以多种方式帮助自然界，但也为人类提供社会、经济和生物生态系统服务。除了维持生物多样性、调节全球气温、协助水循环、提供食物和能源以及促进旅游和休闲外，远洋海洋系统还保护环境。海洋系统通过海上石油和天然气生产、水产养殖、捕捞渔业、贸易和航运带来数十亿美元的收入。

生态系统服务被分为几类，例如供给服务、调节服务、支持服务和文化服务。

有几种方法可以衡量海洋生态系统的生产力。通过测量浮游动物生物量、水柱结构、光合有效辐射、透明度、叶绿素a、硝酸盐和初级生产力来评估LME生产力和未来渔业产量的变化。这些指标可以通过放置在浮标上或连接到船底的传感器来测量，它们可以用来量化生产力的变化以及水柱的物理变化，如盐度和温度。为了确认读数并在更广泛的地理和时间尺度上看到趋势，这些数据可以与海面温度和叶绿素的卫星测量相结合。

远洋物种声学调查和底层拖网调查被用于评估LME中鱼类生物多样性和丰度的变化。除了多物种营养联系外，还可以对鱼类种群进行调查，以确定它们的种群身份、长度、胃容物、年龄-生长关系、繁殖能力以及病理疾病和沿海污染的存在。鱼类拖网还可以收集沉积物，并提供关于海底状况的信息，例如缺氧。

生物生产力

能量被光合自养生物和化能自养生物转化为有机分子的速率称为初级生产力。总初级生产力是系统或区域的总生产力。生产者需要一定量的有机物才能生存；净生产力是剩余的部分。可用于维持海洋消费者——食草动物和食肉动物——的有机物总量称为净海洋初级生产力。植物的总生物量（重量）称为现存量。底栖植物不是初级生产者；远洋浮游植物才是。

大多数初级生产者需要氮和磷，它们在海洋中以硝酸盐、亚硝酸盐、氨和磷的形式存在。这些分子的数量，以及光的类型、亮度、质量，都对生产率有显著影响。在海洋中，底栖微藻和大型藻类以及远洋浮游植物是两种主要的生产者或自养生物。大约占世界海洋最远区域的底栖植物，每年约占所有海洋植物材料的5-10%。深海热泉的化能自养生物。

初级生产力主要通过测量二氧化碳摄入量或氧气输出量来确定。生产率的标准测量单位是每单位面积每单位时间的有机碳克数。整个海洋的生产力估计为每年16 × 10¹⁰吨碳，约是陆地的八倍。

阳光的重要性

生态学传统上严重依赖阳光。所有生物，无论是直接还是间接，都依赖阳光来满足其食物需求。

构成海洋环境的植物被称为主要生产者，因为它们需要阳光来制造食物。这些主要生产者位于食物链的底层，并成功地向上移动到顶级捕食者。阳光对于维持海洋生态系统的食物链平衡至关重要。

更重要的是，海水深度对阳光的可用量有很大影响。在海洋环境中，有一个区域称为无光区（深度可达100米），阳光可以穿透并帮助光合作用。然而，阳光无法到达无光区（深度超过100米），这会影响光合作用。

威胁

人类活动通过过度捕捞、栖息地丧失、入侵物种引入、海洋污染、海洋酸化和海洋变暖等方式影响着海洋生物和海洋环境。这些活动影响着海洋食物网和生态系统，并可能对海洋生物的持续性和丰富性产生意想不到的后果。

无数海洋物种将海洋视为家园，海洋可能是地球上最大的生态系统。人类活动，包括污染、海洋酸化和全球变暖，影响着海洋生物及其生态系统。过去50年，人类活动造成的全球变暖的90%以上被海洋吸收。因此，水温升高并变得更具酸性，危及许多鱼类并破坏珊瑚礁。珊瑚产生了碳酸盐岩和钙质沉积物等物质，它们共同构成了一个非常独特且宝贵的生态系统，对人类非常有益，并为海洋生物提供家园和食物。由日益增长的二氧化碳水平引起的海洋酸化导致珊瑚白化，减缓了钙化过程并阻碍了珊瑚生长。海洋塑料污染是另一种人为问题，对海洋生物产生负面影响并使其面临危险。根据IPCC（2019）的说法，“在过去50年里，由于海洋变暖、海冰变化和生物地球化学变化（如氧气损失），许多不同类别的海洋生物对其栖息地出现了地理分布范围和季节性活动的转变。”

据估计，仅13%的海洋表面仍然未被人类活动影响，主要集中在开阔海洋区域而不是沿海地区。

人类发展与开发

近40%的世界人口居住在离海岸100公里以内，这给沿海海洋生态系统带来了越来越大的压力。为了受益于生态系统服务，人们通常聚集在沿海环境附近。例如，据估计，红树林和珊瑚礁环境的沿海捕捞渔业每年的价值至少为340亿美元。然而，其中许多生态系统需要更多保护或根本没有受到保护。自1950年以来，全球红树林面积减少了三分之一以上，世界上60%的珊瑚礁目前面临迫在眉睫或严重的威胁。沿海生态系统的丧失、替代或退化通常是人类发展、水产养殖和工业的结果。

远洋海洋系统，它们迁移到更远的近海，直接受到过度捕捞的威胁。尽管捕捞量增加，但全球渔业捕捞量自20世纪80年代末达到高峰以来一直在下降。渔业捕捞量和鱼类生物量的平均营养级别正在下降，这导致了海洋生物多样性的减少。特别是，大型、生长缓慢、寿命长且地理分布范围有限的物种由于局部灭绝而数量下降。生物多样性的下降可能导致生态系统服务的相应下降。根据长期研究，在20世纪60年代到21世纪10年代之间，澳大利亚海岸线鲨鱼的单位捕捞努力量下降了74-592%。这种生物多样性的损失不仅影响个体物种，也影响人类，并可能成为全球气候变化的一个因素。根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的说法，在地球快速变化的气候下，保护生物多样性的努力在很大程度上取决于海洋生态系统的管理和保护。

污染

海洋污染是指人类使用或分散到海洋并产生不利影响的物质，如入侵物种、噪音、颗粒物、工业、农业和住宅废物以及过量的二氧化碳。尽管海上运输也做出了重大贡献，但大部分废物（80%）来自陆地活动。它是由化学品和碎片组成的混合物，其中大部分是从陆地来源被吹入或冲入海洋。这种污染对生态系统、所有生物的健康以及全球经济系统都有害。考虑到大部分输入物来自陆地，通过污水、河流或大气，大陆架更容易受到污染。通过释放灰尘、杀虫剂、氮、硫、硅、铁、碳酸和硅到水中，空气污染也起着作用。非点源污染包括灰尘、风吹的碎片和农业径流。这些非点源的主要原因是流入河流和海洋的径流，但风携带的灰尘和碎片也可能造成污染，因为它们会进入河流和海洋。直接排放、陆地径流、船舶污染、舱底污染、空气污染和深海采矿是污染途径的例子。

海洋垃圾污染、塑料污染（包括微塑料）、海洋酸化、营养污染、毒素污染和水下噪音污染是海洋污染的主要类别。海洋塑料污染是一种由塑料引起的海洋污染，其尺寸范围可以从瓶子和袋子等大型原始材料到塑料材料分解成小碎片时产生的小颗粒。大多数海洋垃圾是废弃的人类垃圾，在水中漂浮或悬挂。塑料污染会危害海洋生物。

社会与文化

全球目标

通过将社会经济措施与生态管理策略相结合，科学发现可用于改善当地经济和环境。管理举措需要切实可行且经济有效。2000年，罗德岛大学自然资源经济学系开发了一种量化和理解LME的人类方面，并考虑管理大型海洋生态系统的社会经济成本和效益的方法。

可持续发展目标14“水下生命”将国际社会的目光集中在海岸面临的风险上，为国际政策制定了目标，旨在保护沿海生态系统并促进沿海居民更可持续的经济实践。此外，联合国还指定2021-2030年为联合国生态系统恢复十年；然而，对沿海生态系统恢复的关注不足。