現(xiàn)代科技綜述知識文庫：海洋生態(tài)學

1、現(xiàn)代科技綜述系列海洋生態(tài)學科技是人類區(qū)別于動物的重要文明之一，是人類對自然規(guī)律研究和利用的學科。本文提供對科技基本概念“海洋生態(tài)學”的解讀，以供大家了解。海洋生態(tài)學在現(xiàn)代海洋生態(tài)學研究中，生態(tài)系的結構與功能研究受到很大重視，一般著眼于營養(yǎng)結構、空間結構和物種結構。自養(yǎng)生物(生產(chǎn)者)、異養(yǎng)生物(消費者)和分解者表現(xiàn)為3種不同營養(yǎng)代謝的生物要素，由初級消費者到次級消費者構成了不同營養(yǎng)層次的食物鏈和復雜的網(wǎng)絡結構，物質和能量通過生態(tài)系的生物結構進行轉換和流動。不同層次的消費者(個體、群體或種群直到群落)，在其不同的生態(tài)位發(fā)揮著作用。能量沿著食物鏈傳遞時有大量的消耗，隨著營養(yǎng)級逐級向上，其凈生產(chǎn)量呈階

2、梯式遞減，形成生產(chǎn)力底寬上窄的塔形錐體。從能量觀點看，限定動物種群數(shù)量的最主要因素是其所處的營養(yǎng)級次營養(yǎng)級的層次愈多，其次級生產(chǎn)量就愈少。一般來說，海洋在食物鏈愈長，生態(tài)效率就愈低，食物鏈愈短，生態(tài)效率就愈高。而食物鏈(網(wǎng))愈復雜，生態(tài)系統(tǒng)愈成熟，其自我調(diào)節(jié)的能力就愈強，這是生態(tài)系統(tǒng)的主要功能，人們所直接利用的是次級生產(chǎn)量，因此，探討能流的最佳模式是研究生態(tài)結構與功能的主要任務。在生態(tài)系結構與功能研究中，近年來海洋微生物生態(tài)研究日益受到重視，科學家們發(fā)現(xiàn)微生物在海洋生態(tài)系能流中起重要作用，其中最大的進展就是微生物食物環(huán)的發(fā)現(xiàn)。浮游植物一部分被草食性動物利用，而大部分死后由微生物分解再被其他動物

3、利用。現(xiàn)已證實海洋微生物(主要是藍細菌)不僅是還原者，而且也是生產(chǎn)者，它們以溶解有機碳(DOC)的形式迅速被浮游細菌吸收，共同形成微生物循環(huán)。因此，海洋食物鏈除捕食食物鏈、碎屑食物鏈外，還存在著可溶性物質(DOM)細菌和真菌原生動物食物鏈等。微生物食物鏈不僅是海洋生態(tài)系的主要研究內(nèi)容，而且也是生物海洋學的重要研究課題。生命活動是海洋中最活躍的因素，幾乎所有生物地球化學過程都與生命活動有關。生命活動所需要的物質元素，通過食物鏈在各營養(yǎng)級中傳遞、轉化，最后被生物分解回到環(huán)境中。當前人們所關心的溫室效應，一般認為主要由于人類活動造成CO2進入大氣的結果。海洋既可吸收大氣的CO2，又向大氣釋放CO2，

4、因此，有關海洋碳的循環(huán)就成為世界性所關注的問題。海洋在調(diào)節(jié)氣候系統(tǒng)方面起著關鍵作用。國際地圈生物圈計劃中一個優(yōu)先研究領域就是海洋生物地球化學過程對氣候變化的影響和響應。人類活動將影響生物地球化學循環(huán)，從而導致海平面上升。我們需要了解海洋在形成地球生命環(huán)境中的特殊作用，特別是需要加深對氣候系統(tǒng)和海洋過程間相互作用的定量認識。例如開展海洋生態(tài)系統(tǒng)與大氣圈的相互關系研究，其目的就是查明限制生物生產(chǎn)能力和影響氣候的大洋碳循環(huán)及其與其他元素循環(huán)的關系，以評價人類活動對氣候變化的影響以及對近岸和海灣生態(tài)系統(tǒng)的影響。隨著海洋資源開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，許多國家圍繞漁業(yè)資源的合理開發(fā)和海洋環(huán)境的保護，對不同類型的海洋

5、生態(tài)系統(tǒng)開展了大量的研究工作，研究領域涉及到各種不同類型的海洋生態(tài)系統(tǒng)。河口、海灣生態(tài)系 河口受到人類和自然的雙重影響，與人類的社會活動密切相關。由于河口的生產(chǎn)力較高以及河口在經(jīng)濟中的重要作用，河口生態(tài)系的研究越來越受到人們的重視。近年來人們更加注意控制河口產(chǎn)量和動力功能機制的研究，對河口水域能流、營養(yǎng)循環(huán)、食物網(wǎng)、微生物的分解作用、碎屑組成和溶解有機物的作用等均是研究的重點。GAKnox近年出版的河口生態(tài)系一書，全面系統(tǒng)地對河口生態(tài)系研究進行了論述和總結，并提出現(xiàn)代河口生態(tài)系研究的方向是：河口高產(chǎn)量的機制；初級生產(chǎn)力的組成；能流的途徑與流速；化學物質流動與流速；微生物的作用；河口與陸架水體間

6、有機碳和營養(yǎng)物流通的速率和通量問題。上升流生態(tài)系 已經(jīng)查明海洋上升流區(qū)是初級生產(chǎn)力最高、生物量最多的區(qū)域。據(jù)估計上升流區(qū)僅占世界海洋面積的1%，而漁獲量高達世界海洋漁獲量的50%。在上升流區(qū)域，由于物理海洋學作用，把底層豐富的營養(yǎng)鹽類帶上水層，促進浮游生物繁殖，為魚類提供豐富餌料，從而形成魚群密集的漁場。因此，海洋上升流現(xiàn)象日益引起海洋學和海洋生態(tài)學家的關注。了解上升流現(xiàn)象及其生物學過程的研究對開發(fā)海洋生物資源具有重要意義。70年代以來，上升流已成為國際上重點研究課題，如“中大西洋東北部合作調(diào)查”(CINECA)，美國“沿岸上升流生態(tài)系研究”(CUEA)以及德國的“海洋上升流現(xiàn)象”計劃等。通過

7、上述計劃的實施，基本摸清了上升流的動力學過程和營養(yǎng)物的遷移規(guī)律以及生物學過程的規(guī)律，并建立了上升流的理論模式。近年來對上升流區(qū)的種群動態(tài)、分布模式、豐盛度、群落多樣性以及上升流區(qū)的物理化學特性等方面都做了深入研究。這些現(xiàn)象的揭示將對海洋生態(tài)系研究和生物資源開發(fā)利用帶來深遠的影響。據(jù)近年研究，在海洋發(fā)現(xiàn)了非常小的原核細菌和真核細菌(0220m)，這些超微型浮游植物在海洋初級生產(chǎn)中占有極重要的地位，它的貢獻高達60%。目前，對藍細菌(Cyano bacteria)的研究很重視，在熱帶海洋的初級生產(chǎn)中具有特別的重要性，它們在光補償層占總葉綠素的25%90%。這是在初級生產(chǎn)力研究中的一個重要進展。直到

8、最近還把熱帶反氣旋區(qū)看作“沙漠”不毛之地，認為那里浮游植物生產(chǎn)量每晝夜不超過01gm2。但目前這種觀點有了改變，注意到這里數(shù)量眾多的金槍魚、箭魚、鮐、竹刀魚、竹莢魚及大量食微生物的種類，此現(xiàn)象只有在浮游植物產(chǎn)量很高的情況才能出現(xiàn)。經(jīng)研究，該水域在某些時期的浮游植物產(chǎn)量每天可達0509gm2，大大地超過了用14C法獲得的數(shù)據(jù)。表明在對初級生產(chǎn)者新的認識情況下必須改進傳統(tǒng)的研究方法。在研究上升流生態(tài)系的營養(yǎng)來源問題上，科學家把營養(yǎng)物的來源分為兩個，一個是上升流物理過程帶來的營養(yǎng)鹽，稱“新生產(chǎn)”來源；另一是通過生物本身再循環(huán)而來的營養(yǎng)鹽，叫“再生產(chǎn)”來源。兩個來源的營養(yǎng)鹽共同滿足浮游植物的需要。如果

9、把生產(chǎn)消費過程的初級階段作為海洋中生物生存的基礎，那么有學者指出，一部分以新的營養(yǎng)元素生產(chǎn)的浮游植物產(chǎn)量就形成不平衡的生物群落；當浮游植物主要以再循環(huán)為生物營養(yǎng)元素的再生產(chǎn)產(chǎn)量(即再循環(huán)產(chǎn)量)就形成平衡的生物群落。對再循環(huán)產(chǎn)量來說，必須保持生產(chǎn)消費的平衡，從生產(chǎn)消費循環(huán)中捕出新產(chǎn)量才不會破壞平衡。否則，即使在其產(chǎn)量很高的情況下也將受到影響。大海洋生態(tài)系 自60年代以來，由于對近海漁業(yè)資源利用過度，一些經(jīng)濟種類資源衰退，導致一些小型低值種類增加，漁業(yè)資源結構發(fā)生了很大變化。人們逐漸認識到單種魚類的研究對漁業(yè)的保護與管理已達不到預期效果。單種類研究只考慮某個單一種類在一段時間內(nèi)的生活周期和各種生物

10、過程，而不考慮同一海域的其他各類及其之間的相互關系和影響。70年代漁業(yè)學家對多種類資源的評估與管理曾做過許多探討，用于多種類漁業(yè)管理模型相繼出現(xiàn)。例如多種類生態(tài)系統(tǒng)模型等，這一模型特點是把魚作為一個海洋生態(tài)系的一個組成部分，研究在復雜的生態(tài)環(huán)境中多魚種的數(shù)量變動，采取適宜管理措施以增加產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，所以也稱為整體系統(tǒng)模型。1984年KSherman和LAlexander提出了大海洋生態(tài)系統(tǒng)的概念，這個概念的條件是：世界海洋中一個較大的海域(一般在200000km2以上)；具有獨特的海底深度、海洋學特征和生產(chǎn)力特征；生物種群具有適宜的繁殖、生長和營養(yǎng)的依賴關系；對污染、人類捕食和環(huán)境條件等因素

11、具有相同的影響和作用。大生態(tài)系統(tǒng)作為一個新的海洋資源保護、管理的概念和策略已引起國際社會的廣泛注意。世界漁業(yè)的管理方向將由過去的開發(fā)型向管理型轉變。從單種到多種資源管理并向著整體、系統(tǒng)水平發(fā)展。大海洋生態(tài)系作為一個具有整體系統(tǒng)水平的研究和管理單元，能夠從全球出發(fā)逐步走向以生態(tài)系和地理學邊界為依據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)管理。海洋生態(tài)學作為一門系統(tǒng)科學的歷史尚不長，60年代以來海洋生態(tài)學有了較快的發(fā)展，自70年代以來，隨著海洋探測手段的提高，一個全面開發(fā)利用海洋的熱潮在全世界興起，成為推動海洋生態(tài)學發(fā)展的動力。另一方面，國際上相繼實施的若干重大研究計劃，使海洋生態(tài)學的研究內(nèi)容和范圍不斷深入和擴大，較快地促進了

12、海洋生態(tài)學的發(fā)展。例如早在60年代提出的國際生物學研究計劃(IBP)，就是以研究全球主要生態(tài)系統(tǒng)結構、功能和生產(chǎn)力為目標的。70年代初開始執(zhí)行的人與生物圈計劃(MAB)是一項長期性的國際計劃，其目的是研究人類活動與環(huán)境的相互關系，為生物圈資源的合理利用和保護提供科學依據(jù)。由于人類正面臨著一系列重大而緊迫的全球環(huán)境問題，人們?nèi)绾螌ρ杆僮兓娜颦h(huán)境作出較好的預測和研究，取決于人們對這些變化中的地球系統(tǒng)過程的監(jiān)測和認識水平。為了迎接這個挑戰(zhàn)，國際科聯(lián)理事會(ICSU)于1986年組織了全球變化研究計劃，即國際地圈生物計劃(IGBP)。其目的是了解全球的變化、變化過程和造成這種變化的原因以及對人類

13、未來的影響，同時研究人類如何制約自己的行動，以防止生態(tài)災難的出現(xiàn)。這是一項以地球科學和生態(tài)科學為主的跨學科的計劃，是全球科學家最大的協(xié)作，中國也參加了這一計劃，并成立了國家委員會。1991年由政府間海洋學委員會(IOC)和海洋研究科學委員會(SCOR)共同發(fā)起的全球大洋生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)研究(GLOBEC)，其核心內(nèi)容也是了解全球氣候系統(tǒng)和人類活動所產(chǎn)生的變化及其對大洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。除了國際性的大型生態(tài)學網(wǎng)絡研究計劃外，還有跨國區(qū)域性的或一個國家的生態(tài)學研究網(wǎng)絡。1987年中國科學院提出建立“中國生態(tài)研究網(wǎng)絡”，由分布在全國不同自然區(qū)域的52個生態(tài)觀測試驗站組成，其中有關海洋的有5個，即膠州灣黃島生態(tài)研究站、汕頭海洋植物試驗站、大亞灣海灣生產(chǎn)力試驗站、湛江海洋經(jīng)濟動物試驗站、海南熱帶海洋生物研究站。中科院海洋所黃島站是全國29個網(wǎng)絡站之一。網(wǎng)絡生態(tài)站的目的是圍繞全球生態(tài)環(huán)境變化、可再生資源的合理利用、農(nóng)林牧漁