亚太地区海洋环境与生态系统综合理解的路径

《Frontiers in Marine Science》：Pathways to an integrated understanding of marine environments and ecosystems in the Asia-Pacific Region

亚太地区海洋生态系统面临气候变化与人类活动双重压力，生物多样性及海洋健康指数呈下降趋势。研究提出加强跨学科合作、整合多源数据监测及完善区域观测网络，以应对海洋热浪、赤潮及海岸带退化等挑战，支撑科学政策制定。

　　亚洲-太平洋地区（APR）是一个地理范围广阔、海洋生物多样性丰富的区域，它在全球生态稳定和气候调节中扮演着至关重要的角色。然而，这一区域也面临着在全球变化背景下维持这些功能的巨大挑战。APR的环境动态在多个时间尺度上频繁发生，包括风暴、地震、洪水和极端高温事件等。此外，沿海和海洋生态系统，如广泛的商业渔业和珊瑚礁，正受到资源过度开采和日益频繁的海洋热浪的威胁。对这些复杂系统的理解存在知识空白，而这些空白则因该地区文化、语言、社会经济、政治和管理实践的多样性，导致跨国合作受到阻碍。因此，为了有效管理APR的海洋资源，需要多学科的研究基础，并依托持续的区域观测和坚实的国际合作。

APR覆盖了地球表面的近三分之一，是全球海洋生物多样性的重要热点区域，支持着包括珊瑚礁、红树林和海草床在内的多种生物栖息地。健康的海洋生态系统与APR国家的经济密切相关，这些国家的经济高度依赖渔业、旅游业及其他海洋相关产业。同时，当地社区也依赖于沿海和海洋生态系统提供的服务，这些服务不仅支撑着他们的生计，也承载着深厚的文化价值。因此，APR在海洋资源管理和生态系统保护方面面临独特的挑战，这些挑战不仅需要更广泛的认识，也需要立即的关注和行动。

为了应对这些挑战，APR的科学家们正在探索多种数据来源和技术手段，以更全面地了解海洋生态系统的变化。传统上，海洋生物多样性监测主要依赖于直接采样和观察，这在APR的区域尺度上显得尤为困难。近年来，随着数据和监测技术的进步，研究者们能够以更低的成本跨越复杂的专属经济区（EEZ）网络，从而获得更广泛的数据。例如，自1999年以来，Argo计划利用自主浮标系统，有效填补了区域采样偏差，提高了海洋变量的监测能力。Argo浮标定期测量2000米以下的海水温度和盐度，为研究海洋动力学和极端天气的影响提供了关键数据。近年来，BGC-Argo项目引入了生物地球化学传感器，可以测量氧气、硝酸盐、pH值和叶绿素-a等指标，为深海和偏远地区的监测提供了新的可能性。

尽管这些技术取得了显著进展，但APR在浅水区域和大陆架附近的监测仍然存在不足。例如，泰国湾、印尼海域和澳大利亚北部的水域，由于缺乏持续的现场采样计划，数据覆盖有限。为此，一些项目正在尝试部署专门针对浅水区域的浮标，以改善这些地区的数据获取情况。然而，BGC-Argo在APR的覆盖范围依然有限，特别是在东南亚地区，观测数据几乎缺失。因此，推动OneArgo等全球性倡议，整合Core、Deep和BGC-Argo浮标系统，将是提升APR海洋监测能力的重要途径。然而，这一过程也面临法律和外交上的复杂问题，尤其是在浮标可能漂入EEZ的情况下，需要提前通知沿海国家，这可能会影响区域覆盖的完整性。

与此同时，生物多样性调查和环境DNA（eDNA）分析为APR的海洋生态研究提供了新的视角。eDNA技术通过采集海水或其他间接样本，能够识别居住在这些区域的生物种类，包括那些难以在野外直接观察的物种。这种方法已被用于追踪生态系统对气候异常的反应，并在管理和保护稀有或入侵物种方面发挥了重要作用。然而，eDNA技术的有效性在APR地区受到限制，主要原因是缺乏完整的区域性参考数据库和标本记录。这使得许多APR的海洋物种在大型基因组、生物地理和分类学数据库中代表性不足，导致物种识别和分类的困难。因此，尽管eDNA方法在跟踪已知物种和识别未知来源的DNA方面具有潜力，但要全面重建海洋生物群落，仍需解决基因组采样和分类学知识不足的问题。

为了填补APR生物多样性知识的空白，需要区域性的努力来制定标准化的eDNA采集流程，扩大采样目标和参考数据库，减少样本处理和数据共享的时间，并建立长期的数据归档机制。例如，澳大利亚的OceanOmics项目专注于推进eDNA分析技术，并建立基因组参考库，而日本的ANEMONE项目则维护一个开放的eDNA数据库，涵盖鱼类物种，并计划扩展到APR的其他合作伙伴。这些项目展示了通过合作和技术进步，逐步改善APR海洋生物多样性监测的可能性。

在APR的沿海生态系统监测方面，高分辨率的遥感数据也发挥了重要作用。这些数据包括海面温度、叶绿素-a浓度、浑浊度和海洋颜色等指标，能够提供关键的生态系统信息。例如，高分辨率卫星数据可以揭示APR红树林健康状况的变化，支持国家层面的碳储量报告，并为沿海气候缓解策略提供依据。此外，遥感数据也被用于绘制珊瑚礁的韧性，预测温度异常，从而帮助应对珊瑚白化等事件。APR是全球浅水珊瑚礁分布最广的区域，印尼、菲律宾和巴布亚新几内亚的珊瑚礁尤其突出。

为了支持基于证据的管理和生物多样性保护，卫星观测应整合到区域监测系统中，理想情况下使用机器学习工作流程。同时，还需要探索将卫星数据指标与当地管理活动（如渔业、红树林恢复和珊瑚礁保护）的测量数据相结合的策略。这种整合有助于更全面地理解APR的海洋生态系统，并为未来的保护和管理决策提供科学依据。

此外，将地质物理数据纳入生物多样性模型，也是提升APR海洋研究的重要方向。尽管生态和环境数据的获取日益增多，但生物多样性模型往往忽略了那些对塑造海洋生态系统起关键作用的复杂物理过程。例如，海洋环流、涡旋活动和上升流等现象，虽然在某些模型中被考虑，但在APR的许多研究中仍然被忽视。这些因素可能对生物多样性模型产生重要影响，因此需要进一步研究。例如，Santora等人在加州海岸的研究中，结合了长期生物多样性数据和物理驱动因素，如上升流变化和海洋热浪，以增强物种分布模型并支持生态系统预测。类似地，Ackiss等人展示了APR的某些物理海洋过程，如民答那峨和哈马黑拉涡旋，如何通过限制幼鱼扩散来塑造生物多样性格局。这些研究强调了整合生物和物理数据的重要性，同时也指出了在APR开展此类研究的潜力。

未来的研究需要更加大胆的跨学科倡议，促进物理海洋学家与生态学家之间的合作，将地质物理变量纳入生物多样性模型。这种整合不仅可以生成具体的可测试假设，还可以推动针对性的海洋观测，以获取所需的地质物理数据。由于APR的海洋环境具有高度动态性，这类研究将有助于回答该地区生物多样性时空模式的诸多问题。

面对APR海洋生态系统日益复杂的变化，科学家们提出了几个关键问题，这些问题需要多学科合作才能有效解决。首先，如何理解海洋物理过程的变化对海洋生物多样性和动态的影响？气候变化正在重塑APR的海洋生态系统，长期气候变率模式，如太平洋十年振荡（PDO）和大西洋多年代振荡（AMO），已显示出对海面温度、盐度和海洋环流的显著影响，这些变化反过来影响了印度洋-太平洋地区关键经济物种的分布和数量。此外，海洋热浪和有害藻华的频率增加正在导致栖息地退化和物种重新分布。海洋物种正迅速适应这些变化，特别是在温暖的热带水域，如中太平洋盆地，它们的分布可能会受到温度极限的影响，从而面临局部灭绝的风险。APR的珊瑚礁对气候变化的响应也呈现出多样性，不同深度的珊瑚礁表现出不同的白化模式，这可能与该地区的高珊瑚多样性、遗传多样性以及复杂的环境条件有关。

其次，哪些海洋极端事件对APR构成了最大的威胁？随着全球变暖的加剧，APR正经历越来越多的气候相关灾害，这可能反映了极端事件频率和强度的上升，以及人类暴露度和脆弱性的增加。极端天气事件，如热浪、强降雨和严重干旱，正变得越来越频繁，这些事件不仅威胁着沿海基础设施和生计，还对生物多样性和生态系统动态产生深远影响。海洋热浪会导致广泛的珊瑚白化和死亡，破坏珊瑚礁相关的食物网，降低栖息地的复杂性。同样，洪水和热带气旋的增加会破坏红树林和海草床等关键栖息地，干扰海洋物种的繁殖周期，并促进机会性或入侵物种的扩张。这些压力可能会加速物种分布和特征的变化，选择性地推动生长更快、耐热性更强的物种，同时导致更专一的物种出现局部衰退或灭绝。

由于这些极端事件变得越来越常见，生态系统的韧性可能会被削弱，恢复过程变得更加缓慢和不可预测。因此，将极端事件动态纳入保护和管理策略中，对于维护APR的海洋生态系统稳定性至关重要。如果不采取紧急且协调的措施，如通过生态系统适应性、早期预警系统和可持续发展途径来增强韧性，APR可能会面临一系列连锁的生态和社会经济危机，严重影响其未来的可持续性。

APR的海洋生态系统是全球生物多样性热点之一，包括珊瑚三角等关键区域，这些区域不仅支持着丰富的海洋生物，还为全球和区域的人类福祉提供了重要的生态系统服务。然而，APR的海洋变化往往与全球趋势有所不同，这主要归因于其复杂的海洋动力学和高度的生物多样性。因此，针对APR的海洋研究和保护，需要采取区域特定的方法，而不仅仅是依赖全球模型。

目前，APR在数据共享方面仍存在不一致的问题，这限制了对海洋生态系统变化的理解和管理。科学文化、技术能力和围绕主权和资源控制的政治敏感性，都成为跨区域合作和数据获取的障碍。即使存在数据，它们往往分散在各国机构中，难以形成统一的分析。因此，要回答APR生态系统变化、物种反应和气候韧性等问题，必须整合跨学科的多样化数据，从物理海洋学、分子生态学到其他相关领域。只有通过共享高质量的数据，我们才能更准确地识别模式、预测结果，并制定有效的应对措施。

国际Argo计划为APR的数据共享提供了有益的范例。该计划协调超过30个国家的海洋观测浮标部署和管理，确保数据在24小时内被快速验证并公开。同时，Argo还遵循FAIR（可发现、可访问、可互操作和可重用）数据原则，并通过定期的国际会议来统一标准和实践。这种结合协调、开放数据共享和持续质量保障的模式，为APR加强数据系统和区域合作提供了借鉴。

未来，APR的海洋科学研究应更多地依赖于区域性的合作项目，这些项目正在重新定义该地区的研究方法。例如，日本东北大学和日本海洋地球科学与技术机构（JAMSTEC）共同建立的世界级国际研究机构——先进海洋生态系统变化研究所（WPI-AIMEC），正致力于通过跨学科合作，更好地理解和预测海洋生态系统对环境变化的反应。WPI-AIMEC的研究范围具有全球视野，但特别关注西北太平洋，这为APR的海洋研究提供了新的视角。该研究所的活动包括推动国际、跨学科的努力，以理解海洋生物多样性和生态系统变化，这种融合科学的方法能够应对快速变化的环境条件。类似的机构和合作框架表明，整合物理和生物数据，跨学科、跨国界的研究，是解决复杂海洋问题的关键。通过这些合作，科学家们可以将分散的观察结果转化为协调的行动，并确保科学研究能够真正支持APR海洋生态系统的长期健康和人类福祉。