Oikos：走向城市海洋生态学 | 描述沿海城市中海洋生态系统的驱动因素、模式和过程 - 海洋生物生态学研究

梅子姐姐 · 发表于海洋技术发展 2024-6-14 23:28:58

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全文链接：https://doi.org/10.1111/oik.05946

文章导读

沿海地区，人口密度约为全球平均值的三倍，这些地区的居民聚集在沿海城市，这些城市不仅是交通和贸易的枢纽，还在改变着海洋环境。今天，我们将带您深入探讨一篇关于“海洋城市化”的文章，这一话题涉及资源开发、污染途径和海洋扩张等三大驱动因素，以及城市海洋生态系统的关键特征，是对这个新兴领域的全面梳理。在沿海城市，人类活动如何影响了海洋生态系统？首先，文章指出了资源开发、污染途径和海洋扩张这三大驱动因素的相互作用。资源的开发和利用，以及污染物的排放路径都对海洋环境产生了深刻的影响，而城市的扩张也不可避免地改变了海洋生态系统的面貌。文章通过综合不同学科的研究成果，为我们揭示了这些城市海洋生态系统的独特特征，包括空间上的异质性，人工结构的存在，污染物的分布，以及群落组成的变化。此外，文章还将深入探讨城市海洋生态系统的动态变化。这些系统通常受到一系列常见模式和过程的影响，如基础物种的丧失、生物多样性和生产力的变化，以及一些新型生物群落的出现。在这个过程中，我们还将讨论海洋生物对城市环境的适应和适应性，以及气候变化与城市化之间的相互影响。最后，文章将探讨如何通过生态工程策略来增强城市海洋生态系统，以实现人类和自然的和谐共生。这篇文章将为您揭示城市海洋生态学的前沿领域，同时探讨了该领域未来的挑战和方向。最终，我们希望通过全方位的研究成果，能够引起关于城市环境设计的广泛讨论，包括建筑、城市规划以及市政和民政工程，以减小城市化对海洋环境的负面影响，并提高未来城市海洋生态系统的生态和人类功能。

研究背景

全球人口正迅速城市化，尤其是向沿海地区迁移，这与城市政策的变革有关。沿海地区的人口密度约为全球平均水平的三倍，且不断增加。许多人集中在沿海城市，这些城市通常位于河流和海洋交汇处，因为这些地方通常是贸易中心或拥有肥沃的三角洲地带。这种沿海城市化过程对海洋生态系统和生态过程产生了重要影响，包括附近渔业资源的耗竭、海洋污染和沿海基础设施建设等。这些影响包括资源利用、污染、城市化物理结构对岸线生态学的影响。尽管近年来对城市化对海洋生态系统的影响有了一些了解，但对这些因素综合影响的全面考虑还不足。引言强调了有必要整合来自生态学各个子领域的研究结果，以建立一个理解城市化对海洋生态系统多方面影响的框架。这个框架将有助于推动人类影响下的海洋研究，并为城市海洋生态学领域的发展奠定基础。最后，本文提出需要进行实证测试来了解城市化对海洋生态系统的核心特性以及如何建立实验基础。强调了城市海洋生态系统是社会-生态系统，受城市内部、近岸和远岸的物理变化，以及气候变化等多种因素的影响。因此，对这些系统的动态和生态学范式尚未进行实验测试，需要扩大现场实验以更好地理解城市海洋生态系统。

研究结果与讨论

1. 海洋城市化过程的三个主要驱动因素

海洋城市化的过程包括三个主要的驱动因素。

首先是资源开发（包括生物和非生物资源的开发），包括娱乐性、生存性和商业性捕捞，以及用于矿物的疏浚和采矿（表1）。在后工业化国家，这一过程可能主要是历史性的，但其长期影响仍然具有重要意义。

第二个驱动因素是污染（包括工业和家庭污染途径），包括沉积物、工业和市政废物、家庭污水、动物屠宰厂废物、粪便、街道尘土、汽车排放油和其他污染源、药物、光污染和噪音污染（表2）。

第三个驱动因素是将自然栖息地全面转化为不同状态，如围垦土地、海堤、码头、游艇码头、防波堤、港口和港口基础设施以及桥梁（统称为“海洋扩展”，表3）。

这三个驱动因素通常按照它们开始发生的时间顺序进行呈现，尽管它们的发生时间和相对范围在不同城市之间可能会有显著差异。此外，这些驱动因素在城市区域中相互交织，特别是在高密度沿海城市开发区域，可能产生复杂的影响。这种复杂性不仅影响海洋生物和生态系统，还可能反馈影响这些驱动因素本身。城市化对沿海城市的社会和生态系统产生广泛影响，其中反馈和相互作用在城市生态系统动态的当前模型中起着核心作用。具体来说，文章提到了一些相互作用和反馈的实例，例如栖息地改变、污染和生物入侵之间的关系，以及资源开发、污染和海洋扩张之间的联系。这些相互作用和反馈可能会加剧城市化对海洋生态系统的影响，包括加速污染物的积累、影响生态系统的各种组成部分，并可能降低生态系统对城市冲击的吸收能力。此外，这些反馈通常难以预测，这可能使我们更难有效地预测生态系统如何响应未来的环境变化。

图1 海洋城市化三大驱动因素（资源开发、海洋扩张和污染途径）

2. 资源开发（包括生物和非生物）

资源开发对沿海和海洋生态系统产生了深远的影响。首先，生物资源的过度开发，包括捕捞和捕捉生物，对生态系统造成了负面影响。许多海洋生物资源，如牡蛎、红藻、海洋哺乳动物和鱼类，在人口增长和城市发展的影响下，数量急剧减少或消失。这种开发通常遵循城市扩张的模式，从城市河口地区开始，然后扩散到离城市中心较远的地方。这种趋势在全球范围内都可观察到。

除了捕捞生物资源，资源开发还包括开采非生物资源，如海洋骨料、矿产和能源资源。这些活动可能导致沿海生态系统的破坏，包括洪水风险的增加和沿海侵蚀。例如，近海骨料开采和沙滩修复可能会损害当地生物群落和生态过程，对珊瑚礁、海洋无脊椎动物和海龟等生态系统产生负面影响。此外，城市化还促进了港口运营的扩大，通常需要进行疏浚操作，释放有毒物质和沉积物，这使资源开发与污染之间存在重叠。

资源开发对环境产生复杂的影响，包括生物多样性的减少、洪水风险的增加和沿海侵蚀。因此，需要综合考虑资源开发的社会、经济和生态方面，以找到可持续的解决方案，以平衡资源需求和生态保护。此外，了解资源开发活动的生态效应对于采取适当的管理和保护措施至关重要。

3. 污染的途径

城市化与污染紧密相关，包括工业和家庭污染。在城市地区，空气和土壤污染是主要问题，而在沿海城市，污染的焦点则是受污染的水体和沉积物。污染来自不同来源，包括废水排放和风吹带来的碎屑和尘土等，对海洋生态系统产生多层次影响，经常引发生物富集和生物放大的过程。城市污染通常是慢性的，对生物产生次致死影响，但在与其他压力因素相互作用时可能导致死亡。

城市沉积物污染主要由建筑工程排水和疏浚等因素引起，对海洋生活产生多方面的负面影响，包括光透射、光合作用、浮游动物摄食、底栖生态过程和物种多样性等。高浓度养分也与沉积物一起存在，来自废水处理、工业排放、雨水径流、家庭清洁剂和人类污水等，对海湾和港口的生态系统产生危害，如浮游植物暴发和海洋疾病的增加。有机氯化合物、重金属、塑料微粒等有毒污染物通常与工业和城市排放以及海上来源有关，它们可以在动物体内积累，干扰生物体内的生化功能，对生殖、神经和激素系统产生负面影响。

此外，城市噪音和光污染也是城市化带来的环境问题，对鱼类、海洋哺乳动物和其他敏感生物产生负面影响，如损害通信、影响捕食和繁殖。这些污染通常会随着距离城市源头的增加而减弱，但某些污染物的影响范围可能较广，甚至影响远离城市中心的地区。例如，塑料污染物可以漂浮多年，对各种动物产生危害，远离它们最初的来源地。总之，城市化引发了多种污染问题，包括污水、沉积物、养分、有机化合物、重金属、塑料污染、噪音和光污染，对海洋生态系统产生了广泛的负面影响。

4. 海洋的人类扩张

海洋扩张是指人类在海洋环境中增加人造硬结构的现象，包括近海和沿海区域。这些硬结构包括风力发电场、油气平台、水产养殖设施、海底电缆、防浪墙等。海洋扩张在城市化海洋环境中占据主导地位，其中人造结构占据了沿海城市大部分海岸线，并改变了潮间带生物栖息地。与自然岩石海岸相比，人造海岸的坡度陡峭，潮间带较小，波浪影响更强，栖息地多样性较低，生物多样性受损。人造结构的空间规模影响依赖于结构类型和当地水动力条件，可以影响几米到数十米内的海洋生态系统，甚至更大范围的海洋聚集。总之，海洋扩张对海洋生态系统产生重要影响，但在大尺度上的后果仍需要深入研究。

5. 海洋城市化影响下的生态模式

城市化对海洋生态系统的影响是一个复杂而多样化的问题。城市和沿海地区通常包括多种不同类型的环境，包括硬底质、软底质、沿岸栖息地、水体、自然栖息地和人工栖息地。城市化的影响主要包括污染、沉积物、养分输入、土地使用变化、非本地物种引入、沿岸开发以及垃圾和塑料污染。这些影响会因城市的规模、特点和管理措施而异。

城市通常伴随着污染物的排放，如工业废物、废水、废气、垃圾和化学品。这些污染物会进入河口和海湾，对水质和底栖生物造成威胁。城市化还导致大量泥沙和沉积物进入水体，改变水动力学并影响底栖生物的生存环境。养分过量输入也是城市化的问题之一，这会引发藻类水华和富营养化。

城市化还会改变土地的使用，例如填充滨海湿地和红树林，影响野生动植物的生存环境。城市港口也是外来生物物种入侵的主要途径，这些物种可能对当地生态系统产生破坏性影响。同时，沿海开发工程如海堤、码头和堤防的建设可能改变水流和波浪模式。

城市还产生大量垃圾和塑料废物，这些废物可能进入水体，对海洋生物构成威胁。总之，城市化对海洋生态系统产生广泛而深远的影响，这些影响需要根据具体地理位置和环境情况进行研究和管理。

6. 气候变化与海洋城市化

气候变化和海洋城市化相互作用，导致海平面上升、风暴严重程度增加以及沿海生态系统和社区面临的挑战。温室气体引起的变暖和冰融化导致海平面上升，威胁着沿海地区，需要建设海防设施。气候变化还影响居住在这些结构中的海洋生物以及珊瑚礁和红树林等主要沿海生态系统，从而影响食物来源和城市的自然防御。然而，城市地区本身通过排放和土地利用变化加剧了气候变化。

“海岸挤压”现象是由于固定的高水位线和海平面上升引起的低水位线迁移而导致潮汐栖息地丧失，导致生态系统服务、生物多样性和海岸保护减少。有管理的撤退，包括将基础设施移至内陆，可以缓解沿海挤压，但由于海平面上升速度，可能需要相当长的距离。

人工海岸防御创造了独特的热景观，可以挑战潮间带生物或为潮间带生物提供庇护所。潮汐规律和波浪飞溅等复杂因素会产生局部温度模式，这些模式更多地受到当地条件的影响，而不是大范围的气候变化。与气候相关的降雨模式变化可能会淹没排水系统，导致污染物流入、沉积增加、富营养化和低盐度。

气候变化还威胁着珊瑚礁和红树林等自然海岸防御系统。由温暖的海水温度引起的珊瑚白化可能导致珊瑚礁损失，减少波浪吸收和海岸保护。红树林很容易受到海平面上升超过土壤累积率的影响，导致海岸线后退。这些生态系统的丧失可能会导致建立坚硬的海岸防御设施。

城市海洋环境复杂，受社会和生态因素影响。气候变化与城市化相结合，改变了这些生态系统，可能会降低它们对风暴、社会经济变化或疾病爆发等干扰的抵御能力。需要进行研究来了解城市海洋生态系统将如何应对此类干扰和潜在的相变。将不确定性纳入城市海洋管理的情景规划是有益的。

7. 生态工程

由于沿海地区人口不断增长，发展和填海活动正在以前所未有的规模进行，因此生态工程变得越来越重要。气候变化风险进一步要求加强海岸线保护，尤其是在低海拔沿海地区。沿海城市正在实施相关策略，如扩大海岸护坡和管理雨水系统，以提高城市基础设施的抗灾能力。

海洋城市化正在创造人类干预塑造的新型海洋生态系统，挑战“新生态系统”的概念。这些城市海洋生态系统可能更适合理解为“设计生态系统”或“和解生态学”，侧重于干预和适应，而不是将生态系统恢复到历史状态。

生态工程需要符合基本生态原则。处于这些框架之间，现有的生态工程一般强调初始干预，但较少对后续管理进行跟进。未来，基于自然的借鉴方案正在全球范围内得到推广，基于自然的方案将会更多用于沿海防御。然而，可行性和社会经济制约经常阻碍其采用，而现有的硬质防御无法移除。为了增强人工海岸线的生态和社会价值，同时保持其工程防护的功能，新兴领域的生态工程试图在了解这些栖息地作为系统和迫切实施实际解决方案之间寻找平衡。随着生态增强项目在城市海洋环境中变得更加普遍，研究者、城市政府和规划者之间的合作至关重要，以确保这些项目的长期效益并随着时间的推移进行监测。

未来面对的挑战与研究方向

当前人们越来越意识到对海洋生态系统的开发利用、海洋污染和城市化对其产生的影响，同时也开始关注生态工程的对抗措施。然而，在理解城市海洋生态系统动态以及建立城市海洋生态学作为一门学科方面，仍然存在许多新兴问题、知识空白和研究需求。在这里，本文提出了一些尚未得到充分解决的关键研究问题和调查领域。

多重压力因子在城市化沿海地区的相互作用是什么，包括反馈和随时间的变化？更强有力地表征城市化海洋环境中生物多样性的时空格局。什么机制推动了海洋中的共生关系？关键的城市海洋生态系统功能、它们最重要的驱动因素以及未来可能的发展趋势，包括对当前和未来生态系统服务的影响。评估城市化对海洋环境中特征选择的证据。在城市环境中，哪些生态增强方法（生态工程、绿色和蓝色基础设施等）最为有效？

此外，还有许多与“关键生态模式”部分讨论的重要生态过程相关的问题需要阐明，尤其是解开相互关联的压力因子和确定生物和种群对海洋城市化的长期响应。最终，沿海城市的所有方面设计，包括建筑、城市规划以及市政工程，都需要将海洋环境置于优先考虑之列，以最小化城市化的负面影响。特别是，考虑到驱动因素的相互作用并适应复杂的系统动力学的规划策略应该增强未来城市海洋生态系统的生态和人类功能。

全文编辑：许岩

视频制作：许岩

封面图片：生态圈绘制

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