Nature｜为生物多样性、粮食和气候保护全球海洋 - 海洋生物多样性保护法

来源：早晚地理

期刊： Nature

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中文题目： 为生物多样性、粮食和气候保护全球海洋

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英文题目： Protecting the global ocean for biodiversity, food and climate

作者： Enric Sala, Juan Mayorga, Darcy Bradley, Reniel B. Cabral, Trisha B. Atwood, Arnaud Auber, William Cheung, Christopher Costello, Francesco Ferretti, Alan M. Friedlander, Steven D. Gaines, Cristina Garilao, Whitney Goodel, Benjamin S. Halpern, Audra Hinson, Kristin Kaschner, Kathleen Kesner-Reyes, Fabien Leprieur, Jennifer McGowan, Lance E. Morgan, David Mouillot, Juliano Palacios-Abrantes, Hugh P . Possingham, Kristin D. Rechberger, Boris Worm & Jane Lubchenco

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摘要

海洋拥有独特的生物多样性，提供宝贵的食物资源，是人为的主要碳汇。海洋保护区（MPA）是恢复海洋生物多样性和生态系统服务的有效工具，但目前只有2.7%的海洋受到高度保护。这种低水平的海洋保护主要是由于与渔业和其他采掘用途的冲突。为了解决这个问题，我们制定了一个保护规划框架，以优先考虑那些在今天和未来会带来多重利益的高度受保护的MPA。我们发现，通过保护生物多样性、提高渔业产量和保护面临人类活动风险的海洋碳储量，大幅增加海洋保护可产生三重效益。我们的结果表明，大多数沿海国家都有一些优先领域，可以为实现生物多样性保护、粮食供应和碳储存这三个目标作出重大贡献。全球协调的努力可能比不协调的国家级保护规划的效率高出近一倍。我们灵活的优先次序框架有助于为国家海洋空间规划和全球海洋保护、粮食安全和气候行动目标提供信息。

研究背景

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全球海洋是一个生物多样性宝库，蕴藏着独特的生命形式和遗传资源，为人类提供了具有巨大价值的生态系统服务。然而，越来越多的人为影响正在削弱海洋提供这些服务的能力，并引发了关于扩大世界海洋保护区系统的全球讨论。

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海洋保护区，特别是禁止采掘和破坏活动的高度保护区可以成为有效的管理工具，以保护和恢复海洋生物多样性和相关服务，补充传统渔业管理，并通过保护海洋碳储量为减缓气候变化做出贡献。然而，截至2021年3月，只有约7%的海域被指定或提议为海洋保护区，只有2.7%的海域被实际实施为完全或高度保护区。这种低水平的海洋保护在一定程度上是由感知到的权衡导致的保护和开采之间的冲突造成的。我们不是把保护与开采视为一场游戏，而是询问战略保护规划是否能同时为生物多样性保护、粮食供应和碳储存带来好处。

以往确定全球海洋保护优先事项的努力主要侧重于对生物多样性的狭义定义，而忽视了其他关键方面，如功能作用、物种进化历史和独特群落组合。也许更重要的是，在多用途海洋中，只关注一个单一目标往往会导致强烈的权衡，从而阻碍现实世界的保护行动。为了克服这些问题，我们制定了一个全面的养护规划框架，以实现多种目标：生物多样性保护、粮食供应和碳储存。该框架考虑了通过高度保护或完全保护的海洋保护区（即保护免受捕鱼、采矿和栖息地破坏）可以减轻的人类影响，以及那些通过这些工具无法减轻的影响（例如营养污染、海洋变暖和酸化），它寻求最大限度地扩大保护相对于照常经营的情况（即一个没有额外保护的世界）所带来的差异保护）。此外，它不需要预先设定基于区域的目标，而是产生了跨尺度的海洋保护优先次序层次。

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研究结果

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（1）生物多样性保护

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海洋生物多样性是指海洋生物的多样性，包括从分类群内部到生态系统在许多复杂程度上的变化。因此，我们试图确定海洋保护区在实现多种生物多样性保护目标方面最有效的领域，包括最小化物种灭绝风险、维持生态系统中的多样物种特征、保护海洋生物的进化历史，同时确保生物地理代表性。为此，我们将给定海洋保护区网络的生物多样性效益定义为特定生物多样性特征持续性的边际收益加权和，这是由于消除了与通常商业相关的可减轻影响。

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我们的结果表明，生物多样性保护的优先区域分布在整个海洋，90%的前10%优先区域包含在各个沿海国家管理的200英里专属经济区（EEZ）内（图1a）。这些专属经济区拥有不可替代的生物多样性，通常受到人类活动的严重影响，MPAs可以减轻这些影响。然而，我们也在海山群、近海高原和生物地理独特区域周围的公海中发现了许多优先区域，如南极半岛、大西洋中脊、马斯克林高原、纳斯卡海脊和西南印度洋脊。

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随着对最优先地区的保护，全球生物多样性利益迅速增加（图1b）。我们发现，通过战略保护21%的海洋（43%的专属经济区和6%的公海），我们可以从海洋保护区获得90%的最大潜在生物多样性效益。这将显著提高濒危和极度濒危物种的平均保护率，从目前的1.5%和1.1%分别提高到82%和87%，并将生物地理省的平均保护提高24倍。

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气候变化已经在改变海洋物种的分布，预计将继续如此。因此，针对当前条件设计的任何海洋保护区网络的生物多样性效益在未来可能会发生变化。为了评估这些假定的变化，我们使用“高温室气体排放”情景下2050年的预测物种分布重新评估了我们的生物多样性优先次序（政府间气候变化专门委员会（IPCC）排放情景特别报告）。我们发现，在2050年，约80%的地区属于全球生物多样性优先领域的前10%。到2050年，一些温带地区和北极部分地区将成为生物多样性保护的优先事项，而热带和南半球之间公海的大片地区将减少优先事项。

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图1 全球保护优先事项。a、 c、e、生物多样性保护全球海洋保护区网络的优先次序（a）、粮食供应（c）和碳储存（e）。现有的完全保护区域以浅蓝色显示。b、 d，f，相应的累积效益函数，其中“效益”被定义为养护收益（针对生物多样性）（b）、因海洋保护区溢出而导致的渔业可捕物种净变化（针对食物供应）（d）和因底拖网捕捞而导致的碳扰动风险降低（针对碳）（f）。累积的全球效益和保护公海和专属经济区所产生的效益分别列示。效益曲线中的蓝色条表示目前全球海洋的2.7%被纳入全面保护区。

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（2）食品供应

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在高度和充分保护的海洋保护区内，商业目标鱼类和无脊椎动物的生物量随着时间的推移而增加，并且在适当的生物条件下，还可以通过成虫和幼虫外溢提高海洋保护区以外捕鱼区的生产力。在发生过度捕捞的地方，海洋保护区可以增加食物供应；如果渔业管理良好或开发程度低于最大可持续产量（MSY），这种影响可以减弱或逆转。因此，我们通过对1150只商业开发的海洋种群（约占全球MSY27的71%）的保护效果进行建模，以说明其目前的管理状况，确定了提高未来渔业产量的优先领域，开发水平、捕捞努力再分配和相关生物属性。由于实施《海洋保护法》后捕捞努力的再分配会影响粮食供应结果，因此我们模拟了两种不同的情景。第一种假设是，海洋保护区转移的捕鱼作业转移到海洋保护区以外的剩余捕鱼区域，与之前的作业分配成比例。第二种假设没有再分配，因此MPA以外的捕鱼努力保持不变。

我们发现，在全力以赴的位移假设下，覆盖28%海洋的战略性MPA可能会增加，与正常情况相比，粮食供应减少了590万公吨（MMT），没有额外的保护措施，捕鱼压力也没有减弱（图1d）。要实现这一潜力的90%，需要对5.3%的海洋进行战略保护。假设海洋保护区以外的捕鱼量保持不变，产量的最大增加量降至520万吨（包括所有鱼类种群时为730万吨），捕获90%这些收益所需的面积将降至海洋的3.8%。最具粮食供应潜力的地区位于专属经济区内（图1c），该区域目前提供了96%的全球渔获量，并包含了世界上大多数过度开发的鱼类。可捕生物量的伴随变化将需要时间积累，并且将因物种和地点而异。值得注意的是，如果渔业管理在全球范围内得到改善，海洋保护区的粮食供应情况将会减少。

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（3）碳储存

海洋沉积物是地球上最大的有机碳库，也是长期储存的关键储库。如果不受干扰，储存在海洋沉积物中的有机碳可以在那里保存数千年。然而，这些碳库的扰动会将沉积碳重新矿化为CO2，这可能会加剧海洋酸化，减少海洋的缓冲能力，并可能增加大气CO2的积累。因此，保护富含碳的海底是一种潜在的重要的基于自然的气候变化解决方案。

利用2016年至2019年期间工业拖网渔船和挖泥船捕鱼活动的卫星推断信息，以1 km2的分辨率汇总，我们估计每年有490万km2或1.3%的全球海洋面积被拖网捕捞。由于拖网捕鱼后第一年沉积物中的碳代谢增加，这种对海底的扰动导致约1.47 Pg的含水CO2排放。如果拖网捕捞在随后的几年继续下去，随着沉积物碳储量的耗尽，排放量也会下降。然而，经过9年的连续拖网作业，排放量稳定在第一年排放量的40%左右，或0.58 Pg CO2左右。如果拖网捕捞的强度和足迹保持不变，我们估计沉积物碳排放量将持续约0.58 Pg CO2，持续约400年的拖网捕捞，之后顶层的所有沉积物都将耗尽。虽然1.47 Pg CO2仅占海洋沉积碳总量的0.02%，但它相当于海洋每年吸收的大气CO2的15-20%，并且与农业造成的陆地土壤碳损失的估计值相当。尽管水溶性CO2中有未知部分排放到大气中，水柱和沉积物孔隙水中CO2的增加会对海洋碳循环、初级生产力和生物多样性产生深远而复杂的影响。

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图2 保护的共同利益。a、 优先领域实现一个（黄色）、两个（橙色）和三个（红色）同时保护目标（生物多样性保护、碳储量和粮食供应）90%的最大效益。现有的完全保护区域以浅蓝色显示。b–d，生物多样性（b）、粮食供应（c）和碳（d）单一目标下每个目标的累积共同利益。效益曲线中的蓝色条表示目前全球海洋的2.7%被纳入全面保护区。

我们确定了海洋保护区可以有效防止人为干扰导致沉积物碳转化为CO2的区域。最优先的区域位于碳储量和当前人为威胁最大的区域，包括中国专属经济区、欧洲大西洋沿岸地区和生产上升流区（图1e）。拥有大型专属经济区和大型工业底拖网渔业的国家，最有可能通过保护碳储量来缓解气候变化。保护沉积物碳的全球利益急剧增加，因为底拖网的空间足迹很小。在我们的工作分辨率为50 km×50 km时，要消除目前因底拖网捕捞造成的碳扰动风险的90%，就需要保护3.6%的海洋（大部分在专属经济区内）（图1f）。深海采矿是对沉积物碳的另一个新兴威胁，但其空间足迹目前尚不清楚，因为该行业目前才刚刚发展起来。

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（4）多目标优先排序

我们对多目标优先级进行了三次单独的分析。首先，我们通过叠加来探索跨目标的协同效应，单目标优先地图创建了一个复合多目标解决方案。将实现每个保护目标90%的效益所需的区域重叠，我们发现，无保护的三重效益区域遍布世界各大洲的专属经济区，覆盖全球海洋的0.3%（图2a）。双惠区（三个目标中的两个目标的组合）占总海洋面积的2.7%。

我们的第二种方法涉及估算单一目标优先次序产生的共同利益（图2b–d）。例如，我们发现，在最佳单目标优先排序后实现90%的生物多样性效益，将同时保护89%的风险碳储量，但需要27MMT的可捕鱼类。尽管这两种方法具有指导意义，但基于重叠利益或共同利益选择保护地点往往会导致目标之间的强烈权衡，而这些目标可以通过共同优化的海洋保护区网络来减少。

我们的第三种也是首选的方法是进行联合多目标优化。这种方法允许利益相关者的偏好告知优先级，通过为每个目标分配权重来捕获优先级。作为一个决策支持框架，多目标优先排序非常适合在给定不同场景或偏好的情况下评估多种利益。

为了说明这一方法，我们推导了生物多样性和粮食供应目标的效率边界（图3a），该边界在一系列可能的偏好（以目标权重表示）中使净收益最大化。尽管我们的框架可以考虑每个和任何目标的明确偏好，但我们将碳视为一种共同利益（权重=0），以便于可视化和解释。如果社会将海洋生物多样性效益与粮食供应效益同等重视，最佳保护战略将保护45%的海洋，提供71%的最大可能生物多样性益处、92%的粮食供应效益和29%的碳效益（图3c）。结果还表明，我们可以保护多达71%的海洋，获得91%的生物多样性和48%的碳效益，而不会改变未来的渔业产量（图3d）。相反，如果我们不重视生物多样性，那么最佳策略将要求保护28%的海洋，提供59MMT的海鲜净收益（如果考虑未评估的存量，则为83MMT），顺便确保35%的生物多样性效益和27%的碳效益（图3b）。只有当生物多样性被认为是不可取的（负权重）时，保护不到28%的海洋才是最佳选择。假设保护后捕鱼努力没有重新分配，分析得出的效率曲线略有不同。在这种情况下，如果不重视生物多样性，就需要保护12%的海洋。

图3 根据未知偏好确定多个目标的优先级。a、 每一点都代表了空间配置，在联合生物多样性——粮食供应优先化中，为生物多样性指定权重（优先权），最大限度地发挥保护的净效益，假设指定保护区域的鱼群捕鱼量转移到MPA以外的区域。碳被视为一种共同利益（重量=0）。箭头和标签指的是底部面板中描述的场景。b、 如果生物多样性权重为零，则为最佳保护策略。该方案通过保护28%的海洋最优先区域，实现了100%的潜在渔业效益，实现了35%的生物多样性效益和27%的碳效益。c、 如果生物多样性与粮食供应同等重要，则为最佳保护战略。这种情况保护了45%的海洋，产生了92%的潜在渔业效益、71%的生物多样性效益和29%的碳效益。d、 具有强烈生物多样性偏好的最佳保护策略。该方案以对未来渔业产量最低的成本实现了91%的生物多样性效益，并通过保护71%的全球海洋实现了48%的碳效益。

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（5）国际合作的必要性

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全球范围的优先排序有助于将注意力和资源集中在可能产生最大效益的地方。我们方法的一个特别优势是能够量化在扩大海洋保护区方面的国际合作如何能够同时为我们的三个目标带来更大的利益。为了证明这一点，我们计算了三种策略下保护区从最高优先到最低优先的累积生物多样性效益：（1）考虑到全球优先事项，系统扩大海洋保护区；（2） 仅考虑国家优先事项，在专属经济区和公海内系统地扩大海洋保护区；（3）MPA的随机分配。我们发现，全球协调的努力可以实现90%的最大生物多样性效益，而仅基于国家优先事项的保护战略的海洋面积不到一半（分别为21%和44%）（图4b）。对扩大陆地保护区网络的全球优先事项进行的比较分析同样发现，全球协调可大幅提高效率。随机养护方法效率最低，需要保护85%的海洋才能达到同样的效果。

图4 国家对生物多样性保护和协调实施的贡献。a、 在全球海洋生物多样性保护的前10%优先领域中，国家专属经济区所占比例很小。这里显示的是为实现最大可能的生物多样性效益做出最大贡献的100个国家或地区。这些值是电流保护之外的值。b、 根据全球优先事项（蓝色）、国家优先事项（橙色）和随机布局（灰色；100个随机集），通过实施全球协调的MPA扩展，累积生物多样性保护受益。蓝色条表示目前全球海洋的2.7%被纳入全面保护区。ATF，法国南部地区；密克罗尼西亚联邦FSM；SGS、南乔治亚和南桑威奇群岛；SHN、圣赫勒拿、阿森松和特里斯坦达库尼亚；SJM、斯瓦尔巴群岛和扬马延群岛；UMI，美国小离岛。

研究结论

越来越多的人一致认为，海洋保护可以为生物多样性、气候缓解和粮食安全带来持久利益。我们的框架表明，战略保护规划可以在全球和国家范围内，通过对海洋保护区进行战略性和高效的优先排序，调和看似相互冲突的目标。

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我们的结果突出表明，无论相关利益相关者的偏好如何，都需要对MPA进行比目前更高水平的投资。我们认识到，这种改变，以及对执法和合规的必要改进，实施起来可能具有挑战性。一个可能的前进道路是提高位于最高优先领域（补充图15）的现有但保护薄弱的MPA的保护和管理效率，以便他们能够提供全套利益。我们发现，只有少数国家无法实现这一目标；特别是在考虑共同利益时，大多数沿海国家在帮助实现本分析中考虑的每一个目标方面发挥着重要作用（图4a）。需要通过国际合作，包括可持续融资机制，解决对潜在不平等的关切，以减轻优先领域过大的国家的潜在短期负担。

我们的结果可能对国家和全球保护目标都有参考价值。将于2021举行的第15届联合国生物多样性公约缔约方会议（COP15）预计将达成一项全球自然协议，在2030年之前紧急采取行动保护至少30%的海洋，以实现生物多样性保护和气候缓解目标。我们的研究结果证实了这一目标，并表明，大幅增加海洋保护不仅可以保护生物多样性，还可以提高渔业生产力，保护面临底拖网捕捞和其他工业活动风险的海洋碳储量。我们的框架具有灵活性，可以在确定优先领域时纳入不同政府或利益攸关方的偏好，这有助于推动更科学地扩大海洋保护，并有助于解决二十一世纪人类面临的三大挑战，即全球生物多样性的减少，为不断增长的人口提供营养的必要性以及缓解气候变化的必要性。最后，我们的框架使我们能够确定扩大保护所产生的广泛的共同利益，这种保护克服了以前认为的生物多样性保护和渔业之间的权衡。

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文献来源：

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https://www.nature.com/articles/s41586-021-03371-z

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