海山生物多样性研究近10年国际发展态势与热点

王 琳, 张均龙, 徐奎栋,

(1. 中国科学院海洋研究所, 山东 青岛 266071; 2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生物学和生物技术功能实验室, 山东 青岛 266237; 3. 中国科学院大学, 北京 100049; 4. 中国科学院海洋大科学研究中心,山东 青岛 266071)

海山是从深海底隆起的高达1 000 m的海底山脉, 通常具有复杂的地形特征, 包括阶地、山顶、山脊、裂缝和火山口。海山为各种生物提供了不同的生活条件和基质, 长久以来被视为海洋生物多样性的热点区域, 是许多特有物种的栖息地[1]。许多深海动物, 如珊瑚和海绵, 需要永久性地附着在岩石上生存。周围的海流可冲走海山上的沉积物, 露出岩石,这些岩石就成为需要硬底质才能生长和附着动物的理想栖息地。许多可移动的动物也需依赖洋流, 流经海山的强海流可为生活在海山两侧的动物提供源源不断的食物, 也为其生存和繁衍提供坚实的生境基础。流经海山的洋流还会在海山周围产生局部上升流, 将硝酸盐和磷酸盐等对浮游植物生长至关重要的营养物质从深海提升到海洋表层, 促进浮游植物以及浮游动物的生长, 支撑了不同层次的生态系统发展[2]。

海山在地理上相对孤立, 地质和物理化学因素的共同作用使得海山成为多种深海生物的丰富栖息地, 这也导致了海山生态系统特别容易受到人为活动的影响, 因此海山生态系统被认为是脆弱的海洋生态系统(Vulnerable Marine Ecosystem, VME)[3]。由于海山区域通常既具有独特的生物多样性又具有很高的商业资源, 当开采不受管制时, 可能会导致严重的负面生态影响和经济损失。近几十年来,受人类活动和气候变化影响, 特别是深海底拖网捕捞, 海山区域的生物多样性和生态系统面临着严重威胁。对海山生境的破坏以及资源过度开发可能对海洋健康造成不可逆的影响, 损害海洋为人类提供的生态服务和资源。有效的管理需要以充足的科学数据为基础, 但是目前人们对海山的许多方面知之甚少, 迄今为止, 在现有的20万座海山及海丘中,只有300多座得到了较细致研究。所以, 迫切需要加强对海山的探索, 加深认识, 从而对其进行有效保护[4]。

通过综合分析海山生物多样性近10年(2001—2020年)的国际研究计划以及论文发表情况, 阐明了海山生物多样性研究的国际发展态势和研究热点。

1 文献分析实验方法

本文使用的文献数据来自Clarivate的科学引文索引数据库(Science Citation Index-Expanded)即Web of ScienceTM核心合集(SCI-E)。检索式设定为TS =(seamount* AND (biodiversity OR *fauna OR species OR community* OR *benthos OR *plankton OR diversity OR taxonomy OR biogeography OR distribution OR endemism* OR conservation OR dispersal OR phylogeny OR abundance OR biomass OR biota OR ecology OR ecosystem*))[5]。文献类型包括ARTICLE、PROCEEDINGS PAPER 和REVIEW。检索日期设定为2011年至2020年, 共计检索得到1 458篇发表文献(最后更新日期2021-04-19, 检索日期为2021-04-19)。

为了进一步分析海山生物多样性研究中新属新种发表方面的趋势, 使用检索式TS=(“Seamount*”and (“new specie*”or“*n. sp.”OR“sp. n.”OR“nov.spec.*”OR“*spec. nov.”OR“new genus”OR“*n.g.”OR“*nov. gen.”OR“*gen. nov.”))在Web of Science数据库中检索, 检索日期设定为2011年至2020年,共计检索得到227篇论文(最后更新日期2022-01-19,检索日期为2022-01-19)。

2 海山生物多样性研究的主要国际计划与项目

2.1 欧盟大西洋行动计划

欧盟委员会在2011年提出要构建其大西洋海洋战略, 并且在2013年通过了“大西洋行动计划”(Action Plan for a Maritime Strategy in the Atlantic Area), 对欧盟在大西洋的资源开发、科研、环保等活动进行规划。该计划2013年正式开始, 2020年结束。计划中的第二个优先事项是保护、保障和开发大西洋海洋和海岸环境的潜力, 评估大西洋生态系统和生物多样性的社会和经济价值以支持决策。该事项中的一个重要方面就是海洋资源的可持续管理, 包括探索海底并评估海山生态系统的生物多样性, 并了解大西洋矿产开采的可行性和环境影响, 为可持续的、高附加值的欧洲海洋经济奠定基础。到2017年,该计划已发起了1 200多个新项目并吸引了近60亿欧元的投资。2020年, 欧盟委员会通过了更新的“大西洋行动计划”, 以继续支持大西洋地区建立可持续、有弹性和有竞争力的蓝色经济[6]。

此外, 欧盟委员会于2020年5月20日通过了新的欧盟2030年生物多样性战略, 以保护自然和扭转生态系统的退化, 海山生态系统的研究与保护也是其中的重要组成部分。

2.2 全球海山项目

全球海山项目(The Global Seamounts Project,GSP)由全球海洋(Global Oceans)主导, 并与纽约大学、杜克大学等美国的多所大学和新西兰、南非、英国、加拿大、德国等国家的研究机构合作。全球海洋(Global Oceans)是一家美国的非营利性机构, 旨在开发深海、北极和大气的国际合作研究项目, 通过其创新的基础设施解决方案支持海洋科学。

该项目始于2018年, 计划在2019—2023年间进行一系列重大的深海考察, 对大西洋、太平洋和印度洋盆地的18个代表性海山生态系统进行密集、标准化的调查。这个项目包含模拟海山生态系统、GSP实地考察与生态系统建模、通过分类学理解海山生物多样性、海山时空测量、海山底栖生物多样性的地貌指标以及对资源节约和政策制定的影响等这几个研究方向。该项目计划生成标准化的调查范围内的多组相互校准的多学科实地数据, 并由生态系统建模团队主导, 通过新兴的建模框架和建立GSP现场活动数据集开发领先的海山生态系统模型。项目研究目标是加速海山科学的发展, 从一个历史上的描述性方法, 走向对复杂生态系统功能和对环境压力的行为反应的理解。从而可以从气候变化、资源开采、污染和其他驱动影响的多个因素中探索反馈、协同效应、恢复力和潜在临界点[7]。

2.3 加拉帕戈斯群岛海洋保护区海山研究项目

加拉帕戈斯群岛海洋保护区海山研究项目(Seamounts of the Galapagos Marine Reserve)是由加拉巴哥群岛查尔斯·达尔文基金会(Charles Darwin Foundation, CDF)这一国际非营利组织发起。该基金会自1959年以来就与厄瓜多尔政府达成协议, 并通过提供科学知识和技术援助以促进和确保对加拉帕戈斯群岛的保护。

由于加拉帕戈斯群岛的火山历史, 已知有数百个海山分布在保护区的海底, 海山高度从高于3 000 m至100 m。鉴于大多数海山的山顶都位于水肺式潜泳的安全潜水边界(小于40 m)之外, 并且探索深海生态系统在技术和资金上都具有挑战性, 因此目前对海山和其他深海生境的理解仍然非常有限。为了弥合这一严重的知识鸿沟, CDF与加拉帕戈斯国家公园管理局(The Galapagos National Park Directorate,GNPD)合作, 发起了多机构合作的加拉帕戈斯群岛海洋保护区海山研究项目, 以研究这些神秘的深海生态系统的生物多样性、生态学和自然环境。

项目在2015年至2016年之间开展了3次国际性海洋科考, 通过无人遥控潜水器(Remotely Operated Vehicles, ROV)和载人潜水器在100~3 200 m的深度进行了海山和熔岩流的勘探。在海山栖息地记录了超过40 h的视频样带, 并收集了300多个深海生物样品。此外, 科考船在7 065 km2的面积上进行了多波束测深调查, 以支持群岛海底高分辨率地图的开发。自2016年以来, 该项目一直在分析这一独特且有价值的数据集, 并致力于首次大规模表征这些神秘深海底栖生境和生物多样性, 从而向加拉帕戈斯国家公园管理人员提供有关海山生态系统的基本基准信息, 以支持基于科学的决策, 从而保护和管理这些未被充分研究的生态系统[8]。

该项目的具体目标是: 1) 找到并绘制加拉帕戈斯海洋保护区(The Galapagos Marine Reserve, GMR)海山的分布图; 2) 在GMR中表征海山及相关深海生态系统的生物多样性和生态; 3) 与加拉帕戈斯群岛的当地社区分享科学发现, 提高当地人对海山的认识和了解; 4) 向加拉帕戈斯国家公园管理人员提供有关海山生态系统的基本基准信息。

2.4 国际自然保护联盟的海山项目

国际自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)在2009—2013年期间主导了一系列针对海山的研究项目, 这些项目由联合国开发计划署(The United Nations Development Programme, UNDP)资助, 研究对象是南印度洋的海山,侧重于探索在国家管辖范围以外的地区制定基于生态系统的渔业管理办法。这些管理战略针对的是海山和在公海发现的具有重要生物和商业意义的其他地区。项目的目标是解决公海可持续渔业管理和海洋生物多样性养护的三大障碍: 关于海山生态系统及其与渔业资源关系的科学知识差距; 缺乏全面有效的海洋生物多样性治理框架; 管理近海鱼类资源的困难, 包括监测和控制[9]。

此外, 自2014年开始, 法国全球环境基金(French Facility for Global Environment, FFEM)与IUCN合作,发起了针对西南印度洋(South West Indian Ocean,SWIO)国家管辖范围以外地区 (Areas Beyond National Jurisdiction, ABNJ)的FFEM-SWIO (2014—2017)项目, 这也是2009—2013年海山项目的后续项目。项目先后开展了MAD-Ridge (2016)和Walters Shoal(2017)的两次海山调查[10]。

2.5 欧盟地平线 2020 (Horizon 2020)研究与创新计划资助的海山研究项目

欧盟地平线2020研究与创新计划(Horizon 2020)资助的ATLAS项目(a Trans-Atlantic assessment and deep-water ecosystem-based spatial management plan for Europe, 2016—2020)开展了40多次科学考察, 聚焦于海绵、冷水珊瑚、海山和大洋中脊生态系统。该项目发现了30多个底栖群落, 在加的斯湾、直布罗陀海峡、阿尔伯兰海、亚速尔群岛和北极东部的戴维斯海峡发现了约35个新物种, 除了冷水珊瑚礁和深海海绵场, 还发现了双壳类Myonera atlasiana。这些发现增加了对北大西洋深处生物多样性的了解同时, 也对国家和国际层面的政策产生了直接影响。例如, Luso热液喷口的地点已被亚速尔群岛地区政府指定为海洋保护区[11]。

欧盟地平线 2020年资助的iAtlantic项目(Integrated Assessment of Atlantic Marine Ecosystems in Space and Time)旨在确定深海和大洋海洋生态系统不可逆转的变化阈值, 即临界点, 明确哪些驱动因素推动生态系统走向这些临界点以及哪些因素影响和支持生态系统对环境变化的适应能力。iAtlantic项目的研究重点包括海山生态系统和生物多样性, 该项目在2020年开展的葡萄牙海底测绘活动中, 通过使用新的多波束测深调查发现了亚速尔群岛的一个新的海山——Diogo de Teive 海山[12]。

2.6 美国国家海洋和大气管理局海山探索项目

美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的Okeanos探索号科考船是于2010年正式下水。NOAA从2011年开始, 每年都组织并资助基于Okeanos探索号的海山探索项目。2021年, NOAA海洋勘探与研究办公室(Ocean Exploration and Research, OER)利用Okeanos探索号科考船在北大西洋开展勘探工作, 总共进行了7次科学考察, 收集了有关北大西洋布莱克高原地区未开发的深水区域和20多个海山的关键信息,包括新英格兰(New England)海山和角隆起(Corner Rise)海山。2021年开展的海山科学考察发现了新的深海珊瑚和海绵群落以及很多新物种, 并在9个潜水点观察到了高密度的生物群落, 还在阿勒格尼海山3 447 m深处发现了高生物多样性。

2022年, NOAA海洋探索计划的考察重点在美国东南部、加勒比海和大西洋中脊。NOAA计划对佛罗里达海峡及其周边地区进行测绘, 并前往波多黎各的圣胡安进行两次测绘考察, 完成波多黎各周边美国专属经济区的深水测绘, 还计划在北大西洋的公海开展一系列针对大西洋中脊、亚速尔高原和查理吉布斯断裂带的探索, 包括针对发散的板块边界、火山活动和热液喷口的地质学研究和海山生物多样性的生物学研究[13]。

3 海山生物多样性近十年的发文情况

3.1 论文发文量年度变化

通过在WOS核心数据库检索发现, 2011—2020年一共发表了1 458篇关于海山生物多样性研究的论文, 论文数量总体呈现平稳持续增长态势(图1)。2020年的论文发表数量增长最多, 为206篇, 几乎接近2011年论文发表数量(129篇)的两倍。

图1 海山生物多样性发文量年度变化Fig. 1 Annual changes of the publication outputs on seamount biodiversity from 2011 to 2020

3.2 学科领域及期刊分布

海山生物多样性近10年的论文共涉及61个Web of Science学科类别。“海洋学”涉及的论文数量最多, 有338 篇;“海洋和淡水生物学”为293篇, 其次是“地球化学和地球物理学”202篇,“综合地球科学”179篇, “动物类”163篇。从Web of Science学科领域每两年的发文量排名前十的变化可以看出(表1), 除了2019—2020年,“海洋学”学科领域的发文量一直处于领先位置,“海洋和淡水生物学”第二。收录海山生物多样性论文数量前20位的期刊详见表2, 有45.5%的论文发表在这20种期刊上。Zootaxa发表了91 篇, 是发文量最多的期刊。其中,Geochemistry Geophysics Geosystems和Geochimica et Cosmochimica Acta等地学类期刊上发表的论文主要是与海山生物栖息地环境及海山生物多样性成因等方面相关的研究。

表2 2011—2020年WOS数据库中海山生物多样性研究发文量前20位的期刊Tab. 2 The top 20 journals about Seamount Biodiversity research in WOS database from 2011 to 2020

3.3 国家与地区发文情况比较

针对第一作者所属国家与地区进行分析发现,2011—2020年海山生物多样性研究在WOS核心数据库中发文量排在前20 位的国家或地区中(图 2), 排在前3位的国家分别是美国、中国和日本。美国发表了273 篇论文, 发文量远超排名第2的中国(157)和排名第3的日本(120)。排在第4至第10的国家分别是: 英国(102)、葡萄牙(92)、德国(91)、澳大利亚(81)、巴西(62)、新西兰(59)、法国(57)。

中国在海山生物多样性研究方面的论文产出近10年来增速较快, 研究力度明显加强, 2020年发文量首次排名第1(图 2)。

图2 2011—2020年海山生物多样性研究发文量Fig. 2 The amount of papers on Seamount Biodiversity from 2011 to 2020

3.4 研究机构发文情况

根据对WOS核心数据库的检索, 发文量前10名的第一作者所署研究机构如图3所示, 发文量最多的是中国科学院海洋研究所(48篇), 其次是葡萄牙亚述尔群岛大学(46篇), 第三名是新西兰水和大气国家研究所(28篇)。

图3 2011—2020年海山新物种研究发文量最多的前10个第一作者所署机构Fig. 3 Top 10 first author affiliations with the largest publication on seamount new species research from 2011 to 2020

3.5 海山生物新物种发表分析

2011—2020年, 研究海山生物新种的论文共计227篇。其中, 中国和美国在有关海山新物种发表方面的论文数量相同, 均为34篇, 日本居第3位, 发表了26篇(图4)。

图4 2011—2020年全球海山新物种发文情况Fig. 4 Global publication outputs of Seamount new species from 2011 to 2020

对第一作者发文机构进行分析发现, 中国科学院海洋研究所共发表了31篇论文, 位居第一, 新西兰水和大气国家研究所排名第4, 德国海洋生物多样性研究中心排名第5。排名第2和第3的青岛海洋科学与技术试点国家实验室和中国科学院海洋大科学研究中心均为中国科学院海洋研究所的共建单位(图5)。

图5 2011—2020年海山新物种研究发文前10名机构Fig. 5 Top 10 institutions of the research on Seamount new species from 2011 to 2020

3.6 研究热点

近10年发表的海山生物多样性研究论文中, 有53个关键词使用了10次以上(表3), 出现频次最多的前10个关键词分别是: 海山、深海、分类、新物种、生物多样性、生物地理学、热液喷口、海洋保护区、小型底栖生物和亚速尔群岛。热点研究区域是亚速尔群岛、新西兰、南海、太平洋、南极和大西洋等。对比每两年使用最多的前10个关键词(表4),2017—2020年, 珊瑚、种群机构、连通性、小型游泳生物和地球化学等关键词出现频次变高, 热点研究区域也由太平洋、新西兰、南极洲转变为南大洋、亚速尔群岛和地中海。这与国际研究计划的部署也是一致的, 亚速尔群岛是欧盟地平线 2020计划资助的海山研究相关项目的重点研究区域。

表3 2011—2020年海山生物多样性研究使用频次较高(>10次)的关键词Tab. 3 The most frequently used keywords (> 10 times)on Seamount Biodiversity research from 2011 to 2020

表4 2011—2020年海山生物多样性研究的关键词变化情况Tab. 4 Changes of keywords on Seamount Biodiversity research from 2011 to 2020

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续表

使用VOSviewer软件对关键词进行聚类分析(图6)可以看出, 海山生物多样性研究主要分为3个研究版块, 分别是: 1) 海山生物多样性及分类学研究, 关键词包括species、fauna、taxa、morphology、genus、identification、Crustacea和sequence等, 研究区域主要涉及太平洋、日本周边和南海; 2) 海山生态系统研究及管理, 关键词包括habitat、ecosystem、coral、impact、conservation、management、fishery、biomass、productivity等; 3) 海山的形成及演化研究,关键词包括formation、crust、process、margin、model、deposit、element、geochemistry、fault、subduction和volcanism等。

图6 2011—2020年海山生物多样性研究的关键词聚类分析Fig. 6 Keyword cluster analysis of Seamount Biodiversity research from 2011 to 2020

4 结论

通过分析海山生物多样性近10年的发文情况可以明显看出, 海山生物多样性论文发表数量总体呈现平稳持续增长态势, 论文发表数量排在前3位的国家分别是美国、中国和日本。中国在海山生物多样性研究方面的论文产出近10年来增速较快, 研究力度明显加强, 2020年发文量首次排名第一。通过对第一作者所署研究机构进行分析, 中国科学院海洋研究所在海山生物多样性研究方面的发文量最多。此外, 中国和美国在有关海山新物种发表方面的论文发表数量相同, 日本次之。近几年的海山热点研究区域是亚速尔群岛、新西兰、南海、太平洋、南极和大西洋等区域。海山生物多样性及分类学研究、海山生态系统研究及管理以及海山的形成及演化研究是近10年海山生物多样性研究的3个重要研究方向。

海山主要分布在国家管辖外海域(ABNJ), 没有统一、完整的法律框架保护, 而且海山区域的生物多样性非常脆弱, 正受到日益严重的威胁。Pitcher等[14]提出使用一个框架——海山生态系统评估框架(Seamount Ecosystem Evaluation Framework, SEEF), 用以规范化海山的特征参数。另一个评估海山保护的框架是Taranto等[15]针对生物多样性公约(Convention on Bioligical Diversity, CBD)到2020年前要达到保护10%的海洋生物群落这一目标而提出的。实现这一目标需要鉴定生态学上或生物学上重要的海洋区域

(Ecologically or Biologically Significant Marine Areas,EBSA), 包括海山。提名EBSA的7个选择标准包括:1) 独特性或稀有性; 2) 对物种生命史阶段的特殊重要性; 3) 对受威胁、濒危或减少的物种和/或栖息地的重要性; 4) 脆弱性、敏感性或恢复缓慢; 5) 生物生产力; 6) 生物多样性; 7) 自然性。Clark等[16]尝试用具有“生物学意义”的物理变量来对全球海山进行分类, 将四种关键的环境变量(群落的潜在物种丰富度和丰度、深度、含氧量和海山与大陆的邻近关系)应用于Kitchingman等[17]发布的海山深海区数据集。研究鉴定了遍布世界各大洋的194座具有相似特征的海山, 这些类型分类系统可以在任何地理尺度上应用, 从而帮助划分海山的保护优先级。

建立海洋保护区(Marine Protected Area, MPA)被认为是一种能有效保护海山的重要手段, 海山的地理位置对其管理的有效性也起着重要作用。国家管辖范围内水域和专属经济区的海山相对容易管理,因为大多数国家已经有了法律以及制定和实施MPA项目的管理依据。澳大利亚、新西兰、挪威和美国是最早在国家管辖范围内保护海山的国家。在国家管辖范围以外的地区, 通常没有明确的法律机制来指定保护区。2007年联合国大会关于可持续渔业特别提到需要保护海山[18], 呼吁各国立即单独或通过区域渔业管理组织采取行动, 且保持与预防方法和生态系统方法相一致, 可持续地管理鱼类种群并保护脆弱的海洋生态系统, 包括海山、热液喷口和冷水珊瑚, 防止其受到破坏性捕鱼活动的影响。法律和地缘政治的影响使得保护海山和ABNJ的其他栖息地面临很多挑战, 这需要各国之间进行高度的跨学科合作和协调。

《联合国海洋法公约》(United Nations Convention on the Law of the Sea, UNCLOS)规定了各国保护、养护和管理海洋的义务, 包括ABNJ, 但没有制定出具体的保护手段, 所以, 目前大多数ABNJ范围内的海洋开发活动基本上没有得到有效的管理和控制。联合国也正致力于创建一个基于联合国海洋法公约的执行协议来填补海山保护的法律空缺, 但由于关系到各国的海洋权益, 这个执行协议的推出可能是一个复杂而漫长的过程。具体来说, 保护海山的生物多样性, 有效的方法可能包括: 1) 建立全球公认的海洋保护区机制。在对可能影响海洋生态系统的活动进行环境影响评估时, 必须考虑到对海山生态系统的威胁。2) 发展一套明确的规则来分享和使用来自国家管辖范围以外地区的遗传资源, 促进透明度和所有国家的参与。3) 发展和建立开放共享的海山生物多样性数据资源库。4) 促进与资助对ABNJ区域深海海山生物多样性的科学探索与研究,加强区域范围与国际上不同研究机构之间的合作与交流, 避免重复投资。5) 加强对ABNJ区域鱼类种群的管理, 采取预防性的捕捞限制措施, 以防止过度捕捞。6) 提升公众保护海洋的意识, 推动海山生物多样性保护知识的传播。