面对海洋环境污染、生境破坏和海洋资源过度开发利用导致海洋环境及其资源严重破坏的现实，20世纪60年代以来，世界很多滨海国家为加强保护海洋环境和自然资源，特别是为了拯救特有、稀有和濒危的海洋生物物种，保护典型的海洋生境和特殊的景观遗迹，先后建立相当数量的海洋保护区。这些保护区根据保护对象的不同，大致可分为海洋生态系统保护区、濒危珍稀物种保护区、自然历史遗迹保护区、特殊自然景观保护区以及海洋环境保护区等。通过海洋保护区建设，能比较完整地保存自然环境和自然资源的本来面貌，保护、恢复和发展海洋生物资源，保存海洋生物多样性，消除和减轻人为负面影响，因此保护区的兴起，为人类保护海洋环境与资源，开辟了新的途径。
海洋自然保护区是指实施全面保护和管理的海洋保护区，自然保护区内禁止任何获取资源（包括生物资源、化石资源或矿物）和破坏生境的活动。
建立海洋自然保护区是保护海洋生物多样性的一项重要措施。例如，建于 1975年的澳大利亚大堡礁海洋公园，总面积达 35万平方千米，包括澳大利亚东北海岸外大陆架的 2600个暗礁、浅滩、岛屿及其他地理构造，是世界上最好的也是最大的海洋自然保护区。公园内有 400种不同类型的硬、软珊瑚，近 4000种软体动物，上万种海绵、蠕虫、甲壳类和棘皮动物，还有鲸和海豚也经常出没在此海区。公园还有 6种海龟和儒艮，240多种鸟类在园内岛上筑巢垒窝。据称，澳大利亚大堡礁海洋公园是地球上具有世界意义的自然地貌。
我国的海洋自然保护区通常包括核心区（或称绝对保护区）、缓冲区和实验区三部分。核心区保护基本处于自然状态的生态系统以及珍稀、濒危动植物的集中分布地，严禁一切干扰，禁止船舶、单位和个人进入，但经国家主管部门批准，可以进入从事科学研究活动，是人们获得自然本底信息的重要场所。核心区的面积必须满足保护的要求。缓冲区是指环绕核心区的周围地区，允许进入从事非破坏性的科研活动和标本采集。缓冲区外围的一定区域划为实验区，可以进入从事科学试验、教学实习、参观考察、旅游，以及驯化或繁殖珍稀、濒危野生动植物等活动。如有需要并经批准，可在自然保护区外再划出一定面积作为外围保护带。
保护生物多样性的最佳途径是保护自然群落及其生境，在这种自然条件下，才可能使种群有足够多的数量以避免出现物种灭绝。同时在自然生态系统中物种可以与其他物种及其环境相互作用连续其进化过程，以适应不断变化的环境。因此，建立海洋自然保护区，对保护海洋生物多样性具有重大的战略意义。其重要意义主要有以下四点：
第一，海洋自然保护区既能较完整地为人类保存一部分有代表性的海洋生态系统的天然“本底”，成为活的自然博物馆，也可为以后评价人类活动的结果提供参照标准。
第二，海洋自然保护区是野生生物种的天然储存库，能为大量物种提供栖息、生存和保持进化过程的良好条件，有效地保护生物物种多样性，尤其是保护珍稀、濒危的物种。
第三，海洋自然保护区能减少或消除人为的不利影响，使已受人类干扰，但干扰程度不严重的典型海洋环境得以恢复和发展，达到改善海洋环境和维持生态相对平衡的目的。
第四，海洋自然保护区可保护自然历史遗迹和风景名胜等，使其免遭破坏，对促进科学研究、文化教育和旅游事业的发展有极其重要意义。
在海洋自然保护区内一切利用生物资源和破坏生境的活动都被禁止，使本来受到过度捕捞和生境破坏双重威胁的海洋生物得以在受保护的自然生境中生息和恢复。在世界范围的大量实践表明，海洋自然保护区的建立能显著提高保护区内海洋生物的生物量、物种多样性、生物密度、个体大小和繁殖能力。例如，在加勒比海的萨巴岛和圣卢西亚岛，由于珊瑚礁保护区的建立，1/3常年栖息于保护区内的鱼种的个体变大、生物量增加，圣卢西亚保护区内的鱼类生物量比保护区外高50％。
无论是在热带珊瑚礁区，还是在温带河口、海湾和海藻场以及亚热带沿岸水域，受到人类开发利用的物种在自然保护区的密度和个体大小都增加了。哈尔彭（法国生物学专家）对世界范围的 89项海洋自然保护区研究的相关数据进行了统计，结果显示，在实施全面保护后，保护区内的海洋生物资源得到极大的恢复，资源生物的生物量、生物密度、个体大小和物种多样性分别提高了 43.1％、20％、82％和71％。
不仅如此，海洋自然保护区内大多受到保护的鱼种，产卵群体的平均年龄和产卵量增加，鱼卵的孵化率和幼鱼的成活率显著提高，繁衍后代的能力明显增强。例如，美国西海岸俄勒冈州的鲸鱼湾从 1967年开始实施保护后，15种鱼的数量已分别增加了 0.4～ 6倍，个体平均大小提高了13％～25％，产卵量提高了 3～25倍。这与年龄适中的大个体产卵雌鱼的数量增加有关，因为这些雌鱼的个体大、肥满度高、竞争力强和繁殖季节长，从而保证了高质量的鱼卵、鱼苗生产和种群的恢复。
海洋自然保护区为生物资源的恢复提供了良好的生境条件。随着保护区内受保护物种的个体数量增加，密度增大，保护区内空间不足的问题将会逐渐呈现，这时，部分个体将离开保护区寻求新的生存和发展空间，使保护区外的生物资源也得以增加，这种效应称为溢出效应。
溢出效应是大自然对人类保护野生生物资源的一种回报，如果把自然保护区建设比喻为“储蓄”，则资源的溢出就是“利息”，是可以年复一年收获的自然回报。加勒比海圣卢西亚岛海域的研究表明，随着自然保护区内鱼类密度的提高，保护区外的渔获量也同步提高，经过 5年的保护后，保护区外的渔获量几乎提高了 3倍。北美洲乔治滩的研究也表明，拖网作业禁渔区设置 5年后，保护区外的黑线鳕的单网渔获量从 3千克提高到 33千克，增加了 10倍之多。
以上的溢出效应主要是以资源生物的成体溢出为特征的。自然保护区生物溢出的另一种形式是植物的种子以及动物的卵和幼体的溢出，这种溢出效应也相应地被称为种苗效应。在海洋自然保护区内，大型海藻释放出的孢子、许多海洋鱼类的浮性卵和幼体以及底栖无脊椎动物的浮游幼体，由于缺乏运动能力或运动能力弱，会随海流扩散到保护区外的海域，甚至到很远的海区。这些从保护区溢出的种子、卵或幼体对于保护区外自然海区中因受到严重过度捕捞或生境破坏而繁殖力低下的物种资源维持与恢复将发挥极其重要的作用。
设立海洋自然保护区不但能够保护那些受干扰小、接近自然状态的海洋生境和生态系统，而且对曾经受到较大干扰已出现退化的自然生境和生态系统的恢复其作用非常巨大。
一方面，自然保护区的建立排除了人类活动对受保护生境或生态系统的直接干扰（如生态系统过度捕捞和生境破坏），能有效抑制其退化趋势；另一方面，自然保护区的建立同时对保护区内所有物种及其物理环境实施保护，使物种间以及生物与环境之间的自然关系得以恢复，将进而使退化的生境和生态系统逐渐恢复其合理的自然状态。
以新西兰的研究为例。在新西兰的某些沿海水域，大量捕获龙虾曾导致以大型海藻为食的海胆过量增殖，使这些海域的海藻生境几近消失。但在对这些海域实施自然保护禁止捕捉龙虾后，大型海藻又逐渐恢复了，原来栖息于海藻场的各种鱼类也回来了，整个生态系统得以重新建立起来。
海洋碳库包括无机碳和有机碳两大类。无机碳主要是溶解态的二氧化碳和水形成的复杂平衡体系（除二氧化碳外还有碳酸、碳酸氢根离子和碳酸根离子等组分的电离平衡体系）。有机碳库能溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC），二者通常以能否通过 0.2～ 0.45微米孔径的有机物来人为地划分，其实 DOC和 POC是密切联系的。海洋各碳库中以溶解有机碳库含量最大，其次是非生命的有机碎屑，各种生物的总碳量所占比例最小。
海洋有机颗粒主要在表层产生，并且都有向下沉降的趋势，在沉降过程中不断被各种消费者和微生物反复利用与分解。因此，随着深度的增加，POC的量会很快下降，其沉降速率与粒径大小有关。细菌和超微型浮游植物的沉降速率几乎等于零，原生动物摄食这些超微型生物后产生的粪粒也很小，大部分在真光层内被分解和进行营养物质再循环。
在海洋的沉积物表层，直接或间接来源于生产者的碎屑经微生物和其他异养生物的反复利用后基本上都能被分解与矿物质化。剩余的少部分是不能被消费者同化的难降解物质，最终被埋藏在沉积物中。因此，在稳定状态下，沉积 =再生 +埋藏。
事实上被埋藏在沉积物中的难腐解物质是一类统称为腐殖质的“不明有机物”，其来源与成分是很复杂的，除了海洋自身产生的外，还有从陆地和大气输入的。这些物质只有少部分能利用传统分析方法确定其类别。
据专家指出，海洋沉积物中的上述不明有机物的形成机制可能包括：
第一，生物大分子碎屑在降解过程中产生的中间产物（如低分子量单糖、氨基酸或分子质量更高的肽）通过非生物过程的化学反应形成难分解的、生物无法利用的复杂缩合物。
第二，生物体产生抗水解、生物难利用的高分子物质，由于生物对沉积物有机库中不同组分的选择性利用，使得这些难分解的剩余大分子在沉积物中保存下来。
第三，活性有机物可能通过与无机或有机基质的相互作用（或受之保护）而难以被生物降解。
