自然保护区能为人类提供生态系统的天然“本底”。各种生态系统是生物与环境之间长期相互作用的产物。现今，森林无采伐，草原开垦，荒漠过度放牧，热带森林农业开发以及城市不断扩大和大工程的建设等，使得许多地区生态平衡失调，有些地区的自然面貌难以辨认。为了研究这些地区的自然资源和环境特点，借助于古代文献记载、考古材料、自然界残留特征（如孑遗生物种类、土壤剖面、地貌类型等）和古生物学研究资料，来推测已不存在的原始自然面貌。可见，保留天然生态系统或原始景观地段，是极为珍贵的自然界的原始“本底”。这为衡量人类活动结果提供了评价准则，并对探讨某些自然地域生态系统合理发展方向提供了途径。
自然保护区是各种生态系统以及生物物种的天然贮存库。现今世界物种数量尚不明确，尽管分类学家们进行了大量研究，但缺乏系统可靠的资料。目前认为世界物种在100万到150万之间，其中只有150万种在科学文献中有记载。人类从这些物种中获取生活的原料已有悠久历史。自新石器时代以来，农业育种工作集中在少数已被驯化或栽培的动植物种上。现在育种家发现对现有品种改良难度大，必须挖掘新的物种来源，转向大自然宝库寻找野生物种资源。自然保护区保存了这些物种及其生态环境。许多重要动植物资源及完整生态系统相继在自然保护区被发现。由于环境变化或人为干扰，许多物种残留于自然保护区中。保护区的建立与管理有助于这些生物保护及繁衍。
自然保护区是天然实验室，保存完整生态系统、丰富物种、生物群落及其环境，为生态学研究提供了条件。自然保护区是自然保护科学研究的重要基地，可用于研究自然生产潜力、自然生态平衡、最优生态结构、生物环境间的制约规律、环境因子改变后果、自然演替、引种、人类活动干扰与生物群落自然恢复能力、环境本底监测等问题。由于长期性和天然性特点，保护区提供了连续系统观测条件，准确掌握物种数量变化、分布及其活动规律，对自然环境演变监测以及珍稀物种繁殖与驯化研究有利。
自然保护区是向公众进行自然与自然保护宣传教育的天然博物馆。保护区通常设有小型展览馆，利用模型、图片、录音、录像等设施宣传自然与自然保护知识。保护区也可提供生态旅游场所，保存完好生态系统、珍贵稀有动植物或地质剖面吸引旅游者。在不破坏保护区和严格管理条件下，可有地开展旅游活动，满足人们欣赏自然景观的需求。
自然保护区在改善环境、保持水土、涵养水源、调节气候、维持生态平衡方面具有重要意义。如河流上游、公路两侧及陡坡上的水源涵养林，能直接起到环境保护作用。尽管仅靠少数自然保护区不足以维持大自然生态平衡，但它是自然保护网络中的重要环节。自然保护区的重要意义不仅局限于所在地，而是全国性、地区性乃至全球性的。
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