青海湖流域被誉为青藏高原基因库，是青藏高原上生物多样性最为丰富的地区。流域内共有维管束植物74科269属759种，其中种子植物70科265属754种，蕨类植物有4科4属5种；藻类植物5门29属34种；重点保护植物有25科36属47种，其中国家级珍稀濒危保护植物1种（星叶草），国家级重点保护野生植物18种，省级重点保护野生植物16种。流域内共有野生脊椎动物27目70科209属340种，兽类6目15科30属39种，其中国家Ⅰ级保护动物9种，Ⅱ级保护动物14种。
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青海湖是极度濒危动物普氏原羚的唯一栖息地，其数量已从2001年的三百多只恢复到目前的3400余只，黑颈鹤由原有30余只增长到130余只。流域内共有鸟类17目48科171属288种，其中国家Ⅰ级保护鸟类13种，国家Ⅱ级保护鸟类48种。湿地指示性物种（水鸟）多样性实现增量，由原有69种增加到现有101种，湿地指示性物种（水鸟）整体种群数量多年保持稳定，年累计达60.6余万只。
青海湖鱼类资源独特，共有2科3属6种，其中青海湖裸鲤仅分布在青海湖及青海湖流域，是维持青海湖“鱼鸟共生”生态系统的关键性物种，处于青海湖整个生态系统核心地位，每年6月至8月产卵期洄游至环湖周边淡水河流产卵，形成湟鱼洄游奇观。通过先后6次实施封湖育鱼，青海湖裸鲤资源量逐步恢复，2023年青海湖裸鲤资源蕴藏量达到12.03万吨，青海湖裸鲤从“濒危”物种降为“易危”物种。
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