10.1: моніторинг екосистем

Складна та адаптивна екосистема, в якій всі хімічні, фізичні та біологічні компоненти, функції та процеси є недоторканими та нормально функціонують, вважається здоровою екосистемою (але див. Каммінг та Каммінг (2015), для обговорення цього терміна, заснованого на цінностях). Навпаки, порушення будь-якого з компонентів, функцій та/або процесів екосистеми, за визначенням, певною мірою змінює їх (Таблиця 10.1). У багатьох випадках екосистеми, які зазнали певних форм та рівнів порушень, залишаються здоровими, оскільки існує надмірність ролей, які виконують різні компоненти екосистеми (Розділ 4.2.1). Ця здатність екосистеми протистояти певним формам та рівням порушень називається стабільністю екосистеми. Стабільність екосистеми може бути результатом однієї або обох двох якостей: стійкості та стійкості. Опір - це здатність екосистеми зберігати однакові характерні спільноти та природні цикли протягом та після події порушення, тоді як стійкість - це здатність екосистеми швидко відновлюватися або адаптуватися після події порушення. Наприклад, якщо кількість місцевих видів водних комах зменшується після того, як некорінних риб вводяться в раніше вільні ставки, екосистема ставка має низький опір. Але якщо місцеве співтовариство комах швидко відновлюється після видалення некорінних риб, екосистема стійка.

Таблиця 10.1 Три способи, як люди змінили природний світ.

природна функція	Зміни, пов'язані з діяльністю людини
Поверхня землі	Настільки ж половина світової поверхні землі, що не містить льоду, була перетворена, щоб задовольнити потребу людей у природних ресурсах. Значна частина цих змін обумовлена сільськогосподарською діяльністю.
Цикл азоту	Діяльність людини щодня виділяє величезну кількість азоту в природні екосистеми. Значна частина цього відбувається завдяки використанню азотних добрив, спалюванню викопного палива та вирощуванню азотфіксуючих культур.
Атмосферний вуглецевий цикл	Вчені підрахували, що люди подвоїли б рівень вуглекислого газу в атмосфері Землі до середини цього століття. Це насамперед результат використання викопного палива та вирубки лісів.
Популяції дикої природи	У період з 1970 по 2014 рік Африка на південь від Сахари втратила три чверті своїх прісноводних хребетних; швидкість цих скорочень не свідчить про зниження.
забруднювачі	Забруднення від людської діяльності стало настільки всюдисущим, що важко уникнути його наслідків. Мікропластики були знайдені у питній воді та їжі, яку ми їмо (Глава 7).

Джерела: МЕА, 2005; Кулькарні та ін., 2008; http://www.livingplanetindex.org

Багато форм порушень екосистеми легко спостерігати. Отже, моніторинг цих видимих форм порушень, таких як відверте знищення лісового або пластикового забруднення на пляжі, зосереджується менше на виявленні, а більше на розробці систематичних протоколів обстеження (розділ 9.1), які можуть надати інформацію про те, чи поширюється і збільшується порушення в інтенсивності, або чи успішна дія збереження в стримуванні загрози. Однак деякі порушення є більш тонкими, ненав'язливими і, отже, їх важко виявити; приклади включають дрейф пестицидів та сільськогосподарський стік (розділ 7.1). Прийняття підходу «чекай і побачиш» до виявлення цих невидимих форм порушень може бути особливо шкідливим, оскільки такий підхід, як правило, закінчується в точці, коли шкоду буде або неможливо змінити, або вимагатиме значно більше ресурсів і часу, ніж це було б, якби проблема. було звернено раніше. Таким чином, існує багато подібності між моніторингом здоров'я екосистеми та здоров'ям людини - деякі хвороби легше діагностувати, ніж інші, але ми уникаємо найгірших сценаріїв, регулярно перевіряючи захворювання та оперативно лікуючи загрозливі.

Малюнок 10.2 Біологи відбору проб водних макробезхребетних в дельті Окаванго, Ботсвана, в рамках проекту біомоніторингу Центру прісноводних досліджень. Фотографія Хелен Даллас/FRCSA, CC BY 4.0.

Мабуть, найпопулярніший метод збереження біологи використовують для моніторингу здоров'я екосистем відомий як біомоніторинг. Спостерігаючи за кількістю та/або придатністю чутливих видів (Box 10.1), біологи іноді можуть виявляти деградацію екосистем, перш ніж вона стане очевидною для людського ока або загостриться до точки, коли вона починає впливати на життя людей (Bornman and Bouwman, 2012). Моніторинг екологічних показників, таких як макробезхребетні (рис. 10.2), особливо популярний при вивченні екологічного стану водних екосистем; метелики, кедзі та камінні мухи - фахівці непорушених струмків - часто замінюються мухами та мошками у забрудненому та порушеному середовищі . Однак іноді, коли рослини або тварини нелегко відстежуються, певні аспекти цих видів все ще можна контролювати. Одним із прикладів є моніторинг загальної біомаси рослин як проксі для поживних речовин ґрунту або інтенсивності травоїдних рослин. Іншим варіантом є проведення біоаналізу, під час якого чутливий організм (як правило, водяні блохи або планктон) викидається в потенційно забруднене середовище, щоб побачити, чи настає смерть чи зниження здоров'я.

Спостерігаючи за кількістю та/або придатністю чутливих видів, біологи можуть виявити загрози біорізноманіттю до того, як це стане очевидним для людського ока.

Box 10.1 Використання комах для моніторингу здоров'я навколишнього середовища

Розіна Керематен

Відділ біології тварин та природоохоронних наук,

Університет Гани,

Легон, Гана.

[e-mail]

Комахи важливі майже для кожної наземної харчової павутини у світі і служать безлічі різних цілей: деякі комахи відповідають за запилення рослин, а інші - падальники, які очищають мертві рослинні та тваринні матеріали. У деяких випадках наше розуміння екологічної ролі виду комах може зробити його придатним як показник здоров'я навколишнього середовища. Біомоніторинг розглядає наявність та велику кількість організмів у своїх природних спільнотах для оцінки впливу порушень навколишнього середовища; ці знання потім можуть бути використані для управління екосистемою. Таксон індикатора - це той, вплив якого можна конкретно і точно виміряти; його велика кількість служить мірою загального стану здоров'я екосистеми. Розуміння того, як наявність та велика кількість видів індикаторів та відносна велика кількість толерантних та нетерпимих видів відображає відносне здоров'я навколишнього середовища, може дозволити швидкі обстеження порушених екосистем для оцінки тенденцій, а також відстежувати зміни після відновлення та відновлення зусилля.

За останні кілька років біомоніторинг з комахами як індикаторні таксони набуває все більшої популярності в Гані. Метелики особливо популярні, оскільки вони виявляють різну відносну чутливість до змін навколишнього середовища; велика кількість певних видів метеликів може бути використана, наприклад, для вивчення впливу втрати середовища існування, фрагментації та зміни клімату (Kyerematen et al., 2018). Наявність і велика кількість метеликів, більш характерні для відкритих і порушених екосистем (рис. 10.А), можна, наприклад, використовувати як показник деградації лісів.

Малюнок 10.A Оскільки зелено-смугастий ластівчин хвіст (Papilio nireus) віддає перевагу відкритим лісовим масивам, дослідники Гани використовують їх достаток у лісах як міру деградації середовища проживання. Фотографія Селести фон Шам'є, CC BY 4.0.

Водні комахи, особливо донні макробезхребетні, також є корисними біоіндикаторами. Прісноводні ресурси, такі як озера та річки, забезпечують водою для пиття та миття місцевих жителів та будинок для економічно важливих таксонів, таких як риба та молюски. Тому захист цих джерел води є важливим для збереження здоров'я та життєдіяльності людей. Наявність, відсутність та різноманітність певних донних макробезхребетних навіть на рівні порядку можуть надати цінну інформацію про те, чи деградується водойма чи ні (Kyerematen et al., 2014; Nnoli et al., 2019). Недавнє дослідження показало, що різноманітність та популяція бабок та девічок вздовж прибережної річки Денсу в Гані широко варіюються залежно від фізичного стану річки та прилеглої території (Acquah-Lamptey et al., 2013).

Завдяки високій різноманітності та різним допускам до екосистемних умов комахи надзвичайно підходять як екологічні показники в моніторингу навколишнього середовища. Кожен вид комах також є частиною більш широкого біологічного співтовариства з важливими екологічними ролями. Якщо вона втрачена, не тільки буде порушена велика кількість іншого життя, така втрата може також натякнути на насувається криза, з якою стикаються люди, що живуть у цих скомпрометованих екосистемах.

Іноді біологам з охорони природи може знадобитися виміряти фізичне середовище для оцінки здоров'я навколишнього середовища. Такий підхід особливо поширений при відстеженні забруднення, наприклад шляхом моніторингу змін біохімічних показників. Наприклад, вимірювання загального навантаження фосфору, азоту та розчиненого кисню в потоках та інших поверхневих водах може допомогти вченим відстежувати евтрофікацію (розділ 7.1.1). Вимірювання цих та інших біохімічних показників зазвичай здійснюється безпосередньо за допомогою хімічного аналізу зразків навколишнього середовища, таких як ґрунт та вода. Однак іноді біохімічні показники відстежуються опосередковано за допомогою біологічних зразків, отриманих від рослин і тварин. Оскільки вони біоакумулюють важкі метали та інші забруднюючі речовини, фільтруючі живильники, такі як молюски та мідії (наприклад, Bodin et al., 2013) особливо корисні в цьому відношенні, оскільки вони можуть бути використані для виявлення дуже низьких концентрацій шкідливих хімічних речовин у навколишньому середовищі.

Моніторинг екосистем з геопросторовим

Стійким викликом, з яким стикаються біологи, які стежать за екосистемами та іншими аспектами біорізноманіття, є досягнення узгодженості у просторі та часі. Розгляньте опитування чутливої спільноти птахів для відстеження змін екосистеми; різні спостерігачі не тільки матимуть різний рівень досвіду, але вони майже напевно побачать різних птахів під час раннього ранкового перепису порівняно з одним пізніше вдень через відмінності в біології та поведінці між видами. Ці фактори вносять помилку в дані моніторингу, що, в свою чергу, може маскувати ефект, який намагається виміряти біолог (Buckland and Johnston, 2017). Лабораторні вчені контролюють ці заплутані фактори шляхом проведення багаторазових вимірювань в строго контрольованих умовах. Але для біологів-природоохоронців, що працюють на вулиці під вітром і дощем, повторні спостереження в подібних умовах можуть виявитися майже неможливими.

Геопросторовий аналіз пропонує різноманітні інструменти, які дозволяють біологам подолати деякі з цих традиційних проблем моніторингу поля. Ці інструменти використовують комп'ютерні програмні пакети геоінформаційних систем (ГІС) для зберігання, відображення та маніпулювання найрізноманітнішими даними, що представляють природне середовище, біорізноманіття та моделі землекористування людьми, оскільки вони стосуються один одного на поверхні Землі. Таким чином, ГІС дозволяє біологам легко візуалізувати та аналізувати просторові зв'язки між картографічними даними, які можуть включати такі аспекти, як типи рослинності, клімат, ґрунти, топографія, геологія, доступність води, розподіл видів, існуючі охоронювані території, населені пункти та використання людських ресурсів (Рисунок 10.3). Розуміння таких взаємозв'язків допомагає біологам з охорони природи визначити пріоритети своїх дій, наприклад, шляхом виявлення областей, де даних бракує, де зміна навколишнього середовища вимагає подальшого дослідження або де існують прогалини в регіональній мережі охоронюваних територій.

Малюнок 10.3 Карти розподілу для трьох видів, що знаходяться під загрозою, накладаються на карти охоронюваних територій та типів рослинності для виявлення потенційних прогалин у збереженні (розглянуто в главі 13). Цей аналіз ГІС показує, що вид А добре захищений, вид B певною мірою захищений, а вид C взагалі не захищений. Таким чином, вид C буде вважатися високим пріоритетом збереження. Після Скотта та ін., 1991, CC BY 4.0.

Дистанційне зондування - це спеціальна галузь геопросторового аналізу, спрямована на отримання екосистемних даних без фізичного контакту (тобто чоботи на землі) з місцем спостереження. До початку XX століття найпопулярнішою формою дистанційного зондування була аерофотозйомка з літаків. Ці аерофотознімки полегшили географам можливість малювати карти ландшафтних особливостей, включаючи інфраструктуру людини та природні рослинні візерунки. Можливості дистанційного зондування значно розширилися з 1960 року і далі, з запуском перших супутників спостереження Землі Національного аеронавігаційного космічного управління (NASA), щоб зробити фотографії Землі з космосу для прогнозування погоди. Наступні супутникові програми розширили сферу їх застосування, щоб також збирати додаткові дані про поверхню і атмосферу Землі. Хоча значна частина цих даних була б корисною для збереження, ранні продукти супутникових даних були дуже дорогими і, таким чином, значною мірою поза досяжністю більшої спільноти збереження. Все це змінилося в 2008 році, коли NASA почало безкоштовно поширювати свої продукти спостереження Землі серед громадськості, віщуючи епоху, коли дистанційне зондування стало стандартним інструментом у галузі збереження.

Дистанційне зондування пропонує різноманітні інструменти, які дозволяють біологам відстежувати біорізноманіття поза можливостями традиційних методів польового моніторингу.

Сьогодні сотні супутників спостереження Землі оточують планету, пропонуючи майже в режимі реального часу доступ до неупереджених та послідовних наборів екологічних даних майже всіх земних поверхонь, океанічних поверхонь та глибин дна та атмосфери, все це з комфорту комп'ютера, підключеного до Інтернету (Wilson et al. , 2013). Вчені використовують ці продукти в роботі з моніторингу екосистем, включаючи моніторинг якості води (Dube et al. 2015), втрати лісу (Laporte et al., 2007), здоров'я коралових рифів (McClanahan et al., 2011), опустелювання (Symeonakis et al., 2004) та пожежні режими (Archbald et al., 2010). Зв'язування інформації, отриманої супутниками спостереження Землі, з біологічною інформацією, зібраною на місцях, виявилося неоціненним у моніторингу статусів загроз видів (Di Marco et al., 2014), підключення екосистем (Wegmann et al., 2014) та придатності до середовища існування (Torres et al., 2010), як а також розуміння того, як біорізноманіття реагує на зміни навколишнього середовища (Вставка 10.2).

Box 10.2 Дистанційне зондування та просторовий аналіз для збереження Африки

Баренд Ф.Н. Еразмус

Інститут глобальних змін (GCI), Університет Вітватерсранда,

Йоганнесбург, Південно-Африканська Республіка.

[e-mail]

Дистанційне зондування - це мистецтво та наука спостереження за об'єктами чи ландшафтами здалеку, не перебуваючи в безпосередньому контакті з навколишнім середовищем. Хоча ви можете розглядати фотографію дикої природи як тип дистанційного зондування, термін зазвичай відноситься до аерофотозйомки (рис. 10.B) або знімків, зроблених через супутник. Для обох випадків існує компроміс між площею, покритою кожною фотографією (слід), скільки цифрового місця для зберігання даних є, і як часто супутник робить знімок тієї ж області. Для супутників, які систематично фотографують землю, уздовж заздалегідь визначеного шляху, хмарний покрив визначає, як часто ви можете отримати корисне зображення. Останні вдосконалення технологій, тепер дозволяють розгортати сузір'я супутників, які мають колективну здатність точки та трек спостерігати за площею майже безперервно.

Малюнок 10.B Повітряна фотографія Каа пан в південно-західному регіоні Калахарі Ботсвани. Гемсбок (Oryx gazella, LC), червоний hartebeest (Alcelaphus buselaphus caama, LC) та еланд (Tragelaphus oryx, LC) викопують отвори для витоку (поїдання грунту з високим вмістом солі), а пішохідні доріжки між різними місцями витоку чітко показують переваги для певних ділянок. Таким же чином, у набагато ширших масштабах копитні переміщаються по ландшафтах, щоб отримати доступ до інших ресурсів, таких як вода та трава, уникаючи при цьому мисливців на людей та хижаків. Фотографія Б.Ф.Н. Еразма, CC BY 4.0.

Наші очі чутливі до кольорів червоного, зеленого та синього кольорів, які разом називають видимою частиною електромагнітного спектру. Це насправді дуже мала частина всього спектру, і вчені виявили, наприклад, що рослинність, яка розглядається як рівномірно зелена, показує багато змін в інфрачервоній частині спектра. З цієї причини багато супутників несуть камери, які можуть «бачити» інфрачервоне світло, і за дорученням вимірювати здоров'я рослинності, біомасу, а іноді навіть структуру. Ця можливість разом із частими показниками повторного відвідування дозволяє отримати унікальне уявлення про те, як змінюються африканські ландшафти, чи то через втрату середовища існування, сезонні зміни чи посуху. Аналіз 13-річних даних дистанційного зондування показує, що найбільш посушливі частини південно-західної Ботсвани зараз відчувають типові умови літньої вегетації пізніше року (Dubovyk et al., 2015), тому травоїдні тварини повинні впоратися з набагато довшим сухим сезоном зараз, ніж вони відчували в 2000 році.

Африканські ландшафти завжди змінюються, а іноді і непередбачуваними способами - локалізовані грози на початку сезону дощів можуть швидко змінити сухий ландшафт смітника на зелений випас. Ці «мокрі сліди» можуть охоплювати ділянки розміром 1 км × 3 км; на відміну від цього, велика фронтальна погодна система може охоплювати десятки або навіть сотні кілометрів. Копитний шукає зелений випас не надто далеко від питної води, при цьому намагається уникнути хижаків і мисливців, потребує вміння виявляти такі зелені плями, а також сили і знання, щоб туди переміститися. Отримання цих знань з точки зору копитного ландшафту - завдання не маленьке. Hopcraft et al. (2014) показують, наскільки поширені гну та рівнинні зебри в Серенгеті мають різні стратегії міграції: гну переходять на зелену траву так швидко, як вони можуть, докладаючи незначних зусиль, щоб уникнути хижаків, тоді як зебра вимірює ризик хижацтва та якість корму одночасно з їх походом.

Наша здатність розуміти рухи копитних та інші моделі екосистем значно покращилася за останні кілька років, як технологія відстеження тварин (де позиції GPS реєструються та зберігаються за допомогою радіочастотного відстеження, мереж мобільних телефонів, супутникових систем або будь-якої комбінації) і в результаті аналізи стали більш витонченими. Тепер можна розрізняти місця, де тварини часто проводять трохи часу (наприклад, кращим тінистим деревом для відпочинку під час денної спеки), або те ж місце, де вони нечасто проводять багато часу (наприклад, одного разу під час циклу тічки, що годує левиця проведе багато часу в її лігві, з дитинчатами). Також можна «побачити», коли така тварина змінює «режим» пересування. Наприклад, дослідники виявили, що спрингбок (Antidorcas marsupialis, LC) барани навколо каструлі Етоша в Намібії демонструють малорухливу поведінку (невеликі рухи навколо певної області), коли випас хороший, що переходить до пошукової поведінки під час посушливих сезонів (тривалі, відносно швидкі рухи прямим лінії), коли вони рухаються до районів, які мали воду або траву в попередні періоди посухи (Lyons et al., 2013).

Якщо ми поєднаємо цю можливість відстеження тварин із регулярними віддаленими зображеннями якості рослинності, то ми можемо почати відповідати на питання про те, чому певні тварини переміщуються в певні райони. Це також підкреслює той факт, що дуже рідко досить добре поставити паркан навколо ділянки і назвати його збереженим. Через мінливий характер африканських саван, тварини повинні мати можливість переміщатися в райони з водою або кормами, часто поза заповідниками, коли вони стають доступними. В умовах зміни клімату та зміни моделей опадів ця здатність рухатися на великі відстані, щоб досягти життєво важливих ресурсів, залишається однією з найкращих адаптаційних реакцій, які африканським копитним, можливо, доведеться впоратися зі зміною клімату. Однак паркани, дороги та сільськогосподарські угіддя можуть блокувати ці міграції через ландшафт, що ставить ці популяції під загрозу зникнення (Розділ 5.1.1).

Африканські заповідні райони повинні забезпечити ці переміщення тварин або зони збереження ризику без стійких популяцій тварин. Це створює проблему - як ми досліджуємо варіанти переміщення великих тварин через перетворений сільський ландшафт та мінімізувати конфлікт між людиною та дикою природою, одночасно забезпечуючи доступ до зеленої трави або питної води на певній охоронюваній території? Обидва ресурси змінюються за місцем і часом року, і тільки регулярне, детальне дистанційне зондування рослинності в поєднанні з детальними дослідженнями руху тварин забезпечить необхідну картину в часі і просторі.

Популярність та корисність цих продуктів передували та сприяли розширенню інших програм дистанційного зондування в моніторингу екосистем. Серед найбільш популярних - радіолокаційні вироби (рис. 10.4), які стали стандартним методом отримання даних про висоту та інші рельєфи місцевості (NASA, 2009, 2013), а також оцінки запасів вуглецю (Carreiras et al., 2012). Досягнення також були досягнуті у використанні гіперспектральних зображень для моніторингу властивостей ґрунту (Mashimbye et al., 2012) і навіть окремих дерев (Naidoo et al., 2012). LiDAR дозволив біологам відображати тривимірну рослинність, яка може бути використана для пояснення рухів тварин (Loarie et al., 2013; Davies et al., 2016) та вимірювання запасів вуглецю та втрати лісу (Burton et al., 2017).

Біологи з охорони природи часто стикаються з синдромом зміщення базової лінії, де орієнтири, які вони використовують для вимірювання свого прогресу, можуть значно відрізнятися від попередніх станів.

Малюнок 10.4 Радарний композит екваторіальної Африки, отриманий у 1996 році японським супутником ресурсів Землі. Показана площа охоплює близько 7,4 млн км 2. Завдяки фільтрам, застосованим до зображення, жовтий колір представляє затоплені ліси, пальмові плантації та міські райони; зелений - ліс, а чорний - поверхневі води. Савани можуть бути чорними, синіми, фіолетовими або зеленими, в залежності від типу екорегіону. Такі дисплеї дозволяють дослідникам відображати екосистеми та втрати екосистем у набагато більшому масштабі, ніж якби використовувались лише польові спостереження. Зображення люб'язно надано НАСА, https://images.nasa.gov/details-PIA01348.html, CC0.

Незважаючи на можливості, які надає дистанційне зондування, важливо пам'ятати, що воно не є заміною традиційних методів польового моніторингу. Найголовніше, що програми дистанційного зондування не можуть вважатися надійними без перевірки з використанням польових даних (див. Burton et al., 2017). Більшість продуктів дистанційного зондування також є відносно новими, що не дає достатньо можливостей для порівняння в часі. За відсутності історичних даних дистанційного зондування геопросторові аналітики зазвичай вибирають найкращий довідковий сайт, наявний в даний час; це може піддати цих аналітиків синдрому зміщення базової лінії, оскільки обраний довідковий сайт може значно відрізнятися від попередніх штатів вчені насправді зацікавлені в навчанні (Bunce et al., 2008; Papworth et al., 2009). Отже, дистанційне зондування не є лікувальним засобом для викликів моніторингу екосистем; це просто потужний інструмент для доповнення традиційного польового моніторингу.