Введение
Научное исследование обновления и восстановления экосистем.
Экологическое восстановление, или восстановление экосистемы, – это процесс содействия восстановлению экосистемы, которая была деградирована, повреждена или разрушена. Оно отличается от охраны природы тем, что направлено на ретроспективный ремонт уже поврежденных экосистем, а не на принятие превентивных мер. Экологическое восстановление способно обратить вспять потерю биоразнообразия, бороться с изменением климата и поддерживать местную экономику. Восстановление среды обитания включает в себя целенаправленную реабилитацию конкретной территории для восстановления функционирующей экосистемы. Для достижения успешного восстановления среды обитания необходимо понимать жизненные циклы и взаимодействия видов, а также важнейшие элементы, такие как пища, вода, питательные вещества, пространство и укрытие, необходимые для поддержания популяций видов. Если восстановление среды обитания до ее первоначального размера или состояния невозможно, могут быть созданы специальные участки, известные как экологические коридоры. Эти коридоры соединяют различные среды обитания и открытые пространства, облегчая выживание видов в ландшафтах, где доминирует человек. Например, болота служат важными местами остановок для перелетных птиц, переходы для диких животных обеспечивают безопасное пересечение трасс, а охраняемые прибрежные зоны в городских условиях предоставляют необходимое убежище для флоры и фауны. Организация Объединенных Наций объявила 2021–2030 годы Десятилетием восстановления экосистем. Ученые оценивают, что текущая скорость вымирания видов, или скорость вымирания в голоцене, в 1000–10 000 раз превышает естественный фоновый уровень. Потеря среды обитания является одной из основных причин вымирания видов.
Для замедления темпов вымирания видов и снижения деградации экосистемных услуг были определены два подхода: сохранение качественной среды обитания и восстановление деградировавшей среды обитания. Количество и масштабы проектов по экологическому восстановлению в последние годы экспоненциально возросли. Цели восстановления отражают политический выбор и различаются в зависимости от места и культуры.
Определение
Общество экологического восстановления определяет восстановление как "процесс содействия восстановлению экосистемы, которая была деградирована, повреждена или уничтожена". Экологическое восстановление включает в себя широкий спектр методов, таких как борьба с эрозией, лесовосстановление, удаление инвазивных видов и сорняков, рекультивация нарушенных территорий, освобождение рек из-под труб, реинтродукция аборигенных видов и улучшение среды обитания и ареала для определенных видов. Многие ученые и практики утверждают, что экологическое восстановление должно включать местные сообщества и заинтересованные стороны, и называют этот подход "социально-экологическим восстановлением".
Теоретические основы
Экологическое восстановление опирается на широкий спектр экологических концепций.
Разрушение
Нарушение – это изменение условий окружающей среды, которое нарушает функционирование экосистемы. Нарушения могут происходить в различных пространственных и временных масштабах и являются естественной составляющей многих сообществ. Например, при восстановлении лесов и лугов часто используют пожары как естественный режим нарушений. Однако тяжесть и масштаб антропогенного воздействия возросли за последние несколько столетий. Важно различать нарушения, вызванные деятельностью человека, и естественные нарушения, чтобы понять, как восстановить природные процессы и минимизировать антропогенное воздействие на экосистемы.
Наследование
Экологическая сукцессия – это процесс, посредством которого сообщество изменяется со временем, особенно после нарушения его целостности. Во многих случаях экосистема переходит от простого уровня организации с небольшим количеством доминирующих пионерных видов к всё более сложному сообществу с множеством взаимозависимых видов. Восстановление часто заключается в инициировании, поддержке или ускорении процессов экологической сукцессии, в зависимости от степени тяжести нарушения. После незначительных и умеренных природных и антропогенных нарушений восстановление в таких системах предполагает ускорение естественных сукцессионных траекторий посредством продуманного управления. Однако в системе, подвергшейся более сильному нарушению (например, в городских экосистемах), восстановление может потребовать значительных усилий для воссоздания экологических условий, способствующих естественным процессам сукцессии.
Фрагментация
Фрагментация среды обитания описывает пространственную разобщенность в биологической системе, когда экосистемы распадаются на более мелкие части из-за изменений в землепользовании (например, сельского хозяйства) и естественных нарушений. Это приводит к сокращению численности популяций и увеличению степени их изоляции. Эти небольшие и изолированные популяции более уязвимы к вымиранию. Фрагментация экосистем снижает качество среды обитания. Кромка фрагмента характеризуется иным набором условий окружающей среды и, следовательно, поддерживает другие виды, чем его внутренние области. Восстановительные мероприятия могут увеличить эффективную численность популяции за счет добавления подходящих местообитаний и уменьшить изоляцию путем создания экологических коридоров, соединяющих изолированные фрагменты. Преодоление последствий фрагментации является важной составляющей экологического восстановления. Состав окружающего ландшафта также может влиять на эффективность восстановительных проектов. Например, участок восстановления, расположенный ближе к сохранившейся растительности, с большей вероятностью будет естественным образом восстанавливаться за счет расселения семян, чем участок, находящийся дальше.
Функции экосистемы
Функция экосистемы описывает наиболее базовые и существенные основополагающие процессы любой природной системы, включая круговорот питательных веществ и потоки энергии. Понимание сложности этих экосистемных функций необходимо для решения любых экологических проблем, связанных с их деградацией. Экосистемные функции являются эмерджентными свойствами системы в целом, поэтому мониторинг и управление крайне важны для долгосрочной стабильности экосистем. Полностью самовосстанавливающаяся и полностью функционирующая экосистема – это конечная цель восстановительных мероприятий. Нам необходимо понять, какие свойства экосистемы влияют на другие, чтобы восстановить желаемые функции и достичь этой цели.
Ассамблея Сообщества
Собрание сообщества – это основа, способная объединить практически всю экологию сообществ под единым концептуальным началом. Теория формирования сообществ стремится объяснить существование экологически схожих участков с различными видовыми комплексами. Она исходит из предположения, что виды имеют схожие экологические ниши, поэтому формирование сообщества является результатом случайных отклонений от общего видового пула. По сути, если все виды в значительной степени экологически эквивалентны, то различия в видовом составе между участками с сопоставимыми экологическими условиями определяются случайными вариациями в процессах колонизации, миграции и вымирания видов.
Генетика популяций
Генетическое разнообразие оказалось столь же важным, как и видовое разнообразие, для восстановления процессов в экосистемах. Следовательно, в практиках экологического восстановления все чаще учитываются генетические процессы. Важными для рассмотрения в восстановленных популяциях популяционно-генетическими процессами являются эффект основателя, инбридинговая депрессия, эффект гетерозиса, генетический дрейф, маладаптация и генный поток. Эти процессы могут предсказать, сможет ли вид успешно закрепиться на участке восстановления.
Накопление листьев
Накопление лесной подстилки играет важную роль в процессе восстановления. Большее количество лесной подстилки поддерживает более высокий уровень влажности, что является ключевым фактором для приживания растений. Процесс накопления зависит от таких факторов, как ветер и видовой состав леса. Лесная подстилка в первичных лесах более обильна, глубина её больше, и она содержит больше влаги, чем в вторичных лесах. Эти технические аспекты важно учитывать при планировании проекта восстановления.
Влияние гетерогенности почв на гетерогенность сообществ
Пространственная неоднородность ресурсов может влиять на состав растительного сообщества, его разнообразие и траекторию формирования. Баер и др. (2005) изменяли неоднородность почвенных ресурсов в рамках проекта восстановления высокотравных прерий. Они обнаружили, что увеличение неоднородности ресурсов само по себе было недостаточно для обеспечения видового разнообразия в ситуациях, когда один вид может доминировать во всем диапазоне уровней ресурсов. Полученные ими результаты соответствовали теории о роли экологических фильтров в формировании сообществ. Заселение одним видом, наилучшим образом адаптированным к физическим и биологическим условиям, может играть несоразмерно важную роль в определении структуры сообщества.
Вторжение и восстановление
Восстановление используется как инструмент для сокращения распространения инвазивных видов растений многими способами. Первый подход рассматривает восстановление прежде всего как средство уменьшения присутствия инвазивных видов и ограничения их распространения. Поскольку этот подход делает акцент на контроле над захватчиками, методы восстановления могут отличаться от типичных проектов реставрации. Целью таких проектов не всегда является восстановление всей экосистемы или среды обитания. В этих проектах часто используются смеси с меньшим разнообразием агрессивных местных видов, высеваемые с высокой плотностью. После высева они не всегда подвергаются активному управлению. Целевые участки для этого типа восстановления – это территории, сильно подверженные доминированию инвазивных видов. Цель состоит в том, чтобы сначала удалить эти виды, а затем, таким образом, уменьшить количество инвазивных семян, распространяющихся на окружающие территории. Примером этого является использование биологических средств борьбы (например, травоядных насекомых), которые подавляют инвазивные сорняки, в то время как специалисты по восстановлению одновременно высевают местные виды растений, использующие освободившиеся ресурсы. Показано, что эти подходы эффективны в сокращении численности сорняков, хотя это не всегда является устойчивым решением в долгосрочной перспективе без дополнительного контроля сорняков, такого как скашивание или повторный посев. Проекты восстановления также используются для лучшего понимания того, что делает экологическое сообщество устойчивым к инвазии. Поскольку проекты восстановления используют широкий спектр стратегий реализации и методов контроля инвазивных видов, они могут быть использованы экологами для проверки теорий об инвазии. Включение функциональной экологии показало, что более функционально разнообразные восстановления характеризуются более низким уровнем инвазии. Кроме того, исследования показали, что использование местных видов, функционально сходных с инвазивными видами, позволяет им лучше конкурировать с инвазивными видами. Экологи, занимающиеся восстановлением, также использовали различные стратегии, применяемые на разных участках восстановления, чтобы лучше понять наиболее эффективные методы управления для контроля инвазии. Для развития экологии восстановления в полноценную науку и улучшения ее практики необходимо обобщение процессов, определяющих развитие восстановленных сообществ. Хотя можно разрабатывать новые эксперименты, одним из путей является использование данных из существующих исследований восстановления для установления связи между продуктивностью видов растений и их экологическими признаками.
Последовательные траектории
Прогресс по желаемому пути сукцессии может быть затруднен, если существует несколько стабильных состояний. Анализируя данные по восстановлению водно-болотных угодий за 40 лет, Клотцли и Готянс (2001) утверждают, что неожиданные и нежелательные растительные сообщества "могут свидетельствовать о том, что экологические условия неблагоприятны для целевых сообществ". Сукцессия может развиваться в непредсказуемых направлениях, однако сужение диапазона экологических условий может ограничить возможные траектории сукцессии и повысить вероятность достижения желаемого результата.
Приобретение земель для восстановления
В исследовании были количественно оценены возможности смягчения последствий изменения климата за счет изменения диеты в странах с высоким уровнем дохода – сокращения потребления мяса – и восстановления высвобожденных земель. Авторы обнаружили, что гипотетический переход к другой диете "может сократить ежегодные выбросы от сельскохозяйственного производства, связанные с диетой стран с высоким уровнем дохода, на 61%, одновременно секвестируя до 98,3 (55,6–143,7) Гт эквивалента CO2, что соответствует примерно 14 годам текущих глобальных выбросов от сельского хозяйства, пока естественная растительность не достигнет зрелости". Они называют эти результаты "двойной климатической выгодой".
Источники материалов для реставрации
Для большинства проектов по восстановлению экосистем обычно рекомендуется использовать материалы из местных популяций, чтобы повысить вероятность успеха восстановления и минимизировать последствия неадаптации. Однако определение понятия "местный" может варьироваться в зависимости от вида, среды обитания и региона. Лесная служба США недавно разработала предварительные зоны сбора семян, основанные на сочетании зон минимальных зимних температур, степени засушливости и экорегионов III уровня. Вместо установления строгих ограничений по расстоянию, другие рекомендации советуют выбирать семена из популяций, соответствующих схожим экологическим условиям, которым вид подвергается сейчас или будет подвергаться в условиях прогнозируемых изменений климата. Например, при отборе источников для Castilleja levisecta было установлено, что более удаленные популяции, соответствующие аналогичным экологическим показателям, оказались более подходящими для проекта восстановления, чем ближайшие. Аналогично, ряд новых методов исследует взаимодействие генов и окружающей среды с целью выявления оптимальных исходных популяций на основе генетической адаптации к условиям среды.
Вызовы
Некоторые считают восстановление экосистем непрактичным, отчасти потому, что результаты восстановления часто не соответствуют поставленным целям. Hilderbrand et al. (Гильдербранд и другие) отмечают, что во многих случаях не учитывается неопределенность (в отношении функционирования экосистем, взаимосвязей между видами и т.п.), а сроки, установленные для “полного” восстановления, неоправданно коротки. При этом другие важные критерии полномасштабного восстановления либо игнорируются, либо сокращаются из-за соображений целесообразности. В иных случаях экосистема может быть настолько деградирована, что наиболее разумным решением будет её забросить, позволив ей восстановиться самостоятельно. Местные сообщества иногда выступают против восстановления, включающего интродукцию крупных хищников или растений, требующих нарушений, таких как регулярные пожары, ссылаясь на угрозу для жизни и здоровья людей в этом районе. Высокие экономические затраты также могут восприниматься как негативный аспект процесса восстановления. Общественное мнение играет важную роль в осуществимости восстановления; если общество считает, что затраты на восстановление перевешивают выгоды, оно не будет его поддерживать. Кроме того, многие предположения основаны на мифах о восстановлении, например, на идее “точной копии”, когда план восстановления, успешно реализованный в одном месте, применяется в другом с ожиданием аналогичных результатов, которые, однако, не достигаются. В опросе 2009 года среди специалистов и ученых “разрыв между наукой и практикой” был назван второй по значимости причиной, ограничивающей развитие как науки, так и практики восстановления. Например, многие публикации в области реставрационной экологии подробно описывают масштабы проблемы, не предлагая конкретных решений. Одним из способов преодоления этого разрыва стала разработка Международных принципов и стандартов для практики экологического восстановления Обществом экологического восстановления (см. ниже), однако этот подход вызывает споры: ученые, работающие в этой области, считают, что он излишне ограничительный, и предлагают вместо этого использовать принципы и руководства, обеспечивающие большую гибкость. Дополнительную сложность представляет то, что экологам, занимающимся восстановлением и стремящимся собрать масштабные данные о проектах восстановления, зачастую приходится сталкиваться с серьезными трудностями в получении этих данных. Руководители проектов по-разному подходят к сбору данных и ведению учета. Некоторые организации хранят лишь небольшое количество бумажных копий данных, что затрудняет доступ к ним для исследователей. Многие проекты восстановления ограничены во времени и финансировании, поэтому сбор данных и ведение учета не всегда представляются возможными, а также оценка наилучшего использования земель для обеспечения баланса между накоплением углерода и производством продуктов питания.
Восстановление в качестве замены резкого сокращения выбросов
Климатические выгоды от восстановления природы "затмеваются масштабами продолжающихся выбросов ископаемого топлива". Существует риск "чрезмерной reliance на земле для смягчения последствий изменения климата в ущерб отказу от ископаемого топлива". Несмотря на эти проблемы, восстановление природы привлекает все больше внимания, и одно исследование приходит к выводу, что "восстановление земель является важным инструментом в борьбе с изменением климата, но не может компенсировать задержки в сокращении выбросов ископаемого топлива", поскольку "маловероятно, что это будет сделано достаточно быстро, чтобы существенно снизить глобальные пиковые температуры, прогнозируемые на ближайшие несколько десятилетий". Кроме того, биология охраны природы часто сосредотачивается на позвоночных и беспозвоночных животных из-за их заметности и популярности, в то время как экология восстановления концентрируется на растениях. Экология восстановления уделяет особое внимание растениям, поскольку проекты восстановления обычно начинаются с формирования растительных сообществ. Экологическое восстановление, несмотря на свою ориентацию на растения, может также включать "ключевые виды" для отдельных экосистем и проектов восстановления.
История
Коренные народы, землепользователи, хранители природы и все желающие занимались восстановлением экосистем или экологическим управлением на протяжении тысячелетий. Экология восстановления оформилась как самостоятельная дисциплина в экологии в конце двадцатого века.
США
До появления экологии как научной дисциплины, крупномасштабное восстановление началось с восстановления популяций крупных диких животных в начале XX века. За этим последовала программа восстановления Экологической лаборатории Вассарского колледжа, основанная профессором Эдит Робертс в 1921 году. Арборетум Университета Висконсина был центром исследований луговых степей в первой половине XX века и изучения таких методов, как контролируемые выжигания. Экология восстановления оформилась как самостоятельная поддисциплина экологии и природопользования в 1980-х годах, с резким ростом числа охраняемых природных территорий. Представители народов Анишинаабе/Нешнабе по всему региону Великих озёр возглавляют проекты экологического восстановления, которые, по словам Кайла Уайта, "стремятся изучать, адаптировать и применять на практике местные связи и истории между людьми и не-людьми, на пересечении глубокой истории Анишинаабе и разрушительного воздействия кампаний промышленного заселения".
Австралия
Австралия стала местом проведения исторически значимых проектов по экологическому восстановлению, начатых в 1930-х годах. Эти проекты были ответом на обширный экологический ущерб, нанесенный колонизаторами после насильственного лишения прав и вытеснения коренных народов Австралии. Значительные традиционные экологические знания коренных народов не были использованы в исторических проектах по восстановлению. Многие из первых проектов восстановления, инициированных австралийскими поселенцами, были начаты добровольцами, часто в форме общественных групп. Многие из этих добровольцев ценили и использовали научные ресурсы, такие как ботанические и экологические знания. В них также участвовали местные и региональные органы власти, а также промышленность. Австралийские ученые стали играть все более важную роль. Выдающимся ученым, проявившим интерес к обращению вспять деградации растительности, был ботаник и эколог растений профессор Т. Г. Осборн из Университета Аделаиды, который в 1920-х годах провел новаторские исследования причин деградации растительности в засушливых зонах. С тех пор австралийские ботаники, экологи растений и исследователи эрозии почв проявляют все больший интерес к восстановлению экологического функционирования на деградированных участках. Самая ранняя известная попытка австралийских поселенцев восстановить деградировавшую природную экосистему началась в 1896 году в Найрме (как это место известно народу Кулин) или в заливе Порт-Филлип, Мельбурн. Местные органы власти и общественные группы повторно высадили деградировавшие участки прибрежных заповедников местными видами растений, прибрежным чайным деревом (Leptospermum laevigatum). Поскольку проект регенерации оказался хорошо адаптирован к суровым условиям засушливой зоны, правительство штата Новый Южный Уэльс приняло его в качестве модели для предлагаемого восстановления двадцати миллионов гектаров засушливой западной части штата, которая была сведена к состоянию сильной эрозии. Соответствующее законодательство было принято в 1949 году. Еще один значительный ранний проект экологического восстановления, осуществленный австралийскими поселенцами, проходил на северном побережье Нового Южного Уэльса. Примерно с 1840 года поселенцы насильственно занимали прибрежные внутренние районы, лишали прав коренные народы, уничтожали обширные территории биологически разнообразных тропических лесов и превращали землю в фермы. Сохранились лишь небольшие участки тропического леса. В 1935 году молочный фермер Амброз Кроуфорд начал восстанавливать деградировавший участок местного тропического леса площадью 1,7 гектара, или "Большой скраб" (низинный тропический лес), как его называли, в заповеднике Ламли-Парк, Алстонвилл. Его основными методами восстановления были удаление сорняков, подавляющих растения тропического леса, и посадка подходящих местных видов тропических растений. Кроуфорд использовал профессиональных ботаников из государственных органов в качестве консультантов и получил поддержку от своего местного совета. Восстановленный тропический лес существует и по сей день.
Рекомендация Комитета по природному капиталу о 25-летнем плане
Комитет по природному капиталу Великобритании (NCC) в своем втором докладе о состоянии природного капитала, опубликованном в марте 2014 года, рекомендовал, что для достижения цели правительства – стать первым поколением, оставившим окружающую среду в лучшем состоянии, чем она была унаследована – необходим долгосрочный 25-летний план по поддержанию и улучшению природного капитала Англии. Государственный секретарь Министерства окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства Великобритании Оуэн Паттерсон на мероприятии NCC в ноябре 2012 года изложил свои амбиции в отношении природной среды и то, как работа Комитета соответствует этим амбициям: «Я не просто хочу сохранить наши природные активы, я хочу их улучшить. Я хочу, чтобы мы извлекали из них максимальную выгоду, обеспечивая их доступность для будущих поколений. Именно на это направлена инновационная работа NCC».