A globális környezeti változások ökológiai következményei
Ökológia, záró előadás BME-ELTE biomérnök és környezetmérnök szakok 2007 Összeállította: Kalapos Tibor
Globális környezeti változások Lokális eredet, ma már globális kiterjedés: - klímaváltozás, - ózonválság (sztratoszféra: -, troposzféra: +) - életközösségek bolygatásának fokozódása, - természetközeli élőhelyek feldarabolódása és izolálódása, - nagyléptékű (táji) élőhelyátalakítás, - invázós növény- és állatfajok terjeszkedése, - biológiai sokféleség csökkenése, - az élőlényközösségek szerkezetének egyszerűsödése, - az emberiség túlnépesedése, - a természeti erőforrások túlfogyasztása (halászat, vadászat) - környezetszennyezés (lég-, talaj- és vízszennyezés), - tápanyag feldúsulás (eutrofizáció). változás üteme túl gyors Æ természetes válaszreakció nem képes lépést tartani. változások (egyedi és összesített) térbeli kiterjedése nagy.
2
A klímaváltozás fő elemei –
a légköri CO2 (és más üveghágázok) koncentrációjának növekedése • •
– – – – – – –
Klímaváltozás
fosszilis energiahordozók égetése, a Föld CO2 elnyelő kapacitásának csökkentése;
üvegházhatás Æ léghőmérséklet emelkedés Æ tengervíz- és talajhőmérséklet emelkedés; hosszabb tenyészidőszak; rendszertelenebbé és szélsőségesebbé időjárás; a magaslégköri ózonpajzs sérült Æ UV sugárzási terhelés nő; magasabb felszínközeli ózonkoncentráció; csökkenő sarki jégsapka, emelkedő tengervízszint; földrajzi területi eloszlása várhatóan egyenetlen; 3
Ózon -sztratoszférikus O3 csökken - UV sugárzás nő a felszínen Æ napozás veszélyes! pl. bőrrák, Æ troposzférikus O3 Æ élő szervezeteket károsít.
Az Antarktisz feletti ózonlyuk 2000 szeptemberben rendkívüli kiterjedésű 28.3 millió km2 volt, ami az USA területének háromszorosa. A sötétkék terület alacsony sztratoszférikus ózonkoncentrációt jelez.
O3
4
Klímaváltozás A légköri CO2 koncentráció emelkedése • jégkori (glaciális) minimum: 180 ppm (µmol mol-1) • ipari forradalom előtt: 260 ppm • •
ma: 380 ppm 2100-re prognosztizált: 700 ppm !!! [CO2] emelkedés: 315 Ö 360 ppm (1958-1990, Manua Loa (Hawaii) obszervatórium, mért adatok)
[CO2] emelkedés a középkortól napjainkig (Antarktiszi jég levegőzárványai alapján)
„kis 5 jégkorszak”
Klímaváltozás Az üvegházhatás nyomán a léghőmérséklet emelkedése • előrejelzés (Éghajlatváltozási Kormányközi Testület, IPCC): 1.4 – 5.8 °C globális átlaghőmérséklet növekedés 2100-ra! • tény: a földfelszin átlaghőmérséklete ~ 1 °C-al emelkedett 1861 óta:
- A 20 legmelegebb évből 19 1980 után!!! - A 3 legmelegebb év 1997-et követően!!! 6
Klímaváltozás A két legfontosabb üvegházgáz (CO2 és CH4), valamint a hőmérséklet alakulása az elmúlt 160 ezer évben.
7
Klímaváltozás Az üvegházhatás nyomán a léghőmérséklet emelkedése • előrejelzés (IPCC): 1.4 – 5.8 °C globális átlaghőmérsékletnövekedés 2100-ra; • nemcsak a CO2, hanem más üvegházgázok miatt is: – –
legjelentősebb a metán; CH4 legfőbb forrásai ma az ázsiai rizsföldek
•
• •
•
az elárasztott területeken az iszapban anaerob folyamatok > a keletkező CH4 jelentős része a rizs gyökerében és hajtásában húzódó szellőztető szöveten (aerenchymán) át jut a légkörbe; mennyisége jelentősen nőtt a történelem folyamán a természetes vegetáció rizsföldekre cserélésével (népességgyarapodás) csökkentése (néptömegek alapélelmezése!) még kevésbé lehetséges, mint az iparilag fejlett országok CO2 kibocsátása.
a rizsföldeken kívül a hideg éghajlati övben a tundranövények hasonló CH4 közvetítést folytatnak az anaerob folyamatoknak 8 otthont adó tőzegből a légkörbe.
Klímaváltozás hatásának kísérletes vizsgálata Rövidfüvű prérin klímaváltozás kísérlet, nyílt tetejű kamrák (OTC)
9
Klímaváltozás hatásának kísérletes vizsgálata Szabad légtéri CO2 dúsítás, rövidfüvű préri, USA
10
Klímaváltozás hatásának kísérletes vizsgálata Csapadékeloszlás kísérletes manipulációja hosszúfüvű prérin (Kansas, USA). A parcellák feletti átlátszó tetőről összegyűjtött (fekete tartályokban tárolt) esővizet adott időbeli eloszlás szerint öntözőrendszerrel juttatják a gyepre.
11
Klímaváltozás hatásának kísérletes vizsgálata
12
Klímaváltozás hatásai Jelentős bizonytalanságok a globális klímaváltozás előrejelzésében •
sok a résztvevő folyamat, eltérően súlyozottak az egyes globális légkörzési modellekben; nem kellően ismertek az atmoszféra, hidroszféra és bioszféra (+ v. -) visszacsatolásos mechanizmusai;
• –
•
pl. a hőmérséklet emelkedésével csökken a tengervíz CO2 elnyelő kapacitása > pozitív visszacsatolás,
a hőmérsékletemelkedés területi eloszlása nagyon egyenetlen: –
az egyenlítő közelében várhatóan kisebb, legjelentősebb a magas földrajzi szélességeknél (mérsékelt és hideg éghajlati övek)
13
Jósolt földfelszíni hőmérsékletváltozás 2026-ra
Klímaváltozás hatásai Hőmérsékletemelkedés: - legjelentősebb a magas földrajzi szélességeken - a sarki jégsapka olvadása jelentősen csökkenti a sugárzásvisszaverést (albedo, hiszen a jégé/hóé sokszorosa a talajénak), jelentősen melegít a nagyobb sugárzásbevétel • 2007 nyarán mérték a legkisebb területű jégtakarót az északi sarkon a műholdas megfigyelés 30 éve alatt. A csökkenés drámai: az 1979-2000 évek átlagának mindössze 61%-a. Okai: globális felmelegedés, plussz előző tél enyhe = vékony jég, forró nyár, igen sok derült nap nyári magas napállás idején az arktisz felett. • Egyik markáns eredmény: 2007 nyár végére szabadon hajózhatóvá válta az Északnyugati átjáró a Csendes és az Atlanti Óceánt összekötő tengeri útvonal Kanada északi partjainál az Északi Jeges tengeren. Ez a Kelet-Ázsia és Európa közötti kereskedelmi szállítás idejét 1/3-ával csökkenti.
- sarki jégsapka olvadásával jelentősen csökken az albedó,
14
Klímaváltozás hatásai Hőmérsékletemelkedés: - az éjszakai hőmérséklet kb 2x annyira nő mint a nappali - a csökkenő hőkisugárzás miatt („üvegház”, felhőborítás)
- hosszabb tenyészidőszak, - enyhébb telek, kevesebb fagyos nap, - növény-, állat- és gombafajok fenológiája (évszakos fejlődési ritmusa) eltolódhat - pl. tavasszal korábbi rügyfakadás (Mo-on is regisztrálva, Angliában egyes növényeknél már akár 1 hónappal korábban mint 100 éve); - aszinkronitás pl. a növény – beporzó, gazda – parazita kapcsolatokban;
- bióta átrendeződése a fajok eltérő hőigénye szerint - földrajzi elterjedés változása: melegigényes elemek délről, melyeket korábban pl. a minimumhőmérséklet tartott távol, - DE: a változás túl gyors, a vándorlás útjában akadályok 15
Klímaváltozás hatásai A tengerfelszin hőmérsékletének (SST) emelkedése a lebegő plankton szervesanyagtermelését csökkentette az elmúlt 5 évben. Climate controls on ocean productivity cause NPP to vary inversely with changes in SST. Global changes in annual average SST (a) and NPP (b) for the 1999 to 2004 warming period (Fig. 2). c, For 74% of the permanently stratified oceans (that is, regions between black contour lines), NPP and SST changes were inversely related. Yellow, increase in SST, decrease in NPP. Light blue, decrease in SST, increase in NPP. Dark blue, decreases in SST and NPP. Dark red, increases in SST and NPP. 16
Klímaváltozás hatásai Szárazodás: - légkörzési és tengeráramlási rendszerek módosulása Æ csapadék mennyisége és időbeli eloszlása módosul - a mérsékelt övön ált. szárazodás.
- magasabb hőmérséklet, hosszabb tenyészidőszak Æ több víz párolog el Æ szárazodás - együttható más környezeti hatások fokozzák a szárazodást - pl. talajerózió, élőhely fragmentáció, szerkezeti egyszerűsödés, stb.
- bióta magasabb vízigényű tagjai visszaszorulnak
17
Szárazodás:
Klímaváltozás hatásai Az évi csapadékmennyiség várható módosulása 2080-ra a jelenlegi %-ában. Changes in summer rainfall from present day (1960-1990) to the end of this century (2050-2080). Changes is indicated as percentage change per degree of warming. Yellow: no difference; light green/green: +10%/+20%; orange/red: -10%/-20% (Source: EU project PRUDENCE, prudence.dmi.dk.)18
Klímaváltozás hatásai Szélsőségesebb, rendszertelenebb időjárás - a klímaváltozás egyik fő eleme, - rendszertelenség - u. az a csapadékmennyiség rendszertelen eloszlásban jóval szegényebb biótát támogat, mint ha rendszeresen érkezne; - aszályok, heves zivatarok gyakorisága nő
- szélsőségek: ritka események kontrollja nő a biótán - szélsőséges időjárású évek jelentős pusztítása lassan v. nem regenerálódik; - félszáraz élőhelyeken nő a tűzveszély - extrém időszak alatt elpusztuló fitomassza éghető anyag lesz!
- heves esőzések Æ erózió 19
Emelkedő légköri [CO2]: - növekedhet a növények szénhidráttermelése Æ előny.
Klímaváltozás hatásai
- üvegházi kertkultúrákban ma is gyakorlat a [CO2] trágyázás, - DE: csak akkor működik, ha más források (víz, ásványi anyagok) szintén emelkedett mennyiségben hozzáférhetők - Æ legtöbbször ez nincs így Æ elmarad a várt asszimilátum növekmény.
- növényi anyagban magasabb C/N arány Æ csökken a növények „tápértéke” - elsősorban állatok, de az ugyancsak heterotróf gombák részére is - lassul az elhalt szervesanyag lebontása (gombák!), - Æ lassul az ökoszisztéma anyagforgalma.
20
Élőhelyek feldarabolódása, izolálódása Előhelyek megfogyatkozása - a kultúr- (agrár, urbánus, stb.) táj kiterjedése Æ természetes fajok élőhelye is zsugorodik - az erdőterületek területe különösen csökken.
- fragmentálódás: a megmaradt természetközeli élőhelyek egyre kisebb foltokban - szigethatás (kisebb folt = kisebb fajszám); - elszigetelődés (izoláció: élőhelyfoltok közötti terjedés korlátozott Æ lokális kihalásokat nem követheti újratelepülés szomszédos foltokból). (METAPOPULÁCIÓ) - szegélyhatás: jellegzetes élőhely-mag (pl. erdőbelső) nem v. alig alakulhat ki Æ számos faj ezt igényli Æ szegényedés.
21
Emberi bolygatás, élőhelyek átalakítása Erdőgazdálkodás - a gazdasági célú erdők (vs. természetközeliek); - fajszegényebbek (fás- és lágyszárúak) Æ szegényebb bióta; - ~ egykorú fák állománya (számos korosztály helyett), - sokszor nem a termőhelyen jellemző fafajokból - populációs kölcsönhatás-hálózat egyszerűsödött.
- holt, idős ill. beteg fák hiánya - korhadékbontó életközössége (gombák, mikróbák) hiánya;
- a véghasználati (tarvágásos) erdőművelés ill. azt követő telepítés - drasztikus környezeti változás periódikusan Æ a túlélő erdei biótát megtizedeli.
- erdő egyszerűbb térszerkezete Æ erdőbelső klímája kevésbé kiegyensúlyozott Æ az azt igénylő élővilág szegényedése.
22
Emberi bolygatás, élőhelyek átalakítása Táji léptékű vízrendezések - folyók szabályozása, mocsarak-lápok lecsapolása Æ talajvízszint jelentős csökkenése Æ élőhelyek szárazodása - mérnöki árvízvédelmi szemlélet: minél hamarabb elvezetni a vizet a területről - ennek áldozata pl. a Duna-Tisza Köze, ahol az eredetileg honos vízigényes kocsányos tölgy ma már nem újul ill. nem telepíthető a szárazodott élőhelyeken
- helyette jobb lenne: nagyvizeket időszakos árvízi tározókba terelni, innen felhasználható alacsony víz idején.
23
Gyakoribb tüzek
Emberi bolygatás, élőhelyek átalakítása
• több növénytakaró típusban természetes a tűz (szavanna, préri, pampa, sztyeppe [= ált. félszáraz gyepek], mediterrán töviscserjés [makkia, garigue, chaparral], de a tajga is!). • gyakorisága emberhatásra nő – ma az öngyulladásoknál gyakoribbak az emberi gondatlanságból a tüzek; – inváziós füvek gyepje vált fel kivágott erdőket, félsivatagokat Æ fűavar (széna) rendkívül gyúlékony; – klíma kiszámíthatatlanabb Æ nagy tömegű száraz avar ott is, ahol rendesen nem jellemző. Æ tűz.
• elszegényedő bióta • kimerülő ásványi tápanyagkészlet
24
Biodiverzitás csökkenése
A biológiai sokféleség csökkenése • biodiverzitás ≠ fajgazdagság • fajon belül: ökotípusok, lokális rasszok – ember pusztítja, keveri – természetvédelmi szemlélet
• populáción belül genetikai sokféleség • életközösségek szerkezeti diverzitása – pl. telepített erdők térszerkezete szegényebb, mint a természetközelieké Æ egyszerűbb életközösség 25
Fajkihalások Az emberi tevékenységek a Föld biótáját egy újabb tömeges kihalás szélére sodorta, amelynek bekövetkezése magát az emberiség jólétét is súlyosan csorbítaná.
Túlhalászás A világtengerek halállományának drámai túlhalászása (példa: tőkehal).
Tőkehal
Biológiai sokféleség csökkenése Inváziós növényfajok terjeszkedése: - behurcolt idegenhonos növények tömeges terjedése a honos flóra szegényedéséhez vezet - megváltozó ökoszisztéma működések (pl. „Neutrofizáció” N-kötő pillangós növény inváziójával). - invázió magyarázata (hipotézisek) - ellenség (specialista fogyasztó, parazita) kontrollja alóli felszabadulás - fluktuáló élőhelyi forrásmennyiség bolygatások hatására
- inváziós növények jellemző életmenet sajátságai • kis magméret, nagy maghozam, • jó diszperzós képesség (új területekre lejutás); • csírázásukat a hőingadozás serkenti (csupasz talajfelszín érzékelése); • vegetatív szaporodás, klonalitás (lokális térfoglalás); • gyors vegetatív növekedés, rövid életciklus, • széles ökológiai tűrőképesség 28
Biológia sokféleség: Természetvédelmi biológia Természetvédelmi biológia (konzervációbiológia) • Hogyan óvhatók meg a fennmaradt természeti értékek? – Tudományos megalapozás: az ökológiai alapismeretek alkalmazása a gyakorlatban: – a biológiai sokféleség feltárása, • még ma is fedeznek fel a tudományra új hajtásos növényfajokat is (pl. Wollemia nobilis fenyő (Araucariaceae) Ausztráliában (1994)
29
Biológia sokféleség: Természetvédelmi biológia Természetvédelmi biológia (konzervációbiológia) • Hogyan óvhatók meg a fennmaradt természeti értékek? (folyt.) – a biológiai sokféleséget veszélyeztető tényezők azonosítása, – fajvédelem • pl. élőhely biztosítása, mesterséges szaporítás, visszatelepítés...
– biológiai sokféleség védelme (beleértve a populáción belüli genetikai változatosságét is), – az élőlényközösségek megőrzésére aktív természetvédelem, • mely kezelések biztosíthatják kikísérletezése, jogi eszközök a védelemre),
30
Biológia sokféleség: Restaurációs ökológia
Restaurációs ökológia. • továbblépés: itt nem a megőrzés, hanem az elpusztult újrateremtése (restaurálása) a feladat. Ismerendő: – az adott helyen mi az önfenntartó természetközeli élőlényközösség; – hogyan lehet mesterségesen kialakítani – vagy a spontán regenerációt elősegíteni.
• Mélységek: – élőhely restauráció – élőlényközösség restaurációja
31
Biológia sokféleség: Restaurációs ökológia Élőhelyrestauráció -
egyszerűbb (nem a társulást, csak a „formációt” helyreállítani); megfelelő lehet pl. erózióvédelem, bizonyos növény-, állat- és gombafajok élőhelyének biztosításához, a biogeokémiai ciklusok klímarégióra jellemző futásához; de nem támogatják a magas, régióra jellemző biodiverzitást. kívánatosabb őshonos faj(ok) telepítésével megoldani - az idegenhonos faj alatt az aljnövényzet, gomba-, rovarközösség más, - alkalmat adhat nem honos, esetleg inváziós faj megtelepedésének - pl. bányák meddőhányóin erdők telepítése, - itt nem biztos, hogy tolerálja a magas nehézfémkoncentrációt a helyi flóra:
- élőhelyátalakítás: fedő talajréteg terítése, kísérletek arra, hogy milyen legyen ennek a minősége, toleráns fajok kísérletes kiválasztása;
32
Biológia sokféleség: Restaurációs ökológia Élőlényközösség restaurációja: - a területen valószínűleg eredeti társulás – minél hasonlóbb – fajösszetétellel és arányokkal helyreállítása - jóval nehezebb, - sokszor már nincs elegendő mennyiségben szaporítóanyag a közelben, - ha nagy távolságról hozzák, akkor a területek közötti genetikai variabilitást csökkentik - a restaurációs ökológiai szövetség ajánlásokat fogalmazott meg erre.
- két fő lépés: - 1) az élőhelyi környezet átalakítása (pl. talaj tápanyagkészletének, pHjának, vízellátottságának módosítása úgy, hogy a kialakítandó közösség igényeinek minél megfelelőbb legyen); - 2) az élőlényközösségre jellemző fajkészlet (legalább egy részének) területre juttatása - teljes fajkészlet kívánt arányokban vetése illúzió, - ált. a mátrixalkotó fajok vetése (pl. gyepekben pázsitfüveké), - speciális gyepeknél: a kívánthoz hasonló közeli gyepállományok magérlelés időszakában lekaszált szénájának szétterítése a betelepítendő területen - ismételt magvetések ill. szénaterítések lehetnek szükségesek, - ökológiai folyosók biztosítása megmaradt szomszédos területekről a fajok migrációjához), … 33
Biológia sokféleség: Restaurációs ökológia
Élőlényközösség restaurációja: - pl. alföldi homoktalajra telepített akácosok ill. szántóföldi kultúrák helyén az eredeti homokpusztagyep restaurációja - élőhelyátalakítás: magas N-tartalom lecsökkentése, hiszen eredetileg tápanyagszegény élőhely - (kaszálás + széna elszállítás vagy a talaj mikrobiális közösségét serkenteni és mikrobiális biomasszában immobilizálni a N-t (a limitáló C-forrás emelése cukor, fűrészpor, stb. kijuttatásával),
- hazai tapasztalat: az utóbbi nem serkentette a kontrollhoz képest a pusztagyep regenerálódását. 34
Kulcsproblémák Nitrogén eutrofizáció
N eutrofizáció
Légköri összes Nitrogén Ülepedés (NOx, NHx) Múlt és Jelen mg N/m2/év 5000 2000 1000 750 500 250 100 50 25 5
1860
1993
36 Láthatóan az intenzív mezőgazdaságú és iparú területeken a legmagasabb az ülepedés Galloway et al., 2003b
Túlnépesedés
Növekvő vízfelhasználás csökkenő vízkészletek
Az emberi népesség alakulása a történelem során
37
Milyen intézkedések szükségesek? A gazdasági döntéshozás értékrendje megváltoztatandó Az ökoszisztéma valamennyi szolgáltatásának – nemcsak a piacon pénzért eladható termékeinek – pénzben kifejezett értékét figyelembe kell venni a döntéshozatalnál. Megvonandók az állami támogatások azon mezőgazdasági, erdészeti, halászati gazdálkodási módoktól, melyek károsító hatással vannak a környezetre. Bevezetendők olyan pénzbeli támogatási formák, melyeket azok a gazdálkodók kapnak, akik területüket olyan módon művelik, ami segít megőrizni az ökoszisztéma szolgáltatásokat (pl. víztisztítás, szénraktásrozás). Piaci mechanizmusok kidolgozása az ásványi tápanyag vesztés és a szénkibocsájtás mérséklésére.
Milyen intézkedések szükségesek? Az emberek életvitelének módosítása Széles körű ismeretterjesztés arról, hogyan mérsékelhető az emberiség ökoszisztéma szolgáltatásokat károsító hatása. Megbízható termékminősítési rendszerek kidolgozása, hogy az emberek magabiztosan választhassák a környezetbarát termékeket. Információ biztosítása a legszélesebb rétegek számára az ökoszisztéma szolgáltatásokról és arról, hogy azokat miként befolyásolhatják egyes konkrét gazdasági döntések Környezetbarát tecnológiák kidolgozása és használata A mezőgazdasági kutatások támogatása ilyen irányban Degradált ökoszisztémák helyreállítása Olyan technológiák támogatása melyek energiahasznosítási hatékonysága magas és üvegház-gáz kibocsájtása alacsony
