Как глобальное потепление влияет на водные экосистемы

Библиотека » Публикации

Прибрежные и морские экосистемы и глобальное изменение климата: потенциальное воздействие на ресурсы США

Тип публикации

Свидание

Авторы)

• Джеймс Х. Коуэн мл.
• Джоан А. Клейпас
• Роберт Р. Твилли
• Стивен Р. Хэйр
• Виктор С. Кеннеди

Эйлин Клауссен, президент Pew Center on Global Climate Change

Мировой океан покрывает примерно 70 процентов поверхности Земли, что свидетельствует об их важности для глобальной окружающей среды. Помимо того, что океаны оказывают большое влияние на глобальный перенос тепла и осадки, они состоят из разнообразных мест обитания, которые поддерживают множество морских животных. Они также предоставляют людям широкий спектр товаров и услуг, включая продукты питания, возможности для отдыха и транспортные коридоры. На основе современных научных данных прогнозируется, что выбросы парниковых газов в результате деятельности человека вызовут значительное глобальное изменение климата в 21 веке. Такое изменение климата создаст новые проблемы для прибрежных и морских экосистем, которые уже пострадали от человеческого развития, изменений в землепользовании, загрязнения окружающей среды и чрезмерного вылова рыбы.

«Прибрежные и морские экосистемы и глобальное изменение климата» — восьмой в серии отчетов Pew Center, посвященных потенциальному воздействию изменения климата на окружающую среду США. В нем подробно описываются вероятные последствия изменения климата в следующем столетии для прибрежных и морских экосистем США, включая эстуарии, коралловые рифы и открытый океан. Авторы доклада, д-р. Виктор Кеннеди, Роберт Твилли, Джоан Клепас, Джеймс Коуэн-младший и Стивен Хэйр находят:

Температурные изменения в прибрежных и морских экосистемах повлияют на метаболизм организмов и изменят такие экологические процессы, как продуктивность и взаимодействие видов. Виды приспособлены к определенным диапазонам температуры окружающей среды. По мере изменения температуры географическое распространение видов будет расширяться или сокращаться, создавая новые комбинации видов, которые будут взаимодействовать непредсказуемым образом. Виды, которые не могут мигрировать или конкурировать с другими видами за ресурсы, могут столкнуться с локальным или глобальным исчезновением.

Изменения количества осадков и повышения уровня моря будут иметь важные последствия для водного баланса прибрежных экосистем. Увеличение или уменьшение количества осадков и стока может, соответственно, увеличить риск затопления прибрежных районов или засухи. Между тем, повышение уровня моря будет постепенно затапливать прибрежные земли. Прибрежные водно-болотные угодья могут мигрировать вглубь суши с повышением уровня моря, но только в том случае, если им не препятствует развитие человека.

Изменение климата, вероятно, изменит характер ветра и циркуляции воды в океанской среде. Такие изменения могут влиять на вертикальное движение океанских вод (т. е. подъем и опускание), увеличивая или уменьшая доступность основных питательных веществ и кислорода для морских организмов. Изменения в характере циркуляции океана могут также вызвать существенные изменения региональных температур океана и суши и географического распределения морских видов.

Важнейшие прибрежные экосистемы, такие как водно-болотные угодья, эстуарии и коралловые рифы, особенно уязвимы к изменению климата.Такие экосистемы являются одними из самых биологически продуктивных сред в мире. Их существование на стыке наземной и морской среды подвергает их воздействию самых разных факторов человеческого и природного стресса. Дополнительное бремя изменения климата может еще больше ухудшить эти ценные экосистемы, угрожая их экологической устойчивости и потоку товаров и услуг, которые они обеспечивают населению.

Авторы и Pew Center с благодарностью признают вклад докторов. Ричард Бимиш, Майкл Фогарти и Нэнси Рабале в этом отчете. Авторы также хотели бы поблагодарить Andrea Belgrano, Jay Blundon, Lou Codispoti, Victoria Coles, Raleigh Hood, Richard Kraus, Thomas Malone, Ray Najjar, Roger Newell, Michael Pace, Frieda Taub и Peter Vogt за комментарии к ранним черновикам. Pew Center также хотел бы поблагодарить Джоэла Смита из Stratus Consulting за его помощь в управлении этой серией статей о воздействии на окружающую среду.

Управляющее резюме

С тех пор как на Земле зародилась жизнь, изменения глобального климата повлияли на распространение организмов, а также на их взаимодействие. Однако ожидается, что антропогенное увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере вызовет гораздо более быстрые изменения климата Земли, чем это происходило на протяжении тысячелетий. Если это произойдет, такие высокие темпы изменений, вероятно, приведут к локальному, если не полному исчезновению некоторых видов, изменению распределения видов таким образом, что это может привести к значительным изменениям в их взаимодействии с другими видами, а также к изменениям в потоках энергии и энергии. круговорот веществ в экосистемах.

Прогнозируемые изменения могут оказать значительное влияние на прибрежные экосистемы, особенно на эстуарии и коралловые рифы, которые являются относительно мелкими и в настоящее время находятся в состоянии стресса из-за роста населения и развития прибрежных районов.Существенные факторы окружающей среды, влияющие на структуру (например, растительный и животный состав) и функции (например, продуктивность растений и животных, круговорот питательных веществ) эстуарных и морских систем и которые, как ожидается, будут частью глобального изменения климата, включают температуру, уровень моря подъем, доступность воды и связанных с ней питательных веществ в результате осадков и стока с суши, ветров и штормов. Температура, в частности, влияет на биологию организма, влияет на концентрацию растворенного кислорода в воде и играет непосредственную роль в повышении уровня моря и в основных моделях прибрежной и океанической циркуляции.

Прогнозы воздействия изменения климата на прибрежные и морские экосистемы связаны с разной степенью достоверности. Есть определенная уверенность в предсказаниях того, как повышение температуры повлияет на физиологию, численность и распространение растений и животных; концентрация кислорода в воде; и уровень моря. Существует также определенная уверенность в прогнозах воздействия повышения уровня моря на мелководные континентальные окраины, включая затопление водно-болотных угодий, эрозию береговой линии и усиление штормовых нагонов. Меньше уверенности в отношении влияния температуры на взаимодействие между организмами и еще меньше в отношении ее влияния на модели циркуляции воды. Также трудно предсказать влияние изменения климата на осадки, характер ветра, частоту и интенсивность штормов.

Многие виды чувствительны к температурам всего на несколько градусов выше тех, которые они обычно испытывают в природе. Повышение температуры всего на 1 °C может иметь важные и быстрые последствия для смертности некоторых организмов и их географического распространения. Учитывая, что повышение температуры в грядущем столетии, по прогнозам, превысит 1 °C, основным биологическим изменением, вызванным более высокими температурами в прибрежных водах США, может быть изменение распределения прибрежных организмов вдоль восточного и западного побережья.Географические ареалы устойчивых к жаре видов, таких как коммерческие креветки на восточном побережье, могут расширяться на север, в то время как южные границы ареалов неустойчивых к жаре организмов, таких как мягкие моллюски и зимние камбалы, могут отступать к северу. Более подвижные виды должны иметь возможность корректировать свои ареалы с течением времени, а менее мобильные виды — нет. Такие изменения распределения приведут к разнообразным и новым смесям организмов в регионе, в результате чего виды будут приспосабливаться к новым хищникам, жертвам, паразитам, болезням и конкурентам. Одни виды будут процветать, а другие нет, и в настоящее время у нас нет возможности предсказать, какие виды будут преобладать. Рыболовство также пострадает, поскольку некоторые виды исчезнут из региона или появятся другие. Более теплые условия будут способствовать более быстрому росту или более длительному вегетационному периоду для разводимых в аквакультуре видов, но могут стать слишком теплыми для некоторых видов в конкретном регионе, что потребует замены выращиваемых видов.

Поскольку вода расширяется, а ледники тают по мере повышения температуры, более высокие температуры поднимут уровень моря, затапливая прибрежные земли и размывая уязвимые берега. В местах обитания солончаков и мангровых зарослей быстрое повышение уровня моря приведет к затоплению суши, заболачиванию почв и вызовет гибель растений из-за солевого стресса. Если бы поступление наносов было ограничено или предотвращено наличием противопаводковых, навигационных или других антропогенных сооружений, болота и мангровые заросли могли бы испытывать нехватку наносов, быть затопленными и потерянными. Эти растительные системы могут перемещаться вглубь суши по неосвоенным побережьям по мере повышения уровня моря на осадочных берегах с относительно пологими склонами, но освоение человеком приморья предотвратило бы внутреннюю миграцию. Болота и мангровые заросли вносят решающий вклад в биологическую продуктивность прибрежных систем и функционируют как рассадники и убежища от хищников для многих видов. Таким образом, их истощение или потеря повлияют на поток питательных веществ, поток энергии, необходимую среду обитания для множества видов и биоразнообразие.Некоторые организмы могут процветать (например, креветки, менхадены, речные утки, некоторые кулики), по крайней мере, в краткосрочной перспективе, поскольку болота разрушаются и высвобождают питательные вещества или становятся средой обитания с мягким дном. Другие организмы будут потеряны из пострадавших районов, если исчезнут места их кормления или гнездования и они не смогут использовать альтернативные места обитания (например, черные и хлопчатобумажные пастушковые, некоторые крачки и ржанки).

Изменение климата может уменьшить или увеличить количество осадков, тем самым изменяя прибрежные и эстуарные экосистемы. Уменьшение количества осадков и поступления пресной воды изменяет пищевые сети в эстуариях и влияет на количество времени, необходимое для вымывания питательных веществ и загрязняющих веществ из системы. Хотя сокращение стока рек уменьшит поступление питательных веществ в эстуарии с относительно незагрязненными водосборными бассейнами, в загрязненных водосборных бассейнах, содержащих точечные источники питательных веществ и загрязняющих веществ, которые не зависят от речного стока, могут быть другие эффекты. Совокупное воздействие развития человека и уменьшения стока рек приведет к ухудшению условий качества воды, негативно повлияя на рыболовство и здоровье человека в результате таких изменений, как усиление вредоносного цветения водорослей и накопление загрязняющих веществ в организме животных и растений. Увеличение количества осадков и, как следствие, сток пресной воды в эстуарий увеличит стратификацию водной толщи, что приведет к уменьшению концентрации кислорода в эстуариях с избытком питательных веществ. Это также изменит структуру пресноводного стока в прибрежных равнинных водоразделах, например, вдоль южного побережья Атлантического океана и в Мексиканском заливе. В тех регионах, где водными ресурсами управляют люди, последствия увеличения наводнений будут зависеть от того, как менеджеры контролируют региональную гидрологию.

Скорость и направление ветра влияют на производство рыбы и видов беспозвоночных, например, в районах апвеллинга вдоль западного побережья США. Если апвеллинг замедлится из-за изменений ветра и температуры, производство фитопланктона может снизиться.Там, где апвеллинг увеличивается в результате изменения климата, продуктивность также должна увеличиваться. В некоторых прибрежных районах напряжение ветра вдоль берега и различия в плотности, обусловленные плавучестью, способствуют перемещению воды, которое переносит личинок рыб и беспозвоночных в питомники, например, в эстуарии. Связанные с климатом изменения в этих схемах циркуляции, препятствующие такому переносу, могут изменить видовой состав прибрежных экосистем.

Увеличение силы прибрежных штормов и штормовых нагонов будет иметь серьезные последствия для благополучия предприятий рыболовства и аквакультуры, как показали последствия недавних сильных ураганов вдоль восточного побережья США. Большинство экосистем могут быстро восстанавливаться после ураганов, но антропогенное изменение прибрежной среды обитания может увеличить экологический ущерб, связанный с более сильными ураганами.

Огромная площадь и скромность наших знаний об открытом океане затрудняют прогнозы того, как океанские системы будут реагировать на изменение климата. Тем не менее ясно, что повышение температуры или поступление пресной воды в верхние слои океана приводит к увеличению стратификации плотности, что влияет на продуктивность океана. Комбинированные физические/биогеохимические модели предсказывают чистое снижение (~ 5 процентов) глобальной производительности, если концентрация углекислого газа (CO2) в атмосфере удвоится по сравнению с доиндустриальным уровнем, что приведет к усилению термической стратификации океана и сокращению подъема биогенных веществ. Поскольку продуктивность варьируется в зависимости от региона, простая экстраполяция на конкретные морские воды США затруднена, хотя в некоторых высокоширотных районах более высокие температуры могут удлинить вегетационный период. На продуктивность открытого океана также влияет естественная межгодовая изменчивость климата, связанная с крупномасштабными климатическими явлениями, такими как Эль-Ниньо-Южное колебание.Вызванные климатом изменения интенсивности или времени любого из этих явлений могут привести к заметным изменениям в перемешивании и стратификации водной толщи и, в конечном счете, к реорганизации вовлеченных экосистем в лучшую или худшую сторону.

Увеличение концентрации CO2 снижает рН океана, что, в свою очередь, изменяет химический состав карбонатов океана. Это может иметь негативные последствия для множества планктонных организмов, которые используют карбонат кальция для построения своих скелетов. Некоторые из этих организмов, по-видимому, играют важную роль во взаимодействиях океана и атмосферы, но мы пока не можем предсказать какие-либо последствия, которые могут возникнуть в результате их уменьшения.

Наконец, коралловые рифы, которым уже угрожают многочисленные факторы стресса, такие как неправомерные методы рыболовства, загрязнение окружающей среды, учащение вспышек болезней и инвазивные виды, также окажутся под угрозой из-за изменений в химическом составе морской воды, повышения температуры и повышения уровня моря. Более низкий рН океана и изменение химического состава карбонатов уменьшили бы кальцификацию, необходимую для образования материала коралловых рифов. Увеличение потепления приведет к обесцвечиванию кораллов, нарушению симбиотических отношений между коралловыми животными и одноклеточными водорослями (зооксантеллами), которые живут в тканях кораллов и позволяют кораллам процветать в бедных питательными веществами водах и выделять огромные скопления карбоната кальция. Если бы уровень моря повышался быстрее, чем кораллы могли бы строить свои рифы вверх, в конечном итоге условия освещения стали бы слишком низкими для продолжения фотосинтеза зооксантеллами. На рифах вблизи низменных прибрежных районов повышение уровня моря, вероятно, усилит скорость береговой эрозии, тем самым ухудшив качество воды и уменьшив проникновение света, необходимого для фотосинтеза, и увеличив отложение осадков, которое задушит коралловых животных и вызовет у них стресс. Утрата коралловых рифов будет означать потерю высокого биоразнообразия этих систем, а также возможностей рыболовства и отдыха, которые они обеспечивают.