Наука об изменении земель относится к междисциплинарному изучению изменений климата , землепользования и растительного покрова . [1] Наука об изменении земель конкретно стремится оценить закономерности, процессы и последствия изменений в землепользовании и растительном покрове с течением времени. Целью науки об изменении земель является внесение вклада в существующие знания об изменении климата и в разработку политики устойчивого управления ресурсами и землепользования. Эта область информируется рядом смежных дисциплин, таких как дистанционное зондирование , ландшафтная экология и политическая экология , и использует широкий спектр методов для оценки закономерностей и процессов, лежащих в основе изменения растительного покрова. Наука об изменении земель рассматривает землепользование как связанную систему человека и окружающей среды, чтобы понять последствия взаимосвязанных экологических и социальных проблем, включая вырубку лесов и урбанизацию .
Изменения поверхности земли, вызванные деятельностью человека, документировались на протяжении столетий как имеющие существенное влияние как на земные системы , так и на благосостояние людей. Изменение ландшафтов для удовлетворения потребностей человека, например, вырубка лесов для сельскохозяйственных угодий , может иметь долгосрочные последствия для земных систем и усугублять причины изменения климата. [2] Хотя сжигание ископаемого топлива является основным фактором современного изменения климата, до промышленной революции вырубка лесов и орошение были крупнейшими источниками выбросов парниковых газов, вызванных деятельностью человека . [2] Даже сегодня 35% антропогенных выбросов углекислого газа можно отнести к изменениям в землепользовании или почвенном покрове. [2] В настоящее время почти 50% поверхности суши Земли, не покрытой льдом, были преобразованы в результате деятельности человека, причем примерно 40% этих земель используются в сельском хозяйстве , что превосходит естественные системы как основной источник выбросов азота. [2]
Наука об изменении земель — это недавно разработанная область, которая возникла в связи с прогрессом в области изучения изменения климата и глобальных изменений окружающей среды и важна для эволюции науки об изменении климата и адаптации. Она является как проблемно-ориентированной, так и междисциплинарной. [3] В середине 20-го века отношения между человеком и окружающей средой стали появляться в таких областях изучения, как антропология и география . [4] Некоторые ученые утверждают, что дисциплина науки об изменении земель в целом произошла от немецких концепций ландшафта как общей суммы вещей на данной территории. [4] Во второй половине 20-го века ученые, изучающие культурную экологию и экологию оценки рисков , работали над развитием науки об изменении земель как средства рассмотрения земли как системы человек-окружающая среда, которую можно понимать как основу глобальной экологической науки. [4]
До сих пор целью науки об изменении земель было: [2]
Наука об изменении земель является междисциплинарной областью и, таким образом, находится под влиянием ряда смежных областей исследования, включая дистанционное зондирование , политическую экологию , экономику ресурсов , ландшафтную экологию и биогеографию . [2] Она призвана дополнять изучение изменения климата , и посредством изучения изменений в почвенно-растительном покрове и землепользовании в сочетании с климатическими изменениями за тот же период времени ученые могут лучше понять, как практика землепользования человека способствует изменению климата. [4] Учитывая ее тесную связь с изучением изменения климата, наука об изменении земель по своей сути является исследованием устойчивости , и научные знания, которые она производит, используются для влияния на развитие устойчивого сельского хозяйства , а также практики и политики устойчивого землепользования. [3]
Наука об изменении земель в основном работает в рамках международных научных исследований, из которых были разработаны ее фундаментальные вопросы. [4] Хотя эта область связана с социальными и культурными исследованиями в своем понимании земли и изменения земель как системы человек-окружающая среда, наука об изменении земель также фокусируется на экосистемах и структуре земных систем , функциях и влиянии на изменение земель, независимо от деятельности человека. Наука об изменении земель охватывает широкий спектр измерений, начиная от количественной оценки экологических последствий изменения земельного покрова и заканчивая пониманием социально-экологических факторов для решений по использованию земель на институциональном уровне. [5] В результате наука об изменении земель в значительной степени опирается на синтез широкого спектра данных и разнообразных методов сбора данных, некоторые из которых подробно описаны ниже. [5]
Основная функция науки об изменении земель — документировать и моделировать долгосрочные закономерности изменения ландшафта, которые могут быть результатом как деятельности человека, так и естественных процессов. [6] В ходе мониторинга и оценки изменений в почвенно-растительном покрове и землепользовании ученые рассматривают несколько факторов, включая то, где меняются почвенно-растительный покров и землепользование, степень и временные рамки изменений, а также то, как изменения меняются с течением времени. [7] Для этого ученые используют различные инструменты, включая спутниковые снимки и другие источники данных дистанционного зондирования (например, снимки с самолетов), полевые наблюдения, исторические отчеты и моделирование реконструкции. [6] Эти инструменты, в частности спутниковые снимки, позволяют ученым, изучающим изменения земель, точно отслеживать темпы изменения земель и создавать последовательные долгосрочные записи для количественной оценки изменчивости изменений с течением времени. [7] Наблюдая за закономерностями изменений почвенно-растительного покрова, ученые могут определять последствия этих изменений, прогнозировать влияние будущих изменений и использовать эту информацию для информирования о стратегическом управлении земельными ресурсами .
Быстрое снижение уровня Аральского моря является примером того, как локальное землепользование и изменение земель могут иметь усугубляющие последствия для региональных климатических систем, особенно когда деятельность человека сильно нарушает естественные климатические циклы, и как наука об изменении земель может быть использована для картирования и изучения таких изменений. [2] В 1960 году Аральское море, расположенное в Центральной Азии, было четвертым по величине озером в мире. [8] Однако проект по отводу воды, предпринятый Советским Союзом для орошения засушливых равнин на территории нынешних Казахстана , Узбекистана и Туркменистана , привел к тому, что Аральское море потеряло 85% своего покрова и 90% своего объема. [8] Потеря Аральского моря оказала значительное влияние на взаимодействие человека и окружающей среды в регионе, включая уничтожение рыбной промышленности моря и засоление сельскохозяйственных земель в результате разноса ветром высохших морских соляных отложений. [2] [8] Кроме того, ученые смогли использовать такие технологии, как спектрорадиометр умеренного разрешения (MODIS) НАСА , чтобы отслеживать изменения Аральского моря и окружающего его климата с течением времени. [9] Такое использование моделирования и спутниковых снимков для отслеживания изменений почвенно-растительного покрова, вызванных деятельностью человека, характерно для области науки об изменении земель.
Моделирование риска и уязвимости также является одним из практических приложений науки об изменении земель. Точные прогнозы того, как деятельность человека повлияет на изменение земельного покрова с течением времени, а также влияние, которое такие изменения оказывают на устойчивость экологических и человеческих систем, могут дать информацию для создания политики, направленной на решение этих изменений. [10]
Изучение риска и уязвимости в контексте науки об изменении земель влечет за собой разработку количественных , качественных и геопространственных моделей, методов и вспомогательных инструментов. [11] Цель этих инструментов — сообщить об уязвимости как человеческих сообществ, так и природных экосистем к опасным событиям или долгосрочным изменениям земель. Моделирование риска и уязвимости требует анализа чувствительности сообществ к опасностям, понимания географического распределения людей и инфраструктуры и точного расчета вероятности возникновения конкретных нарушений . [11]
Ключевым методом изучения риска и уязвимости в контексте науки об изменении земель является моделирование изменений земель (LCM), которое может использоваться для моделирования изменений землепользования и растительного покрова. [12] LCM можно использовать для прогнозирования того, как землепользование и растительный покров могут измениться при альтернативных обстоятельствах, что полезно для оценки риска, поскольку позволяет прогнозировать потенциальные воздействия и может использоваться для информирования о политических решениях, хотя и с некоторой неопределенностью. [12]
Хотя наука об изменении земель включает в себя количественную оценку местоположения, масштаба и изменчивости изменения покрова земли и анализ возникающих закономерностей, она остается принципиально междисциплинарной, включая социальные и экономические компоненты. [7] Человеческая деятельность является не только наиболее значимой причиной изменения покрова земли, но и люди также напрямую подвержены экологическим последствиям этих изменений. [7] Коллективное землепользование и изменения покрова земли коренным образом изменили функционирование ключевых систем Земли . [13] Например, изменения землепользования и покрова земли, вызванные человеком, оказывают глубокое воздействие на климат на местном и региональном уровне, что, в свою очередь, способствует глобальному потеплению. [13] В более общем плане, максимизация природных ресурсов и экосистемных услуг для получения краткосрочных выгод часто препятствует долгосрочной устойчивости экосистем и, в свою очередь, их способности удовлетворять потребности человека. [13]
Учитывая важную роль, которую люди играют в изменении земельного покрова, и для понимания закономерностей изменения земель и их влияния на климат, ученые, изучающие изменения земель, должны определить социальные и экономические движущие силы исторических изменений земель. Ниже приведены некоторые примеры землепользования и изменения земельного покрова, которые играют ключевую роль в социальных и экономических измерениях науки об изменении земель.
Обезлесение , в контексте науки об изменении земель, является систематическим и постоянным преобразованием ранее покрытых лесом земель для других целей. [14] Исторически это было основным фактором, способствующим изменению землепользования и растительного покрова, и является особым направлением науки об изменении земель. [10] Леса являются жизненно важной частью глобальной экосистемы и имеют важное значение для улавливания углерода , экологических процессов и биоразнообразия . [10] Однако с момента изобретения сельского хозяйства глобальный лесной покров сократился на 35%. [10] Кроме того, тропические леса, в частности, поддерживают по крайней мере две трети мирового биоразнообразия , и устойчивые изменения в земельном покрове в этих регионах, как полагают, способствуют массовому вымиранию . [15] Учитывая серьезные экологические последствия, возникающие в результате преобразования лесных земель, осуществляемого человеком, а также продолжающуюся тенденцию к снижению лесного покрова, для эффективного моделирования и оценки закономерностей изменения землепользования ученые также должны изучить социальные и экономические движущие силы самого обезлесения.
Землепользование и изменение растительного покрова в результате вырубки лесов в первую очередь являются следствием крупномасштабных социально-экономических процессов. Важно отметить, что редко существует одна прямая или основная причина вырубки лесов. [16] Скорее, вырубка лесов является результатом переплетения системных сил, работающих одновременно или последовательно, чтобы изменить растительный покров. [16] Например, массовая вырубка лесов часто рассматривается как продукт промышленного сельского хозяйства, однако значительная часть вырубки старовозрастных лесов является результатом мелкомасштабного фермерства-мигранта. [17] По мере удаления лесного покрова лесные ресурсы истощаются, а рост населения приводит к дефициту, что побуждает людей снова переезжать в ранее нетронутый лес, возобновляя процесс вырубки лесов. [17] Этот процесс называется миграцией из сельской местности в сельскую местность. [17] Существует несколько причин этой продолжающейся миграции: нехватка доступных сельскохозяйственных земель, вызванная бедностью, и высокие издержки могут привести к увеличению интенсивности ведения сельского хозяйства на существующих сельскохозяйственных землях. [17] Это приводит к чрезмерной эксплуатации сельскохозяйственных угодий и в конечном итоге к опустыниванию , еще одному изменению почвенного покрова, которое делает почву непригодной для использования и нерентабельной, заставляя фермеров искать нетронутые и незаселенные старовозрастные леса. [17]
Помимо сельской миграции и натурального хозяйства, экономическое развитие также может играть существенную роль в вырубке лесов. [16] Например, расширение дорог и железных дорог, призванное повысить качество жизни, привело к значительной вырубке лесов в Амазонии и Центральной Америке . [16] Более того, основные движущие силы экономического развития часто связаны с глобальным экономическим взаимодействием, а не с бедностью, начиная от увеличения экспорта и заканчивая внешним долгом . [16] Вырубка лесов происходит по многим взаимосвязанным причинам, и поэтому ученым, изучающим изменения земель, важно отслеживать ее, чтобы выявить закономерности, которые могут пролить свет на то, почему и когда это происходит. Такие явления, как экономическая нестабильность и сельская миграция, не обязательно являются количественными, но они, тем не менее, предоставляют ценную информацию для моделей науки об изменении земель, которые пытаются предсказать будущее изменение земельного покрова и его последствия.
В широком смысле урбанизация — это увеличение числа людей, проживающих в городских районах. В контексте науки об изменении земель урбанизация относится как к росту городского населения, так и к физическому росту городских территорий. [18] По данным Организации Объединенных Наций , городское население мира быстро увеличивалось с 1950 года — с 751 миллиона до 4,2 миллиарда в 2018 году, и текущие тенденции предсказывают, что это число будет продолжать расти. [19] Это изменение численности населения сопровождается значительными изменениями в экономическом потоке, культуре и образе жизни, а также пространственном распределении населения. [19] Хотя урбанизированные районы занимают всего 3% поверхности Земли, они, тем не менее, оказывают значительное влияние на землепользование и изменение растительного покрова. [20]
Урбанизация важна для землепользования и изменения растительного покрова, а следовательно, и для науки об изменении земель, по ряду причин. В частности, урбанизация влияет на изменение земель в других местах посредством смещения связей между городом и деревней или экологического следа перемещения товаров и услуг между городскими и сельскими районами. [13] Рост урбанизации приводит к росту потребления, что оказывает повышенное давление на окружающие сельские земли. [13] Внешнее распространение городских территорий может также захватывать соседние земли, ранее использовавшиеся для выращивания сельскохозяйственных культур. [13]
Урбанизация дополнительно влияет на земельный покров через эффект городского острова тепла. Острова тепла возникают, когда из-за высокой концентрации структур, таких как здания и дороги, которые поглощают и повторно излучают солнечную радиацию, и низкой концентрации растительного покрова городские районы испытывают более высокие температуры, чем окружающие районы. [21] Острова тепла могут вызывать повышенное потребление энергии, что приводит к более высоким показателям выбросов парниковых газов. [21] Высокие температуры, связанные с островами тепла, также могут нанести ущерб здоровью человека, особенно в районах с низким доходом. [21] Влияние городских районов на климат указывает на то, что урбанизация может стать важным компонентом науки об изменении земель.
Наука об изменении земель как дисциплина сталкивается с рядом проблем, многие из которых вытекают из ее междисциплинарных качеств или проблем с разработкой выводов с использованием совокупных данных. [22] Например, наука об изменении земель ограничена ограничениями на данные и отсутствием понимания основных проблем изменения земель. [23] В частности, пространственные модели, часто используемые для изучения изменения земель, могут быть ограничены отсутствием доступа к публичным данным об изменении земель, неисправными датчиками и высоким уровнем переменной неопределенности. [23] Таким образом, модели часто способны делать только краткосрочные прогнозы, что серьезно ограничивает уровень прогнозирования, который они могут предоставить. [23] Кроме того, трудно синтезировать и объединять тематические исследования социально-экологических систем, которые необходимы для изучения изменения земель в глобальном масштабе. [24] Таким образом, эти неудачи создают фундаментальные проблемы для связи сообществ и окружающей среды, которую наука об изменении земель стремится достичь. [22]