Сохранение биологического разнообразия

Максим Бобровский

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Пущинский естественно-научный институт

Пущино

Д.б.н. Ольга Всеволодовна Смирнова

Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Цикл лекций О.В. Смирновой «Теоретические основы единой стратегии охраны природы и природопользования» http://www.transparentworld.ru/ru/education/lect-smirnova/

Биоразнообразие

разнообразие жизни во всех ее проявлениях

генетическое - в рамках вида

видовое (таксономическое) - между видами

экосистемноепо Конвенции UNEP (1992)

Биоразнообразие

один из важнейших параметров оценки устойчивости использования биологических ресурсов Земли

сохранение биологического разнообразия является общей задачей всего человечества

1972 Стокгольмская конференции ООН по окружающей среде

1992 Конвенция UNEP о биологическом разнообразии, принятая на Саммите Земли (Рио-92, Рио-де-Жанейро)

Угрозы биологическому разнообразию

"Evil Quartet” by J. Diamond

Разрушение местообитаний Массовое убийство / чрезмерная эксплуатация (перепромысел, браконьерство)Вторжение экзотических видов / интродуцентовВторичные (следственные) вымирания

Сохранение биоразнообразия

Оценивать современный уровень Прогнозировать динамику

при отсутствии внешних воздействийпри локальных и глобальных внешних

воздействиях Анализ причин того или иного уровня

биоразнообразия в конкретный период времени

Оценка видового разнообразия

альфа разнообразие бета разнообразие гамма разнообразие

(Whittaker, 1960, 1972)

Альфа разнообразие

видовое богатство (species richness) (A) видовая насыщенность (species density по

Hurlbert, 1971) (B)

Смирнова и др., 2006, Успехи совр.биол. № 1: 27-49.

Старовозрастные еловые и елово-пихтовые леса в республиках Коми и Карелия

Альфа разнообразие

Индексы видового разнообразия общее число видов в сообществе и соотношение обилия разных видов

Индекс Симпсона (индекс доминирования Симпсона)Индекс Шеннона Индекс выравненности Пиелу…

Бета разнообразие

Степень различий или сходства местообитаний либо выборок с точки зрения их видового составаИзменчивость показателей альфа разнообразия в пространстве

Индексы сходства (индексы Жаккара, Съеренсена)Индексы гетерогенности (индекс Уиттекера)Диапазон варьирования в осях ординацииВнутригрупповые расстояния между площадками …

Гамма разнообразие

Общее разнообразие видов в ландшафте или его части

Нижний пространственный уровень – ландшафтный профиль или катена (Чернов, 1991)

Инвентаризационное разнообразие

Оценка структуры видового разнообразия

число и процент видов разных семейств, родов, жизненных форм, типов популяционного поведения,экологических групп, эколого-ценотических и др. групп.

Оценка экосистемного разнообразия

= разнообразие растительных сообществ (community diversity)

Van der Maarel, 1997 число и список сообществ разного типа, выделяемых

в пределах изучаемых территорий (площадь и доля)

Классификация растительных сообществдоминантная флористическаяэколого-ценотическаяфизиономическая

Оценка экосистемного разнообразияПриокско-Террасный заповедник

Оценка экосистемного разнообразияПриокско-Террасный заповедник

Доминирующие ЭЦГ напочвенного покрова

Оценка экосистемного разнообразияПриокско-Террасный заповедник

Доминант древостоя +

доминирующая ЭЦГ напочвенного покрова

«Повестка дня на 21 век» Рекомендация направлять деятельность в рамках Конвенции в первую очередь на выявление состояния биоразнообразия и потенциальных угроз ему в каждой из стран, признающих ценности, провозглашенные на конференции в Рио-де Жанейро

Оценка потенций и позиций биологических систем (Смирнова, 1987)

Оценка биоразнообразия и прогноз его динамики

климат

хозяйствочеловека

растительность

почва

животное население

Изменения природы определялись динамикой климата

Человек оказывает существенное влияние на природу в последние 150…300 лет

Поиск «Золотого века»

Когда повсюду был первобытный лес… Когда люди жили в гармонии с

природой…

Средообразующая и средопреобразующая деятельность биоты

Роль человека в долговременной динамике природы

Теории/парадигмы синэкологии

Популяционная парадигма Gap-парадигма Теория нарушений Мозаично-циклическая концепция Ключевые виды и экосистемные

инженеры

Популяционная парадигма: существование вида в виде потока поколений

Общие черты популяций разных видов: специфичный размер пространства,

необходимого для осуществления потока поколений

специфическая длительность оборота поколений;

специфическая (экологическая по Ю. Одуму,1986) плотность: число или масса особей на единицу площади или объема

Представления об элементарной демографической единице и минимальной жизнеспособной популяции

(Жизнеспособность популяций, 1989; Смирнова и др., 1993)

Концепция оконной мозаики лесных экосистем («gap mosaic concept»)

Лес – мозаика окон/пятен (gaps) на разных фазах развития (Watt, 1925; Aubreville, 1938):

1)gap-phase - прорыв в пологе, окно 2)building-phase – в окне формируется молодое поколение деревьев3)maturity-phase: в бывшем окне сформировалось взрослое поколение деревьев

Рис. А.Широкова из книги «Восточноевропейские широколиственные леса», 1994»

Окна возобновленияВетровал и ветролом, валеж

Теория нарушений

Нарушение (disturbance) – любое преобразование среды обитания в результате жизни и смерти особей и их групп Нарушения приводит к созданию в экосистемах качественно новых местообитаний разного размера: от нано- до макроместообитаний, которые заселяют экологически различные виды

(The ecology of natural disturbance and patch dynamics, 1985; Disturbance Dynamics in Boreal Forest…, 2002)

Взаимосвязь структурного и таксономического разнообразия

Признаки ненарушенной (климаксной) лесной экосистемы

1. Устойчивый поток поколений в ценопопуляциях позднесукцессионных видов деревьев

2. Окна возобновления и ветровальные почвенные комплексы разных этапов развития

3. Максимально возможное в данных экологических условиях видовое разнообразие (видовое богатство и видовая насыщенность)

4. Одновременное присутствие в травяном покрове видов разных эколого-ценотических групп

(Смирнова, Коротков, 2001; Восточноевропейские леса, 2004)

Потенциальная растительность

Олиготрофная

Бореальная

Боровая

Неморальная

Лугово-опушечная

Нитрофильная

Водно-болотная

CR

ER

Соотношение видов разных эколого-ценотических групп в составе флоры сосудистых растений Европейской России – ER и центра Европейской России - CR

http://www.impb.ru/index.php?id=div/lce/ecg

Бобр речной(Castor fiber)

Зубр(Bison bonasus)

Мозаично-циклическая концепция организации экосистем (Remmert, 1991)

Устойчивое состояние экосистемы – совокупность микросукцессий

Причина микросукцессий – естественные «нарушения», являющиеся результатом деятельности биоты

В результате «нарушений» в экосистеме постоянно формируются новые микроместообитания

Разнообразие местообитаний – высокое биоразнообразие (устойчивое сосуществование многих видов)

Примеры фито- и зоогенных местообитаний, формирующихся в результате средопреобразующей деятельности обитателей лесов Европейской России (Смирнова, 1998)

Варианты Пло-щадь

Глубина изменения субстрата

Способ изменения субстрата

Кротовины дм2 1-2 м Педотурбации, аэрация, увеличение влагоемкости

Лежки кабанов м2 дес. см Уплотнение почв, ухудшение аэрации и влагоемкости

Бугры ВПК м2 до 1-2 м Педотурбации, аэрация, увеличение влагоемкости

Западины ВПК м2 до 1-2 м Уплотнение почв, ухудшение аэрации и влагоемкости

Валеж дес.м2 нет Появление нового, влагоемкого субстрата

Окна в древостое сотни м2 нет Увеличение влажности и температуры воздуха и почвы

Стоянки зубров тыс. м2 дес. см Уплотнение почв, ухудшение аэрации и влагоемкости

Каскады бобровых прудов

сотни тыс. м2

дес. см –м

Увеличение влажности воздуха, сглаживание колебаний температур

признание средопреобразующей деятельности любого вида в экосистеме неотъемлемым свойством биоты

«примирение» компонентов экосистемы, осознание целостности экосистемы

осознание условности разделения экосистем на детритные и пастбищные

Ключевые виды и экосистемные инженеры

Ключевой вид (keystone species) – оказывает непропорционально большое влияние на среду по сравнению со своим обилием (Mills et al., 1993; Paine, 1995)

Экосистемные инженеры (ecosystem engineers) – виды, значительно изменяющие среду обитания, в том числе на ландшафтном уровне (Jones et al., 1994)

Экосистема – совокупность взаимодействующих популяций видов разных трофических групп (биоты экосистемы) и активно преобразуемого ими местообитания

Механизмом, организующим потоки поколений в популяциях всех видов биоты экосистемы, выступает средопреобразующая деятельность ключевых видов (экосистемных инженеров, эдификаторов) разных функциональных групп

(Смирнова, Торопова, 2008)

Эдификаторы-средопреобразователи создают «экосистемы» из компаний подчиненных видов

Средопреобразующая деятельность ключевых видов разных функциональных групп создает внутреннюю гетерогенность среды экосистем, что определяет возможность совместного существования экологически и биологически различных подчиненных видов разных трофических групп и в итоге – высокий уровень биоразнообразия экосистем

(Бобровский, 2010)

Новый поиск «золотого века»:когда существовали «идеальные экосистемы», вмещающие всё разнообразие видов?

Роль мегафауны в создании мозаичности живого покрова и поддержании биоразнообразия

Фрагмент обложки книги О.И. Евстигнеева «Неруссо-Деснянское Полесье: история природопользования»

«Смешанный» характер флоры и фауны

Высокое биоразнообразие Высокая биологическая

продуктивность

«Парадоксы» доисторических пастбищ

(Owen-Smith, 1987, 1989Пучков, 1989 и др.)

Осознание роли стадных фитофагов в формировании и поддержании открытых и полуоткрытых ландшафтов, световой флоры и фауны – на протяжении почти всего голоцена

Смирнова О.В. 1998. Популяционная организация биоценотического покрова лесных ландшафтов // Успехи соврем. биологии. № 2. С.148-165.

Vera F.W.M. 2000. Grazing ecology and forest history. CABI Publishing.

Ландшафты центра Европейской России

Миниатюры из “Альбома Меверберга”, 1661

Вся территория Европы была длительное время вовлечена в традиционное природопользование

Изменения природопользования и природы: нелинейные, асинхронные

Элементы традиционного природопользования

Охота

Выжигание

Рубки

Земледелие Выпас скота

Limbourg, 1415

Экстенсивное природопользование

использование ресурсов “до предела”, без активной заботы об их возобновлении

большая площадь воздействий / освоения

животное население растительность

почва

хозяйство человека

климат

ключевые виды

растений и животных

Угрозы биологическому разнообразию

"Evil Quartet” by J. Diamond

Разрушение местообитаний Массовое убийство / чрезмерная эксплуатация (перепромысел, браконьерство)Вторжение экзотических видов / интродуцентовВторичные (следственные) вымирания

За последние тысячелетия человек уничтожил множество ключевых видов биоты, изменил абиотическую часть экосистем. Некогда единые климаксовые экосистемы распались на принципиально различные фрагменты:

1. Способные при спонтанном развитии достичь динамически устойчивого состояния (например, теневые леса)

2. Принципиально не способные поддерживать себя в устойчивом состоянии без антропогенного воздействия (например, суходольные луга, луговые степи и пр.)

Основной механизм поддержания существующего разнообразия - хозяйственная деятельность человека

Способы, интенсивность и размеры воздействий ключевых видов сформировались в результате эволюции экосистем, которая была направлена на интенсификацию использования абиотических ресурсов всеми их обитателями

Способы, интенсивность и размеры воздействий человека меняются по мере развития цивилизаций. Основная тенденция этих изменений - создание преимуществ для избранных видов (ресурсных) в ущерб основной части биоты, а также гомогенизацию огромных пространств (практически сплошная распашка прерий и степей, выжигание лесов на огромных территориях и пр.), в результате чего их экосистемный покров потерял способность поддержания и восстановления природной зональности

Различия между средопреобразующей деятельностью ключевых видов и воздействиями человека

(Смирнова, 2011)

Сосновый бор. Шишкин, 1895Сосновый бор. Мачтовый лес в Вятской губернии. Шишкин, 1892

Корабельная роща. Шишкин, 1898 Корабельный лес. Шишкин, 1885

Шишкин, 1895Летний день. Шишкин, 1891

За грибами. Шишкин, 1870Дубовая роща. Шишкин, 1887

Дубки. Шишкин, 1895Пейзаж с овцами. Клодт, 1870-е

Дубовая роща. Клодт, 1863 Летний день. Клодт, 1870-е

Сохранение биоразнообразия

Абсолютное заповедание Целевое сохранения отдельных

объектов Экосистемное природопользование

Оптимальный биоценотический покров должен быть создан и постоянно поддерживаться в результате систем природопользования, имитирующих воздействия сохранившихся и уничтоженных природных ключевых видов, которые обеспечивали оптимальный экологический режим и высокий уровень биоразнообразия и продукции

Создание таких систем требует огромных усилий по изучению современного биоценотического покрова и изменению систем природопользования

(Смирнова, 2011)

Спасибо за внимание!

maxim.bobrovsky@gmail.com