Nauka o zmianie gruntów - Land change science
Nauka o zmianach gruntów odnosi się do interdyscyplinarnych badań zmian klimatu , użytkowania gruntów i pokrycia terenu . Nauka o zmianie gruntów w szczególności dąży do oceny wzorców, procesów i konsekwencji zmian w użytkowaniu gruntów i ich pokrycia w czasie. Celem nauki o zmianach gruntów jest wniesienie wkładu w istniejącą wiedzę na temat zmian klimatycznych oraz rozwój zrównoważonej gospodarki zasobami i polityki użytkowania gruntów. Dziedzina jest poinformowana o wielu powiązanych dyscyplinach, takich jak teledetekcja , ekologia krajobrazu i ekologia polityczna , i wykorzystuje szeroki zakres metod do oceny wzorców i procesów leżących u podstaw zmiany pokrycia terenu. Nauka o zmianie gruntów zajmuje się użytkowaniem gruntów jako połączonym systemem człowiek-środowisko, aby zrozumieć wpływ powiązanych ze sobą problemów środowiskowych i społecznych, w tym wylesiania i urbanizacji .
Historia
Pochodzenie
Od wieków udokumentowano, że zmiany zachodzące przez człowieka na powierzchni ziemi mają znaczący wpływ zarówno na systemy ziemskie, jak i na dobrostan człowieka. Przekształcanie krajobrazów służą do ludzkich potrzeb, takich jak wylesianie na pola uprawne , mogą mieć długoterminowe skutki dla systemów naziemnych i zaostrzyć przyczyn zmian klimatu. Mimo, że spalanie paliw kopalnych jest głównym motorem dzisiejszej zmian klimatycznych, przed rewolucją przemysłową , wylesianie i nawadnianie były największymi źródłami ludzkich opartych na emisji gazów cieplarnianych . Nawet dzisiaj 35% udziału antropogenicznego dwutlenku węgla można przypisać użytkowaniu gruntów lub zmianom pokrycia terenu. Obecnie prawie 50% nielodowej powierzchni lądowej Ziemi zostało przekształcone w wyniku działalności człowieka, z czego około 40% jest wykorzystywane do celów rolniczych , przewyższając systemy naturalne jako główne źródło emisji azotu.
Nauka o zmianie gruntów jest niedawno rozwiniętą dziedziną, która pojawiła się w związku z postępem badań nad zmianami klimatycznymi i globalnymi zmianami środowiskowymi i jest ważna dla ewolucji nauki o zmianie klimatu i adaptacji. Jest zarówno problemowy, jak i interdyscyplinarny. W połowie XX wieku relacje człowiek-środowisko pojawiały się w takich dziedzinach nauki, jak antropologia i geografia . Niektórzy badacze twierdzą, że dyscyplina nauki o zmianie gruntów jest luźno wyprowadzona z niemieckich koncepcji krajobrazu jako całkowitej ilości rzeczy na danym terytorium. W drugiej połowie XX wieku naukowcy zajmujący się ekologią kulturową i ekologią oceny ryzyka pracowali nad rozwojem nauki o zmianach gruntów jako sposobu traktowania ziemi jako systemu człowiek-środowisko, który można rozumieć jako podstawę globalnej nauki o środowisku.
Do tej pory celem nauki o zmianie gruntów było:
- Obserwuj i monitoruj zmiany terenu zachodzące na całym świecie
- Zrozumieć zmianę gruntu jako system człowiek-środowisko
- Modelowa zmiana gruntu
- Oceń wyniki systemu, takie jak podatność, trwałość i odporność
Wpływy
Nauka o zmianie gruntów jest dziedziną interdyscyplinarną, a zatem podlega wpływowi wielu powiązanych obszarów badań, w tym teledetekcji , ekologii politycznej , ekonomii zasobów , ekologii krajobrazu i biogeografii . Jego celem jest uzupełnienie badań nad zmianą klimatu , a dzięki badaniu pokrycia terenu i zmian użytkowania gruntów w połączeniu ze zmianami klimatycznymi w tym samym okresie naukowcy mogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób praktyki użytkowania gruntów przez człowieka przyczyniają się do zmiany klimatu. Biorąc pod uwagę jej ścisły związek z badaniem zmian klimatycznych, nauka o zmianach gruntów jest z natury badaniami w zakresie zrównoważonego rozwoju, a wiedza naukowa, którą wytwarza, jest wykorzystywana do wpływania na rozwój zrównoważonego rolnictwa oraz praktyk i polityk zrównoważonego użytkowania gruntów.
Wymiary
Nauka o zmianie gruntów działa głównie w ramach międzynarodowych ram badań naukowych, z których rozwinięto jej podstawowe pytania. Chociaż dziedzina ta ma powiązania z badaniami społecznymi i kulturowymi w swoim rozumieniu ziemi i zmiany gruntów jako systemu człowiek-środowisko, nauka o zmianach gruntów koncentruje się również na strukturze ekosystemów i systemów ziemi , ich funkcji i wpływie na zmiany gruntów, niezależnie od działalności człowieka . Nauka o zmianie gruntów obejmuje szeroki zakres wymiarów, od ilościowego określenia ekologicznych skutków zmiany pokrycia terenu po zrozumienie społeczno-środowiskowych czynników wpływających na decyzje dotyczące użytkowania gruntów na poziomie instytucjonalnym. W rezultacie nauka o zmianie gruntów w dużej mierze opiera się na syntezie szerokiego zakresu danych i różnorodnych metod gromadzenia danych, z których niektóre są szczegółowo opisane poniżej.
Monitorowanie i oceny pokrycia terenu
Podstawową funkcją nauki o zmianach gruntów jest dokumentowanie i modelowanie długoterminowych wzorców zmian krajobrazu, które mogą wynikać zarówno z działalności człowieka, jak i procesów naturalnych. W trakcie monitorowania i oceny zmian pokrycia terenu i użytkowania gruntów naukowcy przyglądają się kilku czynnikom, w tym miejscu, w którym zmienia się pokrycie terenu i użytkowanie gruntów, zakres i skala czasowa zmian oraz sposób, w jaki zmiany zmieniają się w czasie. W tym celu naukowcy wykorzystują różnorodne narzędzia, w tym zdjęcia satelitarne i inne źródła danych teledetekcyjnych (np. zdjęcia samolotów), obserwacje terenowe, relacje historyczne i modelowanie rekonstrukcji. Narzędzia te, w szczególności obrazy satelitarne, pozwalają naukowcom zajmującym się zmianą terenu na dokładne monitorowanie tempa zmian terenu i tworzenie spójnego, długoterminowego zapisu w celu ilościowego określenia zmienności zmian w czasie. Obserwując wzorce zmian pokrycia terenu, naukowcy mogą określić konsekwencje tych zmian, przewidzieć wpływ przyszłych zmian i wykorzystać te informacje do informowania o strategicznym zarządzaniu gruntami .
morze Aralskie
Gwałtowny zanik Morza Aralskiego jest przykładem, w jaki sposób użytkowanie gruntów na skalę lokalną i zmiany gruntów mogą mieć złożony wpływ na regionalne systemy klimatyczne, zwłaszcza gdy działalność człowieka poważnie zakłóca naturalne cykle klimatyczne, w jaki sposób można wykorzystać naukę o zmianach gruntów do mapowania i badania takich zmiany. W 1960 r. położone w Azji Środkowej Morze Aralskie było czwartym co do wielkości jeziorem na świecie. Jednak projekt przekierowania wody, podjęty przez Związek Radziecki w celu nawadniania suchych równin w dzisiejszym Kazachstanie , Uzbekistanie i Turkmenistanie , spowodował, że Morze Aralskie straciło 85% pokrycia lądu i 90% jego objętości. Utrata Morza Aralskiego miała znaczący wpływ na interakcje człowiek-środowisko w regionie, w tym zdziesiątkowanie morskiego przemysłu rybnego i zasolenie gruntów rolnych przez rozprzestrzenianie się wiatru wyschniętych pokładów soli morskiej. Dodatkowo, naukowcy byli w stanie korzystać z technologii, takich jak NASA „s Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) do śledzenia zmian do Morza Aralskiego i jego otoczenie klimat w czasie. Takie wykorzystanie modelowania i zdjęć satelitarnych do śledzenia spowodowanych przez człowieka zmian pokrycia terenu jest charakterystyczne dla zakresu nauki o zmianie gruntów.
Ryzyko i podatność
Modelowanie ryzyka i podatności jest również jednym z praktycznych zastosowań nauki o zmianach gruntów. Dokładne prognozy, w jaki sposób działalność człowieka wpłynie na zmianę pokrycia terenu w czasie, a także wpływ, jaki takie zmiany wywierają na zrównoważenie systemów ekologicznych i ludzkich, mogą pomóc w tworzeniu polityki opracowanej w celu przeciwdziałania tym zmianom.
Badanie ryzyka i podatności w kontekście nauki o zmianach gruntów pociąga za sobą rozwój modeli, metod i narzędzi wsparcia ilościowego , jakościowego i geoprzestrzennego. Celem tych narzędzi jest informowanie o podatności zarówno społeczności ludzkich, jak i naturalnych ekosystemów na zdarzenia zagrażające lub długoterminowe zmiany gruntów. Modelowanie ryzyka i podatności wymaga analizy wrażliwości społeczności na zagrożenia, zrozumienia geograficznego rozmieszczenia ludzi i infrastruktury oraz dokładnego obliczenia prawdopodobieństwa wystąpienia określonych zaburzeń .
Modelowanie zmian gruntów
Kluczową metodą badania ryzyka i podatności w kontekście nauki o zmianach gruntów jest modelowanie zmiany gruntów (LCM), które można wykorzystać do symulacji zmian oraz użytkowania gruntów i pokrycia terenu. LCM można wykorzystać do przewidywania, w jaki sposób użytkowanie gruntów i pokrycie terenu mogą ulec zmianie w alternatywnych okolicznościach, co jest przydatne do oceny ryzyka, ponieważ pozwala na przewidywanie potencjalnych skutków i może być wykorzystywane do podejmowania decyzji politycznych, aczkolwiek z pewną niepewnością.
Wpływ człowieka i nauka o zmianach gruntów land
Chociaż nauka o zmianach gruntów obejmuje kwantyfikację lokalizacji, zasięgu i zmienności pokrycia zmian gruntów oraz analizę wyłaniających się wzorców, pozostaje ona zasadniczo interdyscyplinarna, obejmująca elementy społeczne i gospodarcze. Działalność człowieka jest nie tylko najważniejszą przyczyną zmiany pokrycia terenu, ale także skutki środowiskowe tych zmian wywierają na ludzi bezpośredni wpływ. Wspólne użytkowanie gruntów i zmiany pokrycia terenu zasadniczo zmieniły funkcjonowanie kluczowych systemów Ziemi . Na przykład zmiany w użytkowaniu gruntów i ich pokryciu mają głęboki wpływ na klimat na poziomie lokalnym i regionalnym, co z kolei przyczynia się do globalnego ocieplenia. Mówiąc bardziej ogólnie, maksymalizacja zasobów naturalnych i usług ekosystemowych dla krótkoterminowych korzyści często utrudnia długoterminową odporność ekosystemów, a tym samym ich zdolność do zaspokajania ludzkich potrzeb.
Biorąc pod uwagę ważną rolę, jaką ludzie odgrywają w zmianie pokrycia terenu oraz aby zrozumieć wzorce zmian gruntów i ich wpływ na klimat, naukowcy zajmujący się zmianami gruntów muszą zidentyfikować społeczne i gospodarcze czynniki historycznej zmiany gruntów. Poniżej przedstawiono kilka przykładów zmiany użytkowania gruntów i pokrycia terenu, które odgrywają kluczową rolę w społecznym i ekonomicznym wymiarze nauki o zmianie gruntów.
Wylesianie tropikalne
Wylesianie , w kontekście nauki o zmianach gruntów, to systematyczne i trwałe przekształcanie wcześniej zalesionych gruntów na inne cele. Historycznie był głównym czynnikiem ułatwiającym użytkowanie gruntów i zmianę pokrycia terenu, jest szczególnym przedmiotem zainteresowania nauki o zmianach gruntów. . Lasy są istotną częścią globalnego ekosystemu i mają zasadnicze znaczenie dla wychwytywania dwutlenku węgla , procesów ekologicznych i bioróżnorodności . Jednak od czasu wynalezienia rolnictwa globalna lesistość zmniejszyła się o 35%. Co więcej, lasy tropikalne w szczególności wspierają co najmniej dwie trzecie światowej bioróżnorodności , a trwałe zmiany pokrycia terenu w tych regionach uważa się za przyczyniające się do masowego wymierania . Biorąc pod uwagę poważne konsekwencje ekologiczne wynikające z napędzanej przez człowieka zmiany użytkowania gruntów leśnych, a także utrzymującą się tendencję spadkową w zalesieniu, aby skutecznie modelować i oceniać wzorce zmian użytkowania gruntów, naukowcy muszą również zbadać społeczne i ekonomiczne czynniki samego wylesiania.
Zmiana użytkowania gruntów i pokrycia terenu w wyniku wylesiania jest przede wszystkim efektem procesów społeczno-gospodarczych o dużej skali. Co ważne, rzadko istnieje jedna bezpośrednia lub podstawowa przyczyna wylesiania. Wylesianie jest raczej wynikiem przeplatających się sił systemowych działających jednocześnie lub sekwencyjnie w celu zmiany pokrycia terenu. Na przykład masowe wylesianie jest często postrzegane jako produkt rolnictwa przemysłowego, jednak znaczna część wylesiania starych lasów jest wynikiem rolnictwa na małą skalę. Gdy pokrywa leśna jest usuwana, zasoby leśne wyczerpują się, a rosnąca populacja prowadzi do niedoboru, co skłania ludzi do ponownego przeniesienia się do wcześniej nienaruszonego lasu, rozpoczynając proces wylesiania. Proces ten określa się mianem migracji ze wsi na wieś. Istnieje kilka przyczyn tej ciągłej migracji: spowodowany ubóstwem brak dostępnej ziemi uprawnej i wysokie koszty mogą prowadzić do zwiększenia intensywności gospodarowania na istniejących gruntach rolnych. Prowadzi to do nadmiernej eksploatacji gruntów rolnych, aw dalszej kolejności do pustynnienia , kolejnej zmiany pokrycia terenu, która sprawia, że gleba staje się nieużyteczna i nieopłacalna, co wymaga od rolników poszukiwania nietkniętych i niezaludnionych starych lasów.
Oprócz migracji ze wsi i rolnictwa na własne potrzeby rozwój gospodarczy może również odgrywać istotną rolę w wylesianiu. Na przykład rozbudowa dróg i kolei mająca na celu poprawę jakości życia doprowadziła do znacznego wylesiania w Amazonii i Ameryce Środkowej . Co więcej, podstawowe czynniki rozwoju gospodarczego są często związane z globalnym zaangażowaniem gospodarczym, a nie z ubóstwem, począwszy od zwiększonego eksportu po zadłużenie zagraniczne . Wylesianie występuje z wielu powiązanych ze sobą powodów, dlatego ważne jest, aby naukowcy zajmujący się zmianami gruntów śledzili je w celu zidentyfikowania wzorców, które mogą rzucić światło na to, dlaczego i kiedy to się dzieje. Zjawiska, takie jak niepewność ekonomiczna i migracja na tereny wiejskie, niekoniecznie są ilościowe, niemniej jednak dostarczają cennych informacji dla modeli naukowych zmian gruntów, które próbują przewidzieć przyszłą zmianę pokrycia terenu i jej konsekwencje.
Urbanizacja
Ogólnie rzecz biorąc, urbanizacja to rosnąca liczba osób mieszkających na obszarach miejskich. W kontekście nauki o zmianach gruntów urbanizacja odnosi się zarówno do wzrostu populacji miejskiej, jak i fizycznego wzrostu obszarów miejskich. Według ONZ globalna populacja miejska gwałtownie wzrosła od 1950 r., z 751 mln do 4,2 mld w 2018 r., a obecne trendy przewidują, że liczba ta będzie nadal rosła. Tej zmianie populacji towarzyszą znaczące zmiany w przepływie gospodarczym, kulturze i stylu życia oraz przestrzennym rozmieszczeniu ludności. Chociaż obszary zurbanizowane zajmują zaledwie 3% powierzchni Ziemi, to jednak mają znaczący wpływ na użytkowanie gruntów i zmianę pokrycia terenu.
Urbanizacja jest ważna dla użytkowania gruntów i zmiany pokrycia terenu, a zatem nauki o zmianie gruntów, z różnych powodów. W szczególności urbanizacja wpływa na zmianę gruntów w innym miejscu poprzez przesuwanie powiązań miejsko-wiejskich lub ślad ekologiczny transferu towarów i usług między obszarami miejskimi i wiejskimi. Wzrost urbanizacji prowadzi do wzrostu konsumpcji, co wywiera większą presję na okoliczne tereny wiejskie. Rozprzestrzenianie się na zewnątrz obszarów miejskich może również przejąć sąsiednie grunty dawniej wykorzystywane do uprawy roślin.
Miejskie wyspy ciepła
Urbanizacja dodatkowo wpływa na pokrycie terenu poprzez efekt miejskiej wyspy ciepła. Wyspy ciepła występują, gdy ze względu na wysokie koncentracje struktur, takich jak budynki i drogi, które pochłaniają i reemitują promieniowanie słoneczne, oraz niskie koncentracje pokrywy wegetatywnej, obszary miejskie doświadczają wyższych temperatur niż obszary otaczające. Wyspy ciepła mogą powodować zwiększone zużycie energii, co skutkuje wyższymi wskaźnikami emisji gazów cieplarnianych. Wysokie temperatury związane z wyspami ciepła mogą również zagrażać zdrowiu ludzkiemu, szczególnie na obszarach o niskich dochodach. Wpływ obszarów miejskich na klimat wskazuje, że urbanizacja może stać się istotnym elementem nauki o zmianach gruntów.
Przeszkody
Nauka o zmianie gruntów jako dyscyplina stoi przed kilkoma wyzwaniami, z których wiele wynika z jej interdyscyplinarnych cech lub problemów z opracowywaniem wniosków z wykorzystaniem danych zagregowanych. Na przykład, nauka o zmianie gruntów jest ograniczona przez ograniczenia danych i brak zrozumienia podstawowych problemów zmiany gruntów. W szczególności modele przestrzenne często wykorzystywane do badania zmian gruntów mogą być ograniczone ze względu na brak dostępu do danych publicznych na temat zmian gruntów, wadliwe czujniki i wysoki poziom zmiennej niepewności. W związku z tym modele często są w stanie tworzyć jedynie prognozy krótkoterminowe, co poważnie ogranicza poziom przewidywań, jakie mogą zapewnić. Dodatkowo trudno jest zsyntetyzować i połączyć studia przypadków systemów społeczno-środowiskowych, które są niezbędne do badania zmian gruntów w skali globalnej. W związku z tym te niepowodzenia stanowią fundamentalne wyzwania dla połączenia społeczności i środowiska, które nauka o zmianie gruntów stara się osiągnąć.