علم بيئة النظم البيئية

فهم بيئة النظم البيئية هودراسة متكاملة للمكونات الحية وغير الحية في النظم البيئية وتفاعلاتها ضمن إطار النظام البيئي. يبحث هذا الفهم في كيفية عمل النظم البيئية رابطًا ذلك بمكوناتها مثل المواد الكيميائية، والصخر الأساس (الأم)، والتربة، والنباتات، والحيوانات.

يبحث فهم بيئة النظم البيئية في البنى الفيزيائية والبيولوجية ويدرس كيفية تفاعل خصائص هذه النظم البيئية مع بعضها البعض. يساعدنا هذا في النهاية على فهم كيفية الحفاظ على مياه ذات جودة عالية وإنتاج سلع مجدية اقتصاديًا. ينصب اهتمام فهم بيئة النظم البيئية على العمليات الوظيفية والآليات البيئية التي تحافظ على بنية النظم البيئية والخدمات التي تقدمها. يتضمن ذلك الإنتاج الأولي (إنتاج الكتلة الحيوية)، وعمليات التحلل، والتفاعلات الغذائية.

طورت دراسات وظائف النظم البيئية بشكل كبير فهم البشر للإنتاج المستدام للعلف والألياف والوقود وتوفير المياه. يلعب جميع من المناخ والاضطرابات البيئية والإدارة على المستويات الإقليمية وحتى المحلية دور الوسيط في تلك العمليات الوظيفية. إلى غير ذلك توفر النظم البيئية إطارًا قويًا لتحديد الآليات البيئية التي تتفاعل مع المشكلات البيئية العالمية، وبشكل خاص الاحتباس الحراري وتردي نوعية الماء السطحي.

يوضح هذا المثال الكثير من الجوانب المهمة للنظم البيئية:

حدود النظام البيئي غير واضحة وقد تتذبذب مع الوقت.
تعتمد الكائنات الحية ضمن النظم البيئية على العمليات الحيوية والفيزيائية على مستوى النظام البيئي.
تتفاعل النظم البيئية المجاورة بشكل وثيق وغالبًا ما تكون مترابطة للحفاظ على بنية المجتمع والعمليات الوظيفية التي تحافظ بدورها على الإنتاجية والتنوع الحيوي.

تطرح هذه الخصائص أيضًا مشكلات عملية في مجال إدارة الموارد الطبيعية. من سيدير نظامًا بيئيًا معينًا،يا ترى؟ هل سيؤدي بتر الأخشاب في الغابة إلى تدهور صيد الأسماك الترفيهي في النهر،يا ترى؟ يصعب على مديري الأراضي معالجة هذه الأسئلة، بينما تظل الحدود بين النظم البيئية غير واضحة؛ على الرغم من حتى القرارات في نظام بيئي معين يفترض أن تؤثر على نظام بيئي آخر. نحن نحتاج إلى فهم أفضل للتفاعلات والتداخلات بين تلك النظم البيئية والعمليات التي تحافظ عليها قبل حتى نتمكن من معالجة تلك الأسئلة.

فهم بيئة النظم البيئية هومجال دراسة متعدد الاختصاصات بطبيعته. يتألف النظام البيئي من جماعات كائنات حية تتفاعل ضمن المجتمع الحيوي، وتساهم في دورات العناصر وتدفق الطاقة. النظام الحيوي هوالوحدة الرئيسية لدراسة فهم بيئة النظم الحيوية.

يوفر فهم بيئة الجماعات والمجتمع الحيوي وفهم البيئة الفيزيولوجية الكثير من الآليات البيولوجية الأساسية التي تؤثر على النظم البيئية والعمليات التي تحافظ عليها. يفهم فهم بيئة النظم البيئية غالبًا تدفق الطاقة ودورات العناصر على مستوى النظام البيئي، ولكن يُعرَف هذا الفهم ككل تبعًا للموضوع أكثر من المقياس. يتعامل فهم بيئة النظام البيئي مع الكائنات الحية والمكونات غير الحية من طاقة وعناصر على أنها نظام متكامل وهذا ما يميزه عن العلوم المرتبطة به مثل البيوجيوكيمياء.

هجرز البيوجيوكيمياء والهيدرولوجيا على الكثير من العمليات الأساسية ضمن النظام البيئي مثل دورة العناصر الكيميائية التي تتوسطها العمليات الحيوية والمكونات الفيزيائية والحيوية ضمن دورة الماء في الطبيعة.

يشكل فهم بيئة النظم البيئية الأساس الآلي للعمليات الإقليمية أوالعالمية التي تضم هيدرولوجيا المناظر الطبيعية إلى الهيدرولوجيا الإقليمية، والبيوجيوكيمياء، وفهم نظام الأرض.

خدمات النظام البيئي

خدمات النظام البيئي هي عمليات وظيفية بيئية ضرورية للمحافظة على مجتمعات بشرية سليمة. ومن الأمثلة على خدمات النظام البيئي الضرورية للصحة العامة توفير المياه وتصفيتها، إنتاج الكتلة الحية في الغابات والزراعة والمسامك، والتخلص من غازات الدفيئة مثل ثاني أوكسيد الكربون من الغلاف الجوي. تُعد دورة العناصر عملية أساسية بالنسبة للإنتاج الزراعي والحراجي.

مع ذلك، مثل معظم العمليات في النظام البيئي، دورة العناصر ليست سمة من سمات النظام البيئي التي يمكن حتى ترقى لتحقق أعلى المستويات المرغوبة. زيادة الإنتاج في النظم المتدهورة هوحل مبالغ في بساطته للمشاكل المعقدة المتمثلة بالجوع والأمن الاقتصادي. كمثال على ذلك، أدى الاستخدام المكثف للمخصبات في الغرب الأوسط للولايات المتحدة إلى تراجع المسامك في خليج المكسيك. بشكل مؤسف، أوصت «الثورة الخضراء» بالاستخدام المكثف للأسمدة الكيميائية في الزراعة في البلدان المتقدمة والنامية. تهدد هذه الاستراتيجيات بتغيير عمليات النظام البيئي التي قد يحدث من الصعب إعادتها إلى ما كانت عليه، وبشكل خاص عند تطبيقها على نطاقات واسعة دون إجراءات تقييم مناسبة لتأثيراتها. قد تستغرق عمليات النظام البيئي عدة سنوات لتتعافى من الاضطرابات الكبيرة.

على سبيل المثال، أدت إزالة الغابات على نطاق واسع في شمال شرق الولايات المتحدة خلال القرنين الثامن عشر والتاسع عشر إلى تغيير بنية التربة والنباتات السائدة ودورات العناصر في الطبيعة بطرق تؤثر على إنتاجية الغابات في الوقت الحاضر. هناك حاجة إلى تقدير أهمية وظيفة النظام البيئي في الحفاظ على الإنتاجية، سواءً في الزراعة أوفي الغابات، بالاقتران مع خطط إعادة العمليات الأساسية إلى ما كانت عليه. ستساعد الفهم الأفضل بوظيفة النظام البيئي في تحقيق الاستدامة والاستقرار على المدى الطويل في أفقر أجزاء العالم.

العمليات

يعد إنتاج الكتلة الحيوية إحدى وظائف النظام البيئي الأبرز والأهم اقتصاديًا. يبدأ تراكم الكتلة الحيوية على مستوى الخلية عن طريق التمثيل الضوئي. يحتاج التمثيل الضوئي ماءً، وبالتالي ترتبط الأنماط العالمية للإنتاج السنوي للكتلة الحية بالهطول المطري السنوي. تعتمد كمية الإنتاجية أيضًا على القدرة الإجمالية لدى النباتات في التقاط ضوء الشمس الذي يرتبط بشكل مباشر مع مساحة سطح الورقة ومحتواها من عنصر الآزوت.

يُعد صافي الإنتاج الأولي (NPP) المقياس الأساسي لتراكم الكتلة الحيوية في نظام بيئي ما. يمكن حساب صافي الإنتاج الأولي باستخدام معادلة بسيطة يطرح فيها إجمالي الفقد في الإنتاجية (أثناء الحفاظ على العمليات البيولوجية) من إجمالي كمية الإنتاج:

NPP = GPP – R_producer

حيث GPP هي إجمالي الإنتاج الأولي وR_producer نواتج التمثيل الضوئي (الكربون) المفقود عن طريق التنفس الخلوي.

يصعب قياس صافي الإنتاج الأولي ولكن هناك تقنية جديدة تعهد باسم «تباين إيدي» سلطت الضوء على كيفية تأثير النظم البيئية على الغلاف الجوي. يظهر الشكل أربعة التغيرات الموسمية والسنوية لهجريز غاز ثاني أكسيد الكربون التي قيسَت في ماونا لوا (هاواي) بين عامي 1987 و1990. تزداد تراكيز ثاني أكسيد الكربون بشكل ثابت، ولكن كانت الاختلافات خلال السنة أكبر من الزيادة السنوية منذ بداية القياس في عام 1957.

يُعتقد حتى سبب هذه الاختلافات يعود إلى التغير الموسمي في معدلات امتصاص النباتات لغاز ثاني أكسيد الكربون خلال أشهر الصيف. أثبتت تقنية جديدة لقياس صافي الإنتاج الأولي في النظام البيئي حتى سبب الاختلافات الموسمية هوالتغير الموسمي في معدل امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون من قبل النباتات. قاد ذلك الكثير من الفهماء وصانعي السياسات إلى التكهن بأنه يمكن إدارة النظم البيئية لتخفيف مشكلات الاحتباس الحراري. قد يضم هذا النوع من الإدارة إعادة التشجير أوتعديل جدول حصاد الغابات في أجزاء كثيرة من العالم.

انظر أيضًا

كيمياء جغرافية حيوية
مجتمع (بيئة)
علوم نظام الأرض
بيئة المناظر الطبيعية
فهم بيئة النظم

مراجع

↑ Chapman, S.K., Hart, S.C., Cobb, N.S., Whitham, T.G., and Koch, G.W. (2003). "Insect herbivory increases litter quality and decomposition: an extension of the acceleration hypothesis". in: Ecology 84:2867-2876.
^ Chapin, F.S. III, B.H., Walker, R.J., Hobbs, D.U., Hooper, J.H., Lawton, O.E., Sala, and D., Tilman. (1997). "Biotic control over the functioning of ecosystems". in: Science 277:500-504.
^ Defries, R.S., J.A. Foley, and G.P. Asner. (2004). "Land-use choices: balancing human needs and ecosystem function". in: Frontiers in ecology and environmental science. 2:249-257.
^ Chrispeels, M.J. and Sadava, D. (1977). Plants, food, and people. W. H. Freeman and Company, San Francisco.
^ Quinones, M.A., N.E. Borlaug, C.R. Dowswell. (1997). "A fertilizer-based green revolution for Africa". In: Replenishing soil fertility in Africa. Soil Science Society of America special publication number 51. Soil Science Society of America, Madison, WI.
^ Likens, G. E., F. H. Bormann, N. M. Johnson, D. W. Fisher and R. S. Pierce. (1970). "Effects of forest cutting and herbicide treatment on nutrient budgets in the Hubbard Brook watershed-ecosystem". in: Ecological Monographs 40:23-47.
^ Foster, D. R. (1992). "Land-use history (1730-1990) and vegetation dynamics in central New England, USA". In: Journal of Ecology 80: 753-772.
^ Motzkin, G., D. R. Foster, A. Allen, J. Harrod, and R. D. Boone. (1996). "Controlling site to evaluate history: vegetation patterns of a New England sand plain". In: Ecological Monographs 66: 345-365.
^ Huxman TE, ea.(2004). "Convergence across biomes to a common rain-use efficiency". Nature. 429: 651-654
^ Barford, C. C., ea. (2001). "Factors controlling long and short term sequestration of atmospheric CO₂ in a mid-latitude forest". In: Science 294: 1688-1691
^ Goulden, M. L., J. W. Munger, S.-M. Fan, B. C. Daube, and S. C. Wofsy, (1996). "Effects of interannual climate variability on the carbon dioxide exchange of a temperate deciduous forest". In: Science 271:1576-1578