Будущее экосистемной инженерии в борьбе с изменением климата, вызванным повышением уровня моря

Осадочный лов и вертикальная аккреция

Для прибрежных экосистем, чтобы выжить повышение уровня моря, их поверхность должна расти со скоростью, равной или большей, чем местная скорость повышения уровня моря. Водно-болотные угодья и мангровые заросли достигают этого с помощью двух механизмов: неорганическое улавливание осадков и накопление биомассы под землей. По мере того, как паводковые воды замедляются в растительности, взвешенные осадки оседают и включаются в поверхность. В сочетании с ростом и распадом корней и корневищ, это может привести к увеличению скорости аккреции 2-10 миллиметров в год в здоровых системах - достаточно, чтобы идти в ногу с умеренным повышением уровня моря. Однако при сценариях быстрого подъема (например, > 10 мм / год) или когда поступление осадков вверх по течению голодает плотинами и канализацией, аккреция может отставать. Экосистемные инженерные вмешательства могут восстановить снабжение осадков через управляемые отводы осадков, полезное использование выемного материала и тонкослойное размещение чистого осадка на болотные поверхности.

Секвестрация углерода и обратная связь с климатом

Помимо непосредственной защиты прибрежных районов, инженерия экосистем обеспечивает климатическую выгоду: хранение углерода. Мангровые леса, соляные болота и морские травы — известные как экосистемы с синим углеродом — секвестрируют углерод со скоростью до 10 раз быстрее, чем наземные леса на единицу площади, и они хранят его в течение веков в заболоченных почвах. Восстановление или создание этих мест обитания не только помогает смягчить изменение климата путем сокращения атмосферного CO2, но и создает органический компонент аккреции. Специальный доклад МГЭИК по океану и криосфере в меняющемся климате (SROCC) признает синий углерод в качестве ключевого климатического решения на основе природы. Правильно разработанные проекты по проектированию экосистем могут, таким образом, служить двойной цели адаптации и смягчения последствий.

Водно-болотные угодья и мангровые заросли как естественные барьеры

Водно-болотные угодья (соленые болота и пресноводные приливные болота) и мангровые леса являются наиболее широко используемыми экосистемами для инженерной береговой обороны. Их восстановление практикуется на протяжении десятилетий, но последние проекты все чаще включают в себя «горизонтальный» подход: создание широких растительных буферов, а не тонких полос.

Методы восстановления: посадка, гидрология и питание осадков

Успешное восстановление водно-болотных угодий начинается с восстановления правильного режима гидрологии и осадочных пород. Во многих деградировавших участках дренажные канавы или приливные ограничения должны быть удалены или модифицированы для восстановления естественного потока воды. Посадка местных видов, таких как Spartina alterniflora на атлантическом побережье США или Avicennia marina в тропической Азии, часто требуется для ускорения восстановления. Питание осадков может включать перекачку чистого песка или грязи на субсидирующие районы для повышения высоты. Примером является проект «тонкого размещения» осадка в Луизиане, где осадок, вырытый из навигационных каналов, распространяется на ухудшающиеся болота, имитируя естественную перемывку. Восстановление дельты реки Миссисипи предлагает крупномасштабный случай: отводы речной воды и осадка в соседние бассейны предназначены для питания водно-болот

Мангровые пути миграции и адаптации

Мангровые леса естественным образом мигрируют к суше по мере повышения уровня моря, при условии, что есть подходящее пространство для размещения и нет жестких барьеров. Там, где морские стены или блок развития отступают внутрь страны, мангровые леса могут стать сжатыми и в конечном итоге утонуть. Экосистемная инженерия может облегчить миграцию, устраняя барьеры, создавая искусственные каналы для стимулирования приливного потока или даже пересаживая мангровые леса в более высокие зоны. В некоторых местах «живые береговые линии» сочетают низкий каменный подоконник с посаженной мангровой зарослей - подоконник уменьшает энергию волн, в то время как мангровые заросли захватывают осадок и мигрируют вверх по мере роста воды. Исследования из Природоохрана показывает, что такие гибридные подходы могут быть столь же экономически эффективными, как традиционные структуры в течение 30 лет жизни, обеспечивая среду обитания диких животных и преимущества качества воды.

Коралловые и устричные рифы как живые волнорезы

Коралловые рифы и устричные рифы функционируют как подводные волнорезы, которые уменьшают энергию волн до того, как она достигнет береговой линии. Они также растут вертикально с течением времени - здоровые кораллы могут расти на 1-15 мм в год, и устричные рифы могут накапливаться с одинаковой скоростью - что помогает им идти в ногу с повышением уровня моря. Восстановление этих экосистем рифов является формой экосистемной инженерии, которая восстанавливает как физическую структуру, так и биологическое сообщество.

Восстановление коралловых рифов: от фрагментов к инженерным конструкциям

Традиционная реставрация кораллов включает высадку коралловых фрагментов на мертвые скелеты или искусственные структуры. Более поздние инновации используют «коралловые питомники» для выращивания большого количества генотипов, а затем пересаживают их на стальные рамы или 3D-печатные керамические модули, которые предназначены для имитации сложности природных рифов. Примечательным примером является работа Охрана океана в Флорида-Кис, где «коралловые деревья» используются для выращивания быстрорастущих видов. Однако восстановление коралловых рифов сталкивается с огромными проблемами от потепления океана и подкисления, которые могут отбеливать и убивать кораллы. Инженеры экосистем теперь выбирают термостойкие генотипы и изучают вспомогательную эволюцию для повышения устойчивости.

Устричные рифы: естественное ослабление волн и удержание осадков

Устричные рифы все чаще используются в умеренных эстуариях, поскольку они менее чувствительны к температурным пикам и обеспечивают быстрое затухание волн. Одна устрица может фильтровать до 50 галлонов воды в день, улучшая ясность и способствуя росту морских трав. Грубая трехмерная структура устричных пластов рассеивает энергию волн и стабилизирует береговые линии, захватывая осадочные породы. В Чесапикском заливе Инженерный корпус армии и Фонд Чесапикского залива построили несколько крупных проектов восстановления устричных рифов, используя «рифовые шары» и переработанные раковины устриц в качестве субстрата. Было показано, что эти рифы уменьшают высоту волн на 30-70% в условиях шторма. Кроме того, устричные рифы могут накапливаться вертикально со скоростью 1-2 см в год через осаждение раковин и накопление осадков, помогая им идти в ногу с умеренным повышением уровня моря.

Жесткий и гибридный подходы: морские стены, искусственные рифы и живые береговые линии

Во многих урбанизированных прибрежных районах одна лишь экосистемная инженерия не может обеспечить достаточную защиту; по-прежнему необходимы твердые структуры. Задача состоит в том, чтобы спроектировать эти структуры таким образом, чтобы они работали в согласии с естественными средами обитания, а не разрушали их. Это породило «гибридные» подходы, которые сочетают традиционную бронетехнику с экологической инженерией.

Ограничения обычных морских стен и оговорок

Морские стены и бетонные облицовки эффективны для остановки эрозии и блокирования штормовых нагонов, но они сопряжены с экологическими издержками. Они отражают энергию волн, прочесывают осадок у их основания и часто разрушают прилегающие водно-болотные угодья или русла морских трав. Они также блокируют миграцию наземных мест обитания, усугубляя прибрежное сжатие. Эффект «ванны» - где вода накапливается перед морской стеной - может фактически увеличить высоту волн и затопление соседних свойств. По этим причинам многие прибрежные менеджеры переходят от непрерывных твердых структур к сегментированным или наклонным конструкциям, которые являются «более мягкими» по своему характеру.

Искусственные рифы и подводные волнорезы

Погружённые волнорезы (искусственные рифы) могут быть сделаны из бетонных «рифовых шаров», геотекстильных песчаных контейнеров или повторно используемых материалов, таких как корабли и железнодорожные вагоны. При стратегическом размещении они уменьшают энергию волн, достигающих берега, не блокируя виды или обмен водой. Они также обеспечивают субстрат для загрязняющих организмов, таких как ракушки, мидии и устрицы, что может повысить улавливание осадков и качество воды. Ключ к успешной конструкции искусственного рифа заключается в том, чтобы гребень структуры был достаточно низким, чтобы позволить транспортировку осадков и приливный обмен, но достаточно высоким, чтобы вызвать волнообмен. Проекты мониторинга в Мексиканском заливе показали, что правильно спроектированные рифовые волнорезы могут уменьшить эрозию и даже способствовать песчаному пляжному аккреции за ними.

Живой подход к шорлайну

Живые береговые линии интегрируют растительность с низким структурным компонентом, таким как палец ряби, бревна рябины или раковины устриц, чтобы стабилизировать банк, позволяя при этом естественную динамику. Структура размещена на уровне прилива, чтобы поглощать энергию волны, в то время как местные болотные травы или мангровые заросли высаживаются выше. По мере роста болота оно захватывает осадок и постепенно строит возвышение. Со временем структурный компонент может стать встроенным или даже заменен естественным рифом. Живые береговые линии все чаще продвигаются программой NOAA Цифровое побережье в качестве предпочтительной альтернативы переборкам для береговых линий с низкой энергией. Они обеспечивают среду обитания для рыбы и дикой природы, улучшают качество воды и легче адаптируются к повышению уровня моря, чем жесткие стены.

Природные решения часто не имеют выделенного финансирования по сравнению с жесткой инфраструктурой. Однако растущее признание их совместных выгод - поглощение углерода, расширение рыболовства, отдых - привело к новым механизмам финансирования. Голубые углеродные кредиты, продаваемые на добровольных углеродных рынках, могут генерировать доход для проектов восстановления. МГЭИК СРОКК МГЭИК явно рекомендует интегрировать адаптацию на основе экосистем в национальные климатические стратегии. Рабочая группа по прибрежным голубым углеродам США разрабатывает методологии для измерения и сертификации углеродных кредитов от восстановления водно-болотных угодий. Тем не менее, расширение экосистемной инженерии требует институциональной координации между агентствами, долгосрочных обязательств и участия сообщества.

Экосистемная инженерия не происходит в вакууме. Она требует сотрудничества землевладельцев, рыбаков, туристов и местных органов власти. Успешные проекты в значительной степени инвестируют в общественную информационно-пропагандистскую деятельность и планирование с участием общественности. В дельте Меконга проекты по восстановлению мангровых зарослей наряду с креветками продемонстрировали, что экосистемная инженерия может обеспечить экономические выгоды - защиту от штормов, фильтрацию воды - которые компенсируют потерянную площадь. В США, NOAA Sea Level Rise Viewer помогает сообществам визуализировать будущие наводнения и определить подходящие районы для природных решений. Политические рамки, такие как Национальные планы адаптации РКИК ООН, теперь явно поощряют адаптацию на основе экосистем, но реализация остается неравномерной. Образовательные кампании, которые подчеркивают многочисленные преимущества экосистемной инженерии - от защиты от наводнений до наблюдения за птицами - могут создать прочную политическую поддержку.