Projekt okładki i stron tytułowych: Lidia Michalak-Mirońska

Fotografia na okładce: Oleksandr Umanets | Dreamstime.com

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Joanna Forysiak

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Małgorzata Pasenik (Malgorzata.Pasenik@pwn.pl)

Recenzenci:
dr hab. Artur Magnuszewski, prof. UW Zakład Hydrologii WGSR UW
dr hab. Iwona Jasser, Instytut Botaniki UW – Zakład Ekologii Roślin i Ochrony Środowiska

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Marcin Kośka/Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w Internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

ISBN 978-83-01-20815-8

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)
Warszawa 2019

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

PATRONI MEDIALNI

Spis treści

Wprowadzenie. Geneza i misja ekohydrologii jako subdyscypliny hydrologii i działu nauki o zrównoważonym rozwoju

Podziękowania

I. Co z tą wodą? – geneza, ewolucja i podstawy ekohydrologii

1. Wstęp

2. Geneza ekohydrologii

3. Ewolucja naukowa koncepcji ekohydrologii

3.1. Teoria ekosystemu

3.2. Teoria Gai

3.3. Rozwój badań nad ekosystem rzecznym

3.4. Ekohydrologia – integracja hydrologii i ekologii

4. Bioenergetyczne podstawy ekohydrologii

4.1. Bilans energetyczny żywego organizmu

4.2. Przepływ energii i biogenów przez ekosystem

4.3. Koncepcja kontinuum rzecznego

5. Procesy hydrologiczne i ich opis ilościowy

5.1. Procesy hydrologiczne w zlewni

5.2. Modelowanie procesów hydrologicznych

6. Model interakcji czynników biotycznych i abiotycznych – teoretyczne podstawy ekohydrologii

6.1. Wstęp i geneza konstrukcji modelu

6.2. Bioróżnorodność w różnych systemach rzecznych jako potwierdzenie ABRC

6.3. Strategie reprodukcyjne ryb jako potwierdzenie ABRC

6.4. Interakcje i zależności między toksycznymi sinicami, mikroorganizmami a czynnikami fizykochemicznymi

7. Reguły ekohydrologii – podstawa systemowych rozwiązań w gospodarce wodnej

7.1. Reguła hydrologiczna

7.2. Reguła ekologiczna

7.3. Reguła ekotechnologiczna

8. Ekohydrologiczne podstawy renaturyzacji rzek i strumieni

8.1. Wstęp – znaczenie stref ekotonowych dla funkcjonowania rzek i strumieni

8.2. Właściwości fizyczne i biologiczne strefy ekotonowej

8.3. Strefy ekotonowe jako czynnik kształtujący różnorodność biologiczną

8.4. Rola ekotonów na terasie zalewowej

8.5. Zagrożenia dla bioróżnorodności i rola ekotonów w jej ochronie

8.6. Podsumowanie

9. Zlewnia – dolina rzeczna – terasa zalewowa – rzeka

9.1. Wstęp

9.2. Zmiany klimatu a systemy rzeczne

9.3. Zarządzanie zlewnią

9.4. Ekohydrologia dla zapobiegania powodziom i zarządzania nimi

9.5. Ekohydrologia dla poprawy jakości wody

10. Ekosystemy jezior i zbiorników zaporowych

10.1. Rekultywacja zbiorników wodnych

II. Wdrożenia

1. Rekultywacja zbiorników zaporowych

1.1. Wysokoefektywne strefy buforowe dla redukcji zanieczyszczeń rozproszonych

2. Zarządzanie strefami ekotonowymi

2.1. Rola terasy zalewowej w pochłanianiu ładunku biogenów

3. Biomanipulacja i hydrobiomanipulacja

4. Zarybianie dla odbudowy bioróżnorodności ryb

5. Zbiorniki wstępne

6. Hybrydowy sekwencyjny system biofiltracji ścieków (HSBS) dla małych oczyszczalni ścieków

7. Biotechnologie ekohydrologiczne dla ograniczenia zanieczyszczenia wód w obszarach rolniczych

8. Zarządzenie zasobami wodnymi na terenach miejskich

8.1. Wdrożenia na terenie rzeki Sokołówki – SSBS

8.2. Błękitno-zielona sieć (BGNC)

8.3. Rekultywacja zeutrofizowanych zbiorników górnej Bzury z zastosowaniem biotechnologii ekohydrologicznych i systemów hybrydowych

8.4. Podsumowanie – woda jako czynnik jakości życia w mieście

9. Wykorzystanie metod hydroakustycznych w ekohydrologii

9.1. Podstawy działania echosondy i rozwój metod hydroakustycznych

9.2. Ryby

9.3. Makrofity

9.4. Sinice

9.5. Charakterystyka dna

9.6. Podsumowanie

10. Ekohydrologiczna adaptacja śródlądowej drogi wodnej dla zwiększenia wielowymiarowego potencjału środowiska (WBSRC)

11. Zastosowania podstaw teoretycznych i zasad ekohydrologii do budowy zbiornika małej retencji dla poprawy potencjału środowiskowego i zrównoważonego rozwoju dorzecza (WBSRC)

12. Rozwiązania ekohydrologiczne na świecie

12.1. Odtworzenie dynamiki środowiska Loary (Francja) z wykorzystaniem ograniczonych zasobów

12.2. Rozwój ekohydrologicznego obszaru demonstracyjnego na zbiorniku Saguling (zlewnia rzeki Citarum w Jawie Zachodniej – Indonezja)

12.3. Rozwiązania ekohydrologiczne w zlewni jeziora Naivasha

12.4. Systemowe rozwiązania na jeziorze Assela, Etiopia

III. Foresight

1. Wstęp

2. Wdrażanie

2.1. Metodyka i strategia wdrażania foresightu

2.2. Zasady wdrażania wizji foresightu

2.3. Zarządzanie adaptacyjne

2.4. Zmiana paradygmatu i metoda dialogu

2.5. Budowanie wizji przyszłości, scenariuszy i strategii

2.6. Podsumowanie foresightu

Podsumowanie

Literatura

Przypisy

Wprowadzenie. Geneza i misja ekohydrologii jako subdyscypliny hydrologii i działu nauki o zrównoważonym rozwoju

Podręcznik ten nie jest encyklopedią z zakresu ekologii i hydrologii, ale stanowi wprowadzenie do dynamicznie rozwijającej się dyscypliny naukowej, jaką jest ekohydrologia. Stanowi również próbę przedstawienia ekohydrologii jako jednego z pierwszych działań realizowanych w szerokiej współpracy międzynarodowej w ramach Międzynarodowego Programu Hydrologicznego UNESCO na niwie nauki dla integracji różnych dyscyplin nauk o środowisku pod kątem rozwiązywania problemów zrównoważonego rozwoju (Sustainable Development Goals, ONZ). Stąd jedną z głównych osi tego podręcznika jest geneza i metodyka transformacji informacji w wiedzę, a wiedzy w umiejętności dla rozwiązywania problemów związanych z gospodarką wodną i zarządzaniem środowiskiem odnośnie do zwiększenia jego wielowymiarowego potencjału zrównoważonego rozwoju, na który składają się woda (W), bioróżnorodność (B), korzyści dla społeczeństwa (S), adaptacje do zmian klimatu (R) i szeroko pojęta kultura i edukacja (C). Podręcznik ten jest pierwszą próbą przybliżenia szerokiemu gronu specjalistów, studentów, decydentów, a także organizacjom pozarządowym teoretycznych podstaw ekohydrologii i ich wykorzystania w gospodarce wodnej dla zrównoważonego rozwoju.

Należy podkreślić, że istnieje wiele obszarów nauk o środowisku, które w ogromnym stopniu przyczyniają się do dalszego dynamicznego rozwoju ekohydrologii, m.in. hydrogeologia, klimatologia, gleboznawstwo, biologia molekularna; ich potencjalne znaczenie dla rozwoju ekohydrologii zostało jedynie zasygnalizowane w tym podręczniku. Równolegle dla skutecznego podejmowania wyzwań związanych z osiągnięciem zrównoważonego rozwoju niezbędne jest powiązanie ekohydrologicznych procesów i rozwiązań systemowych z mechanizmami prawnymi, ekonomicznymi i społecznymi.

Ekohydrologia to nauka o procesach w biosferze, dla których ramy tworzą dwukierunkowe interakcje między cyklem hydrologicznym a biocenozami, ukształtowane w toku ewolucji. Zrozumienie tych interakcji od skali molekularnej do skali zlewni/dorzecza umożliwia opracowanie innowacyjnych, nisko kosztowych Ekohydrologicznych Rozwiązań Bliskich Naturze (EHRBN, obecnie nazwanych Nature Based Solutions[1]), a także rozwiązań hybrydowych, łączących rozwiązania techniczne i biotechnologie ekohydrologiczne. Ponadto wykorzystanie właściwości ekosystemu jako narzędzia w gospodarce wodnej (Zalewski 2000), zintegrowane z bioekonomią i ekonomią cyrkularną, umożliwia opracowanie rozwiązań systemowych zwiększających potencjał danej zlewni dla zrównoważonego rozwoju.

Zdecydowałem, aby poświęcić znaczną część tego podręcznika wyjaśnieniu teoretycznych podstaw ekohydrologii, gdyż każdy system rzeczny to unikalny superorganizm, który wymaga dogłębnego zrozumienia specyfiki procesów krążenia wody, pierwiastków i interakcji z biocenozami, z uwzględnieniem całego spektrum warunków klimatycznych, geomorfologicznych i modyfikacji ekosystemów przez urbanizację, przemysł, rolnictwo i szlaki transportowe. Mam nadzieje, że zrozumienie interakcji między procesami hydrologicznymi i ekologicznymi będzie stanowiło podstawę dla kreowania nowych EHRBN, a także adaptacji istniejących rozwiązań do specyfiki zlewni i ich harmonizacji z istniejącą infrastrukturą hydrotechniczną. Ponieważ ekohydrologia jest nauką transdyscyplinarną, czyli angażującą dla realizacji projektów naukowych i stosowanych wielu specjalistów z różnych dyscyplin nauk o środowisku, podjąłem decyzję, że zamiast syntetyzować prace moich najważniejszych współpracowników i specjalistów z innych instytucji, z którymi miałem przyjemność realizować przedstawiane projekty, zaproszę ich do napisania krótkich rozdziałów przedstawiających kluczowe aspekty ekohydrologii oraz przykłady rozwiązań, które były jednocześnie wielkoskalowym testowaniem kluczowych założeń teorii ekohydrologii.

ANTROPOCEN – być albo nie być dla ludzkości

Biosfera to system dynamicznie zmieniający się w procesie biogeochemicznej i klimatycznej ewolucji, który obecnie, w wyniku narastającej presji superdynamicznego społeczeństwa globalnego, podlega postępującej degradacji. Już tzw raport rzymski, sformułowany w 1972 r., określa narastające zagrożenie dla biosfery i ludzkości w epoce obecnie nazywanej antropocenem. Natomiast najnowszy dokument ONZ Cele Zrównoważonego Rozwoju (SDG) identyfikuje obszary działań niezbędnych dla osiągnięcia zrównoważonego rozwoju. Jednak nawet ten dokument nie definiuje strategii lub metodologii ich osiągania. Książka ta jest próbą sformułowania takiej strategii i podejścia systemowego, dla którego podstawą jest zmiana paradygmatu z mechanistycznego – w ramach którego obecnie funkcjonujemy i który utwierdza nas w przekonaniu, że technologia rozwiąże wszystkie nasze problemy – na ewolucyjny, którego podstawą jest zrozumienie, że jesteśmy elementem megasystemu ekologicznego i każdy z nas wpływa na fundamentalne procesy ekologiczne: krążenie wody, biopierwiastków i przepływ energii w ekosystemach i dorzeczach, zlewniach, od których coraz bardziej zależy nasze istnienie. Stąd w niniejszej książce podjęto próbę przedstawienia kluczowych elementów procesów, a także, na przykładach, zakresu ich modyfikacji, lecz przede wszystkim możliwości ich regulacji i wykorzystania jako innowacyjnych narzędzi w gospodarowaniu zasobami wodnymi dla zwiększenia potencjału zrównoważonego rozwoju. Potencjał zrównoważonego rozwoju (PZR) zlewni zgodnie z metodologią ekohydrologiczną został wyrażony pięcioma parametrami WBSRC, które w ramach różnych ekohydrologicznych przedsięwzięć innowacyjnej gospodarki zlewniowej powinny być jednocześnie poprawione dzięki integracji rozmaitych dziedzin wiedzy o środowisku. Są to: ilość i jakość zasobów wodnych (W), bioróżnorodność (B), korzyści dla społeczeństwa (S), adaptacja do zmian klimatu (R), kultura i edukacja (C).

ZASTĄPIENIE PARADYGMATU MECHANISTYCZNEGO EWOLUCYJNYM

Einstein powiedział, że nowe, pojawiające się problemy ludzie często próbują rozwiązywać starymi metodami, a to nigdy nie daje dobrych rezultatów. Obecnie nasze funkcjonowanie w biosferze jest determinowane w głównym stopniu paradygmatem mechanistycznym, nastawionym na zaspokajanie doraźnych potrzeb konsumpcyjnych w dużym zakresie w oparciu o eksploatację i degradację zasobów naturalnych. Ponieważ biosfera jest systemem skomplikowanym i dynamicznym, silnie modyfikowanym przez człowieka, osiągnięcie zrównoważonego rozwoju wymaga rozwiązań innowacyjnych i systemowych. Ich podstawą powinno być zrozumienie procesów ekologicznych ukształtowanych w czasie ewolucji. Zastąpienie paradygmatu mechanistycznego, sankcjonującego ujarzmianie i eksploatację biosfery, paradygmatem ewolucyjnym, w którym zrozumienie dynamiki procesów ekologicznych i hierarchii czynników regulujących te procesy jest kluczem do restytucji i zwiększania potencjału środowiska oraz zaspokajania potrzeb społecznych. Podstawą wyłaniającego się paradygmatu ewolucyjnego jest przyjęcie jako układu odniesienia dla powyższych działań interakcji między procesami hydrologicznymi a ekologicznymi od skali molekularnej do skali dorzecza/zlewni i biosfery. Podstawą implementacji takiego ewolucyjnego paradygmatu jest nie tylko integracja wiedzy z różnych dyscyplin nauk o środowisku, lecz także uwzględnienie ekonomii cyrkularnej i bioekonomii, socjologii i zarządzania dla harmonizacji innowacyjnych rozwiązań bliskich naturze (NBS) z szeroko pojętą inżynierią, przy zaangażowaniu społeczności danej zlewni. Dopiero takie podejście znacząco poprawi stan i potencjał środowiska określany w tej książce jako WBSRC, a także ograniczy zużycie energii i materii, zredukuje emisję zanieczyszczeń i w ten sposób poprawi jakość życia i zdrowie społeczeństwa przy jednoczesnej ogromnej redukcji negatywnych oddziaływań na środowisko lokalne i globalne oraz kosztów podejmowanych działań.

Nowy paradygmat przyjmujący ewolucję biosfery jako układ odniesienia dla wszelkich działań umożliwi harmonizację wzmocnionego potencjału środowiska z optymalizowanymi potrzebami społeczeństw. Proces ten powinien zawierać dwa komponenty:

1) redukcję presji – konsumpcji i emisji zanieczyszczeń,

2) zwiększenie potencjału zlewni WBSRC przez regulację procesów ekologicznych od skali molekularnej do skali zlewni, z użyciem właściwości ekosystemu (interakcje woda–biocenozy) jako narzędzi do osiągnięcia zrównoważonego rozwoju.

WODA

Punktem wyjścia nowego paradygmatu jest woda, której krążenie w biosferze, regulowane prawami fizyki, jest jednocześnie modyfikowane w różny sposób i w rozmaitym zakresie przez biologiczną strukturę ekosystemów (patrz rozdz. I.6 i I.8), obecnie degradowanych przez człowieka w niespotykanej dotąd skali. Ponadto cykl hydrologiczny jest kluczowym elementem determinującym kierunki i dynamikę sukcesji ekosystemów wyrażonej ich strukturą, bioróżnorodnością i produktywnością. Stąd zrozumienie interakcji między wodą a biocenozami staje się punktem wyjścia dla opracowania innowacyjnych rozwiązań bliskich naturze, nazywanych wcześniej biotechnologiami ekologicznymi, a przede wszystkim rozwiązań systemowych, których ramy definiują procesy zachodzące w mezocyklu hydrologicznym zlewni.

REGULACJA PROCESÓW EKOLOGICZNYCH dla poprawy potencjału ekologicznego WBSRC zlewni jako empiryczne testowanie wiedzy dla opracowywania innowacyjnych rozwiązań

Ilość zakumulowanej wiedzy w poszczególnych dziedzinach nauk biologicznych, geograficznych, inżynierii, socjologii i ekonomii, generalnie nauk o biosferze i funkcjonowaniu społeczności ją zamieszkujących jest obecnie znacząca i wystarczająco zaawansowana, by ją zintegrować z punktu widzenia holistycznego zrozumienia funkcjonowania biosfery. Jednocześnie wyzwania związane z koniecznością osiągnięcia zrównoważonego rozwoju przez zredukowanie presji na środowisko i zwiększenie jego potencjału są tak poważne, że koniecznym etapem rozwoju holistycznego podejścia staje się testowanie zintegrowanej wiedzy przez współpracę transdyscyplinarnych zespołów uczonych z decydentami odpowiadającymi za gospodarkę wodną i środowisko. Przykłady takiej weryfikacji zintegrowanej wiedzy przedstawione są w drugiej części tego podręcznika (patrz rozdz. II.10).

EDUKACJA

Warunkiem szybkiej implementacji i akceptacji społecznej nowego ewolucyjnego, holistycznego paradygmatu jest edukacja, niezbędna do:

1) ugruntowania świadomości sumarycznego efektu naszych oddziaływań na biosferę;

2) udziału i zaangażowania decydentów i społeczeństwa w realizację i utrzymanie rozwiązań systemowych dla wzmocnienia potencjału WBSRC dorzecza/zlewni, w której żyjemy.

Musimy zwiększyć świadomość w społeczeństwie, że człowiek w antropocenie nie jest już mieszkańcem planety o nieskończonych zasobach i odporności na presję antropogeniczną, a przekształcenie biosfery w układ funkcjonujący wyłącznie dzięki technologii będzie oznaczać koniec ludzkości. Sformułowanie to powinno podnosić świadomość na temat ograniczonych zasobów, jakimi dysponujemy, i wrażliwość na wciąż samoregulujący się system biosfery, którego jesteśmy elementem. Świadomość ta jest niezbędna dla zrozumienia swej roli w maksymalizacji szans i trwałości zrównoważonego rozwoju przez ograniczenie konsumpcji, restytucję i regulację procesów ekologicznych dla zwiększenie potencjału WBSRC, zapewniającego jakość życia i zdrowie nasze oraz przyszłych pokoleń. Należy jednak podkreślić ogromną rolę w powyższym procesie redukcji zagrożeń przez rozwój innowacyjnych technologii niezbędnych dla ekonomii cyrkularnej, redukującej zużycie energii, materii i emisji zanieczyszczeń na jednostkę dochodu narodowego. Niemniej ważna jest również bioekonomia, generująca bioprodukty z biosurowców odnawialnych. Ekohydrologia może wskazać metodę realizacji tych zadań w tak, by poprawić retencję wody w obszarach rolnych, retencję materii organicznej w glebie i zredukować użycie toksycznych pestycydów.

Niewątpliwie podręcznik ten, w odróżnieniu od książek syntetyzujących prace naukowe i stan wiedzy w danej dziedzinie, przedstawiając rozwój teorii ekohydrologii i testowanie jej założeń przez wdrożenia innowacyjnych rozwiązań w skali jednolitych części wód, podzlewni i zlewni oraz wykorzystując wiedzę z wielu dziedzin nauki, ma pewne niedoskonałości i wymaga dalszych prac. Wszelkie uwagi i sugestie czytelników będą niezwykle cenne.

Warunkami osiągnięcia zrównoważonego rozwoju, czyli harmonizacji potrzeb globalnej społeczności z potencjałem biosfery w warunkach nasilającej się presji na środowisko, są:

- postrzeganie relacji człowieka i środowiska w kontekście ewolucji biosfery,

- rozwój i wdrażanie transdyscyplinarnej nauki o środowisku i jego relacjach z człowiekiem.

Spełnienie tych warunków to nie tylko łączenie wiedzy z różnych dyscyplin dla lepszego zrozumienia kompleksowości zjawisk i procesów, lecz także transformacja danych w informację, informacji w wiedzę, a wiedzy w umiejętność rozwiązywania problemów (patrz ryc. P.1.1) w oparciu o metodę nauki (Popper 1934, Feyerabend 1975, Khun 1996).

Mam nadzieję, że podręcznik ten zachęci wielu młodych i wybitnych specjalistów, aby swoją dogłębną wiedzę poszerzali przez współpracę transdyscyplinarną i w ten sposób przyśpieszyli proces przejścia od mechanistycznego do ewolucyjnego paradygmatu, który zapewni bezpieczną przyszłość.

Uznałem, że najlepszą formą przestawienia powyższego przejścia jest podręcznik ilustrujący proces przechodzenia od (1) badań podstawowych (np. patrz rozdz. I.8), do (2) formułowania kompleksowych transdyscyplinarych modeli procesów (patrz rozdz. I.6. ABRC) i (3) ich weryfikacji w skali zlewni (np. patrz ramka I.8.1), a także (4) transformacji tej wiedzy w innowacyjne biotechnologie ekohydrologiczne (patrz cz. II Wdrożenia) i (5) rozwiązania systemowe (patrz rozdz. II.8.3. EH-REK oraz rozdz. II.1.1. EKOROB), obejmujące zlewnię lub subzlewnię (patrz cz. III Foresight), (6) wdrażanie innowacyjnych metod i rozwiązań systemowych oraz adaptacyjne zarządzanie (Gunderson i Holling 2002) w innych zlewniach (np. Etiopia, patrz rozdz. II.12.4). Z punktu widzenia nauki takie podejście nie tylko weryfikuje hipotezy i modele, lecz także pozwala identyfikować nowe zjawiska przyrodnicze, wymagające dalszych badań podstawowych (ryc. W.1).

Ryc. W.1. Metodologiczne podstawy rozwoju i zastosowania ekohydrologii dla zwiększenia potencjału (WBSRC) zlewni

Podziękowania

Ekohydrologia wywodzi się z koncepcji regulacji czynników abiotycznych i biotycznych (ang. abiotic-biotic regulation concept, ABRC), a jej początki sięgają ponad trzydziestu lat wstecz. Podobnie jak inne innowacyjne idee, była w dużej mierze zainspirowana przez kontakty między naukowcami. Chciałbym w tym miejscu podziękować wszystkim osobom, które mnie zainspirowały, a przynajmniej niektóre z nich wymienić z imienia i nazwiska.

Punktem zwrotnym, który nadał kierunek mojej dalszej karierze naukowej, był wyjazd po obronie doktoratu we wczesnych latach 80. XX w. na stypendium rządu Kanady do Guelph University oraz udział w Matamek Research Program w Woods Hole Oceanographic Institution. W tym czasie miałem okazję spotkać się z wiodącymi amerykańskimi ekologiami i limnologami. Niemniej fundamenty, na których budowałem w czasie tych spotkań, zostały stworzone w Polsce, podczas studiów na Uniwersytecie Łódzkim. Pierwszym ważnych doświadczeniem była intensywna praca w terenie i w laboratorium pod kierownictwem profesora Tadeusza Penczaka, który był promotorem mojej rozprawy doktorskiej. Badałem rolę materii allochtonicznej i autochtonicznej w trofii rzeki, produkcji ryb i strategiach rozrodczych, porównując pod tym względem rzeki o różnych stopniu zanieczyszczenia. Miałem wówczas okazję poznać wiodących polskich naukowców zaangażowanych w program IBP (ang. International Biological Program). Jako przewodniczący hydrobiologicznej sekcji studentów skontaktowałem się z Katedrą Bioenergetyki Ekologicznej Instytutu im. Nenckiego w Warszawie pod kierownictwem profesora Romualda Klekowskiego i profesor Zofii Fisher, którzy kończyli właśnie prace nad podręcznikiem IBP Oxford series. Spędziłem kilka letnich miesięcy, pracując z ich zespołem nad bioenergetyką ryb. Podczas studiów doktoranckich miałem okazję nawiązać bliski kontakt z czołowymi polskimi hydrobiologami: Anną Hilbricht-Ilkowską, Zdzisławem Kajakiem, Tadeuszem Backielem, Ewą Pieczyńską, Ewą Kamler i Andrzejem Prejsem, którzy byli zaangażowani w duże projekty naukowe. Ta współpraca poszerzyła moją wiedzę ekologiczną i dała solidne podstawy, by optymalnie wykorzystać stypendium w Kanadzie w 1980 r.

W tym czasie Vannote i współautorzy opracowali koncepcję kontinuum rzecznego (RCC), zmieniając dotychczasowy paradygmat naukowy i otwierając nowe, fascynujące perspektywy. RCC stanowiło wyjątkowe ramy dla badań ekologicznych, gdyż brało pod uwagę nie tylko zmiany w zbiorowiskach funkcjonalnych grup bezkręgowców, lecz także zmiany w bioenergetyce procesów wraz z biegiem rzeki, w którym to temacie miałem już doświadczenie z moich poprzednich badań. Niemniej po kilku miesiącach doszedłem do wniosku, że potrzebne jest nowe, bardziej naukowo zaawansowane narzędzie służące pogłębieniu zrozumienia procesów ekologicznych, które determinują dynamikę ekosystemów. Z przyjacielem Kazimierzem Szewczykiem, filozofem, spędziłem godziny na dyskusjach o metodologii naukowej z perspektywy Kuhna, Poppera i Feyerbenda. Rozmowy te skierowały moją uwagę na redukcję procesów ekologicznych do podstawowych praw fizyki i stąd precyzyjną kwantyfikację, jak również na rolę logicznie skonstruowanej kompleksowej hipotezy badawczej przy planowaniu eksperymentów naukowych. Dlatego w dalszych badaniach przyświecała mi zasada, iż sformułowanie kompleksowej hipotezy stymuluje zaawansowane i wieloaspektowe eksperymenty, dzięki którym możliwe jest odkrycie nowych właściwości procesów i ekosystemu. W tym czasie dyskutowałem również z moim przyjacielem Józefem Robakowskim, profesorem Łódzkiej Szkoły Filmowej i jednym z wybitnych awangardowych artystów Polski. Te rozmowy z kolei upewniły mnie, że zarówno w sztuce, jak i w nauce podstawą jest odważne i niezależne myślenie, weryfikujące stare i generujące nowe paradygmaty.

W wyniku swoich badań terenowych prowadzonych w różnych dorzeczach byłem przekonany, że potrzebne jest jeszcze szersze spojrzenia na ekosystem, rzeki i zlewnię po RCC, bardziej kompleksowe i odwołujące się do praw termodynamiki, hydrauliki itp. W tym właśnie czasie Robert J. Naiman zaprosił mnie do udziału w Matamek Summer Program realizowanym na rzekach Matamek i Moisie na Labradorze. Podczas programu miałem okazję pracować nad wieloma aspektami funkcjonowania rzeki borealnej i jej zlewni, jak również przeczytać książkę Naimana o rybach występujących w ekstremalnie gorących warunkach amerykańskich pustyń. To tam właśnie jako alternatywę dla debaty o dominujących czynnikach zależnych i niezależnych od zagęszczenia regulujących ekosystem sformułowałem tezę o czynnikach abiotycznych i biotycznych jako układzie regulującym procesy ekologiczne w rzekach, którego poznanie przyśpieszyłoby postęp w polepszeniu naszych zdolności predykcyjnych oraz zdolności aktywnego zarządzania ekosystemem: przez regulację procesów. Niezwykle ważne było dla mnie to, że Bob Naiman był dla mnie wielkim wsparciem i wykazywał wręcz entuzjazm co do tej koncepcji.

Ponieważ mój model dotyczył zmiany w hierarchii procesów hydrologicznych i termodynamicznych regulujących dynamikę biocenozy w kontekście RCC i gradientu temperatury, a także odnosił się do biologii ryb – przedstawiłem abstrakt na XIII sesję EIFAC FAO podczas Symposium of Habitat Modification and Freshwater Fisheries w Aarhus w Danii. Ku mojemu zaskoczeniu przewodniczący sympozjum John Alabaster zdecydował, że moje wystąpienie na temat regulacji AB będzie otwierającym wykładem. Wynikiem tej prestiżowej prezentacji było w następnym roku zaproszenie do zaprezentowania wyników badań testujących tę teorię w dorzeczu Lubrzanki na corocznym sympozjum British Fishery Society. Powyższe publikacje przyczyniły się do zaproszenia mnie do przewodniczenia dwóm grupom roboczymi w programach FAO EIFAC (European Inland Fisheries and Aquaculture Advisory Commission), UNESCO Man and Biosphere „Fish and Land-Water Ekotones” oraz UNESCO International Hydrological Progamme (IHP) Ecohydrology. Dało mi to możliwość współpracy z taki wybitnymi naukowcami jak: Frederic Fournier, John E. Thorpe, Friedrich Schiemer, Georg Janauer, Willam J. Mitsch, András Szöllösi-Nagy, Luís Chicharo, David M. Harper, Richard D. Robarts, Eric Wolanski, José Galizia Tundisi, Jack Barr Ian G. Cowx, Pierre Hubert, Giovanni Bidoglio, Pascal Breil, Michael E. McClain, Azime Tezer, Jim Reynolds, Ângelo A. Agostinho, Shahbaz Khan, Jun Xia, Demin Zhou, Delphis Levia i Zhe Li, którzy byli i są dla mnie przyjaciółmi i inspiracją do dalszej aktywności naukowej. Owocem naszej ciągłej burzy mózgów jest uczynienie słów „regulacja procesów” kluczowymi dla nowego paradygmatu i ekohydrologicznego podejścia. Mam nadzieję, że ekohydrologia jest kolejnym krokiem prowadzącym do nowej, zintegrowanej nauki o zrównoważonym rozwoju, której celem jest wyjaśnianie, w jaki sposób człowiek powinien harmonizować swoje potrzeby ze zwiększonym potencjałem środowiska (WBSRC) dla zrównoważonego i trwałego korzystania z zasobów. Jednak wszystkie te międzynarodowe kontakty nie byłoby możliwe, gdybym nie miał wspaniałego zespołu współpracowników do prac terenowych i dyskusji pomysłów. Jestem szczególnie wdzięczny Piotrowi Frankiewiczowi, Bogdzie Brewińskiej-Zaraś, Małgorzacie Łapińskiej, Małgorzacie Tarczyńskiej, Edycie Kiedrzyńskiej i Katarzynie Izydorczyk, jeśliby wymieniać tylko najważniejszych z moich współpracowników. W tym miejscu chciałbym podkreślić ogromną rolę w rozwoju ekohydrologii jako nauki wybitnych polskich hydrologów: Zdzisława Kaczmareka, Zbigniewa Kundzewicza (pierwszego Przewodniczącego Rady Naukowej ERCE), Artura Magnuszewskiego, Leszka Starkel oraz Zdzisława Mikulskiego, których wiedza i wsparcie w sposób decydujący przyczyniły się do rozwinięcia zarówno naukowych podstaw ekohydrologii, jak i podjęcia działań technicznych i technologicznych prowadzących do osiągnięcia zrównoważonej gospodarki zasobami wodnymi. Pragnę również wyrazić szczególne uznanie dla Krystiana Obolewskiego z Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy oraz i Roberta Czerniawskiego z Uniwersytetu Szczecińskiego, którzy obecnie kreatywnie rozwijają ekohydrologię na polu poznawania nowych właściwości ekosystemów możliwych do wykorzystania w zrównoważonym gospodarowaniu zasobami zlewni. Również współpraca z Konradem Dąbrowskim była dla mnie niezwykle inspirująca w kontekście znaczenia akwakultury dla rozwiązań systemowych. Strategiczne znaczenie dla rozwoju badań naukowych miała decyzja pana Michała Seweryńskiego, który jako rektor Uniwersytetu Łódzkiego zdecydował o utworzeniu w 1990 roku Katedry Ekologii Stosowanej a także już jako Minister Nauki i Szkolnictwa Wyższego podpisał w Paryżu umowę Z UNESCO w sprawie objęcia Europejskiego Regionalnego Centrum Ekohydrologii auspicjami UNESCO. Również pan Rektor Włodzimierz Nykiel i pani Prorektor Małgorzata Krajewska byli nam bardzo przychylni w wielu aspektach naukowego rozwoju Katedry.

Przedstawiam początkowe etapy idei opisanych w tej książce, pamiętając czasy „żelaznej kurtyny”, kiedy tak trudne było prowadzenie dobrej pracy naukowej. Muszę również podkreślić, że bez współpracy i często wsparcia naukowców zarówno ze Wschodu, jak i z Zachodu nie można by tak aktywnie partycypować w światowej sieci naukowej. Chciałbym wykorzystać tę okazję, aby wyrazić moją wdzięczność wobec wszystkich tych ludzi, wielu niewymienionych tu z nazwiska. Zawsze czuję się zobowiązany to czynić i wspierać moich młodszych kolegów, kiedy tylko mam okazję. Wierzę że ta książka, w dużej mierze zainspirowana koncepcją profesora Williama Mitscha Ecological Engineering Concept, może otworzyć nowy etap w dialogu między naukowcami z dziedzin nauk o środowisku a inżynierami z dziedzin hydrotechnicznych. Wierzę również, że uzyskanie synergii poprzez integrację tych dwóch obszarów naukowych jest podstawą zrozumienia fundamentalnych procesów ekologicznych i nie tylko odwrócenia degradacji globalnego środowiska, lecz także zwiększenia potencjału biosfery, niezbędnego dla harmonizacji z potrzebami społeczeństw w antropocenie, z uwzględnieniem konieczności zaakceptowania pewnych ograniczeń w korzystaniu z zasobów.

Chcę również wyrazić moją ogromną wdzięczność moim przyjaciołom, Piotrowi Kunie, Wojciechowi Drygasowi i Konradowi Rydzyńskiemu, za niezwykle inspirujące rozmowy.

Na końcu zaś, pragnę podziękować za całe wsparcie ze strony mojej żony Anny, córki Moniki i mojej mamy, Wandy, które zawsze dzieliły mój entuzjazm, jako pierwsze wyrażały zarówno inspirujące, jak i krytyczne uwagi wobec moich pomysłów, ale również najbardziej odczuwały moje częste nieobecności w domu.

* * *

Specjalne podziękowania dla współpracowników i współautorów rozdziałów

Przede wszystkim chciałbym podziękować Arturowi Magnuszewskiemu z Zakładu Hydrologii Uniwersytetu Warszawskiego, który od pierwszego spotkania w Jabłonnej w 1996 (które dało początek programowi Ekohydrologia i w którym uczestniczyli również Zdzisław Kaczmarek i Zdzisław Mikulski) wspierał mnie i moich kolegów swoją wiedzą hydrologiczną, co znalazło swój wyraz we wspólnych publikacjach i realizacji projektów.

Chciałbym również podziękować Pani profesor Julicie Dunalskiej z Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, osobie, która twórczo rozwija prace nad rekultywacją jezior zapoczątkowane w Olsztynie przez profesora Przemysława Olszewskiego. W rozdziale tej książki w syntetyczny sposób przedstawiła treść swojego podręcznika o rekultywacji jezior, która jest niezwykle ważnym aspektem ekohydrologii.

Niesłychanie istotna część moich doświadczeń związanych ze specyfiką i modyfikacjami antropogenicznymi procesów ekohydrologicznych została wypracowana dzięki współpracy z Davidem Harperem, który zaprosił mnie do współpracy przy realizacji jego długoletniego i wieloaspektowego programu rekultywacji jeziora Naivasha w Kenii. Jego doświadczenie, a także poczucie misji, aby poprawić status ekologiczny jeziora z równoległą poprawą bytu ludności w warunkach dynamicznego rozwoju ogrodnictwa (jedna z największych na świecie plantacji róż), pogłębiły moje rozumienie globalnej różnorodności relacji pomiędzy procesami demograficznymi a modyfikacjami funkcjonowania ekosystemów w obliczu narastających zmian klimatu. Nic Pacini w dalszym ciągu twórczo rozwija te badania, których podstawy zdefiniował David Harper.

Dziękuję również moim kolegom z Centrów Ekohydrologii UNESCO i ich zespołom. Dziękuję Karlowi Wantzenowi z Uniwersytetu w Tour, który rozwija ważny aspekt znaczenia dziedzictwa kulturowego jako czynnika fundamentalnego dla zaangażowania społeczeństwa w gospodarkę zlewniową. Jednocześnie podejście to jest komplementarne w stosunku do paleohydrologii, niezwykle ważnej dla zrozumienia ewolucji systemów rzecznych i rozwijanej w Polsce przez profesora Leszka Starkela.

Pragnę również podziękować Ignasiusowi Sutapie, dyrektorowi pierwszego Centrum Ekohydrologii w Azji Południowo-Wschodniej, z którym mam okazję współpracować od 1999 roku, rozwijając ekohydrologię w unikalnych, tropikalnych ekosystemach południowo-wschodniej Azji.

Dziękuję Yohannesowi Zerihunowi Negussie, który jako szef departamentu w Ministerstwie Energii, był stypendystą UNESCO w Centrum Ekohydrologii i z którym w ramach projektu Ministerstwa Spraw Zagranicznych Polish Aid opracowaliśmy wiele rozwiązań systemowych na terenie Etiopii, co zaowocowało powstaniem przy ministerstwie African Centre for Ecohydrology.

Specjalne podziękowania chciałbym wyrazić moim przyjaciołom i współpracownikom, którzy przygotowali rozdziały ilustrujące naukowe i aplikacyjne aspekty ekohydrologii. Chciałbym zacząć od osób, które mają największy wkład w utworzenie Katedry Ekologii Stosowanej UŁ (1993), obecnie posiadającej status UNESCO Chair of Ecohydrology and Applied Ecology: Piotrowi Frankiewiczowi i Bogusławie Brewińskiej-Zaraś, którzy rozpoczęli ze mną na początku lat 80. ub. wieku testowanie modelu ABRC na rzece Lubrzance i zbiorniku Sulejowskim, a także Małgorzacie Łapińskiej, która w znakomitym stopniu poszerzała nasze badania o relacje między zespołami ryb i strukturą habitatów, co było niezwykle ważne w kolejnych projektach europejskich: Fame i Amber.

Wyniki tych badań umożliwiły dalszy rozwój i zaawansowanie naukowe kolejnych projektów. Prace Edyty Kiedrzyńskiej rozwijają zarówno holistyczne aspekty, jak i procesy ekohydrologiczne, np. znaczenie teras zalewowych dla samooczyszczania systemów rzecznych oraz oddziaływanie i efektywność oczyszczalni ścieków, a także ich oddziaływanie na ekosystem Morza Bałtyckiego. Te badania rozwinęła, opracowując biotechnologie hybrydowego systemu dla poprawy efektywności małych oczyszczalni (mała oczyszczalnia wspomagana przez sekwencyjny system sedymentacyjno-biofiltracyjny w Rozprzy).

Pierwsza Zasada Ekohydrologii to punkt wyjścia dla ekohydrologicznych działań, którego pierwszym etapem jest ocena stanu ekosystemu, kwantyfikacja procesów hydrologicznych i analiza rozkładu zanieczyszczeń, szczególnie obszarowych, trudnych do kwantyfikacji. Przełomowym dla diagnozy stanu dorzecza Pilicy był model Katarzyny Izydorczyk, która równolegle opracowała biotechnologie wysokoefektywnych stref buforowych. Wojciech Frątczak zawsze dzielił się swoją wiedzą inżynieryjną, która była niezwykle cenna zarówo dla rozwoju biotechnologii, jak i opracowania rozwiązań systemowych oraz oceny realistycznych możliwości i wdrożeń. Najpoważniejszym testem hydrologicznego aspektu ekohydrologii (modelu ABRC) stanowiącego teoretyczne ramy integracji ekologii i hydrologii były badania w ramach doktoratu Iwony Wagner, realizowane w dorzeczu Pilicy, które potwierdziły sezonową zmienność hierarchii czynników abiotycznych i biotycznych. Tomasz Jurczak dzięki swoim talentom w zakresie zastosowań analizy chemicznej i kwantyfikacji zagrożeń, które znalazły wymiar w doskonałych publikacjach, rozszerzył te umiejętności na pierwsze wielkoskalowe wdrożenie dla górnej części systemu Bzury w kontekście ekohydrologii, nagrodzone jako Best of the Best Life + Project. Kinga Krauze podjęła się niezwykłe ważnego dla rozwoju transdyscyplinarnej nauki i zarazem trudnego wyzwania, jakim jest ocena i analiza percepcji oraz preferencji społecznych różnych usług ekosystemowych, które są obecnie fundamentalnym punktem wyjścia dla rozwoju strategii zrównoważonego rozwoju zlewni. W ostatnich latach jest wspierana przez Renatę Włodarczyk, z którą realizują liczne projekty badawcze na rzecz poprawy środowiska miejskiego.

Szczególnie cenię współpracę z Małgorzatą Godlewską, której innowacyjne spojrzenie na hydroakustykę i innowacyjne rozszerzenie zastosowań hydroakustyki na badania nie tylko ryb, ale również makrofitów, osadów oraz zakwitów sinicowych znakomicie poszerzyło potencjał naukowy naszego zespołu.

Ponieważ staramy się, aby wszystkie nasze działania na polu badań nad zrównoważonym rozwojem zlewni niosły ze sobą wartości zarówno naukowe, jak i wdrożeniowe, stąd niezwykle ważne było poszerzanie spektrum badawczego dzięki biologii molekularnej, którą do naszego zespołu wprowadziła Joanna Mankiewicz-Boczek. Jej badania nad zakwitami oraz rozwojem biotechnologii, które mogą ograniczać zanieczyszczenie i degradację wód śródlądowych, są wciąż niezwykle dynamicznie rozwijającą się dyscypliną, a w ostatnich latach wspierana jest również przez mikrobiologiczną wiedzę i doświadczenie Ilony Gągały i Liliany Serwecińskiej.

Wielka wiedza ichtiologiczna i pasja badawcza Zbigniewa Kaczkowskiego przekłada się na wsparcie naszych projektów i stacji terenowej w Treście, jak również była ważnym aspektem wszystkich projektów europejskich i krajowych.

Obecnie talent, kreatywność i ogromne zaangażowanie Pawła Jarosiewicza przy jednoczesnych podstawach wiedzy z dziedziny biologii molekularnej odgrywają ogromną rolę nie tylko w rozwoju nowych kierunków badań oraz nowych naukowych i aplikacyjnych aspektów ekohydrologii, ale również w upowszechnianiu jej dzięki czasopismu Ecohydrology & Hydrobiology.

Sebastian Szklarek wspiera zespół swoim profesjonalizmem w badaniach terenowych i implementacji różnych biotechnologii. Jego blog ŚWIAT WODY przyczynia się do popularyzacji ekohydrologii zarówno w gronie profesjonalistów, jak i społeczeństwa. Jest to ogromnie ważne, ponieważ zarządzanie zlewniowe wymaga zaangażowania lokalnych społeczności.

Przygotowanie tej książki przy całym ogromie moich obowiązków było możliwe tylko dzięki niezwykłemu zaangażowaniu i kreatywności Małgorzaty Połatyńskiej, która wspierała mnie w pracach redakcyjnych nad książką.

W imieniu swoim oraz moich współpracowników pragnę podziękować również osobom, bez których nie powstałby eksperymentalny fundament tej książki – wdrożenie innowacyjnych, ekohydrologicznych rozwiązań systemowych. Podczas transformacji Międzynarodowego Centrum Ekologii PAN w Europejskie Regionalne Centrum Ekohydrologii UNESCO dużym zaangażowaniem wykazał się Jan Bocian, który wiedzę zdobytą w Katedrze Ekologii Stosowanej wykorzystuje w różnych formach działalności administracji regionalnej oraz organizacjach pozarządowych. Z kolei Juliusz Sumorok, który był moim magistrantem, swoją wiedzę teoretyczną z dziedziny ekologii wykorzystuje, współpracując z nami nad wdrażaniem innowacyjnych rozwiązań technicznych. Aleksander Góralczyk swoim zaangażowaniem i doświadczeniem ichtiologicznym znacząco przyczynił się do transformacji ośrodka wędkarskiego w Trescie Rządowej w stację terenową Uniwersytetu Łódzkiego. Pracę tę kontynuuje Sebastian Ratajski, wspierając nas w badaniach eksperymentalnych i terenowych, za co wszyscy współpracownicy są mu wdzięczni.

I. Co z tą wodą? – geneza, ewolucja i podstawy ekohydrologii

1. Wstęp

Maciej Zalewski

Drastyczna zmiana stosunku człowieka do przyrody, charakteryzująca obecną erę zwaną antropocenem (Crutzen 2006), wpłynęła znacząco na funkcjonowanie biosfery i stawia pod znakiem zapytania przyszłość życia na Ziemi, a także cywilizacji. Nazwa „antropocen” trafnie charakteryzuje wiodącą rolę ludzi w zmianach i degradacji biosfery; konsekwencją jest zmniejszenie jakości usług ekosystemowych. Przez ostatnie sześć dekad populacja ludzkości na świecie wzrosła niemal trzykrotnie, z 2,5 do ponad 7 miliardów, a globalne PKB, będące skumulowanym wskaźnikiem eksploatacji zasobów naturalnych i wzrostu presji na środowisko – przede wszystkim zasobów wody i gleb – wzrosło dziesięciokrotnie: z 5,3 do 55 miliardów (ryc. I.1.1). Ilość dostępnych na Ziemi dobrych jakościowo gruntów rolnych jest skończona, a większa ich część już została włączona do produkcji rolnej. Intensywne użytkowanie rolne oraz urbanizacja w połączeniu z obserwowanymi zmianami klimatycznymi powodują zwiększenie emisji zanieczyszczeń do środowiska oraz zwiększenie ładunku biogenów (w szczególności azotu i fosforu) dostającego się do ekosystemów wodnych wraz ze spływem powierzchniowym. To z kolei generuje postępującą degradację gleb przez utratę materii organicznej oraz erozję wodą i eoliczną, co dodatkowo wzmacnia spływ powierzchniowy (ryc. I.1.2). Tworzy to napędzającą się spiralę negatywnych sprzężeń zwrotnych, które w warunkach zmieniającego się klimatu i postępującej degradacji struktury ekosystemu stają się zasobami nieodnawialnymi na wielu obszarach Ziemi. Jedną z konsekwencji jest fakt, że obecnie ilość dostępnych jeszcze dobrej jakości gruntów rolnych i wody przypadająca na jednego mieszkańca Ziemi drastycznie maleje. Od roku 1960 do 2044 zmniejszy się z 0,42 do 0,22 ha na mieszkańca Ziemi (Ye Van Ranst 2009). Intensywne użytkowanie rolnicze powiązane ze zamianami klimatycznymi nie tylko powoduje erozję gleb, utratę materii organicznej i zwiększenie ładunków biogenów pochodzących z nawożenia, zasilających wody śródlądowe i przybrzeżne, lecz także stymuluje występowanie zakwitów sinicowych. Procesy demograficzne w połączeniu z degradacją struktury ekosystemów i agrocenoz po raz pierwszy w historii ludzkości tworzą niebezpieczeństwo, że populacja ludzka przekroczy pojemność środowiska planety (szacowaną na 9–13 miliardów ludzi) (ryc. I.1.3.). Ponieważ podlegamy mechanizmom wykształconym w trakcie ewolucji, regulującym relacje między dynamiką populacji a potencjałem bioproduktywności ekosystemów, tak jak inne gatunki, duża liczebność populacji może generować dramatyczne sytuacje społeczne, a w konsekwencji ekonomiczne i polityczne. Znajduje to potwierdzenie w historii cywilizacji basenu Morza Śródziemnego, gdzie postępująca degradacja środowiska powodowała napięcia społeczne, a te z kolei stymulowały ekspansję i konflikty, których rezultatem były degradacja lub nawet upadki imperiów (Wantzen i in. 2016).

Ryc. I.1.1. Widok Ziemi w nocy z kosmosu, obrazujący, jak wiele z terenów naszej planety jest obecnie wykorzystywanych przez ludzi, oraz dający wyobrażenie, jak dużo energii jest codziennie zużywanej. Fotografia ta nie tylko uświadamia, ile energii, głównie paliw kopalnych, codziennie zużywamy, emitując gazy cieplarniane, lecz także, w jakim stopniu i jak intensywnie w obszarach o dużej aktywności (rozświetlonych) modyfikujemy fundamentalne procesy ekologiczne – obieg wody, krążenie biogenów i przepływ energii przez system (fot. C. Mayhew i R. Simmon, https://apod.nasa.gov/apod/ap001127.html)

Spośród wszystkich zasobów dostępnych w środowisku i niezbędnych zarówno dla rozwoju cywilizacji, jak i funkcjonowania środowiska naturalnego, najważniejszym i najbardziej limitującym jest bez wątpienia woda, niezbędna do zaspokajania podstawowych potrzeb społeczeństw, takich jak produkcja żywności (Lal 2013), przemysł, transport, rekreacja i kultura. Ze względu na zróżnicowany rozkład warunków geomorfologicznych i klimatycznych, które determinują bioproduktywność ekosystemów, obserwowany jest mozaikowaty rozkład przestrzenny napięć między społecznościami a potencjałem środowiska (sustainability tensions patchiness, Zalewski 2019), powodowany w ogromnym zakresie przez dostępność wody, generowany przez pożytki ekologiczne i zapotrzebowanie społeczne. Sytuację komplikują ciągle zmieniające się warunki wodne związane ze zmianami klimatycznymi i w ekosystemach, rozwojem technologii, wzrostem zaludnienia i zmianami gospodarczymi. Wynika z tego silna potrzeba ciągłej oceny oraz adaptacyjnego zarządzania wodą i innymi zasobami środowiskowymi (Adaptive Asessment Management, Holling i Gunderson 1999). Jednak narastająca kompleksowość problemów wymaga nowych metod i nowego podejścia systemowego, tzn. zastąpienia podejścia mechanistyczno-sektorowego przez ewolucyjno-systemowy (Zalewski 2014).

Ryc. I.1.2. Przewidywane zmiany średniej wilgotności gleby (w górnej warstwie, ok. 10 cm) wyrażone w procentach: A – okres 1980–1999, B – okres 2080–2099. Przewidywanie oparte o zestawienie modeli przewidujących, opracowane przez 11 Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) (mod. Dai 2013)

Ryc. I.1.3. Porównanie pojemności globalnego środowiska (carring capacity, CC) w 1970 r., gdy ślad ekologiczny (ecological footprint) wynosił 1, ze śladem obecnym oszacowanym na 1,7. Eksponencjalny wzrost populacji ludzkiej w odniesieniu do pojemności środowiska naturalnego przedstawiony jest wraz z dwoma potencjalnymi scenariuszami. Pozytywny – niebieski – przedstawia stan równowagi dynamicznej potencjału CC i liczebności populacji, który jest możliwy do osiągnięcia przy zwiększaniu potencjału WBSRC. W scenariuszu negatywnym – czerwonym – nasilająca się degradacja biosfery w wyniku eksploatacji zasobów prowadzi do konfliktów i drastycznej redukcji populacji

Zasoby wodne w skali dorzecza są nie tylko wynikiem warunków klimatycznych i geomorfologicznych, lecz także w znacznym stopniu kształtuje je ewolucja biologiczna i sukcesja. Zarówno wąsko wyspecjalizowani uczeni, jak i podejmujący decyzje często do tej pory nie uwzględniają stopnia integralności procesów ekologicznych, takich jak krążenie wody, biogenów, przepływ energii przez ekosystem, oraz tego, jak sukcesja ekologiczna i działalność człowieka ciągle je modyfikują. Powiązania te były zaniedbywane zarówno w badaniach naukowych o środowisku wodnym, jak i w gospodarce wodnej, a w konsekwencji nawet w krajach rozwiniętych decyzje co do gospodarowania zasobami śródlądowymi były podejmowane bez naukowego i empirycznego kontekstu i koncentrowały się tylko na pojedynczych problemach i krótkoterminowych rozwiązaniach. W latach 90. XX wieku w literaturze zaczął pojawiać się termin „zintegrowane zarządzanie jeziorami i zbiornikami wodnymi”, zwiastując początek nowego toku myślenia. Na tym etapie jednak identyfikacja poważnych problemów hydrologicznych i ekologicznych oraz proponowanie nowych rozwiązań na podstawie teorii procesu decyzyjnego, np. bilansu kosztów i korzyści, inwestycje i strategie rozwoju, nie bazowały jeszcze na holistycznym programie działań integrującym hydrologię z ekologią.

Tradycyjne zarządzanie zasobami naturalnymi w dużej mierze polegało na rozwiązaniach inżynieryjnych, koncentrując się na generowaniu usług ekosystemowych (np. produkcji żywności i energii) oraz zapobieganiu skutkom powodzi i suszy. Taka gospodarka zazwyczaj nie uwzględniała znaczenia degradacji struktury biologicznych i funkcji ekosystemów dla pożytków ekologicznych decydujących o jakości życia i zdrowiu. W wielu sytuacjach podejście mechanistyczne doprowadziło do nadmiernego uproszczenia środowiska i przez to obniżenia jego odporności na stres antropogeny, np. przez wyprostowanie cieków wodnych przyspieszano odpływ wody do morza, co powoduje obniżenie poziomu wód gruntowych, wysychanie mokradeł, drastyczną redukcję bioróżnorodności, ale również zmniejsza zdolność do samooczyszczania rzeki i jej potencjał rekreacyjny (ryc. I.1.4–5).

Ryc. I.1.4. Mapa przedstawiająca przewidywane zmiany w niedoborze wody w roku 2050 (w stosunku do stanu z roku 2010). Przewidywanie opracowane na podstawie „scenariusza połowy drogi” (middle-of-the-road scenario), zakładające, że rozwój cywilizacyjny postępuje zgodnie z wcześniejszymi trendami i paradygmatami (rozwój bez zmian w gospodarce, business-as-usual). Za niedobór wody uznawana jest sytuacja, w której całkowity roczny pobór wody stanowi 20–40% całkowitych dostępnych, odnawialnych zasobów wód powierzchniowych. Za poważny niedobór wody uznaje się pobór przekraczający 40% (mod. Burek i in. 2016)

Ryc. I.1.5. Przewidywana zmiana w jakości wody w dużych zlewniach rzecznych w roku 2050 (w odniesieniu do danych z okresu 2000–2005), na podstawie zawartości związków azotu (mod. Veolia/IFPRI 2015)

Z kolei nadmierne pokrycie gruntu powierzchniami nieprzepuszczalnymi w miastach redukuje odtwarzanie zasobów wód podziemnych, przez co powstają leje depresyjne, a silnie zanieczyszczone wody powierzchniowe odpływają bezpośrednio do systemów rzecznych. Ponadto drastycznie zredukowane powierzchnie zieleni i brak wody w krajobrazie miasta obniżają jakość życia i negatywnie wpływają na zdrowie, zwiększając występowanie alergii i astmy wśród mieszkańców.

Powyższe działania, wynikające z wciąż dominującego mechanistycznego paradygmatu zarządzania środowiskiem, nie tylko degradują procesy ekologiczne, lecz także ograniczają stabilizującą rolę ekosystemów dla cyklu hydrologicznego, co z kolei prowadzi do podtopień, pogorszenia jakości wody, zwiększenia wtórnego zanieczyszczeń wody – eutrofizacji, a w konsekwencji do pogorszenia stanu ekologicznego i jakości życia społeczeństwa, co znajduje bezpośrednie przełożenie na spowolnienie zrównoważonego rozwoju.

Epoka wielkich odkryć geograficznych utrwalała paradygmat nieograniczonego potencjału regeneracyjnego, a więc podboju i ujarzmiania przyrody. Konsekwencją tego była intensywna eksploatacja zasobów naturalnych w epoce przemysłowej, która, doprowadzając do degradacji wielu ekosystemów, była również powodem zrodzenia się świadomości potrzeby ochrony przyrody jako przeciwdziałania zbyt intensywnej eksploatacji środowiska naturalnego. Postęp nauk biologicznych, a szczególnie docenienie wartości bioróżnorodności wskazanej w pracach Linneusza (1753), Cuviera (1812), Buffona (1852) i Darwina (1859), wraz z postępem w zrozumieniu czynników determinujących sukcesję ekologiczną i jej dynamikę stworzyły podwaliny dla dziedziny wiedzy obecnie określanej jako odbudowa ekologiczna (restoration ecology). Podejście zakładające odbudowę ekologiczną jest szczególnie istotne przy rekultywacji takich środowisk jak tereny pogórnicze, miejskie lub zdegradowane grunty porolne (ryc. I.1.6).

Ryc. I.1.6. Ewolucja relacji człowieka i biosfery; ekohydrologia jako nauka integrująca wiedzę dla zwiększenia potencjału biosfery przez regulację procesów ekohydologicznych (mod. UNESCO 2012, Zalewski 2014a)

Nowe ewolucyjno-systemowe podejście zaproponowane w tym podręczniku zakłada stałą wymianę wiedzy, doświadczenia i poglądów między naukowcami, przedstawicielami przemysłu, biznesu i osobami publicznymi, systematyzuje i integruje świadomość ludzi w najważniejszych dziedzinach nauki i ekonomii, a także przyczynia się do zwiększania kapitału społecznego, który wg OECD jest obecnie najważniejszym czynnikiem stymulującym zrównoważony rozwój. Do tej pory w dużym stopniu nauką o środowisku kierowały zainteresowania indywidualnych naukowców (curiosity driven science), skupiających się głównie na pojedynczych problemach, czynnikach i elementach środowiska, np. określonych gatunkach, podczas gdy w rzeczywistości środowisko naturalne to niezwykle skomplikowany superorganizm. Dlatego nauka XXI wieku, aby sprostać wyzwaniom antropocenu, mimo postępu specjalizacji niezbędnej dla pogłębiania naszego zrozumienia funkcjonowania biosfery, która z kolei jest podstawą efektywnych działań dla zwiększenia jej potencjału (WBSRC), ma również za zadanie integrację i łączenie wiedzy z różnych dyscyplin. Ponadto, aby rozwiązywać kompleksowo problemy środowiska naturalnego i zrównoważonego rozwoju, nauka musi nie tylko integrować różne dziedziny wiedzy, lecz także zapewnić porozumienie między środowiskiem akademickim a społeczeństwem, co stanowi podstawę rozwiązań systemowych. Zrównoważony, stabilny rozwój socjoekonomiczny, postulowany we wszystkich niemal strategiach i planach ochrony środowiska, jest osiągalny jedynie przez podejście systemowe, którego podstawą jest foresight (Piasecki i Rogut 2007). Umożliwia on nie tylko przewidywanie przyszłości, lecz także opracowanie scenariuszy, dzięki którym można kierować działaniami tak, aby osiągnąć przyszłość, w jakiej chcielibyśmy żyć. Do tej pory analiza systemowa była nastawiona na rozwiązywanie dużych problemów socjotechnologicznych z dziedzin energetyki, zdrowia ludzkiego, polepszania warunków życia i stanu środowiska. Scenariusze podejmowania działań są opracowywane nie tylko przez naukowców, lecz także w porozumieniu z osobami decyzyjnymi w danej dziedzinie. Największą zaletą analiz systemowych jest wprowadzanie obiektywnego spojrzenia na subiektywne procesy podejmowania decyzji oraz równowagi między na pozór rozbieżnymi interesami różnych grup społecznych.

2. Geneza ekohydrologii

Maciej Zalewski

Pilna potrzeba wprowadzenia nowych koncepcji i metod zarządzania zasobami wodnymi była głównym postulatem Międzynarodowej Konferencji na temat Wody i Środowiska (International Conference on Water and Environment, ICWE), która odbyła się w Dublinie w 1992 r. Niewątpliwie inspiracja był raport UNESCO przygotowany przez Sziklomanowa (1998), w którym wskazano postępujący spadek dyspozycyjnych zasobów wodnych oraz zjawisko degradacji rzek i jezior, w warunkach której wiele zasobów wodnych staje się zasobami nieodnawialnymi. W tym samym roku koncepcja zrównoważonego zarządzania oraz zrównoważonego rozwoju była przewodnią myślą Konferencji Narodów Zjednoczonych na temat Środowiska i Rozwoju (United Nations Conference on Environment and Development, UNCED), znanej także jako Szczyt Ziemi w Rio lub Konferencja z Rio. Powtarzającym się wnioskiem z powyższych spotkań i projektów była nieadekwatność ówczesnych rozwiązań w zakresie gospodarki wodnej do osiągnięcia celów zrównoważonego wykorzystania zasobów wodnych oraz potrzeba rozwijania nowych koncepcji i nowych, zintegrowanych rozwiązań.

Ekologia, szczególnie w holistycznej perspektywie Oduma (1970), powinna być postrzegana jako nauka integrująca różne dziedziny nauk przyrodniczych. Jednak pierwsze próby określenia wpływu procesów hydrologicznych na strukturę biologiczną, podejmowane już w latach 70. XX wieku, koncentrowały się głównie na takich aspektach jak: zależność zespołów bezkręgowców od zmian reżimu hydrologicznego rzeki w wyniku podpiętrzeń lub hydrauliki strumienia (Ward i Stanford 1979, Statzner i in. 1988), biomonitoring w oparciu o zespoły, biologia ryb (Penczak 1971, Welcomme 1979). Dopiero w latach 80. podjęto badania zainspirowane pracami Hynesa (1975) dotyczącymi wpływu rzeki i jej doliny na funkcjonalne zależności, w których zlewnia/dorzecze tworzą ramy do analizy procesów takich jak metabolizm tlenowy (Naiman 1983) lub transfer biogenów ze zlewni do systemu rzek i jezior (Hillbricht-Ilkowska 1985, 2001, 2002). Jednak możliwości przewidywania przebiegu procesów ekologicznych, a także ich wpływ na strukturę i produktywność biocenoz, a w konsekwencji aspekty socjoekonomiczne, były jeszcze ograniczone ze względu na brak nie tylko holistycznych modeli wyrażających integralność procesów ekologicznych i ich zależność od czynników abiotycznych i interakcji biotycznych, lecz także dogłębnego zrozumienia zależności ekosystemów od cyklu hydrologicznego i cyklu hydrologicznego od ekosystemów.

Ryc. I.2.1. Geneza ekohydrologii zprezentowana jako wzajemne oddziaływanie między holistycznymi teoriami/koncepcjami a redukcjonistycznymi eksperymentami zwiększającymi zdolność wyjaśniania i przewidywania procesów (mod. Zalewski 2001)

Ważnym przełomem dynamizującym rozwój ekologii i tworzenie podstaw holistycznego podejścia był Międzynarodowy Program Biologiczny UNESCO (International Biological Programme, IBP). W ramach szerokiej współpracy międzynarodowej rozwijane były badania nad procesami ekologicznymi, w których ważną rolę odgrywała energetyka ekologiczna oraz badania nad przepływem energii przez osobnika, populację i ekosystem. Szczególnie istotna była redukcja procesów ekologicznych do praw fizyki – opisanie i kwantyfikacja tych procesów w jednostkach fizycznych (kalorie, dżule) (Grodzinski i in. 1975, Fisher i Likens 1973). Na obecnym etapie rozwoju nauk o środowisku holistyczne spojrzenie i kwantyfikacja procesów ekologicznych, jak również redukcja procesów ekologicznych do praw termodynamiki i hydrologii są podstawą zrozumienia kluczowych mechanizmów regulacyjnych w systemie. Powyższe podejście niewątpliwie przyczyniło się do sformułowaniem fundamentalnych teorii, takich jak teoria kontinuum rzecznego (Vannote i in. 1980), która znacząco rozszerzyła dotychczasową koncepcję strefowości rzeki, lub koncepcja biomanipulacji na podstawie teorii kaskady troficznej (Hrabacek i in. 1961, Brooks i Dodson 1965, Opuszyński 1979, Gliwicz i Pijanowska 1989) (ryc. I.2.1, I.2.2) Idee te zainspirowały sekwencję badań empirycznych, które umożliwiły dalszą integrację wiedzy, a w konsekwencji doprowadziły do sformułowania podstaw ekohydrologii. Ważnym elementem było sformułowanie algorytmu rozwoju ekologii rzek jako permanentnej oscylacji między holistycznymi teoriami i empirycznymi badaniami, które je testowały, falsyfikowały i stanowiły punkt wyjścia dla następnej teorii (Zalewski 2000, Zalewski i Roberts 2006). Stąd rozwój teoretycznych badań i stopniowe rozszerzanie skali od strefowej rzeki (Huet 1954), przez kontinuum rzeczne (River Continuum Concept, RCC), w którym uwzględniana jest rola ekotonów nadbrzeżnych i metabolizmu rzeki (P/R), pulsy hydrologiczne jako determinanty interakcji koryto-terasa zalewowa (Junk i in. 1989), po strefy ekotonowe jako układ buforujący oddziaływania zlewni na rzekę (Naiman i Decamps 1989, Zalewski i in. 1991, Zalewski i in. 2001a), co doprowadziło do przewidzenia konieczności transdyscyplinarnego podejścia integrującego dorzecze: hydrologia/ekosystemy i społeczeństwo/ekohydrologia.

Powyższy algorytm i analiza ewolucji paradygmatów umożliwiły sformułowanie podstawowych tez teorii ekohydrologii:

1) wykorzystania własności i procesów w ekosystemach jako narzędzia w systemowym zlewniowym zarządzaniu środowiskiem,

2) regulacji procesów, a przede wszystkim interakcji woda–biocenozy, do zwiększania wielowymiarowego potencjału zrównoważonego rozwoju zlewni (WBSRC).

Powyższe dwie tezy zostały sformułowane na podstawie koncepcji regulacji czynników abiotycznych i biotycznych (abiotic-biotic regulation concept, ABRC, Zalewski i Naiman 1985, Zalewski i in. 1985), badań empirycznych (Zalewski i in. 1985, 1990ab), a następnie na bazie pierwszych prototypowych ekohydrologicznych rozwiązań systemowych odnoszących się do regulacji fundamentalnych cykli ekologicznych – krążenia wody i biopierwiastków w skali zlewni pod kątem zwiększenia WBSRC (Zalewski i Wagner 2005, Zalewski i in. 2010, Jurczak i in. 2018, Zalewski 2014, Kiedrzyńska i in. 2014b, Izydorczyk i in. 2019) (ryc. I.2.3).

Ryc. I.2.2. Poszczególne etapy rozwoju koncepcji ekohydrologii jako transdyscyplinarnej nauki nastawionej na rozwiązywanie problemów XXI w.

Przypisy

1 www.unesco.org/new/en/natural-sciences/environment/water/wwap/wwdr/2018-nature-based-solutions/