作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2016/1/25 10:11:35
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一项4亿美元的测试
美国家生态观测站建设一波三折

弗吉尼亚州西部一座50米高塔架上的设备将通过测定二氧化碳和水蒸气监控森林的新陈代谢。图片来源:Chris Maddaloni/Nature

当小货车沿着美国弗吉尼亚州西部一片森林中的土路颠簸前行时,茂密的灌木丛击打着车身两侧。车上,生态学家Ty Lindberg大声叫着挤在路两边的入侵物种的名字。这是绰号“一分钟一英里”、以惊人速度扩散的薇甘菊。一种被称为亚洲高跷草的一年生开花植物则铺满了地面,并且扼杀了当地植物。同时,一种异常多刺的玫瑰会将靠近它的任何人的衣服刮破。

再往前走,Lindberg将车停在矮树丛中的空地上,然后自己穿过灌木,朝伸出地面的塑料和铝桩走去。它们划出一个40米×40米的地块,而这是散布在弗兰特罗亚尔镇附近1300公顷森林和草地上的几十个地块中的一个。从4月到10月,野外技术人员每天花时间记录地块中几乎每棵树的位置、直径和高度,收集“陷阱”中的落叶,并且将压制的入侵植物存档。他们的主要目标是测定生态系统的新陈代谢,尤其是其每年能产生多少生物质。

在其他地块,技术人员会诱捕啮齿类动物,并且提取血液样本以检测疾病,包括那些可能传染给人类的疾病。工作人员收集并储存蜱虫和甲虫,同时采集土壤样本,用于研究地下的细菌。在更高的山上,一座50米高的金属塔架从树林中伸出,上面布满了持有传感器的长吊杆。这些传感器能监控不同海拔的气温、风速和太阳辐射。当最终的仪器“套装”在2016年被全部安装上时,这座塔架将通过监控二氧化碳和水蒸气浓度如何升降,观测底下的这片森林。

这是规划的美国国家生态观测站网络(NEON)80多个站点中的一个。NEON是一个耗资4.34亿美元的项目,旨在建造跨越全美的生态观测站。它的目标很宏大。如果一切进展顺利,NEON将记录下气候变化和土地使用对生态系统造成的影响,并且为科学家提供针对该国生态系统关键特征的近乎实时的测量结果。很多站点将运行30年,其他的则会被定期关停并重新选址,以应对环境变化。收集的数据将通过一个门户网站对所有人免费开放。

NEON的由来

回到2000年,新墨西哥大学生态学家Scott Collins是美国国家科学基金会(NSF)所属NEON的首个项目负责人。他介绍说,建造大型生态观测站的想法源自试图为生物学家寻求方法从该机构大科学资金,即重大研究设备和设施建设预算中分一杯羹的NSF工作人员。“这从一开始便将我们置于一个大不相同的地位,因为它并不是科学界和直言不讳的生态学家们想要的东西。”Collins说。

尽管研究人员并未创造该项目,但他们很快对这一想法表示欢迎,并且带头构思NEON的设计。密歇根州立大学凯洛格生物站站长、NSF生物科学咨询委员会现任主席Katherine Gross介绍说,在研讨会上,与会者被鼓励要有远大的梦想。

在2000~2002年的6次研讨会上,生态学家制定了一份计划,即建造由至少分散在10个站点的观测站和实验中心组成的灵活网络。不过,科学家就NSF应为每个站点指定研究主题还是允许生态学家选择自己的关注点产生了分歧。

在递交给国会的2002年预算请求中,NSF要求获得1200万美元,以设计和建造两个标准的NEON站点。不过,国会拒绝了这一请求,理由是缺少项目信息并且未对开支进行充分预估。

当时,美国生态学家为NEON设计的最好模型是长期生态研究网络,即一群研究人员在连续5年或更长时间里研究某个特定地块的生态学,然后获得每个站点特有的一系列观测结果。不过,NEON领导者最终选定了“一刀切”的方式——整个网络拥有标准的建设方案和设备,以研究包括生物多样化和气候变化在内的紧迫问题。同时,一个专家组建议,NSF应将NEON发展成由一个实体管理的全国性网络,而不是让项目负责人为单个观测站制定研究方案。

受到国会要求继续改进NEON想法的鼓励,NSF在2004年年初发布了一份征集提案的呼吁。设计NEON的600万美元项目到了美国生物科学研究所一些成员的手上。这是一个参与了该项目早期规划的非营利性机构。一年多以后的2005年12月,主要设计人员创建了NEON公司。

接下来的几年里,NEON的结构逐渐成形。该网络将美国分成20个区域,其中每个区域拥有若干配备了仪器和样本采集协议的站点。

感觉被忽视

然而,当涉及选择何处建造站点以及如何最好地进行测量时,一些生态学家感觉他们的经验遭到无视。科罗拉多州立大学土壤学家、NEON公司临时首席执行官Gene Kelly表示,强调每个地方的测定参数相同意味着NEON不得不牺牲为每个站点制定的最优化方案。“真正解决该问题的唯一出路在于使其标准化,但这么做会失去一些东西。”

Kelly说,在这些决定作出后,包括他在内的很多生态学家停止密切关注该项目进展,部分原因在于NEON公司停止了向他们寻求建议。

尽管失去了生态学界的一些参与,NSF还是在2009年批准了NEON的最终设计方案,国会则在2011年7月拨付了建设经费。该网络将包含1.7万个传感器,在近100个站点测量从土壤水分到河流pH的上百个变量。在每个站点里,技术人员会采集一套生物学样本,包括来自很多生物体的基因组数据以及昆虫和小型哺乳动物的整体标本。测定结果将成为一系列标准的生态学数据,从而使科学家得以比较和观察生态系统的变化,并作出生态预测。

全球性覆盖

随着经费开始流向科研人员个人,兴趣也在日益增长。去年9月,NSF向对NEON数据感兴趣的研究人员和研讨会组织者提供了480万美元的经费。蒙大拿大学生物气候学家Ash Ballantyne收到3万美元,以研究干旱、火灾和虫害对碳循环造成的影响。他计划研究干旱或其他干扰因素如何使森林容易发生甲虫灾害或火灾。

与此同时,一些科学家通过运营自己的分布式网络,在全球尺度上进行思考并获得了宝贵的经验。全球湖泊生态观测站网站始建于2005年,它将监控人类对湖泊生态系统影响的全球研究团队结合在一起。营养网络(NutNet)则将开展一系列标准试验的6大洲研究人员联系起来。他们分析的是草原上的植物生产力如何受到化石燃料燃烧的两种副产品——磷和氮的限制。旨在研究植物种群和干旱的其他网络也如雨后春笋般出现。

这些项目在范围上比NEON小,从而赋予研究人员更多的控制权。由于在决定如何开展试验或采集数据上只有少数人有权发言,诸如NutNet等项目才能维持对科学的密切关注。“NEON很难做到这一点,因为整个生态学界都享有发言权。”明尼苏达大学生态学家、NutNet成员Elizabeth Borer表示。

或许,当接下来几年间数据开始从诸如Lindberg在弗吉尼亚州西部管理的站点涌来时,NEON早期的挣扎将会消退。在去年年底寒冷的一天,Lindberg站在矗立于周围森林中的近乎完工的观测塔下面。附近的小屋内,几十个箱子里装着等待被安装到塔上的传感器和电子设备。尽管这里和全美其他站点的建设工作有待恢复,但Lindberg认为,项目最终会取得成功,只要研究人员欢迎它。(宗华)

《中国科学报》 (2016-01-25 第3版 国际)
 
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