美国家生态观测站建设一波三折

西弗吉尼亚一座50米的塔上的设备将通过测量二氧化碳和水蒸气来监测森林新陈代谢。来源:克里斯·马达罗尼/自然

当小货车在弗吉尼亚州西部的一片森林中沿着土路颠簸行驶时，浓密的灌木丛击中了尸体的两侧。在公共汽车上，生态学家泰·林德伯格喊出了拥挤在道路两旁的入侵物种的名字。这是薇甘菊，绰号“一分钟一英里”，以惊人的速度蔓延。一种一年生开花植物，叫做亚洲高跷草，覆盖地面，杀死当地植物。与此同时，一朵异常多刺的玫瑰会抓伤任何靠近它的人的衣服。

再往前，林德伯格把车停在灌木丛中的一块空地上，然后自己穿过灌木丛，走向伸出地面的塑料和铝堆。他们划出了一块40米乘40米的土地，这是分布在弗兰特皇家镇附近1300公顷森林和草原上的几十块土地之一。从4月到10月，田间技术人员每天都花时间记录小区中几乎每棵树的位置、直径和高度，收集“陷阱”中的落叶，并归档被抑制的入侵植物。他们的主要目标是测量生态系统的新陈代谢，尤其是它每年能产生多少生物量。

在其他地方，技术人员诱捕啮齿动物，并采集血液样本来检测疾病，包括可能传染给人类的疾病。工作人员收集并储存蜱和甲虫，还收集土壤样本来研究地下细菌。在更高的山上，一座50米高的金属塔从森林中伸出，上面覆盖着装有传感器的长吊杆。这些传感器可以监测不同海拔高度的温度、风速和太阳辐射。当2016年最终仪器“套件”完全安装好后，该塔将通过监测二氧化碳和水蒸气浓度的上升和下降来观察下面的森林。

这是计划中的NEON 80网络中的80多个站点之一。霓虹是一个耗资4.34亿美元的项目，目的是在美国建立生态观测站。它的目标非常宏伟。如果一切顺利，NEON将记录气候变化和土地使用对生态系统的影响，并为科学家提供该国生态系统关键特征的近实时测量。许多工厂将运营30年，而其他工厂将被关闭并定期搬迁以应对环境变化。收集的数据将通过门户网站免费提供给所有人。

霓虹灯的起源

早在2000年，新墨西哥大学的生态学家斯科特·柯林斯是美国国家科学基金会(NSF)成员——霓虹的第一个项目负责人。他介绍说，建立一个大规模生态观测站的想法源于国家自然科学基金的工作人员，他们试图为生物学家找到办法，从该组织的大量科学基金中获得一部分，即主要研究设备和设施的建设预算。“这让我们从一开始就处于非常不同的位置，因为这不是科学界和直言不讳的生态学家想要的。”柯林斯说。

尽管研究人员没有创造这个项目，但他们很快就接受了这个想法，并率先设计了NEON。密歇根州立大学凯洛格生物站主任、现任美国国家科学基金会生物科学咨询委员会主席凯瑟琳·格罗斯说，研讨会鼓励与会者拥有远大的梦想。

在2000年至2002年的六次研讨会期间，生态学家制定了一项计划，建立一个灵活的观测站和实验中心网络，分布在至少10个地点。然而，科学家们对于国家自然科学基金是否应该为每个地点指定研究主题或者允许生态学家选择他们自己关心的问题存在分歧。

在2002年向国会提交的预算申请中，国家科学基金会申请了1200万美元来设计和建造两个标准的氖站点。然而，国会拒绝了这一请求，理由是缺乏项目信息和支出估计不足。

当时，美国生态学家为NEON设计的最佳模型是长期生态研究网络，在该网络中，一组研究人员连续5年或更长时间研究特定地块的生态，然后获得每个地点特有的一系列观察结果。然而，NEON的领导者们最终选择了“一刀切”的方法——整个网络都有标准的建设项目和设备来研究包括生物多样性和气候变化在内的紧迫问题。与此同时，一组专家建议，国家科学基金会应该将NEON发展成一个由实体管理的全国性网络，而不是让项目负责人为一个单独的观测站制定研究计划。

在国会要求继续改进NEON的想法的鼓舞下，国家科学基金会在2004年初发出了征集提案的号召。这项耗资600万美元的设计NEON的项目已经接触到了美国生物科学研究所的一些成员。这是一个参与项目早期规划的非营利组织。一年多后，2005年12月，主要设计师成立了霓虹公司。

在接下来的几年里，NEON的结构逐渐成型。该网络将美国分为20个地区，每个地区都有几个配备有仪器和样本收集协议的站点。

感觉被忽视

然而，当谈到选择在哪里建立网站以及如何最好地衡量它时，一些生态学家觉得他们的经验被忽视了。科罗拉多州立大学的土壤科学家、NEON的临时首席执行官吉恩·凯利说，强调每个地方的相同测量参数意味着NEON不得不牺牲每个地点的优化计划。“真正解决这个问题的唯一方法是将其标准化，但这样做会有所损失。”

Kelly说，在做出这些决定后，包括他在内的许多生态学家不再密切关注项目的进展，部分原因是NEON不再向他们寻求建议。

尽管失去了生态社区的一些参与，国家自然科学基金在2009年批准了NEON的最终设计，而国会在2011年7月分配了建设资金。该网络将包括17，000个传感器，在近100个站点测量从土壤湿度到河流酸碱度的数百个变量。在每个地点，技术人员将收集一组生物样本，包括许多生物的基因组数据以及昆虫和小型哺乳动物的完整标本。结果将成为一系列标准的生态数据，从而使科学家能够比较和观察生态系统的变化，并做出生态预测。

全球覆盖

随着资金开始流向个人研究人员，人们的兴趣越来越大。去年9月，国家科学基金会向对氖数据感兴趣的研究人员和研讨会组织者提供了480万美元。蒙大拿大学的生物气候学家阿什·巴兰坦获得了3万美元，用于研究干旱、火灾和害虫对碳循环的影响。他计划研究干旱或其他干扰因素如何使森林易受甲虫灾害或火灾的影响。

与此同时，一些科学家已经在全球范围内进行思考，并通过操作他们自己的分布式网络获得了宝贵的经验。全球湖泊生态观测站的网站创建于2005年。它结合了全球研究团队，监测人类对湖泊生态系统的影响。营养网络(NutNet)将连接六大洲进行了一系列标准测试的研究人员。他们分析了草地植物的生产力是如何受到磷和氮的限制的，磷和氮是化石燃料燃烧的两种副产品。旨在研究植物种群和干旱的其他网络已经涌现。

这些项目的范围比NEON小，因此给了研究人员更多的控制权。由于只有少数人有权决定如何进行实验或收集数据，像NutNet这样的项目可以保持对科学的密切关注。"氖很难做到这一点，因为整个生态社区都有发言权."明尼苏达大学的生态学家和NutNet的成员Elizabeth Borer说。

当未来几年数据开始从西弗吉尼亚的林德伯格这样的网站涌入时，或许NEON早期的挣扎将会消退。去年年底的一个寒冷的日子，林德伯格站在周围森林中一座几乎完工的观察塔下。在附近的船舱里，几十个箱子装满了传感器和电子设备，等待安装在塔上。虽然这里和美国其他地方的建筑工程需要恢复，但林德伯格相信，只要研究人员欢迎，这个项目最终会成功。(宗华)

《中国科学报》(2016-025，第三版国际版)

阅读更多

《自然》杂志的相关报道