將城市作為生態(tài)系統(tǒng)來研究

方陵生/編譯

“我們的目標(biāo)是了解一座大城市的生態(tài)運(yùn)行機(jī)制” ——內(nèi)森·菲利普斯

●生態(tài)學(xué)家目前正在致力于探索世界城市中人類、建筑物、野生動(dòng)物與城市生活環(huán)境之間是如何相互作用與影響的……如果世界各國都能行動(dòng)起來，這類研究對(duì)于減少溫室氣體污染將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因?yàn)槌鞘姓既蚰茉词褂卯a(chǎn)生二氧化碳排放量的近三分之二。

內(nèi)森·菲利普斯（Nathan Phillips）在波士頓第二高樓保誠大廈的天臺(tái)上，俯瞰著下面鱗次櫛比的城市建筑，站立在樓頂高處，颯颯風(fēng)聲取代了刺耳的汽車?yán)嚷?、尖利的剎車聲和街道上雜亂的話語聲，純凈的空氣中不含一絲讓城市人皺眉的刺鼻氣味。對(duì)此，作為馬薩諸塞州波士頓大學(xué)生態(tài)學(xué)家的菲利普斯認(rèn)為，屋頂“擁有一個(gè)與城市其余地方完全不同的大氣環(huán)境。”

正是清新的空氣吸引著菲利普斯，他在大廈天臺(tái)的四個(gè)角落安置了四個(gè)書本大小的空氣收集裝置，將從城市上空吹過的純凈空氣通過管道輸送到建筑物內(nèi)部的存儲(chǔ)罐中，利用計(jì)算機(jī)對(duì)空氣樣本中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷和水蒸汽的含量進(jìn)行分析。

顯微鏡下的城市生態(tài)

像大多數(shù)城市一樣，波士頓上空混合著各種氣體，就像一個(gè)巨大穹頂覆蓋著整個(gè)城市。根據(jù)不同的天氣情況，保誠大廈的天臺(tái)有時(shí)在城市空氣的籠罩之內(nèi)，有時(shí)又隔絕于城市空氣之外。從這里，菲利普斯遠(yuǎn)眺設(shè)置在城市周圍，向西70英里處，以及城市污染帶之外的綠色山丘處的三個(gè)空氣采集點(diǎn)。

利用這幾個(gè)空氣采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，菲利普斯及其同事建立了二氧化碳和其他氣體在城市中流動(dòng)情況的模型，并比對(duì)研究城市中的混合空氣與農(nóng)村地區(qū)的空氣有何不同。這項(xiàng)工作是一個(gè)跨學(xué)科研究項(xiàng)目的一部分：波士頓生態(tài)環(huán)境“新陳代謝”研究項(xiàng)目——自然系統(tǒng)與人類系統(tǒng)之間的元素是如何進(jìn)行交換的。目前，菲利普斯團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注的是大氣中的碳，特別是二氧化碳和甲烷。下一步他們將計(jì)劃研究城市土壤和水中的碳，并跟蹤水、氮和污染物的流動(dòng)情況?！拔覀兊哪繕?biāo)是要了解一座大城市的生態(tài)運(yùn)行機(jī)制，”菲利普斯說道。

菲利普斯團(tuán)隊(duì)的工作是正在崛起的城市生態(tài)研究的一部分。如今，科學(xué)家將城市作為生態(tài)系統(tǒng)的一部分來研究。過去，人造元素和自然元素是分開進(jìn)行研究的，但現(xiàn)在城市生態(tài)學(xué)家正在尋求了解它們之間的相互作用。比如，熱量和高二氧化碳水平是如何促進(jìn)植物生長，樹木綠蔭如何讓城市降溫，以及城市綠地如何改善動(dòng)物棲息地環(huán)境等。

以生態(tài)學(xué)的角度研究這些相互關(guān)系，可以改善城市地區(qū)人類居住環(huán)境以及自然生態(tài)系統(tǒng)，菲利普斯說道：“城市科學(xué)研究應(yīng)在城市可持續(xù)發(fā)展方面取得實(shí)際的效益?！彪S著城市推進(jìn)節(jié)能減排、改善棲息地環(huán)境等努力，科學(xué)家們開始評(píng)估這些舉措將如何對(duì)城市整體環(huán)境健康產(chǎn)生影響，這方面研究的需求正在日增?！拔覀冃枰茖W(xué)來幫助了解如何更好地實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，”位于紐約州米爾布魯克的卡里生態(tài)系統(tǒng)研究所的生態(tài)學(xué)家斯圖沃德·皮克特（Steward Pickett）說道。

從保誠大廈樓頂往下俯瞰，波士頓城里到處都是高大的建筑物，川流不息的車流，四通八達(dá)的道路以及熙熙攘攘的人群。可是，在這座大都市中，還擁有將近200萬棵樹木，無數(shù)噸位的土壤和一個(gè)野生動(dòng)物網(wǎng)，其中包括大鼠、郊狼、鹿和100多種鳥類，偶爾還有熊或麋鹿出沒在城郊地區(qū)，這使得城市生態(tài)相互間的關(guān)系變得更為復(fù)雜。例如，市區(qū)的樹木不僅受到土壤污染和來自瀝青加熱的影響，而且還受到水務(wù)政策和景觀規(guī)劃的影響。又如，樹木綠化可以為人們提供清涼的蔭蔽，但也可能阻擋了風(fēng)將污染物吹走。要研究這些不同的因素，需要綜合生物學(xué)、物理學(xué)和社會(huì)學(xué)等多學(xué)科的研究成果。

城市生態(tài)研究方興未艾

2009年，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和美國林務(wù)局提供600萬美元資助21個(gè)推動(dòng)城市生態(tài)研究的項(xiàng)目，其中包括菲利普斯的有直接針對(duì)性的解決城市環(huán)境問題項(xiàng)目。許多科學(xué)家認(rèn)為，資金上的資助是對(duì)“城市長期研究探索”（ULTRA-EX）計(jì)劃的認(rèn)可，在推進(jìn)城市生態(tài)研究方面走出了第一步。

NSF自20世紀(jì)90年代后期在亞利桑那州菲尼克斯和馬里蘭州巴爾的摩設(shè)立了長期生態(tài)研究（LTER）試點(diǎn)之后，就開始嘗試資助城市生態(tài)研究。但是，這樣的傳統(tǒng)并不多見。從今年的8 000多項(xiàng)生態(tài)研究分析中發(fā)現(xiàn)，其中只有4%被評(píng)估為人口稠密區(qū)，盡管NSF和部分生態(tài)學(xué)家呼吁就城市人口對(duì)環(huán)境的影響展開更多的調(diào)查分析?！俺鞘猩鷳B(tài)科學(xué)研究和數(shù)據(jù)的需求之多令人驚訝?！眳⒓恿税蜖柕哪TER項(xiàng)目的林務(wù)研究人員摩根·格洛夫（Morgan Grove）說道。

有時(shí)，研究結(jié)果并不是市政規(guī)劃決策者希望聽到的，例如，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的 ULTRA-EX小組，對(duì)在城市種植100萬棵樹的計(jì)劃提出了一些問題。原因在于，一些業(yè)主因維修費(fèi)用，以及擔(dān)心樹木造成視線阻擋而導(dǎo)致更多犯罪等顧慮不愿在沿街植樹，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的UCLA土地利用研究員斯蒂芬妮·平塞特（Stephanie Pincetl）說道。因?yàn)椴煌臉淠緦?duì)水的需求，以及能提供多少綠蔭都有所不同，在缺水地區(qū)種植某些樹種可能會(huì)增加灌溉用水的負(fù)擔(dān)。

在俄亥俄州的克利夫蘭，另一個(gè)ULTRA-EX項(xiàng)目正在研究將空地轉(zhuǎn)變?yōu)槎际修r(nóng)場可能產(chǎn)生的影響，這一措施將帶來類似于壓縮城市人口數(shù)量的益處，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省高達(dá)數(shù)百萬美元的城市維護(hù)費(fèi)用，領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的克利夫蘭州立大學(xué)生態(tài)學(xué)家邁克爾·沃爾頓（Michael Walton）說道。

俄亥俄州立大學(xué)伍斯特分校的研究人員對(duì)空地土壤中的污染物、營養(yǎng)物質(zhì)和食物網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，這些地塊一般適合種植農(nóng)作物。而另一些研究表明，這些地塊適合建立花園，并隨著時(shí)間的推移，還會(huì)產(chǎn)生有利于城市健康的殺蟲微生物和螞蟻群體。這些都表明，都市農(nóng)業(yè)并不一定會(huì)導(dǎo)致城市增加農(nóng)藥的使用量。這樣的研究正在變得越來越普遍，一些組織，如斯德哥爾摩社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)變及發(fā)展研究中心（Stockholm Resilience.Centre）正致力于研究城市社會(huì)和生態(tài)之間的相互作用。

波士頓作為城市生態(tài)研究的中心，有兩個(gè)ULTRA-EX項(xiàng)目正在聯(lián)手進(jìn)行。菲利普斯主要研究城市空氣中各種氣體的代謝情況，馬薩諸塞州阿姆赫斯特大學(xué)的生態(tài)學(xué)家佩奇·沃倫 （Paige Warren）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組則評(píng)估城市植被如何對(duì)整個(gè)波士頓的空氣質(zhì)量、人和野生動(dòng)物產(chǎn)生影響?！捌浣Y(jié)果是可預(yù)見的，但我們的研究目前還不充分?！蔽謧愓f道。

菲利普斯團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)的大氣科學(xué)家史蒂文·沃夫西（Steven Wofsy）合作建立模型，模擬了整個(gè)城市的二氧化碳移動(dòng)情況，除了在屋頂進(jìn)行測量之外，研究人員還駕駛配備了空氣取樣裝置的汽車環(huán)游波士頓城區(qū)，收集街道上二氧化碳的高分辨率數(shù)據(jù)。他們還研究了二氧化碳水平和建筑物陰影遮擋對(duì)植物產(chǎn)生的影響，以及樹木又是如何吸收二氧化碳并給建筑物降溫。

讓城市的呼吸更健康

如果世界各國都能行動(dòng)起來，這類研究對(duì)于減少溫室氣體污染將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。因?yàn)槌鞘姓既蚰茉词褂卯a(chǎn)生二氧化碳排放量的三分之二。我們已知的城市整體碳排放量來自于對(duì)交通、建筑和工業(yè)總的排放量的估算，但這樣的估算也有很大的不確定性。

公路運(yùn)輸曾被認(rèn)為占約三分之一的美國的溫室氣體排放量，但另一較為可靠的估算認(rèn)為占了40%，波士頓大學(xué)ULTRA-EX項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者之一、環(huán)境科學(xué)家露西·胡蒂拉（Lucy Hutyra）說道。隨著城市開始更加認(rèn)真地實(shí)施碳監(jiān)管措施，“我們需要一個(gè)透明的、強(qiáng)大的、經(jīng)得起核查的二氧化碳排放量報(bào)告，”她說。否則，各個(gè)城市將無法跟蹤了解這類措施究竟是成功還是失敗。

研究人員借助波士頓二氧化碳濃度大氣模型完成了首次分析。令他們驚訝的是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，城市核心區(qū)域的交通排放量水平高于之前的一些估計(jì)。

菲利普斯和胡蒂拉還對(duì)地下天然氣管道的泄漏情況進(jìn)行了調(diào)查，迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3 000多處泄漏點(diǎn)，他們的目的是要對(duì)天然氣泄漏增加的溫室氣體排放量，以及對(duì)附近植物和土壤產(chǎn)生的影響進(jìn)行量化分析。菲利普斯說道，天然氣中的甲烷會(huì)消耗土壤中的氧氣，導(dǎo)致植物根系腐爛。

目前尚不清楚ULTRA-EX各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)是否能獲得擴(kuò)大研究計(jì)劃的資金，據(jù)NSF項(xiàng)目經(jīng)理湯姆·貝瓦爾德（Tom Baerwald）稱，擴(kuò)大計(jì)劃估計(jì)耗資將達(dá)每年100萬美元。

至于菲利普斯，未來的資金不是他首要考慮的問題，因?yàn)樗诒Ｕ\大廈頂上的研究項(xiàng)目即將完成。他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，波士頓二氧化碳的含量在光合作用較強(qiáng)的夏天平均為388 ppm，而冬季則為413 ppm。今年8月，屋頂上微風(fēng)吹來的新鮮空氣中，二氧化碳的濃度已降至379 ppm，菲利普斯說道：“這個(gè)數(shù)值可能相當(dāng)于夏威夷當(dāng)前的數(shù)值。”