將城市作為生態系統來研究

方陵生/編譯

“我們的目標是了解一座大城市的生態運行機制” ——內森·菲利普斯

●生態學家目前正在致力于探索世界城市中人類、建筑物、野生動物與城市生活環境之間是如何相互作用與影響的……如果世界各國都能行動起來，這類研究對于減少溫室氣體污染將產生至關重要的影響，因為城市占全球能源使用產生二氧化碳排放量的近三分之二。

內森·菲利普斯（Nathan Phillips）在波士頓第二高樓保誠大廈的天臺上，俯瞰著下面鱗次櫛比的城市建筑，站立在樓頂高處，颯颯風聲取代了刺耳的汽車喇叭聲、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。對此，作為馬薩諸塞州波士頓大學生態學家的菲利普斯認為，屋頂“擁有一個與城市其余地方完全不同的大氣環境。”

正是清新的空氣吸引著菲利普斯，他在大廈天臺的四個角落安置了四個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部的存儲罐中，利用計算機對空氣樣本中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷和水蒸汽的含量進行分析。

顯微鏡下的城市生態

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

利用這幾個空氣采集點的數據，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情況的模型，并比對研究城市中的混合空氣與農村地區的空氣有何不同。這項工作是一個跨學科研究項目的一部分：波士頓生態環境“新陳代謝”研究項目——自然系統與人類系統之間的元素是如何進行交換的。目前，菲利普斯團隊主要關注的是大氣中的碳，特別是二氧化碳和甲烷。下一步他們將計劃研究城市土壤和水中的碳，并跟蹤水、氮和污染物的流動情況。“我們的目標是要了解一座大城市的生態運行機制，”菲利普斯說道。

菲利普斯團隊的工作是正在崛起的城市生態研究的一部分。如今，科學家將城市作為生態系統的一部分來研究。過去，人造元素和自然元素是分開進行研究的，但現在城市生態學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物棲息地環境等。

以生態學的角度研究這些相互關系，可以改善城市地區人類居住環境以及自然生態系統，菲利普斯說道：“城市科學研究應在城市可持續發展方面取得實際的效益。”隨著城市推進節能減排、改善棲息地環境等努力，科學家們開始評估這些舉措將如何對城市整體環境健康產生影響，這方面研究的需求正在日增。“我們需要科學來幫助了解如何更好地實現這些目標，”位于紐約州米爾布魯克的卡里生態系統研究所的生態學家斯圖沃德·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，無數噸位的土壤和一個野生動物網，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，這使得城市生態相互間的關系變得更為復雜。例如，市區的樹木不僅受到土壤污染和來自瀝青加熱的影響，而且還受到水務政策和景觀規劃的影響。又如，樹木綠化可以為人們提供清涼的蔭蔽，但也可能阻擋了風將污染物吹走。要研究這些不同的因素，需要綜合生物學、物理學和社會學等多學科的研究成果。

城市生態研究方興未艾

2009年，美國國家科學基金會（NSF）和美國林務局提供600萬美元資助21個推動城市生態研究的項目，其中包括菲利普斯的有直接針對性的解決城市環境問題項目。許多科學家認為，資金上的資助是對“城市長期研究探索”（ULTRA-EX）計劃的認可，在推進城市生態研究方面走出了第一步。

NSF自20世紀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立了長期生態研究（LTER）試點之后，就開始嘗試資助城市生態研究。但是，這樣的傳統并不多見。從今年的8 000多項生態研究分析中發現，其中只有4%被評估為人口稠密區，盡管NSF和部分生態學家呼吁就城市人口對環境的影響展開更多的調查分析。“城市生態科學研究和數據的需求之多令人驚訝。”參加了巴爾的摩LTER項目的林務研究人員摩根·格洛夫（Morgan Grove）說道。

有時，研究結果并不是市政規劃決策者希望聽到的，例如，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的 ULTRA-EX小組，對在城市種植100萬棵樹的計劃提出了一些問題。原因在于，一些業主因維修費用，以及擔心樹木造成視線阻擋而導致更多犯罪等顧慮不愿在沿街植樹，領導這項研究的UCLA土地利用研究員斯蒂芬妮·平塞特（Stephanie Pincetl）說道。因為不同的樹木對水的需求，以及能提供多少綠蔭都有所不同，在缺水地區種植某些樹種可能會增加灌溉用水的負擔。

在俄亥俄州的克利夫蘭，另一個ULTRA-EX項目正在研究將空地轉變為都市農場可能產生的影響，這一措施將帶來類似于壓縮城市人口數量的益處，預計每年可節省高達數百萬美元的城市維護費用，領導該項目的克利夫蘭州立大學生態學家邁克爾·沃爾頓（Michael Walton）說道。

俄亥俄州立大學伍斯特分校的研究人員對空地土壤中的污染物、營養物質和食物網絡進行分析后發現，這些地塊一般適合種植農作物。而另一些研究表明，這些地塊適合建立花園，并隨著時間的推移，還會產生有利于城市健康的殺蟲微生物和螞蟻群體。這些都表明，都市農業并不一定會導致城市增加農藥的使用量。這樣的研究正在變得越來越普遍，一些組織，如斯德哥爾摩社會生態系統應變及發展研究中心（Stockholm Resilience.Centre）正致力于研究城市社會和生態之間的相互作用。

波士頓作為城市生態研究的中心，有兩個ULTRA-EX項目正在聯手進行。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的生態學家佩奇·沃倫 （Paige Warren）領導的研究小組則評估城市植被如何對整個波士頓的空氣質量、人和野生動物產生影響。“其結果是可預見的，但我們的研究目前還不充分。”沃倫說道。

菲利普斯團隊與哈佛大學的大氣科學家史蒂文·沃夫西（Steven Wofsy）合作建立模型，模擬了整個城市的二氧化碳移動情況，除了在屋頂進行測量之外，研究人員還駕駛配備了空氣取樣裝置的汽車環游波士頓城區，收集街道上二氧化碳的高分辨率數據。他們還研究了二氧化碳水平和建筑物陰影遮擋對植物產生的影響，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起來，這類研究對于減少溫室氣體污染將產生至關重要的影響。因為城市占全球能源使用產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交通、建筑和工業總的排放量的估算，但這樣的估算也有很大的不確定性。

公路運輸曾被認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為占了40%，波士頓大學ULTRA-EX項目的領導者之一、環境科學家露西·胡蒂拉（Lucy Hutyra）說道。隨著城市開始更加認真地實施碳監管措施，“我們需要一個透明的、強大的、經得起核查的二氧化碳排放量報告，”她說。否則，各個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，實驗數據顯示，城市核心區域的交通排放量水平高于之前的一些估計。

菲利普斯和胡蒂拉還對地下天然氣管道的泄漏情況進行了調查，迄今已經發現了3 000多處泄漏點，他們的目的是要對天然氣泄漏增加的溫室氣體排放量，以及對附近植物和土壤產生的影響進行量化分析。菲利普斯說道，天然氣中的甲烷會消耗土壤中的氧氣，導致植物根系腐爛。

目前尚不清楚ULTRA-EX各實驗點是否能獲得擴大研究計劃的資金，據NSF項目經理湯姆·貝瓦爾德（Tom Baerwald）稱，擴大計劃估計耗資將達每年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，因為他在保誠大廈頂上的研究項目即將完成。他的實驗數據顯示，波士頓二氧化碳的含量在光合作用較強的夏天平均為388 ppm，而冬季則為413 ppm。今年8月，屋頂上微風吹來的新鮮空氣中，二氧化碳的濃度已降至379 ppm，菲利普斯說道：“這個數值可能相當于夏威夷當前的數值。”