全面了解生物多樣性

編譯 劉迪一

珍妮·卡文德-巴雷斯（Jeannine Cavender-Bares）手上的泥土見證了她科學生涯的開端。珍妮十幾歲時幫助自己的生物學家父親深入探索佛羅里達橡樹林的落葉層，進行黏菌的多樣性編目。這些原生生物以聯合形成遍布整個景觀的難看斑點而聞名。不過真正令她著迷的是頭頂的橡樹，而成為其高中科技展參賽作品和研究生階段工作重點的也是橡樹。

珍妮在美國東南部的森林里種植橡子以研究當地條件如何影響不同橡樹樹種的光合作用和生長。她凍結幼苗的莖，研究它們如何將水分輸送至葉子；她還爬上林冠測量成熟樹木釋放的氣體。

現在的卡文德-巴雷斯成了明尼蘇達大學雙城分校的植物生態學家。她設計出一些方法用于將森林上空的光譜儀（裝載于飛機或衛星上）的測量數據轉化為關于森林健康和恢復力的知識。她和同事發現，通過這種方式捕捉到的光包含著諸如光合作用水平、樹木的遺傳多樣性，甚至它們生長的土壤里的微生物群落等信息。

這種遙感方法不僅徹底改變了卡文德-巴雷斯等科學家研究生態系統的方式，還有望成為保護生態系統的新工具。在過去的一年間，眾多科學家聯合，共同修訂了《生物多樣性公約》。隨著動植物物種的滅絕速度加快，一些研究人員表示自然保護工作應轉向遙感，接近于實時地監測全球大片地區的生物多樣性，并幫助決策者確定最高優先級領域。

回顧歷史，研究人員通常必須親自奔赴叢林、沙漠和山頂開展工作。但由于氣候變化、人類活動和其他因素，物種分布和豐度的變化速度超過了地面調查所能追蹤的限度。而遙感技術為在全球范圍內進行更快、更標準化的監測提供了可能。美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室的科學家大衛·席梅爾（David Schimel）表示：“在過去十年間，技術領域發生了革命，我們能從太空視角表征生態系統了。”

研究人員才剛開始弄清楚遙感可以做什么和不能做什么，以及如何將其納入自然保護工作。席梅爾和其他人就看到了通過從高空獲取的更全面的生態系統健康圖景來補充地面測量的極大可能性。“我們希望改變生物學研究的方式。”

20世紀90年代開發的光譜技術（上圖）升級了遙感技術，并啟發了卡文德-巴雷斯等生態學家利用光來更好地了解植物和生態系統（下圖）

在訪問巴黎第十一大學電磁輻射使用實驗室（LURE）期間，卡文德-巴雷斯了解到，反射光或輻射光可提示森林健康情況。大約40年前，植物生理學家讓-瑪麗·布賴恩泰斯（Jean-Marie Briantais）和同事在LURE實驗室的研究表明，通過比較葉子暴露于極亮白光前后的發光方式（熒光或某些波長的光），可測量光合作用（當光子取代葉綠素內的電子時，葉子發出的紅光和紅外光強度會發生變化，變化程度取決于植物的健康程度）。之后，LURE的生物物理學家伊斯梅爾·莫亞（Ismael Moya）開發了一種依靠陽光而無需額外光源的傳感器，并證明可以以機載方式從農作物上空檢測熒光，為遠程測量田地生產力開辟了道路。

到現在，飛機、無人機和塔都能提供植被光譜數據。美國宇航局和美國地質調查局的一系列陸地衛星（Landsat）就具備此能力，其中第一顆于20世紀70 年代發射。最初，這些機構希望衛星的相機主要在可見光下捕捉圖像，但機載實驗光譜傳感器證明了記錄更多波段的電磁波（如近紅外光）的價值。到 2013年，衛星開始監測11個光譜段。通過這些“多光譜”數據，研究人員可以監測植被景觀的“綠色”程度或生產力。通過光譜方法探測到的葉綠素下降也可表明森林因干旱或昆蟲入侵而遭受苦難（或已被砍伐）。

卡文德-巴雷斯的臨時合作者、遙感專家邁克爾·舍普曼（Michael Schaepman）旨在從光譜數據中獲取更多信息。過去幾十年間，現任蘇黎世大學校長的舍普曼和同事一直在蘇黎世拉根山的試驗區研究當地山毛櫸、白蠟樹和云杉樹隨季節推移而發生的生化改變。2009年，研究人員開始使用一架配備先進傳感器的飛機往來于各個研究地點，機載傳感器可捕獲100個反射光帶，足以識別每棵樹的葉綠素、色素、水分以及其他生化和物理特征所組合產生的獨特光譜。通過將光譜數據與植物生理學的地面測量數據進行相互參照，研究人員能夠開發出計算機模型，將光譜調查轉化為有關森林健康和多樣性的有用信息。

其他遙感方法可提供更多類型的信息。激光雷達主動發射激光脈沖，然后獲取從地面目標處反射回的信號，進而確定地形和植被高度。（最近，國際空間站增加了一個激光雷達傳感器。）基于植被高度信息以及植物體反射回的光，舍普曼團隊可以計算森林的生物量。研究人員還開發了計算機模型，能夠依據生物量和植物生化成分的變化來預測森林生產力。此外，他們已經證實，測量長波紅外光的衛星傳感器可以追蹤干旱的影響——植物通常通過蒸發水分來冷卻葉子，當水分蒸發完了，葉子溫度就會升高。

舍普曼希望他們在拉根山學到的經驗以及開發出的軟件可將研究規模擴大，從更遠處調查更大景觀的健康狀況——他們正在中國某處亞熱帶森林開展工作。

與此同時，他和其他人也在嘗試開發能捕捉更精細細節——例如物種和群落的多樣性，甚至植物個體的遺傳和分子特征——的遙感工具。蘇黎世大學的植物生態學家伯恩哈德·施密德（Bernhard Schmid）表示：“我的夢想是，我們能在不干擾系統的情況下測量每一棵樹。”如此精細的數據可以幫助人類描繪生態系統的健康狀況。例如，更大的遺傳多樣性使得某些個體能夠更好地應對疾病暴發、干旱或其他環境變化，從而令生態系統更具彈性。

過去十年的研究表明，色素和植物蠟等化學物質的不同濃度以及葉子形狀和其他特征，可以精細地改變光的顏色或亮度。以上所有特征都有遺傳基礎。2020年，舍普曼團隊在《生態與進化》（Ecology and Evolution）雜志發表了一項研究，稱他們在拉根山區空中采集的光譜信息與地面收集的遺傳數據相匹配。

聚焦生物多樣性

裝載精密傳感器的衛星和飛機能追蹤生物多樣性變量（EBVs）。這些變量分為6類。每個EBV都利用多種類型的遙感數據，并根據地面測量值輸入計算機模型。

卡文德-巴雷斯和舍普曼等人還發現，樹葉反射的陽光可以揭示不同植物間的進化關系。他們在2020年發表于《新植物學家》（New Phytologist）雜志的文章中指出，通過比較光譜特征可獲知某片森林中哪些樹木間關系最密切。他們的新發現表明，衛星傳感器或許有朝一日能繪制出森林的遺傳變異圖。

衛星數據甚至有望揭示土壤中的微生物活動和養分循環——這些過程也有助于保持生態系統的整體健康和生產力。在明尼蘇達州雪松溪生態系統科學保護區的長期生態研究點，卡文德-巴雷斯團隊向土壤深處挖掘，測量了土壤呼吸、微生物生物量和酶活性，以及真菌和細菌組成。腐爛植物的化學成分甚至活體植物釋放至土壤的化學物質，都會影響生存于土壤中的微生物。鑒于此，她和同事嘗試借助計算機建模來尋找一些相關性。通過激光雷達和地面調查所得到的信息與保護區內樹葉的光譜信息之間的關聯，他們發現，微生物的活動可依據遙感數據來推斷。

另一方面，其他學者也在嘗試利用衛星獲取的植被信息來深入了解當地動物。致力于生物多樣性研究的耶魯大學教授沃爾特·杰茨（Walter Jetz）和同事一直在開發合適的計算機模型——結合研究文獻里有關各種動物繁衍所需條件（例如當作食物或用于筑巢的植物）的數據。他們將有關某地區氣候、植被和地形的遙感信息輸入模型，以預測可能于何處找到何種動物，以及該物種的密度。

他們最終得到了生命地圖，一個免費提供的物種分布圖的線上信息庫——內容來自對全球44 351種脊椎動物、植物和昆蟲的6億次觀測。通過不斷更新觀察結果，杰茨團隊可以預測種群數量變化或發現瀕危物種面臨的新威脅。

此外，研究者越發擅長從空中直接觀察動物了。他們成功利用衛星圖像計算出南極洲的企鵝數量，并追蹤了鯨魚和角馬的遷徙過程。自2018年以來，太空輔助動物研究國際合作組織使用連接到國際空間站的巨型天線來追蹤配備了GPS記錄器的生物個體（包括鳥類和哺乳動物等）。現階段的記錄器已經微縮至4克重量，且還在變小，這意味著我們有望追蹤更小的鳥類甚至諸如蜻蜓之類的昆蟲。

不過，遙感確實存在局限性。衛星對生物多樣性的測量大多是間接的，受到衛星傳感器的空間分辨率、給定區域成像的頻率以及感應到多少波長等因素的限制。此外，對于習慣使用較小數據集的生物學家來說，解釋衛星數據可能是一個挑戰。麻省理工學院應用地球科學家丹妮爾·伍德（Danielle Wood）表示：“盡管來自機載、衛星和地面傳感器的光譜數據比以往任何時候都多，但這些數據并不總是易于使用。”

即將面世的新一代衛星，例如美國宇航局的Landsat Next（開展地表生物學和地質學任務），以及歐空局（ESA）的哥白尼哨兵（Copernicus Sentinels，開展環境高光譜成像任務），將具有比早期的Landsat衛星更強大的能力，可捕獲數百個光帶。南佛羅里達大學的生物海洋學家弗蘭克·穆勒-卡格（Frank Muller-Karger）表示，即使是當前的技術也可以通過結合不同類型的遙感得以升級。一些研究人員已經從私營衛星公司處購買了極高分辨率的圖像，并加上了其他來源的精細光譜信息以及激光雷達和雷達數據，以更全面、深入地揭示森林健康狀況。用杰茨的話說，來自太空的激光雷達和精細光譜測量“都是真正改變游戲規則的技術，尤其當它倆結合起來的時候”。

遠程監測若有地面數據的驗證和輔助，能產生最佳效果。這里的地面數據來源包括社區科學家、實地調查人員或像美國國家生態觀測站網絡（NEON，全美共有81個運營站點）這樣的監測平臺。威斯康星大學麥迪遜分校的研究團隊結合了鳥類和植被的NEON現場數據與關于土地覆蓋和生態系統健康的遙感數據，結果分析發現，鳥類資源在植物多樣性高的地方最為豐富。該研究作者之一、景觀生態學家沃爾克·拉德洛夫（Volker Radeloff）指出，這種關聯不僅僅體現于某一個數據集。

此類遙感數據可以指導保護工作。過去，政府和保護組織主要根據專家意見或僅覆蓋小區域的實地研究，以確定某個瀕危物種需要多少棲息地，以及目前還剩下多少適宜的棲息地。拉德洛夫表示：“遙感的力量在于它能將實地測量結果擴展至覆蓋全部大陸。”

正開展一項地面調查的研究人員身穿黑色衣服以盡量減少反射光。他們的研究將有助于改進用于解釋遙感數據的計算機模型

最近的一個項目結合遙感和實地考察，為瀕臨滅絕的西伯利亞白鶴（Leucogeranus leucogeranus）繪制了合適的棲息地地圖。西伯利亞白鶴在濕地繁殖，那里有大量它們賴以生存的蔓越莓、塊莖、昆蟲、魚類和小型哺乳動物。在一個3平方公里的小面積區域（包括一些鳥類繁殖地）內做實地調查的研究人員確定，此類白鶴傾向于避免在有灌木入侵的濕地繁殖。由于幾乎無法進入更廣闊的地區（哪怕步行），環保主義者只能猜測有多少適宜棲息地可供使用。蘇黎世大學遙感專家克勞迪婭·羅斯利（Claudia R??sli）指出：“而借助衛星圖像，我們能夠將調查范圍擴大到約16 000平方公里。”基于衛星圖像，環保主義者可以監測洪水或干燥夏季的影響，以評估白鶴的管理需求。

遙感的許多其他保護用途正處于提案或試點研究階段。但如果該技術被納入《生物多樣性公約》，它可能很快就會被更廣泛采用。倫敦動物學會的保護生物學家娜塔莉·佩托雷利（Nathalie Pettorelli）表示：“我們正處于關鍵時刻。我希望衛星數據能得到《生物多樣性公約》的助力，大家會更信任這一信息來源。”

新公約里的新內容

升級后的傳感器能探測可見光、近紅外、短波紅外和其他電磁波段，這讓從太空中識別植物類群成為可能，并最終有望實現遠程物種識別。

2010年《生物多樣性公約》制定的2020年目標——包括將森林和其他自然棲息地的喪失速度降低一半，減緩入侵物種的傳播，以及保護珊瑚礁——目前均未實現。麥吉爾大學教授安德魯·岡薩雷斯（Andrew Gonzalez）表示，缺乏用于監測進展的標準化方法“是我們失敗的部分原因”。一些科學家認為衛星和其他遙感技術能在這方面提供幫助。

問題在于究竟應該測量什么以及如何進行測量。氣候科學家在21世紀初建立了所謂的“基本氣候變量”——一組二氧化碳、溫度和其他物理特征的標準化測量值，現被各國用來監測其在減緩氣候變化方面的進展。一些研究者認為我們不妨學習氣候科學家的方式，但德國綜合生物多樣性研究中心的生物學家亨里克·佩雷拉（Henrique Pereira）表示，地球生命比氣候更復雜，記錄它們的變化更具挑戰性。

包括佩雷拉和舍普曼在內的約1 500名科學家在國際組織地球觀測組織生物多樣性監測網絡（GEO BON）的支持下工作，于過去八年間開發出一套EBV，用于評估和追蹤全球生物多樣性的變化。斯坦福大學的生態學家貝基·卓別林-克萊默（Becky Chaplin-Kramer）稱：“為了建立國際合作，我們需要逐一比較不同國家取得的進展。”

20個EBV分為6個空間尺度（從DNA到物種再到生態系統）。羅斯利指出，遙感無法監測所有內容，但它至少顯示了兩個最重要的尺度，即生態系統的結構和功能。從2017年至2020年，羅斯利參與了ESA資助的GlobDiversity項目，該項目測試了衛星提供3種EBV的潛力，包括樹冠的葉綠素含量、生境破碎化程度以及植物的物候特征。

羅斯利和同事使用來自10個保護區（包括北極苔原、濕地和溫帶森林）的現場數據，開發并測試了用于估算EBV的算法（估算基于高分辨率衛星圖像）。研究人員表示，通過衛星數據算得的EBV可用作生態預警系統，例如在德國，云杉林光譜特征發生變化恰逢一批云杉樹因云杉樹皮甲蟲入侵感染而死亡。

GEO BON建議國家/地區建立生物多樣性監測網絡，從而能以盡可能豐富的方式測量生物多樣性——不僅僅是遙感，還包括紅外相機調查技術和人力計數的方式。之后，計算機模型將數據轉換為EBV值和生物多樣性“指標”，可在全球范圍進行比較。

芬蘭已經試行了一個這樣的國家級觀測站。他們結合遙感和地面測量，得到EBV值，評估生物多樣性。芬蘭環境研究所的生態學家佩特里·維赫瓦拉（Petteri Vihervaara）表示，鑒于芬蘭的人口密度低，“遙感最有前途，也許是唯一全面的生態系統監測方法”。

在接下來的三年里，芬蘭生態系統觀測站（FEO）將進行“綜合性”的研究——用機器學習算法匯總來自衛星、機載激光雷達、航攝像片和野外調查的所有數據，得到一個“生態系統分布”的EBV值。

《生物多樣性公約》的談判者現在正考慮“將基于至少兩個EBV的指標納入公約”的提議。這兩個EBV分別為“物種分布”（旨在追蹤入侵物種）和“生態系統分布”（旨在監測棲息地的豐富度）。但我們還不清楚世界是否已準備好接受遙感。許多生態學家表示支持，但對于需要簽署新公約的政務官和政府代表來說，擁抱新事物的難度似乎不小，因為遙感和EBV太過新潮，而且許多中低收入國家缺乏遙感資源和相關專業知識。杰茨擔心，如果沒有這些監測手段，各國將難以追蹤自己在保護生物多樣性方面的進展。而在代表們于2022年5月開會并最終敲定新公約之前，已經沒有太多時間去說服他們了。

卡文德-巴雷斯和其他一些科學家并不相信將復雜的生態系統簡化成一小批數據是保護它們的最佳方式。但無論修訂后的公約是否包含EBV，卡文德-巴雷斯都相信遙感將在自然保護領域發揮關鍵作用，“我們必須從太空測量生物多樣性”。

資料來源 Science