互动科普

生态学家正在研究城市中居民、建筑、野生动物与环境污染之间的相互影响。

撰文：考特尼·汉弗莱斯（Courtney Humphries）

翻译：李响 审校：王祥荣

美国波士顿大学的生态学家内森·菲利普斯（Nathan Phillips）登上保德信大厦（Prudential Tower）楼顶，从50层楼的高处俯瞰波士顿市。楼顶上，阵阵疾风声呼啸而过，再也听不到刺耳的汽车鸣笛声、尖锐的刹车声和充斥市区的嘈杂喧嚣。这里的空气纯净而清新，没有任何城市空气中那种污浊的气味。菲利普斯说，大厦楼顶的“大气环境与城市其他区域完全不同”。

吸引菲利普斯来到保德信大厦楼顶的原因，正是这里纯净而清新的空气。他在楼顶的四个角落分别放置了一个书本大小的便携式收集器，收集流过城市上空的空气。收集到的空气经过黑色管道进入大厦内部的一个储气罐，研究人员使用计算机分析这些空气样本中二氧化碳、一氧化碳、甲烷和水蒸气的含量。

和大多数城市一样，波士顿市上空各种气体混合形成的污染层像穹顶一样笼罩着整个城市。随着天气状况的变化，保德信大厦楼顶时而处在污染层之内，时而又在其之外。除了保德信大厦楼顶的采样点，菲利普斯还在波士顿市区其他位置设置了3个采样点，并在保德信大厦西边100多千米、城市污染区之外一座植被繁茂的小山上设置了另一个采样点。

菲利普斯及其同事正在利用来自这些采样点的实测数据，建立二氧化碳以及其他气体在波士顿市如何流动的模型，以及分析城市上空混合气体与郊区空气的差异。菲利普斯的研究是一个跨学科研究项目的一部分，该项目旨在研究波士顿市的“代谢”，即自然系统与城市居民之间的元素交换。菲利普斯的团队主要关注大气中的碳，尤其是二氧化碳和甲烷。接下来，他们还将研究城市土壤和水体中的碳，并追踪水、氮和污染物的流动。菲利普斯说，“我们的目标是了解大城市的‘代谢’机制”。

城市中的生态要素

菲利普斯的研究是新兴的城市生态学（urban ecology）研究的一部分，在这一领域，研究人员将城市当作生态系统进行研究。以前，研究人员一直将人工要素和自然要素分开进行研究，但城市生态学家希望弄清楚这两种要素之间的相互影响，比如热量和高浓度的二氧化碳如何促进植物生长、树木如何使城市降温，以及绿地如何改善动物栖息地环境。

菲利普斯认为，采用生态学的方法梳理这两种要素之间的关系，可以改善城市人居环境以及自然生态系统，“对城市进行科学的研究，应该会对城市可持续发展带来实际好处”。

这方面研究的需求正在日益增长。随着世界各大城市大力开展削减碳排放（carbon emissions）、节约用水和改善栖息地环境等行动，科学家开始评估相关举措对于城市环境整体健康状况的影响。美国卡里生态系统研究所（Cary Institute of Ecosystem Studies，位于纽约州米尔布鲁克市）的城市生态学家斯图尔德·皮克特（Steward Pickett）说，“我们需要科学来帮助我们了解如何更好地实现这些目标”。

从保德信大厦楼顶俯瞰，整个波士顿市充斥着密集的建筑、车辆、道路以及人群。不过，除此之外，这个大都市还拥有近200万棵树木，数不清的土壤和微生物，还有许多野生动物，包括老鼠、土狼、鹿和100多种鸟类，以及偶尔在城郊出没的熊和驼鹿。这些要素混合在一起，相互之间的关系就变得非常复杂。例如，城市中的树木不仅受土壤污染和柏油马路热辐射的影响，还与水务政策及城市景观有关。这些树木可以提供遮阴，也会阻碍风将污染物吹走。研究这些不同的要素，需要从生物学、物理学和社会科学多方面综合考虑。

城市生态学研究兴起

2009年，美国国家科学基金会（US National Science Foundation，缩写是NSF）与美国林业局（US Forest Service）提供600万美元，资助21个直接解决城市环境问题的研究项目，其中就包括菲利普斯的研究，这极大地推动了城市生态学的发展。许多科学家认为，这一系列总称为“城市长期研究领域探索计划”（Urban Long-Term Research Areas: Exploratory，缩写是ULTRA-Ex）的政府资助，为城市生态学领域构建一个急需的长期研究项目网络迈出了第一步。

NSF对此类工作的资助始于20世纪90年代末，那时，NSF资助亚利桑那州的菲尼克斯市和马里兰州的巴尔的摩市，建立了长期生态学研究站。不过，这样的例子并不多见。2012年，一项对8,000多个生态学研究项目的分析表明，只有4%的项目研究了人口稠密地区，尽管一些生态学家和NSF都呼吁对人类活动如何影响环境进行更多研究。

美国林业局科学家、参与巴尔的摩市长期生态学研究项目的摩根·格鲁夫（Morgan Grove）说，“长期以来，对于城市生态学研究和数据的需求，多得令人惊讶”。

但是，有些研究结果并不是城市领导者希望听到的。例如，美国加利福利亚大学洛杉矶分校的ULTAR-Ex团队，针对一项在洛杉矶市种植100万棵树木的计划可能造成的影响提出了质疑。该团队负责人、加利福尼亚大学洛杉矶分校土地利用方面的研究人员斯蒂芬妮·平塞特（Stephanie Pincetl）指出，他们研究发现，一些业主不愿意沿街道种植树木，因为维护这些树木费用昂贵，而且业主担心树木遮挡会诱发更多犯罪事件。此外，由于不同树木对水的需求以及它们所能提供的树阴各有不同，因此，某些树种可能会给干旱地区带来更大的灌溉负担。

在俄亥俄州克利夫兰市，另一个ULTRA-Ex项目正在研究将闲置土地转变为城市农田可能产生的影响。项目负责人、克利夫兰州立大学生态学教授迈克尔·沃尔顿（Michael Walton）指出，这项措施可能有利于克利夫兰这样人口日益减少的城市，而且每年可以节约数百万美元的土地维护费用。俄亥俄州立大学伍斯特校区的研究人员分析了闲置土地中的污染物、营养物质以及食物网，结果发现，闲置土地基本上都适于种植农作物。另外一些研究表明，在这些闲置土地上建造的花园，经过一段时间之后，将出现成群的能杀死害虫的微生物和蚂蚁，它们有利于城市环境健康发展。这就意味着，城市农业并不一定需要增加杀虫剂的使用量。这样的研究正变得越来越普及，有许多类似于斯德哥尔摩社会生态系统应变及发展研究中心（Stockholm Resilience Centre）的机构，致力于研究城市中社会与生态之间的相互作用。

波士顿市正逐渐成为城市生态学研究的中心，在这里，有两个ULTRA-Ex项目正在联合推进。其中一项是由菲利普斯领导的波士顿市气体代谢研究，另一个项目由马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校生态学家佩奇·沃伦（Paige Warren）领导，评估整个波士顿市植被覆盖对空气质量、人群和野生动物产生的影响。沃伦说，“有些影响是可以预见的，不过，我们还没有对这些影响进行深入研究”。

菲利普斯的研究小组正在与哈佛大学的大气科学家史蒂文·沃夫西（Steven Wofsy）合作，建立二氧化碳在整个波士顿市如何流动的模型。除了对城市上空的大气进行监测外，他们还开着配备了采样装置的汽车，在波士顿市的每一条街道收集大气样品，测量其中二氧化碳的含量，从而获得高精度的数据。此外，他们还在研究二氧化碳浓度和建筑物遮挡对植物产生的影响，以及植物如何吸收二氧化碳并给建筑物降温。

城市气体排放

随着世界各国开始采取措施削减温室气体污染，这类研究将变得至关重要，因为在能源消耗产生的二氧化碳全球总排放量中，城市排放占2/3以上。目前，人们主要通过综合来自交通、建筑和工业的碳排放，估算城市碳排放总量，但是这样的计算有相当大的不确定性。波士顿大学环境科学家、与菲利普斯共同领导该校ULTRA-Ex项目的露西·胡吉拉（Lucy Hutyra）指出，人们认为，在美国温室气体排放总量中，道路交通贡献了大约1/3，然而，在马萨诸塞州得到的极具可信度的结果与此相差近40%。胡吉拉说，随着城市开始更严格地监管碳排放，“我们需要建立一个透明、稳健、可验证的二氧化碳排放申报制度”。否则，各个城市将无法衡量它们所采取的措施究竟是成功还是失败。

研究人员根据他们所建立的波士顿二氧化碳浓度的大气模型，完成首次分析之后，发现了一些令人惊讶的结果。他们的数据显示，在波士顿市中心地带，道路交通排放的二氧化碳量高于此前的一些估计。

菲利普斯和胡吉拉还确定了地下天然气管道发生泄漏的位置，他们迄今已经发现了3 000多个泄漏点（参见“地下天然气泄露”）。他们的研究目标是，量化天然气泄漏对于温室气体排放的贡献，及其对周边植物和土壤的影响。菲利普斯说，天然气中的甲烷会消耗土壤中的氧气，从而导致植物根部腐烂。

目前尚不清楚，负责各个ULTRA-Ex项目的实验站能否获得资助，从而扩展研究项目。NSF的项目经理汤姆·贝尔沃德（Tom Baerward）估计，扩展研究项目所需费用将达每年100万美元。

对于菲利普斯而言，未来能否获得资助并不是首先要考虑的问题，因为他在保德信大厦楼顶进行的研究工作即将圆满结束。他的研究结果表明，波士顿市二氧化碳浓度在光合作用较强的夏季平均为388 ppm，在冬季则是413 ppm。不过，2012年8月，当菲利普斯站在保德信大厦楼顶时，微风吹来的新鲜空气中二氧化碳浓度只有379 ppm。菲利普斯说，这个数值“可能与夏威夷此刻的结果差不多”。然后，菲利普斯收拾好东西，乘坐电梯下楼，又回到波士顿的城市空气之中。

本文作者：考特尼·汉弗莱斯是美国马萨诸塞州波士顿市的一名自由撰稿人。

本文译者：李响是复旦大学环境科学与工程系硕士研究生，研究方向是城市生态评价与规划。

本文审校：王祥荣是复旦大学环境科学与工程系教授、博士生导师，复旦大学城市生态规划与设计研究中心主任，研究方向是城市生态、全球气候变化与环境生态。