生态学家目前正在致力于探索世界城市中人类、建筑物、野生动物与城市生活环境之间是如何相互作用与影响的……如果世界各国都能行动起来，这类研究对于减少温室气体污染将产生至关重要的影响，因为城市占全球能源使用产生二氧化碳排放量的近三分之二。
“我们的目标是了解一座大城市的生态运行机制”
――内森·菲利普斯
内森·菲利普斯（Nathan Phillips）在波士顿第二高楼保诚大厦的天台上，俯瞰着下面鳞次栉比的城市建筑，站立在楼顶高处，飒飒风声取代了刺耳的汽车喇叭声、尖利的刹车声和街道上杂乱的话语声，纯净的空气中不含一丝让城市人皱眉的刺鼻气味。对此，作为马萨诸塞州波士顿大学生态学家的菲利普斯认为，屋顶“拥有一个与城市其余地方完全不同的大气环境。”
正是清新的空气吸引着菲利普斯，他在大厦天台的四个角落安置了四个书本大小的空气收集装置，将从城市上空吹过的纯净空气通过管道输送到建筑物内部的存储罐中，利用计算机对空气样本中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷和水蒸汽的含量进行分析。
显微镜下的城市生态
像大多数城市一样，波士顿上空混合着各种气体，就像一个巨大穹顶覆盖着整个城市。根据不同的天气情况，保诚大厦的天台有时在城市空气的笼罩之内，有时又隔绝于城市空气之外。从这里，菲利普斯远眺设置在城市周围，向西70英里处，以及城市污染带之外的绿色山丘处的三个空气采集点。
利用这几个空气采集点的数据，菲利普斯及其同事建立了二氧化碳和其他气体在城市中流动情况的模型，并比对研究城市中的混合空气与农村地区的空气有何不同。这项工作是一个跨学科研究项目的一部分：波士顿生态环境“新陈代谢”研究项目――自然系统与人类系统之间的元素是如何进行交换的。目前，菲利普斯团队主要关注的是大气中的碳，特别是二氧化碳和甲烷。下一步他们将计划研究城市土壤和水中的碳，并跟踪水、氮和污染物的流动情况。“我们的目标是要了解一座大城市的生态运行机制，”菲利普斯说道。
菲利普斯团队的工作是正在崛起的城市生态研究的一部分。如今，科学家将城市作为生态系统的一部分来研究。过去，人造元素和自然元素是分开进行研究的，但现在城市生态学家正在寻求了解它们之间的相互作用。比如，热量和高二氧化碳水平是如何促进植物生长，树木绿荫如何让城市降温，以及城市绿地如何改善动物栖息地环境等。
以生态学的角度研究这些相互关系，可以改善城市地区人类居住环境以及自然生态系统，菲利普斯说道：“城市科学研究应在城市可持续发展方面取得实际的效益。”随着城市推进节能减排、改善栖息地环境等努力，科学家们开始评估这些举措将如何对城市整体环境健康产生影响，这方面研究的需求正在日增。“我们需要科学来帮助了解如何更好地实现这些目标，”位于纽约州米尔布鲁克的卡里生态系统研究所的生态学家斯图沃德·皮克特（Steward Pickett）说道。
从保诚大厦楼顶往下俯瞰，波士顿城里到处都是高大的建筑物，川流不息的车流，四通八达的道路以及熙熙攘攘的人群。可是，在这座大都市中，还拥有将近200万棵树木，无数吨位的土壤和一个野生动物网，其中包括大鼠、郊狼、鹿和100多种鸟类，偶尔还有熊或麋鹿出没在城郊地区，这使得城市生态相互间的关系变得更为复杂。例如，市区的树木不仅受到土壤污染和来自沥青加热的影响，而且还受到水务政策和景观规划的影响。又如，树木绿化可以为人们提供清凉的荫蔽，但也可能阻挡了风将污染物吹走。要研究这些不同的因素，需要综合生物学、物理学和社会学等多学科的研究成果。
城市生态研究方兴未艾
2009年，美国国家科学基金会（NSF）和美国林务局提供600万美元资助21个推动城市生态研究的项目，其中包括菲利普斯的有直接针对性的解决城市环境问题项目。许多科学家认为，资金上的资助是对“城市长期研究探索”（ULTRA-EX）计划的认可，在推进城市生态研究方面走出了第一步。
NSF自20世纪90年代后期在亚利桑那州菲尼克斯和马里兰州巴尔的摩设立了长期生态研究（LTER）试点之后，就开始尝试资助城市生态研究。但是，这样的传统并不多见。从今年的8 000多项生态研究分析中发现，其中只有4％被评估为人口稠密区，尽管NSF和部分生态学家呼吁就城市人口对环境的影响展开更多的调查分析。“城市生态科学研究和数据的需求之多令人惊讶。”参加了巴尔的摩LTER项目的林务研究人员摩根·格洛夫（Morgan Grove）说道。
有时，研究结果并不是市政规划决策者希望听到的，例如，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的ULTRA-EX小组，对在城市种植100万棵树的计划提出了一些问题。原因在于，一些业主因维修费用，以及担心树木造成视线阻挡而导致更多犯罪等顾虑不愿在沿街植树，领导这项研究的UCLA土地利用研究员斯蒂芬妮·平塞特（Stephanie Pincetl）说道。因为不同的树木对水的需求，以及能提供多少绿荫都有所不同，在缺水地区种植某些树种可能会增加灌溉用水的负担。
在俄亥俄州的克利夫兰，另一个ULTRA-EX项目正在研究将空地转变为都市农场可能产生的影响，这一措施将带来类似于压缩城市人口数量的益处，预计每年可节省高达数百万美元的城市维护费用，领导该项目的克利夫兰州立大学生态学家迈克尔·沃尔顿（Michael Walton）说道。
俄亥俄州立大学伍斯特分校的研究人员对空地土壤中的污染物、营养物质和食物网络进行分析后发现，这些地块一般适合种植农作物。而另一些研究表明，这些地块适合建立花园，并随着时间的推移，还会产生有利于城市健康的杀虫微生物和蚂蚁群体。这些都表明，都市农业并不一定会导致城市增加农药的使用量。这样的研究正在变得越来越普遍，一些组织，如斯德哥尔摩社会生态系统应变及发展研究中心（Stockholm Resilience.Centre）正致力于研究城市社会和生态之间的相互作用。
波士顿作为城市生态研究的中心，有两个ULTRA-EX项目正在联手进行。菲利普斯主要研究城市空气中各种气体的代谢情况，马萨诸塞州阿姆赫斯特大学的生态学家佩奇·沃伦（Paige Warren）领导的研究小组则评估城市植被如何对整个波士顿的空气质量、人和野生动物产生影响。“其结果是可预见的，但我们的研究目前还不充分。”沃伦说道。
菲利普斯团队与哈佛大学的大气科学家史蒂文·沃夫西（Steven Wofsy）合作建立模型，模拟了整个城市的二氧化碳移动情况，除了在屋顶进行测量之外，研究人员还驾驶配备了空气取样装置的汽车环游波士顿城区，收集街道上二氧化碳的高分辨率数据。他们还研究了二氧化碳水平和建筑物阴影遮挡对植物产生的影响，以及树木又是如何吸收二氧化碳并给建筑物降温。
让城市的呼吸更健康
如果世界各国都能行动起来，这类研究对于减少温室气体污染将产生至关重要的影响。因为城市占全球能源使用产生二氧化碳排放量的三分之二。我们已知的城市整体碳排放量来自于对交通、建筑和工业总的排放量的估算，但这样的估算也有很大的不确定性。
公路运输曾被认为占约三分之一的美国的温室气体排放量，但另一较为可靠的估算认为占了40％，波士顿大学ULTRA-EX项目的领导者之一、环境科学家露西·胡蒂拉（Lucy Hutyra）说道。随着城市开始更加认真地实施碳监管措施，“我们需要一个透明的、强大的、经得起核查的二氧化碳排放量报告，”她说。否则，各个城市将无法跟踪了解这类措施究竟是成功还是失败。
研究人员借助波士顿二氧化碳浓度大气模型完成了首次分析。令他们惊讶的是，实验数据显示，城市核心区域的交通排放量水平高于之前的一些估计。
菲利普斯和胡蒂拉还对地下天然气管道的泄漏情况进行了调查，迄今已经发现了3 000多处泄漏点，他们的目的是要对天然气泄漏增加的温室气体排放量，以及对附近植物和土壤产生的影响进行量化分析。菲利普斯说道，天然气中的甲烷会消耗土壤中的氧气，导致植物根系腐烂。
目前尚不清楚ULTRA-EX各实验点是否能获得扩大研究计划的资金，据NSF项目经理汤姆·贝瓦尔德（Tom Baerwald）称，扩大计划估计耗资将达每年100万美元。
至于菲利普斯，未来的资金不是他首要考虑的问题，因为他在保诚大厦顶上的研究项目即将完成。他的实验数据显示，波士顿二氧化碳的含量在光合作用较强的夏天平均为388 ppm，而冬季则为413 ppm。今年8月，屋顶上微风吹来的新鲜空气中，二氧化碳的浓度已降至379 ppm，菲利普斯说道：“这个数值可能相当于夏威夷当前的数值。”
资料来源 Nature
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