全面了解生物多样性

编译 刘迪一

珍妮·卡文德-巴雷斯（Jeannine Cavender-Bares）手上的泥土见证了她科学生涯的开端。珍妮十几岁时帮助自己的生物学家父亲深入探索佛罗里达橡树林的落叶层，进行黏菌的多样性编目。这些原生生物以联合形成遍布整个景观的难看斑点而闻名。不过真正令她着迷的是头顶的橡树，而成为其高中科技展参赛作品和研究生阶段工作重点的也是橡树。

珍妮在美国东南部的森林里种植橡子以研究当地条件如何影响不同橡树树种的光合作用和生长。她冻结幼苗的茎，研究它们如何将水分输送至叶子；她还爬上林冠测量成熟树木释放的气体。

现在的卡文德-巴雷斯成了明尼苏达大学双城分校的植物生态学家。她设计出一些方法用于将森林上空的光谱仪（装载于飞机或卫星上）的测量数据转化为关于森林健康和恢复力的知识。她和同事发现，通过这种方式捕捉到的光包含着诸如光合作用水平、树木的遗传多样性，甚至它们生长的土壤里的微生物群落等信息。

这种遥感方法不仅彻底改变了卡文德-巴雷斯等科学家研究生态系统的方式，还有望成为保护生态系统的新工具。在过去的一年间，众多科学家联合，共同修订了《生物多样性公约》。随着动植物物种的灭绝速度加快，一些研究人员表示自然保护工作应转向遥感，接近于实时地监测全球大片地区的生物多样性，并帮助决策者确定最高优先级领域。

回顾历史，研究人员通常必须亲自奔赴丛林、沙漠和山顶开展工作。但由于气候变化、人类活动和其他因素，物种分布和丰度的变化速度超过了地面调查所能追踪的限度。而遥感技术为在全球范围内进行更快、更标准化的监测提供了可能。美国宇航局（NASA）喷气推进实验室的科学家大卫·席梅尔（David Schimel）表示：“在过去十年间，技术领域发生了革命，我们能从太空视角表征生态系统了。”

研究人员才刚开始弄清楚遥感可以做什么和不能做什么，以及如何将其纳入自然保护工作。席梅尔和其他人就看到了通过从高空获取的更全面的生态系统健康图景来补充地面测量的极大可能性。“我们希望改变生物学研究的方式。”

20世纪90年代开发的光谱技术（上图）升级了遥感技术，并启发了卡文德-巴雷斯等生态学家利用光来更好地了解植物和生态系统（下图）

在访问巴黎第十一大学电磁辐射使用实验室（LURE）期间，卡文德-巴雷斯了解到，反射光或辐射光可提示森林健康情况。大约40年前，植物生理学家让-玛丽·布赖恩泰斯（Jean-Marie Briantais）和同事在LURE实验室的研究表明，通过比较叶子暴露于极亮白光前后的发光方式（荧光或某些波长的光），可测量光合作用（当光子取代叶绿素内的电子时，叶子发出的红光和红外光强度会发生变化，变化程度取决于植物的健康程度）。之后，LURE的生物物理学家伊斯梅尔·莫亚（Ismael Moya）开发了一种依靠阳光而无需额外光源的传感器，并证明可以以机载方式从农作物上空检测荧光，为远程测量田地生产力开辟了道路。

到现在，飞机、无人机和塔都能提供植被光谱数据。美国宇航局和美国地质调查局的一系列陆地卫星（Landsat）就具备此能力，其中第一颗于20世纪70 年代发射。最初，这些机构希望卫星的相机主要在可见光下捕捉图像，但机载实验光谱传感器证明了记录更多波段的电磁波（如近红外光）的价值。到 2013年，卫星开始监测11个光谱段。通过这些“多光谱”数据，研究人员可以监测植被景观的“绿色”程度或生产力。通过光谱方法探测到的叶绿素下降也可表明森林因干旱或昆虫入侵而遭受苦难（或已被砍伐）。

卡文德-巴雷斯的临时合作者、遥感专家迈克尔·舍普曼（Michael Schaepman）旨在从光谱数据中获取更多信息。过去几十年间，现任苏黎世大学校长的舍普曼和同事一直在苏黎世拉根山的试验区研究当地山毛榉、白蜡树和云杉树随季节推移而发生的生化改变。2009年，研究人员开始使用一架配备先进传感器的飞机往来于各个研究地点，机载传感器可捕获100个反射光带，足以识别每棵树的叶绿素、色素、水分以及其他生化和物理特征所组合产生的独特光谱。通过将光谱数据与植物生理学的地面测量数据进行相互参照，研究人员能够开发出计算机模型，将光谱调查转化为有关森林健康和多样性的有用信息。

其他遥感方法可提供更多类型的信息。激光雷达主动发射激光脉冲，然后获取从地面目标处反射回的信号，进而确定地形和植被高度。（最近，国际空间站增加了一个激光雷达传感器。）基于植被高度信息以及植物体反射回的光，舍普曼团队可以计算森林的生物量。研究人员还开发了计算机模型，能够依据生物量和植物生化成分的变化来预测森林生产力。此外，他们已经证实，测量长波红外光的卫星传感器可以追踪干旱的影响——植物通常通过蒸发水分来冷却叶子，当水分蒸发完了，叶子温度就会升高。

舍普曼希望他们在拉根山学到的经验以及开发出的软件可将研究规模扩大，从更远处调查更大景观的健康状况——他们正在中国某处亚热带森林开展工作。

与此同时，他和其他人也在尝试开发能捕捉更精细细节——例如物种和群落的多样性，甚至植物个体的遗传和分子特征——的遥感工具。苏黎世大学的植物生态学家伯恩哈德·施密德（Bernhard Schmid）表示：“我的梦想是，我们能在不干扰系统的情况下测量每一棵树。”如此精细的数据可以帮助人类描绘生态系统的健康状况。例如，更大的遗传多样性使得某些个体能够更好地应对疾病暴发、干旱或其他环境变化，从而令生态系统更具弹性。

过去十年的研究表明，色素和植物蜡等化学物质的不同浓度以及叶子形状和其他特征，可以精细地改变光的颜色或亮度。以上所有特征都有遗传基础。2020年，舍普曼团队在《生态与进化》（Ecology and Evolution）杂志发表了一项研究，称他们在拉根山区空中采集的光谱信息与地面收集的遗传数据相匹配。

聚焦生物多样性

装载精密传感器的卫星和飞机能追踪生物多样性变量（EBVs）。这些变量分为6类。每个EBV都利用多种类型的遥感数据，并根据地面测量值输入计算机模型。

卡文德-巴雷斯和舍普曼等人还发现，树叶反射的阳光可以揭示不同植物间的进化关系。他们在2020年发表于《新植物学家》（New Phytologist）杂志的文章中指出，通过比较光谱特征可获知某片森林中哪些树木间关系最密切。他们的新发现表明，卫星传感器或许有朝一日能绘制出森林的遗传变异图。

卫星数据甚至有望揭示土壤中的微生物活动和养分循环——这些过程也有助于保持生态系统的整体健康和生产力。在明尼苏达州雪松溪生态系统科学保护区的长期生态研究点，卡文德-巴雷斯团队向土壤深处挖掘，测量了土壤呼吸、微生物生物量和酶活性，以及真菌和细菌组成。腐烂植物的化学成分甚至活体植物释放至土壤的化学物质，都会影响生存于土壤中的微生物。鉴于此，她和同事尝试借助计算机建模来寻找一些相关性。通过激光雷达和地面调查所得到的信息与保护区内树叶的光谱信息之间的关联，他们发现，微生物的活动可依据遥感数据来推断。

另一方面，其他学者也在尝试利用卫星获取的植被信息来深入了解当地动物。致力于生物多样性研究的耶鲁大学教授沃尔特·杰茨（Walter Jetz）和同事一直在开发合适的计算机模型——结合研究文献里有关各种动物繁衍所需条件（例如当作食物或用于筑巢的植物）的数据。他们将有关某地区气候、植被和地形的遥感信息输入模型，以预测可能于何处找到何种动物，以及该物种的密度。

他们最终得到了生命地图，一个免费提供的物种分布图的线上信息库——内容来自对全球44 351种脊椎动物、植物和昆虫的6亿次观测。通过不断更新观察结果，杰茨团队可以预测种群数量变化或发现濒危物种面临的新威胁。

此外，研究者越发擅长从空中直接观察动物了。他们成功利用卫星图像计算出南极洲的企鹅数量，并追踪了鲸鱼和角马的迁徙过程。自2018年以来，太空辅助动物研究国际合作组织使用连接到国际空间站的巨型天线来追踪配备了GPS记录器的生物个体（包括鸟类和哺乳动物等）。现阶段的记录器已经微缩至4克重量，且还在变小，这意味着我们有望追踪更小的鸟类甚至诸如蜻蜓之类的昆虫。

不过，遥感确实存在局限性。卫星对生物多样性的测量大多是间接的，受到卫星传感器的空间分辨率、给定区域成像的频率以及感应到多少波长等因素的限制。此外，对于习惯使用较小数据集的生物学家来说，解释卫星数据可能是一个挑战。麻省理工学院应用地球科学家丹妮尔·伍德（Danielle Wood）表示：“尽管来自机载、卫星和地面传感器的光谱数据比以往任何时候都多，但这些数据并不总是易于使用。”

即将面世的新一代卫星，例如美国宇航局的Landsat Next（开展地表生物学和地质学任务），以及欧空局（ESA）的哥白尼哨兵（Copernicus Sentinels，开展环境高光谱成像任务），将具有比早期的Landsat卫星更强大的能力，可捕获数百个光带。南佛罗里达大学的生物海洋学家弗兰克·穆勒-卡格（Frank Muller-Karger）表示，即使是当前的技术也可以通过结合不同类型的遥感得以升级。一些研究人员已经从私营卫星公司处购买了极高分辨率的图像，并加上了其他来源的精细光谱信息以及激光雷达和雷达数据，以更全面、深入地揭示森林健康状况。用杰茨的话说，来自太空的激光雷达和精细光谱测量“都是真正改变游戏规则的技术，尤其当它俩结合起来的时候”。

远程监测若有地面数据的验证和辅助，能产生最佳效果。这里的地面数据来源包括社区科学家、实地调查人员或像美国国家生态观测站网络（NEON，全美共有81个运营站点）这样的监测平台。威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队结合了鸟类和植被的NEON现场数据与关于土地覆盖和生态系统健康的遥感数据，结果分析发现，鸟类资源在植物多样性高的地方最为丰富。该研究作者之一、景观生态学家沃尔克·拉德洛夫（Volker Radeloff）指出，这种关联不仅仅体现于某一个数据集。

此类遥感数据可以指导保护工作。过去，政府和保护组织主要根据专家意见或仅覆盖小区域的实地研究，以确定某个濒危物种需要多少栖息地，以及目前还剩下多少适宜的栖息地。拉德洛夫表示：“遥感的力量在于它能将实地测量结果扩展至覆盖全部大陆。”

正开展一项地面调查的研究人员身穿黑色衣服以尽量减少反射光。他们的研究将有助于改进用于解释遥感数据的计算机模型

最近的一个项目结合遥感和实地考察，为濒临灭绝的西伯利亚白鹤（Leucogeranus leucogeranus）绘制了合适的栖息地地图。西伯利亚白鹤在湿地繁殖，那里有大量它们赖以生存的蔓越莓、块茎、昆虫、鱼类和小型哺乳动物。在一个3平方公里的小面积区域（包括一些鸟类繁殖地）内做实地调查的研究人员确定，此类白鹤倾向于避免在有灌木入侵的湿地繁殖。由于几乎无法进入更广阔的地区（哪怕步行），环保主义者只能猜测有多少适宜栖息地可供使用。苏黎世大学遥感专家克劳迪娅·罗斯利（Claudia Röösli）指出：“而借助卫星图像，我们能够将调查范围扩大到约16 000平方公里。”基于卫星图像，环保主义者可以监测洪水或干燥夏季的影响，以评估白鹤的管理需求。

遥感的许多其他保护用途正处于提案或试点研究阶段。但如果该技术被纳入《生物多样性公约》，它可能很快就会被更广泛采用。伦敦动物学会的保护生物学家娜塔莉·佩托雷利（Nathalie Pettorelli）表示：“我们正处于关键时刻。我希望卫星数据能得到《生物多样性公约》的助力，大家会更信任这一信息来源。”

新公约里的新内容

升级后的传感器能探测可见光、近红外、短波红外和其他电磁波段，这让从太空中识别植物类群成为可能，并最终有望实现远程物种识别。

2010年《生物多样性公约》制定的2020年目标——包括将森林和其他自然栖息地的丧失速度降低一半，减缓入侵物种的传播，以及保护珊瑚礁——目前均未实现。麦吉尔大学教授安德鲁·冈萨雷斯（Andrew Gonzalez）表示，缺乏用于监测进展的标准化方法“是我们失败的部分原因”。一些科学家认为卫星和其他遥感技术能在这方面提供帮助。

问题在于究竟应该测量什么以及如何进行测量。气候科学家在21世纪初建立了所谓的“基本气候变量”——一组二氧化碳、温度和其他物理特征的标准化测量值，现被各国用来监测其在减缓气候变化方面的进展。一些研究者认为我们不妨学习气候科学家的方式，但德国综合生物多样性研究中心的生物学家亨里克·佩雷拉（Henrique Pereira）表示，地球生命比气候更复杂，记录它们的变化更具挑战性。

包括佩雷拉和舍普曼在内的约1 500名科学家在国际组织地球观测组织生物多样性监测网络（GEO BON）的支持下工作，于过去八年间开发出一套EBV，用于评估和追踪全球生物多样性的变化。斯坦福大学的生态学家贝基·卓别林-克莱默（Becky Chaplin-Kramer）称：“为了建立国际合作，我们需要逐一比较不同国家取得的进展。”

20个EBV分为6个空间尺度（从DNA到物种再到生态系统）。罗斯利指出，遥感无法监测所有内容，但它至少显示了两个最重要的尺度，即生态系统的结构和功能。从2017年至2020年，罗斯利参与了ESA资助的GlobDiversity项目，该项目测试了卫星提供3种EBV的潜力，包括树冠的叶绿素含量、生境破碎化程度以及植物的物候特征。

罗斯利和同事使用来自10个保护区（包括北极苔原、湿地和温带森林）的现场数据，开发并测试了用于估算EBV的算法（估算基于高分辨率卫星图像）。研究人员表示，通过卫星数据算得的EBV可用作生态预警系统，例如在德国，云杉林光谱特征发生变化恰逢一批云杉树因云杉树皮甲虫入侵感染而死亡。

GEO BON建议国家/地区建立生物多样性监测网络，从而能以尽可能丰富的方式测量生物多样性——不仅仅是遥感，还包括红外相机调查技术和人力计数的方式。之后，计算机模型将数据转换为EBV值和生物多样性“指标”，可在全球范围进行比较。

芬兰已经试行了一个这样的国家级观测站。他们结合遥感和地面测量，得到EBV值，评估生物多样性。芬兰环境研究所的生态学家佩特里·维赫瓦拉（Petteri Vihervaara）表示，鉴于芬兰的人口密度低，“遥感最有前途，也许是唯一全面的生态系统监测方法”。

在接下来的三年里，芬兰生态系统观测站（FEO）将进行“综合性”的研究——用机器学习算法汇总来自卫星、机载激光雷达、航摄像片和野外调查的所有数据，得到一个“生态系统分布”的EBV值。

《生物多样性公约》的谈判者现在正考虑“将基于至少两个EBV的指标纳入公约”的提议。这两个EBV分别为“物种分布”（旨在追踪入侵物种）和“生态系统分布”（旨在监测栖息地的丰富度）。但我们还不清楚世界是否已准备好接受遥感。许多生态学家表示支持，但对于需要签署新公约的政务官和政府代表来说，拥抱新事物的难度似乎不小，因为遥感和EBV太过新潮，而且许多中低收入国家缺乏遥感资源和相关专业知识。杰茨担心，如果没有这些监测手段，各国将难以追踪自己在保护生物多样性方面的进展。而在代表们于2022年5月开会并最终敲定新公约之前，已经没有太多时间去说服他们了。

卡文德-巴雷斯和其他一些科学家并不相信将复杂的生态系统简化成一小批数据是保护它们的最佳方式。但无论修订后的公约是否包含EBV，卡文德-巴雷斯都相信遥感将在自然保护领域发挥关键作用，“我们必须从太空测量生物多样性”。

资料来源 Science