测量即认知

高建国

图片来自法国科学院机能与演化生态学中心(Centre for Functional and Evolutionary Ecology).

人类追求对自然界完整、客观认识的步伐从来就没有停止过，自从科学诞生，即形式逻辑体系的构建和系统实验使得这种探索的效率更高。然而，遗憾的是，我们对地球上的高山、海洋、森林和草地等生态系统的认识依然停留在相对感性的层面，我们从来没有对任何一种生态系统认真“测量”过。如，我们从来没有直接测定“生物多样性”，目前仅是依靠某些替代指数进行量化表示而已；我们从来没有精确测量陆地最大的水分通量—树木蒸腾，目前仅是依靠模型计算出大概值而已。

伟大的物理学家开尔文认为，“测量就是认知”。如果我们对周遭的世界没有测量，又“何德何能”谈对生态系统的管理？虽然我们已经建立了各种大样地，在地面上也布置了各种探测器，发射过各种型号的卫星，但我们对陆地生态系统的研究还处于初级阶段，很多认识还很“肤浅”，甚至是错误的，下面我举几个简单的例子。

多年来，人们一直对亚马逊森林干季“变绿”表示不理解，有人认为干季森林上方云层变薄，光合辐射增强是植被光合能力变强的原因，此假说得到不少人的认可，看上去也合情合理。近期在Science的研究报道亚马逊森林在干季落叶的同时也会长出新的、大量的枝叶，是遥感观测认为干季“变绿”的根本原因。即，人们忽略了森林冠层的生理变化才是干季光合能力增强的原因。研究人员得出这样的结论主要是基于对冠层物候的直接观察和测量，从而修正了人们之前错误的认识。从这个案例我们可以看出，人们对冠层，特别是浓密森林冠层的认识是多么的欠缺！

第二个例子是对森林生物多样性的直观认识。由于取样的限制，人们之前基于样方调查的生物多样性指数很难代表区域真实的情况。如陡峭的山地和偏远地带不易开展调查等因素造成样本偏离实际。事实上，我很怀疑目前大多数文献报道的生物多样性（包括功能性状等）变异规律。对一般植物功能性状，如比叶重、叶片氮含量、叶绿素浓度、非结构性碳水化合物（NSC）和木质素等的传统测量方法可能要做大的改变，甚至放弃，这是因为跟高光谱遥感监测相比，它效率太低，并且不能真实反映植物功能性状多样性对气候变化的响应。斯坦福大学卡内基科学中心全球生态研究室开发的CAO平台整合了高分辨率遥感、植物化学信息等已经能够对区域森林多样性进行很好的监测，但目前由于成本太高而无法推广。

目前，我们用于模拟碳循环过程的模型十分不准，有很多不确定因素，当然原因很多。我在这里想提醒大家的是，我们现在，估计是认真考虑非叶光合对碳交换过程的影响的时候了。目前大部分模拟NPP的模型（如光能利用率模型）或动态全球植被模型几乎没有考虑非叶绿色组织的光合贡献，这对准确评估碳通量带来很大的不确定性，因为这些绿色组织对碳同化的贡献不容小觑。一项对尾巨桉树干光合的研究发现，当部分终止树干光合后，整树的水分利用都会降低，但由于缺乏直接测量冠层光合的仪器设备，科学家目前还无法回答非叶光合或树干光合是如何影响碳循环的。这样的例子不胜枚举，就像开文所举的那个例子一样，目前世界上竟然不存在一种能够很好测量全球陆地最大的温室气体—树木蒸腾的仪器设备，说明我们在生态系统观测方面的能力是十分欠缺的。

我们知道片面的观测像“盲人摸象”和“刻舟求剑”一样，不仅不会增加我们的认识，还可能引向错误的一方，如上文的第一个例子。幸运的是，我们生活在一个科技日新月异的时代，各种探测设备、大数据、物联网和云计算，这些硬件与软件的组合正在逐步改变我们观测世界或进行生态学研究的范式。现如今，如果我们能够整合、发现甚至发明多功能、精准和智能的传感器，并应用于生态学观测研究，我觉得这不仅有利于科学研究和社会可持续发展，更是我们“爱家园”的具体体现。人们通过显微镜发现了微观世界，通过望远镜发现了绚丽多姿的外太空，现如今，作为一个有担当、有抱负的当代生态学研究人员，如果能过通过物联网+传感器就可以“感知”地球的脉动和呼吸的韵律，我想说这是一个美好的时代！

试想，在不远的将来，如果我们对每棵树都能进行实时监测，我想肯定会揭示出完全不同于之前的生态学过程和机制。那么，我们为什么如此需要大规模和高时间分辨率的监测呢？举个例子，正常人半年或一年进行一次体检，但对于某些疾病可能在短期就会进入潜伏期，“冰冻三尺非一日之寒”，如果体检时间过长，则不能起到“体检”的目的。同样的道理，如果我们每时每刻都能对同一棵树进行监测，我们就能知道这课树的“健康状况”，基于它现在的健康状况预测未来的长势。如果对整个森林所有的树木都监测，那么我们就能知道森林生态系统的健康状况，从而指导林业管理和森林经营，此时的经营和管理就是科学的、可预测的、实事求是的。

自麦哲伦“丈量”地球证明是圆的之后，我们一直在测量的道路上摸爬滚打，直到今天我们彻底进入了一个“测量一切”的时代。只是这条大道既旖旎又坎坷。我时常在想，我们中国学者进行的生态学研究往往不是使用别人的仪器设备、就是别人的软件，我们什么时候才有完全属于我们自己的测量系统呢？自2012年中央正式提出“生态文明”的系列议题，强烈的生态观测需求也时刻考验着、革新着测量技术与方法。我想，大生态学观测时代已经到来，只是尚未流行！

“无论是在国内同中国企业家交流，还是访问不同国家，我都有一个强烈感受，那就是新一轮科技和产业革命正在创造历史性机遇，催生互联网+、分享经济、3D打印、智能制造等新理念、新业态，其中蕴含着巨大商机，正在创造巨大需求，用新技术改造传统产业的潜力也是巨大的。”

——习近平，《创新增长路径，共享发展成果》（2015年11月15日），《人民日报》2015年11月16日

参考文献：

1. Wu et al (2016) Science, 351: 972–976.

2. Asner et al (2014) PNAS, 111: 5604–5609.

3. Jetz et al (2016) Nature Plants, DOI: 10.1038/NPLANTS.2016.24.

4. Gao et al (2016) International Journal of Biometeorology, DOI: 10.1007/s00484-015-1050-6.