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作者 NEON:生态学家们的大科学梦,大数据世界的入口
cc2010


奔腾之江水


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第1楼于 2016-02-07 02:04 user profilesend a private message to usersearch all posts byselect and copy to clipboard. 
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作者:赵斌

2000年,美国国家科学基金会(NSF)提出了建立美国国家生态观测站网络(NEON,National Ecological Observatory Network)的计划,这是一个横跨美国,集研究、观测、试验和综合分析为一体的生物观测平台,研究从区域到大陆尺度的重要生态环境问题,用前所未有的规模来观察生物和生态学现象,这个雄心勃勃的研究计划计划投资4.34亿美元。该网络由20个“核心”观测站组成,这些核心站各自代表了全美不同的生态区,其数据来自下属的流动观测站,这些流动观测站专门配备一些仪器和研究人员,可根据数据采集的需求灵活迁往不同的地点。该计划承诺将在今后的至少30年里大范围地收集各种环境数据,所收集的数据将通过一个在线门户网站免费提供给所有人。2003~2004年间,新方案出台,建议重点关注生物多样性、物种组成与生态系统功能、生物地球化学循环的生态学影响、气候变化的生态学内涵、传染病的生态学和演化、入侵物种以及土地利用和栖息地的丧失这6个当前面临的最严峻的环境挑战。如果一切顺利,它为科学家提供一个对全国生态系统生命体征近乎实时的测量方法,是非常令人兴奋的,并且非常符合未来长期研究的合理发展。许多生态学家都渴望得到NEON的观测数据,已经开始思考如何将其纳入自己的研究,而且最终他们产生的科学将决定该项目成败与否。

我们可以设想这样一个情景。在入侵植物肆掠的道路两侧,野外技术人员在生长季几乎整天就在外忙碌着,他们要编目样方中几乎每棵树的位置、胸径和高度,要整理各收集装置中的落叶并压成标本。据此,他们可以估算生态系统的新陈代谢过程,尤其是每年能产生多少生物量。在另外对动物进行研究的样方中,技术人员正在捕捉老鼠并抽取血液样本,用于检测包括可传染给人类的一些疾病。工作人员还要收集并保存各种昆虫样本,在山脚采集土壤研究细菌。当他们停下来擦擦汗,喝口水解解渴,看到在不远的高处,有一个50米高的金属观测塔,矗立于树冠之上,隐隐约约可以看到观测塔在不同高度装满了监测气温、风速和太阳辐射等的各种传感器,还有那最具标志性的碳通量监测设备,正在时刻4着整个森林的呼吸。

NEON的科学家们坚信,对生态系统观测的长期记录,将从根本上改变传统的生态学研究,有助于科学家们回答诸如入侵物种是如何改变景观的,以及传染病是如何迅速蔓延到整个生态系统等问题。这个台站网络就是回答这些问题的真正工具,有了这样的工具,生态学家们才能大胆号称我们终于进军大科学领域了,这个类似巨额物理设施(如粒子对撞机或望远镜)投资的工程!

但是,生态学家要进入大科学领域,显然是任重而道远的。在过去五年的建设期,NEON遇到了一系列麻烦,引发了人们对该计划的担忧。2015年6月,负责管理NEON的公司(NEON, Inc.)宣布项目的运行已经超预算8千万美元,NSF与美国国会一片哗然,责难声不断。特别在发现这个公司将联邦资金用于非正当用途后,国会追回了一批管理不善的费用,并与NEON和NSF官员召集听证会。事件在12月达到高潮,NSF决定不再让NEON公司来管理该项目,后续将寻求另一个运营商,以完成建设以及接管该项目的管理。

其实,追溯一下NEON的发展历史,就会发现过去多年来该项目一直受到各方质疑。生态观测站网络的想法最初来自于NSF的工作人员,他们当时正在为生物学家寻求从大科学获得资助的方式:重要研究设备和设施建设预算,这让NEON从一开始就有与生态学研究本身非常不同的立足点。有科学家担心观测站网络可能会带来大量毫无价值的数据,虽然网络承诺用数据为科学研究打开新天地,但那些数据不一定是科学家们真正需要的。但生态学家们还是很快就接受了这个想法,并率先在学术交流会上对NEON进行设计。在这些大大小小的会议上,与会者们被鼓励做更大的梦想。在2000~2002年间6次学术讨论会上,生态学家们研制出一种集灵活观测网络和实验中心的计划,但科学家们不同意是否应该为每个站点指定特定的研究主题或允许美国生态学家选择自己的焦点问题进行研究。在提交给国会2002年度的预算中,NSF要求用1200万美元打造两个原型NEON站点,这在很大程度上是以研讨会的报告为基础的。但国会拒绝了这项申请,理由是缺乏关于该项目的信息,以及对其成本估计不足。

当时的背景是,美国生态学家们有一个长期生态研究网络(Long Term Ecological Research network),是美国研究特定地点生态学的研究者联盟,都具备了五年以上的系列观测,各站点对测量都有专门的设计,也理所当然被看成是为NEON准备的最佳模式。然而,NEON的领导者最终没有采纳这种模式,而是采用了一个通用性(one-size-fits-all)方法,在整个网络用标准的协议和工具进行部署,研究一些紧迫的问题,包括对生物多样性和气候变化等。专家小组还建议NSF将NEON作为一个全国性的观测网络进行统一管理,由一个专门机构来负责运维。NSF在2004年早期发布了最初的提案,600万美元投入到NEON的设计中。美国生物科学研究所的一些成员,参与了该项目的前期规划。2005年12月,一些带头的设计者创立了NEON公司。在接下来的几年里,NEON的结构开始成形。

但是,当选择在什么地方建站,以及如何进行最好的测量时,一些生态学家对某些选择表示反对,并感觉到他们的专业知识被忽视了。强调在所有的地方进行相同的规范化测量,就意味着NEON不得不牺牲各站点的最佳方案,生态学家们由此感到了冷落。于是,许多生态学家在这个决定作出之后,也就停止跟踪项目的进展,部分也是因为NEON公司不再听取他们的意见。尽管缺乏一些来自生态学研究群体的建议,2009年NSF还是批准了NEON的最终设计。国会授权在2011年7月投入建设资金,计划在2016年底完成。一些站点的建设费尽了周折才得到许可,还有许多技术难题有待于解决。自我造成的问题包括高层人员的流失,还有科学家们感觉没有充分的权威而导致的冲突。在2012年的建设开始后,关于公司的会计和NSF的监督问题很快出现。复核发现,NEON的账目是混乱的:审计人员对超过三分之一的总建设成本(1.54亿美元)提出了质疑,最后确定NEON公司无法提供足够的信息支持提案中的预算。后来的审计和调查发现了一些NEON管理中的可疑花费,比如25000美元的一次聚会以及3000美元的T恤衫。此外,该公司搬到一个新的办公室,还在旧租约上剩余的时间支付了近50万美元的开支。审计之后,NSF总监敦促密切关注该项目的进展。

另外,NEON的整个建设工期也被耽搁了。有些情况是可以预料的,如在城市难于获得建立观测塔的许可。其他的一些问题可以算是运气不佳。如在西弗吉尼亚州的一个站点上,一棵树倒了,摧毁了一些大气监测仪器。在靠近弗吉尼亚站点塔的附近,一只熊损坏了土壤监测仪器的光纤数据线。担心会影响怀孕猎豹的健康,保护区附近的设施安装计划被迫废弃,不能再用直升机吊装塔最高部分的仪器,只能让施工人员用手抬上去安装。时间上的耽搁使得NEON的花费会更加超支预算。2015年6月,管理公司向NSF提出在原4.34亿美元的预算外尚需要8千万美元才能完成建设。由于国会已经开始担心NSF的管理工作,他们要求将项目进行精简,保持在预算范围之内。这就是告诉NEON公司将站点数量从95个减少到81个,取消溪流实验的建设,放弃其中的一些嵌入式传感器。去年九月NEON公司解雇了其首席执行官,并委任一名新的临时执行官。但该公司在2015年12月提交了一份新的报告,再次请求增加预算和时间上的宽限,这直接葬送了该公司的前途,NSF决定寻找一个新的公司来管理该项目。其实目前无论谁来接管该项目都是一个困难的角色,因为一些研究人员在项目规划阶段就感到被疏远了,激烈批判这种观测网络的方式正离他们渐行渐远,现在许多生态学家仍然不愿与该项目合作。但在生态研究领域该项目仍然充满巨大的希望,生态学家们最大的梦想就是要建立一个统一的项目,类似于物理学领域的大型强子对撞机。NEON的进度落后一年,这是不可接受的。要回到正轨,NEON将保持所有20个领域的核心站点,但其他站点的数量将减少,其中最大的变化是放弃STREON。与NEON的其它收集信息的组件不同, STREON旨在改变河流生态系统(比如添加营养、模拟极端天气条件,除去捕食者),然后记录有什么响应。但要获得许可做这样的实验的是很困难的,不可能得到一个许可将某种化学物质长期投放到谁中,任何一个业主都可以否决它。NSF仍然对STREON的进展很感兴趣,但水生科学家对此表示怀疑。他们说,STREON独立运行将是困难的,因为它依赖于NEON站点作为对照。他们也看到NSF的决定是将NEON的水生组建作为系统忽视的一部分。六月份就有许多研究人员写信给NEON和NSF,指出建设水生站点的建设远远落后于陆地站点,他们敦促管理机构和项目管理者转移一些资源缩小差距,NEON的官员果断拒绝了这一顾此失彼的想法。没有STREON,NEON将主要集中在陆地生态系统。该举与美国国家科学院2003年的报告背道而驰。这个该报告强调了用实验结果来补充NEON观测数据的重要性,这对生态学研究来说是很重要的,但现在不会有任何实验成分了。NEON的官员仍然需要努力来详细解决这种战略性放弃(descoping)或削弱某些目标,加强NSF对NEON公司的监督。NSF并没有动摇支持该项目,包括NEON运行中操作设施和共享数据需要一年6千5百万美元的费用,这个预算不变。

最难的任务是继续获得生态学家的支持,NSF开始改变一些策略,资助一些个人研究。随着资金开始向个人研究人员流动,生态学家们的兴趣开始高涨了。在2015年8月,NSF拿出480万美元,资助对NEON数据感兴趣的研究者和研讨会组织者。比如,蒙大拿大学密苏拉分校的生物气候学家Ash Ballantyne就获得了30万美元来研究干旱、火灾和虫害对碳循环的影响,他计划探讨干旱或其他干扰是如何导致树木的甲虫爆发或火灾的。杜克大学的生态学家和统计学家的Jim Clark获得资助来建造更复杂的生态模型。他认为,我们一直都是以逐个物种为基础进行建模的,如果有100个物种,有人就会适配100个不同的模型,然后将它们加在一起而已。这其实忽略了物种间的相互作用,而NEON有关物种多度的数据可能有助于适配并获得联合模型,解释物种是如何共同应对生态系统变化的。加利福尼亚大学的环境学家Frank Davis说,他计划用NEON的机载观测设备研究不同尺度的森林覆盖,尺度从几厘米到几公里不等。

15年前由NSF主任首次提出NEON计划,被视为生态学加入大数据世界的入口。与传统研究中科学家们用他们自己的方法和工具来监控世界的一小部分不同,NEON将标准化对整个大陆的大规模数据过程。在很多次不成功的开始之后,研究人员和NSF才设计了这样一个合并计划。三架飞机将周期性飞过这个区域记录植被格局的变化。数据向所有人开放,将允许科学家组合气候变化、土地利用趋势和外来入侵物种运动的大规模研究。我们从这个策划中看到的另外一个问题是,许多生态学家并不习惯NEON所涉及的大尺度思考,最终NEON将是为生态学家而准备的,但生态学家为NEON做好了准备吗?许多研究者已经自己筹建了分布全球的观测网络,并从中获得了对全球尺度的宝贵经验。比如,全球湖泊生态观测网(Global Lakes Ecological Observatory Network)始于2005年,将世界各地的研究者连接在一起,监测人类对湖泊生态系统的影响。营养网络(Nutrient Network,或称NutNet)连接了六大洲的研究人员,他们都执行同一套实验标准,探讨草原中的植物生产是如何由磷和氮限制的。这些网络所涉猎的范围比NEON小,但给研究者有更多的控制权。只有少数人决定如何进行实验或获得数据,这样的小网络就可以紧密维持科学上的焦点,而这对NEON来说是非常困难的,众口难调!

NSF的项目管理模式强调在设计早期让科学家参与进来,但由项目管理方面的专业人员来执行。这种方法限制了NEON对科学的适用性,因为时不时会有一些不可预见的技术和科学挑战出现。生态学家们仍然在努力学习如何管理大型项目,科学咨询机构高层承认一些失误是不可避免的,因为生态学研究群体从来没有管理这种规模研究的经验。许多让NEON陷入困境的挑战由来已久,有些通过科学家与项目管理之间的接触已经解决。此时重新建立科学群体之间的这种接合将为NSF、NEON以及更广泛的生态学研究群体带来好处。恢复科学领导和科学同行评议,将有助于项目最终成功,使NEON实现其对科学和社会的收益。只要生态学要用于预测气候变化和生物多样性丧失的问题,就需要来自大尺度的网络数据。其中的一个挑战是让研究群体来参与并了解他们正在等待一个伟大的科学仪器建造完成。目前我们还无法从电脑屏幕弹出整个大陆范围的环境监测数据,这样的数据还需要好几年时间,因为这不是一个简单的问题。

参考文献:

Jeffrey Mervis, The dimming of NEON. Science, 2015-08-07, 349(6248): 574.

Todd Dawson et al., Illuminating next steps for NEON. Science, 2015-09-11, 349(6253): 1176-1177.

Chris Cesare, Ecology aims high. Nature, 2016-01-21, 529: 274–276.

本文引用地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-502444-954833.html


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