从看图识鸟到生态建模的硬科学

自然之道、自然之法是我们取用不竭的认知系统问题的源泉。生态系统这样一个复杂而动态的整体，承载着物质循环、能量流动与信息传播的核心功能。我们应该如何研究生态系统？如何理解其中的复杂性？它又能给人类带来哪些启发？本期访谈北京林业大学副教授李周园，带你走进生态系统研究。本文来自：集智俱乐部 （ID：swarma_org），作者：李周园，整理：集智编辑部什么是生态系统？Q1：生态系统有哪些关键特征？生态系统是生物和环境的一个集合。我们研究生态系统，就是研究生态系统的物质流动、能量循环，还有信息传播这些过程。生态系统有两个最基本的属性，一个就是它的多样性的特征，还有就是它的稳定性的特征。其实这也是生态系统的一体两面。多样性更强地反映了生态系统的结构特征，它是指生态系统中的物种组成等组分，它们是生态系统中的各种个体，个体会形成一个整体，整体会发生各种各样的涌现，形成生态系统的功能在时间维度上是一种表现为稳定性的这种属性呢，我们可以对这种特性进行测度，进行评价。Q2：模拟生态系统有何特点？人工生态系统，比如说像城市、农田，还有我们人造的一些生态系统，以及计算机系统中模拟出的生态系统，与真实的自然相比，最大的区别就在于复杂性。因为自然生态系统是全息的，而且是非常真实的。任何的模拟，任何的人工，都是取其一个维度，取其一个局部。我们在去接近一个系统，或者说是深入地研究一个系统时，我们必然要以信息损失为代价，去刻画它，去描述它。我们在有限的维度上对生态系统进行解构、拆解、降维，这是信息处理的一个必然的过程，我们没有必要，也不可能事无巨细地把自然系统的每一个细节呈现出来。但是，我们作为理性的个体，认知一个客观的大自然时、解构一个复杂系统时，我们必须要通过控制变量的方法，拆解其一个侧面，进而判断它的全貌。如何构建生态系统的时空模型？Q3：生态系统能有多大或多小？对生态系统的研究确实是一个跨尺度的问题。说到小，我们可以小到锥形瓶里的一个生态系统，小到培养皿的一个生态系统，我们可以构建一个微宇宙、微环境，研究微生态的变化，或者是一些原生动物、藻类组成的一个微缩的生态系统。说到大的，放眼来看，我们甚至可以把整个地球作为一个生物圈。比如一些很知名的生态系统研究，生物圈二号研究等，是模拟了自然的地表生态系统的演变。在其中，我们还可以看到群落尺度的、景观尺度的、国土尺度的生态系统等，它是一个跨尺度的一个研究。Q4：对一个生态系统的研究需要多长时间？说到生态系统的变化尺度，可能在一天之内或者几天之内，微生态的环境可能就发生了变化。比如肠道微生物菌群群落的变化，或者是土壤中一些根际微生物的变化，它的变化尺度可能是几个小时。或者我们家庭后花园的蚜虫爆发，尺度可能是几天几个月。大到更大的空间尺度上，比如全球的变化、陆地生态系统的变化，它的演化周期是非常长的。草原的研究可能达到几十年、几百年的观测水平，才可以比较全面、深入和真实地刻画这个系统。随着技术手段的升级，生态学的研究对象得到了不断的扩展。对于长时间序列的生态演变，我们可以有很多间接观测的手段，还有数据资料。比如，对于古生态系统，我们可以利用化石、冰芯或者是孢粉数据，对历史数据进行重建。至于几十年的尺度，我们有卫星遥感的数据，可以通过对地球拍摄大照片，采集监测几十年的演变。这些都是可以从时间序列上补充我们的观测资料的。所以说，理想的时间长度是根据你所研究的系统边界、你研究的问题、关心的对象来确定的，它都有一个生命的周期。Q5：生态系统建模有哪些方法？要想刻画和抽象一个生态系统，可以用数学的方法，或者是生态建模的方法，归纳来讲主要有两类。我们可以借鉴物理学中的归纳法和演绎法。其中一类就是动力学的方法。比如，我们在研究虫口爆发、人口增长等一些动力系统的问题时，可以建立微分方程模型。另外一种可以被称之为热力学的方法，或者说是热力统计学的方法，采取一种宏观有序而微观无序的这个视角，通过大数据的统计分析，总结、归纳、提炼它的统计特征，然后在一些高维的数据空间上进行实证研究。这是两个方向，一个可以称之为演绎法，我指的是动力学的方法，还有一个就是统计学的方法，或者说我们用归纳法的方法论去研究。此外，由于生态学研究的是生物与环境之间的互相作用关系，所以网络科学的方法也可以在高维变量、高维度的互相作用过程中，发挥很大的作用。Q6：您的主要研究方向是什么？我个人的研究方向有两类。一类是编字典式的生态学研究，还有一类就是拍摄纪录片式的生态学研究。前者对应的是我们课题组中相对微观视角的一个生态学研究，研究生态系统的生物多样性，我们是对各种物种，包括对动物、植物的生物多样性信息进行编目，进行数据库的建设。这就类似于读懂大自然这本书，像编字典一样进行研究。另外一个则是宏观视角，我们会利用遥感技术，对地面进行观测，通过遥感卫星图像对宏观的生态系统演变进行观测，忠实地记录地表生态系统的变化过程，分析它背后的驱动力。要解决的关键问题，就是解析生态系统的结构、功能在环境变化下的响应，以便对未来有更好的研判和预测。Q7：研究中遇到最大挑战是什么？说到最具挑战的研究或者是课题，我想说我们现在正在研究的一个问题，它非常具有挑战难度。我们在研的一个重点研发项目，关于青藏高原的保护地及其周边的生物多样性保护和多功能提升。核心问题是想要解决高寒草地高原生态屏障区中，人、草、野生动物和家畜之间，以及人为活动、草地承载力、野生动物与家畜之间的矛盾。这是一个复杂的自然耦合体，也是一个复杂的共生体，并且在夏季和冬季此消彼长的草地流转过程中，产生了一定的矛盾。由于我国青藏高原自然保护地近年来的保护卓有成效，野生动物种群不断增长，因此需要考察其是否存在外溢效应，以及与人为活动、放牧活动（包括居民、旅游、建设、城镇化）在时间和空间上的冲突。这些问题是需要我们详细梳理的，也是亟待解决的。这是一个多学科交叉的问题。在解决方法方面，需要运用综合的、各学科的手段，包括遥感、无人机、草地健康诊断、草学、生态学、气候变化以及栖息地评价等方法，将其融合到生态学框架之下，以解决人与自然和谐共生的问题。生态系统的研究价值Q8：生态系统研究有何社会意义？从对人类的福祉也好，对社会的效益也好，要评价生态系统，我们有一个比较公认的一个框架，它是联合国千年生态评估当中提出的。生态系统对人类福祉具有三大服务功能。第一是支持供给功能，例如提供粮食、木材以及各种生产资料。第二类是环境调节功能。包括调节水文稳定、水文蓄洪、水源涵养、水土保持以及气候调节。第三类是人类社会的美学和文化功能，它涉及娱乐以及地方认同感等，这也是一个基础性的功能。上述就是生态系统对人类社会的直接作用。但是，生态学研究对人类社会还有另一个间接效益，即它是人类社会经济系统的一种隐喻。复杂的生态系统为我们提供了许多寓言故事，帮助我们去思考复杂系统的可持续发展。例如我们经常讲到的商业生态模式或生态系统的构建，这些都来源于对生态学的观察和研究。Q9：生态恢复中，人类的干预有多大的作用？从我们近期的研究来看，我们做了一项青藏高原三江源地区的定量的遥感的研究。计算分析结果显示，气候因素对该地区生态恢复的植被改善效益占比约为47%。地形地貌等地理因素占比约为41%。而人为活动，即人为干预开展的各种围封恢复、人工种植等生态修复措施占比约为12%。因此，我们提出了一种“天帮忙，人努力”的高寒草地生态修复模式。这是人类干预活动对生态修复的贡献的具体案例资料。现在也提倡近自然修复。天地是一大父母，人体是一个小宇宙，这类似于人体生病的情形，人体具有抵抗力。自然也具有免疫力，它是一个有韧性、自组织的复杂系统，就像人体健康一样。我们生病时，有时还是要通过吃药干预一下，但是药不能当饭吃。我们还是要通过自然的调控来实现自然的平衡。例如，通过草原上顶级捕食者的这个调控，达到草畜平衡，或者在草地和野生动物之间达成一种默契，让种群形成一个相对稳定的平衡态，让植被和动物都可以可持续地向前发展。至于生态修复可能带来的不良影响，我觉得就像人治病一样，不能过度治疗，不能过度干预，否则可能会适得其反。其中就包括不当引种，如果没有很好地了解乡土种和生态入侵物种等相关问题，有可能就会产生生态入侵的风险。引用资料：Li，Z.;Shen，Q.;Fan，W.;Dong，S.;Wang，Z.;Xu，Y.;Ma，T.;Cao，Y.(2024)Nature-based solutions vs.human-induced approaches for alpine grassland ecosystem:“Climate-help”overwhelms“human act”to promote ecological restoration in the Three-River-Source Region of Qinghai-Tibet Plateau.Remote Sensing.16，1156.未来的方向Q10：如何看待生态系统研究的发展？生态学是一个经历了漫长演变的学科，并且现在越来越重要。生态学的研究方法或研究范式，经历了类似于自然科学的几个阶段。首先是从博物学、生物学或生物地理学演变而来。最初是描述性研究，其后进入实验性阶段，科学家们进行了大量的控制实验。第三个阶段是更加定量的理性分析，在积累大量客观素材的基础上，发展出了强有力的理论生态学部分。Q11：未来有哪些重点研究方向？朝着未来的方向呢，生态学将在大数据范式之下，涌现出更加可预测、更加定量化的生态学，即more quantifiable和more predictable的ecology。也类似于化学、物理和数学，走向更加硬化的科学道路，拥有更多的公理、定理和定量化、更加精准的研究。同时，除了向硬化方向迈进之外，还有另一个软化方向，即生态学即将走向千家万户，或者说正在走向千家万户。现在的生态文明深入人心，而且生态建设支撑着人们的美好生活和人与自然的和谐共生。在大城市中，无论是绿化美化环境，还是疗愈心灵，包括生态大健康、生态康养等产业的兴起，生态学不再仅以科学研究形式出现，它更多以通识知识、人文素养，或者社会福祉重要组成部分的形式存在，走进千家万户。Q12：对想进入该领域的学生有何建议？首先我想说，生态学欢迎所有人。从做学术的角度上来讲呢，我觉得他山之石可以攻玉。生态学是一个整体论的学科，需要各种学科的集成交叉，来促成这个学科的繁荣和发展。所以，阅读经典，扎实培养好理性思维，认真地学习统计学知识、植物学知识，读懂大自然的语言是非常重要的。这些都能帮助你在生态学领域走得更加长远。本文来自：集智俱乐部 （ID：swarma_org），受访者：李周园（北京林业大学副教授），创作团队：集智俱乐部，审核专家：张江（北京师范大学系统科学学院教授），出品：中国科协科普部，监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司，本文为科普中国创作培育计划作品