有时，沙漠会让人感到渺小、无关紧要，甚至愚蠢。比尔·施莱辛格（Bill Schlesinger）今天就有这种感觉。他和同事简·雷克斯（Jane Raikes）用尖桩和卷尺在新墨西哥州拉斯克鲁塞斯以北15英里的霍尔纳达盆地（Jornada Basin）圈出了大约100平方码的沙漠土地。他们的地界包括一些低矮的橄榄色灌木、一丛稀疏的棕褐色蛇草，以及大片裸露的土壤。一些蚂蚁在地上爬行。一只手掌大小的德克萨斯角蜥蜴试图在灌木的阴影下保持凉爽。这片沙漠看起来与北美洲无数其他沙漠地块几乎一模一样。
为什么会有人——即使是像施莱辛格这样来自北卡罗来纳州杜克大学的生物地球化学家——要费心标记和研究这片特殊的沙漠，外人很难理解。施莱辛格也意识到这一点。因此，当他向雷克斯报出一对对数字时，他对自己从过往的周末骑马者那里得到的困惑眼神并不感到惊讶。雷克斯拿着岩锤和金属管，前往地块中相应的坐标。她将金属管打入地下两英寸，敲击声在寂静中回荡。然后她撬出金属管，将堵塞的土壤敲入一个自封袋。施莱辛格说：“我能想象报纸上会怎么写了。‘他们多次敲击泥土中的管子，觉得很兴奋。’”
尽管施莱辛格习惯性地自嘲，但他知道他和雷克斯收集的几勺土壤可能有助于揭示沙漠的深刻秘密。如果雷克斯和施莱辛格150年前来到这个地方，他们会被几乎连绵不绝的草地环绕，这些草地横跨整个盆地。不知何故，霍尔纳达此后发生了变化，施莱辛格、雷克斯和在这里工作的其他研究人员认为他们知道原因。他们相信，在许多情况下，沙漠就像一个活的有机体。就像仙人掌或响尾蛇一样，它需要父母才能诞生，但一旦被踢到世界上，它就可以自己生长和繁衍。他们说，沙漠不一定是由降雨减少等外部因素造成的。相反，是沙漠本身的内部生态——它的植物、动物和土壤网络——推动着它的成长和稳定。而草地向沙漠的转变也并不一定意味着生命的稀缺，而只是生命的重新排列。
大草原正在演变成成熟的沙漠，不仅在霍尔纳达盆地，而且在世界各地，除了南极洲以外的每个大陆——也就是说，在有人类定居的每个大陆。仅北美洲就有约11亿英亩土地已经荒漠化，研究人员表示，全球变暖可能会在未来一个世纪产生更多的沙漠面积。荒漠化是一个足够严重的威胁，以至于87个国家的代表起草了一项条约来对抗它；只有另外两次环境危机——臭氧层破坏和全球变暖——获得了如此多的关注。但科学家们仍在争论荒漠化究竟是如何发生的，其中有多少是自然波动，有多少是人为造成的。这场辩论的政治影响是巨大的——例如牧场主与内政部长布鲁斯·巴比特（Bruce Babbitt）之间关于公共土地放牧权的冲突。如果施莱辛格和他在霍尔纳达的同事们建立的模型被证明是正确的，它将为这场辩论注入一些急需的科学依据。
试图从霍尔纳达310平方英里的范围推广到整个地球，这多少有些生态上的傲慢，但霍尔纳达确实是一个特殊的地方。它可以说是世界上研究最深入的沙漠。正如美国农业部霍尔纳达实验牧场主任克里斯·哈夫斯塔德（Kris Havstad）带着施莱辛格和雷克斯驾车游览盆地时所说，他讲述了霍尔纳达的悠久历史：早在1600年，西班牙的马车就载着牲畜从墨西哥城前往圣达菲。他们试图避开里奥格兰德河，因为地形崎岖不平，容易陷入泥泞。所以他们翻越了山脉，进入了平原。问题是，这里几乎没有水。当你阅读人们旅行时留下的日记，当他们到达这里时，他们都变得非常安静。
这条90英里的小径很快被命名为“死亡之旅”（Jornada del Muerto）。然而，尽管它干燥，但当时这个盆地并不是沙漠。
“没有什么能比我们今天早上经过的乡村更美丽的了，”梅·汉弗莱·史黛西（May Humphrey Stacy）在1857年穿越盆地后写道，“整个区域，视野所及之处，都是一片平坦的平原， thickly覆盖着最茂盛的草。”
霍尔纳达盆地位于奇瓦瓦沙漠的北缘，该沙漠从新墨西哥州向南延伸1000英里，穿过得克萨斯州的西部楔形地带，一直延伸到墨西哥的脊梁。灌木丛和带刺的小豆科灌木主宰着这里的景观。然而，数千年来，霍尔纳达一直是一片稳定的草原。密集的金茎黑格拉马草吸引了墨西哥的牧牛人，随后又吸引了美国人。
但由于那些早期定居者只能在边境山区的泉水处给牲畜饮水，所以他们养的牛很少。“直到我们带来了在像这样水深400英尺的地方打井的技术，这片土地才开放给重度放牧，”哈夫斯塔德说。19世纪80年代水被引到地面后，这里有2万头牛。这个地方简直被‘锤’烂了。”
到了世纪之交，人们开始注意到霍尔纳达正在发生变化。草地变薄了，豆科灌木和灌木丛开始蔓延。地面变得裸露；在某些地方形成了低矮的沙丘。牧业的利润越来越低。类似的改变在美国西部各地都在发生，1912年，美国农业部官员围住了盆地19.2万英亩的土地，建立了实验牧场，他们在那里试图了解正在发生什么以及如何阻止它。
当哈夫斯塔德讲述霍尔纳达的故事时，他正透过卡车车窗寻找这段历史的印迹。半英里外，他发现了一根系在带刺铁丝网上的红丝带；离公路50码的地方，另一根丝带系在肥皂树丝兰顶部绽放的矛形叶子上。附近，四根生锈的钢柱从地面冒出，形成一个正方形的角落。83年前，当美国农业部接管霍尔纳达时，它派测量员勘测了104个这样的地点，此后几十年，美国农业部的研究人员忠实地描绘了每个方格内的植被。哈夫斯塔德手中有一些这个地块的早期图纸。它们显示了零星的草丛。现在，这四根柱子只围住了豆科灌木。
这些早期的研究人员并不认为自己是生态学家。他们是牧场科学家，致力于弄清楚如何让霍尔纳达为牛提供食物。他们竭尽所能阻止盆地的蜕变。他们将牛群数量减少到几百头。他们拔掉豆科灌木，毒杀灌木丛，播种草籽，并挖凿巨大的坑洞以帮助水分渗透到地下。他们失败了。霍尔纳达的研究人员估计，1858年，大约5%的牧场被豆科灌木或灌木丛占据，37%的牧场有一些灌木，其余58%的牧场没有灌木。仅仅100多年后，到1963年，64%的牧场被豆科灌木和灌木丛占据，剩下的36%已不能再完全称为草原。现在，哈夫斯塔德估计，大约80%是典型的沙漠灌木林地。
尽管荒漠化让牧场科学家们心碎，但它却让霍尔纳达成为沙漠生态学家们着迷的地方。“你几乎可以在那里找到奇瓦瓦沙漠中能找到的每一种植被单元，”沃尔特·惠特福德（Walt Whitford）说。惠特福德于1964年来到拉斯克鲁塞斯的新墨西哥州立大学，开始研究霍尔纳达。从校园到霍尔纳达的短距离车程以及悠久的研究历史使其成为一个有吸引力的生态学研究场所。而最重要的是，惠特福德说，他可以在那里真正地进行生态学研究。“你可以去国家公园，但你不能在里面做实验。霍尔纳达是一大片专用于研究的土地。我们可以移动牲畜，实施干旱，焚烧地带——我们可以做你能想象的几乎任何事情。”
1981年，惠特福德启动了霍尔纳达长期生态研究项目。他自己的专长是沙漠动物，他吸引其他研究人员加入他，研究霍尔纳达的植物、土壤化学以及风和水的模式。但到了80年代中期，随着数据塞满了他们的文件柜和电脑，惠特福德的团队开始觉得他们更像簿记员而不是科学家。“最大的问题是将我们在新墨西哥州一个地点所做的工作与全球荒漠化联系起来，”杜克大学生态学家詹姆斯·雷诺兹解释道。他们问，霍尔纳达究竟是如何变化的，同样的进程是否也导致了其他地方的变化？
1988年，一个下午，在哥伦布市举行的一次生态会议期间，霍尔纳达资深研究人员把自己关在俄亥俄州一家酒店的房间里，答案的最初线索出现了。那天，在他们漫长的交谈中，他们首次意识到，他们都注意到了霍尔纳达一个简单但重要的模式：沙漠是零散的。即使是未经训练的眼睛，它的植被也明显是零散的，看起来就像一片干涸海洋中的群岛。但研究人员发现，沙漠在看不见的方式上也是零散的，例如在水、养分和微生物的分布上。另一方面，草原是相对均匀的植物和资源地毯。霍尔纳达研究人员那天下午决定，找出是什么驱动生态系统从平滑变为零散，你就能解释荒漠化。
在接下来的几年里，他们根据观察、实验和直觉构建了一个他们称之为“霍尔纳达模型”的东西。和所有模型一样，它是一个故事，始于19世纪，当时盆地还是一片草原。尽管其气候异常干燥，但该生态系统已稳定了数千年，部分原因在于它能够创造自己的天气。其海绵状的土壤吸收雨水，当水蒸发回空气中时，形成云层，然后将雨水循环回盆地。
这片草地也能够排斥竞争植物。虽然盆地中生长着一些灌木丛和豆科灌木，但它们的生存非常脆弱。“它们是土生土长的植物，一直都在那里，只是在等待时机，”哈夫斯塔德说。然而，灌木幼苗特别容易受到横扫草地的火灾的影响，而幸存下来的幼苗则面临着严重的缺水问题：草地浅而密的根系在雨水渗透到灌木更深的根系之前就吸收了雨水。
在19世纪后期，由于先进的钻井技术使得大规模的放牧成为可能，这些未加管理的牛群帮助灌木突破了草原的防御。仅仅通过啃食牧草，牛群就损害了草地的光合作用和生长能力。不那么明显但同样重要的是，它们很可能使景观变得零散。生态学家推测，随着牛群踩踏地面前往它们最喜欢的觅食点，它们经常走过的地面吸收水分的能力变差。雨水会沿着这片土壤流过，而不是渗透进去，从而形成沟渠。水不再停留在生长着草根的表层土壤中，而是要么向下游流走，要么通过沟渠底部渗透下去，到达只有深根灌木才能触及的地方。蹄印形成了渗入土壤的水池，为幼苗扎根和繁茂创造了条件。水不再均匀地分布在盆地中，而是集中在分散的地方。
等到巨大的牛群离开霍尔纳达时，它们已经把它推过了临界点。现在，沙漠本身的生态接替了外部影响留下的作用。
施莱辛格解释说：“灌木根系深广，所以它们能从沙漠的大片区域获取氮。那里的浓度很低，但它们仍在获取并将其集中在自己的组织中。然后，当灌木落叶时，叶子会落在灌木下方。这就像一个抽水机制。它们从四面八方吸收养分，然后将它们倾倒在树冠下。叶子在灌木下分解，氮得以循环。大部分氮都是从灌木下循环的，但每年都有新的氮通过这些根系被添加进来。”
灌木将盆地中的氮从平滑的层重新排列成集中且日益孤立的肥沃岛屿。风和雨开始使这些岛屿生长得更快。阵风刮过裸露的斑块，带走富含养分的尘土，但当它们撞击灌木丛和豆科灌木的树冠时，它们会破碎成旋转、减弱的涡流，将尘土——以及枯叶和其他有机物——落在灌木的底部。当雨滴撞击无保护的土壤时，它会铲起表层土壤，并将其随地表径流带走，当水流撞击斑块的下坡边缘时，它会侵蚀掉更多的土壤。但灌木根系保护它们的岛屿免受水流侵蚀，它们的叶子减缓了雨滴的坠落，雨滴轻轻地滴落到下面的海绵状土壤中。
豆科灌木和灌木丛也带来了适应它们的动物，这些动物以自己的方式帮助了这些岛屿的生长。白蚁和袋鼠鼠从广阔的区域收集食物，并将其储存在它们的巢穴中，它们通常将巢穴建在灌木下面。通过这种方式，它们将大量有机物带入这些岛屿，并将其从周围区域带走。与此同时，它们在远离灌木的地方建立的巢穴通常成为新幼苗的理想出生地。
即使是昆虫口器的形状也能帮助形成沙漠。“在草原上，大部分的分解工作是由咀嚼者完成的，”惠特福德说，这些草原昆虫的排泄物——科学术语是“虫粪”——由坚韧、复杂的物质组成，在最终分解之前会散布在地面上。但他解释说，你在灌木上发现的昆虫，主要是口器像小皮下注射针一样的小家伙，它们直接插入植物的维管系统，吸取植物的汁液。“虫粪基本上是一种简单的糖溶液。当它进入土壤时，你就有了现成的能量来源，供微生物利用并分解到土壤中，供植物生长。”
根据这个模型，所有这些反馈循环最终将在数千年内，在霍尔纳达达到平衡。当一棵灌木死亡时，它留下的岛屿将成为新灌木的苗圃，新灌木将因与下一个岛屿的距离而免受火灾。坚硬的裸露土壤和以灌木为主的岛屿都无法为入侵的草类提供希望。由于土壤的持水能力越来越弱，雨水循环将停止，使沙漠变得更加干燥。
由于生态学是一门发展缓慢的科学，研究人员知道，提出这个模型意味着他们将为之奉献几十年。在他们第一次集思广益七年后，他们听起来充满希望。“我们迄今为止收集到的所有证据都支持它，”雷诺兹说。例如，新墨西哥州立大学的生物学家劳拉·休内克（Laura Huenneke）一直在测量霍尔纳达植被的生物量，她发现模型的核心原则是正确的：干旱草原和以灌木为主的沙漠含有大致相同重量的植物材料。只是它们的排列方式不同。
研究人员现在甚至足够自信，可以认为霍尔纳达模型解释了世界其他地区的荒漠化。草可能不是黑格拉马草，灌木可能不是豆科灌木和灌木丛，但基本过程似乎是普遍的。
该模型也应适用于人类开始改变地貌之前沙漠的扩张，气候的缓慢变化扮演着放牧牲畜的角色。根据这个设想，当一片草原经历了数百年的降雨减少时，土壤的表层会变干。根系较浅的草会受到影响，但灌木仍然能够利用雨水径流渗透到地下的深层水，并开始建立它们的岛屿。大气成分的同时变化可能会加速这一过程。草类比豆科灌木和灌木丛等植物更有效地吸收二氧化碳，因此它们可以在低水平的二氧化碳下茁壮成长。但当大气中的二氧化碳水平不时跃升时，草原失去了竞争优势，变得容易受到灌木和斑块化的影响。
在进一步测试模型时，研究人员像一群蝗虫一样在盆地中爬行。例如，施莱辛格和雷克斯敲击泥土中的管子，并觉得这很有趣，因为他们想了解沙漠土壤中化学物质的分布在数千年间是如何变化的。模型预测，对生命重要的化学物质会集中在植被下，而锂和溴等不必要的元素则保持均匀分散。施莱辛格正在收集霍尔纳达草原和灌木地带的土壤样本，并将其与加利福尼亚莫哈维沙漠的样本进行比较，那里干燥的气候使得灌木丛在1万年中形成了肥沃的岛屿。如果模型是正确的，他应该能看到化学物质分布从年轻沙漠到古老沙漠的演变过程。
然而，模型中最具争议的并非这些最后阶段，而是最初的阶段——即放牧据称引发了肥沃岛屿的形成。荒漠化的人为原因及其解决方案吸引了大量资金，并引发了政治争论。数十亿美元已经用于各种抗击荒漠化的计划，尽管研究人员才刚刚开始了解它是如何运作的。批评者认为，发展中国家利用对沙漠蔓延的恐惧作为确保援助流动的手段。但争论并不仅限于第三世界国家。在美国，环保组织正在敦促巴比特部长提高对2.8亿英亩公共牧场的放牧费用。他们说，廉价的放牧权会使土地退化，导致物种灭绝，并最终导致荒漠化。牧场主则声称，自世纪之交以来，他们已经改善了放牧方式，因此提高放牧费用的唯一真正影响将是他们的破产。
霍尔纳达的研究人员尽力阻止外界的喧嚣影响他们的工作。“牧场业根本不喜欢我们，”施莱辛格说。“他们很想说牛群没有影响，那都是干旱、气候变化或袋鼠鼠造成的。但我认为这些并非相互排斥。我们没有必要为了强调某一点而牺牲其他因素。”
“这场辩论与科学的关系远不如与情感的关系大，”惠特福德说，“它关乎经济，关乎谁的利益受损。希望我们能提供一些事实信息。我们没有明确的证据证明这些联系；这就是我们正在进行这些实验的原因。”
到目前为止，这些实验给出了暗示性的结果，但尚未得出结论。1982年，霍尔纳达生态学家封闭了一些地块，禁止美国农业部的牛群进入。在接下来的十年中，许多仍有草地的地块与附近未受保护的草地相比，得到了显著改善；同时，以灌木为主的地块没有变化。然而，一些未受牛群影响的地块也死亡了，这表明干旱在草地的长期生存中也可能起到作用。
然而，新墨西哥州立大学生态学家威廉·康利（William Conley）指出，干旱在霍尔纳达可能并没有那么重要。草地确实容易受到干旱的影响，但仅限于在夏季生长季节发生时。美国农业部在该盆地80年的降雨记录显示，本世纪的干旱实际上更多地发生在霍尔纳达的冬季，即豆科灌木和灌木丛的生长季节。如果说有什么影响的话，它们应该有助于草地生存。康利还对降雨记录进行了统计分析，结果显示这些干旱并非异常现象；它们可能在几个世纪以来每隔几十年就会袭击霍尔纳达。如果它们有能力造成荒漠化，霍尔纳达应该在墨西哥人第一次经过它之前很久就已经变成沙漠了。
这使得放牧成为最可能的罪魁祸首。然而，霍尔纳达的生态学家们现在才开始进行实验，以记录牛群可能如何启动肥沃岛屿的步骤。在盆地的几乎正中央，一股豆科灌木浪潮正席卷着一些最后仅存的黑格拉马草。1993年，在两个植物群落的边界上，美国农业部的研究人员设立了18个围栏，每个约750平方英尺。其中9个围栏中，他们砍掉了豆科灌木，并用除草剂涂抹树桩；另外9个地点则未受触碰。惠特福德自1992年加入环境保护局以来一直继续研究霍尔纳达，他将所有植物和动物进行了分类。施莱辛格与雷诺兹现在共同领导霍尔纳达长期生态研究项目，他测量了土壤中数十种化学物质的分布。在今年冬天结束之前，哈夫斯塔德将把20多头牛带入6个牛栏中，让它们放牧24小时，届时它们应该会吃掉三分之二的草并踩踏地面。今年夏天，他将把它们放养在另外6个牛栏中，而剩下的6个牛栏将保持不受干扰。在接下来的五年里，研究人员将测量土壤、植物和动物如何对此做出反应。其中2个放牧地块将被焚烧，另外2个地块将被覆盖在防雨棚下，以观察火灾和干旱如何增强或减少放牧的影响。
如果霍尔纳达的故事真的被证明是其他沙漠的故事，那么生态学家们就应该能够预测尚未诞生的沙漠的故事。这在未来几十年可能是一项需求量很大的技能。当我们燃烧化石燃料并将二氧化碳排放到大气中时，我们再次剥夺了草在贫二氧化碳世界中的竞争优势。模拟还表明，全球变暖可能会使大陆内部变得更干燥。现在获得舒适降雨量的草原可能会变得容易受到放牧的影响，就像19世纪的霍尔纳达一样。
二十多年来，雷诺兹一直将霍尔纳达收集的数据转化为数学方程。通过计算200个变量，他现在可以准确模拟霍尔纳达几平方码土地的年度演变，无论它被草地、肥沃岛屿还是裸露土壤占据。现在他正在将这些斑块拼凑成一块代表整个盆地的拼布。他利用其真实的地理和天气，让这些斑块相互作用。灌木耗尽周围的土壤，裸露的斑块有助于侵蚀邻近的表土，因为水从一个斑块流向下一个斑块。通过测量隔离的、充满二氧化碳的区域中灌木丛和豆科灌木的生长，雷诺兹希望能够预测盆地在不久的将来如何演变。
最终，模拟应该能够预测任何草原的命运。例如，智利的一位生态学家可以将当地地形、天气模式和植被模式的数据输入计算机，然后观察这片土地转变为沙漠的可能性。雷诺兹说：“我们将能够说明这些地方对放牧和气候变化的敏感程度。我们可以说，这个区域还没有越过临界点，值得尝试恢复，但其他区域的变化是不可逆转的。”
“不可逆转”是个沉重的词，但霍尔纳达模型清楚地说明了为什么大多数恢复自我维持草原的努力都是徒劳的。移走灌木丛后，这片充满了肥沃岛屿的景观仍然非常适合新的灌木和豆科灌木入侵。“我们讨论过一个均质化实验，”雷诺兹说，“我们会去一些很大的沙丘，那里确实非常异质，然后用推土机推平那些地方，看看当你把所有东西都分布开后，草是否会再次成功。这只是一种学术追求；它不是一种修复工具。沙漠确实会自然地变成草原，但这只有在数千年持续增加的降雨抵消了肥沃岛屿的力量时才会发生。”
或许“死亡之旅”（Jornada del Muerto）这个名字现在应该改为“沙漠之旅”（Jornada del Desierto）。就像几个世纪以来人们穿越盆地一样，这片土地本身也正在经历一场旅程，而这些研究人员现在能够追溯它的轨迹。
“从气候上看，北非应该是一片草原稀树草原，”他说，“你可以回顾历史记录，读到关于山上树木和茂盛草地，以及它们如何成为罗马的粮仓，为帝国提供粮食和肉类。嗯，现在它看起来像内华达州的一些地方。你把这些放在一起，然后说，‘嗯，这个模型可能在那里发挥了作用，而且它似乎遵循了我们正在霍尔纳达等地遵循的轨迹。’我们正朝着这个方向前进。”
