美国国家公园的科学

进入死亡谷约翰逊峡谷十英里处，进行休闲徒步的游客已经稀疏，但凯莉·伊克奈恩（Kelly Iknayan）仍在小径上，在饱经风霜的景观中搜寻鸟类。

一百多年前，动物学家约瑟夫·格林内尔（Joseph Grinnell），加州大学伯克利分校脊椎动物动物学博物馆的第一任馆长，曾到访过这个同一地点，作为一项大规模的加州鸟类和小哺乳动物基线研究的一部分。伊克奈恩是伯克利大学的一名博士候选人，她正在追随格林内尔的足迹，在死亡谷、莫哈韦和约书亚树国家公园调查鸟类，这是加州大学伯克利分校科学家一项更广泛的、已实施了十年的项目的一部分，旨在了解这些动物在气候变化时代的情况。

那天，凯莉·伊克奈恩可能只是死亡谷一个偏远地区孤独的身影，但她绝不是美国408个国家公园里唯一的科学家。每年都有数百人穿着登山靴、涉水鞋或雪地靴在公园里进行研究，从佛罗里达大沼泽地到阿拉斯加的迪纳利。

Steven Beissinger国家公园系统拥有世界上一些最完整的景观，这对于研究自然环境的科学家来说是一笔宝贵的财富。以间歇泉为例：世界上的一半间歇泉已经消失，但地质学家仍然可以在黄石国家公园的保护环境中研究它们。同样的情况也适用于许多濒危物种，从黄石公园的野牛到大弯国家公园的格兰德河银色小鲱鱼，它们都是重要研究的对象。

现在很少有人会否认国家公园的价值，但这些国家瑰宝来之不易。在国家公园管理局（NPS）于1916年正式成立——也就是今年八月一百周年——之前，人们一直在争论这些土地上的自然资源应该用于经济利益还是应该为了提供大自然爱好者约翰·缪尔（John Muir）所说的“灵魂必需的慰藉”而被保护起来。在缪尔和其他倡导者的推动下，国会选择了保护。

然而，即使是享有世界上最高级别保护的国家公园，也无法幸免于人类的影响。事实上，我们对气候变化对生态系统的影响所知甚少，都来自于公园内的研究。

“对冰川国家公园和北喀斯喀特国家公园冰川融化的观察，为全球数据库提供了信息，告诉我们冰川正在退缩，而人类引起的气候变化是原因，”国家公园管理局国家气候变化科学家帕特里克·冈萨雷斯（Patrick Gonzalez）指出。其他公园的研究则调查了广泛的其他环境威胁，包括空气和噪音污染以及入侵物种。

许多在公园内进行的研究项目旨在帮助保护这些标志性的生态系统——这是一项艰巨的任务，考虑到它们的变化如此之大。“在过去的几个世纪里，传统的保护方法是试图保护历史上的生态群落，但在条件变化如此之大的情况下，这样做非常困难，”加州大学伯克利分校的保护生物学家史蒂夫·贝辛格（Steve Beissinger）说，他去年组织了一次关于国家公园科学的会议。“我们可能无法保住冰川国家公园的冰川。相反，我们可能不得不根据预测的未来条件来管理变化。”

从山脉到海岸，科学家们正在把我们国家被称为美国“最棒的创意”的国家公园变成露天实验室，运用他们最好的想法来理解自然世界以及我们如何影响它。在这里，我们将重点介绍正在全国各地公园进行的10个关键研究项目。

1. 华盛顿州奥林匹克国家公园

拆除水坝能否让河流复苏？

一百年前，流经奥林匹克国家公园的埃尔瓦河曾是鲑鱼的天堂，尤其是帝王鲑。那时，它们据说重达100磅。但当一位名叫托马斯·阿尔德威尔（Thomas Aldwell）的企业家为了发电而建造了一座大坝，却没有安装允许鲑鱼越过大坝的鱼梯——尽管州法规要求安装——大多数鱼类都被切断了通往上游产卵地的道路。同时，本应向下游流动并形成沙洲和回水的泥沙在大坝（于1913年完工）和后来修建的另一座大坝后面淤积起来。整个河流生态系统都受到了影响。这张2014年的照片显示，刚刚重获自由的埃尔瓦河将泥沙带入胡安·德·富卡海峡。Elaine Thompson/AP/Corbis1992年，应科学家和环保人士的要求，国会通过了一项法律来恢复埃尔瓦河。公园管理局决定在三年内拆除两座大坝，以释放河流——以及淤积在大坝后面的2100万立方米泥沙。公园官员在2014年引爆了最后一次爆炸。

正如他们所希望的那样，河流带走了泥沙，并将大部分泥沙沉积在胡安·德·富卡海峡，这是连接普吉特海湾和太平洋的海道。一百年来，帝王鲑首次出现在上游流域。美国地质调查局（U.S. Geological Survey）的研究水文学家克里斯·马吉尔（Chris Magirl）研究了这次巨大的泥沙释放的影响：它如何改变水流和浊度；鲑鱼如何利用泥沙筑巢；以及水体清除的速度有多快。

他在埃尔瓦河上学到的知识对公园之外也产生了影响。2014年，马吉尔被召集到华盛顿州奥索（Oso）参与一次致命的山体滑坡咨询，以确保第二次山体滑坡不会掩埋冲到现场的1000名救援人员。“我们在埃尔瓦河上使用的大量泥沙释放的科学工具，很多都应用到了奥索，”马吉尔说。

2. 加利福尼亚州优胜美地国家公园

火灾改变的森林

一个世纪前，西部的森林游客穿梭于阳光和阴影的马赛克之间，在参天大树和开阔的空间中穿行。如今，林中漫步的体验变得更加昏暗。许多森林挤满了树木，树枝遮蔽了天空。这种新的更茂密的森林结构是该地区82年扑灭森林火灾的产物。

在森林火灾压制时代之前，森林中经常发生野火——有些地方几年一次，有些地方几十年一次——控制着新生长的速度。其结果通常是簇状的森林结构，浓密的参天大树群落被开阔的空间隔开，森林科学家后来发现这种结构往往会减缓未来火灾的速度和强度。今天的森林管理者正试图通过机械疏伐或控制燃烧来移除在火灾缺乏时生长出来的树木，从而使森林恢复到其历史上的开放结构。这些开放空间充当天然的防火带，有助于防止高强度火灾。

为了实现这一目标，来自华盛顿大学环境与森林科学学院森林结构与动力学实验室的范·凯恩（Van Kane）正在研究火灾如何改变优胜美地国家公园的森林结构。凯恩使用一种名为激光雷达（LIDAR）的遥感工具，该工具通过飞机向地表发射激光脉冲。这些脉冲反射——来自树冠、枝叶和树枝，一直到地面——揭示了下方植被的垂直和水平排列。

有了这些信息，凯恩就可以比以往任何时候都更广泛地评估火灾前后大范围区域的森林模式。他的研究表明，并非所有的火灾都一样：严重的、超高温的火灾会杀死许多树木，但低到中等强度的火灾可以将森林恢复到健康状态。

“我们证明，如果你让中度火灾燃烧，它们将很好地重塑森林，并使森林整体上更防火，”凯恩说。“我们拥有的数据覆盖了比以前多得多的土地，我们可以真正地观察模式并建立统计数据。”凯恩说，这项工作有助于森林管理者改进火灾管理策略。

3. 佛罗里达州大沼泽地国家公园

恢复“草河”

Age Fotostock/Alamy Stock Photo佛罗里达州的大沼泽地——“草河”——曾经覆盖了近4200平方英里。人类从20世纪初开始限制和改变这个极其丰富的生态系统，当时部分地区被排干用于农业和城市开发。近几十年来，人们开始认识到这片广阔湿地（长100英里，宽40英里）的众多好处，它为700万人提供水源。

国会已授权恢复大沼泽地，但尚不清楚如何恢复足够多的系统自然水流以使生态系统恢复健康。美国地质调查局（U.S. Geological Survey）的水文学家朱德·哈维（Jud Harvey）和同事们正在研究在一个已经凿开堤坝的2平方英里区域中恢复水流的影响。在2014年和2015年，哈维和他的团队每年11月至1月都增加了水流。希望这些水流能够从沼泽中带走有机泥沙颗粒，并将其沉积在山脊上，恢复过去支持多样化动植物的模式。

“打开水闸令人兴奋，”哈维说。“我们无法将大沼泽地恢复到哥伦布时代之前的样子，但我们将能够就需要多少水流才能大幅增加收益做出一些决定。”哈维的研究对世界各地的河流和湿地恢复具有启示意义。

4. 加利福尼亚国家公园

气候变化如何改变了本地动物的分布？

1908年，生物学家约瑟夫·格林内尔（Joseph Grinnell）开始对西部地区的鸟类和小哺乳动物进行调查，并追踪它们的分布和生态位。他当时说，这项工作——为他担任馆长的加州大学伯克利分校脊椎动物动物学博物馆进行——的价值一百年后才能被理解，假设材料能够保存下来供未来的学生研究。

今天，伯克利大学的保护生物学家史蒂文·贝辛格（Steven Beissinger）非常欣赏这些调查的价值。“我们就是未来的学生！”他说。他和他同事们使用格林内尔的数据来了解气候变化如何影响这些物种的分布。

到目前为止，在对优胜美地、红杉、国王峡谷和火山湖国家公园进行研究后，他们发现了一个令人困惑的迁徙模式。尽管研究团队观察到一些物种向更凉爽的区域持续向上迁移，但他们也发现有些物种没有移动，还有些物种甚至向山下迁移。“气候变化是曲折的，”贝辛格说，他还在研究死亡谷、莫哈韦和约书亚树等更干旱的地区。“我们仍然看不到一种简单的方法来预测它的一些影响。”

一旦贝辛格和他的团队更好地了解哪些物种在移动以及为什么移动，公园管理者就可以通过清除它们向不同海拔地区扩散的障碍或将它们迁移到更适宜的栖息地来帮助物种生存。