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2017年,苏格兰人马丁,戈登•麦凯环境科学与工程教授哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋),构想了一个新颖的兵力化学监测系统来跟踪亚马逊的健康面对全球气候变化和人为的森林砍伐和燃烧。

该项目将监测被称为挥发性有机化合物(VOCs)的植物释放的化学信号,这有助于植物与周围的有机体相互作用。每一种植物都会释放出不同的挥发性有机化合物特征——就像指纹一样——这种特征会随着季节的变化而变化,或者当植物受到干旱或洪水等威胁时也会发生变化。监测和翻译这些信号可以揭示森林生态系统如何应对气候变化造成的压力。

传统上,这种监测是在森林树冠之上的大型平台塔上进行的。

Jackie with a drone,叶建怀在亚马逊的一座塔上举着一架取样无人机。图片由叶建怀/哈佛海洋提供

艺术与科学研究生院博士后叶建怀(音译)表示:“亚马逊地区有数千个小型生态系统,每个生态系统都有自己的生物多样性和VOC信号。”“然而,整个森林中只有不到10座这样的塔,它们都是在类似的生态系统中建造的,那里的土壤可以支撑大型结构。你可以想象,这导致了数据中的很多偏见。”

马丁、叶和团队的其他成员,包括来自亚马逊州立大学(UEA)和亚马逊州立研究支持基金会(FAPEAM)的合作者,认为无人机可以提供更准确的森林数据。

他们的第一个任务证明了他们是多么正确。

2018年夏天,经过多年的原型设计,研究人员使用他们特别设计的无人机绘制了亚马逊中部两种不同生态系统的化学指纹。他们的发现推翻了目前大多数生物圈排放模型,该模型假定附近的生态系统具有相同的排放。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

马丁说:“植物和昆虫通常通过化学信号进行交流,而不是像动物那样通过视觉或声音信号进行交流。”“有了我们的化学传感器,我们可以更好地了解森林目前的功能,以及它如何随着地区气候的变化而变化,包括近年来亚马逊中部更频繁发生的火灾。”

在亚马逊中部,倾斜的山丘形成高原和被河流分割的被水淹没的山谷。这些生态系统中的每一个——山坡上的森林、高原上的森林和山谷里的森林,以及水边的植被——都有不同的化学指纹。

研究小组驾驶无人机飞越高原森林和斜坡森林。他们发现,高原森林中挥发性有机化合物异戊二烯的浓度比坡地森林高50%以上。利用这些数据,他们建立了一个模型,该模型表明异戊二烯的排放量在这些不同的森林亚型中翻了一倍到三倍。在没有测量的情况下,以前的排放模型假设没有差别。

马丁说:“这项研究表明,我们对森林的异质性知之甚少。“但是无人机辅助技术可以帮助我们了解和量化不同生态系统中挥发性有机化合物的排放,以便更好地在气候和空气质量模型模拟中代表它们。”

研究人员计划在2019年秋季,利用河中央的一艘船作为发射和回收无人机的平台,对被水淹没的山谷和河流沿岸的生态系统进行采样。他们还计划测试一支由三架无人机组成的联合舰队。

这项研究由卡拉·e·巴蒂斯塔、伊戈尔·o·里贝罗、帕特里夏·c·吉马良斯、阿丹·s·s·梅代罗斯、拉斐尔·g·巴博萨、拉斐尔·l·奥利维拉、塞尔吉奥·杜瓦辛、科尔比·j·贾丁、达萨·古、亚历克斯·b·甘瑟、卡雷纳·a·麦金尼、莱拉·d·马丁斯和罗德里戈·a·f·苏扎共同撰写。

这是哈佛大学的气候变化解决方案支持的基金,巴西联邦机构对研究生教育的支持和评估(披肩),巴西国家科学技术发展委员会(CNPq),一位高级访问者亚马孙州的研究资助研究基金会(FAPEAM),德雷福斯的博士后项目在环境化学基础,大气和地球空间科学分工的国家科学基金会。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/09/drone-based-monitoring-system-reveals-important-information-on-the-health-of-the-amazon/

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