李際

摘 要：植物學(xué)研究不僅歷史悠久，而且對于當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究意義重大。作為最佳研究手段的野外實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)有的方法存在不具有普遍性和偽重復(fù)的風(fēng)險，且時間、人力和成本上無法負(fù)擔(dān)，

需要采取“全球多（站）點(diǎn)野外實(shí)驗(yàn)”的新思路。因?yàn)榫唧w解決了明確的科學(xué)目標(biāo)和問題、擁有關(guān)鍵團(tuán)體、可辨識的處理和采樣、簡單和不昂貴的設(shè)計(jì)、良好的數(shù)據(jù)管理計(jì)劃、確保參與科學(xué)家的明確收益以及為額外的研究預(yù)留空間等7個要素，營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)及其提出的分布式協(xié)作實(shí)驗(yàn)（協(xié)議）獲得成功，但也存在站點(diǎn)類型和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的限制、周期的偽重復(fù)和范圍的局限的不足。關(guān)鍵詞：植物學(xué)；營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)；分布式協(xié)作實(shí)驗(yàn)；全球多（站）點(diǎn)野外實(shí)驗(yàn)中圖分類號：N 09 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7312（2017）06-0678-07

A Study on Methodology of Experimental Management

of Botanical ‘Nutrient Network

LI Ji

（School of Marxism，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China）

Abstract：The botanical research has the long history and is of great significance to current study of ecology and global issues.As the best research way，current method of field experiment takes the risk of non-universality and pseudoreplication，and furthermore，it cannot burden the consumptions of time，human resource and cost.Thus，the new approach of global multi-sites field experiments（GMFEs）becomes a necessity.Nutrient Network（NutNet）and distributed collaboration experiments（DCEs）（protocol），proposed by NutNet，have achieved success because of its 7 keys of developing clear scientific goals and questions，owning key group，identical treatments and sampling，simple and inexpensive design，good plan for data management，ensuring clear benefits for participating scientists and reserving room for additional studies.Meanwhile，the new approach has the shortages of limitation of type of sites and design of experiment，pseudoreplication of period and confinement of range.

Key words：botany；Nutrient Network（NutNet）；distributed collaboration experiments（DCEs）；global multi-sites field experiments（GMFEs）

0 引 言早在古希臘時期，亞里士多德的學(xué)生和呂克昂學(xué)院的傳人“伊勒蘇斯的特奧弗拉斯特”（Theophrastus）（公元前372-288年）就開創(chuàng)了自然志（naturalhistory）傳統(tǒng)，他被認(rèn)為是植物學(xué)的創(chuàng)始人[1]。近代植物學(xué)對于生物學(xué)演化論和生態(tài)學(xué)的發(fā)軔也做出了奠基性的作用。如今方興未艾的生態(tài)學(xué)通常也被認(rèn)為是濫觴于近代植物學(xué)家對植物地理學(xué)和達(dá)爾文演化論的綜合。近代植物學(xué)創(chuàng)始人和物種雙命名法提出者、瑞典植物學(xué)家卡爾·馮·林耐（Carl Von Linné）（1749）在《自然的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)》提出所有生物與環(huán)境的交互作用都是被水循環(huán)以機(jī)械般的精準(zhǔn)度控制著。這種把物候?qū)W、植物學(xué)和地理學(xué)觀點(diǎn)結(jié)合起來綜合描述外界環(huán)境條件對動物和植物的影響的思路使得他提出了“自然共同體”和自然秩序?qū)W說，林奈學(xué)派的科學(xué)家甚至還提出了“生物鏈”這一著名術(shù)語。德國植物學(xué)家洪堡（Humboldt）在1807年出版的《植物地理論文集》中結(jié)合氣候與地理因子描述了物種的分布規(guī)律[2]。法國生物學(xué)家喬治·德·布馮（Georges de Buffon）強(qiáng)調(diào)了生物變異是基于環(huán)境的影響并指出植物分布遵循一定的規(guī)律而成為群落（community）[3]，他和讓-巴蒂斯特·拉馬克（Jean-Baptiste Larmark）（1744-1829）推斷物種并非靜止的范疇而是進(jìn)化的。由此開啟了演化論的爭鳴和達(dá)爾文的啟蒙。甚至，現(xiàn)在的“生態(tài)學(xué)”（ecology）一詞也是在1893年的國際植物學(xué)大會之后才出現(xiàn)的（此前使用該詞提出者、德國的海克爾（Haekel）采用了古希臘語拼寫oecologie）[4]。植物學(xué)還引發(fā)了生態(tài)學(xué)史上迄今僅有的世紀(jì)大戰(zhàn)與原理創(chuàng)新。美國植物學(xué)家克萊蒙茨（Frederick Clements）于20世紀(jì)早期提出生態(tài)系統(tǒng)的演替（succession）機(jī)制和頂級（climax）理論[5]。他的工作引起了格里森（Gleason）的個體論挑戰(zhàn)并激發(fā)唐斯利（Tansley）提出生態(tài)系統(tǒng)的概念。植物學(xué)還引領(lǐng)著當(dāng)今生態(tài)學(xué)前沿和全球話題的研究。按照美國國家科學(xué)基金委托湯普森（Thompson）等16位生態(tài)學(xué)家組成專門的委員會對21世紀(jì)生態(tài)學(xué)發(fā)展趨勢的預(yù)測，生態(tài)學(xué)共有4個重大前沿：①群落的綜合動力學(xué)；②決定生態(tài)過程的進(jìn)化與歷史因素；③復(fù)雜系統(tǒng)的故有特性；④生態(tài)拓?fù)潢P(guān)系[6]。植物是除了微生物以外的整個食物網(wǎng)（food web）和營養(yǎng)級的初級消費(fèi)者，毫無疑問，植物學(xué)研究是這些前沿研究的基礎(chǔ)之一。由于人類活動的劇烈增加和可持續(xù)發(fā)展的需要，植物學(xué)研究開始涉足研究生態(tài)過程和模式的“一般性的理解和發(fā)展基于實(shí)驗(yàn)和功能關(guān)系、整合了有機(jī)體到全球空間尺度且擴(kuò)展了時間尺度的理論。例如，對擴(kuò)展到全球的人為擾動的生態(tài)群落的響應(yīng)預(yù)測”，這正是所謂的全球話題的具體內(nèi)容[7]。

1 “營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)”的出現(xiàn)與分布式協(xié)作實(shí)驗(yàn)

鑒于生態(tài)過程和模式的復(fù)雜性與不確定性，植物學(xué)研究不太適合普遍采用的文獻(xiàn)分析和模型方法，實(shí)驗(yàn)方法是最佳的選擇[8]。又因?yàn)槿蚋鞯丨h(huán)境是多樣的而無法確保實(shí)驗(yàn)的可控和復(fù)制，經(jīng)典的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法是不可能完成的，只有野外實(shí)驗(yàn)才能最大程度的還原真實(shí)的生態(tài)過程，有助于理解相應(yīng)的模式并對可能的響應(yīng)作出預(yù)測。由于生境邊界易于鑒別和控制，最近幾十年流行的微宇宙（microcosm）的野外實(shí)驗(yàn)方法更多地適合微生物研究，而不是植物學(xué)研究[9]。當(dāng)前唯一邏輯上可行的思路是在全球生態(tài)圈不同的生態(tài)區(qū)域帶開展同時同步的野外實(shí)驗(yàn)才可能找到對于植物的生態(tài)過程的普遍性理解（基礎(chǔ)研究）與響應(yīng)模式的普遍性預(yù)測（應(yīng)用研究）。因?yàn)楦采w了所有的生態(tài)區(qū)域帶，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在全球生態(tài)圈內(nèi)如果得到一致的定性或定量結(jié)果，才能證明結(jié)果具有普遍性，最后形成一般性理論。只有同時開展，才能保證實(shí)驗(yàn)過程是在同質(zhì)的時間演化序列中，才能進(jìn)行比較與綜合等分析工作，不然可能存在偽重復(fù)的風(fēng)險。上述提及的時間演化序列與相應(yīng)的物候（比如，生長季）密切關(guān)聯(lián)，并不僅僅是一個外部度量尺度，更是反映了植物發(fā)育規(guī)律等內(nèi)秉的特性，所以尤其重要。必須采取同樣的處理規(guī)范（同步），才能使得結(jié)果具有可重復(fù)的邏輯可能，而一旦復(fù)制成功（包括同一地點(diǎn)/同一生態(tài)區(qū)域帶和不同地點(diǎn)/不同生態(tài)區(qū)域帶兩類情況），則待驗(yàn)的假說或發(fā)現(xiàn)的模式才具有更大的可證偽性，其為真的可能性增加了。但威廉姆斯（Williams）等（2010）報告了對解釋外來植物物種在新生境中高密度生長機(jī)制的2種假說的野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，他們承認(rèn)因?yàn)閰^(qū)組（block）過少（3個），研究結(jié)論不適合作為假說的驗(yàn)證結(jié)果。他們的研究反映了現(xiàn)有野外實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范不能勝任研究目標(biāo)的現(xiàn)狀。賈謝科（Jaeschke）等（2014）概括現(xiàn)有野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證失敗的原因在于“不能包括所有的多樣性和空間”[10]。對“分布、豐富度、生境參數(shù)和有機(jī)體在廣泛地理區(qū)域和長期階段內(nèi)運(yùn)動的理解”[11]，需要“在大空間和/或時間范圍內(nèi)收集的相當(dāng)大量的數(shù)據(jù)”[12]。這對于傳統(tǒng)的由一位教授牽頭、本單位數(shù)位科研人員和研究生組成一個課題組在本地進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)的處理而言是不可能完成的。而一個課題組在全球多地開展野外實(shí)驗(yàn)，無論從時間保障、人力支持和成本控制上都是幾乎不可能完成的任務(wù)。比較可行的方法是由多個課題組同時在全球各地以同樣的協(xié)議（protocol，即處理規(guī)范）開展同步實(shí)驗(yàn)，這種方法可以稱之為（植物學(xué)或生態(tài)學(xué)的）“全球多（站）點(diǎn)野外實(shí)驗(yàn)”（（botanical or ecological）global multi-sites field experiments，GMFEs）。

21世紀(jì)生態(tài)學(xué)研究的4個前沿都涉及養(yǎng)分（光照、水、氧氣）和微量元素在食物網(wǎng)（food web）內(nèi)的物質(zhì)與能量循環(huán)，可稱之為營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)。為了對植物的營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行具體的科學(xué)研究，國際上出現(xiàn)了命名為“營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)”（nutrient network，NutNet）（以下簡稱“網(wǎng)絡(luò)”）的研究草本植物營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)的全球多（站）點(diǎn)野外實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)和稱之為“分布式協(xié)作實(shí)驗(yàn)”（distributed collaboration experiments，DCEs）的實(shí)驗(yàn)協(xié)議（protocol）。前者是展開實(shí)驗(yàn)的組織機(jī)構(gòu)，后者是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化的具體實(shí)驗(yàn)處理規(guī)范。通過這個網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)組織和相應(yīng)的處理規(guī)范，可獲得比傳統(tǒng)的單一站點(diǎn)的野外實(shí)驗(yàn)更豐富的生物和地理多樣性數(shù)據(jù)，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有廣泛性并進(jìn)而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更大的可證偽性（具體而言，主要可克服偽重復(fù)的難題）。由此，才有可能獲得對于生態(tài)過程和模式的一般性認(rèn)識，即一般性理論。網(wǎng)絡(luò)的成立初衷是“生態(tài)學(xué)家使用多樣的工具去揭示在生態(tài)多樣性本地尺度變化以及區(qū)域和全球尺度產(chǎn)出功能之間一般性功能關(guān)系。單一站點(diǎn)的觀察和實(shí)驗(yàn)研究、預(yù)測模型和文獻(xiàn)分析被廣泛使用，（而野外）觀察網(wǎng)絡(luò)收集標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。……但是，每個工具都被存在缺點(diǎn)而制約了揭示延伸到很多空間尺度的一般性功能關(guān)系的能力。……另一方面，雖然觀察網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵環(huán)境數(shù)據(jù)的來源，甚至當(dāng)觀察網(wǎng)絡(luò)在站點(diǎn)間部署了可辨認(rèn)的采樣協(xié)議，功能關(guān)系很難在缺乏實(shí)驗(yàn)的情況下被發(fā)現(xiàn)。（但全球）協(xié)作實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)學(xué)中很少見?！ǘ?shí)驗(yàn)室驗(yàn)證是非線性響應(yīng)預(yù)測所必需的”。該網(wǎng)絡(luò)的主要研究目標(biāo)是“用一貫的方式從廣泛的站點(diǎn)中收集數(shù)據(jù)以直接比較全世界不同系統(tǒng)的環(huán)境-生產(chǎn)力-多樣性關(guān)系”，主要研究特點(diǎn)是“僅僅通過每個研究者名義上的時間和資源投資實(shí)施跨站點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，但這實(shí)驗(yàn)在廣泛的草本植物支配的生態(tài)系統(tǒng)中可定量群落和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)”。網(wǎng)絡(luò)發(fā)起者一致認(rèn)為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)所需要全球協(xié)作實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)必須滿足7個要素，即“明確的科學(xué)目標(biāo)和問題、（擁有）關(guān)鍵團(tuán)體、可辨識的處理和采樣、簡單和不昂貴的設(shè)計(jì)、（良好的）數(shù)據(jù)管理計(jì)劃、確保參與科學(xué)家的明確收益以及為額外的研究預(yù)留空間”并提出了具體的標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)得到了美國國家自然科學(xué)基金的“研究協(xié)作網(wǎng)絡(luò)”（research coordination network，RCM）和“長期生態(tài)學(xué)研究”（long term ecological research）項(xiàng)目和明尼蘇達(dá)州立大學(xué)環(huán)境研究所（Institute of the Environment）的資助[13]（如圖1所示）。

為實(shí)現(xiàn)“對全球尺度的生態(tài)趨勢和響應(yīng)的理解和預(yù)測”的全球協(xié)作實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)思路，網(wǎng)絡(luò)提出了稱之為分布式協(xié)作實(shí)驗(yàn)（Distributed collaborative experiments，DCEs）的野外實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范，招募全球的野外實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)和科學(xué)家志愿參與并采用他們提供的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，研究草本植物的營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)，以促進(jìn)“對全球尺度的生態(tài)趨勢和響應(yīng)的理解和預(yù)測”。利用網(wǎng)絡(luò)，已完成了多項(xiàng)課題研究和27篇SCI論文的發(fā)表。常年實(shí)踐的總體結(jié)論是分布式協(xié)作實(shí)驗(yàn)“并不需要高昂的人均成本或耗時悠久，且不局限于資深科學(xué)家或建設(shè)良好的國家”，因而非常適合植物學(xué)研究展開大范圍的長期基礎(chǔ)研究。

2 “營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)”的運(yùn)作模式和分布式協(xié)作實(shí)驗(yàn)的處理規(guī)范

作為一個已經(jīng)運(yùn)行了約10年的研究網(wǎng)絡(luò)，“營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)”有著成熟的管理機(jī)制和運(yùn)作規(guī)模。網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行平臺基于互聯(lián)網(wǎng)（http：//www.nutnet.umn.edu或http：//www.nutnet.org/），并由明尼蘇達(dá)州立大學(xué)環(huán)境研究所和超級計(jì)算機(jī)研究所分別提供日常與數(shù)據(jù)管理服務(wù)。每年在明尼蘇達(dá)州立大學(xué)舉辦年度工作會議，來自全球的網(wǎng)絡(luò)成員一起“討論使用數(shù)據(jù)、計(jì)劃和實(shí)施分析、寫作手稿以及發(fā)展未來項(xiàng)目等最重要的事情”。通過開放網(wǎng)絡(luò)的全球?qū)嶒?yàn)站點(diǎn)的現(xiàn)場教學(xué)申請，招募感興趣的學(xué)習(xí)者擴(kuò)大人力資源。目前在除南極洲外的所有6個大洲超過17個國家的81個志愿參與的野外實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)。針對7個成功要素（如表1所示），網(wǎng)絡(luò)分別給予了針對性的對策，并提供了分布式協(xié)作實(shí)驗(yàn)的處理規(guī)范。

2.1 明確的科學(xué)目標(biāo)和問題網(wǎng)絡(luò)“致力于研究人類的化石燃料燃燒、農(nóng)業(yè)施肥（氮磷鉀）和加入食物網(wǎng)后對全球生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)影響的草本植物研究”，研究的主要科學(xué)問題是“如何歸納對生產(chǎn)力-多樣性關(guān)系的理解？在草本植物支配的群落中，什么導(dǎo)致了多種營養(yǎng)共同制約了植物生產(chǎn)力和多樣性？在什么條件下，啃食者或施肥控制了植物生物量、多樣性和構(gòu)成？”

2.2 擁有關(guān)鍵團(tuán)體作為創(chuàng)始人，7位美國年輕的植物學(xué)家成為網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵團(tuán)體的最初成員。他們是猶他州立大學(xué)野地資源系和生態(tài)中心阿德勒（Adler）博士、明尼蘇達(dá)州立大學(xué)生態(tài)、演化和行為中心鮑瑞（Borer）博士與西博如姆（Seabloom）博士、馬里蘭州立大學(xué)昆蟲學(xué)系格倫納（Gruner）博士、愛俄華州立大學(xué)生態(tài)、演化和有機(jī)體生物學(xué)中心哈珀（Harpole）博士、威斯康辛-麥迪遜大學(xué)動物學(xué)系奧洛克（Orrock）博士和耶魯大學(xué)生態(tài)和演化生物學(xué)系史密斯（Smith）博士。參照慣例，還建有指導(dǎo)委員會（Advisory Team），由7位兼職的創(chuàng)始課題組長（principle investigator，PI）、1位兼職網(wǎng)絡(luò)代表費(fèi)恩（Firn）博士和1位擔(dān)任數(shù)據(jù)管理與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的專職博士后林德（Lind）組成?！耙?yàn)楹芏嗌鷳B(tài)響應(yīng)涌現(xiàn)很慢，處理和采樣計(jì)劃持續(xù)至少十年”，所有關(guān)鍵團(tuán)體的成員都承諾從所在站點(diǎn)開始實(shí)驗(yàn)，“即使無人加入，我們也會堅(jiān)持”。

2.3 可辨識的處理和采樣網(wǎng)絡(luò)通過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議達(dá)成這個目標(biāo)。站點(diǎn)環(huán)境需相對均一（不能包含大的環(huán)境梯度）；群落主要由草本植物組成，并且在某特定的生態(tài)系統(tǒng)（例如，矮草草原，高草草原）中要有代表性。站點(diǎn)面積要足夠大，最好超過1 000 m2.不需要排除火等自然干擾，但要記錄干擾的具體情況。此外，最好未被牛等啃食過。核心實(shí)驗(yàn)區(qū)滿足完全隨機(jī)區(qū)組（block）設(shè)計(jì)，分為3個區(qū)組，每個區(qū)組10個樣方，每個處理3個重復(fù)。每個樣方（plot）為5 m*5 m，樣方間要有寬度不小于1 m的通道。每個樣方分成4個2.5 m*2.5 m的子樣方，每個子樣方再分割成4個1 m*1 m的子子樣方，每個子子樣方有寬度0.25 m的緩沖帶環(huán)繞，其中1個用于測量物種組成和光有效性，其余3個用于破壞性采樣測量（例如，收割地上生物量和土壤采集）。所有樣方的角落都要永久標(biāo)志。每個樣方和區(qū)組的重復(fù)數(shù)并不嚴(yán)格限制，只要有1個區(qū)組包含了所有的10個樣方和3個區(qū)組一起包括了8類營養(yǎng)物處理。實(shí)驗(yàn)開始前要用道本邁爾法（Daubenmire）（1959）對各物種的蓋度百分比估測。季節(jié)內(nèi)的采樣頻率要根據(jù)特定進(jìn)行調(diào)整以涵蓋每個物種的最大蓋度。例如，在高草草原，物種組成的觀測時間為春季（五月下旬）和秋季（八月下旬），目的是涵蓋早季C3雜草和禾草類、晚季C4雜草和禾草類各自的最大相對蓋度。有效性測量需要在無云的晴天開展，且越接近正午越好（至少測量2次）。地上生物量（biomass）測量需在標(biāo)記的樣方采集，以免重復(fù)采樣。生物量分為6類，并在60°烘烤48 h至恒重后再稱重（精確到0.01 g）。土壤采樣采用2.5 cm*10 cm的土芯，每個2.5 m*2.5 m的子樣方采集2～3個土芯，事先要清除地表凋落物和植被。將每個5 m*5 m的樣方樣本均勻混合（共30個），采用紙袋雙層包裝（為了自然風(fēng)干），紙袋標(biāo)簽需注明采集日期、采集者姓名、采集地點(diǎn)和區(qū)/樣方/處理標(biāo)識。無論是觀察還是采樣都要在1～2 d內(nèi)完成。所有的測量要在實(shí)驗(yàn)開始前1年和隨后年份（營養(yǎng)元素分析要在隨后的第三年）從所有樣方中收集，并采用完全相同的收集方法。后期加入的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)在處理前收集本底數(shù)據(jù)[14]。網(wǎng)絡(luò)一般要求參與實(shí)驗(yàn)的各站點(diǎn)1 000 m2內(nèi)是由草本植物處于支配地位的生態(tài)系統(tǒng)，但也要存在由其他植物種構(gòu)成的補(bǔ)綴以體現(xiàn)站點(diǎn)的多樣性[15]。在實(shí)驗(yàn)前已采集1年的數(shù)據(jù)（作為year 0）并緊隨至少3～8年的處理數(shù)據(jù)[16]，且每個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣必須在一個單獨(dú)的區(qū)組內(nèi)的同樣樣方內(nèi)，還必須同時對層次等級（hierarchy）嵌套（nested）的4個尺度（區(qū)域、站點(diǎn)、區(qū)組、樣方）采樣[17]。因?yàn)橹饕牟蓸訑?shù)據(jù)是生物量并尋找多樣性和生產(chǎn)力之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)有時甚至?xí)φ军c(diǎn)的真菌、古細(xì)菌和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)提出要求[18]。為了比較同樣處理的短期和長期響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)也會采用以時間長度（往往是數(shù)年）為劃分標(biāo)準(zhǔn)的對照組，最久的對照組建于2003年且持續(xù)了12年[19]。同時，采樣的種群和樣方數(shù)量至少數(shù)百，最多的實(shí)驗(yàn)分別涉及了706個種群和1 126個樣方[20-21]，而實(shí)驗(yàn)的采樣數(shù)據(jù)包括站點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔、年降雨量、年平均溫度、土壤質(zhì)地和氮磷鉀等土壤營養(yǎng)成分含量[22]。為確保不受污染和變質(zhì)，樣本在實(shí)驗(yàn)室處理前保存在冰塊或冰箱中，且不超過6天[23]。針對具體的科學(xué)問題，還會有更加具體的處理要求的協(xié)議細(xì)則。比如，對動物入侵影響的實(shí)驗(yàn)還將樣方按照動物啃食和人類開墾的情況進(jìn)行了“從未啃食”、“ 30年或更久前已啃食”、“ 10～29年前已啃食”、“1～9年前已啃食”、“才被啃食”以及“從未開墾”、“已開墾30年或更久”、“開墾少于30年”的區(qū)分，并比較了不同生態(tài)系統(tǒng)類型（草地、熱帶稀樹草原和牧場等）的差異[24]。

2.4 簡單和不昂貴的設(shè)計(jì)所有參與者都要求無償參與并各自負(fù)擔(dān)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。但通過簡單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個站點(diǎn)每年的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用僅有約100美元（不包括用于隔離食草動物圍欄的一次性費(fèi)用）。

2.5 良好的數(shù)據(jù)管理計(jì)劃

首先，網(wǎng)絡(luò)聘用了一位博士后進(jìn)行全職的數(shù)據(jù)管理，所有數(shù)據(jù)上傳后都經(jīng)過人工檢查后才導(dǎo)入在線數(shù)據(jù)庫供分析研究。其次，因?yàn)檎军c(diǎn)地理位置的重要性和網(wǎng)絡(luò)的層次等級的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在線數(shù)據(jù)庫采用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫模型，使其能夠針對不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)建立自動的聯(lián)系以便利的進(jìn)行數(shù)據(jù)的交叉比較。再次，為避免上傳數(shù)據(jù)的不規(guī)范導(dǎo)致特異數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的電子數(shù)據(jù)表并進(jìn)行質(zhì)量控制。最后，針對廣泛區(qū)域的野外觀察和實(shí)驗(yàn)中由于參與者素質(zhì)參差不齊和不同地區(qū)/版本的物種分類不統(tǒng)一的普遍現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)采用了權(quán)威的“植物清單”（www.theplantlist.org）檢查表（check list），通過這個系統(tǒng)，參與者可以鏈接到很多其他權(quán)威在線數(shù)據(jù)庫獲得具體植物種的詳細(xì)分類學(xué)信息與形態(tài)學(xué)圖片，以確保分類的正確和統(tǒng)一（如圖2所示）。

2.6 確保參與科學(xué)家的明確收益網(wǎng)絡(luò)秉持公開、共享的科學(xué)研究原則與互助的互聯(lián)網(wǎng)精神，對使用在線數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的已發(fā)表論文的題目和摘要都發(fā)布在官網(wǎng)，并要求所有數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)成員開放（成員憑密碼進(jìn)入在線數(shù)據(jù)庫）并對作出貢獻(xiàn)的所有成員給予應(yīng)有的署名權(quán)和第一發(fā)現(xiàn)人的學(xué)術(shù)榮譽(yù)。凡是與論文第一作者或通訊作者保持聯(lián)系且提供數(shù)據(jù)的成員將自動獲得3篇SCI論文的共同作者資格，任何提供數(shù)據(jù)的站點(diǎn)和參與數(shù)據(jù)分析、寫作與編輯的人應(yīng)該成為共同作者。網(wǎng)絡(luò)對于要求使用在線數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的每篇論文第一作者或通訊作者須提交一個作者貢獻(xiàn)表以標(biāo)明每個參與者的具體貢獻(xiàn)，且論文提交前需所有作者審閱同意論文內(nèi)容和個人貢獻(xiàn)申明。雖然這個貢獻(xiàn)表并不公開發(fā)表，但會提交給期刊編輯部或會議文集編委會。同時，網(wǎng)絡(luò)也設(shè)計(jì)了一系列的反向的管理制度以確保數(shù)據(jù)的合理使用。為了防止重復(fù)研究，網(wǎng)絡(luò)規(guī)定成員可自由獲取3年內(nèi)的公開數(shù)據(jù)，但3年以上的數(shù)據(jù)必須經(jīng)由指導(dǎo)委員會批準(zhǔn)后獲得且不能與其他論文或研究計(jì)劃沖突。網(wǎng)絡(luò)的出版委員會對提交的擬投稿論文進(jìn)行審核以避免重復(fù)研究并提供標(biāo)準(zhǔn)的致謝和資助信息文字。為了防止數(shù)據(jù)被浪費(fèi)，網(wǎng)絡(luò)鼓勵所有成員參與各項(xiàng)研究并合理競爭。任何成員可在線提交實(shí)驗(yàn)方案（proposal），經(jīng)審核發(fā)布后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)和課題組成員招募。但若底稿寫作超過6個月無進(jìn)展，任何成員可聯(lián)系論文第一作者或通訊作者并取而代之。

2.7 為額外的研究預(yù)留空間標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議要求每個站點(diǎn)的核心實(shí)驗(yàn)區(qū)隨機(jī)分割為3個區(qū)組，每個區(qū)組隨機(jī)分割為10個樣方，每個樣方隨機(jī)分割為4個子樣方，每個子樣方隨機(jī)分割為4個子樣方（分別是1個核心采樣區(qū)、1個站點(diǎn)自身相關(guān)研究采樣區(qū)以及2個預(yù)留給未來研究的采樣區(qū)）。整個核心實(shí)驗(yàn)區(qū)共有480個子樣方，其中120個預(yù)留給站點(diǎn)自身的研究，240個預(yù)留給未來研究。

3 討 論“營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)”的成功除了實(shí)驗(yàn)方法的新穎與嚴(yán)密之外，主要借助了互聯(lián)網(wǎng)通訊和計(jì)算機(jī)存儲技術(shù)的進(jìn)步。網(wǎng)絡(luò)至少有3點(diǎn)重要的不足，而這些不足恰好導(dǎo)致了在它選定的研究范圍內(nèi)可快速實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)。1）站點(diǎn)類型和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的限制。營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的全球站點(diǎn)已經(jīng)超過80個，但對于它所研究的普遍性科學(xué)問題而言還是不足的。大部分的實(shí)驗(yàn)僅在有限的生態(tài)區(qū)域帶類型或者圍繞著所要驗(yàn)證的科學(xué)假說展開，其結(jié)果僅適用于上述生態(tài)區(qū)域帶和存在特定前提的科學(xué)假說，因而不具有普遍性或一般性的價值。邏輯上，只有在所有生態(tài)區(qū)域帶類型對不附有特定前提的科學(xué)假說（特設(shè)性假說）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了結(jié)果才可能具有普遍性和一般性?？梢钥紤]引入公眾科學(xué)的研究模式改善這個缺點(diǎn)，但必須克服現(xiàn)有公眾科學(xué)的不足并重點(diǎn)關(guān)注2種研究模式的整合。2）周期的偽重復(fù)。雖然網(wǎng)絡(luò)開展了長期實(shí)驗(yàn)，也進(jìn)行了短期實(shí)驗(yàn)和長期實(shí)驗(yàn)的對比，并在實(shí)驗(yàn)中按年份或生長季分別進(jìn)行采樣與分析，但生態(tài)過程的響應(yīng)模式可能在短期和長期是不同的，其影響因子也可能不盡相同。因此，無論實(shí)驗(yàn)周期的長短，如果每個實(shí)驗(yàn)僅僅是按照年份或者生長季進(jìn)行采樣，其實(shí)還是對短期實(shí)驗(yàn)的重復(fù)，而沒有進(jìn)行長期實(shí)驗(yàn)本身進(jìn)行重復(fù)，可能會誤導(dǎo)或沒有發(fā)現(xiàn)長期的響應(yīng)模式。解決這個問題僅需網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)家利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在分析數(shù)據(jù)時增加以多個年份或生長季為時間軸數(shù)據(jù)點(diǎn)的比較即可。3）范圍的局限。網(wǎng)絡(luò)的研究范圍局限在草本植物的營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)在不同環(huán)境中的生產(chǎn)力與多樣性的關(guān)系研究。這的確是植物學(xué)的重要問題，也對全球問題產(chǎn)生著深刻的影響。但如果作為植物學(xué)研究的通用實(shí)驗(yàn)方法，哪怕僅僅是對全球植物的整個營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，包括標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在內(nèi)的很多技術(shù)要求必須進(jìn)行修改。比如，對水生植物的研究需要杜絕水體流動導(dǎo)致的邊界模糊，對樹冠層的研究需要更加復(fù)雜的采樣標(biāo)準(zhǔn)等。這需要網(wǎng)絡(luò)召開包括各個研究分支和科學(xué)問題的植物學(xué)家共同探討才可能完成。致謝文中研究階段與美國明尼蘇達(dá)州立大學(xué)生態(tài)、演化和行為中心鮑瑞（Borer）博士和博士后林德（Lind）博士進(jìn)行了多次郵件通訊，予以感謝。

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