穩(wěn)定同位素技術(shù)助力生態(tài)環(huán)境研究和保護

于德萍

氮循環(huán)是地球物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分。全球每年通過人類活動新增的“活性”氮導(dǎo)致全球氮循環(huán)嚴重失衡，并引起陸地和水體生態(tài)系統(tǒng)的富營養(yǎng)化、酸化和溫室氣體排放等一系列生態(tài)和環(huán)境問題。20世紀70年代國際科學聯(lián)合會環(huán)境問題科學委員會將全球氮超載作為一個潛在的環(huán)境問題和化學“定時炸彈”提出后，人類開始對地球各類生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)進行廣泛而深入的研究。

方運霆，中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所副所長、研究員。近20年來，他一直從事陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)及其對全球變化響應(yīng)的研究，帶領(lǐng)團隊圍繞國家生態(tài)安全和地方重大需求，打造國內(nèi)外一流水平的穩(wěn)定同位素技術(shù)研究和應(yīng)用平臺，系統(tǒng)研究碳氮水循環(huán)的關(guān)鍵過程對人類活動干擾和全球變化的響應(yīng)與反饋，揭示干擾和環(huán)境因素的驅(qū)動機制，為提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，提高農(nóng)田地力和養(yǎng)分利用效率，尋求陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯提升途徑等重大關(guān)鍵問題解決提供科學依據(jù)、政策咨詢和技術(shù)支持。方運霆獲得的諸多科研成果在國內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛的影響。

在適應(yīng)中找尋方向

方運霆在祖國各地的多個野外站開展過許多工作。華南植物園、廣東鼎湖山、內(nèi)蒙古大草原、吉林長白山……這些都是令人心馳神往、放松身心的好去處。他無暇欣賞青山秀色，野外站的實驗研究比旖旎風景更具吸引力。一路走來，方運霆先后建立了森林野外模擬氮沉降平臺、森林生態(tài)系統(tǒng)尺度上15N示蹤網(wǎng)絡(luò)、森林原位增溫實驗平臺等。不同地域有不同的氣候條件，不管炎熱或寒冷，他都能很好適應(yīng)。做生態(tài)科學研究，適應(yīng)環(huán)境是一種能力，或許在農(nóng)村出生、成長，良好的適應(yīng)力已成為方運霆刻入骨子里的基因。

方運霆出生在江西一個秀美的村莊，對大自然有天然的親近感。正因如此，當年高考被調(diào)劑到江西農(nóng)業(yè)大學林學專業(yè)時，他心里也并未有太大失落。“學林學專業(yè)，似乎對出身農(nóng)家的我來說也是一個不錯的選擇，因為學一些森林經(jīng)營和管理上的知識技能，將來如果沒別的出路至少可以回鄉(xiāng)為家鄉(xiāng)建設(shè)做點事情?！彼睦镞@樣想。

方運霆的適應(yīng)力很強，梳理他的求學科研歷程，就印證了這點，因為不管遇到何種情況，他總能做出與當時情境相適應(yīng)的選擇。

方運霆1995年上大學。畢業(yè)時沒趕上工作分配，卻趕上了考研熱潮，繼續(xù)深造成了莘莘學子的更高追求。方運霆加入了考研隊伍。在校時，所學課程多與森林培育和造林相關(guān)，但臨近畢業(yè)，國家的林業(yè)政策發(fā)生了變化，森林功能從以木材生產(chǎn)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨鷳B(tài)服務(wù)為主，森林生態(tài)學成了一個重要學科。在此背景下，方運霆報考了中國科學院華南植物園森林生態(tài)學方向的碩士研究生，并順利被錄取。

華南植物園雖地處廣州，但因?qū)熌餮芯繂T常年在遠離市區(qū)的鼎湖山站開展工作，所以大部分時間方運霆也跟隨導(dǎo)師在那里。那是一段非常自由的求學時光，在導(dǎo)師的支持和鼓勵下，方運霆不斷尋找著自己感興趣的方向。

1997年12月，《京都議定書》在日本京都通過，它的簽署是為了人類免受氣候變暖的威脅。2005年2月16日，《京都議定書》正式生效。這是人類歷史上首次以法規(guī)的形式限制溫室氣體排放。為促進各國完成溫室氣體減排目標，議定書允許采取4種減排方式，其中一種是：以“凈排放量”計算溫室氣體排放量，即從本國實際排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的數(shù)量。

這條減排政策引起了方運霆的注意，在國內(nèi)還沒有多少人做相關(guān)研究的情況下，他的碩士論文研究隨著生長、恢復(fù)或演替，森林生態(tài)系統(tǒng)吸收二氧化碳潛力和速率等問題。在當下提出實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”雙碳目標成為中國應(yīng)對全球氣候變化國策的背景下，方運霆是國內(nèi)較早接觸相關(guān)研究課題的科研工作者之一。

廣東珠三角區(qū)域城市快速發(fā)展，工業(yè)、汽車尾氣排放和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化加劇了大氣氮污染。在此背景下，在華南植物園繼續(xù)攻博的方運霆從2003年開始轉(zhuǎn)向研究氮沉降如何影響區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。

鼎湖山處于珠三角地區(qū)的下風口，是研究氮沉降的絕佳地點。從布置森林氮添加的模擬控制實驗開始，方運霆針對氮循環(huán)開展的一系列研究由此起步。

如今，20年過去，方運霆讀博期間參與搭建的野外平臺仍在發(fā)揮作用，而他早已是懷抱夢想出國深造又懷抱所學到沈陽施展抱負的一名資深科研人員。從南方熱土到遼闊北方工作，在持續(xù)探索中，他研究的深度與廣度也在不斷拓展。

逐夢路上恩師指引

一個人的成長離不開老師的指導(dǎo)、教誨、提攜與幫助?！肮赣?個老師，我比郭靖的少，但也有6位?！闭勑﹂g，方運霆語氣中透露的是對老師的感恩。

莫江明研究員是方運霆的碩士研究生導(dǎo)師，是他帶領(lǐng)方運霆走上了科研之路。華南植物所（現(xiàn)為華南植物園）副所長周國逸研究員是他的博士導(dǎo)師，尤其在后續(xù)的學術(shù)生涯里，周老師的幫助讓方運霆受益匪淺。還有丹麥哥本哈根大學皮爾·剛德森教授（Per?Gundersen），日本東京農(nóng)工大學的兩位博士后導(dǎo)師楊宗興教授（Muneoki?Yoh）和木庭啓介教授（Keisuke?Koba），及長期合作的美國紐約州立大學的朱偉興教授，他們都對方運霆的科研成長提供了極大的幫助。

方運霆2006年博士畢業(yè)后留所做了1年的助理研究員，2007年作為訪問學者在丹麥哥本哈根大學訪學1年。那是一段歲月靜好的時光，他大量研讀了研究生階段沒來得及涉獵的文獻，對博士期間獲取的數(shù)據(jù)有了更深入、全面的認識。在導(dǎo)師皮爾·剛德森教授的指導(dǎo)下，方運霆將博士期間的研究成果進行整理，發(fā)表了3篇不錯的《科學引文索引》（SCI）論文。通過接觸外國的科學家，方運霆的科研態(tài)度、學術(shù)思想都有了潛移默化的改變，而且對學術(shù)交流亦有了更真切的認識。

隨著研究的深入，方運霆越來越意識到常規(guī)的實驗方法很難解決氮循環(huán)研究中遇到的一些關(guān)鍵問題，只有借助穩(wěn)定同位素技術(shù)，有些問題才能迎刃而解。但國內(nèi)在氮循環(huán)研究領(lǐng)域里，很少有實驗室有相配套的穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀。而日本做穩(wěn)定同位素技術(shù)研究的歷史悠久，方運霆決定去那里學習。

在日本，同事們追求精準、追求極致的科研態(tài)度讓方運霆對科學精神有了新的認識。他說：“這種工匠精神，對科研求真非常有必要。因為沒有認真的態(tài)度去獲取每一個正確的數(shù)據(jù)，就永遠不會看到科學背后的真相?！被貒螅麑⑦@種追求卓越的精神帶到了團隊中，用此約束并激勵團隊成員在工作上做到精益求精。

在追求完美的同時，方運霆也感受到了周圍人對他的包容。當時給他分配的儀器使用時間也很有限，所以輪到他時，他就想盡量測更多的樣品，總是工作到很晚。人累了容易出差錯?！暗还軐?dǎo)師還是周圍的同事，對我都非常包容，沒有批評，也沒有因為怕我再出差錯，不給我使用儀器的時間?；貒笪覍ψ约旱膱F隊也很包容并且鼓勵他們積極動手操作儀器，不要怕出錯，不要怕把機器弄壞，因為只有這樣才會讓他們真正去珍惜樣品和獲取的數(shù)據(jù)，才會掌握儀器操作的技能和思考如何改進分析方法?！狈竭\霆說。

在日本的4年，方運霆延續(xù)了在博士期間的研究，因為有穩(wěn)定同位素技術(shù)的支持，他的探索越來越深入，同時學成歸國的想法在他心中越來越強烈。面對國內(nèi)高校、科研院所向他伸出的橄欖枝，結(jié)合多種因素考慮，方運霆最終選擇到中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所工作，開始了科研歷程的新發(fā)展。

協(xié)同作戰(zhàn)出戰(zhàn)果

沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所歷史悠久，在我國溫帶森林生態(tài)學研究領(lǐng)域碩果累累，為國家培養(yǎng)出了大批優(yōu)秀的生態(tài)學人才。方運霆正式入職后，研究所為他各項工作的開展提供了眾多有力的支持，積極為他的團隊配備了他夢寐以求的穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀。到沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所工作是方運霆科研生涯的一次重大轉(zhuǎn)變，從此他由單兵作戰(zhàn)轉(zhuǎn)為帶領(lǐng)團隊協(xié)同作戰(zhàn)。

方運霆成長迅速，2012年入選中國科學院“百人計劃”（2017年終期評估答辯優(yōu)秀），2014年獲得國家自然科學基金委員會優(yōu)秀青年科學基金項目，2019年入選遼寧省“興遼英才”計劃創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。一面在科研上持續(xù)發(fā)力，一面在方法上尋求突破，方運霆帶領(lǐng)團隊一路披荊斬棘，各項工作都取得了長足進展。

“百人計劃”項目選題相對自由，方運霆希望借此做一些前沿性的探索。氮沉降一定程度上會促進森林樹木生長，但長期過量的氮沉降則會對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致土壤酸化、養(yǎng)分流失、植物養(yǎng)分失衡、溫室氣體排放增加和生物多樣性損失。硝化作用影響森林氮的有效性和組成，是生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。但由于森林土壤硝化作用的時空異質(zhì)性，在生態(tài)系統(tǒng)尺度上量化硝化作用速率的問題一直難以解決。

美國普渡大學的格瑞格·米哈爾斯基（Greg?Michalski）教授等首次測定了大氣沉降硝酸鹽的17O自然豐度，發(fā)現(xiàn)大氣沉降硝酸鹽在形成過程中經(jīng)與臭氧的相互作用獲得了額外的17O（定義為17O盈余，用Δ17O表示，Δ17O值通常為20‰～31‰）。硝酸鹽進入土壤后，部分被植物或者微生物利用而消耗，但這些消耗過程都不會對剩余硝酸鹽的Δ17O產(chǎn)生影響。硝化作用生成的硝酸鹽中3個氧原子1個來自氧氣，2個來自水，不存在17O盈余，因此硝化作用產(chǎn)生的硝酸鹽Δ17O為0‰。因此，如果土壤硝化作用越強，那么對土壤中來自大氣沉降硝酸鹽17O盈余的稀釋作用越強。也就是說大氣沉降硝酸鹽Δ17O是一種天然的示蹤劑。根據(jù)這一原理，通過測定降水和溪水的硝酸鹽Δ17O和降水硝酸鹽量，利用同位素混合模型，方運霆帶領(lǐng)團隊首次量化了森林生態(tài)系統(tǒng)尺度上年硝化作用速率和反硝化作用速率，這一成果于2015年發(fā)表于《美國科學院院刊》（PNAS）上。這是沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所建所60年來，第一篇發(fā)表在美國科學院院刊的研究成果。

除關(guān)注基礎(chǔ)問題外，方運霆更將研究視角投向與日常生活緊密相關(guān)并需要迫切解決的霧霾問題上。在他參與的國家重點研發(fā)計劃課題“京津冀重污染過程多同位素示蹤與精細化溯源”所屬項目“基于同位素技術(shù)的大氣顆粒物來源解析方法研究與應(yīng)用”中，依托穩(wěn)定同位素測定設(shè)備和新建立的方法，方運霆帶領(lǐng)團隊和中國科學院大氣物理研究所等有關(guān)單位針對灰霾如何形成、有哪些成分、排放源來自哪里等問題進行了源解析，并取得了一些重要成果。他們量化了機動車尾氣排放和農(nóng)田揮發(fā)的氨同位素特征，并得出了重要結(jié)論，即在城市區(qū)域大氣銨鹽來自機動車尾氣和發(fā)電廠廢氣排放。這是國內(nèi)用氮的同位素技術(shù)證明城市氨氣的排放不是來自農(nóng)田的較早嘗試，在當時對此問題存在較大爭議的情況下，方運霆帶領(lǐng)團隊為城市大氣氨來源解析提供了新的科學方法和證據(jù)。

2012年回國后，方運霆先后主持科技部重點研發(fā)課題、中科院前沿重點等項目近20項，這些項目中有關(guān)于儀器研制的，有關(guān)于改進氮排放管理實驗方法的，有基礎(chǔ)研究也有應(yīng)用研究。他承擔的國家重點研發(fā)計劃項目“中國北方森林和草地生態(tài)系統(tǒng)碳氮耦合循環(huán)與碳源匯效應(yīng)研究”之課題二“生態(tài)系統(tǒng)碳氮耦合循環(huán)生物學機制”，是在眾多項目中他投入巨大精力的代表性項目之一。

以我國北方典型溫帶、寒溫帶森林和草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，攻關(guān)目標是研究增溫、氮沉降、森林演替和火干擾等因子對森林和草地生態(tài)系統(tǒng)植物氮吸收和同化、光合碳水化合物分配、有機質(zhì)分解和根際激發(fā)作用、碳氮循環(huán)相關(guān)微生物多樣性、土壤氮周轉(zhuǎn)和氮損失的影響，從而揭示碳氮耦合循環(huán)生物學機制及其對氮沉降和全球變化的響應(yīng)和適應(yīng)。課題自2016年實施以來，方運霆帶領(lǐng)團隊按任務(wù)書的計劃目標和各項主要指標要求布置研究，完成了課題任務(wù)書的所有考核指標，在平臺建設(shè)、方法創(chuàng)新、科研產(chǎn)出和人才培養(yǎng)方面均取得了重要進展。

通過項目攻關(guān)，方運霆及其團隊建立了全球最大的通過紅外輻射增溫的野外增溫平臺和森林生態(tài)系統(tǒng)15N成對標記網(wǎng)絡(luò)，為研究全球變暖和氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響提供了重要平臺。他們還建立了我國森林樹木年輪15N自然豐度數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)我國原始林在過去百年并沒有出現(xiàn)越來越氮限制的狀況。研究成果發(fā)表在《自然·通訊》（Nature?Communications）、《生態(tài)學專論》（Ecological?Monographs）和《全球變化生物學》（Global?Change?Biology）等生態(tài)學領(lǐng)域期刊上。

工欲善其事，必先利其器。在完成項目攻關(guān)的同時，方運霆也在不斷創(chuàng)新穩(wěn)定同位素技術(shù)方法。依托中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，他著手建設(shè)了以穩(wěn)定同位素技術(shù)研究、利用和測試服務(wù)為主的國內(nèi)第一家省重點實驗室——遼寧省穩(wěn)定同位素技術(shù)重點實驗室。

實驗室于2018年9月獲批建設(shè)，2019年正式運行，新研發(fā)和建立的方法適用于生態(tài)系統(tǒng)中不同含氮物質(zhì)的同位素測定，使用前景非常廣闊，銨鹽和硝酸鹽同位素測定技術(shù)已經(jīng)用在氣溶膠、降水、湖水、河水、溪水、土壤浸提液、冰芯樣品。由于技術(shù)先進，實驗室吸引了清華大學、復(fù)旦大學、中國農(nóng)業(yè)大學、中國科學院大氣物理所等100多所高?；蜓芯克星皝韺W習或送測樣品。

集中優(yōu)勢力量加強科研條件建設(shè)，擴大國內(nèi)外開放交流，吸引和培養(yǎng)高端研究人才，促進學科交叉融合，推動原創(chuàng)性成果產(chǎn)出，實驗室在方運霆帶領(lǐng)下會為提升遼寧省在相關(guān)領(lǐng)域整體的研究水平和國際影響力，提高我國解決區(qū)域和國家重大生態(tài)問題的能力持續(xù)貢獻力量。

孜孜不倦去追求

在求學過程中，方運霆的6位導(dǎo)師給了他極大的自由去探索，并毫不吝惜他們的知識幫助他實現(xiàn)科研夢想。老師們照亮了他前行的路，當自己成為別人的師長，方運霆同樣愿意去幫助、支持這些年輕的學生。

方運霆與學生共同制訂研究計劃，分享獲得的研究結(jié)果，參與實驗工作，引導(dǎo)他們共同進步。不管學生的理想是不是想成為一名科學家，他都愿意把他們作為科研工作者來進行培養(yǎng)，鼓勵他們追求原始創(chuàng)新，做別人沒做過的事情。原來方運霆樂于看到自己出成果，現(xiàn)在他更欣慰看到學生的進步與成長。

從科研新手到行穩(wěn)致遠，回顧一路的科研歷程，方運霆有很多感悟和體會。他認為，中國快速發(fā)展的過程中產(chǎn)生的問題比能解決的問題快得多，只有真正熱愛科研，并將國家需求與自己的研究緊密結(jié)合，才會有做不完的課題?！拔覀冇龅搅撕脮r代，國家對人才重視，對基礎(chǔ)研究重視，我們有了施展才華的機會和舞臺。從人才培養(yǎng)的角度看，前30年我在學習、接受知識，后30年到我發(fā)揮作用的時候了?？蒲新愤€很長，我沒有別的興趣，不會去從事其他行業(yè)，許多已經(jīng)鋪好路的研究、許多好的想法在不斷產(chǎn)生新的成果，未來我還需要孜孜不倦地去追求?！睂τ谝叩穆?，方運霆無比堅定。

（責編：李莉）