徐庆:让水替植物“说话”的生态人

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  稳定同位素生态学研究逐渐走向成熟,但研究过程的一个关键实验环节野外采样,一直让徐庆忧心忡忡。 “团队成员的采样技术都经过徐庆老师的亲手指导,或到野外森林中现场采样示范,或带领我们在林科院附近的山上指导取样,或在室内模拟采样过程。”中国林科院助理研究员高德强说。 盛夏,西鄂尔多斯的荒漠,滚烫的沙粒在地面上弹跳着,像热锅里迸溅出来的油。一种约半米高、灰绿色的小灌木,正匍匐在地上,艰难、顽强地生长着。如果没人提醒,很难注意到它的存在,更难将它与国家一级重点保护野生植物联系在一起。它就是四合木。 徐庆介绍,每到一个新的研究区,首先要进行植物群落调查,搞清楚该研究区植物大家庭中各成员间的关系,将相关物种全部纳入到研究中。 事实证明了当初蒋有绪先生的预见性。仅仅十几年间,国内先后有近百家科研院所和综合性大学开展稳定同位素生态学研究。2015年,中国生态学学会还成立了稳定同位素生态专业委员会,徐庆当选为专委会委员、副秘书长。徐庆科研团队也陆续主持并完成4个国家自然科学基金面上项目,皆与稳定同位素生态学有关。 “取样决定结果。采样也是个细心活,采样过程容不得半点马虎。”徐庆介绍,采样中,需要将该植物所有潜在水源都涵盖进去,包括大气降水、地表水、土壤水、地下水、蒸发水、凋落物水等,并且,不同植物采集的部位也不同,有的植物适合采集茎(木质部),有的适合采集根或根茎或叶脉。 2012年,一脚迈进西鄂尔多斯荒漠的徐庆,就跟四合木打起交道。她介绍,四合木保护是一项综合工作,不仅要杜绝人为破坏,展开人工繁育工作,更应该了解四合木在荒漠生态系统中的生长习性。“水分是干旱地区植物的生命之源,以水分为抓手研究植物生理特征,或许能解开其生命密码。” 徐庆介绍,稳定同位素技术具有示踪、整合和指示等多项功能,且检测快速,结果精确。通过稳定同位素分析,不仅可以追踪生源要素,如碳、氮和水等的生物地球化学循环过程,还可研究动植物对环境胁迫的反应及其对全球变化响应机制、追踪污染物来源与去向、重组古气候和古生态过程等。 这次的主角是“互花米草”,有促淤、消浪、保滩、护堤等作用。进入我国的湿地生态系统后,它被认为是甲烷(CH4)的排放源,影响了附近入海河流的水质。 森林、湿地、荒漠生态系统水循环过程及其重要植物水分利用的研究相继结题后,徐庆又开始为“草原”奔走。“如果能够综合了解中国的四大生态系统的碳、水循环过程和机制,将会对创新和发展中国陆地生态系统碳水循环过程定量研究模式提供借鉴。” 多年来,徐庆练就了眼明手快的一套绝活,还发明和改装了野外同位素样品采集装置,利用这套装置可以实现冠层蒸发水和土壤表层蒸发水的快速收集,大大降低了采样误差。 在川西亚高山森林中,徐庆科研团队发现,林冠上层岷江冷杉主要利用浅层地下水;中层糙皮桦、大叶金顶杜鹃和下层冷箭竹在雨季主要利用雨水,在旱季转而利用浅层地下水。“通过控制糙皮桦和大叶金顶杜鹃的分布或数量,在某种程度上能对冷箭竹起到保护作用。”徐庆说。 毕竟,即便在国际上这也是现代生态学的一个新领域、新方法。直到2007年,美国生态学家Brian Fry的专著《稳定同位素生态学》出版,才标志着生态学又一门分支学科正式诞生。 徐庆科研团队的研究不仅能拯救植物界的“大熊猫”,也让真正的大熊猫“吃得香”。大熊猫的挑食众所周知,它们只吃以冷箭竹为主的竹类,冷箭竹的数量关乎大熊猫的生死存亡。 这也是16年来,中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所研究员徐庆利用水中氢氧同位素锁定植物水分来源、水分利用机理从事稳定同位素生态学研究想要达到的目标。如今,她已带领团队在森林、湿地、荒漠三大生态系统水循环过程及其重要植物水分利用的研究中取得了重要成果,并向草原生态系统进军。 学科的发展是对研究方向莫大的肯定,目前越来越多的研究人员加入,相关学科的研究人员也希望借助稳定同位素技术分析一些关键科学问题。徐庆说:“未来,希望研究团队和学生扩大研究领域,不仅关注生态系统水循环过程,还研究生态系统中碳、氮、硫、磷等生物地球化学循环过程,同时也要关注大气污染、食品安全等国计民生问题。” 稳定同位素生态学的研究如何为生态系统及物种保护服务呢?以四合木来说,这种植物界的“大熊猫”,除了“天灾人祸”,还受到其他植物的“攻击”,比如它的伴生植物霸王。“基于氢氧同位素的研究发现,四合木和霸王具有相似的水分利用策略:小雨时,两种植物主要利用11.5米的深层土壤水;中雨和大雨时,这两种植物转为利用0.4米以上的浅层土壤水。” “我蒙了!一直以来从事的都是森林生态、生物多样性保育的研究,对于这个新方法,听都没听过。”徐庆说。 在对研究区物种的了解过程中,徐庆发现了1个安徽新分布科和5个新分布种,并积累了几千张植物图片,相继出版了《九华山植物》《湿地高等植物图志》等著作,为公众了解区域内的生态环境提供支持。 这意味着,郁金香颜值非常高但是它有非常特别的地方看了,在干旱缺水的荒漠生态环境中,霸王过多,将影响四合木的生存及其植被恢复。基于此,徐庆建议,西鄂尔多斯荒漠进行植被恢复时,应避免将这两种植物同时种植。 谈及团队的多产,徐庆表示,除了认真对待野外采样、室内预处理实验及同位素测定和分析内每个环节,还得益于此前森林生态、植物学的积累。 植物也有“被冤枉”的时候,没“打架”却被认为霸占了其他植物的生存资源,外来物种常常成为这一悲剧的“主角”。 她强调,目前,采样瓶已经缩小到半支粉笔大小,取样设备更加智能、精准,但还需警惕随时可能出现的误差。 中国科学院院士蒋有绪把尚在读博士的徐庆叫到办公室,将这个研究方向抛给了她,希望能够为当时林科院主持的一个“973”计划项目提供新的研究方法。 最初的几年,徐庆主要靠查阅文献了解稳定同位素生态。随着对该研究方向的深入了解,徐庆对导师蒋有绪先生既感且佩。 徐庆等人的研究发现,互花米草与本土植物海三棱镳草相比,没有显著改变土壤中CH4的碳同位素的组成,这表明互花米草的引进和蔓延没有显著增加该湿地生态系统CH4总排放量。

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