稳定同位素技术助力生态环境研究和保护

于德萍

氮循环是地球物质循环的重要组成部分。全球每年通过人类活动新增的“活性”氮导致全球氮循环严重失衡，并引起陆地和水体生态系统的富营养化、酸化和温室气体排放等一系列生态和环境问题。20世纪70年代国际科学联合会环境问题科学委员会将全球氮超载作为一个潜在的环境问题和化学“定时炸弹”提出后，人类开始对地球各类生态系统中的氮循环进行广泛而深入的研究。

方运霆，中国科学院沈阳应用生态研究所副所长、研究员。近20年来，他一直从事陆地生态系统氮循环及其对全球变化响应的研究，带领团队围绕国家生态安全和地方重大需求，打造国内外一流水平的稳定同位素技术研究和应用平台，系统研究碳氮水循环的关键过程对人类活动干扰和全球变化的响应与反馈，揭示干扰和环境因素的驱动机制，为提升生态系统服务功能，提高农田地力和养分利用效率，寻求陆地生态系统碳汇提升途径等重大关键问题解决提供科学依据、政策咨询和技术支持。方运霆获得的诸多科研成果在国内外产生了广泛的影响。

在适应中找寻方向

方运霆在祖国各地的多个野外站开展过许多工作。华南植物园、广东鼎湖山、内蒙古大草原、吉林长白山……这些都是令人心驰神往、放松身心的好去处。他无暇欣赏青山秀色，野外站的实验研究比旖旎风景更具吸引力。一路走来，方运霆先后建立了森林野外模拟氮沉降平台、森林生态系统尺度上15N示踪网络、森林原位增温实验平台等。不同地域有不同的气候条件，不管炎热或寒冷，他都能很好适应。做生态科学研究，适应环境是一种能力，或许在农村出生、成长，良好的适应力已成为方运霆刻入骨子里的基因。

方运霆出生在江西一个秀美的村庄，对大自然有天然的亲近感。正因如此，当年高考被调剂到江西农业大学林学专业时，他心里也并未有太大失落。“学林学专业，似乎对出身农家的我来说也是一个不错的选择，因为学一些森林经营和管理上的知识技能，将来如果没别的出路至少可以回乡为家乡建设做点事情。”他心里这样想。

方运霆的适应力很强，梳理他的求学科研历程，就印证了这点，因为不管遇到何种情况，他总能做出与当时情境相适应的选择。

方运霆1995年上大学。毕业时没赶上工作分配，却赶上了考研热潮，继续深造成了莘莘学子的更高追求。方运霆加入了考研队伍。在校时，所学课程多与森林培育和造林相关，但临近毕业，国家的林业政策发生了变化，森林功能从以木材生产为主转变为以生态服务为主，森林生态学成了一个重要学科。在此背景下，方运霆报考了中国科学院华南植物园森林生态学方向的硕士研究生，并顺利被录取。

华南植物园虽地处广州，但因导师莫江明研究员常年在远离市区的鼎湖山站开展工作，所以大部分时间方运霆也跟随导师在那里。那是一段非常自由的求学时光，在导师的支持和鼓励下，方运霆不断寻找着自己感兴趣的方向。

1997年12月，《京都议定书》在日本京都通过，它的签署是为了人类免受气候变暖的威脅。2005年2月16日，《京都议定书》正式生效。这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。为促进各国完成温室气体减排目标，议定书允许采取4种减排方式，其中一种是：以“净排放量”计算温室气体排放量，即从本国实际排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的数量。

这条减排政策引起了方运霆的注意，在国内还没有多少人做相关研究的情况下，他的硕士论文研究随着生长、恢复或演替，森林生态系统吸收二氧化碳潜力和速率等问题。在当下提出实现“碳达峰、碳中和”双碳目标成为中国应对全球气候变化国策的背景下，方运霆是国内较早接触相关研究课题的科研工作者之一。

广东珠三角区域城市快速发展，工业、汽车尾气排放和农业生产集约化加剧了大气氮污染。在此背景下，在华南植物园继续攻博的方运霆从2003年开始转向研究氮沉降如何影响区域森林生态系统的结构与功能。

鼎湖山处于珠三角地区的下风口，是研究氮沉降的绝佳地点。从布置森林氮添加的模拟控制实验开始，方运霆针对氮循环开展的一系列研究由此起步。

如今，20年过去，方运霆读博期间参与搭建的野外平台仍在发挥作用，而他早已是怀抱梦想出国深造又怀抱所学到沈阳施展抱负的一名资深科研人员。从南方热土到辽阔北方工作，在持续探索中，他研究的深度与广度也在不断拓展。

逐梦路上恩师指引

一个人的成长离不开老师的指导、教诲、提携与帮助。“郭靖有9个老师，我比郭靖的少，但也有6位。”谈笑间，方运霆语气中透露的是对老师的感恩。

莫江明研究员是方运霆的硕士研究生导师，是他带领方运霆走上了科研之路。华南植物所（现为华南植物园）副所长周国逸研究员是他的博士导师，尤其在后续的学术生涯里，周老师的帮助让方运霆受益匪浅。还有丹麦哥本哈根大学皮尔·刚德森教授（Per Gundersen），日本东京农工大学的两位博士后导师杨宗興教授（Muneoki Yoh）和木庭啓介教授（Keisuke Koba），及长期合作的美国纽约州立大学的朱伟兴教授，他们都对方运霆的科研成长提供了极大的帮助。

方运霆2006年博士毕业后留所做了1年的助理研究员，2007年作为访问学者在丹麦哥本哈根大学访学1年。那是一段岁月静好的时光，他大量研读了研究生阶段没来得及涉猎的文献，对博士期间获取的数据有了更深入、全面的认识。在导师皮尔·刚德森教授的指导下，方运霆将博士期间的研究成果进行整理，发表了3篇不错的《科学引文索引》（SCI）论文。通过接触外国的科学家，方运霆的科研态度、学术思想都有了潜移默化的改变，而且对学术交流亦有了更真切的认识。

随着研究的深入，方运霆越来越意识到常规的实验方法很难解决氮循环研究中遇到的一些关键问题，只有借助稳定同位素技术，有些问题才能迎刃而解。但国内在氮循环研究领域里，很少有实验室有相配套的稳定同位素质谱仪。而日本做稳定同位素技术研究的历史悠久，方运霆决定去那里学习。

在日本，同事们追求精准、追求极致的科研态度让方运霆对科学精神有了新的认识。他说：“这种工匠精神，对科研求真非常有必要。因为没有认真的态度去获取每一个正确的数据，就永远不会看到科学背后的真相。”回国后，他将这种追求卓越的精神带到了团队中，用此约束并激励团队成员在工作上做到精益求精。

在追求完美的同时，方运霆也感受到了周围人对他的包容。当时给他分配的仪器使用时间也很有限，所以轮到他时，他就想尽量测更多的样品，总是工作到很晚。人累了容易出差错。“但不管导师还是周围的同事，对我都非常包容，没有批评，也没有因为怕我再出差错，不给我使用仪器的时间。回国后我对自己的团队也很包容并且鼓励他们积极动手操作仪器，不要怕出错，不要怕把机器弄坏，因为只有这样才会让他们真正去珍惜样品和获取的数据，才会掌握仪器操作的技能和思考如何改进分析方法。”方运霆说。

在日本的4年，方运霆延续了在博士期间的研究，因为有稳定同位素技术的支持，他的探索越来越深入，同时学成归国的想法在他心中越来越强烈。面对国内高校、科研院所向他伸出的橄榄枝，结合多种因素考虑，方运霆最终选择到中国科学院沈阳应用生态研究所工作，开始了科研历程的新发展。

协同作战出战果

沈阳应用生态研究所历史悠久，在我国温带森林生态学研究领域硕果累累，为国家培养出了大批优秀的生态学人才。方运霆正式入职后，研究所为他各项工作的开展提供了众多有力的支持，积极为他的团队配备了他梦寐以求的稳定同位素质谱仪。到沈阳应用生态研究所工作是方运霆科研生涯的一次重大转变，从此他由单兵作战转为带领团队协同作战。

方运霆成长迅速，2012年入选中国科学院“百人计划”（2017年终期评估答辩优秀），2014年获得国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金项目，2019年入选辽宁省“兴辽英才”计划创新领军人才。一面在科研上持续发力，一面在方法上寻求突破，方运霆带领团队一路披荆斩棘，各项工作都取得了长足进展。

“百人计划”项目选题相对自由，方运霆希望借此做一些前沿性的探索。氮沉降一定程度上会促进森林树木生长，但长期过量的氮沉降则会对森林生态系统产生不利影响，导致土壤酸化、养分流失、植物养分失衡、温室气体排放增加和生物多样性损失。硝化作用影响森林氮的有效性和组成，是生态系统氮循环过程关键环节之一。但由于森林土壤硝化作用的时空异质性，在生态系统尺度上量化硝化作用速率的问题一直难以解决。

美国普渡大学的格瑞格·米哈尔斯基（Greg Michalski）教授等首次测定了大气沉降硝酸盐的17O自然丰度，发现大气沉降硝酸盐在形成过程中经与臭氧的相互作用获得了额外的17O（定义为17O盈余，用Δ17O表示，Δ17O值通常为20‰～31‰）。硝酸盐进入土壤后，部分被植物或者微生物利用而消耗，但这些消耗过程都不会对剩余硝酸盐的Δ17O产生影响。硝化作用生成的硝酸盐中3个氧原子1个来自氧气，2个来自水，不存在17O盈余，因此硝化作用产生的硝酸盐Δ17O为0‰。因此，如果土壤硝化作用越强，那么对土壤中来自大气沉降硝酸盐17O盈余的稀释作用越强。也就是说大气沉降硝酸盐Δ17O是一种天然的示踪剂。根据这一原理，通过测定降水和溪水的硝酸盐Δ17O和降水硝酸盐量，利用同位素混合模型，方运霆带领团队首次量化了森林生态系统尺度上年硝化作用速率和反硝化作用速率，这一成果于2015年发表于《美国科学院院刊》（PNAS）上。这是沈阳应用生态研究所建所60年来，第一篇发表在美国科学院院刊的研究成果。

除关注基础问题外，方运霆更将研究视角投向与日常生活紧密相关并需要迫切解决的雾霾问题上。在他参与的国家重点研发计划课题“京津冀重污染过程多同位素示踪与精细化溯源”所属项目“基于同位素技术的大气颗粒物来源解析方法研究与应用”中，依托稳定同位素测定设备和新建立的方法，方运霆带领团队和中国科学院大气物理研究所等有关单位针对灰霾如何形成、有哪些成分、排放源来自哪里等问题进行了源解析，并取得了一些重要成果。他们量化了机动车尾气排放和农田挥发的氨同位素特征，并得出了重要结论，即在城市区域大气铵盐来自机动车尾气和发电厂废气排放。这是国内用氮的同位素技术证明城市氨气的排放不是来自农田的较早尝试，在当时对此问题存在较大争议的情况下，方运霆带领团队为城市大气氨来源解析提供了新的科学方法和证据。

2012年回国后，方运霆先后主持科技部重点研发课题、中科院前沿重点等项目近20项，这些项目中有关于仪器研制的，有关于改进氮排放管理实验方法的，有基础研究也有应用研究。他承担的国家重点研发计划项目“中国北方森林和草地生态系统碳氮耦合循环与碳源汇效应研究”之课题二“生态系统碳氮耦合循环生物学机制”，是在众多项目中他投入巨大精力的代表性项目之一。

以我国北方典型温带、寒温带森林和草地生态系统为研究对象，攻关目标是研究增温、氮沉降、森林演替和火干扰等因子对森林和草地生态系统植物氮吸收和同化、光合碳水化合物分配、有机质分解和根际激发作用、碳氮循环相关微生物多样性、土壤氮周转和氮损失的影响，从而揭示碳氮耦合循环生物学机制及其对氮沉降和全球变化的响应和适应。课题自2016年实施以来，方运霆带领团队按任务书的计划目标和各项主要指标要求布置研究，完成了课题任务书的所有考核指标，在平台建设、方法创新、科研产出和人才培养方面均取得了重要进展。

通过项目攻关，方运霆及其团队建立了全球最大的通过红外辐射增温的野外增温平台和森林生态系统15N成对标记网络，为研究全球变暖和氮沉降对森林生态系统的影响提供了重要平台。他们还建立了我国森林树木年轮15N自然丰度数据库，发现我国原始林在过去百年并没有出现越来越氮限制的状况。研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）、《生态学专论》（Ecological Monographs）和《全球变化生物学》（Global Change Biology）等生态学领域期刊上。

工欲善其事，必先利其器。在完成项目攻关的同时，方运霆也在不断创新稳定同位素技术方法。依托中国科学院沈阳应用生态研究所，他着手建设了以稳定同位素技术研究、利用和测试服务为主的国内第一家省重点实验室——辽宁省稳定同位素技术重点实验室。

实验室于2018年9月获批建设，2019年正式运行，新研发和建立的方法适用于生态系统中不同含氮物质的同位素测定，使用前景非常广阔，铵盐和硝酸盐同位素测定技术已经用在气溶胶、降水、湖水、河水、溪水、土壤浸提液、冰芯样品。由于技术先进，实验室吸引了清华大学、复旦大学、中国农业大学、中国科学院大气物理所等100多所高校或研究所同行前来学习或送测样品。

集中优势力量加强科研条件建设，扩大国内外开放交流，吸引和培养高端研究人才，促进学科交叉融合，推动原创性成果产出，实验室在方运霆带领下会为提升辽宁省在相关领域整体的研究水平和国际影响力，提高我国解决区域和国家重大生态问题的能力持续贡献力量。

孜孜不倦去追求

在求學过程中，方运霆的6位导师给了他极大的自由去探索，并毫不吝惜他们的知识帮助他实现科研梦想。老师们照亮了他前行的路，当自己成为别人的师长，方运霆同样愿意去帮助、支持这些年轻的学生。

方运霆与学生共同制订研究计划，分享获得的研究结果，参与实验工作，引导他们共同进步。不管学生的理想是不是想成为一名科学家，他都愿意把他们作为科研工作者来进行培养，鼓励他们追求原始创新，做别人没做过的事情。原来方运霆乐于看到自己出成果，现在他更欣慰看到学生的进步与成长。

从科研新手到行稳致远，回顾一路的科研历程，方运霆有很多感悟和体会。他认为，中国快速发展的过程中产生的问题比能解决的问题快得多，只有真正热爱科研，并将国家需求与自己的研究紧密结合，才会有做不完的课题。“我们遇到了好时代，国家对人才重视，对基础研究重视，我们有了施展才华的机会和舞台。从人才培养的角度看，前30年我在学习、接受知识，后30年到我发挥作用的时候了。科研路还很长，我没有别的兴趣，不会去从事其他行业，许多已经铺好路的研究、许多好的想法在不断产生新的成果，未来我还需要孜孜不倦地去追求。”对于要走的路，方运霆无比坚定。

（责编：李莉）