【三江站:构建黑土生态安全屏障】白天穿着迷彩服和皮靴,到湿地里挖土、采样,傍晚回到实验室对采集的样品做进一步分析处理……

在黑龙江三江沼泽湿地生态系统国家野外科学观测研究站(以下简称三江站)里,科研人员日复一日、年复一年地开展定位观测采样试验,为沼泽湿地生态过程、区域沼泽湿地资源保护、区域生态与环境安全管理等研究提供了科学支撑平台。

三江站副站长、中国科学院东北地理与农业生态研究所(以下简称东北地理所)研究员郭跃东告诉《中国科学报》:“这些年来,三江站在开展湿地农田生态系统水资源保障方面的工作同时,从水资源的优化配置等生态安全保障方面支撑了黑土地的保护与利用。”

“北大荒”变“北大仓”

据了解,东北黑土区内湿地广泛分布,仅国家级湿地自然保护区就有20多处,并有10余处湿地被列入国际重要湿地名录。三江站就处于这些重要湿地的环绕中,最近的是洪河保护区,周围还有三江、七星河、东方红、珍宝岛、兴凯湖。

三江平原是我国最大的淡水沼泽湿地分布区之一,地势低平,降水多集中在夏秋两季,且气候冷湿、土质黏重、地表水下渗缓慢,季节性冻融促使地表长期过湿,积水过多,形成大面积沼泽水体和沼泽化植被、土壤,构成了独特的沼泽湿地景观。

曾经的三江平原因“北大荒”而出名。20世纪50年代人们在三江平原上进行大规模开垦后,建设了许多大型国营农场,“北大荒”也随之变成“北大仓”。与此同时,三江平原地区生态环境受到一定程度的破坏,气候条件恶化、旱涝灾害增加、珍稀动植物减少。

20世纪70年代末,为了推进自然湿地的保护,东北地理所研究员刘兴土(2007年当选为中国工程院院士)为黑龙江省调査和规划了三江平原第一个沼泽自然保护区(洪河自然保护区),也是国家级湿地自然保护区和国际重要湿地。

随后,刘兴土和同事们共同建立了我国第一个沼泽湿地生态站——三江平原沼泽湿地生态站(三江站),进一步推进我国沼泽湿地研究由考察步入定位研究阶段。2005年,三江站成为国家野外观测研究站。

郭跃东介绍,三江平原地区的土壤类型主要有黑土、白浆土、草甸土、沼泽土等,以草甸土和沼泽土分布最广。这里湿地与农田系统的交错分布,所以湿地对东北黑土地的生态保护和可持续利用有重要作用,包括防止土壤侵蚀和土地荒漠化,净化农业面源污染,蓄水调洪、补充地下水、改善水循环,调节局地气候增加碳汇等。

这也是当年选址和建站的原因,黑土地需要生态安全保障,农业水土资源需要优化配置,切实发挥湿地、森林、草地生态系统的生态保障功能。

提升黑土区湿地效益

近年来,我国东北地区湿地生态系统由于受垦殖、排水、资源侵占等人为干扰,造成了普遍性的结构退化、功能下降。

“以自然恢复为主,人工恢复为辅”。本着这样的湿地恢复原则,三江站湿地管理与恢复学科组科研人员集成植被快速恢复技术、栖息地功能提升技术、多梯度生境构建技术、水文连通等近自然恢复技术方法,并将这些技术有机整合后,在松嫩西部湿地集中区和三江平原先后开展了湿地恢复技术示范与推广工作。

“截至目前,这些地区植被盖度达到70%,提高了30%,生物量提升60%。”郭跃东表示,湿地植被恢复技术在松嫩平原扎龙湿地、莫莫格湿地、向海湿地建立了53000 公顷恢复示范区,在三江平原洪河湿地、三江湿地建立了植被恢复示范区20000 公顷。

其中,莫莫格湿地恢复后,白鹤食源植物增殖40%,停歇时间由平均40多天延长至70多天,种群数量增加至3800只,占全球白鹤数量的98%以上,退化湿地恢复的生态效益显著增加。

与此同时,东北地理所依托三江站、兴凯湖站等湿地生态系统国家野外台站,在黑土地的安全屏障方面开展了大量的监测、研究和示范工作。

比如,针对黑土区湿地生态系统,三江站科研团队开展湿地精准生态补水与农业用水保障的流域水资源综合调控、退化湿地恢复与合理利用技术模式、湿地消纳农田退水工程技术等工作,提炼黑土区湿地综合效益提升对策方案。

第一部《中国沼泽志》、第一幅《中国沼泽分布图》、第一套《湿地观测规范与方法》、第一个沼泽湿地数据库……三江站科研团队在30多年的观测与研究中,填补了我国多个领域的空白。

“在这里就是一个农民”

曾在三江站工作的研究人员笑称:“自己在这里就是一个农民。”正是这一批批自称“农民”的人,在三江站通过观测和试验,积累了大量第一手野外科学观测研究数据。

20世纪80~90年代,在经费短缺,实验环境恶劣的条件下,三江站站长、东北地理所研究员宋长春利用有限的监测仪器,亲自前往一线采样,获得了很多一手的实验数据,为三江平原地区湿地温室气体排放及其对气候系统的反馈调节效应研究做出了重要的贡献。

自从加入碳通量观测网络以后,三江站在站内工作人员的努力下,已实现了多个站点气象和水文数据的实时传输。如今,三江站形成了以三江平原为中心,辐射至大兴安岭、吉林西部及辽河口湿地的网络格局。

“我们有5套涡度相关系统仪器的数据采集和处理,需要高速的信息传输系统和视频采集系统,以保障大量数据的监控和高效处理。”郭跃东告诉记者,“由于站点间距离遥远,监测项目较为复杂,每年监测数据庞大,仪器维护和数据获取需要进一步自动化。

像郭跃东这样长年驻扎在三江站的科研人员还有很多,他们以站为家,通过定点观测和采样分析,先后向国家及省、市政府部门提交关于三江平原水资源合理利用政策及湿地生态保护政策等咨询报告5份,提出缩小三江平原湿地开发规模、加强三江平原黑土区中低产田改造的建议,被相关部门采纳。https://t.cn/A6M9yzQD

【从0到1的突破!人工合成淀粉有何厉害之处】

设想一下,不需要种地,也不需要绿色植物,以太阳光、水和二氧化碳为原料,在工厂里就可以像植物一样源源不断生产出淀粉。是不是很神奇?而今,这看似遥不可及的一幕,在不久的将来,有望实现。

近期,中科院天津工业生物技术研究所传来喜讯:经过6年技术攻关,科研团队在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定二氧化碳,合成淀粉,这一被国际学术界认为将是影响世界的重大颠覆性技术,究竟有何厉害之处?其突破,又有何科学意义和现实意义?记者就此采访了论文的作者及相关专家。

突破瓶颈

中国人偏重碳水饮食,清代美食家袁枚曾在《随园食单》中这样写道,“粥饭本也,余菜末也”,足见国人对碳水的宠爱。这里所说的碳水即碳水化合物,由碳、氢、氧组成,是人类生存必不可少的元素。而淀粉就是“粥饭”中最主要的碳水化合物,它是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,是养活全球人口最重要的食物原料,同时也是重要的工业原料。

多少年来,农作物通过光合作用,将水、二氧化碳等无机化合物合成可作为动物饲料和人类食物的糖类乃至淀粉等碳水化合物,是地球上最重要的生物化学反应过程。但这是效率最高的淀粉生产方式吗?答案是否定的。

根据论文通讯作者、天津工业生物所所长马延和提供的数据,在玉米等农作物中,将二氧化碳转变为淀粉,涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控,太阳能的利用效率不足2%。“植物经过亿万年进化,适应了自然环境,其固有属性制约了淀粉高效合成。”马延和称。

有没有一种办法能够摆脱植物来合成淀粉?自合成生物学诞生以来,人们就开始尝试人工构建非自然途径,实现二氧化碳到淀粉的转化,以突破植物媒介光合作用的瓶颈。但是,因为技术路线不清、瓶颈问题难测,这条科研之路存在很多不确定性。

马延和等人还是决定勇闯“无人区”。2015年起,天津工业生物所在中国科学院重点部署项目和天津市财政专项的支持下,立项开展二氧化碳合成淀粉的研究。

6年鏖战,研究团队终于如愿以偿。论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬兴奋地说:“我们拿合成淀粉与自然界中的淀粉比较,得到核磁结果是一模一样的,可以说,合成淀粉实际上与自然的淀粉是没有区别的。”

这意味着什么?数据显示,2019年,全世界有近7.5亿人面临重度粮食不安全,占世界总人口近十分之一。“即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料甚至饲料,也是对缓解农业压力的巨大贡献。”马延和表示。

技术路径

用二氧化碳人工合成淀粉,这项颠覆性技术是如何炼成的?马延和告诉记者,从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能。

可如何更高效地将光能转变为化学能?模拟和借鉴自然过程,构筑新的人工光合途径,科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式,首先通过光伏发电将光能转变为电能,通过光伏电水解产生氢气,然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能,该过程的能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率。

甲醇储存了来自太阳能的能量,但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。于是,科研人员又利用合成生物学的思想,从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。

为将设计蓝图变为现实,科研人员还挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,最终优中选优,使用10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮,进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖,最终合成了直链和支链淀粉。

“这是实现人工光合作用合成淀粉的一种过程。”马延和说,从科学突破角度看,这一人工途径的淀粉合成,向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

从技术创新角度看,通过发展高效的人工催化剂和生物酶,研究团队从6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新途径。按照20%的光电转化效率计算,这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统,理论能量转化效率可达7%,其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍。

这意味着什么?蔡韬解释,按照目前技术参数推算,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算),“这一成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗”。

应用前景

在江南大学原校长、中国工程院院士陈坚看来,食品生产大约占据全球40%的耕地,产生了25%的温室气体,作为最主要的粮食成分之一,淀粉的可持续供应是人类未来面临的重要挑战。这项研究成果将化学与生物的方法相结合,采用蛋白质工程和合成生物学等一系列新技术,从二氧化碳直接合成淀粉,完全颠覆了传统的淀粉生产方式。这项研究工作是典型的从“0到1”的原创性成果,不仅对未来的农业生产,特别是粮食生产具有革命性的影响,而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。

马延和表示,如果未来该系统过程成本与农业种植相比具有经济可行性,并实际应用,将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平。

不过,他同时强调,目前该成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,且面临诸多挑战。

“后续,研究团队还需要尽快实现从‘0到1’的概念突破到‘1到10’和‘10到100’的转换,让这项技术最终成为解决人类发展问题的有效手段和工具。”中科院副院长周琪表示,中科院将集成相关科技力量,一如既往地支持该项研究深入推进。

“当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战,科技创新已成为重塑全球格局、创造人类美好未来的关键因素。二氧化碳的转化利用与人工合成淀粉,正是应对挑战的重大科技问题之一。”周琪说。

来源:经济日报

【不主动不充分不规范,专家呼吁尽快出台企业碳排放信息披露框架】清华大学能源环境经济研究所学者宫宁在最新一期《环境经济研究》上撰文表示,为实现碳达峰、碳中和承诺,企业作为温室气体基本排放源,有责任进行高水平的碳管理和高质量的碳信息披露。 https://t.cn/A6IVtAcL (来源:中国环境,发布:孙宇,审核:胡茂林 赵锋)


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