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新華每日電訊13版

在黃土高原,她“找到”了防風固沙的“它”

科學家趙允格用十余年,發現“太普通沒美感”的生物土壤結皮是改善生態的“功臣”

2020-11-27 11:05:27 來源: 新華每日電訊13版

  在高原上,你可能會看到這樣的畫面:生物土壤結皮研究專家趙允格和她的研究團隊,每人捧著一個大盤子,走在黃土高原的梁梁峁峁上,遇見陡坡時,大家齊刷刷地蹲坐在地上,屁股蹭著黃土,一點一點往下遛,而上半身的全部力量,都用于保護手裏的樣本

  以零為起點,趙允格及研究團隊用10年時間反復考察、實驗,證實生物土壤結皮在控制黃土高原退耕地土壤流失方面功不可沒

  除了放大鏡,趙允格喜歡隨時帶一瓶水,看到令她眼前一亮的生物土壤結皮,就擰開瓶蓋,往結皮體上滴一滴水,然後俯身在地上,靜靜地觀察,一看就是十幾分鐘。高原上有風刮過,但趙允格的耳朵裏,似乎只有水滴流動的聲音

  ▲趙允格在野外考察。

  ▲趙允格(右三)在野外考察。

  ▲黃土高原上的生物土壤結皮。

  ▲黃土高原上的生物土壤結皮。

(受訪者供圖)

  新華每日電訊記者孫正好

  除了放大鏡,趙允格喜歡隨時帶一瓶水,看到令她眼前一亮的生物土壤結皮,就擰開瓶蓋,往結皮體上滴一滴水,然後俯身在地上,靜靜地觀察,一看就是十幾分鐘。高原上有風刮過,但趙允格的耳朵裏,似乎只有水滴流動的聲音。

  世界土壤日前夕,記者來到位于陜西楊淩的中國科學院水利部水土保持研究所,走近我國生物土壤結皮研究專家趙允格,以及她所癡迷的那個與土壤有關的“小世界”。

“無名有機體”

  近觀這片黃土地,常常會發現很多地塊的土壤表面,並非松散的黃土,而是一種黑且堅硬、有時還長有苔蘚或地衣的有機復合體——它們叫什麼?是怎麼形成的?

  “那時候,中國很少有人研究這個,它太普通了,也沒什麼美感,許多人甚至覺得它沒什麼研究價值。”趙允格説,“但我不這麼認為,我就想,它既然能在剛剛退耕的地裏長出來,肯定對水土流失有影響!”

  雄踞我國北方的黃土高原,廣義面積達到67萬平方公裏。近觀這片黃土地,常常會發現很多地塊的土壤表面,並非松散的黃土,而是一種黑且堅硬、有時還長有苔蘚或地衣的有機復合體——夏天的雨水過後,它們像是黃土地上的綠地毯,松軟靚麗;而到了幹冷的冬季,它們就成了黑乎乎的“馬賽克”。它們叫什麼?是怎麼形成的?

  這些問題,正是趙允格科研生涯的起點。2003年,剛從西北農林科技大學博士研究生畢業的她,入職中國科學院水利部水土保持研究所,這裏是中國科學院在西北地區建立的第一個科研機構,是我國水土保持與生態安全研究的重鎮,所裏群星薈萃,人人重擔在肩。初出茅廬的趙允格,卻一時難以找到自己的研究方向。

  彼時,我國剛剛啟動退耕還林(草)工程,黃土高原是重點實施區,水保所的不少前輩、老師都“面向黃土高原,以水土保持和生態恢復為中心任務”展開不同研究。同事兼愛人許明祥在黃土高原因研究退耕還林(草)工程對土壤質量影響時,向她抱怨“退耕地上有一種黑乎乎的東西,滿地都是,嚴重幹擾研究”,並把拍的照片給她看。專業背景是“土壤係統中水分、養分遷移”的趙允格,第一反應是“這種東西會不會影響土壤的水分滲透性啊?”,瞬間對這種黑色的“無名有機體”産生了濃厚興趣。

  “我自己到黃土高原後發現,幾乎滿山遍野都是,更神奇的是,很多剛剛退耕的黃土地裏也長出了這種東西。説起來大家似乎都見過,但沒人知道它叫什麼。”趙允格説,“我就想知道它到底是什麼,因為我從小就對自然界特別癡迷。癡迷到什麼程度呢?每年春天來的時候,別的孩子都在玩,而我常常一個人跑到樹叢或花園裏觀察,就想知道春天來的時候,樹葉是怎麼長出來的,花又是怎麼開的。”

  野外採樣,翻閱文獻……2003年到2006年,趙允格孤軍奮戰,在黃土高原與實驗室之間不斷切換。“那時候,中國很少有人研究這個,它太普通了,也沒什麼美感,許多人甚至覺得它沒什麼研究價值。”趙允格説,“但我不這麼認為,我就想,它既然能在剛剛退耕的地裏長出來,肯定對水土流失有影響!純粹是求知欲驅動著我去做。”

  其實在此之前,國內外已有部分科學家研究過這種“無名有機體”在荒漠化治理中的作用,比如中國科學院沙坡頭沙漠研究試驗站的科學家們,很早就發現了它有“固定沙丘”的神奇功效。“但當時互聯網不發達,水保所缺乏可用的數據庫,能查到的紙質文獻太少了,信息搜集非常困難,三年時間,全靠自己一點一點推測、求證。”

  2006年,趙允格與一位美國專家一起在陜北考察,在其幫助下終于完全確定,這種“無名有機體”學名叫“生物土壤結皮”,是由生長于土壤表層和近地表數毫米內的藍綠藻、苔蘚、地衣、真菌以及許多景觀中常見的其它隱花植物成分與土壤復合而形成的具有生命活性的復雜復合體。“這種結皮發育成熟後非常結實,一桶水衝下去,它幾乎毫發無傷。風吹不倒,雨打不動,只有冰雹砸下來才有點反應,而且抗逆性很強,能夠適應幹旱、高溫、低溫、強光輻射等各類不利環境條件,在幹旱和半幹旱地區廣泛分布。”

  趙允格繼續研究發現,黃土高原退耕地在林草植被恢復的初期,生物土壤結皮就已大面積發育,主要分布于林草植物間的空地上,是退耕地表面比例最大的覆蓋因子——黃土高原各類退耕地上,生物土壤結皮的平均蓋度可達60%-70%甚至更高。

  縱觀黃土高原的歷史,這裏既上演著中華文明源遠流長、不斷壯大的繁衍史,也有著水土不斷流失、風沙逐漸肆虐的生態衰退史……

  “國家啟動退耕還林(草)生態修復工程,就是要保持水土、恢復生態,那這種生物土壤結皮對黃土高原生態的恢復,到底有什麼作用?可不可以利用它的優點,為幹旱半幹旱區水土保持工作貢獻力量呢?”趙允格説,“在我之前,很少有人專門去研究它對水土流失的效應,尤其是針對黃土高原水土流失的影響,相關的研究幾乎見不到。即便在全球范圍內,人們對生物土壤結皮在水土保持方面的認識也非常有限,我就以這個研究盲點為起點,開始了十多年的持續追蹤。”

  作為我國率先開始研究黃土高原退耕地生物結皮現象的科學家,趙允格以“黃土高原生物土壤結皮的水土保持效應”為研究方向,奔向黃土高原深處……

“高原上繡花”

  這裏土壤貧瘠,水土流失嚴重,鮮有生命。能抗高溫、耐幹燥、抗紫外輻射的生物土壤結皮卻能在這裏形成、發育。

  “我們到了野外之後,常常需要趴在地上,臉近乎貼著地面,拿著放大鏡觀察這些苔蘚,看它長在什麼樣的小環境,是什麼種類,伴生的還有哪些物種,就像在高原上繡花一樣。”趙允格説,“辛苦我不怕,怕的是我不認識它。”

  在黃土高原,存在著大量的中、重度風蝕區、水蝕區及風水復合侵蝕區,同時還存在大面積人為幹擾不斷的黃土及沙地,這裏土壤貧瘠,水土流失嚴重,鮮有生命。

  能抗高溫、耐幹燥、抗紫外輻射的生物土壤結皮卻能在這裏形成、發育——定居于地表的藻類生物,以及其中的細菌等分泌出胞外多糖黏結土壤顆粒,積累有機質,進而形成了這裏常見的先鋒地表覆蓋——藻結皮,隨著時間的推移,結皮中的藻分泌出更多的多糖類大分子有機物,將土壤顆粒膠結和捆綁起來;時間靜靜流逝,苔蘚長了出來!

  “我們到了野外之後,常常需要趴在地上,臉近乎貼著地面,拿著放大鏡觀察這些苔蘚,看它長在什麼樣的小環境,是什麼種類,伴生的還有哪些物種,就像在高原上繡花一樣。”趙允格説。

  生物土壤結皮幹燥、極易碎裂,研究時又需要大塊的完整樣品,因此採集樣品要特別小心,竭力保持樣本的完整性。所以,在高原上,你可能會看到這樣的畫面:趙允格和她的研究團隊,每人捧著一個大盤子,走在黃土高原的梁梁峁峁上,遇見陡坡時,大家齊刷刷地蹲坐在地上,屁股蹭著黃土,一點一點往下溜,而上半身的全部力量,都用于保護手裏的樣本……

  研究方向決定了科研團隊必須要深入黃土高原風蝕區、水蝕區及風蝕水蝕交錯區,這裏往往千溝萬壑;而同時,因為研究其動態的需要,生物土壤結皮的基礎性研究工作貫穿一年四季,為此趙允格每年都會親自帶著研究團隊在高原上度過:樣地選擇、調查採樣、蓋度調查、種類鑒定、徑流小區觀測、野外人工模擬降雨……

  “雪花落在廣袤而空曠的高原上,也悄悄落在趙老師的肩上。那時已經晚上八點多,天完全黑了,氣溫接近零下十幾攝氏度,我們讓她回到車上等,她一個勁地搖頭,堅持幫我們把採集的樣品打包、裝車。”這個在陜西吳起野外考察的瞬間,被團隊成員喬羽記在心間。

  “作為老師,不能光靠嘴説,最好去示范。實驗室裏講十遍,不如地上趴一遍。相比于所裏的老科學家們,我們條件好太多了!”趙允格説,“上世紀五六十年代,所裏的老前輩們為了黃土高原的水土保持工作,住在條件異常簡陋的陜北窯洞裏,晚上冷到什麼程度?如果一個人從被窩裏鑽出來,另一個人會趕緊鑽進去,就怕那點熱氣跑沒了。跟他們比,我一點都不苦!”

  “辛苦我不怕,怕的是我不認識它。”趙允格説,“2003年到2009年期間,生物土壤結皮物種組成是困擾我的頭號難題,對我這個學土壤的人來説,太難了!比如僅苔蘚植物,全球就有2萬多種。有一年,我幾乎每天都把自己關在實驗室裏,觀察培養皿中的這些小生物,它們最高的只有5毫米,小的只有1毫米。都快把自己看吐了。”

  以零為起點,趙允格及研究團隊用10年時間反復考察、實驗,明確了黃土高原地區生物結皮形成機理、組成成分及分布規律,證實生物土壤結皮在控制黃土高原退耕地土壤流失方面功不可沒——發育4年的藻結皮即可較無結皮土壤降低92%土壤流失量,10年以上的生物土壤結皮可完全遏制坡面土壤流失,是黃土高原土壤保持、促進生態係統恢復的積極因素。

  “生物土壤結皮發育形成後,就像地表容積巨大的“生命溫床”,為許多微生物和微小動物提供了適宜的生境和食物來源,同時它能夠固氮、固碳,改變土壤的水分、養分和溫度,促進高等植物的定植和生長發育,甚至可以把它看作是幹旱半幹旱地區的一個重要‘基因庫’,是改善區域生態環境的‘功臣’。”趙允格説。

  同時,結皮生物對水分的要求很低。“結皮生物是脅迫躲避型有機體,缺水的時候進入休眠狀態;一旦有水,它就像海綿一樣吸水膨脹,等到空氣幹燥後又逐漸向周圍釋放水分,所以它可以在年降雨量不到200毫米的幹旱半幹旱區大面積分布,這意味著在滴水貴如油、營養貧瘠的黃土高原地區,生物土壤結皮具有巨大的生態價值。

  “最典型的地方,比如地處黃土高原和毛烏素沙地接壤區的陜西省榆林市,這裏是我國重要的能源化工基地,水資源緊張,大面積植樹種草就需要大量灌溉,不利于可持續、高質量發展。”趙允格説,“我們可選擇在一些不適宜種樹種草的地方,推廣生物土壤結皮,由它們肩負起防風固沙、保持水土的生態修復使命。”

“一棵皂角樹”

  “從看到秦大河院士的那張照片開始,我就覺得成為一名科學家,是這個世界上最美好、最偉大的事情。”

  而令趙允格沒有想到的是,多年後,在黃土高原上來回奔波的她,也以一個“科學家”的形象,讓一位業已放棄大學夢想的少年汲取到力量,成長為一名生態學博士,並追隨她至今。

  “我希望成為那棵皂角樹,給家人、學生遮陽擋雨。”趙允格説。

  或許,在科學的道路上,科學家對科研事業的專注與熱愛,往往就像生物土壤結皮形成早期的藻類、微生物分泌多糖一樣,會將更多“小土粒”“小沙粒”粘結到科學這條道路上來。

  出生于陜西鹹陽一個書香世家、從小就愛閱讀的趙允格,常常看報時連中縫廣告都不放過。“上中學時,我從路上撿到了半片報紙,上面刊登著秦大河研究員(現為中國科學院院士)南極科考的新聞、照片,我看了一遍又一遍,心裏想我一定要好好學習,長大了就能見一見秦大河這樣的科學家,哪怕給他們倒一杯水、端一杯茶也好。”趙允格回憶説,“那張照片留給我的印象太深了,它甚至影響了我的一生。”

  這個令趙允格終生難忘的“瞬間”,就像一個火種一樣,開啟了她的科學之路。上大學後,她癡迷于做實驗,特別是後來的研究生期間,她常常在實驗室裏待到天黑再明。“從看到秦大河院士的那張照片開始,我就覺得成為一名科學家,是這個世界上最美好、最偉大的事情。”

  而令趙允格沒有想到的是,多年後,在黃土高原上來回奔波的她,也以一個“科學家”的形象,讓一位業已放棄大學夢想的少年——孫會汲取到力量,成長為一名生態學博士,並追隨她至今。

  2008年,因為沒考上大學,19歲的孫會從陜西定邊老家來到水保所下屬的國家安塞水土保持綜合試驗站打零工,認識了趙允格和她的研究團隊,接觸的時間久了,孫會反而更沮喪。“我從小在老家放羊,只有高中學歷,看到他們都是些研究生、教授,就覺得自己很卑微,啥前途也沒有。”

  孫會想報名自考提升學歷,但信心不大。趙允格用自己的經歷勉勵他:“我最幸福的事,就是靠著個人的努力,一步步實現了少年時期那個夢想。你心中有夢,就不要在乎眼前的困難,既然選擇了,就要做到。”

  “如果別人這麼説,我會覺得這句話很‘雞湯’。”孫會説,“但趙老師不一樣,她是一名科學家,她那麼真誠地對我説,我就能感受到一股力量,而且我也知道,她選擇研究生物土壤結皮這樣一個小眾又寂寞的領域,其實特別難做,但她一直沒有放棄,因為她做到了,所以我選擇相信。”

  在趙允格不間斷的鼓勵、輔導下,孫會拿到了自考本科學歷。在孫會辭掉工作專心復習考研的兩年間,趙允格又將他臨聘到自己的科研團隊,解決了這個“農村娃”最擔心的生計問題。如今已是西北農林科技大學生態學博士研究生的孫會,雖然導師不是趙允格,但因為興趣使然,也是趙允格研究團隊的一員。

  趙允格的微信名叫“皂角樹”,因為小時候她家村口有一棵高大的皂角樹,大人小孩都喜歡在樹下乘涼、玩耍。“我希望成為那棵皂角樹,給家人、學生遮陽擋雨。”趙允格説。

  “趙老師的學術大門向所有學生敞開,除了她自己的學生外,我們團隊裏,還有七八位其他導師或其他專業的學生,還有一些本科生,只要有興趣,趙老師都非常歡迎。”研究團隊成員明姣説,“其實我們很多人剛開始都懵懵懂懂,對生物土壤結皮沒啥感覺,但是經過趙老師常年的言傳身教、耳濡目染,都漸漸喜歡上了這種其貌不揚的有機體。”

  大家的目標是希望有一天能像“種莊稼”一樣,將生物土壤結皮推廣到合適且必要的地方。“像我們這些趙老師的學生,很多都是陜北娃,家就在黃土高原。我們從那裏走出來,現在因為研究生物土壤結皮,又逐漸走回去。我們堅信有一天,通過一代又一代科學家的努力,我們的家、我們熱愛的這片土地一定是個水草豐茂的地方。”研究團隊成員楊凱説。

  生物土壤結皮自然形成一般需要8到10年,趙允格及研究團隊通過研究,基本實現了生物土壤結皮的人工培育,一般情況下一個雨季就可培育出能抵擋黃土高原常見暴雨的生物土壤結皮,實驗已在陜西神木取得成功。目前,團隊正在攻關生物土壤結皮批量擴繁的種源問題。

  1971年出生的趙允格,馬上50歲了。喜歡文學、熱愛寫作的她,常常用日本佛學大師松原泰道的一段話勉勵自己——人生是從50歲開始的,50歲前,我們在打基礎;50歲以後,才是實現自我、創造自我最有價值的階段。“我的基礎打得還不錯,剩下的還要好好幹。”

責任編輯: 李輝
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