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彩立方治愈土壤疾病,捍卫土壤健康
发表时间 2018-04-03 13:56 来源 彩立方

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  ——记中国农业大学资源与环境学院教授刘学军

  大地乃万物之母,大地之上滋生万物,无论是鲜鲜妍妍的花朵,青翠欲滴的绿草,还是活泼蹦跃的走兽,都在大地之上生长繁衍。人类更是只有立足于大地,才能种出瓜果蔬菜,建起高楼大厦,才能得以繁衍生息。可是大地母亲也会生病,土壤健康谁来关心?这时候就要请出那些在土壤科学领域默默奉献的科学工作者们。是他们与大地相依相伴,坚守土壤研究领域。他们为土壤健康不仅付出了青春岁月,更是付出了一生的心血与辛劳。而刘学军教授就是这其中的杰出代表。

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  刘学军是中国农业大学资源于环境学院教授,杰青,博士生导师,也是《干旱区科学》(Journal of Arid Land)和《生态学杂志》编委,国家大气污染防治攻关联合中心大气学术委员会(大气重污染成因与治理攻关总体专家组)委员,中国植物营养与肥料学会养分循环与环境专业委员会委员,中国土壤学会氮素工作委员会委员,中国自然资源学会农业资源利用专业委员会委员。曾于2006年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,2008年入选中国科学院百人计划,2014年入选国家杰青,2016年入选国家万人计划科技创新领军人才。先后主持2项国家973/重点研发项目、1项国家杰出青年基金以及多项中德、中荷和中英国际合作项目。目前所做的科研工作主要立足于全球变化与氮素循环这一国际热点问题,重点研究气候变化背景下大气氮沉降升高对土壤氮循环过程,氮素去向及对土壤健康与大气环境的影响,尤其是农业氨减排在大气污染防治中的作用。

  高考失利,却与大地结下不解之缘

  刘学军始终难以忘怀1987年的夏天。在那一年的高考中,他发挥失常,没能让他走人名校的大门。与夏天晴朗的天空相比,刘学军的心里充满了阴霾。但是那个时候,他何曾知道,虽然那一年他没能走入一流大学,可进入了湖南农业大学(以下简称“湖南农大”)农学系土壤与植物营养专业之后,刘学军找到了他人生的目标。那一年的夏日阳光,照亮了他前进的方向。

  入学后不久,刘学军就喜欢上了这里。湖南农大拥有浓厚的学术氛围,与他好学的天性不谋而合。知识渊博的老师为他答疑解惑,共同奋斗的同学与他结下深厚的友谊,精彩纷呈的大学课程令他受益匪浅。与此同时,刘学军发现土壤与植物营养这个专业竟然是如此让他着迷,大学4年的时光实在是太过于短暂,经过一番拼搏努力后,刘学军成功考上研究生继续深造。就这样,他在湖南农大里总共走过了7年的时光,他人生最美好的岁月里,始终与湖南农大相伴,始终与土地相依。在这7年里,刘学军收获了很多,他收获的不仅是关于土壤健康的专业知识,为以后的科研工作打下基础,还学到了很多为人处世的道理——为人低调,默默努力。

  即使此时的刘学军已经研究生毕业,在土壤研究方向已经花费了7年的时光,但刘学军仍然感觉不够,远远不够,自己的知识还有很多的欠缺,需要一个更好的环境来进行学习与研究。于是,在一番刻苦学习后,他又考进了中国农业大学资环学院植物营养系攻读博士学位,师从毛达如教授,张福锁教授和吕世华副研究员。在读博士的这段期间,刘学军在学校良好的学术交流环境的熏陶下愈发刻苦,并且得到了许多国际知名专家的学术指导,包括德国科学院院士Horst Marschner教授的指导,学会了以国际视野看待土壤问题。1997年博士毕业后,由于各方面表现优秀,他选择留校任教,从此开始了至今长达20余年的教学和科研工作。

  留校任教工作至今,刘学军一心扑在土壤健康的科研事业上,付出了太多太多,也收获了累累硕果。1998年以来,他先后合作指导博士后3名,博士生20名,硕士生28名,先后主持国家全球变化重大项目和国家大气重污染成因与治理攻关重点专项各1项,国家自然科学基金项目6项,中德国际合作项目3项,联合国IFAD中德蒙国际合作项目1项,参加国家自然科学基金重大项目2项,3期国家基金创新群体项目,国家“973”项目1项,北京市重大基金项目1项,教育部重大项目和博士点基金,农业部重大引进项目和重大行业计划等多项科研课题,在农田氮素循环与大气氮沉降及其生态效应方面形成了自己的研究特色。1999年至今,他共参与撰写专著14部,发表论文180余篇,其中SCI论文110篇(含第一(含并列)作者Science和Nature研究论文各一篇),并于2006年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,2008年入选中科院“百人计划”,2013年成为“973项目”首席科学家,2014年获国家杰出青年基金资助,2016年入选国家第二批万人计划。除此之外,他还先后在德国,美国,英国和荷兰等国家的大学做访问学者,其中包括德国霍恩海姆大学,荷兰瓦赫宁根大学,美国科罗拉多州立大学,英国洛桑研究所和生态水文中心,荷兰能源研究中心(ECN),美国斯坦福大学,德国卡塞尔大学等。开展合作研究,并多次出国参加土壤植物营养与环境科学领域的国际学术会议,作大会或分组学术报告。其中包括:2017年8月参加在丹麦哥本哈根举行的第18届国际植物营养大会,做题为“Nitrogen balance and greenhouse gas fluxes from croplands in Yangtze River Basin”的学术报告,2016年12月参加在澳大利亚墨尔本举行的第7届国际氮素大会,作特邀报告,2014年11月作为中方专家组成员(共四位)参加中欧科技合作对话,负责中欧农业、食品和生物技术方面的合作谈判与相关报告撰写,受到李克强总理和欧盟轮值国主席容克的接见。2014年6月参加在美国休斯敦举行的环境科学与技术年会,作题为“Atmospheric N deposition into Chinese coastal regions”分会报告。2013年11月参加在非洲乌干达首都坎帕拉举办的第6届国际氮素大会,会上作题为“Challenges in N Management in China”的特邀报告。2012年10月应邀参加由世界资源研究所组织、在法国巴黎举办的全球养分管理研讨会,会上作”Nutrient management in China”的大会报告。2010年10月应邀参加在印度新德里举行的第5届国际氮素大会,会上作题为“Nitrogen deposition and its nutrient input to China”的分会报告。2009年5月作为项目协调员,协助张福锁院士组织中国农业大学-德国霍恩海姆大学合作30周年国际学术研讨会,作题为“Nitrogen deposition and its contribution of nutrient inputs to agroecosystems in the North China Plain”的大会报告。

  抓住机遇,只做第一

  刘学军教授说,他最擅长的是,抓住好的机遇。在好的机遇,好的环境条件下,他的才华才能得到充分施展,获得成功。但是如果没有充分的准备,如何能抓住机遇?刘学军教授说,只做第一,不做第二,他是这么说的,也是这么做的,在追求第一的路上,他做足了充分准备,如果要做科研,就要争分夺秒,领先人前。为了这个目标,刘学军教授始终坚持精益求精的态度。因为在科研工作中,没有一颗追求完美的决心,是绝对不可能成功的。

  大气活性氮污染和氮沉降问题逐渐全球化,深入理解大气氮沉降通量及其生态环境效应已经成为全球变化背景下氮循环研究的前沿。我国氮沉降研究这一方面相对较少,缺乏系统数据,于是刘学军教授通过引进先进设备,创建了一个覆盖全国(约50个监测点)的氮沉降监测网,为环境养分定量提供重要平台,明确提出土壤环境养分的学术观点,建立了专门的环境养分实验室,开展氮沉降通量及其农学与环境效应的综合研究,使氮沉降这个以环境监测为主的工作逐步成为环境科学,土壤学,农学和生态学交叉研究热点。

  刘学军教授通过总结全国氮沉降监测网和文献报道结果构建的氮素混合沉降大样本数据库,明确回答了1980至2010年间中国氮沉降通量变化,植物效应及其与人为活性氮排放的关系。他发现,氮素沉降已成为中国农田和非农田土壤氮素输入的重要来源,我国目前的氮沉降数量比1980年代显著增加,并导致长期不施肥农田作物吸氮量和自然植被叶片含氮量比20世纪80年代显著增加。通过分析表明,过去三十年间氮肥,畜牧业和化石能源消耗等人为活性氮排放急剧增长是氮沉降升高的主要原因。该研究首次从国家和区域尺度拿出氮沉降升高以及这种升高改变农田和非农田土壤氮循环的直接证据,研究成果以“Letter”形式发表于Nature杂志(Liu etal.,2013.Nature 494:459-462)。四名匿名评委均对改论文予以积极评价,指出“这篇论文提供了一个重要数据集成,证明中国这一全球活性氮输入热点地区的氮循环发生了深刻变化;该文的学术贡献在于作者首次将中国活性氮理论上的变化(基于统计数据获得)与实际测定到的变化,如大气氮沉降和自然与农田植物的氮响应等有机联系起来”。鉴于论文的重要影响,该文入选同期Nature杂志的“News and View”专栏,国际氮素联合会(INI)主席Sutton 教授在专栏评述“Environmental Science: The shape of nitrogen to come”中对该成果的科学意义和全球启示给予高度评价,文章题头摘要说:“新的研究揭示人类活动对中国氮循环的巨大影响。随着全球人均消费地球资源的不断增长,该发现呼吁重新评估发达国家的消费模式”。该论文还被写给G20首脑会议的Our Nutrient World专题报告引用。论文入选2013年度中国百篇最具国际影响的学术论文,发表近5年来已被引用717次 (Web of Science)!

  相对于湿沉降或混合沉降,大气干沉降过程更为复杂,研究难度也更大,很少有人会自讨苦吃,去研究大气沉降过程。但刘学军教授不一样,他敢为天下先,不畏艰辛,困难算什么?面对困难更要迎难而上,困难意味着挑战,而他不怕挑战,开展了氮素干沉降的定量研究,此前在国内是基本没有这方面的研究的。刘学军利用DELTA系统,被动采样器和条件时均梯度法等研究了华北农田区域不同活性氮组分的月均沉降速率和沉降通量,他发现华北平原农田氮沉降的主体是干沉降,其年通量约为该地区湿沉降两倍。而通过研究发现,农业源(如氮肥和有机肥)氨挥发通过干湿沉降重新返回周边农田,相当于氮沉降总量的一半。这一结果有助于人们重新认识农田氨挥发损失及其大气环境效应。其研究还显示,大气有机氮是我国氮沉降的重要部分(占沉降总量的20%-25%),证明尿素是雨水和气溶胶中有机氮的主要成分,发现雨水有机氮与铵态氮存在显著相关性,证明大气有机氮与无机氮沉降一样主要来源于人为活性氮的排放。该研究启示人们在以后研究中必须包含有机氮对大气氮沉降的贡献。英国东安吉利大学海洋学家Jickells教授2011年12月在英国伦敦举办的“Global N Cycle”会议上作特邀报告时引用刘学军教授作为通讯作者的有机氮沉降论文(Zhang et al., 2012. Atmos. Environ. 46: 195-204),指出世界各地尤其是来自中国的结果证明有机氮沉降在全球氮循环中有重要贡献。

  在氮沉降的区域定量方面,刘学军教授通过引进英国生态水文中心的FRAME模型,对我国华北平原5x5km尺度的农业源和非农业源的氨和氮氧化物排放,氮素干、湿沉降等进行了定量研究,发现模拟结果与多点实际测定的雨水和大气活性氮浓度及沉降结果相关程度高,验证了该模型适合中国氮沉降时空分布的评价。

  不忘初心,硕果累累

  到底是什么样的力量能支撑一个人始终坚持做一件事?那就是不忘初心。刘学军的初心就是人活着总要做点有意义的事情。既然人生短暂,所能做的事情终究有限,那么如何过好这一生,每个人的答案都不一样。于刘学军而言,做科研有利于国家,有利于民生,有利于社会,无疑是一件有意义的事情,那么科研就值得他为之付出一生辛苦,这就是当今科学家最需要的信念感。

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  随着我国上世纪80年代以来氮肥用量急剧增加和酸雨等环境问题的加重,刘学军教授推测我国可能面临土壤酸化加剧问题。为了验证这一想法,他和郭景恒教授,张福锁教授等组成的科研团队,在通过大量文献的收集和测定结果的总结后,建立起了全国性土壤pH历史变化,土壤pH点对点不同年代比较及长期肥料定位试验土壤pH连续监测结果等三套大样本数据库。通过系统分析这三套数据,刘学军教授发现,从1980年至2000年,我国主要农田(除西北地区外)均出现显著酸化现象,耕层土壤pH平均下降约0.5个单位,即土壤酸度增加2-3倍;而且种植经济作物(如蔬菜和果树)的土壤酸化程度比大田作物土壤更为严重。土壤酸化潜势的理论分析表明,集约化农田过量施用氮肥(铵态氮和酰胺态氮为主)引起的土壤氮循环过程改变(如硝化作用和硝酸盐淋溶增加所致酸化效应)是造成我国农田土壤酸化加剧的主要原因,其酸化相对贡献率高达65%-90%,秸秆不合理利用导致的盐基移走对酸化贡献次之(10%-30%),而酸雨对农田酸化的直接贡献相对较低(<5%)。在上述理论分析基础上,刘教授提出实行包括环境养分(氮沉降等)和秸秆还田在内的养分资源综合管理策略,以缓解土壤酸化,进而保障我国土壤质量和农业的可持续发展。该研究以“Report”形式发表在国际顶尖期刊Science杂志(Guo#,Liu#, et al., 2010. Science 327:1008-1010),在很大程度体现了多学科交叉与合作的结果。论文发表以来已被引用1100余次,该研究成果也从另一方面证明我国实施测土配方施肥国家行动,提升土壤质量的必要性。鉴于其重要影响,该论文入选2010年度中国百篇最具影响国际学术论文,这些充分说明了该论文的影响力,这是对刘学军教授的表彰,但是刘学军教授没有骄傲自满,他想起了大学时候所收获的人生经验——低调。低调前行,默默努力,切不可过于张扬。做科研,比别的行业需要更多的耐心,细心,更要保持一颗平常心。

  由于人口增加和经济增长的驱动,社会环境愈加复杂,我国面临的难题越来越多,甚至影响到了土地方面。陆地生态系统外源活性氮(包括氮肥和氮沉降等)输入急剧增加所带来的一系列问题,解决人为活性氮问题就要从机理上阐明外源氮在土壤中的行为规律及其损失途径。于是,刘学军教授较为系统地开展了外源氮进入集约化农田和非农田土壤(如草原土壤)后的内循环过程与损失途径的定量研究。他发现,华北石灰性农田脲酶活性和硝化速率极高,尿素施入土壤之后1-3天内水解转化为铵态氮,并于3-10天内完成其硝化过程,施肥后土壤中铵态氮峰值存留时间一般不超过1周,无机氮主要以硝态氮被作物吸收利用率低(<5%),也很难通过微生物转化进入土壤有机氮库,因此成为地下水安全的长期威胁。与土壤氮素转化过程相对应,华北集约化农田氨挥发主要发生在氮肥施用后1-2周内,其损失率变化于5%-20%之间,如果使用脲酶抑制剂,氮肥深施或者施肥后遇到15mm以上降雨则显著降低氮肥氨挥发损失。而农民传统施肥方式下土壤剖面中硝态氮的淋洗损失可以达到氮肥用量的20%-35%,是华北农田氮素的主要损失途径。

  通过刘学军教授在温带和高寒草原土壤上的研究,最终发现是由于人为干扰小,微生物活性低草原土壤氮素转化相对缓慢,土壤中铵态氮存留时间较长,土壤剖面中硝态氮与铵态氮含量基本相当,氮素淋洗损失不明显。草原土壤上添加氮植物利用效率(10%-20%)明显低于农田(30%-40%),土壤残留率(20%-30%)也不高,温带和高寒草原土壤(pH通常为中性或微碱性)均存在高量氮素气态损失(60%-70%)。刘教授还发现,高寒草原由于严酷的自然环境植物生长缓慢氮素需求低,其土壤很可能是对氮沉降敏感的“氮饱和”土壤。

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  总而言之,刘学军教授不光建立起全国性大气氮沉降监测网,揭示中国氮沉降变化规律及驱动因素,阐明我国农田酸化及其与氮循环的关系,还系统比较了华北旱地和南方稻田氮素去向与损失途径,通过不同土壤氮循环过程的多学科综合研究,揭示了土壤氮转化,损失和环境效应的多样性。但是科研的道路还很漫长,科学事业的大门才刚刚向刘学军教授打开了一个小小的缝隙,前方还有许多未知等待着他去探索。虽然过程布满困难与荆棘,这些工作仅仅只是开始,仍有很多的工作需要进一步深入,但刘学军相信,前途终究是光明的,在他将来的人生中,还会有更多的成就。但这些成就都是次要的,重要的是他坚持的,是心里认为对的事,是有意义的事。

  刘学军已经做好了未来的科学计划,他将带领团队在已经建立的氮沉降监测网的基础上,深入研究我国不同地区全国氮沉降时空分布规律以及降低氨排放在改善我国空气质量和减少氮沉降对生态系统负面影响方面的作用,在这一过程中,FRAME沉降模型、卫星监测数据和GIS技术等将会发挥很大作用,将会系统获取我国不同地区氮素干湿沉降数量的经典数据,为大气污染治理、农田养分管理和自然生态系统氮沉降效应评价提供关键参数。同时,刘学军教授还计划验证土壤不同活性氮背景下等量氮添加所引起的氮素环境效应是否存在显著差异,土壤氮饱和指数能否作为衡量氮素环境风险的指示器,这就要研究氮沉降升高对典型自然和农田土壤氮素转化,去向以及土壤“氮饱和”指数的影响,从氮素生物地球化学的角度阐明单位氮沉降对土壤氮循环及温室气体排放的影响。

  科研的魅力何在?在常人看来,科研是一件晦涩,枯燥,无聊的事情。但是,于刘学军而言,科研事业充满了魅力,吸引了他一路前行,既然是做自己喜欢的事情,又何谈辛苦?科研最大的魅力就是不断地探索未知领域,发现前人所没有发现的东西。其实人生又何尝不是如此?有些人,将一天重复了千千万万遍,而有些人,却始终坚持面对困难迎难而上,将这一生变得充满挑战与激情,每天都各有不同。其实人生本身也是一种未知和挑战,只有不逃避,把困难和压力当成一种动力,才能最终实现理想,到达那个心中的目的地,获得成功。在科研发展的大好时机,我们相信,刘学军教授一定能继续活出人生精彩,带领团队时刻坚守岗位职责,捍卫土壤的健康,开拓未知领域,实现人生价值!

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