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沈阳应用生态研究所在森林根系及菌根生物学过程方面取得新进展

沈阳应用生态研究所在森林根系及菌根生物学过程方面取得新进展       根系是林木重要的功能器官,也是维持森林生产力与土壤肥力的重要驱动力。一方面根系不断地从土壤中获取养分和水分,满足林木生长发育;另一方面根系在固持森林土体以及防治土壤侵蚀等方面发挥着至关重要的作用。同时,林木根系与土壤中的真菌侵染而形成的互惠共生体系,对于森林土壤有机质提升以及造林过程中的幼苗生长等具有重要实践应用意义。基于长期野外原位监测、跨区域联网研究以及整合分析等手段,中国科学院沈阳应用生态研究所北方生态屏障功能形成维持机制与提质增效创新组群林业生态工程(地下)团队在森林根系过程、菌根真菌介导的森林土壤碳积累方面取得如下新进展:       (1)系统研究了不同根序细根的全寿命周期过程,揭示了不同区域林木细根寿命的调控机制,并发现细根寿命和叶片寿命不相关。林木的全寿命周期过程主要包括萌生、生长、衰老、死亡与分解等。采用微根管技术,连续4年、跨区域联网动态追踪了中国东北温带森林12个人工林树种、美国东北部温带森林12个人工林树种以及芬兰北部北方森林4个人工林树种细根的全寿命周期过程,生长季内根系的监测周期为2周至4周。累计动态追踪了近20000条吸收根(1-3级根)和运输根(4-5级根)的动态过程,发现细根的生长与死亡在冬季均较小。其中,落叶阔叶树种细根的生长主要发生在春季,死亡主要发生在春季和夏季;针叶树种细根的生长主要发生在夏季,死亡主要发生在夏季和秋季。细根表现出的不同季节动态格局可能主要受树木的生长策略以及根系储存碳水化合物库容能力的调控。       图1 细根寿命与细根功能性状之间的关系。MRL:细根寿命;RD:根直径;RCN:碳氮比;RN:根氮浓度;MAT:年均温度;MAT:年均降水量;SRL:比根长       尽管吸收根(1-3级根)的生物量较低(仅占根系生物量的4%左右),却主导着整株树木根系的产量和周转。通过整合全球其它站点利用微根管技术监测吸收根的数据,发现全球森林树木吸收根的平均寿命是226天,其中最短的是27天,最长的是656天。细根寿命的最佳预测模型参数包括细根直径、细根氮浓度、年均温度及降水量,预测解释度为47%。吸收根的寿命随氮含量的增加而减少,随直径的增加而显著增加,特别是在年均温度较低、降水较多的地点,细根具有较长的寿命(图1)。此外,除常绿树种外,细根寿命和叶片寿命不相关,这表明细根和叶片具有不同的进化选择和周转策略以适应地上和地下不同的环境条件。吸收根(1-3级根)由于具有较高的产量和周转速率,然而衰老和死亡以后,分解速率却较低(图2),因此该根系模块对森林土壤碳的贡献可能居首位。依托该研究网络监测的数据,初步估算吸收根输入对森林土壤碳库的贡献可占整株林木根系的75%以上。       图2 不同分支结构(根序)细根的动力学过程概念框架       我国是全球人工林面积最大的国家,但存在树种组成单一、地力衰退等林业问题,其服务功能不能满足国家战略需求。该研究成果可为我国人工林地力提升与土壤培育提供参考。例如,未来人工林结构优化或造林过程中,优先补植或选择低级根密度分布较高的树种更有利于土壤肥力和地力的提升,从而加速森林土壤碳和养分循环过程,促进其生产-生态功能协同提升。       (2)揭示了外生菌根真菌通过调控土壤锰元素循环促进了落叶松人工林腐殖质层碳库积累的新机制。北方森林(Boreal forests)储存了全球陆地生态系统24%以上的碳库,其中大约64%储存于地下。其储存的碳库主要位于腐殖质层中,包含正在分解的凋落物和其它有机物质。Agaricomycetes是高纬度地区落叶松人工林土壤中普通存在的一类外生菌根真菌,Agaricomycetes特异性产生的锰过氧化物酶通过驱动锰氧化还原循环,可以把腐殖质层中可利用的二价锰离子(Mn2+)转化为活性三价锰离子(Mn3+),该活性三价锰离子与真菌分泌的草酸类螯合剂形成化合物,可穿透木质素和木质素类化合物的酚类结构,从而调控有机质分解和腐殖质层碳库积累。基于此假设,研究团队在大兴安岭寒温带落叶松人工林设置了长达14年的锰添加实验(图3),发现锰添加处理进行到第5年后,显著改变了外生菌根真菌的群落组成并增加了腐殖层碳库容量。本研究解析到的锰添加的滞后影响,可能是由于外生菌根真菌需要一定周期后才能适应锰有效性的增加和土壤环境的变化。       图3 长期锰添加(14年)对大兴安岭落叶松人工林腐殖质层碳储量的影响       对我国大兴安岭落叶松人工林318个样点腐殖层碳库的调查研究,也表明腐殖质层可交换态锰含量是调控碳库的重要调控因子(r2=0.20)。同时,结合瑞典国家森林土壤清查、瑞典国家森林清查数据以及数据整合分析的手段,建立了覆盖全球北方森林范围的2437个样点的腐殖质层碳储量数据,发现可交换态锰含量可以解释北方森林腐殖层碳库36%的变化(图4)。研究结果与长期锰添加实验相互验证和补充。       图4 北方森林腐殖质层可交换态锰含量与腐殖质层碳储量的关系       该研究揭示的外生菌根真菌通过调控土壤锰元素循环促进腐殖质层碳库积累的机制,可为外生菌根树种为对象的人工林经营与服务功能提升提供方案。例如,未来通过甄别介导人工林土壤有机质形成与稳定性的关键真菌类别,研发“根+菌”应用技术,可为解决人工林长期经营或连栽后土壤退化等问题提供实践依据。       以上两方面研究成果分别于2024年3月份和2月份被PNAS期刊接受录用。沈阳应用生态研究所侯佳文博士研究生为以上第一篇论文的第一作者,合作者还有美国莫顿植物园M. Luke McCormack博士和芬兰赫尔辛基大学Yiyang Ding博士等。沈阳应用生态研究所张云宇硕士研究生为以上第二篇论文的第一作者,合作者还有芬兰赫尔辛基大学Björn Berg教授等。沈阳应用生态研究所孙涛研究员为2篇论文的通讯作者。研究得到了国家自然科学基金(32022054、32192432)、国家重点研发计划青年科学家项目(2022YFD2201300)和中国科学院青促会优秀会员等项目资助。       #1论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2320623121#core-collateral-metrics        #2论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2318382121#core-collateral-metrics  

上海交通大学安渊团队揭示果胶乙酰酯酶MsPAE12调控紫花苜蓿分枝形成的分子机制

上海交通大学安渊团队揭示果胶乙酰酯酶MsPAE12调控紫花苜蓿分枝形成的分子机制      近日,上海交通大学农业与生物学院安渊教授团队在Plant Physiology在线发表了题为“PECTIN ACETYLESTERASE12 regulates shoot branching via acetic acid and auxin accumulation in alfalfa shoots” 的研究论文。该研究揭示了紫花苜蓿果胶乙酰酯酶MsPAE12调控苜蓿分枝形成的分子机制,并发掘到抑制MsPAE12表达的转录因子MsNAC73,建立了MsNAC73-MsPAE12-乙酸-生长素调控苜蓿分枝形成的通路。      紫花苜蓿是广泛栽培的豆科牧草,营养价值高,经济效益好,其分枝的多少直接决定了苜蓿的株型和产量。果胶乙酰酯酶(PECTIN ACETYLESTERASE,PAE)是植物中一类重要的细胞壁果胶修饰酶,广泛参与植物的生长发育及生物胁迫响应调控。MsPAE12定位于细胞膜,在顶芽中高表达;超表达(12OE)和RNAi干扰(12RNAi)表达MsPAE12发现,MsPAE12以细胞壁果胶为底物水解乙酰酯键,从而降低苜蓿顶芽中乙酸(AA)、色氨酸(TRP)和吲哚丙酸(IPA)含量,抑制IAA合成通路MsTAA1, MsTAR2 和MsYUCC4的表达。作为生长素合成的前体物质,乙酸含量的减少抑制了苜蓿顶芽生长素的合成(图1 A-B, D-H),从而促进苜蓿分枝的形成,但株高并未受到抑制,因此,产量明显增加;外源添加乙酸、IAA和IAA合成/运输抑制剂获得与转基因苜蓿一致的结果和分枝表型。进一步研究发现,植物中特有的NAC转录因子MsNAC73直接与MsPAE12基因启动子结合,抑制其表达。过表达MsNAC73(73OE)促进乙酸和IAA的合成,抑制苜蓿分枝的形成 (图1 C, I)。图1 MsNAC73-MsPAE12模块调控苜蓿分枝形成      上海交通大学农业与生物学院已毕业博士生樊娜娜为论文第一作者,安渊教授为通讯作者,苏连泰博士后、吕爱敏博士后、文武武博士后、博士生高鲤、硕士生游翔凯及周鹏副教授等参与了研究工作。该研究得到科技创新2030重大项目、国家自然科学基金等项目资助。       原文链接:https://doi.org/10.1093/plphys/kiae071

PNAS: 人工智能与生态学的协同未来

PNAS: 人工智能与生态学的协同未来NewEcologist 生态学家      生态学和人工智能领域的研究都致力于对复杂系统的预测性理解,而复杂系统的非线性则来自多维度的相互作用和多尺度的反馈。一个世纪以来,计算和生态学研究取得了独立、不同步的进展;然而,在全球变化的背景下,两个学科迫切需要有意识地协同合作,以应对当前的社会挑战。这些挑战包括理解系统级现象的不可预测性以及快速变化的地球上的恢复力动态。在此,本文强调生态学与人工智能融合研究范式的前景和紧迫性。即使使用当今最著名的人工智能技术:深度神经网络,也很难对生态系统进行全面、整体的建模。此外,生态系统具有突发性和恢复的行为,这可能会激发新的、稳健的人工智能架构和方法。本文将举例说明生态系统建模方面的挑战如何从人工智能技术的进步中获益,而人工智能技术本身也受到了其所要建模的系统的启发。这两个领域在向这种融合发展的过程中相互启发,尽管是间接的。本文强调需要更有目的性的协同,以加快对生态恢复力的理解,同时建立现代人工智能系统目前所缺乏的复原力。持续存在的认识论障碍将受益于两个学科的关注。成功融合的意义不仅在于推动生态学科的发展或实现人工通用智能--它们对于在不确定的未来持续发展和繁荣都至关重要。      要应对多种相互关联的现象,包括疾病爆发频率的增加、全球生物多样性的指数级损失以及气候变化的深远影响,了解生态至关重要。这些危机都有一个共同点:它们产生于复杂系统的扰动,而复杂系统的高维度支撑着难以预测的非线性动态。人工智能的进步有可能改变我们对生态系统的理解。同时,生态系统本身也是推动人工智能进步的动力。在多尺度、依赖环境和观测不完全的生态系统中普遍存在的挑战提供了一系列问题,通过这些问题,人工智能更接近于实现其全部潜力。预测和有目的地管理对自然复杂系统的扰动所造成的结果是我们这个时代面临的一项巨大挑战,它要求人工智能与生态科学大胆地协同融合,以实现更全面的理解,从而为行动提供依据——创造系统智慧,实现具有恢复能力的未来(图 1)。▲图1 | 数据、信息、知识和智慧之间相互联系的示意图。      数据反映了原始观测或测量结果(例如,卫星数据,如特定地点的海面温度(SST)),而将这些测量结果综合成有意义的形式则构成了信息(例如,以时间序列图的形式为 SST 测量结果提供空间或时间背景)。知识增加了背景,提供类似的例子或与其他知识系统进行比较(例如,一些海洋生物会经历热应力)。最后,智慧会考虑所有这些因素以及社会或文化价值,以评估可能采取的行动(例如,限制碳排放以减轻气候变暖的有害影响)。箭头表示机器学习(ML,蓝色)和生态系统研究(黄色)如何在此框架内建立联系。ML 可以将数据转化为信息,但也可以绕过信息步骤,直接进行推理,并将其作为知识传达。相比之下,生态学的双向箭头代表了对数据收集过程的迭代反馈,以便通过统计建模和假设完善来实现知识。如果我们能将各学科的优势结合起来,明确识别偏差,管理不确定性和不同的认知方式,尤其是在信息和知识层面,那么人工智能和生态系统科学的有意协同进步可能会促进对复杂系统功能的更深入理解、预测和保护。      正如人类从数据中学习模式以建立对系统的智能思考一样,人工智能是现代人工智能的基础,其近似目标是在特定领域执行任务或做出决策。将人工智能工具应用于生态领域,大大提高了我们量化以前无法量化或难以观察的现象的能力,并为更快、更准确地预测生态系统提供了可能。最近的例子包括通过摄像头和声学数据研究生物与其环境之间的相互作用;将地球系统卫星数据提炼为有意义的生态功能(如生产力);通过深度学习和姿势估计分析动物行为;利用生物信息学预测和验证新病毒是否能够感染人类;以及哪些动物物种最有可能携带这些病毒。      这些都是"AI for Ecology"的例子--将现有的人工智能工具应用于生态问题。然而,生态科学启发人工智能新范式的另一个方向也同样重要。人工智能研究的终极目标是实现人工通用智能(AGI),能够推断和推理其他领域和系统,与人类智能类似。AGI 很可能需要将数据驱动的 ML 与表现和推理不同知识类型的新方法结合起来,以应对对无模拟未来进行可信预测的挑战,例如我们在瞬息万变的地球上所预测的未来。从根本上改变人工智能与生态研究相互推动的方式,可能有助于应对这些挑战。      本文发现,生态学研究与人工智能研究的融合即将到来,而生态学研究历来落后于人工智能和计算科学的发展(图 2)。这种融合寻求新的思维范式,以支持对未观察到(或无法观察到)的系统和未来进行智能推断。本文的论点超出了 "AI for XX"范式,即简单地将人工智能应用于XX领域。向共同生产、融合研究的转变有可能推动下一代人工智能的进步和对生态的理解。▲图2 | 生态建模中计算方法的弧线(黄色)落后于计算方法本身的发展(蓝色),但已接近趋同。      两种科学认识文化的融合将有助于这种趋同。生态学的主要目标是理解跨越物理和生物的复杂系统。这种理解通常体现在数学模型中,数学模型反映了我们对产生可观测结果的协同作用机制的假设。但是,生态学既不会屈服于 "数学的不合理有效性"(如纯物理现象),也不会屈服于 "数据的不合理有效性"(如某些生物现象)。简单的数学方程无法完全捕捉到生态系统的本质。同样,复杂的 ML 模型也不能很好地概括意外扰动带来的非线性--ML 模型从数据中获得算法理解,而这些数据往往是关于一个特定系统的。此外,由于生态学研究的目标不仅仅是预测,而是对复杂系统的现象学和机理的理解,因此生态学家在不同尺度上使用各种建模技术,这些建模技术以系统级的整体方式连贯地捕捉突发特性,有利于进一步的研究。这种方法与人工智能研发形成了鲜明对比,在人工智能研发中,多个模型之间的冲突并非不可取,因为这些模型只是用于预测(哪个模型表现最好),而不是用于解释(为什么一个模型比另一个模型表现更好)。例如,人工智能中的大型语言模型会显示出小型语言模型所不具备的新兴行为,但目前的人工智能技术却无法解释这些行为。生态系统研究的工作方式是优先了解我们所观察到的数据的生成机制,这可以推动人工智能研究人员将重点放在能够更深入地了解这些观察到的现象背后的原因的方法上--系统中的哪些定量变化会导致系统行为的定性变化。       生态系统的一个重要新兴行为--如果可以说是一种智能--就是它们对扰动的惊人恢复力。这种特性进一步表明,生态学是人工智能的灵感源泉,而人工智能在为神经启发式人工智能的现有脆性智能注入弹性方面只取得了喜忧参半的成功。因此,不仅是不同的、综合的生态系统建模方式有助于推动人工智能研究,而且生态系统本身也能为人工智能的稳健多尺度架构提供灵感。[这与量子化学和量子计算之间的协同关系不谋而合。]      通过共同开辟一条相互交织的研究道路,人工智能和对生态的理解能够很好地相互促进,超越每个学科独立完成的领域。在未来,人工智能研究发展与生态学研究的协同作用将推动人们在与社会需求相关的时间和空间尺度上理解复杂的生态系统。下面,本文将介绍人工智能研究的现状(第 1 节)。本文简要追溯了生态系统建模的历史,直至目前深度神经网络的使用(第 2 节),并阐述了人工智能与生态学融合研究的机遇。然后,本文将举例说明这种融合研究范式,探讨生态学研究如何推动人工智能的发展(第 3 节)、人工智能如何推动生态学的发展(第 4 节),以及开展协同研究以加快相互发现和发展的机会(第 5 节)。最后,本文确定了人工智能和生态学学科应解决的一些不同和共同的偏见,并强调了一些共同的机会,以便更负责任地开发和部署人工智能(第 6 节)。        1. 人工智能:技术现状      在过去的 10 年中,深度神经网络(又称深度学习)因其强大的建模能力而成为人工智能的代名词。本文所熟知的成功案例包括:通过放射成像获得更准确的临床诊断,以及用于自动驾驶汽车技术的日益快速的分析和决策。2022 年 12 月,基于深度学习的语言模型 ChatGPT 显示了深度学习模型迅速扩展的潜力。深度神经网络是 ML 的一个子领域。ML 的智能来源于数据中的模式,无论是表格数据、时间序列、图像还是文本。其目标是将这些数据中的模式推广到新的未见数据点上。ML 模型有多种形式;有些较为简单,如决策树和线性模型,有些则较为复杂。例如,人工神经网络受到大脑神经元布线的启发,利用层级结构通过非线性函数计算加权点积。深度神经网络有很多层,并在大型数据集上进行训练。尽管最近人工智能中的 ML,尤其是深度学习大放异彩,但其他几种人工智能方法也在同步发展,它们可能会克服深度学习的局限性,为复杂系统建模,并实现更具弹性的智能。其中一个例子是符号人工智能,它涉及知识图谱的逻辑推理。知识图谱与统计数据不同,它明确捕捉概念及其语义关系。图中的顶点可能是 "动物"、"牛"、"植物 "和 "草",它们之间的边表示牛 "是 "动物,草 "是 "植物,牛 "吃 "草。然后,人工智能系统就可以推理出更广泛的概括,例如有些动物吃有些植物。知识图谱是符号人工智能中使用的一种表示方法。其他表示法包括本体、逻辑规则集、概率依赖图、微分方程和解析方程;每种表示法都有建立在其上的推理算法。这些知识和推理构成了专家系统。目前的人工智能技术是基于在难以想象的庞大数据集上训练出来的 "基础模型",这些数据集被用作许多不同任务的基础模型。在特定领域的小型数据集上进行微调的过程,可以使基础模型专门用于该任务。此外,基础模型还被用于生成模型中,生成模型能够创建新数据,例如,生成新病毒变体的序列和分子结构,从而研究人类和其他动物的感染风险假设。另一方面,神经符号人工智能结合了深度神经网络和基于知识的符号方法的优点,超越了每种方法的独特局限。神经符号人工智能系统被认为比狭隘的深度学习方法更宽泛,在通往 AGI 的道路上更进一步。它们可以帮助完成具有挑战性的知识发现任务(生成新假设),并处理不同模式、规模、质量和数量的异构复杂数据--所有这些在复杂系统的生态学研究中都很常见。与贝叶斯统计方法一样,神经符号人工智能也能在推理中纳入不同模式的专家知识,而这些知识并不总是以数据的形式呈现。与其他人工智能方法相比,神经符号人工智能还具有更强的适应性和鲁棒性,并能提供可解释的输出结果,从而提供机理上的洞察力,而这正是生态学研究的指导原则。        2. 生态系统模拟      生态系统的预测是复杂系统建模困难的缩影,复杂系统的定义是由跨越时间、空间和社会等多个尺度的反馈和依赖关系所产生的非线性动态。由于生态系统科学是多个成熟分支学科的交叉学科,许多物理和生物原理都可以指导我们对这些系统的理解--例如,水文学、生物地球化学和景观生态学的物理学原理,或种群动力学中的适应性原理。从对生态系统的观测中提取信息时,最好考虑到生态系统固有的随机性和环境依赖性。生态学家们采用了大量建模方法来应对这一挑战,其中一些方法侧重于系统的组成部分(例如,有限资源的分布和丰度受哪些生物物理因素控制等问题),而另一些方法则侧重于全局建模(例如,在快速变化的景观中,生态群落将如何发挥不同的功能?) 改进生态学中的系统级预测也可能对新型人工智能的发展大有裨益,而且这些创新可能比过去更快实现。在生态建模中,新计算方法的采用通常会滞后多年(图 2)。这方面的例子包括图论(如食物网建模)、线性回归(如遗传建模)、偏微分方程(如种群增长建模)、专家系统(如环境决策管理)、分层贝叶斯方法(如估算树木繁殖力)和深度学习(如评估生物多样性)。从发明一种计算方法到将其融入生态建模之间的历史滞后期似乎正在缩短(图 2),人工智能在生态建模中的应用大大增加(图 3)。在水文学、人畜共患病生态学和森林生态学等领域,基于 ML 的预测已开始补充理论驱动的预测。然而,人工智能的应用范围在很大程度上仍局限于模式识别和预测,人工智能作为一种工具仍未得到充分利用,例如,用于生态学大数据的综合或用于确定生态功能的新假说并确定其优先级以进行进一步研究。▲图3 | 关键词为((TS=("artificial intelligence" OR "machine learning"))) AND WC=(Ecology OR "environmental sciences")的Web of Science上的论文数量。      与深度学习中受大脑启发而取得的突破类似,生物学的自组织特性和过程很可能隐藏着人工智能系统设计的灵感,人工智能研究与生态问题的紧密结合将揭示这些灵感。扩展这种生物学灵感提供了一个新的视角,突出了人工智能创新的机会,这些创新借鉴了从简单生物体(如粘菌)中经验观察到的智能决策,这些生物体违背了我们目前对 "智能 "的概念。同样,作为生物学和生态学基础的进化原理也为人工智能研究提供了灵感。进化计算是受生态学启发的人工智能分支,它应用遗传算法来指导系统进化,以实现应用目标,其进展源自硅学研究,如微生物的定向进化。符号回归是进化计算的另一种形式,目前通过在生态学中的应用得到了发展,从而产生了人类可解释的复杂生态系统函数方程模型,这些模型是由更原始的方程组成的。生态学中的生物多样性测量通常是生态系统复杂性的代用指标,它激励人工智能研究人员开发新的方法来测量训练数据中不必要的偏差。本文看好人工智能和生态研究之间的协同进步--生态理论有可能推动人工智能研究的前沿;现有的人工智能方法被注入复杂系统的生态建模中;人工智能和生态研究的共同成果有望实现关键的共同进步。        3. 人工智能生态学:复原力理论      在生态学中,复原力是指系统抵御干扰或从干扰中恢复的能力。生态系统之所以具有复原力,是因为其生态功能或系统成员所扮演的角色既是冗余的,又与环境有关。了解生态系统的恢复力是现代科学面临的最关键问题之一。我们在测量和预测系统恢复能力方面取得的进展,将决定我们能在多大程度上为全球气候变化和土地使用影响生物过程和高阶相互作用(生态系统恢复能力的基础)所带来的反响做好准备,并对这些影响做出响应。生态学中的复原力理论可为人工智能研究人员提供线索,帮助他们建立更稳健、适应性更强的系统,这些系统涉及反馈回路、冗余途径和满足行为,可确定系统的哪些基本原则最好能被量化和捕捉,以便再现复原力。这些人工智能系统本身可用于模拟和研究生态复原力。分布外泛化和对分布转移的复原力是人工智能研究的一个活跃领域。未来的人工智能技术可以模拟这种依赖于环境的行为,可能会受益于复杂的非线性互动和内置的鲁棒性。人工智能研究与生态学之间有目的的联合进展有可能扩展一般系统理论,受生态系统复杂性启发和制约的新型人工智能可作为通往其他领域(如心理学或经济学)的途径,在这些领域中,由于跨越多个相互作用尺度的复杂性,预测同样困难重重。        4. 生态学人工智能:知识引导的 ML      现有的深度学习算法都是数据饥渴型的,而且由于其架构不包含对所建模现象的先验知识,可能会产生与现实不一致的预测结果。不断发展的知识引导的 ML(KGML)领域是推动人工智能和生态学发展的一种方法,尤其是在数据稀缺的条件下,这在许多生态学领域仍然很常见。KGML 试图将科学知识注入 ML 算法的基础结构中,以帮助生成的模型做出更符合物理规律的预测。这种想法与贝叶斯统计方法中的先验知识是一致的,贝叶斯统计方法在生态学研究中也被用于类似目的,但往往受到数据需求和计算成本的限制。将知识指导注入 ML 模型的例子包括:定制损失函数以遵守物理定律;使用现有的 ML 架构(如长短期记忆(LSTM))或开发新的架构以更好地表示现实(如质量守恒-LSTM、递归图网络);使用基于过程的模型输出作为 ML 模型的输入或作为预训练数据集;在 ML 模型中使用偏微分方程表示系统;或将神经网络嵌入分层模型。展望未来,生态建模可能会激发更先进的架构,其中包括与层次结构、物理和生物定律以及微分方程相结合的先验本体知识,以及分散和新兴的训练范例。        5. 通过人工智能与生态学的协同作用加速发现      人工智能系统正开始从模式识别扩展到假设生成和发现,部分是通过揭示代表复杂系统的高维网络中变量之间缺失的联系。这些缺失的环节代表了跨越多个尺度的系统组件中未曾预料到的相互作用或依赖关系。生态系统中状态和过程的多样性和广度为提高人工智能能力提供了令人兴奋的潜力,以识别这些缺失环节并提出新的假设。人工智能与生态学之间的一个协同机会是在人工智能研究中被称为模式崩溃的问题,即算法无法捕捉多模式分布的全部多样性,因为建模必然集中在少数观察到的模式上。生态学和人工智能交替解决了这一长期存在的问题--扩散模型是生态学的起点,目前在生成式人工智能中成功解决了这一问题;但自那时以来,生态建模取得了巨大进步,电报模型、反应扩散模型和种群循环模型在解决生态系统的模式坍塌问题上不断取得进展。在这里,共同生成的研究对人工智能和生态学都有好处--一个相关的例子是,人工智能生成的关于多模式分布的假设有可能阐明是什么驱动了埃博拉病毒从野生动物宿主溢出传播的双峰。这种生成式人工智能将受益于先进的生态建模技术。与许多人工智能系统不同,生态系统是通过基于理论的规则来理解的。例如,我们对生物地球化学的理解建立在物理和化学、地质学、水文学以及生物学规则的基础之上。我们对种群如何随时间变化的理解建立在支持适应性概念的进化规则之上,而适应性是捕食者与猎物之间的相互作用、生物之间的竞争以及食物网结构的基础。然而,尽管基于理论的方法提供了对机制的理解,但可能不足以应对我们面临的生态危机。在人工智能研究中,基础建模也采用了类似的理念--即模式和预测的基础是规则,但与生态学不同的是,基础模型是通过利用大量可用数据,而不是通过数十年的科学方法,以算法的方式学习规则。强化学习是人工智能研究中另一个活跃的前沿领域,在这一领域中,这些规则被明确纳入,以生成关于系统如何随时间演变和稳定的假设。因此,尽管生态系统非常复杂,看似混乱不可预测,但管理规则,无论是源自理论还是数据,都为我们观察、解释和预测复杂生态系统的突发特性提供了锚点。这种方法尤其有望将复杂系统的社会维度纳入其中,因为社会维度对生态系统的影响历来未得到充分认识,而且仍然是一个跨学科的前沿领域。        6. 负责任的人工智能与生态学      行业在人工智能研究中日益占据主导地位,导致产品和平台不断改进,从而提供了有用的方法,而有关人工智能伦理和其他社会因素的研究却相对被忽视。然而,对安全、合乎伦理和负责任的人工智能的呼吁以及对减少偏见的方法的研究正在不断增加。本土、女权主义、非殖民主义和其他批判性视角为此类人工智能研究提供了基础,但这些视角仍处于人工智能的边缘,面临着认识论上的障碍,需要加以克服才能纳入主流人工智能研究。同样,生态学的历史根植于殖民主义;生态保护主义经常被用来为控制环境辩护;排斥性做法继续产生只对社会中享有特权的子集有利的推论。最近,生态学家正在努力发展将各种知识联系起来的做法,以更好地理解社会生态系统。例如,在获得知情同意并了解对社区的明确互惠利益的情况下获得的本土知识(又称传统生态知识)加强了生态学的研究方向,扩展到保护、负责任的管理、监管以及人与自然之间的关系伦理。例如,土著知识对北极积雪和海冰状况的细微了解被用来指导无人驾驶飞行器和卫星数据收集。这些信息被用来更好地了解和管理环斑海豹,这是一个在不断变化的气候中具有重要文化价值的物种。社会和文化结构的细微差别及其融合对于获得有关复杂系统的知识和智慧以及负责任地影响其未来至关重要。例如,系统性种族主义深刻影响了城市环境的社会、生态和进化特征,这对于确保社会公正和加强这些系统对气候变化的适应能力非常重要。至关重要的是,人工智能和生态学都要继续扩大认识论的界限,承认不同的认识方式在科学上是有效的,并尊重本土数据主权。为了成功做到这一点,两者都可以从社会科学的定性研究方法中学习,特别是要捕捉 "与土著认识论密不可分的背景,同时保持标准化的时间和表示参数,使其与其他数据集保持一致,以便进行整合和分析"(图 1 的层次图在各种认识论下都有争议)。此外,对土著数据遵循 CARE 原则(集体利益、控制权、责任和道德)有助于确保这些数据对土著人民有用,并始终处于他们的控制之下,同时还能促进人工智能和生态学知识的发展。        7. 展望融合      研究事业一直沿着学科轨迹前进,人工智能与生态系统科学之间的重要融合正在快速接近。生物医学领域的融合研究凸显了人工智能在实现以往被称为 "登月计划 "的目标方面尚未实现的潜力--对尚未出现的传染性疾病和由多组相互作用因素引起的非传染性疾病的治疗。多方面的投资将有助于加速这种融合性突破:正视并改善目前存在的数据和认知方式中的偏见和局限性,考虑跨学科思维和实践以弥合知识构成中的哲学和伦理差异,以及在探索新的学科语言和视角的同时建立信任。对这种有意识的融合进行投资,有可能产生变革性的观点和解决方案,就像最近在聊天机器人和生成式深度学习方面取得的突破一样,具有超乎想象的颠覆性。在环境快速变化带来生存风险的时代,生态系统科学与人工智能之间的战略协同作用有助于推动我们更好地理解并有可能恢复我们赖以生存的生态系统的复原力。      论文信息      标题:A synergistic future for AI and ecology      期刊:PNAS      类型:Perspective       作者:Barbara A. Han, Kush R. Varshney, ..... ,  & Jacob Zwart【University of Vienna】      时间:2023-10-10      DOI:https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2023.109205 

【榜样引领】匠心育人润桃李 潜心科研寸草心 ——记甘肃农业大学“黄大年式教学团队”负责人师尚礼教授

【榜样引领】匠心育人润桃李   潜心科研寸草心——记甘肃农业大学“黄大年式教学团队”负责人师尚礼教授       文章来源:新闻中心 甘肃农业大学草业学院       编者按:为进一步落实立德树人根本任务,践行社会主义核心价值观,唱响主旋律、凝聚正能量,用榜样的力量激发全校师生精诚团结、奋发有为的工作热情和追逐理想、实现梦想的创业激情,党委宣传部将持续开展身边的榜样寻访活动和甘农人物典型事迹宣传报道,深度挖掘学校不同时期名师大家、杰出校友和在校师生感人故事和工作成就,深入阐释“自强不息,奋发有为”的甘农精神和情系稼穑、强农报国、富民安民等价值追求,强化典型事迹和先进人物的示范带动作用,力争讲出有思想、有温度的甘农故事,传播好有品质、有能量的甘农声音,营造正能量充沛的校园氛围,全力构建“大思政”“大宣传”工作格局。师尚礼指导牧民种植苜蓿       “没有花香,没有树高,我只是一颗无人知道的小草,但小草为人们带来了充满生机和孕育希望的绿色愿景。把小草的事情做好,发展草业和保护好草原生态,乃‘国之大者’!”在中国草学会党委委员、原副理事长、甘肃农业大学师尚礼教授看来,“甘肃横跨长江、黄河流域,从湿润到干旱、从平谷到高山,拥有着类型丰富的草地和风光旖旎的草原,是研究草、培育草、利用草的最好场所。”       师尚礼教授所在的甘肃农业大学草业学院是一个薪火相继、勇毅前行的光荣集体,我国草业领域的两名院士——任继周、南志标,都曾在这里工作和学习过,为草业科学的发展奠定了坚实的基础。学院曾在国内率先开设草原本科及硕士专业,获批首个草原科学博士点和国家重点学科,培养了一大批草学人才,被业界誉为中国草业的“黄埔军校”。曾先后获“全国先进基层党组织”、教育部“三全育人”综合改革试点院系、“全国党建工作标杆院系”等。      由师尚礼教授牵头的草业科学本科专业获评国家级特色专业和一流本科专业,引领创建并获批首个国家级草坪科学与工程本科特种专业,草种创新与草地利用教学科研团队成功入选第三批全国高校黄大年式教师团队……师尚礼工作照       言传身教,做好师生的引路人       师尚礼教授作为“黄大年式教学团队”的负责人,在近40年的教育教学生涯中,坚持为党育人、为国育才的初心使命,秉承教书与育人相统一,以多年担任学院和学科负责人的敏锐和担当,打造了契合现代草学发展的人才培养体系,取得了显著的办学成绩。他基于任继周院士草地农业“三个界面”理论,首倡提出并实践的理学、农学、经济学对应支撑的“草丛-生境”生态过程、“草地—家畜”生产过程、“草畜产品—社会”经济过程和“学草人—社会责任”思政过程的“三学四过程”知识学习和能力素养融合构建体系,已普遍运用于草业科学专业人才培养全过程,培养的学生既懂理论又能实践,得到了行业和社会的广泛认可。       “师老师每节课都有‘新花样’,他总是能调动我们学习的积极性,在‘参与讨论’互动教学法中,营造差异化学习环境,启迪我们每个人的心智。”草业学院的学生特别喜欢上师尚礼教授的课,每次提起来都是满脸的开心和钦佩之情。       草业学院的青年老师也常常说,“师老师很好地发挥了‘传、帮、带’的作用,帮助我们尽快站稳讲台,快速提升科研能力,在真正落实着‘知农、爱农、兴农、强农’的责任,是为人和治学的好榜样。”       而对于师尚礼自己而言,做一名受师生都喜欢的老师是自己工作的动力源泉,他常常说:“‘老师’不仅仅是一个称呼、一项工作,更是一片真心、一份责任!”       躬行实践,成为草地科学领域的开拓者       草地作为地球上最大的陆地生态系统,对人类生产生活产生着深远的影响,而我国草地退化问题比较突出。身为草学教育与苜蓿科技工作者的师尚礼教授带领团队成员,迎难而上,用脚步丈量广袤的西北草原,给草原“治病”、护草原“健康”,用实际行动维系着“草—畜—人”和谐共生的生命共同体。       被称为世界第三极的青藏高原,受自然和人为双重因素的影响,青藏高原的草地退化现象日趋严峻,直接危及着牧民生产生活的可持续发展和国家生态安全。2011年,因农业公益性行业项目“社区生态畜牧业”执行的需要,邀请他主持“甘南社区特色生态畜牧业关键技术集成与示范”项目。本着强烈的事业心和责任感,他把国家所需、牧民所盼、专家所能和未来所向融合起来,因为这是他深深眷恋和舍得投入时间精力的地方。十二载与牛羊为伍,与雨雪同行,足迹踏遍青藏高原的六大牧区,只为牧区转型发展实现草好、人也好的目标,真情守护青藏高原的草原绿色生命线。       经过长期深入思考和验证,师尚礼教授逐渐意识到草地退化的本质,是由草地生态系统中能量流动和物质循环“入不敷出”造成的。他说:“人类利用天然草地时,土壤养分随着大量植物与动物性产品输出,各种元素被过量带出草原系统,在得不到有效补给的情况下,打破了系统内原有的‘土壤-植被’养分循环,长年累月则使土壤肥力降低、养分储量亏损,以致地表最终裸露。”       之后,通过对夏河县桑科乡草场的动态监测,师尚礼教授带领团队成员从生态系统整体性研究出发,揭示出水、土、气、人、草、畜和微生物间存在的耦合关系,并由此集成了一套退化草地生态恢复重建的关键技术,创建了高寒地区“以牧民为中心”的生态保护和民生发展“种草养畜”草畜平衡理论,国家林业和草原局2019年在甘南夏河启动实施退化草原修复工程示范项目,基于该理论和技术的推广应用,邀请师尚礼教授为首席专家,在遵从牧民传统利用方式的前提下,实施修复草原面积8.2万多亩,效果良好,为青藏高原大面积推广提供了可复制的草地生态循环样板。       2023年,师尚礼教授作为首席科学家承担了国家重点研发计划重点专项“六盘山—秦巴山区特色种养绿色高效关键技术集成与示范”项目和中国工程院“重要草类甘肃种业发展战略咨询项目”,一如继往地奋战在自己挚爱的牧草事业第一线。       作为师尚礼教授团队成员的曹文侠教授说:“师老师的治学态度、创新意识、工作热情及奉献精神,值得我们团队传承和发扬,也是激励我们努力工作和不断创新的持续动力。”       科技强农富民,推动民族地区经济社会发展       甘肃省是个多民族地区,由于历史、自然和区域位置等原因,经济社会发展仍然相对滞后,发展不协调、不充分的问题比较突出。师尚礼教授团队多年来一直致力于解决制约甘南藏族自治州发展的瓶颈问题,从“富口袋”到“富脑袋”,努力推动民族地区经济社会发展。       师尚礼教授是长期从事苜蓿研究和利用的科技工作者,苜蓿富含蛋白质、优良纤维及多种维生素,是畜禽喜食的“牧草之王”,而青藏高原自然生长的牧草多以禾本科、莎草科为主,是苜蓿生长的禁区,人工种植苜蓿的历史尚属空白。师尚礼教授认为,青藏高原高寒区苜蓿草地建植成败的关键,取决于优质苜蓿品种的越冬性能和寒作栽培技术。       基于此,他和团队百折不挠、反复试验,最终在甘南夏河高寒牧区使人工种植的苜蓿越冬率由之前的35%以下提高到87%以上,平均亩产鲜草由950公斤左右提升至2100公斤以上,同时也使青藏高原的苜蓿种植区由原先的海拔2.5千米以下的暖温带,扩展至3千米的高寒带,使青藏高原的家畜吃上了“香饽饽”。       现如今,师尚礼教授团队不但筛选出了抗寒能力极强的紫花苜蓿品种,同时还设计完善适宜高原气候的原地荫干、土法晾晒、压扁晾晒、草架晾晒、切节晾晒法和青贮剂筛选等流程,开发了空心圆草捆、青贮包、草束和苜蓿蛋白营养舔砖等草产品,切实增强了牧民抗灾保畜能力,使牧民饲养的牲畜冬季损失率降低了80%以上、收入提高30%,累计为牧区带来直接经济效益30多亿元。       师尚礼教授说,自己和团队成员2011年第一次踏进夏河县王格尔塘镇永杰草业合作社和桑科乡央吉才让畜牧业合作社的情景,至今仍然历历在目:“草捆凌乱地晾晒在路边,牛羊毛色杂乱、瘦骨嶙峋,职业的习惯让我们停下了脚步,我们想用专业的技术改变他们粗放经营的现状,解决他们的现实困难,让农牧民获得实实在在的致富能力。”       “能遇到专家我们太幸运了,假如回到几年前,我们牧民们会经常遇到冬季牛羊掉膘、空怀胎和冬瘦春亡的问题,常常会损失很多钱呢!”当地牧民说起甘肃农业大学草业学院和师尚礼教授都流露出由衷的感激之情。       除了帮扶增富,师尚礼教授团队还非常重视“扶智”。多年来,他们将产业培育、合作社壮大、带头人培养与拉动就业、乡村振兴、民族团结及牧区发展融合起来,通过互访式、浸入式的“心贴心”观摩交流,培养了一大批乡土专家、新型牧民和致富能人。羊吉才让曾是夏河当地一名普普通通的藏族牧民,通过师尚礼教授团队十余年的“陪伴式”培养,现在已成为合作社负责人并被县政府聘为“新时代牧民讲习员”。“这十几年,我不仅学会了种草,还掌握了牦牛养殖和鲜奶加工技术,也认识到了生产许可证、质量认证和生产标准对增收致富的重要性。我自己最明显的变化是年收益从2万元增加到了如今的40万元,家里的土坯房已经变成了三层大楼房,我期盼师院长能到我的新家里住一住。”朴实的话语道出了草原牧民心底的喜悦与自豪。       “我们的草原上经常有‘专家’来做项目,项目做完就走了,与我们牧民没有什么关系”央吉才让说。       “最初我们看到的是合作社负责人和牧民们那种不相信的眼光,通过几年的真心帮助,他们从怀疑到信任,再到渴望合作,对我们的态度也发生了巨大转变。我们确实在科技帮扶和富民上做了些事情,也慢慢地跟牧民成为了朋友,这也是我们搞科研额外的收获。”师尚礼教授在回忆往事时也很感慨。       牧民们开玩笑地说:“第一次遇见师院长和团队老师对我们这么关心,还有些不习惯,还以为专家是骗我们呢!”       是的,是专家团队用真情真心、细心耐心把他们“骗”上了一条更宽阔的农牧结合发展致富之路。       科学研究从来不是“空中楼阁”,接地气、有实效的科研工作让师尚礼教授感到欣慰,“牧民们的自我发展水平和眼界视野拓宽了,组织意识、集体意识和生态保护意识也被激发出来了。我们希望能帮助这些少数民族地区的人们在国家好政策的引领下,加强民族交往交流交融,跟上时代发展的步伐,真正过上民族团结一家亲、同心共筑中国梦的幸福生活。” 

Grass Res 精选2023 | 罗格斯大学黄炳茹团队揭示形态素在热胁迫下抑制匍匐翦股颖叶绿素降解的调节作用

Grass Res 精选2023 | 罗格斯大学黄炳茹团队揭示形态素在热胁迫下抑制匍匐翦股颖叶绿素降解的调节作用        热胁迫会通过改变植物叶片中叶绿素的合成或降解速率来阻断叶绿素代谢,从而诱导和加速植物叶片衰老。开发延缓叶绿素流失以延长叶片绿叶性状的策略,对于提高植物对热胁迫耐受性十分重要。先前的研究发现,形态素(morphactin)在调控植物叶片衰老(提高叶绿素含量)和植物生长中扮演着重要作用。匍匐翦股颖(Agrostis stolonifera L.)是全球广泛种植的草坪草之一,这种耐旱植物在热胁迫条件下叶片衰老的现象已有报道。而形态素能否通过调控叶绿素代谢来延缓热胁迫下匍匐翦股颖叶片的衰老尚不清楚。2023年7月,Grass Research期刊在线发表了罗格斯大学黄炳茹团队题为Regulatory roles of morphactin on suppressing chlorophyll degradation under heat stress in creeping bentgrass 的研究文章。该研究揭示了形态素在热胁迫下抑制匍匐翦股颖叶片中叶绿素降解的作用。        该研究通过测量胁迫和非胁迫条件下形态素甲酯(CM)处理后草坪质量(TQ)、叶绿素含量和电解质渗漏(EL)等指标,评估了热胁迫对匍匐剪股颖的影响。在非胁迫条件下,CM处理组和未处理组中TQ、EL和叶绿素含量无显著差异。而热胁迫条件下,两组样本中TQ和叶绿素含量均有所下降,同时EL有所增加;CM的应用在热胁迫25天后显著改善了植物状态,具体表现为TQ提升和EL下降(图1)。CM处理组的植物叶绿素含量也有所提高,尤其是叶绿素b,这些有益效果在胁迫期间较早出现(图2)。此外,非胁迫条件下CM并没有改变叶绿素合成或降解酶的活性。然而,CM的处理可以延缓热胁迫处理下植物叶绿素合成酶(PBGD)的活性下降和叶绿素降解酶活性的增加。这些结果表明,CM可以作为一种有效的工具,通过维持TQ、降低EL和维持叶绿素含量来缓解热胁迫对匍匐剪股颖的影响。           图1. 在(a)非胁迫最佳温度或(b)热胁迫条件下,用CM处理的匍匐翦股颖或未经处理的对照组的叶片电解质泄漏(EL)      图2. 在非胁迫最佳温度或热胁迫条件下,用CM处理的匍匐翦股颖或未经处理的对照组的叶绿素a ,叶绿素b 和总叶绿素      图3. 热胁迫下经CM处理的匍匐剪股颖叶绿素合成和降解的路径图         总之,这项研究在进一步理解匍匐剪股颖对热胁迫的反应方面取得了突破,揭示了形态素在抑制叶绿素降解中的调控作用,强调了研究植物生长调节剂作为增强植物应对全球温度升高的抵抗力工具的重要性。      原文链接:      https://doi.org/10.48130/GR-2023-0011 

我心中永远的大先生-任继周先生—任先生教书育人楷模的学习

我心中永远的大先生-任继周先生—任先生教书育人楷模的学习  源自:董世魁   林草新闻 编者按:为贯彻落实习近平总书记关于教育工作和典型宣传工作的重要指示批示精神,发挥教育领域先进典型示范引领作用,经中央领导同志批准,中宣部、教育部共同组织开展2023年度全国教书育人楷模学习宣传活动。今年,共评选出12位全国教书育人楷模,其中,兰州大学教授、北京林业大学草业与草原学院名誉院长任继周先生入选。今天,在全校举行庆祝第39个教师节的盛大日子,非常感谢学校党委教师工作部给我这样一个交流分享的机会,让我作为先生的学生给大家分享“2023年全国教书育人楷模”、百岁高龄的草业大先生任继周先生的故事。任继周,男,汉族,1924年10月生,中共党员,兰州大学教授、北京林业大学草业与草原学院名誉院长,中国工程院院士。 ​任先生是我国草业科学的奠基人之一,建立了现代草业科学的理论与方法论,创建了草业科学的学科框架和教学体系,创办了第一个草业科研教学机构和第一本学术刊物,建立第一个草原野外台站,培养了大批草业科学人才,综合提炼出黄土高原草地农业系统的发展模式,有效控制了水土流失。他在九十多岁高龄时,开创了中国农业伦理学研究的先河,主持编写《中国农业伦理学概论》等教材和专著。他主导设立了6个奖学金项目,个人累积捐资助学600余万元。曾获全国优秀共产党员、新中国成立70周年“最美奋斗者”、国家级教学成果特等奖、甘肃省科技功臣奖等荣誉。任先生作为北京林业大学草业与草原学院名誉院长,时刻关心关注着学院的发展。2018年曾为学院名称专门致信沈国舫院士与安黎哲校长提出建议,学院最终定名为“草业与草原学院”,并确定“立志立学,立草立业”的院训。每年新学期他都会寄语新生讲话,鼓励学生志学草业。2023年3月任先生捐资50万、北京林业大学配套100万,设立“伏羲草业科学奖励基金”,用以奖励品学兼优的草业学生和立德树人的草学教师。这是任先生自己捐资设立的第五个奖助学金。作为种子基金,先生不仅是物质上给予北林草学人莫大的支持与鼓励,更加体现了对后辈学子的无限关怀与影响,默默为后人铺设学术阶梯,这种崇高情怀必将激励一代代中国草业学子砥砺前行,成长成才。 ​七十三载从教路,师者情怀依旧。在我的印象中,他一直以一个草业教育开荒人的姿态,在教育沃土中春风化雨,奋力前行。身教胜于言传,作为先生的学生,在与任先生相识相知的三十多年间,先生谦逊的仪态、严谨的作风、渊博的学识、和善的言语,为我树立了做人、做事、为学、为师的标杆;先生更是从理想信念、道德情操、扎实学识、仁爱之心等“立德树人”的基本准则上,为我标立了“四有好老师”的典范。在我心中,他一直是教书育人楷模,更是伟大的科学家精神和教育家精神的践行者。今天,让我来分享任先生教书育人楷模的点滴故事,我感到无比光荣和自豪。下面我从学生视角,谈谈我心目中的大先生—任继周先生。任先生有扎根于心的崇高理想。2010年以来,我有幸陪新华社、人民日报、农民日报等媒体的记者采访任先生,零距离听他讲述求学时的不凡经历与艰苦抉择,深感任先生从小就树立了保家卫国、改善民生、振兴中华的崇高理想信念。上中学的时候,看到国人吃不饱饭、肉类摄入不足、营养严重不良,他立志大学报考畜牧专业以改善国民的营养状况;上大学的时候,看到同龄人上前线以血肉之躯抗日救国,他在后方立志要学好专业知识以实业救国;走上工作岗位后,他扎根西北70余年,为推进我国草业现代化发展、改善国民营养和生计状况、促进农牧区脱贫致富和乡村振兴奉献一生。任先生立志高远、胸怀天下的家国情怀和远大的报国志向值得我们致敬学习。  ​任先生有练功于底的扎实学识。2016年,在先生耄耋之年,在他倡导组织下,我与清华大学、国家图书馆、中国农业大学等单位的学者一起编写《中国农业伦理学导论》一书,受学科背景限制我们或多或少表现出了畏难情绪,任先生提前将自己从2002年开始整理的资料《中国草业系统发展史》《中国农业伦理学史料汇编》等分享给我们,又从“时、地、度、法”四个维度,用哲学思想回应学科的方向问题,启发我们用“时之维”、“地之维”、“度之维”和“法之维”来统领整个书稿的主线,及时为我们指点迷津,保证了《中国农业伦理学导论》的编写工作顺利完成和出版。这既是中国农业伦理学研究的开山之作和纲领性著作,也填补了国内“农业伦理学”研究与教学的空白。任先生高瞻远瞩的学术思想、渊博的学识不断启发和提升我的认知,他的这种开创精神值得我终身学习。任先生有不露于表的仁爱之心。2017年秋季的一个凌晨我应邀去见先生,我本以为他要跟我谈学术问题,但他说一直非常担心我的身体,已经有好几个学生先他而去,令他伤心、痛惜,他告诉我早餐营养一定要全面、充足,才能保持旺盛的精力投入全天的工作。接着他从抽屉中拿出一个装有6000元钱的信封,让我提高早餐营养水平。我感动得热泪盈眶,这不仅是一个老师对学生的关心,更像是一个家长对子女的关爱。这个沉甸甸的“信封”让我永远记住了任先生对晚辈、对学生的仁爱之心,也让我感到了作为师者将任先生仁爱之心的“信封”传递下去的责任与担当。2019年底,我从北京师范大学调到北京林业大学担任草业与草原学院负责任人后,任先生每次谈话定会告诫我不能让过重的工作负担搞垮身体。任先生德与爱融合一体的师心,始终暖化我、感染我、激励我,让我倍感赓续中华师道、做涵养仁爱之师责任之重。 ​任先生有外化于行的道德情操。2023年5月,受任先生“无我”的捐资助学精神的启发和鼓舞,我用自己的积蓄在中学母校和政一中设立了以父母名义命名的“智·兰助学基金”,以资助家庭贫困、品学兼优的学子完成学业。任先生获悉后,给我回信肯定了我关怀乡里、饮水思源、延续中华文脉的朴素情怀:“你对故乡的联系密切,这是良好的社会品德,是一大长处。至于你提到我的帮助,表达了我们师徒薪火相传的深情,使我感动”。任先生在跟我的多次谈话或邮件交流中,始终强调“做胜于说”、“行胜于思”。他始终秉持“从社会取一瓢水,就还社会一桶水”的崇高信念,将自己所学、所思、所得无偿回馈给社会作为毕生追求。作为草业后学我们要继承发扬先生这种外化于行的高尚道德情操,让先生精神永存不息、薪火相传。 ​百岁高龄的任先生,仍在践行师者“传道授业解惑”的神圣使命,每天工作6个小时进行“学术养生”,不时给我来电问寒喧暖。回顾往昔,与任先生相识、相知、相处的漫长岁月里,这种点滴成河的故事不胜枚举,正是在任先生春风化雨、润物无声的言传身教中,让我悟到了如何成为“大先生”的言、行、思。展望未来,传承任先生“为天地立心,为生民立命;与牛羊同居,与鹿豕同游”的“草人精神”,学习任先生“扎根于心的崇高理想、练功于底的扎实学识、不露于表的仁爱之心、外化于行的道德情操”的大先生精神,牢固树立“躬耕讲坛,强国有我”的志向与抱负,将是我这一生的修炼。

祁连山生态安全的相关建议

  草人说话 2023-01-01 13:09 发表于甘肃 祁连山生态安全的相关建议 任继周因我视力和听力都已失去参加视频会议的能力,也失去到会学习,特别失去与许多老朋友见面的机会,深感遗憾。会议(2022年气候变化与祁连山生态学术会议)日程安排我做有关“祁连山生态安全”的发言。我就对祁连山生态问题说一点粗浅想法。河西走廊是亚欧两大洲之间链接锁钥地段。古人用双脚踏出了丝绸之路,现代更用高铁和航空强化了它的“一带一路”历史使命。1950年解放初期我一到兰州就参加西北军政委员会考察团,考察了甘肃全省。其中河西走廊的特色令人震惊。干旱、流沙和社会问题综合压迫下,竟出现了无人村。几十年来我一直为河西走廊的发展揪心。现在有机会应邀在会上发言,感到由衷的高兴,也充满希望。这将是祁连山的生态问题难得的名医会诊。河西走廊的基质是祁连山及其山麓冲积扇-绿洲-荒漠三者的耦合。河西走廊生命之源在祁连山稳定的水源和沙漠这个优质的保水层。因此在山地与沙漠之间出现了一串绿洲。祁连山保育了河西走廊的多种生态系统。 我有幸会前阅读了会议筹备组为本会准备的一份很好的基础文件,对祁连山及河西走廊作了全面的历史回顾和瞻望。河西走廊就是依靠祁连山这个生态系统之母提供喂养河西走廊的乳汁。祁连山创造了石羊河、黑河、疏勒河三个内陆河水资源和流域生态。不幸的是这三条河的开发利用率分别高达150%、110%、146%,远远超过40%的生态系统健康生存的警戒线。祁连山的乳汁不够它所养育的生态系统。我们处于生态危机状态。这是历史留给我们的遗产,大量生态赤字,需要我们偿还。我们正在迈入生态文明时代。生态危机就是人类文明危机。这是更为根本的危机,关乎河西走廊将置身于什么时代文明的大命题。我们这次会议,以祁连山为主轴展开讨论,抓住了问题的核心。在会议召开以前,各位筹备会议的专家提出了一个建议书。建议书中提出了会议的总目标。(一)构建祁连山天-空-地一体化生态系统综合监测预警体系,为强化协同创新提供基础平台(二)加强气候变化对祁连山生态安全影响研究,为绿色低碳示范区建设提供科技支撑(三)打造绿色低碳示范区,构建人与自然和谐共生新典范。最终实现冰冻圈-森林-草地-绿洲-荒漠生态子系统之间的正向耦合,促进系统良性耦合效应,实现人与自然和谐共生新局面。这次会议,不妨就在 “建议书”提供的总目标的框架下,各抒己见,展开充分讨论,一定会取得丰硕成果。我在这里必须坦诚地说,河西走廊的生态赤字主要来自农业,农业的规模过大,农业结构的不够合理,应对这笔赤字负主要责任,我是农业科学领域的人,其中有我的一份责任。还有为农业辛勤服务的水利工程,他们为我们不恰当的农业行为背了锅,把某些局部“水利工程”变成了“水害工程”。我也向农业水利工作者表示歉意。祁连山孕育的是山地-绿洲-荒漠生态系统,绵延于欧亚大陆内部,其中的河西走廊,是丝绸之路的主体。从史前时代直到现代,对人类文明做出了无可取代的独特贡献。随着人类文明的发展,贡献必将越来越大。祁连山从气候调节、水源涵养、生态安全、生物多样性等多面,养育了河西走廊的山地-绿洲-荒漠带。这是一个完整的生态系统。近年来这个生态系统,出现的雪线上移、森林萎缩、草地退化、生物种群数量减少、水源涵养功能减退、水土流失加剧等问题,令人心惊。很幸运,气象学家判断,地球已经进入暖湿期,去年克拉玛依荒漠居然出现洪灾,今年塔克拉玛干沙漠涌现了许多小水泊(附图)。不论其前因后果如何,目前我们面临难得的历史战略机遇期,应抓紧用好,建成可持续生存与发展的生态系统。但所谓生态系统,既包括自然生态系统,也包含社会生态系统。现在地球已进入“人类世”,社会生态系统的份量越来越重。70多年前,我们就出现被流沙淹没的无人户、无人村,出现罗布泊缩影。后来启动的“宜垦荒地调查”,竟发现在荒漠中还有24%的宜垦荒地。在“宜垦荒地”的思想指导下,最近有两个空前大型的水利工程完工,即疏勒河农耕开发工程和的民勤红崖山水库工程,号称亚洲最大的沙漠水库。我盼望这次会议对这两大工程再做论证,力求补充完善,必要时做专题考察。根据我的肤浅体会,建议祁连山的生态保护工作,首先应监测祁连山不同地段的蓄水量、径流量、生物量以及资源承载能力。设定社会耗水量红线,明确各项耗水配额,严格制订节水规范。在这个红线之内做出长远规划,不得随意改动。在现有行政区划基础上,整合分散力量,像长江、黄河流域那样,构建整体的生态治理规划。在河西走廊建成以“三河一园四景区”为主体的建设格局。其中“三河”是指石羊河、黑河、疏勒河三大内陆河在内的33条大小支流,其90%的水资源都出自祁连山。“一园”则是祁连山国家公园。在已经建成的基础上,加强管理措施。“三河”流域生态系统自身健康需求以外,还滋养武威、张掖、金昌、酒泉和嘉峪关等绿洲城市,河西地区500多万各族人民,承担了现代化及生态文明建设任务。请允许我逐一简略陈述,供会议参考。一是石羊河。石羊河发源位于祁连山脉东段,流经武威凉州区、民勤县等地,汇入白亭海(后干涸称青土湖),全长250多公里,是河西走廊内陆水系的第三大河。据统计,全流域100万立方米以上水库超过15座,其中红崖山水库更是以亚洲最大沙漠水库而闻名。武威的民勤地区曾为举国关注的荒漠化焦点,前国务院总理温家宝曾十一次表示,绝不能使民勤成为第二个罗布泊,可见这是个引起全国关注的大问题。近年来开展了石羊河流域生态保护补偿试点,尤其是在凉州区和民勤县之间,建成了石羊河国家湿地公园,签订了《石羊河流域上下游横向生态补偿协议》,健全了地表水断面生态补偿机制。我们建议,可否将红崖山水库改建为地下水库,把地上水面隐藏于沙漠保水层之下。其次,应特别关注苏武牧羊故地北海,据笔者考证,应为石羊河尾闾民勤白亭海(后干涸称青土湖)。但被讹传为俄罗斯贝加尔湖,历史久远,积非成是,已成定论。我盼望尽快纠正这一千年错案,在已经启动建设的民勤湿地荒漠景区中,建立“苏武牧羊北海故地纪念公园”。二是黑河。黑河发源于祁连山中麓,流经张掖市境内,全长821公里,是中国第二大内陆河。后因传统农业结构浪费水资源,导致下游河道枯竭,原有绿色廊道丧失,汉代著名的居延海一度干涸变为沙钵。近年来,提出了建设绿色健康的“林水生态体系”。现在全市林草覆盖率近30%。已建成黑河国家湿地公园、张掖国家城市湿地公园、甘州滨河生态新区、高台黑河湿地公园等项目,成效很大。我们建议依据“山水林田湖草沙”综合治理原则,发展为生态系统整体建设。在已经取得效益的基础上,建议建立居延海古荒漠湖泊边塞景区。另有山丹的祁连山-焉支山之间的山间台地,原为匈奴盘踞的良好牧场,后为汉代霍去病断匈奴右臂后建立的著名养马场。有“失我祁连山使我六畜不繁衍,失我焉支山使我妇女无颜色”匈奴民歌传唱,历史蕴涵丰富。山丹马场是起于汉代直到现今,两千多年从未中断的古养马场。实为举世无双的珍贵历史遗产,现在养马业显出新发展势头,应依托其历史背景,在大马营及其周边建立草地养马业,串联沿黑河两岸自然资源和人文资源,发展为古养马场旅游景区。三是疏勒河。疏勒河流经酒泉市的敦煌、玉门、肃北县、阿克塞县、瓜州县的134万亩耕地,是甘肃第二大内陆河和最大的自流灌区。从2011年开始,国务院批复了《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划》,投入资金治理疏勒河水系,阻止库姆塔格沙漠东侵。同时,通过上百公里的人工河道、水上长城,将疏勒河水输送到敦煌西湖国家级自然保护区,其间名胜古迹不胜枚举。甘肃省疏勒河流域是水利部确定的全国7个水权试点之一,确定了农业用水面积和灌区用水指标。我们建议,疏勒河流域应坚持生态优先、绿色发展,尽可能的发挥胡杨、红柳、枸杞、罗布麻、骆驼刺等“前植物生产层”的生态功能,发展“后生物生产层(旅游、加工流通等产业)”多元化农业生产功能,加强对世界闻名的敦煌莫高窟和月牙泉的生态保护,以敦煌为中心,建成美丽富足的内陆河流域新农村示范区。“一园”是祁连山国家公园。2017年,国家已经启动了《祁连山国家公园体制试点方案》,公园总面积为 5.02万平方公里,其中甘肃省有3.44万平方公里,涉及酒泉、张掖、武威、金昌、兰州5市、阿克塞、肃北、肃南、民乐等11个县(区)及山丹马场。区域内共有耕地2901公顷、占片区总面积的0.8%,林地 50.06万公顷、占片区总面积的14.55%,草地189.66万公顷、占片区总面积的55.13%,湿地19.44万公顷、占片区总面积的5.65%,冰储量844.8亿立方米。它们是一个生态系统整体。以保护大尺度生态过程和该区域的物种和生态系统特征为目的,构建整流域、整片区的生态建设格局,防治长期以来的区域重叠、多头管理的碎片化问题,建立权威统一的生态监管制度与资金保障机制。但我们有部门分割管理的习惯,往往失去协调发展的优势。例如林区与牧区,牧区与湿地,它们之间有合理耦合的关联,不要互相封闭。美国的优质牧场1/3就在林区,林区放牧,林牧两利,不是把“育林禁牧”捆在一起。从经济效益看,树木生产周期长,牧业生产周期短,可林牧结合可以短养长。从生态健康看,林下植被适当放牧可减少凋落物过多积累,有利于防火、防虫、抑制啮齿类动物过分繁殖。湿地在冷季冰冻期适当放牧,有利于湿生植被健康发育。野生或家养食草动物,在合理管理下都是自然生态系统的保姆。但保姆也不能太多,即使受保护的野生动物也不能无限繁殖,如我国的贺兰山盘羊、美国黄石公园的麝牛、澳大利亚的袋鼠保护,都曾有此教训。因此需在自然保护区严格管理下设立“狩猎牧场”,规定允许淘汰的动物的季节、种类、性别、年龄、产品限量收获。如鹿茸、羚羊角、羚羊毛都不妨通过合理渠道使其资源化。不要把动物生产挡在生态系统大门之外。同样,林木的合理间伐,野生药材的合理采摘,居民合理分布都是允许的。因此国家公园应该担负整体生态系统的监测、调控、维持系统内组分结构合理,持续健康发展的任务。这类看似不管理的管理,含有更严密,更深入的科学研究内涵。既需自然科学,也需社会科学的支撑。国家公园应该是一个巨型研究系统的中枢。他除了自我必备的研究手段以外,还要与有关大学和研究单位订立合作协议,取得全社会科学力量的支撑。那种把国家公园交给旅游部门管理的想法是不可取的。“四景区”已如前所述,即居延海古荒漠湖泊边塞景区;民勤苏武牧羊湿地荒漠景区;古山丹-焉支山为主的丝路国际化旅游景区;以敦煌为中心内陆河流域新农村示范区。不再赘述。当然,在各个流域内的著名历史遗迹,难以计数。至于关于具体的保护措施的相关建议,冰川、气候、林业、草业、农业、生态、经济、法律等各方面的专家多有论述,也是本次会议的焦点,一定会提供更充分正确论述,我就不多说了。谢谢! 【本文由林慧龙教授,赵安博士协助完成】 附图:塔克拉玛干2022年夏出现罕见的水泊(截自央视屏幕) 

“气候智慧型草地管理”项目创新科研组织模式 把固碳减排技术送到牧民家(创新故事)

   “气候智慧型草地管理”项目创新科研组织模式把固碳减排技术送到牧民家(创新故事)李 鹏《 人民日报 》( 2022年11月18日   第 18 版)  “跟着中国农业大学草业学院的专家参加项目,每年节省饲草支出1.2万元,牲畜高效养殖增收1.4万元,加上项目生态奖补绩效资金,每年增加的收益超过3万元。邻居们看到我们家草场长得好,牛羊膘肥体壮,都跟着我们学技术,排着队申请加入项目呢!”盘算这几年的丰收账本,青海省海北藏族自治州祁连县默勒镇海浪村的牧民万东主才高兴不已。  万东主才说的项目,是由全球环境基金(GEF)支持、世界银行与农业农村部共同实施的“气候智慧型草地管理”项目,这是我国目前草地领域资助额度最大的国际合作项目。项目一改过去以科研单位为主的传统模式,采用牧民提问题、专家出方案、牧民去实践、专家再评估、科研再创新、应用再提升的新型科研组织模式,产学研教推融为一体,让草原变得更美、牧民收入变得更多。  我国天然草地面积近40亿亩,是我国面积最大的陆地生态系统,是草原畜牧业发展和牧区乡村振兴的关键,在维护国家生态安全和促进农牧民增收等方面具有基础性、战略性作用。同时,草地生态系统碳库占全国自然生态系统总碳库的31%,草地生态系统碳汇功能在实现“双碳”目标中具有不可替代的作用。  “我们聚焦草地固碳减排、草地生产力提升、牧民生计改善和应对气候变化能力增强4个方面进行设计。”农业农村部生态总站首席专家王全辉表示,项目的实施既保护了草原生态安全,又提升了草原生产力水平,为在牧区开展乡村振兴提供了新思路。  据介绍,该项目目标主要是在高寒草地试点开展气候智慧型和牧民参与式草地生态系统管理技术示范,并进行基于实证的生态补偿政策试点研究,以提高草地生产力和草牧业生产效益,增加农牧民收入。同时保护草原生物多样性,提升草地固碳减排等生态服务功能,实现人—草—畜系统协调发展等。项目由国家牧草产业技术体系首席科学家、中国农业大学草业科学与技术学院院长张英俊担任首席科学家,带领相关专家从牧民生产实际出发凝练技术措施,提出春季休牧、免耕补播、圈窝种草和健康养殖等项目活动。  “以免耕补播为例,我们选用青藏高原乡土草种,春季土壤解冻后,在退化草地上通过免耕播种机一次完成开沟、施肥、播种、覆土、镇压等联合作业方式进行改良,尽可能减轻对草地原生植被的破坏,从而提高牧草产量和土壤固碳能力。”张英俊介绍。项目由牧户担当执行主体,同时从草地生产力、生物多样性、固碳减排、环境评估和牧民增收等多方面对实施效果进行综合评估,根据结果再对应用技术进行优化,始终围绕需求侧实际,不断提升技术供给的精准性、有效性。  技术负责人、中国农业大学草业学院教授黄顶从基线调研、技术方案设计到实施组织,至今已在平均海拔超过3500米的青藏高原上工作了5年。“我们将室内控制试验、野外小区试验研究结果熟化成轻简化实用技术,将在草原上取得的科研成果留在了牧民家里,既让牧民感受了科技带来的实惠,也增强了牧民保护生态的自觉性。”  默勒镇瓦日尕村党支部书记郭永光介绍,自2020年开始,瓦日尕村共有35户牧民主动参与该项工作,通过3年技术应用,平均每户每年减少外购饲草料6吨,草地生产力提高为草食家畜安全越冬提供了保障。牧民也惊奇地发现,草地植被高度的增加降低了草原鼠害发生的风险,高原鼠兔洞口平均密度由每公顷2000多个下降至50多个。连续3年碳汇监测结果表明,项目实施区草—畜系统每年固碳减排近10万吨,为草地实现“双碳”目标创新了途径。