科研進(jìn)展
  • 華南植物園揭示紅樹林恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳來源
    濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)，尤其是紅樹林，在緩解全球氣候變化過程中起重要作用。植物和微生物殘?bào)w是土壤有機(jī)碳的兩大主要來源，但它們?cè)诩t樹林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程中的分布規(guī)律尚不明晰。他們首先以木質(zhì)素酚和氨基糖分別指示植物和微生物來源的有機(jī)碳組分，對(duì)比分析了兩者在紅樹林恢復(fù)過程中對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)及其影響因子。結(jié)果顯示，紅樹林的恢復(fù)顯著提高了土壤中木質(zhì)素酚和氨基糖的含量，真菌殘?bào)w的累積量要顯著高于細(xì)菌。該研究通過將土壤有機(jī)碳來源分為植物和微生物來源，發(fā)現(xiàn)紅樹林土壤中的有機(jī)碳穩(wěn)定性不高，當(dāng)土壤從厭氧到好氧的條件轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致固存在紅樹林土壤中的有機(jī)碳流失。紅樹林土壤有機(jī)碳形成機(jī)理概念圖。濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)，尤其是紅樹林，在緩解全球氣候變化過程中起重要作用。植物和微生物殘?bào)w是土壤有機(jī)碳的兩大主要來源，但它們?cè)诩t樹林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程中的分布規(guī)律尚不明晰。中國科學(xué)院華南植物園生態(tài)中心博士后覃國銘等科研人員，通過在珠海淇澳島紅樹林保護(hù)區(qū)的野外試驗(yàn)回答了這一科學(xué)問題。他們首先以木質(zhì)素酚和氨基糖分別指示植物和微生物來源的有機(jī)碳組分，對(duì)比分析了兩者在紅樹林恢復(fù)過程中對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)及其影響因子。結(jié)果顯示，紅樹林的恢復(fù)顯著提高了土壤中木質(zhì)素酚和氨基糖的含量，真菌殘?bào)w的累積量要顯著高于細(xì)菌。木質(zhì)素酚的形成主要受樹木生物量、土壤總氮、pH和鹽度的影響，而土壤微生物生物量、土壤碳氮比和pH值是影響氨基糖形成的主要因子?？傮w而言，隨著紅樹林的恢復(fù)，植物來源組分在有機(jī)碳中的占比呈增加趨勢(shì)，而微生物來源組分則呈相反趨勢(shì)。該研究通過將土壤有機(jī)碳來源分為植物和微生物來源，發(fā)現(xiàn)紅樹林土壤中的有機(jī)碳穩(wěn)定性不高，當(dāng)土壤從厭氧到好氧的條件轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致固存在紅樹林土壤中的有機(jī)碳流失。因此，準(zhǔn)確識(shí)別藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳源有助于闡明土壤碳固定機(jī)制及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。相關(guān)研究成果已近期在線發(fā)表在國際生態(tài)學(xué)專業(yè)期刊Functional Ecology（《功能生態(tài)學(xué)》）上。中國科學(xué)院華南植物園海岸帶生態(tài)系統(tǒng)過程與環(huán)境健康研究組博士后覃國銘為論文的第一作者，研究組長(zhǎng)、小良站站長(zhǎng)王法明研究員為論文通訊作者。該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、“一帶一路”科學(xué)組織國際合作項(xiàng)目、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)和青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的共同資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1111/1365-2435.14497圖1. 紅樹林土壤有機(jī)碳含量與木質(zhì)素酚以及氨基糖關(guān)系圖2. 紅樹林土壤有機(jī)碳形成機(jī)理概念圖
    2024-01-12
  • 研究團(tuán)隊(duì)揭示海洋性大陸森林砍伐對(duì)El NiÑo位相轉(zhuǎn)變的影響
    近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LTO）/全球海洋和氣候研究中心（GOCRC）王鑫團(tuán)隊(duì)和王春在團(tuán)隊(duì)在厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni？o-Southern Oscillation, ENSO）演變機(jī)制方面取得新進(jìn)展。研究人員結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬試驗(yàn)，揭示了海洋性大陸森林砍伐對(duì)ENSO冷暖位相轉(zhuǎn)變過程長(zhǎng)期變化的促進(jìn)作用。相關(guān)成果發(fā)表在npj Climate and Atmospheric Science上，博士韋圣標(biāo)為第一作者，研究員王鑫和研究員王春在為共同通訊作者，合作者還有中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所研究員謝強(qiáng)。ENSO是年際尺度上最強(qiáng)的海氣相互作用現(xiàn)象，劇烈影響全球的天氣和氣候系統(tǒng)；深入理解其演變機(jī)制十分重要。ENSO的暖位相（El Ni？o，厄爾尼諾）和冷位相（La Ni？a，拉尼娜）通常不規(guī)則地交替性發(fā)生，觀測(cè)數(shù)據(jù)表明在過去的四十年里，El Ni？o在次年冬季緊接著轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)a Ni？a的情形變得越來越頻繁，如何解釋這一長(zhǎng)期變化目前尚未有定論。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，El Ni？o轉(zhuǎn)變La Ni？a的長(zhǎng)期變化受到海洋性大陸地區(qū)森林砍伐的影響。海洋性大陸地區(qū)分布著世界上第三大熱帶雨林，但當(dāng)?shù)厝藶榈纳挚撤ピ斐善錈釒в炅衷谶^去四十年間出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀。熱帶雨林的減少使得局地氣溫升高，引發(fā)區(qū)域大氣環(huán)流從海洋向陸地輻合，造成海洋性大陸的對(duì)流加強(qiáng)和降水增多。對(duì)流和降水的變化通過引起赤道西太平洋表面東風(fēng)增強(qiáng)，致使赤道東太平洋溫躍層抬升，海洋次表層冷水的上翻變得更高效，從而有利于海表面溫度在El Ni？o次年變得更冷，促進(jìn)El Ni？o轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)a Ni？a。因此，在過去幾十年海洋性大陸森林砍伐的背景下，El Ni？o在次年轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)a Ni？a的情形變得更頻繁。如果海洋性大陸的森林砍伐在未來仍然持續(xù)，El Ni？o在次年的演變情況可能變得更容易預(yù)測(cè)。該研究揭示了ENSO受海洋性大陸森林砍伐影響的新機(jī)制。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為森林砍伐釋放森林中的碳儲(chǔ)量并減少光合作用，使得大氣中二氧化碳含量增多，加劇全球變暖，從而間接影響ENSO的性質(zhì)變化。不同于傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，該研究指出海洋性大陸森林砍伐可以直接改變熱帶大尺度大氣環(huán)流，使El Ni？o更容易轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)a Ni？a。研究結(jié)果為我們理解熱帶海氣相互作用過程如何受人類活動(dòng)影響提供了理論依據(jù)。本研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國科學(xué)院南海海洋所自主項(xiàng)目等共同資助。相關(guān)論文信息：Wei, S., Wang, X., Wang, C. and Xie, Q. El Ni？o phase transition by deforestation in the Maritime Continent. npj Clim. Atmos. Sci. 7, 3 (2024).文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41612-023-00548-3圖1 海洋性大陸森林砍伐對(duì)El Ni？o位相轉(zhuǎn)變的促進(jìn)作用示意圖。（a）海洋性大陸高森林覆蓋的情形下，El Ni？o傾向于維持在中性狀態(tài)。（b）海洋性大陸森林砍伐的情形下，由于森林減少引起的局地輻合（紅色箭頭）和對(duì)流加強(qiáng)，以及西太平洋表面東風(fēng)加強(qiáng)（黑色箭頭）的作用，El Ni？;o傾向于轉(zhuǎn)變成La Ni？;a。
    2024-01-08
  • Nature Machine Intelligence ｜ 深圳先進(jìn)院提出自由社交行為的人工智能精細(xì)化分析方法
    研究發(fā)布了神經(jīng)環(huán)路研究領(lǐng)域一項(xiàng)突破性應(yīng)用技術(shù)：針對(duì)社交行為研究的小樣本學(xué)習(xí)計(jì)算框架模型Social Behavior Atlas社交行為是高等哺乳動(dòng)物重要的本能行為，社交障礙是自閉癥、抑郁癥以及社交焦慮癥等疾病的高度共有病征，社交行為的讀取與解析是研究社交障礙神經(jīng)環(huán)路機(jī)制關(guān)鍵技術(shù)之一。1月8日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院蔚鵬飛研究員團(tuán)隊(duì)在人工智能領(lǐng)域國際頂級(jí)期刊《自然 機(jī)器智能》(Nature Machine Intelligence) 期刊發(fā)表了題為 Multi-animal 3D social pose estimation, identification, and behavior embedding with a few-shot learning framework的論文，發(fā)布了神經(jīng)環(huán)路研究領(lǐng)域一項(xiàng)突破性應(yīng)用技術(shù)：針對(duì)社交行為研究的小樣本學(xué)習(xí)計(jì)算框架模型Social Behavior Atlas （以下簡(jiǎn)稱“SBeA”）。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自由社交動(dòng)物模型的無標(biāo)簽、高精度三維姿態(tài)估計(jì)、零樣本身份識(shí)別和精細(xì)化社交行為分類，真正解決了精確檢測(cè)動(dòng)物社交行為的多個(gè)重要難點(diǎn)，有望為社交行為神經(jīng)環(huán)路機(jī)制的研究帶來研究范式上的變革創(chuàng)新。該工作為科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目“社交障礙的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制與干預(yù)研究”的實(shí)施，提供了重要的精細(xì)行為數(shù)據(jù)分析支撐。近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在傳統(tǒng)行為學(xué)研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了計(jì)算神經(jīng)行為學(xué)（computational neuroethology）這一新興學(xué)科的蓬勃發(fā)展，DeepLabCut、SLEAP、MoSeq等AI動(dòng)物行為追蹤技術(shù)正在成為神經(jīng)科學(xué)家的重要研究工具。但是在多目標(biāo)、自由社交行為的研究領(lǐng)域，盡管上述技術(shù)都相繼推出了自己社交行為分析版本，但是在海量數(shù)據(jù)標(biāo)注問題、連續(xù)追蹤的身份準(zhǔn)確性等問題上的技術(shù)不成熟，使得目前研究人員仍沒有真正可用的有效工具，社交行為的研究大部分仍停留在傳統(tǒng)三廂行為實(shí)驗(yàn)階段。上述現(xiàn)有歐美技術(shù)的性能首先受制于人工標(biāo)注數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量。在社交行為實(shí)驗(yàn)中，無法避免地需要在多種行為實(shí)驗(yàn)范式中使用不同的模式動(dòng)物，深度學(xué)習(xí)模型精準(zhǔn)與否取決于實(shí)驗(yàn)人員標(biāo)注的視頻的數(shù)量，每一個(gè)數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)備都需要花費(fèi)實(shí)驗(yàn)人員數(shù)周的時(shí)間，極大地降低了實(shí)驗(yàn)效率，限制了上述工具的應(yīng)用場(chǎng)景。SBeA在自由社交動(dòng)物的姿態(tài)估計(jì)、身份識(shí)別和行為分類的三個(gè)階段，分別針對(duì)性地提出了小樣本的數(shù)據(jù)生成算法、零樣本雙向遷移學(xué)習(xí)方法和自然結(jié)構(gòu)啟發(fā)的無監(jiān)督社交行為分解聚類策略，有效降低了每個(gè)階段的數(shù)據(jù)標(biāo)注量。SBeA的姿態(tài)估計(jì)小樣本數(shù)據(jù)生成算法和身份識(shí)別零樣本雙向遷移學(xué)習(xí)方法的設(shè)計(jì)均受到大腦的工作機(jī)制的啟發(fā)（圖1）。人類在識(shí)別交互的動(dòng)物時(shí)，能 “腦補(bǔ)”動(dòng)物可能存在的遮擋關(guān)系，這一過程為大腦提供大量的新數(shù)據(jù)。據(jù)此所提出的連續(xù)遮擋復(fù)制粘貼數(shù)據(jù)算法可以有效合成大量新數(shù)據(jù)（圖1a），能夠訓(xùn)練精度更高的模型，獲得更加準(zhǔn)確的3D社交姿態(tài)估計(jì)結(jié)果。在非社交場(chǎng)景中，人類能夠通過外表區(qū)分每一只動(dòng)物的身份，也能“腦補(bǔ)”到多動(dòng)物社交場(chǎng)景，識(shí)別每一只動(dòng)物的身份。受到啟發(fā)，SBeA的多動(dòng)物社交身份識(shí)別通過共享不同網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)雙向遷移學(xué)習(xí)（圖1b），借助模型之間的“腦補(bǔ)”，消除了標(biāo)注數(shù)據(jù)的過程，并實(shí)現(xiàn)了高精度的外表相似動(dòng)物的身份識(shí)別。多動(dòng)物社交行為分析最大的難點(diǎn)在于同時(shí)區(qū)分外觀非常相似的動(dòng)物。兩只小鼠在自由社交時(shí)，區(qū)分它們的身份是研究特定疾病造模個(gè)體的基礎(chǔ)，然而即使是專業(yè)的實(shí)驗(yàn)人員也很難區(qū)分每一只的身份。零樣本雙向遷移學(xué)習(xí)借助人工智能超越人類精度的圖像特征分辨能力，實(shí)現(xiàn)了大于90%的自由社交動(dòng)物身份識(shí)別準(zhǔn)確率（圖2），推動(dòng)社交行為研究進(jìn)入不需要約束動(dòng)物的自然行為時(shí)代，革新社交實(shí)驗(yàn)范式。動(dòng)物行為具有類比人類語言的“字母-單詞-語句”結(jié)構(gòu)，社交行為則包含動(dòng)物與動(dòng)物之間行為語言結(jié)構(gòu)的交互。根據(jù)社交行為的自然結(jié)構(gòu)，將社交行為類比語言進(jìn)行并行、動(dòng)態(tài)的分解，綜合考量多種社交行為特征進(jìn)行社交行為的自適應(yīng)無監(jiān)督聚類，獲得百余種精細(xì)社交行為模塊（圖3）。SBeA不需要提前定義社交行為類別，有利于發(fā)現(xiàn)新的、未定義的社交行為差異。SBeA能夠鑒定三箱社交、分區(qū)域社交等經(jīng)典社交實(shí)驗(yàn)范式難以獲得的自由社交行為表型。使用SBeA，鑒定得到孤獨(dú)癥小鼠模型和正常小鼠兩兩之間社交的精細(xì)行為差異（圖4），孤獨(dú)癥小鼠模型缺少的相互理毛、同伴嗅探和增加的原地不動(dòng)、刻板的同步行為顯示出自然狀態(tài)下孤獨(dú)癥小鼠模型親社會(huì)樣行為的缺失、社交新穎性和運(yùn)動(dòng)能力的降低。僅通過社交行為的差異即可分類孤獨(dú)癥小鼠社交組和正常小鼠社交組，證明了SBeA具有通過社交行為來識(shí)別異常小鼠的能力。除了小鼠外，SBeA也適用于計(jì)算鳥類和家犬的精準(zhǔn)的3D社交姿態(tài)、身份和精細(xì)社交模塊，具有跨物種應(yīng)用的潛力（圖5）。家犬部分的工作與中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所張亞平院士和王國棟研究員團(tuán)隊(duì)、公安部昆明警犬基地李靜團(tuán)隊(duì)合作，在科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目支持下共同完成。深圳先進(jìn)院腦所蔚鵬飛研究員為論文的通訊作者。論文第一作者是深圳先進(jìn)院腦所在讀博士生韓亞寧，共同第一作者包括碩士生陳可（現(xiàn)就職芯動(dòng)科技）和助理研究員王云珂（現(xiàn)就職微創(chuàng)醫(yī)療）。研究的開展要大力感謝深圳先進(jìn)院腦所王立平研究員的關(guān)懷與指導(dǎo)，同時(shí)感謝已畢業(yè)博士黃康（現(xiàn)就職深圳一灣生命科技）的積極支持。感謝科技部科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院腦聯(lián)結(jié)解析與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和廣東省腦連接圖譜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助與支持。圖1 小樣本連續(xù)遮擋復(fù)制粘貼數(shù)據(jù)生成算法(a)和零樣本雙向遷移學(xué)習(xí)方法 (b)示意圖圖2 外觀相似動(dòng)物的身份識(shí)別準(zhǔn)確率>90%圖3 自然行為結(jié)構(gòu)啟發(fā)的社交行為動(dòng)態(tài)分解和聚類流程圖圖4 SBeA鑒定孤獨(dú)癥小鼠多種異常的精細(xì)社交行為模塊圖5 SBeA量化鳥類和家犬的精細(xì)社交行為文章鏈接
    2024-01-09
  • 基于肽適體的游離氨基酸生物傳感器研制取得新進(jìn)展
    L-色氨酸是自然界中分布最廣泛的吲哚衍生物，也是人體必需氨基酸之一，可作為5-羥色胺、褪黑素和血清素等多種物質(zhì)的合成前體。L-色氨酸還是動(dòng)物營養(yǎng)中的限制性氨基酸。因此，快速準(zhǔn)確定量L-色氨酸十分必要。然而，L-色氨酸在酸性環(huán)境中極易被分解，給飼料中L-色氨酸的定量測(cè)定造成極大的不便。開發(fā)一種可用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)飼料或動(dòng)物體液中L-色氨酸的生物傳感器，將為動(dòng)物營養(yǎng)領(lǐng)域L-色氨酸的測(cè)定提供便捷手段，也可應(yīng)用于食品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。L-色氨酸是自然界中分布最廣泛的吲哚衍生物，也是人體必需氨基酸之一，可作為5-羥色胺、褪黑素和血清素等多種物質(zhì)的合成前體。L-色氨酸還是動(dòng)物營養(yǎng)中的限制性氨基酸。因此，快速準(zhǔn)確定量L-色氨酸十分必要。然而，L-色氨酸在酸性環(huán)境中極易被分解，給飼料中L-色氨酸的定量測(cè)定造成極大的不便。開發(fā)一種可用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)飼料或動(dòng)物體液中L-色氨酸的生物傳感器，將為動(dòng)物營養(yǎng)領(lǐng)域L-色氨酸的測(cè)定提供便捷手段，也可應(yīng)用于食品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所印遇龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)利用前期篩選的L-色氨酸肽適體，采用硼氫化鈉還原法合成了表面修飾肽適體的膠體金溶液；使用TEM、FT-IR、XPS和Zeta電位以及粒度分析儀進(jìn)行表征，從光譜學(xué)角度驗(yàn)證了納米材料的合成及其對(duì)L-色氨酸的靈敏性。研究結(jié)果顯示，當(dāng)膠體金溶液中按比例加入L-色氨酸時(shí)，經(jīng)過10 s的震蕩混勻，溶液顏色由酒紅色變?yōu)樯钏{(lán)色，同時(shí)溶液最大吸收波長(zhǎng)由535 nm遷移到600-620 nm。對(duì)過程條件進(jìn)行優(yōu)化后，所研制生物傳感器在1-50 M和50-1000 M之間對(duì)梯度濃度的L-色氨酸表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系；研制的生物傳感器可排除血清中抗壞血酸、尿酸的干擾，且不受其他16種常見氨基酸的明顯干擾；在7天的穩(wěn)定性測(cè)試中，每天的溶液顏色并未發(fā)生明顯變化，在535 nm處的吸光度RSD值為4.82%；研制的生物傳感器在豬血清測(cè)試中回收率為99.2%-100.2%。綜上，該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一種基于肽適體和金納米顆粒的快速、簡(jiǎn)便、靈敏、高選擇性的比色型L-色氨酸生物傳感器，具備結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單、高靈敏度、良好選擇性等特點(diǎn)，可用于豬血清等樣品中L-色氨酸的快速檢測(cè)。上述研究結(jié)果以Peptide aptamer-based colorimetric sensor for the detection of L-tryptophan in porcine serum為題發(fā)表在Top期刊Microchemical Journal上。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD2000800）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31527803）、中國博士后科學(xué)基金（2022T150075，2022M720541）、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-35）等項(xiàng)目的支持。論文鏈接圖1 添加L-色氨酸(1 mM)前(A)后(B) PEP-Au的透射電鏡圖像，裸Au NPs、PEP-Au和添加L-色氨酸的PEP-Au的Zeta電位曲線(C)，以及PEP-Au的FTIR光譜(D)。圖2 基于適配體的比色生物傳感器檢測(cè)L-色氨酸的機(jī)理圖。圖3 （A）加入不同濃度的L-色氨酸（上圖）和隨后加入1.0 M KCl（下圖）后PEP-Au的溶液圖像。(B) L-色氨酸濃度與618納米波長(zhǎng)吸光度之間的相關(guān)性。(C) 加入不同濃度的L-Trp溶液后，再加入1.0 M KCl，PEP-Au的紫外可見光吸收光譜
    2024-01-09
  • Nano Letters|深圳先進(jìn)院報(bào)道超構(gòu)表面慢光新原理
    研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于晶格共振與晶格共振發(fā)生耦合誘導(dǎo)產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象，極大地抑制了其損耗，從而在100納米高度的硅納米柱陣列上實(shí)現(xiàn)了慢光效應(yīng)。1月6日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所李光元課題組在納米科技領(lǐng)域國際頂級(jí)期刊Nano Letters上發(fā)表了題為Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective-Collective Coupling的文章，并被選為封面文章。針對(duì)超構(gòu)表面采用類電磁輻射透明（EIT）現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)慢光效應(yīng)所面臨的高損耗問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于晶格共振與晶格共振發(fā)生耦合誘導(dǎo)產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象，極大地抑制了其損耗，從而在100納米高度的硅納米柱陣列上實(shí)現(xiàn)了慢光效應(yīng)（光速減慢了1萬多倍）。于此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上測(cè)得高達(dá)2750的超高品質(zhì)因子，數(shù)倍于現(xiàn)有紀(jì)錄（483）。該研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了一種具有連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）特性的集體型類EIT現(xiàn)象，其品質(zhì)因子和慢光指數(shù)在理論上均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無窮大。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)超高性能的慢光光子芯片器件提供了新的思路。光速是宇宙中最快的速度，也是所有物質(zhì)和信息傳播的速度上限，被認(rèn)為是無法超越的。真空中的光速c約為30萬公里/秒，是一個(gè)物理常數(shù)。在狹義相對(duì)論中，光速c將時(shí)間與空間聯(lián)系在一起，也將質(zhì)量與能量通過著名的質(zhì)能等價(jià)方程E=mc2聯(lián)系在一起。根據(jù)狹義相對(duì)論，當(dāng)我們的速度接近光速時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢，這與古人說的“天上一日，地上一年”相吻合。光速不能被超越，但能被減慢。例如，光通過玻璃或水之類的介質(zhì)時(shí)速度放緩。將光速減慢，有助于更好地操控光子，進(jìn)而提升對(duì)光信息的獲取、傳輸、處理與緩存能力以及光傳感、光通信、光路由、光調(diào)制和光存儲(chǔ)等相關(guān)應(yīng)用和器件的性能。以生化光子傳感應(yīng)用為例，當(dāng)光速減慢后，光的能量密度將明顯增大，從而有效提高傳感靈敏度。因此，如何將光速減慢一直是科學(xué)家重點(diǎn)突破的關(guān)鍵目標(biāo)之一。由于常規(guī)材料的折射率不高，光速減慢十分有限。為了極大地減慢光速，人們提出了包括電磁誘導(dǎo)透明（EIT）、玻色-愛因斯坦凝聚、光子晶體等多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)慢光效應(yīng)。其中，EIT技術(shù)是最早實(shí)現(xiàn)強(qiáng)慢光效應(yīng)的方法，其原理是利用原子系統(tǒng)躍遷通道之間的量子相干效應(yīng)來消除電磁波傳播過程中介質(zhì)的影響?；贓IT技術(shù)，1999年哈佛大學(xué)Hau等人在450nK的超冷原子中實(shí)現(xiàn)了17m/s的極慢光速（相當(dāng)于一名優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的自行車騎行速度）。然而，所有這些強(qiáng)慢光器件的一大核心限制因素是：由損耗帶來的緩存時(shí)間不足或光與物質(zhì)相互作用長(zhǎng)度不夠的問題。作為一種平面化的人工電磁材料，超構(gòu)表面被認(rèn)為是一個(gè)“自由操控光的平臺(tái)和未來光電器件的顛覆者”。近年來，基于超構(gòu)表面來模擬EIT現(xiàn)象，成為光子芯片在室溫下產(chǎn)生強(qiáng)慢光效應(yīng)的研究熱點(diǎn)。然而，受制于超構(gòu)表面所支持的局域共振的巨大損耗，其慢光性能并不理想。李光元課題組多年來致力于探索超構(gòu)表面的損耗抑制機(jī)理，已經(jīng)在基于表面晶格共振（SLR）的超高品質(zhì)因子超構(gòu)表面的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)性能上取得了一些重要的進(jìn)展和突破 （Opt. Express 2019, 27, 25384；J. Physics D: Appl. Phys. 2020, 53, 465109；Opt. Lett. 2021, 46, 1546；J. Physics D: Appl. Phys. 2022, 55, 025111；Opt. Express 2022, 30, 34601；Nanophotonics 2022, 11, 4843；Adv. Optical Mater. 2023, 11, 2301205；Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2300186；Adv. Optical Mater. 2023, 11, 2301130）。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)基于硅納米柱陣列結(jié)構(gòu)所支持的米氏電偶極SLR分別與面內(nèi)或面外電四偶極SLR之間的干涉耦合，提出了兩種具有集體共振特性的新型類EIT現(xiàn)象，在室溫下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)慢光效應(yīng)（光速被減慢1萬倍以上，即為30公里/秒以下）的同時(shí)，極大地抑制了損耗，從而在實(shí)驗(yàn)上測(cè)得破紀(jì)錄的品質(zhì)因子。該原理不同于傳統(tǒng)超構(gòu)表面類EIT現(xiàn)象：后者基于局域共振之間的干涉耦合，因此需要將兩個(gè)獨(dú)立的納米結(jié)構(gòu)靠得足夠近來實(shí)現(xiàn)，對(duì)納米加工能力提出了挑戰(zhàn)，而且由于局域共振所受的散射損耗較高，導(dǎo)致類EIT現(xiàn)象的品質(zhì)因子和慢光指數(shù)均十分有限。特別地，由面內(nèi)電四偶極SLR與電偶極SLR干涉耦合產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象繼承了前者的BIC特性，導(dǎo)致其品質(zhì)因子與慢光指數(shù)在理論上均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無窮大。此外，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，研究還觀測(cè)到了由這兩種類EIT現(xiàn)象形成的雙頻EIT帶。本研究工作利用晶格共振之間的干涉耦合，在超構(gòu)表面上實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)因子（即超低損耗）的強(qiáng)慢光效應(yīng)，有望在光通信、光計(jì)算和光存儲(chǔ)等領(lǐng)域光調(diào)制器和光緩存器，以及光傳感領(lǐng)域的超高靈敏度傳感器方面獲得廣泛的應(yīng)用，也為慢光超構(gòu)表面硅基光子芯片的設(shè)計(jì)和研究提供了新的思路。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為該研究的第一單位，深圳先進(jìn)院集成所副研究員李光元為本文的通訊作者，團(tuán)隊(duì)成員碩士研究生趙學(xué)騫為第一作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和深圳市科技計(jì)劃的資助。封面文章傳統(tǒng)超構(gòu)表面的類EIT現(xiàn)象由局域共振-局域共振耦合或局域共振-晶格共振耦合誘導(dǎo)產(chǎn)生，本研究提出晶格共振-晶格共振耦合產(chǎn)生的新型類EIT現(xiàn)象。由面內(nèi)電四偶極晶格共振與電偶極晶格共振耦合產(chǎn)生的超構(gòu)表面類EIT現(xiàn)象繼承了前者的BIC特性，其品質(zhì)因子和慢光指數(shù)均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無窮大。文章鏈接
    2024-01-08
  • 華南植物園揭示森林火災(zāi)與不同災(zāi)后管理方式下土壤微生物群落中細(xì)菌與真菌反應(yīng)差異
    野火對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)具有重大且持久的影響，而火災(zāi)后的不同管理方式可以改變森林恢復(fù)方向。土壤微生物對(duì)環(huán)境變化非常敏感，可用于評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。然而，目前對(duì)火后不同管理方式下細(xì)菌和真菌群落特征以及二者之間的差異知之甚少。研究火燒跡地的微生物恢復(fù)特征對(duì)進(jìn)一步理解火災(zāi)生態(tài)學(xué)以及不同環(huán)境條件下微生物群落的響應(yīng)方式具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，火后土壤微生物群落的組成發(fā)生了變化，變形菌門和擔(dān)子菌門的相對(duì)豐度降低，細(xì)菌和真菌群落的多樣性增加。雖然人工恢復(fù)對(duì)微生物群落組成的影響較小，但與細(xì)菌群落相比，真菌群落在多樣性和結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出與未火燒樣地的更大差異。土壤細(xì)菌( a )和真菌( b )群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與土壤性質(zhì)的關(guān)系。       野火對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)具有重大且持久的影響，而火災(zāi)后的不同管理方式可以改變森林恢復(fù)方向。土壤微生物對(duì)環(huán)境變化非常敏感，可用于評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。然而，目前對(duì)火后不同管理方式下細(xì)菌和真菌群落特征以及二者之間的差異知之甚少。研究火燒跡地的微生物恢復(fù)特征對(duì)進(jìn)一步理解火災(zāi)生態(tài)學(xué)以及不同環(huán)境條件下微生物群落的響應(yīng)方式具有重要意義。2019年12月，地質(zhì)鉆探引發(fā)廣東省高明區(qū)凌云山森林火災(zāi)，過火面積達(dá)924.63公頃?；馃笥?021年上旬進(jìn)行人工補(bǔ)種鄉(xiāng)土闊葉樹種，種植面積約720.53公頃，對(duì)研究不同恢復(fù)方式下的森林土壤微生物恢復(fù)有著重要意義。本研究以該火燒跡地為研究對(duì)象，共設(shè)置未火燒、火后自然恢復(fù)和火后種植馬占相思和火力楠的人工恢復(fù)樣地4塊，分析了火后恢復(fù)初期（<3年）森林土壤微生物群落特征。研究發(fā)現(xiàn)，火后土壤微生物群落的組成發(fā)生了變化，變形菌門和擔(dān)子菌門的相對(duì)豐度降低，細(xì)菌和真菌群落的多樣性增加。雖然人工恢復(fù)對(duì)微生物群落組成的影響較小，但與細(xì)菌群落相比，真菌群落在多樣性和結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出與未火燒樣地的更大差異。真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與土壤因子之間的負(fù)相關(guān)性也強(qiáng)調(diào)了火災(zāi)后恢復(fù)初期真菌受到更強(qiáng)的資源限制。相關(guān)研究成果已近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Environmental Management（《環(huán)境管理雜志》）（IF=8.7）上。中國科學(xué)院華南植物園鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站博士生楊萌萌為論文的第一作者，李躍林研究員為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119885圖1. 火后不同恢復(fù)方式下土壤細(xì)菌（a）和真菌（b）群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析圖2. 土壤性質(zhì)與細(xì)菌(a)和真菌(b)群落多樣性指數(shù)的關(guān)系圖3. 土壤細(xì)菌(a)和真菌(b)群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與土壤性質(zhì)的關(guān)系
    2024-01-08
  • Nature Nanotechnology | 深圳先進(jìn)院徐海峰團(tuán)隊(duì)開發(fā)超靈敏軟體微米機(jī)器人，助力精準(zhǔn)醫(yī)療
    通過開發(fā)超彈磁性光刻膠，構(gòu)建了包含彈性編程在內(nèi)的彈性體4D納米光刻技術(shù)，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)——皮牛彈簧。自然界中，細(xì)菌、精子和一些微生物使用它們納米級(jí)的彈性菌絲進(jìn)行傳感、驅(qū)動(dòng)和捕食。它們的力感知靈敏度可以達(dá)到納牛乃至皮牛級(jí)別。這些微生物和細(xì)胞的生物力學(xué)特性令人著迷，長(zhǎng)久以來人們夢(mèng)想著制造出如此精巧的仿生彈性器件，以便能夠?qū)ξ⑸镞M(jìn)行精確的細(xì)胞力學(xué)表征和更進(jìn)一步地隨心所欲操縱。1月4日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的徐海峰團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)超彈磁性光刻膠，構(gòu)建了包含彈性編程在內(nèi)的彈性體4D納米光刻技術(shù)，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)——皮牛彈簧（picospring）。該系統(tǒng)具有納米級(jí)的特征尺寸和500飛牛級(jí)別（500 fN）的超低力靈敏度，相當(dāng)于單個(gè)細(xì)胞重力的一千分之一，并且應(yīng)變精度超過1 m/pN。皮牛彈簧支持高度自由的3D光刻加工，可以被定制化加工成任意形狀，同時(shí)完美兼容磁性光刻材料，因此可用于制備各類軟體微米機(jī)器人和柔性微米器件，如用于測(cè)量精子驅(qū)動(dòng)力的微米測(cè)力計(jì)、用于細(xì)胞操縱的微米鑷子以及進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)的微米企鵝和微米海龜?shù)葯C(jī)器。 該文章發(fā)表在微納器件領(lǐng)域頂級(jí)雜志Nature Nanotechnology，徐海峰為論文的獨(dú)立一作及共同通訊作者。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為論文第一單位，合作單位為德國萊布尼茨固態(tài)與材料研究所與開姆尼茨工業(yè)大學(xué)。深圳先進(jìn)院王磊研究員亦為該文章作者之一。彈簧是人類認(rèn)識(shí)的最早的能量轉(zhuǎn)換器件。小至鐘表、扭秤，大至汽車懸掛、原子力顯微鏡，無一不是使用彈簧機(jī)構(gòu)作為其關(guān)鍵部件而來?？梢哉f彈簧豐富了人造機(jī)械的多樣性。在微觀世界中，細(xì)胞和微生物也使用彈性機(jī)構(gòu)來執(zhí)行力感知、捕食、驅(qū)動(dòng)等動(dòng)作。把彈簧的應(yīng)用推廣到微觀世界，而發(fā)明出具備彈簧機(jī)構(gòu)的微納器件是人類長(zhǎng)久以來的一大構(gòu)想。雖然彈簧的應(yīng)用歷史悠久，但能應(yīng)用于細(xì)胞力學(xué)的大應(yīng)變微米彈性器件卻面臨挑戰(zhàn)。其關(guān)鍵困難在于細(xì)胞相容性彈性材料的高精度3D加工。此前，徐海峰團(tuán)隊(duì)分別開發(fā)了彈簧觸發(fā)的抗癌精子機(jī)器人以及抗血栓的精子火車機(jī)器人。研究發(fā)表在ACS Nano和Angewandte Chemie等頂級(jí)期刊，被Science、MIT Technology Review、美國國家廣播電視等多家期刊和媒體報(bào)道（鏈接見文末）。但前期的微米機(jī)器人的力感知精度較差，且無法達(dá)成細(xì)胞的自由操縱。在此背景下，徐海峰團(tuán)隊(duì)開發(fā)出世界首個(gè)納米加工精度的彈性體光刻膠，構(gòu)建了包含彈性模量在內(nèi)的彈性體4D光刻策略，用以定制化加工軟體微米機(jī)器人，并展示了不同機(jī)器人的多種應(yīng)用。（1）微米測(cè)力計(jì)可對(duì)皮牛級(jí)細(xì)胞力產(chǎn)生微米級(jí)的響應(yīng)，可以用來測(cè)量包括精子在內(nèi)的物理、化學(xué)和生物復(fù)合等各類微米機(jī)器人的泳動(dòng)力。（2）微米夾持器可以被磁場(chǎng)獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)包括夾持在內(nèi)的8個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。通過編程磁場(chǎng)模式，可以實(shí)現(xiàn)微米機(jī)器人翻滾、旋轉(zhuǎn)、夾持、釋放等多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的解耦控制，針對(duì)特定目標(biāo)物，如活體細(xì)胞進(jìn)行夾持和轉(zhuǎn)運(yùn)。該過程不涉及任何如光、熱、離子或pH等細(xì)胞敏感的環(huán)境變化，真正實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的無影響操縱。（3）仿生軟體微米機(jī)器人具有集成的彈簧組。通過彈簧對(duì)磁場(chǎng)能量的儲(chǔ)存和編程釋放，實(shí)現(xiàn)了僅有磁場(chǎng)控制的20微米尺寸的微企鵝和微海龜?shù)能涹w驅(qū)動(dòng)。該研究開創(chuàng)了軟體機(jī)器人在細(xì)胞力學(xué)及細(xì)胞操縱等領(lǐng)域的應(yīng)用范疇，為構(gòu)建新型的細(xì)胞力學(xué)研究平臺(tái)和細(xì)胞操縱分選平臺(tái)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。它為細(xì)胞水平的非侵入性操縱開辟了途徑，為顯微外科手術(shù)和靶向藥物輸送領(lǐng)域提供了新方法。 未來，新型微創(chuàng)甚至無創(chuàng)軟體微米機(jī)器人儀器將為細(xì)胞力學(xué)研究、體內(nèi)受精以及小腔道內(nèi)血栓清除和神經(jīng)干預(yù)等醫(yī)療任務(wù)提供有效助力。4D納米彈性體光刻策略制備各類軟體微米機(jī)器人的示意圖皮牛級(jí)軟體微米機(jī)器人的加工與應(yīng)用。（a）彈性編程的4D納米光刻技術(shù)用于微米機(jī)器人的加工。（b）皮牛級(jí)微米測(cè)力計(jì)用于細(xì)胞力學(xué)研究。（c）皮牛級(jí)微米鑷子用于多種不同形狀細(xì)胞的無干擾操縱。（d）皮牛級(jí)磁驅(qū)微米企鵝和微米海龜。徐海峰開發(fā)的兩種精子機(jī)器人：抗癌四足精子機(jī)器人（左）和抗血栓精子火車機(jī)器人（右）。文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01567-0相關(guān)鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b06398https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07851https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202005657
    2024-01-05
  • 印-太海域珊瑚礁生物互作對(duì)生物地理格局演化影響取得新進(jìn)展
    近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所海洋生物多樣性演化與分子生態(tài)學(xué)學(xué)科組聚焦珊瑚礁關(guān)鍵生物類群的多樣性形成與演化問題，將物種分布模型與物種相互作用進(jìn)行耦合解析，創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)珊瑚礁物種的生物地理分布演化規(guī)律及其對(duì)未來氣候變化響應(yīng)的模式，相關(guān)研究成果“Considering biotic interactions exacerbates the predicted impacts of climate change on coral-dwelling species”發(fā)表于生物地理學(xué)著名旗艦期刊Journal of Biogeography上。中國科學(xué)院南海海洋研究所研究員張志新、博士生馬少博為論文共同第一作者，研究員林強(qiáng)為論文通訊作者。全球變化下的珊瑚礁生物多樣性形成與演化問題是當(dāng)前海洋科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿問題。在海洋領(lǐng)域內(nèi)，傳統(tǒng)的研究通常基于物種分布信息和環(huán)境信息進(jìn)行物種分布模型構(gòu)建，而忽略了物種之間相互作用帶來的影響，最終的模型預(yù)測(cè)結(jié)果往往難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)物種的地理分布格局特征，從而導(dǎo)致在對(duì)海洋關(guān)鍵生物類群進(jìn)行科學(xué)保護(hù)過程中造成信息偏移或錯(cuò)誤。眾所周知，海洋珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中蘊(yùn)藏著豐富而微妙的生物共生、共棲等過程，這些種間關(guān)系構(gòu)成了一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，從而有效維持了珊瑚礁生物多樣性的穩(wěn)定性。本研究以6種造礁石珊瑚及其9種共棲梯形蟹（亦稱珊瑚蟹）為代表性物種，圍繞物種間互作關(guān)系如何影響物種分布規(guī)律這一熱點(diǎn)問題，結(jié)合多次南海航次調(diào)查及文獻(xiàn)資料分析結(jié)果，率先明確了梯形蟹與石珊瑚之間的共棲選擇與物種互作關(guān)系（圖1）；基于12萬余條物種分布信息和6個(gè)環(huán)境變量參數(shù)構(gòu)建模型，創(chuàng)新性量化了石珊瑚對(duì)梯形蟹地理分布格局的影響特征；與傳統(tǒng)模型相比，在模型中納入珊瑚礁物種的種間關(guān)系后，梯形蟹物種多樣性預(yù)測(cè)結(jié)果在超過50%以上的分布區(qū)域發(fā)生了顯著變化（圖2），證實(shí)石珊瑚對(duì)梯形蟹地理分布格局具有重要影響。同步研究表明，在未來氣候變化下，6種宿主珊瑚適宜生境（棲息地）約將喪失1/6?？紤]宿主珊瑚的影響后，珊瑚共棲梯形蟹在未來全球變化中將喪失更多的適宜生境，據(jù)此，本研究特別強(qiáng)調(diào)了保護(hù)珊瑚礁棲息地是海洋生物多樣性保護(hù)的重要基礎(chǔ)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院南海海洋研究所自主項(xiàng)目等聯(lián)合資助。文章鏈接：https://doi.org/10.1111/jbi.14789圖1印-太海域礁棲梯形蟹分布規(guī)律及其與石珊瑚共棲特征圖2梯形蟹物種多樣性預(yù)測(cè)結(jié)果。（a）和（b）傳統(tǒng)物種分布模型預(yù)測(cè)的梯形蟹物種多樣性；（c）和（d）納入種間關(guān)系預(yù)測(cè)的梯形蟹物種多樣性特征；（e）和（f）兩種模型預(yù)測(cè)結(jié)果的差異。
    2024-01-05
  • 熱帶海草床的碳匯過程與機(jī)制獲得新認(rèn)知
    近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)黃小平團(tuán)隊(duì)在熱帶海草床的碳匯過程與機(jī)制研究獲得新認(rèn)知。相關(guān)成果“Nitrogen enrichment decreases seagrass contributions to refractory organic matter pools”發(fā)表在Limnology & Oceanography上（博士生羅紅雪為第一作者，研究員黃小平和副研究員劉松林為共同通訊作者），以及“Temporal and spatial variations of air-sea CO2 fluxes and their key influence factors in seagrass meadows of Hainan Island, South China Sea”和“Changes in surface sediment carbon compositions in response to tropical seagrass meadow restoration”發(fā)表在Science of the Total Environment上（副研究員劉松林為論文第一作者，研究員黃小平為通訊作者）。海草床是重要的藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)，盡管其分布面積小于海洋面積的0.2%，但其對(duì)海洋有機(jī)碳埋藏的貢獻(xiàn)卻超過10%，具有巨大的碳匯潛力，對(duì)調(diào)節(jié)全球氣候變化具有重要作用。海草床存儲(chǔ)的碳主要分為內(nèi)源碳和外源碳，且受到富營養(yǎng)化等人類活動(dòng)的影響，但目前對(duì)于海草床的碳匯過程與機(jī)制，仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)知。因此，研究人類活動(dòng)影響背景下，熱帶海草床的海-氣碳交換過程，富營養(yǎng)化對(duì)海草床碳存儲(chǔ)穩(wěn)定的影響機(jī)制，以及海草床碳增匯過程與機(jī)理，有助于深入認(rèn)知海草床的碳匯過程與機(jī)制，可為海草床碳的長(zhǎng)期儲(chǔ)存及增匯途徑提供科學(xué)依據(jù)。以熱帶海草床為研究對(duì)象，利用CO2分壓差法對(duì)其海-氣CO2通量進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)夏季為大氣CO2的源，其他季節(jié)熱帶海草床均呈現(xiàn)CO2凈吸收。除溫度、風(fēng)速的影響，人類活動(dòng)引起的富營養(yǎng)化導(dǎo)致海草生物量的降低，顯著降低了海草床對(duì)大氣CO2的吸收能力（圖1）。該研究闡釋了熱帶海草床是大氣CO2的重要的匯，海草生物量是控制其海-氣CO2通量的關(guān)鍵。以典型熱帶海草泰來草（Thalassia hemprichii）為研究對(duì)象，探索其植株有機(jī)碳組分對(duì)富營養(yǎng)化的響應(yīng)規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，富營養(yǎng)化通過影響海草植株的碳分配過程，降低海草植株中活性有機(jī)碳，以及纖維素與木質(zhì)素等惰性有機(jī)碳的含量。葉片氮含量（富營養(yǎng)化的指示）為2.2%時(shí)，海草植株惰性有機(jī)碳含量達(dá)到峰值，并隨著氮含量的上升迅速下降（圖2）。通過估算，富營養(yǎng)化可導(dǎo)致熱帶海草植株惰性有機(jī)質(zhì)的含量下降309-645 kg/ha。該研究首次揭示了富營養(yǎng)化會(huì)降低海草植株的惰性碳含量，從而減少其植株對(duì)海草床長(zhǎng)期碳存儲(chǔ)的貢獻(xiàn)。利用典型的熱帶海草泰來草和海菖蒲（Enhalus acoroides）探索海草床沉積物的碳增匯過程。研究發(fā)現(xiàn)，短期的海草移植修復(fù)（2年），通過減緩水流及提供藻類棲息環(huán)境，增加了懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)、附生藻類和大型藻類向沉積物的輸入，快速提高表層沉積物有機(jī)碳含量。由于海菖蒲比泰來草具有更高和更復(fù)雜的冠層結(jié)構(gòu)，海菖蒲移植區(qū)域所提升的碳儲(chǔ)量顯著高于泰來草移植區(qū)域（圖3）。該研究對(duì)海草床沉積物碳儲(chǔ)量的提升機(jī)制形成了新的認(rèn)知，并為未來開展大規(guī)模熱帶海草床的碳增匯提供了重要的科技支撐。該研究主要得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1901221）和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2023359）等的資助。圖1 熱帶海草床對(duì)大氣CO2的吸收能力的概念圖圖2 富營養(yǎng)化對(duì)海草植株有機(jī)碳組分影響的概念圖圖3 熱帶海草移植對(duì)于碳匯能力提升的影響過程概念圖相關(guān)論文信息：Hongxue Luo, Songlin Liu*, Stacey M. Trevathan-Tackett, Yuzheng Ren, Jiening Liang, Jinlong Li, Zhijian Jiang, Yunchao Wu, Xiaoping Huang*. Nitrogen enrichment decreases seagrass contributions to refractory organic matter pools. Limnology and Oceanography, 2024. 9999, 1-13.https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lno.12490Songlin Liu, Jiening Liang, Zhijian Jiang, Jinlong Li, Yunchao Wu, Yang Fang, Yuzheng Ren, Xia Zhang, Xiaoping Huang*, Peter I. Macreadie. Temporal and spatial variations of air-sea CO2 fluxes and their key influence factors in seagrass meadows of Hainan Island, South China Sea. Science of the Total Environment, 2024, 910, 168684.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723073126?via%3DihubSonglin Liu+, Yuzheng Ren+, Zhijian Jiang, Hongxue Luo, Xia Zhang, Yunchao Wu, Jiening Liang, Xiaoping Huang*, Peter I. Macreadie. Changes in surface sediment carbon compositions in response to tropical seagrass meadow restoration. Science of the Total Environment, 2023, 903, 166565.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723051902?via%3Dihub
    2024-01-05
  • 華南植物園發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期增溫促進(jìn)了南亞熱帶森林碳匯功能
    未來氣候變暖下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化及其對(duì)氣候的反饋是目前人類十分關(guān)心的問題。熱帶和亞熱帶森林儲(chǔ)存了陸地三分之二的植被碳和三分之一的土壤碳，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中具有重要的作用，對(duì)氣候變暖的響應(yīng)顯著地影響未來氣候變化的方向和強(qiáng)度。然而，熱帶和亞熱帶森林碳動(dòng)態(tài)對(duì)未來氣候變暖的響應(yīng)方向和強(qiáng)度仍然未知，是地球系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)不確定性的主要來源。本研究結(jié)果提高了人們對(duì)熱帶和亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)對(duì)長(zhǎng)期增溫的響應(yīng)的理解，為地球系統(tǒng)模型的優(yōu)化提供了一定的見解，同時(shí)為氣候緩解政策的制定提供了科學(xué)依據(jù)。增溫對(duì)南亞熱地森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響。       未來氣候變暖下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化及其對(duì)氣候的反饋是目前人類十分關(guān)心的問題。熱帶和亞熱帶森林儲(chǔ)存了陸地三分之二的植被碳和三分之一的土壤碳，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中具有重要的作用，對(duì)氣候變暖的響應(yīng)顯著地影響未來氣候變化的方向和強(qiáng)度。然而，熱帶和亞熱帶森林碳動(dòng)態(tài)對(duì)未來氣候變暖的響應(yīng)方向和強(qiáng)度仍然未知，是地球系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)不確定性的主要來源。基于此，鼎湖山站劉菊秀研究員團(tuán)隊(duì)，利用鼎湖山站的長(zhǎng)期野外自然增溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)對(duì)長(zhǎng)期增溫的響應(yīng)模式及驅(qū)動(dòng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在增溫2.1 下，南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量在短期增溫下（1-2年）降低3.8%，但在長(zhǎng)期增溫下增加13.4%（圖1）。生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量隨增溫持續(xù)時(shí)間的相反變化主要是由于植物和土壤碳動(dòng)態(tài)對(duì)長(zhǎng)期增溫的異步響應(yīng)與適應(yīng)引起的。短期增溫同時(shí)促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)和土壤呼吸，但由于更高的土壤呼吸碳排放，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量降低。長(zhǎng)期增溫下，由于養(yǎng)分供給的緩解和植物的生理適應(yīng)，植物仍能維持高的碳封存能力；同時(shí)由于土壤微生物的熱適應(yīng)和土壤水分含量降低時(shí)土壤碳損失減弱以及植物碳輸入的增加使土壤有機(jī)碳庫保持穩(wěn)定，因而生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量增加。研究結(jié)果表明，亞熱帶森林，特別是那些相對(duì)年輕的森林，能夠在未來適度氣候變暖的情況下仍能具有高的碳匯功能。由于植物和土壤碳過程對(duì)增溫的響應(yīng)與適應(yīng)存在異步性，以往僅對(duì)土壤或植物增溫的研究結(jié)果可能會(huì)造成對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能預(yù)測(cè)的偏差估計(jì)。本研究結(jié)果提高了人們對(duì)熱帶和亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)對(duì)長(zhǎng)期增溫的響應(yīng)的理解，為地球系統(tǒng)模型的優(yōu)化提供了一定的見解，同時(shí)為氣候緩解政策的制定提供了科學(xué)依據(jù)。相關(guān)研究結(jié)果以“Long-term warming increased carbon sequestration capacity in a humid subtropical forest”為題于近期發(fā)表在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域國際權(quán)威期刊Global Change Biology（《全球變化生物學(xué)》）（IF2022=11.6，生態(tài)學(xué)排名：4/171）上。中國科學(xué)院華南植物園在站博士后劉旭軍和列志旸副研究員為論文共同第一作者，劉菊秀研究員為論文的通訊作者。該研究得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然學(xué)基金和廣州市科技計(jì)劃等項(xiàng)目資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1111/gcb.17072。該研究是該增溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)表在Global Change Biology期刊上的第5篇成果，之前的4篇文章分別從植物生理（https://doi.org/10.1111/gcb.15355）、養(yǎng)分氮（https://doi.org/10.1111/gcb.15432）、磷循環(huán)（ https://doi.org/10.1111/gcb.16194）和土壤微生物響應(yīng)（https://doi.org/10.1111/gcb.16541）等方面研究了南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)期增溫的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制。圖1. 增溫對(duì)南亞熱地森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響。
    2024-01-02