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草原深情(1)

已有 4718 次阅读 2015-4-6 15:24 |个人分类:科考科研笔记|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 中科院, 草原, 内蒙古, 光合生态

 

题记:自1979年,中科院在锡林郭勒大草原的锡林河畔建站之日起,我们就像候鸟一样,岁岁前往,使用自己组建的光合生态实验室和测定车,辛勤耕耘二十余载,坚持不懈,步步深入,日积月累,终于取得了丰硕成果,开创了我国草原光合生理生态研究领域。年复一年,风风雨雨,与草原结下了不解之缘,对草原产生了难以割舍的深情厚意。

 

锡林郭勒大草原地处我国典型草原地带,锡林河犹如一条淡蓝色的彩带,在一望无际的碧绿草原上,蜿蜒曲折地飘洒。1979年,中国科学院在这条美丽如画的河畔,开始建立草原定位站,研究草原生态系统结构、功能及提高生产力的途径。以往,生产力的研究仅仅停留在测定生物量的水平,随着草原生态科学的发展,已不能满足学科与生产的需要;必须从生态系统出发,研究草原植物光合和呼吸作用与环境条件的定量关系,以深入揭示草原物质的生产过程,亦即开展光合生理生态研究。这项工作势在必行,这个空白必须填补。但是,在草原地区开展这项研究工作,谈何容易。没有仪器设备,没有测定手段,没有实验场所,眼前困难重重,一切都得从头开始。然而,形势所迫,时不我待,必须尽快起步。经植物所生态研究室协商确定,由姜恕先生负责指导,杜占池、杨宗贵、盛修武和戚秋慧具体实施,立即从个体和群体水平,同时开展草原光合生理生态研究。

建站当年,我便奔赴草原,来到锡林河畔。本底调查之后,与同事一起建立了光合生态实验室。在其后的研究中,突破种种难关,解决了一个个问题,坚持不懈,步步深入,日积月累,终于见到了成效,取得了可喜的成果。直到2001年退休,我在草原地区累计工作时间1000多天,约为3年。二十多年获取的第一手资料,占据了我科研成果的大半。在锡林河畔,在茫茫草原,留有我太多的记忆。当时,测定工作的日夜繁忙,频频停电时的烦恼,仪器失灵时的无奈,读数不稳时的焦急,测定数据不理想时的失落,休息时没有任何娱乐的寂寞,设想未全实现的缺憾;以及对探索未知的渴望,突破难关时的快意,有所进展时的喜悦,取得科研成果时的欣慰,参加那达慕大会时的兴奋,在空气清新的草原上漫步时的惬意,在定位站周边草原游玩时的欢乐,凡此种种,难以一一尽述。这种苦与乐,悲与欢,交互呈露的情景,现今全成美好记忆,不时回味,依然历历在目,令人思念,使人留恋。因此,通过回忆,将其记录,便成一大乐趣。纵观整个研究过程,随着测定手段的建立、完善与更新,相应研究内容的变化、增多与拓展,大致可分为五个发展阶段。

 

第一阶段

艰难起步创建光合测定室

(1979-1980年)

 

建站之初的1979年,一无宿舍,二无设备,三无实验室,四无周边自然条件的近期资料。所以决定,在进行宿舍和实验室基建的同时,开展本底调查。而眼下急需的烘箱、冰箱、天平、解剖镜、光合测定设备等,必须从北京和呼和浩特运去。7月上旬,站长姜恕派我押车,从北京出发,途径张家口,绕道大同、集宁、呼和浩特,来到草原站的临时住所-白音锡勒牧场招待所。这里已经云集了植物所、动物所、综考会、地理所、内蒙古大学、内蒙古林学院、内蒙古农牧学院等单位的大批科研人员。

我的既定研究课题虽然是草原光合生理生态,但是了解锡林河流域的土壤和植被类型,掌握优势植物的分布、生境和生长状况,是搞好该项研究的必要前提,所以主动参与了本底调查。首先,各单位交流研究设想;分组讨论研究计划。而后,各专业分头对锡林河流域的植被、土壤、地貌等自然条件进行调查。其中,植物草场组的主要成员有植物所的姜恕、王仪凤、陈佐忠、孔德珍、戚秋慧、杜占池,综考会的赵献英、姚彦臣、杨汝荣,地理所的李雅燕,内蒙古大学的李博、雍世鹏、刘书润等。调查方法以样方观测为主,所到之处有:冬地、嘠松乌拉、益和都龟、灰腾梁、白银库伦、大西沟东南、乌兰沟、锡林塔尔、锡林浩特市区周边、大林吐鲁分场西、查干敖包后山、海流特平原、葛根沙拉、乌丝吐沟、巴嘎乌拉东南等;涵盖各种生态环境,包括:低山、丘陵、平地、沟谷、洼地、风积沙地、熔岩台地、河漫滩地、火烧迹地、退化草地、封育草地、轻牧草地、重牧草地等;涉及各种植被类型,包括:典型草原、草甸草原、山地草甸草原、草甸、沼泽、沙地、盐碱地等。

通过调查得知,该地的主要优势植物种,典型草原有:大针茅、羊草、克氏针茅、冷蒿、冰草、糙隐子草等;草甸草原有:贝加尔针茅、线叶菊、日阴菅、羊茅等;草甸有:无芒雀麦、拂子茅等;盐化草甸有:芨芨草、马蔺、野黑麦、散穗早熟禾等;沼泽化草甸有:灰脉苔草、狭叶甜茅、华扁穗草、针蔺等;沼泽有:芦苇、香蒲、水葱等;沙地有:红杄云杉、山杨、白桦、榆树、臭柏、山荆子、虎榛子、大果榆、山杏、小叶锦鸡儿、西伯利亚沼柳、沙蒿、叉分蓼等。该地主要植物群落类型的盐分梯度和水分梯度均十分明显。从盐分梯度看,羊草+芨芨草群落为土壤含盐量最少的类型,羊草+马蔺群落为含盐量中等的类型,羊草+碱茅群落为含盐量最高的类型。从水分梯度看,较湿润的类型有:羊草+日阴菅+丰富杂类草群落、羊草+无芒雀麦群落、羊草+野豌豆群落;中等湿度的有:羊草+小禾草+杂类草群落;较干的有:羊草+大针茅+杂类草群落。通常,一级台地较干,类型为大针茅+隐子草+冷蒿群落、大针茅+隐子草+变蒿群落;二级台地较湿,类型为大针茅+羊草+杂类草群落。上述,为下一步光合生态研究的选点、测定与取样,提供了基础资料,增加了感性认识。

此外,结合光合生态研究的特殊需要,在样方调查之时,我还对优势种的物候期、植株高度、枝条状态、叶形、叶长和叶宽等进行了观测,以便为设计同化室、拟定光合测定时间提供依据。

期间,多次在蒙古包就餐,与牧民交流,不仅遍尝了蒙古族的独特饮食:黄油、奶酪、奶皮、奶豆腐、奶茶、酸浆等,而且还了解了牧民的风俗习惯、牧业生产与经济状况。

7月底,杨宗贵到站,我俩立即投入光合测定工作。这套叶片光合测定系统,是自己设计,在植物研究所工厂协助下组装而成的。虽可用来测定,但却相当简陋,是否能够在野外实战,尚不得而知。

首先对光合测定仪进行标定与调试,接着在牧场的新场部北山坡,首次使用QGD-07型红外仪(北京分析仪器厂)进行试测,从此拉开了使用红外线光合仪,在我国草原地区测定植物光合速率的序幕。其后,在牧场的草库伦、巴嘎乌拉、葛根沙拉、招待所前等地,多次进行测试,材料有羊草、线叶菊、委陵菜等,内容为瞬时光合速率和光合日变化。

试测表明,这套装置用来测定草原植物光合速率是可行的。但尚存在诸多问题,如:红外仪指针摆动较大;方形同化室效果欠佳;同化室的适宜流量有待探究;同化室内气温明显高于外界;有的植物叶片极小,无法用单叶测定;有的植物叶呈针状或簇状,面积不易测准。

回京后,针对上问题,制定了相应计划,包括:改进测定装置和方法,购置和制作相关设备,以及近期研究内容。装置方面:为适应千变万化的草原植物叶片形状,设计制作了各种型号的同化室;为方便用于野外测定,设计制作了防震组合箱,其内装置有:带过滤器和碱石灰的便携式二氧化碳分析仪、蓄电池、电源变换器、转子流量计、微型气泵、气路转换箱、干燥器,以及叶室、照度计、温度计和湿度计等;为筹建光合生态实验室,设计制作了光合测定大铁架,添置了稳压电源、气泵、点温计、扭力天平、小型发电机等设备。确定近期主要研究:草原建群种羊草和大针茅的光合生态特性,同时拟将草原地区光合测定装置与方法总结成文。

1980年7月初,我们再次来到锡林河畔。我与杨宗贵立即投入工作,调试仪器、野外测定、移栽供试样品,筹建光合实验室,等等,数项工作穿插进行。

其时,定位站的基建尚未结束,只得暂住附近的十二分场招待所。我们借用牧场仓库,首先调试用于野外测定的QGD-07型红外仪。结果表明,读数有时比较稳定,但更多的时间处于不稳定状态,指针摆动约10ppm,最大时甚至达到30-40ppm。何因所致?显然不是仪器故障,因为在京测试时读数均比较稳定。经监测发现,该地电压极其不稳。于是,我们又使用从北京运来的1.5千瓦的发电机发电。但由于功率太小,电压亦不稳定,指针摆动如故。又接上150W的稳压电源,再试,红外仪指针摆动幅度虽然有所减小,但仍然很不理想。

与此同时,我们用光合组合装置,多次去羊草样地、噶松乌拉北、十二分场、定位站周等地,测定羊草等植物的光合日变化,以及土壤水分对羊草光合速率的影响。电源为充电式镉鎳电池,按说电压稳定,但红外仪指针还是摆动,究竟是什么原因?是该地地处高原、气压较低的缘故,还是仪器自身的问题?一时不得而知,心中感到郁闷。同时还发现诸多问题,如:每组电池使用时间较短,无法满足测定需要;仪器经常烧坏保险丝;野外风大,叶室的气封效果不良;同一叶片测定数值的重复性不佳。

为了在实验室建成之后尽快投入测定,必须事先从天然草原带土移栽植物样品。我们在实验室前面建了一个植物样品园,并到羊草样地、大针茅样地、噶松乌拉、总场新场部等地,移来了羊草、大针茅、克氏针茅、贝加尔针茅、无芒雀麦、线叶菊、日阴菅等植物,种入瓦盆,按种分组,埋入地中。然后,丈量每组尺寸,准备制作遮雨罩。

7月中旬,定位站基建初步竣工,不曾想,所有实验室的内部格局全都一样,不大符合光合测定的需要。我们只得重新设计,改动水泥台、水池和出气口等布局。数日之后,大功告成,我们迫不及待,立即开始组建光合生态实验室。首先组装同化室系统,将人工光源、隔热装置、同化室等,安装在大铁架内;然后,用细皮管把红外线分析仪与同化室连接起来;并准备好照度计、温度计、湿度计等有关生态因子测定仪器。此外,为调控实验室温度,二次赴锡林浩特市,加工空调通气管道,并请变压所来人通电。

接着,调节光源、气源,试用各种仪器,并对当时拥有的三台红外仪:QGD-07型红外仪、FQ-W-CO2型(广东佛山分析仪器厂)红外仪和BECKMAN-864型红外仪(美国),逐一进行标定。经过大约20天的忙碌,至8月初,实验室初步建成。这是我国在草原上建立的首个光合生态实验室,尽管尚不完善。

最初,满以为实验室建成之后,就可以如愿以偿地进行测定了。没想到,一波三折,问题接二连三。不断发现问题,思考问题,解决问题,几乎贯穿了整个研究过程。

我们测定光合速率的方法,为红外线二氧化碳分析仪和叶室联用法。所组建的光合测定装置,由二氧化碳定量系统、同化室系统、气路系统和附属设备四个部分组成。同化室系统主要由同化室及其环境调节装置组成。其主要构件-各种型号的叶室,全是根据实际需要,自己设计,并由杨宗贵制作的。

首先使用BECKMAN-864型红外仪,测定羊草的光-光合速率。电压依旧变化不定,时大时小,有时从220V猛增至260V,仪器读数随之从378ppm猛增至440ppm。接着又用FQ-W-CO2型红外仪测定,读数变动如故。于是,启用原本用于野外测定的QGD-07型红外仪,继续测定。先后测定了羊草、大针茅、克氏针茅、贝加尔针茅、日阴菅、线叶菊的光-光合速率、羊草的呼吸速率和二氧化碳补偿点、大针茅的叶室流量-光合速率。该仪器的读数,虽然亦随电压变化而波动,但幅度似比前二台稍小。不仅如此,而且还常常停电,且没有规律,有时整天,有时半天,有时几小时,有时几分钟,有时一天停电数次,有时突停突来;毫无办法,无能为力,只能任其自然。总之,电压不稳,停电频繁,降低精度,影响效率,乃是当前的最大问题。真是恼火万分,心情沉重,却又无可奈何。左思右想,别无它途,唯一的解决办法就是购置大型发电机,自己发电。

此外,还有不少有待解决的问题:(1)QGD-07型红外仪的气室气体流量,对仪器零点影响很大,测定时所用的流量须与标定时一致;(2)必须使用降温叶室,其中三层叶室优于二层叶室;(2)室内空调对调控叶室温度十分有限,必须制作叶室调温装置;(3)气源的二氧化碳浓度不稳定,除与取气管高度较低有关之外,尚需查找其他原因;(4)管道气体流量不稳,是读数不稳的原因之一,拟在叶室前加一个储气瓶;(5)测定二氧化碳补偿点时,叶室中的空气湿度太低,需要制作加湿器;(6)仪器种类较多,出故障是家常便饭,小故障勉强可以自己修理,大故障则束手无策。为此,需要添置备用仪器,最好配备一位仪器维修人员。理清了存在问题,明确了解决的办法,心情轻松了许多。

这个期间,草原地区碧野千里、水草丰美、牛羊肥壮风景如画。那达慕大会在白音锡勒牧场场部附近如期举行。那达慕是蒙古族古老的传统节日,乃娱乐、游戏之意。其历史悠久,源于13世纪初叶。现代的那达慕是集祭祀庆祝、体育竞技、文化娱乐、艺术欣赏、信息交流和经济贸易为一体的盛大聚会。其中,体育竞技是传统节目,也最为精彩,主要有摔跤、射箭和赛马。

7月16日,我们开车前往场部。沿途,公路崎岖,左右颠簸,穿沙丘,过草原,来到会场。主席台四周,彩旗飘扬,车水马龙,气氛隆重,场面热烈身着节日盛装的蒙古牧民,成群结队,熙来攘往,平日里宁静的草原,变成了繁华的闹市。

大会开始,主席讲话,献上哈达,朗诵颂词。之后进行比赛。摔跤手红蓝黄三色巾,脖子上着彩绸项圈,身穿牛皮紧身背心和肥大的摔跤裤,脚蹬蒙古靴,挥舞着双臂,唱着出征歌,跳着鹰步舞,纷纷傲然登场。他们个个身手不凡,忽而拉衣,忽而扯带,忽而压肩,忽而推背,忽而勾脚,忽而使绊,忽而搂腰,忽而钻裆,忽而向前,忽而躲闪;动作敏捷,技巧全面,使出浑身解数,使人眼花缭乱,观众不时喝彩。摔跤,既是力量的展现,也是智力的较量,能够培养人的勇敢、机智和顽强。接着,进行射箭比赛。弓箭手身穿窄袖紧身袍,英武雄壮,张弓搭箭,劲弩枝枝中靶,令人大开眼界。骑手们身着蒙古袍,足穿蒙古靴,头扎彩巾,腰束彩带,生气勃勃,英姿飒爽。令枪一响,如同离弦之箭,飞奔向前,骑术高超,你追我赶,赛场一片沸腾。此外,乌兰牧骑的演出也相当出彩。演员舞姿潇洒,热情奔放;马头琴声悠扬,歌声嘹亮。此时此刻,我们完全沉迷在欢乐之中,往日工作中的烦恼一扫而光。

8月中旬,由盛修武、夏文德为主组装的光合测定车,从北京开到了定位站。这套测定装置的二氧化碳定量系统,采用六通道的HORIBA ASSA-1610型植物同化分析仪(日本)。该仪器预热时间短、测值精度高、二氧化碳绝对值和差值均可测量。并配有SGF1型柴油发电机组、KSE-6D型气冷式车用空调、电风速仪、多点半导体温度计、数字湿度计、光谱辐射仪。可以说,这是一个可以自由移动的光合测定室。

这台光合车,主要用于群落测定,亦能测定枝条和叶片。我们将光合车停在实验室窗前,将气路接入实验室内,在人工光源下首次用其试测。翌日,将光合车开到羊草样地,首次在自然条件下同时测定群落与叶片光合,并进行了叶室通气方式试验。其后,在定位站内自然条件下用其测定了移栽植物-克氏针茅的光合速率和贝加尔针茅的光合日变化,用个体同化箱试测了羊草单株光合。实践表明,这台仪器,性能良好,只要大气二氧化碳浓度稳定,测值相当准确。同化系统采用气封水浴叶室,降温效果不错,可与大气温度保持一致;如果减小水浴容积,加厚上部水层,效果将会更好。

我们最初设想,单叶与群落在野外同时测定,相互补充。但经试测,感到这并非最佳选择。一是,同时测定气道不够使用;二是,同时测定效率较低;三是,叶片光合的研究重点在实验室。故此决定,今后叶片光合研究,重点在实验室研究定光合速率与各种生态因子的定量关系,兼顾在自然条件下测定叶片的光合速率日进程。

总而言之,这一年,我们使尽浑身解数,初步创建了光合测定室,然而问题多多,如:电压不稳、读数不稳、控温不佳,以致测值精度较低,有不少数据不能使用,权当交了学费。俗话说,失败乃成功之母。何况学费并未白花,从中发现了问题,找到了改进方法。只要坚持不懈,持之以恒,必能突破难关。这一阶段,可用数据不完善,无法撰写学术论文,最大的收获是,熟悉了测定装置,掌握了测定方法,并加以总结,撰写出《野外条件下测定草原植物叶片光合速率的装置和方法》,刊登中科院内蒙古草原生态系统定位站编纂的《草原生态系研究,第一集》(内部刊物)。

 





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