科研進展
  • 喀斯特植被恢復(fù)過程中苔蘚促進土壤碳氮積累機制取得進展
    退耕還林還草是西南喀斯特地區(qū)石漠化治理和生態(tài)恢復(fù)的重要舉措。隨著植被恢復(fù)進程的推進,石漠化地區(qū)土壤表層形成了約1cm厚的苔蘚層,但其對下覆微生物群落和土壤理化性質(zhì)及其關(guān)聯(lián)的土壤碳氮積累的影響尚不清楚。
      退耕還林還草是西南喀斯特地區(qū)石漠化治理和生態(tài)恢復(fù)的重要舉措。隨著植被恢復(fù)進程的推進,石漠化地區(qū)土壤表層形成了約1cm厚的苔蘚層,但其對下覆微生物群落和土壤理化性質(zhì)及其關(guān)聯(lián)的土壤碳氮積累的影響尚不清楚。
      基于此,以西南喀斯特峰叢洼地區(qū)三種典型人工植被恢復(fù)方式(單一人工林、單一牧草地、人工林間作牧草)長期觀測樣地為研究對象,通過苔蘚移植和剔除處理,以無苔蘚覆蓋裸土和苔蘚覆蓋土壤為對照,分析了自然苔蘚、移植苔蘚和剔除苔蘚對土壤碳氮指標(biāo)、土壤微生物群落和土壤理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明:(1)試驗處理一年后,移植苔蘚增加了表層土壤可利用氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)含量,剔除苔蘚減少了表層土壤有機碳含量和全氮含量。(2)自然苔蘚、移植苔蘚和剔除苔蘚都不同程度地減少了土壤微生物生物量并影響了土壤微生物群落組成(真菌與細(xì)菌比、革蘭氏陽性細(xì)菌與革蘭氏陰性細(xì)菌比)。(3)苔蘚性質(zhì)(生物量、碳氮含量、碳氮比、飽和持水量),以及受苔蘚調(diào)控的土壤含水量、土壤微生物生物量和群落組成均是影響土壤碳氮積累的重要因子。
      在亞熱帶生態(tài)所王克林研究員和張偉研究員指導(dǎo)下,博士研究生肖露梅為第一作者,該研究以Mosses stimulate soil carbon and nitrogen accumulation during vegetation restoration in a humid subtropical area為題,發(fā)表在土壤學(xué)領(lǐng)域一區(qū)Top期刊Soil Biology and Biochemistry上。該研究得到國家自然科學(xué)基金重點基金、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金、廣西自然科學(xué)基金等項目的資助。
      論文鏈接
      苔蘚移植和剔除示意圖
      苔蘚處理對土壤碳氮含量的影響
      影響土壤碳氮含量因子
      
    2023-08-15
  • 廣州地化所:西昆侖鉀質(zhì)巖及其地幔捕虜體揭示大陸俯沖和巖石圈地幔富集過程

      大陸俯沖和相關(guān)物質(zhì)再循環(huán)是當(dāng)前國際地質(zhì)研究的前沿和熱點領(lǐng)域之一。青藏高原是研究大陸俯沖和俯沖地殼物質(zhì)再循環(huán)的天然實驗室。西昆侖位于青藏高原西北緣。在該地區(qū)廣泛發(fā)育青藏高原最年輕的鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖漿活動,并且在部分超鉀質(zhì)巖石中還存在珍貴的地幔捕虜體(圖1)。這些樣品無疑是認(rèn)識大陸俯沖過程、巖石圈地幔富集機制和物質(zhì)循環(huán)的理想對象,但一直以來對它們的研究比較薄弱。
      中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士后王健、唐功建研究員與王強研究員等人合作,對西昆侖晚中新世-第四紀(jì)(8.0-0.03 Ma)鉀質(zhì)巖及其地幔捕虜體進行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn):(1)鉀質(zhì)巖中橄欖石斑晶和巖漿鋯石都具有明顯高于正常地幔的氧同位素組成,表明源區(qū)有再循環(huán)地殼組分的加入。此外,地幔捕虜體中橄欖石通常具有正常或略高于正常地幔的氧同位素特征,并且從核到邊氧同位素值有增加趨勢,說明其氧同位素組成應(yīng)該是受到了高氧寄主巖漿的影響(圖2);(2)鉀質(zhì)巖全巖和單斜輝石斑晶表現(xiàn)出相同且類似EM2端元的元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素特征。此外,熔巖中單斜輝石斑晶具有與地幔捕虜體中單斜輝石相似的島弧微量元素特征和富集的Sr同位素組成(圖3)。以上觀察表明西昆侖鉀質(zhì)巖起源于富集巖石圈地幔,并且受到的地殼混染較弱。
      進一步結(jié)合地球物理資料和地球化學(xué)模擬,提出:(1)西昆侖鉀質(zhì)巖及其地幔捕虜體源區(qū)中的富集組分最有可能直接來自向北俯沖的印度大陸沉積物;(2)俯沖印度板塊釋放沉積物以底辟形式上升與上覆巖石圈地幔混合并熔融形成富鉀巖漿(圖4);(3)大陸俯沖及沉積物快速再循環(huán)過程可能與西昆侖鉀質(zhì)巖漿的產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián),進一步揭示印度大陸至少在8.0 Ma前已經(jīng)俯沖至西昆侖地區(qū)之下的地幔中(圖5);(4)我們推測大陸巖石圈地幔中存在大量再循環(huán)俯沖沉積物,為探究俯沖沉積物的命運和EM2端元成因提供了重要線索。
      上述研究系統(tǒng)探討了西昆侖鉀質(zhì)巖及其地幔捕虜體的巖石成因,為認(rèn)識大陸俯沖過程、巖石圈地幔富集機制和地殼物質(zhì)循環(huán)提供了新的見解。研究成果受到青藏高原第二次科考(2019QZKK0702)等項目的資助,并近期發(fā)表在礦物巖石學(xué)專業(yè)期刊《Journal of Petrology》和《Contributions to Mineralogy and Petrology》上。
      論文信息:
      Wang, J. (王健), Wang, Q. (王強), Ma, L (馬林)., Hu, W-L (胡萬龍)., Wang, J (王軍)., Belousova, E., and Tang, G.-J*. (唐功建), 2023, Rapid Recycling of Subducted Sediments in the Subcontinental Lithospheric Mantle: Journal of Petrology, egad056, https://doi.org/10.1093/petrology/egad056.
      Tang, G.-J* (唐功建)., Wyman, D. A., Wang, Q (王強)., Ma, L (馬林)., Dan, W (但衛(wèi))., Yang, Y.-N (楊亞楠)., Liu, X.-J., and Chen, H.-Y., 2022, Links between continental subduction and generation of Cenozoic potassic–ultrapotassic rocks revealed by olivine oxygen isotopes: A case study from NW Tibet: Contributions to Mineralogy and Petrology, 177, 53, https://doi.org/10.1007/s00410-022-01920-x.
      圖1:(a)中亞地質(zhì)圖;(b)穿過西昆侖的地球物理剖面資料;(c)西昆侖地質(zhì)圖,標(biāo)注鉀質(zhì)巖及地幔捕虜體采樣點;(4)西昆侖地區(qū)分布的鉀質(zhì)巖年齡資料統(tǒng)計
      圖2:西昆侖鉀質(zhì)巖及其地幔捕虜體中橄欖石組成特征
      圖3:西昆侖鉀質(zhì)巖全巖及單斜輝石同位素特征,特征類似典型EM2端元
      圖4:西昆侖鉀質(zhì)巖元素和同位素組成特征表明俯沖沉積物先與地幔端元混合后再發(fā)生熔融
      圖5:提出的西昆侖鉀質(zhì)巖成因模式圖,俯沖印度大陸沉積物以底辟形式上升到巖石圈地幔底部后發(fā)生部分熔融
      
    2023-08-15
  • 廣州地化所:樣品尺寸如何影響頁巖生-排烴特征與動力學(xué)參數(shù)?

      隨著頁巖油氣的成功勘探與開發(fā),頁巖生-排烴特征與動力學(xué)參數(shù)的定量研究變得日益重要。Rock-Eval巖石熱解儀廣泛應(yīng)用于烴源巖生烴評價,但通常采用粉末或干酪根樣品,結(jié)果更多地反映樣品的生烴特征。前人采用頁巖粉末和顆粒樣品的Rock-Eval儀進行頁巖的生排烴研究,指出熱解結(jié)果和動力學(xué)參數(shù)確實與粉末樣品存在明顯差異(Inan and Schenk, 2001; Liao et al., 2018),這主要是由于熱解過程中烴類需要運移穿過巖石介質(zhì)排出,實驗結(jié)果綜合反映了生烴和排烴兩個過程。但是目前關(guān)于樣品尺寸對頁巖顆粒的生烴和排烴特征差異及動力學(xué)參數(shù)影響尚沒有定量研究。
      針對上述問題,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機地球化學(xué)國家重點實驗室博士生孫宇在導(dǎo)師王云鵬研究員指導(dǎo)下,提出采用具有明確幾何特征的頁巖規(guī)則樣品進行Rock-Eval熱解可以定量研究生烴-排烴過程。實驗中每一個頁巖規(guī)則顆粒樣品具有明確的直徑、高度、表面積、體積等幾何參數(shù),可以作為獨立的生烴和排烴單元,并將每一個頁巖顆粒樣品對應(yīng)的粉末樣品作為參考,計算實際排烴效率。
      研究結(jié)果表明隨著頁巖顆粒樣品直徑增加,滯留在樣品中游離烴比例逐漸增加,而滯留的游離烴將在高溫階段裂解排出。通過將頁巖粉末樣品的游離烴S1、熱解烴S2作為參考,得到顆粒樣品低溫階段殘留烴S1殘留比例系數(shù)(S1 ratained parameter)和高溫階段殘留烴裂解對應(yīng)的S2額外排烴系數(shù)(S2 extra expulsion parameter)。如圖1所示,隨著顆粒樣品直徑增加,無法運移排出的S1游離烴比例不斷增加。頁巖顆粒樣品S2額外排烴系數(shù)不斷降低并減小至負(fù)數(shù),說明當(dāng)樣品尺寸過大時,最終部分烴類無法運移排出,使得最終獲得的S2值降低并低于對應(yīng)粉末樣品。
      圖1 S1殘留比例系數(shù)和S2額外排烴系數(shù)與頁巖顆粒樣品基本幾何參數(shù)關(guān)系
      隨著頁巖顆粒樣品直徑增加,反應(yīng)速率曲線更加尖銳(圖2)。直徑越大的顆粒樣品,低溫階段無法排出的滯留烴越多,對應(yīng)高溫階段集中排出的烴類越多。直徑3.73mm和5.24mm顆粒樣品的反應(yīng)速率峰值低于直徑2.93mm顆粒樣品,并且對應(yīng)峰值溫度更高,說明大顆粒樣品排烴過程需要更高溫度,整體排烴更加滯后。在相同溫度時頁巖粉末樣品轉(zhuǎn)化率始終高于頁巖顆粒樣品,也說明顆粒樣品排烴過程的滯后。
      圖2 頁巖顆粒樣品和粉末樣品不同升溫速率下反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率差異
      利用Kinetics 2000軟件計算得到頁巖粉末樣品和不同直徑顆粒樣品動力學(xué)參數(shù) (為便于比較,使用同一頻率因子A=1×1014s -1)。頁巖粉末樣品的活化能分布范圍為43kcal/mol~67kcal/mol,主活化能為53kcal/mol(圖3)。直徑0.8mm~1.0mm顆粒樣品和粉末樣品的活化能特征較為相似,但是其余較大顆粒樣品活化能分布集中在54kcal/mol~55kcal/mol。隨著顆粒樣品直徑增加,低溫階段運移排出并被儀器檢測到的烴類質(zhì)量降低。高溫階段滯留烴集中排出所需溫度不斷升高,排烴過程整體滯后。隨著直徑增加,頁巖顆粒樣品的反應(yīng)活化能具有規(guī)律變化:當(dāng)直徑從1.73mm增加到5.24mm,主活化能(54kcal/mol)的百分比從79.93%逐漸降低到52.04%,第二主活化能(55kcal/mol)的百分比從10.99%增加到39.92%(圖4),反映烴類運移排出難度不斷增加。
      圖3 頁巖顆粒樣品和粉末樣品的熱解動力學(xué)參數(shù)
      圖4 頁巖樣品熱解過程中主活化能(54kal/mol~55kal/mol)百分比隨樣品直徑變化特征
      本研究通過定義頁巖規(guī)則顆粒樣品作為生烴和排烴過程的基本單元,定量表征了不同大小頁巖顆粒樣品生-排烴特征差異,為定量研究頁巖烴類生成-滯留-排出過程及頁巖油氣資源評價提供了新的思路。
      本研究受到國家自然科學(xué)基金(42273053,42203054)和中國科學(xué)院A類先導(dǎo)科技專項 (XDA14010103)資助。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在油氣領(lǐng)域國際期刊 Marine and Petroleum Geology。
      論文信息:Yu Sun(孫宇), Yunpeng Wang(王云鵬), Lingling Liao(廖玲玲), Shuyong Shi(史樹勇), Jinzhong Liu(劉金鐘). How grain size influences hydrocarbon generation and expulsion of shale based on Rock-Eval pyrolysis and kinetics? Marine and Petroleum Geology, 2023, 106369.
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    2023-08-14
  • 廣州地化所:岷江試驗堆(MJTR)氬氬定年樣品輻照初探

      近年來稀有氣體分析技術(shù)的發(fā)展和 40Ar/ 39Ar法衰變常數(shù)的重新厘定,顯著提高了 40Ar/ 39Ar定年的準(zhǔn)確度和精確度,一流實驗室的定年精度已可優(yōu)于0.1 % [1]。隨著國內(nèi)稀有氣體質(zhì)譜儀更新?lián)Q代,國內(nèi) 40Ar/ 39Ar法分析裝備已與國際接軌,但樣品輻照依舊是限制國內(nèi) 40Ar/ 39Ar法發(fā)展及應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前面向 40Ar/ 39Ar定年樣品輻照的反應(yīng)堆有限,且開堆頻次較低,導(dǎo)致氬氬定年周期長,并且難以對不同巖性、不同年齡的樣品選擇最優(yōu)輻照方案進行處理。
      中國核動力研究設(shè)計院岷江試驗堆(MJTR)中子輻照試驗平臺建設(shè)于20世紀(jì)90年代,設(shè)計功率5MW,最高快中子注量率為1.43×10 14n/cm 2/s,輕水作冷卻劑和慢化劑,鈹作反射層 [2, 3]。該反應(yīng)堆在醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)等多個學(xué)科的發(fā)展做出了卓越的貢獻,但暫未應(yīng)用于 40Ar/ 39Ar定年樣品的輻照。
      為此,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所張萬峰等人聯(lián)合核工業(yè)北京地質(zhì)研究院李軍杰高級工程師,中國核動力研究設(shè)計院孫壽華研究員等對岷江試驗堆(MJTR)進行 40Ar/ 39Ar定年樣品輻照初探,為該反應(yīng)堆開展 40Ar/ 39Ar定年樣品的輻照條件選擇提供支撐。
      結(jié)果表明,(1)該輻照孔道垂向J值變化呈二次曲線變化的特征,該特征與孔道內(nèi)中子通量分布特征一致。表明輻照罐放置于最佳的樣品輻照區(qū)。(2)應(yīng)用于 40Ar/ 39Ar定年樣品輻照時,相比其它反應(yīng)堆,MJTR的J值時間變化率較低(~0.21×10 -4 J/h)。當(dāng)輻照時長為60h時,J值可達(dá)到0.001,能滿足大部分樣品的輻照需求。(3)當(dāng)樣品罐采用0.5mm鎘皮包裹時,( 40Ar/ 39Ar) K,( 36Ar/ 37Ar) Ca和( 39Ar/ 37Ar) Ca等矯正因子分別為146.5 ± 42.4×10 -4,4.17 ± 0.07×10 -4和18.4± 3.6×10 -4。(4)通過計算標(biāo)樣間的J值變化率,可以得到該反應(yīng)堆垂向和水平方向中子通量變化率<0.68%/cm和0.45%/cm。(5)當(dāng)樣品放置于石英管中部進行輻照時,其J值的誤差<1‰;并且監(jiān)控標(biāo)樣(DRA-1,圖1)結(jié)果表明,采用MJTR進行輻照的樣品其分析精度優(yōu)于2‰。
      綜上,該反應(yīng)堆適用于 40Ar/ 39Ar定年樣品的輻照,并有利于開展高精度 40Ar/ 39Ar定年分析。
      圖1 DRA-1透長石激光階段升溫氬氬定年結(jié)果
      圖2 期刊封面
      以上研究成果以封面文章發(fā)表于《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》上(圖2),該研究受到國家自然科學(xué)基金(41688103, 41973051),南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)人才團隊引進重大專項(GML2019ZD0202),廣州地球化學(xué)研究所功能開發(fā)項目(E3280301)的資助。
      論文信息:Wanfeng Zhang(張萬峰) *, Junjie Li(李軍杰) #, Dewen Zheng(鄭德文), Shouhua SUN(孫壽華), Yufei Guo(郭雨非), Jia Zhang(張佳), Ming Xiao(肖明), Jun-jie Wang(汪俊杰), Yu-lian Zhang(張玉蓮), Yingde Jiang(蔣映德) and Yigang Xu(徐義剛), 2023. Sample neutron irradiation with the Min Jiang Testing Reactor (MJTR): Implications for high-precision 40Ar/ 39Ar dating. 
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    2023-08-14
  • 華南植物園提出國家植物園可通過創(chuàng)新更有效地保護植物多樣性

      近日,國際期刊The Innovation(影響因子32)發(fā)表了題為《National botanical gardens can play a critical role in global biodiversity conservation》的文章。華南國家植物園任海研究員為第一和通訊作者,英國皇家邱植物園科學(xué)部主任、牛津大學(xué)教授Alexandre Antonelli博士是共同作者。該文指出國家植物園是全球植物多樣性保護前沿的觀察哨和排頭兵,可以通過創(chuàng)新在全球生物多樣性保護中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這是在華南國家植物園揭牌一周年之際,繼任海等在Trends in Plant Science上發(fā)表國家植物園與可持續(xù)發(fā)展關(guān)系之后,在國際期刊發(fā)表的第二篇關(guān)于國家植物園的文章。 
      豐富多樣的植物為人類提供干凈的空氣、清潔的水、豐富的食物、穩(wěn)定的氣候和舒適的環(huán)境。單由于人類的干擾和氣候變化,再加上植物自身的繁殖障礙,全球約有20–25%的植物受到了不同程度的威脅,進而威脅了人類的生存。國際社會逐漸認(rèn)識到“搶救植物就是拯救人類自身”,世界各國均采取相應(yīng)措施來保護本國和全球的生物多樣性,聯(lián)合國也制訂了《生物多樣性公約》,以促進生物多樣性保護、恢復(fù)與可持續(xù)利用,實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展。 
      植物園是主要從事植物保護、科學(xué)研究、園林園藝、自然教育和資源利用的機構(gòu)。在應(yīng)對植物多樣性逐漸喪失的問題上,植物園可以提供重要的科學(xué)支持、技術(shù)指導(dǎo)和材料支撐。近幾十年來,國家植物園已成為全球的植物多樣性遷地保護中心及前沿哨所,在協(xié)調(diào)保護和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用,同時在履行《生物多樣性公約》中發(fā)揮重要作用。 
      目前全球約有4500個植物園,其中43個國家和地區(qū)建有80多個國家植物園。中國于2022年在北京和廣州分別設(shè)立國家植物園和華南國家植物園,下一步將對接國際標(biāo)準(zhǔn),推動構(gòu)建包含10–12個國家植物園的具有中國特色、世界一流、萬物和諧的國家植物園體系。 
      在加強研究的過程中,發(fā)達(dá)國家的國家植物園往往側(cè)重于全面的生物多樣性保護和環(huán)境教育。相比之下,發(fā)展中國家的國家植物園在此方面還比較欠缺。 
      國家植物園是代表國家植物保護和研究水平的植物園,其主要功能就是對植物多樣性進行保護、研究、科普和利用。國家植物園的核心工作是采取就地保護和遷地保護的方式,解除植物受到的脅迫,向公眾傳遞保護植物的理念,同時開發(fā)并利用花卉果蔬類、藥用保健類、作物品種及其野生近緣種類、環(huán)境改善類、工業(yè)原料類等資源植物。 
      國家植物園的全球使命包括:防止全球植物物種和遺傳多樣性喪失;阻止全球生態(tài)系統(tǒng)進一步退化;提高公眾對植物多樣性的價值及面臨的威脅的認(rèn)知;以實際行動改善全球自然環(huán)境,并實現(xiàn)自然資源的可持續(xù)利用。從國家植物園的全球使命可以看出,國家植物園可在相關(guān)的國際公約間起協(xié)同作用。 
      在保護、恢復(fù)和利用全球植物多樣性方面,國家植物園可以建立起國際、區(qū)域、國家等各種層次的合作伙伴關(guān)系,制訂和支持國際保護政策,加強全球植物保護能力,如國際植物園保護聯(lián)盟正在推進的全球植物保護戰(zhàn)略(2022-2030):對全球植物多樣性進行編目、評估和信息共享,以保護珍稀瀕危植物;為植物多樣性保護制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn);在植物園中收集并遷地保護盡可能多的物種及重要物種的遺傳多樣性;制訂并實施珍稀物種回歸和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)計劃。 
      在應(yīng)對氣候變化方面,國家植物園可以通過遷地保護以保護對氣候變化敏感的物種;評估并促進生物多樣性對可持續(xù)發(fā)展、自然災(zāi)害防治和適應(yīng)氣候變化的益處;分享氣候變化對植物影響的信息;提供鄉(xiāng)土植物種植黃金規(guī)則十條,指導(dǎo)并提高人工造林的固碳量、生物多樣性和經(jīng)濟效益。 
      在支撐可持續(xù)發(fā)展方面,國家植物園可以對人類福祉有價值的植物進行研究和利用;通過在植物園和社區(qū)內(nèi)開展自然教育和科學(xué)素養(yǎng)普及,提高公眾對植物多樣性價值的認(rèn)知并采取行動。 
      國家植物園需要在植物保護政策、方案和優(yōu)先領(lǐng)域方面建立起全球性框架,同時在植物多樣性保護中建立全球伙伴關(guān)系并發(fā)揮聯(lián)盟作用,并為國家生物多樣性行動計劃和具體的法律提供咨詢。以國家植物園為引領(lǐng)的遷地保護體系,應(yīng)在全球生物多樣性保護中找到合適的“生態(tài)位”,并通過發(fā)展全球伙伴關(guān)系和聯(lián)盟,在植物多樣性保護中發(fā)揮“1+1>2”的作用。 
      國家植物園發(fā)揮保護作用需要創(chuàng)新機制。國際植物園保護聯(lián)盟曾提出植物園保護國際議程,倡議全球植物園在保護植物、分享知識和資源的同時,通過公眾參與,教育激勵人們來共同應(yīng)對全球挑戰(zhàn)。英國皇家邱植物園在2021–2030規(guī)劃中提出,邱園將提供基于科學(xué)的知識和解決方案以保護生物多樣性,并保障自然資源的可持續(xù)利用,激勵人們保護自然世界,培育下一代專家,擴大組織的影響力,影響國際輿論和國家政策。華南國家植物園提出研究、保護和加強可持續(xù)利用的植物資源以支持綠色發(fā)展(圖1)。面對生物多樣性保護的需求,全球國家植物園已開始利用人工智能和大數(shù)據(jù)分析、保護遺傳學(xué)工具、基因編輯和生態(tài)修復(fù)技術(shù)等技術(shù)進行植物保護、利用和科普。 
      圖1 華南國家植物園(上)和英國皇家邱植物園(下)的溫室保育了數(shù)千種珍稀瀕危植物 
      每個植物園的定位和能力不同,但是全球植物園可以在國際植物園組織和國家植物園的引領(lǐng)下,在全球生物多樣性保護2020后框架下工作,通過創(chuàng)新體制機制,遏制植物物種和遺傳多樣性的喪失和全球自然環(huán)境的進一步惡化,從而實現(xiàn)全球至2050年的生物多樣性保護目標(biāo):與自然和諧共處,生物多樣性價值被承認(rèn)、保護、恢復(fù)和持續(xù)利用,最終實現(xiàn)全球生態(tài)安全,積極應(yīng)對氣候變化和可持續(xù)發(fā)展。 
      原文鏈接: 
      https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2666675823001066 
      
    2023-08-09
  • 深圳先進院:單層石墨烯一維褶皺到扭轉(zhuǎn)角可控的多層石墨烯的轉(zhuǎn)變機理
    近日,來自深圳理工大學(xué)(籌)、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院、上海科技大學(xué)、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國人民大學(xué)和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究者們尋找到了一種石墨烯的折紙方法,可以實現(xiàn)高層間周期的轉(zhuǎn)角石墨烯的可控制備。
      近年來,轉(zhuǎn)角石墨烯受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。轉(zhuǎn)角石墨烯所具有的大周期莫爾晶格(Moiré pattern)及其所帶來的能帶折疊效應(yīng)可以誘導(dǎo)出豐富、新奇的電子結(jié)構(gòu)。尤其是在一些特殊的小角度上,電子結(jié)構(gòu)中所出現(xiàn)的平帶會衍生出很多不尋常的現(xiàn)象,如超導(dǎo)、強關(guān)聯(lián)、自發(fā)鐵磁性等。        
      目前絕大多數(shù)研究采用機械剝離和逐層轉(zhuǎn)移的物理方法對轉(zhuǎn)角石墨烯樣品進行制備,然而,該方法存在條件苛刻、產(chǎn)出率低、界面污染等一系列問題。為發(fā)展更加高效的制備技術(shù),研究者們通過對化學(xué)氣相沉積法中襯底的設(shè)計,陸續(xù)突破了幾種類型的轉(zhuǎn)角石墨烯的規(guī)模化制備難題。然而在對多層石墨烯的轉(zhuǎn)角周期的可控制備方面,并沒有比較普適的解決辦法。        
      近日,來自深圳理工大學(xué)(籌)、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院、上海科技大學(xué)、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國人民大學(xué)和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究者們尋找到了一種石墨烯的折紙方法,可以實現(xiàn)高層間周期的轉(zhuǎn)角石墨烯的可控制備。作者們發(fā)現(xiàn),鉑金表面生長的石墨烯會形成一定的褶皺,褶皺長大后向兩旁倒下,并在一些位置撕裂形成一個四重的螺旋位錯中心。褶皺倒下時會折疊其一側(cè)的石墨烯,帶來與褶皺的“手性”角(也就是褶皺的方向與石墨烯晶向的夾角)具有兩倍關(guān)系的單層轉(zhuǎn)角。作者們稱之為“一維手性到二維轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)化關(guān)系”,并利用折紙模型對該現(xiàn)象進行了形象的演示。作者們進一步研究了所形成的螺旋位錯再生長帶來的新奇現(xiàn)象,并發(fā)現(xiàn)各層石墨烯會隨著再生長形成具有周期性的四層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu),其中第1、3層與原始石墨烯的晶向相同,而2、4層的晶向由褶皺手性角所決定。作者們因此提出了一種新的周期轉(zhuǎn)角多層石墨烯的制備方法:通過控制石墨烯褶皺形成的方向,制備具有特殊層間轉(zhuǎn)角周期的多層石墨烯。該方法也可用于多種可以形成褶皺的其他二維材料。        
      相關(guān)研究成果以“通過石墨烯螺旋的一維到二維的生長將手性轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)角”(Conversion of Chirality to Twisting via 1D-to-2D Growth of Graphene Spirals)為題發(fā)表在國際知名期刊Nature Materials上。        
      深理工、深圳先進院丁峰、上海科技大學(xué)Zhu-Jun Wang、中國人民大學(xué)季威和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)Marc-Georg Willinger為本文的通訊作者,上??萍即髮W(xué)的Zhu-Jun Wang、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的孔瀟、中國科學(xué)院物理所的黃元與上??萍即髮W(xué)的李軍為文章的第一作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“率先行動”計劃、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。        
      原文鏈接
       
       
      圖1:石墨烯折紙現(xiàn)象的記錄與演示,其中(a-d)原位ESEM實驗所記錄的褶皺形成、倒下和再生長的過程;(e-h)相應(yīng)過程的示意圖;(i-l)利用折紙模型演示褶皺的形成、倒下和再生長。
      圖2:螺旋位錯附近的再生長過程,其中(a-d)原位SEM實驗所記錄的多個反向螺旋位錯附近的再生長過程;(e-h)動力學(xué)蒙特卡洛對該過程的模擬演示;(i)原子尺度分辨率STM所表征的石墨烯褶皺“手性”角;(j-l)利用折紙模型演示褶皺倒下時形成的螺旋位錯及下層石墨烯出現(xiàn)的轉(zhuǎn)角。(m-t)螺旋位錯再生長所帶來的四層周期轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)示意圖。
       
       
      圖3:石墨烯螺旋的再生長和合并,其中(a-f)原位ESEM實驗所記錄的褶皺出現(xiàn)到最終生長成多層轉(zhuǎn)角石墨烯的全過程;(g)TEM表征下的多層轉(zhuǎn)角石墨烯;(h)原子分辨率的多層轉(zhuǎn)角石墨烯表征圖;(i-k))動力學(xué)蒙特卡洛對該過程的模擬。       
       
      圖4:多層螺旋石墨烯和多層堆垛石墨輸運性質(zhì)的區(qū)別,(a)原子力顯微鏡觀察到的螺旋位錯中心;(b-d)輸運性質(zhì)檢測時的實驗設(shè)置;(e-g)多層螺旋石墨烯和多層堆垛石墨的電阻和磁阻隨溫度變化的關(guān)系。       
       
       
      
    2023-08-08
  • 南海海洋所研究發(fā)現(xiàn)末次冰消期冷期熱帶輻合帶降水范圍顯著收縮

      近日,中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室向榮研究員團隊在熱帶輻合帶降水范圍對全球氣候變化響應(yīng)方面取得了最新進展,提出末次冰消期冷期熱帶輻合帶降水范圍顯著收縮新觀點,為未來預(yù)測熱帶地區(qū)降水對全球氣候變化的響應(yīng)提供了重要科學(xué)依據(jù)。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Communications (《自然·通訊》)上,楊藝萍副研究員為論文的第一作者,張?zhí)m蘭研究員和向榮研究員為通訊作者。
      熱帶輻合帶(ITCZ)是一條位于赤道附近上空的狹長帶狀區(qū)域,其特點是低氣壓、強對流和大量降水。這個帶狀區(qū)域具有明顯的季節(jié)遷移特性,對熱帶和亞熱帶地區(qū)的水循環(huán)有著重要影響。因此,研究熱帶輻合帶降水變遷機理對于預(yù)測未來東亞季風(fēng)降水及其對全球變暖的響應(yīng)有重要科學(xué)意義。
      末次冰消期指約1.2-2.0萬年前,是地球上末次冰期向溫暖的全新世過渡的一個時期。在這個時期,北半球高緯度地區(qū)的氣候出現(xiàn)了多次冷暖交替變化。關(guān)于熱帶水文氣候如何響應(yīng)北半球高緯地區(qū)氣候的冷暖變化,學(xué)術(shù)界存在一些爭議。普遍認(rèn)為,海因里希Ⅰ(Heinrich Stadial I)冷期時(約1.50-1.90萬年前),熱帶輻合帶的降雨帶向南半球遷移,導(dǎo)致北半球熱帶和亞熱地區(qū)的降水減少,氣候變得非常干旱。
      研究人員通過集成分析大量的亞洲季風(fēng)區(qū)南、北半球兩側(cè)的古氣候記錄,并發(fā)現(xiàn)南半球的熱帶和亞熱帶地區(qū)的降水在海因里希Ⅰ時并沒有顯著增多。然而,熱帶印度洋地區(qū)的古海洋記錄卻非常有限,這限制了我們對亞洲季風(fēng)區(qū)熱帶水文氣候?qū)θ驓夂蜃兓憫?yīng)的理解。據(jù)此,研究人員通過分析位于孟加拉灣南部熱帶海區(qū)的深海沉積鉆孔(I106孔)中的浮游有孔蟲殼體Mg/Ca比值和氧同位素來重建該區(qū)的降水演化過程。該鉆孔位于東印度洋熱帶降雨帶的核心區(qū)域,浮游有孔蟲Globigerinoides ruber主要生活在表層海水,能很好地記錄表層海水的溫度和海水氧同位素(δ18Osw)(鹽度指標(biāo))變化,從而反映東印度洋熱帶地區(qū)表層海水鹽度及其相關(guān)的降水變化(圖2)。
      圖1 熱帶東印度洋I106孔浮游有孔蟲殼體記錄的氧同位素、Mg/Ca及其重建的Mg/Ca-溫度和海水氧同位素變化
      圖2 熱帶東印度洋地區(qū)的現(xiàn)代表層海水鹽度與海水氧同位素之間呈非常好的線性關(guān)系。
      研究表明,亞洲季風(fēng)區(qū)南、北兩側(cè)在海因里希Ⅰ的早期(約1.83-1.63萬年前)時都非常干旱(圖3),但在北半球熱帶低緯地區(qū)(約3-9°N)的降水卻異常增多(圖3,圖4)。研究認(rèn)為,歐亞冰蓋率先融水引起的全球平均溫度下降和熱帶厄爾尼諾活動加強,是導(dǎo)致熱帶輻合帶降水范圍縮小的主要驅(qū)動機制。
      “我們本次研究的重要貢獻在于發(fā)現(xiàn)了熱帶輻合帶降水范圍在末次冰消期海因里希Ⅰ的早期出現(xiàn)了縮小的現(xiàn)象,挑戰(zhàn)了過去普遍認(rèn)為的熱帶輻合帶的降雨帶在該時期向南半球遷移的觀點,并分析了歐亞冰蓋融水對熱帶氣候影響的機制過程” 楊藝萍介紹說,這項研究為熱帶水循環(huán)研究以及預(yù)測未來熱帶地區(qū)降水對全球氣候變化的響應(yīng)提供了新思路和重要基礎(chǔ)。
      圖3 亞洲季風(fēng)區(qū)海因里希Ⅰ的早期(約1.83-1.63萬年前)時的古水文氣候記錄分布圖。
      綠色圓圈代表濕潤氣候;白色圓圈代表干旱氣候;紅色箭頭代表夏季環(huán)流(SMC);藍(lán)色箭頭代表冬季環(huán)流(WMC);白色虛線為表層海水鹽度分布。SEC為南赤道流;ITF為印尼貫穿流。
      圖4 亞洲季風(fēng)區(qū)的熱帶低緯在海因里希Ⅰ的早期(約1.83-1.63萬年前)時的濕潤古氣候記錄
      該研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目、廣東省自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院南海海洋研究所十四五重大項目等支持。
      文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-40377-9 
      
    2023-08-07
  • 深圳先進院在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎治療研究領(lǐng)域取得新進展
    該研究基于新型基因工程細(xì)胞膜仿生技術(shù)合成了一種mRNA納米藥物,靶向治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(RA),該材料具有抗TNF-α和表達(dá)PTEN蛋白的作用,為聯(lián)合治療RA提供一種新的策略。
      8月1日,中國科學(xué)院深圳技術(shù)研究院醫(yī)工所轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究與發(fā)展中心張鵬團隊、生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與分子影像研究中心陳敬欽團隊以及龍崗區(qū)人民醫(yī)院王本國團隊聯(lián)合在Small Methods(IF=12.4)上在線發(fā)表題了為Genetically engineered biomimetic nanoparticles for targeted delivery of mRNA to treat rheumatoid arthritis的文章,該研究基于新型基因工程細(xì)胞膜仿生技術(shù)合成了一種mRNA納米藥物,靶向治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(RA),該材料具有抗TNF-α和表達(dá)PTEN蛋白的作用,為聯(lián)合治療RA提供一種新的策略。深圳先進院醫(yī)工所張鵬、陳敬欽,深圳市龍崗區(qū)人民醫(yī)院王本國為論文的共同通訊作者,深圳先進院博士生陳建海為論文的第一作者,深圳先進院為論文第一單位。
      研究采用了仿生膜作為載體遞送mPTEN進入滑膜細(xì)胞表達(dá)PTEN蛋白。同時通過基因工程在仿生膜表達(dá)TNF-α受體,使其在體內(nèi)捕獲TNF-α而具有抗炎作用(圖1)。制備的基因工程仿生納米粒(MR@P-mPTEN)能夠有效地靶向RA關(guān)節(jié)并傳遞mPTEN,克服了mRNA傳遞的不穩(wěn)定性。體外研究表明MR@P-mPTEN通過抑制AKT通路激活從而抑制滑膜細(xì)胞侵襲和血管生成。動物模型研究通過Micro-CT以及組織學(xué)分析等指標(biāo)證實MR@P-mPTEN具有緩解膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎(CIA)癥狀的作用。該研究為基因工程仿生納米顆粒成為治療RA的新方法提供了重要的實驗支持。       
      張鵬研究員團隊一直致力于通過多學(xué)科技術(shù)手段聯(lián)合應(yīng)用對RA的發(fā)病機制、創(chuàng)新診療等方面進行交叉學(xué)科的研究,先后在《Arthritis and Rheumatology》、《Advanced Materials》、《PNAS》、《Journal of Orthopaedic Translation》等知名期刊發(fā)表過相關(guān)成果。本次發(fā)表的成果得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、深圳市科創(chuàng)委國際合作研究項目、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院優(yōu)秀青年創(chuàng)新基金等的資助。       
      圖1.MR@P-mPTEN的合成和治療CIA機制。(A)MR@P-mPTEN的合成示意圖。(B)MR@P-mPTEN治療CIA的機制。MR@P-mPTEN競爭性結(jié)合TNF-α,然后將mPTEN導(dǎo)入滑膜成纖維細(xì)胞,誘導(dǎo)細(xì)胞表達(dá)PTEN蛋白。PTEN能夠抑制P-AKT的表達(dá),抑制成纖維細(xì)胞的侵襲、遷移、血管生成和自噬。       
      
    2023-08-03
  • 深圳先進院等基于解剖推理圖網(wǎng)絡(luò)提出器官手術(shù)解剖功能區(qū)域自動分割方法
    研究提出了一種新穎的分割框架-解剖關(guān)系推理圖卷積網(wǎng)絡(luò)。
      基于功能區(qū)域的解剖切除是一種非常有前景的手術(shù)切除方法,可有效減少局部復(fù)發(fā)、提高長期生存率。其中,器官解剖功能區(qū)域分割(將同一器官分割成多個解剖區(qū)域)可以定位腫瘤在子區(qū)域的位置、計算器官的術(shù)后殘余體積,從而幫助外科醫(yī)生制定解剖切除術(shù)前規(guī)劃。 
      然而,與器官分割相比,器官解剖功能區(qū)域分割更具有挑戰(zhàn)性:不同功能子區(qū)域間相似的HU分布,不可見邊界以及解剖標(biāo)志和其它解剖信息之間的相似性均會導(dǎo)致解剖功能區(qū)域自動分割存在子區(qū)域間的外觀模糊,這會直接導(dǎo)致下游臨床任務(wù)的失敗。       
      基于此,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所聯(lián)合國外團隊在子區(qū)域構(gòu)建圖的基礎(chǔ)上提出了一種新穎的分割框架——解剖關(guān)系推理圖卷積網(wǎng)絡(luò),該方法可以將子區(qū)域間固有的先驗解剖關(guān)系以鄰接矩陣形式編碼,將其嵌入到圖的中間節(jié)點,從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)模型的顯式學(xué)習(xí)。肝段和肺葉兩種解剖功能區(qū)域分割任務(wù)實驗驗證結(jié)果表明,基于解剖圖網(wǎng)絡(luò)的分割方法有效減少了子區(qū)域間的外觀模糊性。      
      相關(guān)成果ARR-GCN: Anatomy-Relation Reasoning Graph Convolutional Network for Automatic Fine-grained Segmentation of Organ’s Surgical Anatomy于7月30日在線發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics上,并入選該期封面文章。深圳先進院醫(yī)工所高級工程師秦文健博士與凱斯西儲大學(xué)教授李碩為論文的共同通訊作者,深圳先進院博士生田引黎為論文第一作者。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃項目資助等項目的支持。
      原文鏈接
      器官分割與器官外科解剖細(xì)粒度分割(FGS-OSA)。(a)器官分割。(b) FGS-OSA示意圖。(c)兩個FGS-OSA的例子:肝臟和肺的外科解剖功能細(xì)粒度分割 
      技術(shù)挑戰(zhàn)問題
      解剖關(guān)系推理圖卷積網(wǎng)絡(luò)原理示意圖      
      
    2023-07-31
  • 喀斯特坡面關(guān)鍵帶植物水分利用及適應(yīng)機制取得新進展
    喀斯特碳酸鹽巖在垂直方向上經(jīng)過強烈的溶蝕作用,使得降水通過巖石的裂隙分散入滲,形成以峰叢為主的巖溶地貌。巖溶作用使得喀斯特坡面土層淺薄,持水能力較差,加之沿坡發(fā)生土壤侵蝕,導(dǎo)致自下而上的巖土結(jié)構(gòu)、水分過程存在很大異質(zhì)性,從而造成了濕潤氣候條件下特殊的巖溶干旱現(xiàn)象。缺水少土的惡劣生境使得生態(tài)恢復(fù)工程開展近30年后,自然植被群落仍處于演替初期階段,沿坡植被群落受土壤水分有效性的影響。團隊近期研究發(fā)現(xiàn)(Luo et al., 2023),喀斯特植物蒸騰平均水齡極短(<30天),表明植物主要依賴由近期降水補給的水源。但坡面關(guān)鍵帶的水分變化如何影響植物的蒸騰作用和水分適應(yīng)性,需要深入分析群落建群種在坡面的吸水來源與蒸騰過程,明確植物沿坡面的水分利用模式,闡明植物應(yīng)對坡面缺水環(huán)境的適應(yīng)機制,評估植被恢復(fù)的可持續(xù)性。
      喀斯特碳酸鹽巖在垂直方向上經(jīng)過強烈的溶蝕作用,使得降水通過巖石的裂隙分散入滲,形成以峰叢為主的巖溶地貌。巖溶作用使得喀斯特坡面土層淺薄,持水能力較差,加之沿坡發(fā)生土壤侵蝕,導(dǎo)致自下而上的巖土結(jié)構(gòu)、水分過程存在很大異質(zhì)性,從而造成了濕潤氣候條件下特殊的巖溶干旱現(xiàn)象。缺水少土的惡劣生境使得生態(tài)恢復(fù)工程開展近30年后,自然植被群落仍處于演替初期階段,沿坡植被群落受土壤水分有效性的影響。團隊近期研究發(fā)現(xiàn)(Luo et al., 2023),喀斯特植物蒸騰平均水齡極短(<30天),表明植物主要依賴由近期降水補給的水源。但坡面關(guān)鍵帶的水分變化如何影響植物的蒸騰作用和水分適應(yīng)性,需要深入分析群落建群種在坡面的吸水來源與蒸騰過程,明確植物沿坡面的水分利用模式,闡明植物應(yīng)對坡面缺水環(huán)境的適應(yīng)機制,評估植被恢復(fù)的可持續(xù)性。
      針對以上問題,中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所陳洪松課題組依托環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站喀斯特關(guān)鍵帶平臺,于土石混合生境設(shè)置上坡和下坡兩個樣地(海拔高差約70m,水平距離約100m)。選擇典型的演替初期群落建群種鹽膚木為研究對象,其屬于演替先鋒樹種,沿坡面分布廣泛,是長期適應(yīng)喀斯特環(huán)境的鄉(xiāng)土樹種的代表。前期野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),鹽膚木根系在0-40cm土壤深度內(nèi)以橫向伸展為主,最長橫向伸展長度達(dá)3.5m,相近樹齡的上坡鹽膚木樹高和胸徑顯著低于下坡。本研究監(jiān)測了完整生長季內(nèi)0-300cm土壤-表層巖溶帶水分和氣象因子,分析鹽膚木水分來源和蒸騰速率,并探究沿坡蒸騰對大氣蒸發(fā)力和水分供應(yīng)的響應(yīng)機制。
      研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),上坡的土壤-表層巖溶帶平均含水量為0.084~0.194m3·m-3,僅為下坡的45.3~69.8%左右,沿坡水分供應(yīng)存在顯著差異;上下坡鹽膚木植物枝條水同位素相近,lc-excess偏負(fù),結(jié)合MixSIAR模型分析可知,沿坡面鹽膚木的吸水策略相似,均以利用0至60cm土壤水為主;上坡鹽膚木蒸騰速率和蒸騰量降低至下坡的一半左右。下坡土壤水分相對充足,植物蒸騰隨大氣蒸發(fā)需求的變化而改變,上坡水分供應(yīng)限制了植物蒸騰及蒸騰對大氣蒸發(fā)需求的敏感性。本研究表明喀斯特地區(qū)自然恢復(fù)的次生植物蒸騰多依賴土壤水,且不能通過吸收深層水補償由坡位效應(yīng)引起的蒸騰差異。本研究進一步揭示出土壤水分仍是影響西南喀斯特土石混合生境演替初期植被恢復(fù)的限制因子,植物在上坡通過降低蒸騰的方式適應(yīng)干旱環(huán)境。
      研究結(jié)果以Transpiration rates decline under limited moisture supply along hillslopes in a humid karst terrain為題,發(fā)表在1區(qū)Top期刊Science of the Total Environment上。研究得到國家自然科學(xué)基金重點基金(41930866)、青年基金(42107103)、中科院青促會優(yōu)秀會員[Y2022095]等項目的支持。
      論文鏈接
      坡面植物水分利用模式概念圖
      不同坡位植物對各水源的利用比例
      植物蒸騰對大氣蒸發(fā)需求和水分供應(yīng)的響應(yīng)機制
      
    2023-07-27