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砥砺前行 做生态学领域的探索与开拓者

——记仲恺农业工程学院黄玉源教授

夏天    2019-11-22 16:24:51   

绿色被誉为生命的颜色,而生态领域的绿色,则是更加广义的概念,从植被到环境再到城市生态,绿色的概念得到了更广泛的延展,而仲恺农业工程学院学科带头人黄玉源教授正是生态领域的探索者和开拓者,他的研究,为我国生态学的发展及生态环境的保护与建设做出了突出的贡献。

黄玉源教授主要从事生态学、植物系统与进化方面的研究,主持2项、参加了6项国家自然科学基金项目,主持30多项、参加10多项省市级及其他各类科研项目的研究,取得了丰硕的科研成果。

 

黄玉源教授

 

潜心探索 书写环境生态与植被生态科研成果

提起黄玉源教授,与之工作过的同事及同行,都对其赞不绝口,他是我国率先开展多领域探索的学者之一。环境生态学与植被生态就是其早期的探索领域,他对环境生态学的相关研究是从20世纪80年代开始,先是主持进行了植物叶片类型、结构与吸收净化大气污染物及抗性特点关系的实验研究项目;接着陆续开展了山地植物群落生态学、城市园林植物群落结构特征差异与其调节小气候、净化和消减大气污染物关系的研究;同时对多种植物进行了许多的SO2、O3、酸雨等污染物熏气等实验处理,对叶片的外部症状及内部组织结构伤害症状、抗性强度,植物生理生化指标的变化规律进行测定与分析研究。

在城市园林植被与生物多样性方面,黄玉源教授是我国最早开展城市植物群落生态学研究的学者之一,为了开展该领域研究,他采用了与山地植物群落结构一样的测定研究方法和植物多样性的研究方法;并在植物群落结构特征差异对城市的温度、湿度、光照、噪声、风速的影响作用方面开展了许多研究。他带领的团队在对许多个市县上述方面研究的成果表明,凡是的层次多、而且亚层较多,植株高度、胸径、冠幅、密度、盖度大,自然发育和造型,不做人工修剪,其空间枝叶比率高的植物群落,其林内的温度表现出典型的冬暖夏凉的特征,湿度大、光照强度明显低,降低噪声效果好,风速适宜;区域的舒适度指标高;而且,研究表明,植物多样性高的群落,其结构特征会明显好于多样性低的群落,构成了正的相关关系,两者相辅相成。

同时对大气污染物及PM2.5、PM10的消减和吸收净化作用的研究方面取得突破。用封闭式熏气箱污染试验的实验结果表明,随着污染处理时间的增加,植物吸收PM2.5的量会明显增加。各种植物吸收PM2.5的量一般在2小时的时间里,从2株吸收量大多数为65~115μg/m³之间,到4株的吸收PM2.5的量大多数为90~130μg/m³,而到10株时,大多数植物其吸收量可达到120~175μg/m³的范围;各季节植物吸收净化PM2.5能力的顺序基本表现为:夏季>秋季>春季>冬季,并指出:植物的叶片上密布的很多的气孔,而且其开度一般在3.5~9μm之间,远大于PM2.5物质的直径,因为PM2.5物质是也含了PM1.0、PM0.5及PM0.2等这些直径等于及小于1.0 μm、0.5 μm和0.2μm等物质的,因此PM2.5污染物可以很容易地通过植物的呼吸作用等从其气孔进入叶片组织内,参与各生理生化作用而被吸收。该项研究还反映出植物吸收PM2.5的能力与不同季节里气温的高低有直接关系的特点,即植物在气温较高或者合适的温度条件下,其生理代谢能力强,而形成了更强的吸收净化PM2.5的能力,是植物主动吸收大气中PM2.5的一个主要特征的表现。

与此同时,黄玉源教授还开展了大量的山地植被生态学研究,根据对研究结果的分析,提出:自然林或经过长期自然恢复的林地,其结构和生物多样性明显高于受到人为干扰的半自然林及人工林,而这些指标半自然林又好于人工林。而且,所谓的对林地进行片伐等人为干扰后能提高群落的植物多样性则基本都是暂时的,而且新加入的种类基本为灌木层和草本植物为主,而且植被结构被破坏,生态效益大幅降低。而随着演替的进行,以后植物多样性还是会恢复到人为干扰之前的多样性水平。因此,是不可取的。而这类行为可能增加多样性的情况在草原群落适当有些作用。这些对于国际上仍在争论的哪类群落多样性高,以及对于本来就很好的自然林及半自然林进行人为砍伐式干扰是否有利于多样性提高和群落的结构优化的问题提供了重要的依据和理论参考。同时指出,对于优势种优势度很强的纯人工林来说,则可以采取人为干扰的方法,种植其他当地自然种类以增加生物多样性。同时还研究了植物群落结构、多样性与景观特点、效果的相互关系。为各地取得生态效益和景观效益同步发展和最优化的效果方面提供了依据和参考。在山地和城市植物群落生态学的研究中提出了群落重要值的概念、计算方法及公式,对于掌握区域内各群落间的相对重要性及其发挥的作用等方面具有重要意义;在植物多样性方面提出了新的科、属α-多样性和β-多样性计算公式,并进行了较多的应用。

这些研究成果为我国在这些领域的生态学研究提供了重要的理论基础,对各地山地自然林和半自然林植物群落结构的保护和优化,提高其植物多样性,改造和优化人工林结构和增加其生物多样性方面,以及改进和优化城市植物群落的布局、结构组成、生物多样性,构建景观优美、环境优质的生态城市方面具有重要的参考意义。

 

投身生态监测测定与研究 打造国际领先水平

生态环境的发展,离不开有效的监测与评价,在2006年,黄玉源教授接受了一项委托——为深圳市环境监测中心站进行技术设计和策划,撰写项目立项申报书,并与合作单位共同建立了全国第一个多监测站点的全方位指标的生态监测网络系统,率先开展生态系统中最为关键的组成部分的监测和评价,动态跟踪,提出改善和优化的策略,让环境监测从过去的只进行大气、水、土壤的环境污染物监测迈入更加全面的动态监测领域。

他陆续全面开展了深圳市的植物群落种类组成、结构与生物多样性研究;动物种类组成、分布与生物多样性的研究;植物群落结构特征与土壤微生物的关系的生态监测与研究;同时对各监测网络站点的土壤结构、成分等进行测定分析。研究路径采用了植被生态学、种群生态学、生物学特征分析等方法,而且采集大量的植物标本和主要的动物标本进行装订、鉴定和分类,建立了植物、动物标本数据库和土壤标本库。当时国际上仅少数几个同时开展这方面工作的发达国家在生态监测和研究方面采用同样的方法,甚至现在也还是少数发达国家在开展此项工作,且没有见到方法上的突破,黄玉源教授是我国最早全面开展生态监测测定与研究工作项目的技术负责人,同时,他还提出和采用了多项新的研究和评价方法和策略。在这方面的研究一直处于国际领先的水平和地位。

为了实现更准确的监测,他与合作单位科技人员一起,走遍了深圳市的主要名山,如大南山、小南山、七娘山、羊台山、田心山、排牙山等丛山峻岭和部分代表性街道区域,共开展180多个植物群落的结构特征与生物多样性研究,以部分固定的生态监测站点为中心,连成一个系统的网络,掌握各处的植被组成、结构和植物多样性特点,相互的关联性,分析影响其特征的主要因素。深圳市生态监测的测定与研究工作,为我国的生态监测工作打下了重要的基础,起到了良好的示范作用。

 

深入研究  水域和湿地生态学领域获突破

生态体系包含多项内容,同为生态研究,各研究间又存在着千丝万缕的联系,因此,黄玉源教授也同时对水域和湿地生态领域发起了攻关。

众所周知,农业是一个国家的基础产业,中国有句话,叫民以食为天,但水中重金属和有机污染物却能对农田及食品安全方面产生严重的影响,因此,黄玉源教授对该领域开展了大量的研究工作,他对广州石井河一带的水、土壤和农作物携带的Pb、Zn、Mn、Hg、Cu、Cr、Ni、Se、Cd等重金属和多氯联苯、苯酚等有机污染物进行了分析测定,对这些污染物对农作物的负面影响也进行了分析。对如何采取生态工程措施进行水污染控制、改良和优化农田生态系统等方面进行了理论分析研究;与此同时,对无机磷污染物在水中多种浓度对水生植物的各主要生理指标和组织结构的影响也开展了研究。对于水域磷的浓度控制及对水生态系统的干扰,以及水生植物对底泥和水中磷污染的适应程度及在高富营养化水域中吸收净化磷元素的作用进行了分析与评价,为制定维护水域生态系统的策略提供了理论参考。

他还对珠江主河道的金沙洲至大坦沙岛河段、滨江中路河段的水中氨氮等污染物含量及多种处理技术措施进行了对比研究。

黄玉源教授还研究了红树林的群落结构的特征与生物多样性特点,开展了对深圳市多个区域的红树林群落结构的生态学数量指标、生物多样性,以及不同群落结构特点与景观效果关系方面的研究。对其群落的状况和生态系统健康状况、红树林对沿岸海水的净化作用、提高海水水质及发展趋势等进行了综合评价和分析,为深圳的经济开发与沿海生物群落和多样性的保护及生态系统的恢复方面提出了重要的参考意见。

2002年,他带队对南宁市可利江和相思湖进行研究考察,提出把河流及湖沿岸进行污水截污,之后把其作为一个水生态系统恢复和建设,而不是把河流当做排水沟;种植各类水生植物,以高等水生植物进一步净化水中污染物,提高由于截污后污水处理厂处理后的一般出水质量仅为Ⅴ类水的水质(虽然比处理前的劣Ⅴ类水在水质成分含量上好很多,但仍为严重污染的水质),以达到Ⅲ类水及以上等级的良好水质;同时增加水里的鱼、虾等水生动物数量及生物多样性,使得水面更多的鸟类,形成很好的生物多样性和优美的景观。该策略被南宁市政府采纳,取得很好的生态与经济效益。

2008年11月至2009年2月,黄玉源教授多次向有关部门提出在广州的主要河涌直接种植各层次水生植物,利用植物的吸收净化能力进行多级、深度净化水污染物,与其他工程措施相结合,从而达到珠江及各河涌水真正清澈,并形成良好的水生态系统的建议和主要的策略,受到广州市相关政府部门的重视,并获得积极推进。

生态环境治理工作极为复杂,要因地制宜,不同的生态环境,要制定不同的治理措施,比如,在海域环境生态与效益方面,黄玉源带领其研究团队对深圳湾海域的地理、环境变迁和其生态、旅游经济、心情与心态、文化特色的保持和传承等效益方面进行了综合的分析后,认为深圳湾的水质污染、填海造成的面积缩小、海床上抬、红树林被破坏、海鸟和其他海洋生物种类和数量的减少,景观的单一和退化、以及海洋动物尤其是蚌、螺及鱼类的污染物含量增加等给深圳的城市小气候、旅游经济和文化构的负面影响,并预测如果不进行大力整治,即便不再进行填海,约50多年后,这个给人们留下极为美好印象的、几千年来香港与大陆隔海相望,两岸红树林密布、造型优雅、海鸟群集欢跃的海湾将被几条连入海湾的河溪中的泥沙淤积而填平。因而,他提出严禁任何一寸的填海行为,并对海湾进行定期清淤,加强保护沿岸红树林等治理的有效措施,受到社会的广泛关注,其主要策略均被深圳市政府采纳,已陆续获得好的效益。

 

植物系统与进化研究 取得基础原创成果

黄玉源教授在植物系统学与进化研究方面开展了较多研究,具有多项重要的科学发现成果:

1.首次在现存最原始的裸子植物苏铁类植物中发现了导管。这项发现立即引起国际学术界的高度重视且极为关注;

2.在银杏纲、松柏纲等除买麻藤纲以外的所有的裸子植物纲的植物中发现了导管。以往理论认为只有进化的被子植物才有导管,而原始的裸子植物中仅有最进化的买麻藤纲才有较原始结构的导管,其它所有各纲的裸子植物均没有导管只有原始的管胞。上述系列研究成果,对于这一理论是一个重大的突破。由于导管输送水溶液(含无机营养及有机营养物质)的能力是管胞的50至100倍,因此,黄玉源教授这些系列研究发现,对于揭示古老植物及裸子植物对逆境的适应和进化方面的机制等理论方面具有很重要的意义,对于植物学、生态学等研究方面也具有很重要的意义;

3.发现了维管植物新的中柱类型,即双维管束中柱(双维中柱);

4.新的孢子类型,长短轴4裂缝型;

5.新的维管束类型,双木维管束;

6.新的木质部分化方式,圆周向两端式。

在约26万种维管植物中,以往的研究发现共可被归纳为9种中柱类型,其它的各类型也是仅仅为几种至20多种。因此,这些发现对于植物系统发育及与结构的关系、生物进化与生物多样性研究方面具有很重要的意义。

 

注重全方位生态 首提生态城市与生态工业重要战略

在黄玉源教授看来,生态应该是全方位的,因此,他在生态经济学的领域,也有诸多研究成果问世。其实,早在1997年,黄玉源教授就在参加的“首届全国企业可持续发展研讨会”提交执笔撰写的论文中提出:在符合生态学要求的地理位置,即当地各季节主要风向的风均不能把各企业的各类烟尘等污染物带到城市建成区域的地点建立大型的工业园,把各地城市混杂在市区各处的各类工业企业大规模地搬迁进去;各企业按照相互关系重新组合成物料和产品相互关联的企业链、环及网,在工业园内建设大型工业废水处理厂,集中处理工业废水,各企业努力建成低污染、无污染的生态企业;把各街区大批工厂搬迁后让出的区域,建成商业、文化、生活住宅、旅游及管理等部门运作的区域,从而大幅减少、甚至彻底消除城市中由于各处各方向都有工厂而造成的大气、水和废渣等污染,进而把各地城市建设成为商业和旅游经济发达、文化丰富繁荣、人居环境优美,工业企业有更好的发展空间,建设经济与生态效益共存的生态型城市。这一重大策略在会上被黄玉源教授系统、全面地提了出来,在全国属首次,该研究成果多次获得国家级学会和有关部门的成果奖。策略提出后立即被全国各地乃至其他部分国家和地区陆续采纳和应用。对实现生态、经济与社会协调、高效、可持续发展目标做出了重大贡献。

之后,黄玉源持续关注生态城市和生态工业,他多次为广西、广东两省撰写报告,在生态工业、区域产业布局调整和如何构建社会、经济和生态协调发展格局方面提出了重大的策略,均被全部采纳,取得了很好的、重大的效益。在关于南宁市的报告中提出,改掉原来计划在城市南面大沙田区域这个最不符合生态学要求的地理位置设立的大型重工业为主的工业园的方案,把该区域建成居住、文化和商贸的区域;同时,把市内绝大多数的工业企业陆续搬迁到城外的距城区较远的符合生态学原理的地理位置的工业园中,把让出的区域建成旅游、观光、文化、行政、居住和商贸区域,实现各项产业、事业与工业企业的相互促进,协调、蓬勃发展。这一重大策略受到自治区主要负责人和南宁市政府高度重视,被全面采纳。

提出要把南宁市西部的相思湖区域建成科技、文化和商贸共同繁荣的生态经济区,与东部琅东区域繁华的商贸新区形成对称的格局,拉动位于中间区域老城区及全市平衡发展。这一提案获得市党委和政府的高度赞誉,全面采纳,为南宁市全市的平衡发展,经济和生态协调、全面、跨越式发展方面起到了重要的作用。这些成果也为后来南宁市获得“迪拜国际改善居住环境最佳范例奖”和“联合国最佳人居奖”等荣誉做出了重要贡献。

2008年,黄玉源教授为广东省的区域生态发展,提出议题,并执笔撰写了《推动构建粤港澳经济合作区,加快三地经济从合作迈向融合》的政协提案的初稿和最主要的内容,提案中提出把当时分布在珠三角的各类众多的技术含量低、污染严重的企业全部进行调整,大部分搬迁到粤北、粤东和粤西的产业少、生态容量大的地区,改善那里的产业较少的状况,解决全省发展不平衡的问题;同时所要搬迁进驻的地区也应该按照生态经济学原则建立工业园,产业要进行技术升级,最大限度地减少对当地的污染,促进当地经济、社会与文化方面的发展。同时,疏解当时珠三角地区因粗放型经营,产业过于密集造成的灰霾很严重的环境污染问题;保留部分高技术含量的产业,同时,进行技术改造和升级,对产业的工艺进行更新、重组,引进和发展高科技含量的、极低污染或无污染的企业,进而实现当地工业的生态化,实现大气、水等环境的改善和优化。

同时,加强粤港澳在高技术和金融等方面的合作,加快港珠澳大桥的建设;加快帮助澳门实现产业的多样化,促进其经济的多元化,以更好确保其能够形成较稳定的产业结构而稳步发展等重要策略。该提案受到广东省委、省政府的高度重视,被全面采纳,获得广泛好评,并获得广东省政协优秀提案奖。

这个提案中重大策略的实施,为立刻消除当时困扰珠三角地区几年的严重灰霾污染问题,为后来10多年珠江三角洲地区的产业结构调整、转型升级、工业布局的调整,走新型、绿色经济发展道路,在全国树立好的具有带头作用的榜样,以及改进广东与港澳全面合作的方式及提高效益,为广东的经济、生态和社会协调发展方面做出了重大贡献。提案获得了中央统战部、人力资源和社会保障部及8个民主党派中央委员会和工商联主办的“为全面建设小康社会做贡献表彰评比活动”的“建言献策成果奖”。

黄玉源教授认为,生态城市与生态工业密不可分,只有生态工业达到一定高度,生态城市的建设与发展才能更进一步,因而,两者的关系是相辅相成的。这也是他强调技术升级的根本出发点。

 

创新思维 提出人工多层立体空间生态系统新构想

黄玉源教授在其著作中提出:建设多楼层的农作物、草地、木本植被以及动物养殖和自由进出的生态系统区(各楼层可以是步行通道及电梯连接),这样就可以大幅度地增加可利用的土地面积,缓解今后人口增加带来的土地和植被、粮食缺少的压力,为人类可持续发展提供保障。这个理念经过近10年的传播和影响,目前一些机构正在积极研究,解决多楼层动植物空间生态系统最难解决的底部和中间楼层的光照问题。因为如果下面的楼层解决了不用依赖太阳的直接照射,而同样能满足植物生长对光能需要问题的话,则这个理论构想就可以全部实现。值得一提的是,目前我国已经研究出只用人工提供的光能(通过风能、水能等多种途径发电形成电能后提供光能),即可满足部分农作物生长发育的重大科技成果。因此,给此项计划的实施提供了很好的基础和发展前景。

在生态农业方面,他在地方政协的支持下,通过调查研究,在2001年负责撰写的全国政协大会的集体提案中,提出了在全国范围内全面铺开生态农业的技术措施和经营策略等相关的真知灼见;在农业部的回复中给予了高度的重视和赞许;同时,在生态农业研究方面,进行了农作物对水、土壤中重金属和其他污染物的吸收、受害程度比较研究;采用生态农业方式耕种的土壤与采用无机农业耕种的土壤结构、成分和肥力,以及农产品质量等方面的比较研究。

黄玉源教授的上述大量研究成果获得了国际学术界的重视和好评。多个国际最权威学术团体主办的国际学术大会曾多次邀请他前去做学术报告,如获得邀请出席由国际生物科学联盟(IBUS)、国际植物学与真菌学联盟(IABMS)联合主办的“第18届国际植物学大会”(I B C)并在会议上做口头报告;由国际生物科学联盟主办的“第31届国际生物科学暨生物产业大会”并做口头报告;由世界自然保护联盟(IUCN)苏铁专家组主办的“国际苏铁生物学会议”并做口头报告等。

黄玉源教授的大生态世界已经建立,而他正在用自己的科研成果,一点点丰富这个世界,他的生态故事和精彩文章仍在继续书写……

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