看到Nature投稿系統(tǒng)顯示“接收”的那一刻，北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院教授彭書時不禁感慨：那顆11年前擊中他的“子彈”，終于有了回響。
2014年，彭書時在法國氣候與環(huán)境變化實驗室（LSCE）做博后。那是他在實驗室平平無奇的一天，電腦屏幕上一條與二氧化碳季節(jié)變化趨勢相似的甲烷曲線引起了他的注意。一個想法“蹦”了出來：“是不是因為大氣中的羥基自由基（OH）增加了，所以增強了熱帶地區(qū)甲烷季節(jié)振幅？”
他激動地沖到時任LSCE實驗室負(fù)責(zé)人之一、甲烷收支領(lǐng)域的知名科學(xué)家Philippe Bousquet的辦公室：“您能給我五分鐘嗎？我們喝杯咖啡聊聊。”然而，由于缺乏大氣OH增加的數(shù)據(jù)支持，他沒能說服Philippe，只好將這個想法擱置。
11年后，在北大任教的彭書時帶領(lǐng)博士生劉剛，為這個擱置多年的設(shè)想畫上了圓滿的句號——在最新發(fā)表的Nature論文中，他們首次揭示了過去40年甲烷濃度增長背后的驅(qū)動機制，填補了甲烷排放端“源”和清除端“匯”演變機制的關(guān)鍵空白。
彭書時（左）與劉剛。受訪者供圖
對39歲的彭書時而言，這篇論文是他在甲烷研究“拼圖”中補上的重要一塊，也是他首次指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表于Nature正刊；對27歲的劉剛來說，這是他從學(xué)生向獨立科研工作者過渡的重要里程碑，也是他堅定科研道路信念的關(guān)鍵一役。
解決一個關(guān)鍵爭議
彭書時團(tuán)隊的研究對象，是全球變暖的第二大“推手”甲烷。甲烷對全球變暖的貢獻(xiàn)高達(dá)30%，近年來不斷被推向全球氣候治理談判桌的前沿。
“為什么要減排甲烷？最根本的原因是它的‘壽命短、變暖潛力大’。”彭書時解釋說，“甲烷在大氣中的壽命為8到12年，相比二氧化碳存在百年的滯留期少一個數(shù)量級；但在百年尺度上，它的增溫效應(yīng)卻是二氧化碳的28倍。”正因短期內(nèi)減排甲烷的效果立竿見影，甲烷減排得到了各國政策制定者的廣泛支持。
各國科學(xué)家也紛紛對大氣中的甲烷展開研究。但在過去20年，一個關(guān)鍵爭議始終沒有定論：究竟是什么主導(dǎo)了大氣甲烷濃度的變化？
早在11年前，這個問題就引起了彭書時的注意。當(dāng)時，他剛剛完成一項關(guān)于二氧化碳季節(jié)變化振幅（SCA）的研究，出于好奇，他用相同方法分析甲烷的季節(jié)變化數(shù)據(jù)，卻發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的現(xiàn)象——甲烷的季節(jié)性變化在不同緯度呈現(xiàn)出截然不同的趨勢。
“在熱帶地區(qū)，甲烷的季節(jié)振幅明顯增加；而在高緯度地區(qū)，卻是減少的。相比之下，二氧化碳的季節(jié)性振幅在不同緯度都是增加的。”他說。
這個不尋常的現(xiàn)象令彭書時非常興奮。他隨即帶著圖表找到了LSCE實驗室甲烷“源-匯”收支研究的領(lǐng)域奠基人之一Philippe Bousquet，圍繞大氣中負(fù)責(zé)清除甲烷的“清道夫”——OH展開討論。
然而，這場對話最終沒有達(dá)成共識。“我認(rèn)為甲烷變化的背后可能與大氣中OH的增加有關(guān)。但Philippe并不認(rèn)同，他堅持OH濃度變化不顯著的觀點。我無法說服他。”彭書時回憶說。
彼時，由于缺乏OH濃度變化的數(shù)據(jù)和合適的甲烷大氣傳輸模擬工具，他只好將這一猜想暫時擱置。
直到2020年，一場全球性的疫情封控，才意外地為這個問題帶來了新的線索。那一年，全球人類活動驟減，甲烷的排放隨之下降。但奇怪的是，大氣中的甲烷濃度反而上升了。
“人類的交通出行和工業(yè)生產(chǎn)活動是產(chǎn)生氮氧化物的主要途徑，后者是生成OH的重要物質(zhì)。當(dāng)時，我們通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人類污染物大幅減少后，OH也隨之減少。OH少了，甲烷就留在了大氣中。”彭書時說，“這個結(jié)論于2022年12月順利發(fā)表在Nature上。”
也正是這項發(fā)現(xiàn)，讓彭書時重新想起了2014年法國博士后期間因故擱置的一個關(guān)鍵設(shè)想。
此后，經(jīng)過3年深入攻關(guān)，在今年發(fā)表的新研究中，彭書時和團(tuán)隊終于將設(shè)想落地——他們從甲烷的SCA的觀測趨勢中提取線索，借助一系列大氣傳輸模型模擬，聚焦于甲烷的“源”和“匯”，首次系統(tǒng)性地厘清了過去40年大氣甲烷濃度變化的主要驅(qū)動機制。
“我們這項研究共有兩個重要發(fā)現(xiàn)。首先，我們首次在大尺度上證實了，北半球高緯度地區(qū)甲烷濃度振幅減小源于甲烷自然源排放與氣候變暖之間存在‘越暖越排、越排越暖’的正反饋關(guān)系。”彭書時解釋說，“其次，我們發(fā)現(xiàn)在過去40年間，熱帶地區(qū)甲烷濃度的季節(jié)性振幅之所以增大，主要是因為大氣中OH的濃度上升了約10%。”
彭書時團(tuán)隊最新發(fā)表的Nature論文。受訪者供圖
“天時、地利、人和”
彭書時告訴《中國科學(xué)報》，由于地球系統(tǒng)的復(fù)雜性，任何一個要素的變化都會引發(fā)“蝴蝶效應(yīng)”，要想真正厘清甲烷“源-匯”變化的驅(qū)動機制，并非易事。
研究伊始，由于之前在二氧化碳研究中積累了成熟的建模經(jīng)驗，彭書時想照搬二氧化碳的模擬方法。這套方法建立在“因子實驗”的基礎(chǔ)上，即在模型中設(shè)定兩個“平行地球”——一個包含甲烷人源排放，另一個則將排放設(shè)為零，兩者差值即為人為因素的貢獻(xiàn)。這一邏輯曾在解析二氧化碳的源匯變化中“屢試不爽”。
但很快，他們就發(fā)現(xiàn)“套公式”行不通。“在一些地區(qū)，甲烷受傳輸?shù)挠绊懱貏e大。”彭書時說，”部分地區(qū)排放源變化與傳輸有強烈的交互作用，僅靠本地因子根本無法解釋其季節(jié)性變化。“
要解決這個問題，必須引入更真實的大氣物理過程和跨區(qū)域傳輸機制。在彭書時看來，能最終完成這項研究，離不開“天時、地利、人和”的共同促成。
如果說，疫情期間意外揭示的甲烷排放線索是難得的“天時”；那么，同校的北大物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系研究員沈路路的加入，則為團(tuán)隊提供了寶貴的“地利”和“人和”。
“我與沈老師是在一次院系交流活動中認(rèn)識的。當(dāng)時聊起這個課題，他特別有興趣，就一拍即合開展了合作。”彭書時回憶說。借助沈路路提供的大氣化學(xué)傳輸模型工具，研究團(tuán)隊終于模擬出甲烷在不同區(qū)域、不同季節(jié)間的復(fù)雜遷移與匯合，為后續(xù)一系列模擬實驗奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
而真正讓這套復(fù)雜模型“跑起來”的，是論文第一作者、彭書時課題組的博士生劉剛。
“2022年春季開始研究這個課題，從2023年暑假我就開始跑模型數(shù)據(jù)了。當(dāng)時真的每一周都‘不安生’。”劉剛笑著回憶說。
由于模型運行一次就需要七天，每次提交任務(wù)后，劉剛都要焦慮地等待一周才能看到結(jié)果。如果結(jié)果不符合預(yù)期，又意味著一切歸零。連續(xù)數(shù)月，劉剛幾乎天天熬夜，凌晨兩點入睡成了常態(tài)。一個核心模擬結(jié)果，從啟動到優(yōu)化完成，前后花了將近半年時間。在成百上千次的嘗試后，團(tuán)隊最終實現(xiàn)了與實際觀測高度吻合的模擬結(jié)果。
2023年12月，在國際地球物理聯(lián)合會（AGU）會議上，他們帶著初步成果向眾多頂尖科學(xué)家展示了這項工作，收獲了同行高度的積極反饋——“這篇文章應(yīng)該投稿到Nature或Science”。
在與同行進(jìn)行細(xì)致討論后，劉剛將論文進(jìn)行了28輪反復(fù)修改，于2024年7月投遞至Nature編輯部。兩個月后，正逢國慶節(jié)前夕，研究團(tuán)隊收到了審稿意見。“3位審稿人都給出了積極的評價。”彭書時回憶說。
盡管如此，審稿人也提出了大量細(xì)節(jié)問題，要求團(tuán)隊進(jìn)一步完善。那年國慶節(jié)，為了對審稿人提出的所有問題逐一響應(yīng)，并協(xié)調(diào)合作者溝通修改思路，劉剛有4天幾乎徹夜未眠。
最終，團(tuán)隊提交了一份54頁的審稿回復(fù)，涵蓋幾乎所有模型參數(shù)、數(shù)據(jù)來源和邏輯假設(shè)。今年3月，該論文正式被接收。
研究一個重要的問題
當(dāng)再次回顧這項研究，彭書時指出，地球是一個高度耦合的系統(tǒng)，不能“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”，要解決復(fù)雜的環(huán)境問題，必須依靠跨學(xué)科的合作。他坦言，能夠推動這項工作取得突破，交叉學(xué)科合作不可忽視。
“其實我也很奇怪，11年前我把那個圖拿出來給大家看，大家都不覺得這是個重要問題。”彭書時回憶道。現(xiàn)在細(xì)想起來，之所以無人重視這個問題，是由于相關(guān)領(lǐng)域的研究者彼此缺乏真正的跨界合作。
“很多做甲烷研究的人缺乏大氣化學(xué)背景，他們關(guān)注的是排放源，不太考慮大氣中的反應(yīng)過程；而專注大氣化學(xué)的研究者又對排放數(shù)據(jù)缺乏信心，也不愿貿(mào)然涉足。”彭書時說，“兩邊可能都想到了同一個問題，卻沒人真正結(jié)合起來做。”
正因如此，取得這項成果，離不開地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、大氣化學(xué)等多個學(xué)科的深度協(xié)作。只有打通這些環(huán)節(jié)，才能拼出完整的科學(xué)圖景。
而這種對研究領(lǐng)域復(fù)雜問題的深刻洞察與見解，離不開彭書時的跨學(xué)科成長背景與長期積累。
彭書時本科畢業(yè)于武漢大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，2006年保研直博進(jìn)入北京大學(xué)。博士階段早期，他大部分時間都撲在生態(tài)研究的野外調(diào)查和溫室氣體排放觀測上。直到2009年，他的研究方向逐漸轉(zhuǎn)向生態(tài)遙感和陸面模式。
2012年博士畢業(yè)后，彭書時先后在法國冰川與自然地理環(huán)境實驗室（LGGE）和LSCE從事博士后研究工作。在這段時間里，他系統(tǒng)拓展了對陸面過程模型、大氣模型、溫室氣體源匯過程的理解，也為日后獨立開展研究打下了堅實基礎(chǔ)。
2015年6月，29歲的彭書時結(jié)束博士后研究工作回國，以預(yù)聘制助理教授的身份正式回到母校任教。
然而，回國的前幾年并不輕松。進(jìn)入終身教職體系，意味著成果與評估高度掛鉤。
教職初期，由于沒有學(xué)生，興趣廣泛的彭書時把自己當(dāng)成了一個“超級博士后”。他嘗試了多個研究課題，但卻沒有“拿得出手”的成果。直到2018年，他才“猛然”意識到必須要給學(xué)校、給同行一個交代，證明自己“值得”留下來。
自那一年開始，彭書時開始專注于甲烷研究。他從濕地出發(fā)，逐步延伸至整個甲烷排放研究，就像拼拼圖一樣，一塊塊填補領(lǐng)域空白，搭建起系統(tǒng)認(rèn)知的鏈條。
“我的策略是收縮——做一個重要的問題。”彭書時說，“人的精力總是有限的。做科研不能什么方向都想做，做一個方向就好。”
找到自己的生態(tài)位
如今，彭書時已在北京大學(xué)深耕甲烷研究10年。在這期間，作為研究者，他在甲烷研究領(lǐng)域建立起了自己的“生態(tài)位”；而作為導(dǎo)師，和科研并行推進(jìn)的，還有他對人才教育培養(yǎng)的探索。
當(dāng)被問及“選擇學(xué)生時，最看重什么品質(zhì)”，彭書時坦言：“首先是好奇心，其次是做科研的自我驅(qū)動力。那些簡歷看起來特別“亮眼”的，又是學(xué)生會主席，又發(fā)了SCI文章，在我這里反而行不通。”
在他看來，本科階段更應(yīng)該培養(yǎng)對世界的好奇心和探索精神，而不是過早地卷入“成果導(dǎo)向”的科研任務(wù)中。“本科階段的時間本就有限，如果把幾乎所有精力都投入一個固定科研任務(wù)中，去寫文章、改論文，這種完成周期很長的工作很容易消耗一個人最寶貴的科研熱情。”
此外，與一些強調(diào)“硬性產(chǎn)出”的課題組不同，彭書時從不以論文數(shù)量作為評判學(xué)生的核心指標(biāo)。
在彭書時看來，科研從來不是一場“競速賽“，而是一個尋找自我節(jié)奏與生態(tài)位的過程。“有的樹長得快，有的樹長得慢，但長得慢的未必不結(jié)實。每個人都有自己的節(jié)奏，不能要求所有人都變成所謂的‘六邊形戰(zhàn)士’，什么都得強。”他說。
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08900-8
本文鏈接：28次論文修改、54頁審稿回復(fù)，北大師生用3年啃下領(lǐng)域“硬骨頭”http://www.sq15.cn/show-11-24820-0.html
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