宋青峰申報(bào)的“植物工廠蔬菜光合效率檢測(cè)機(jī)器人”成功入選2021年啟明星（C類）計(jì)劃，他成為啟明星大家庭的一員。約宋青峰做啟明星采訪緣于2022年6月30日召開(kāi)的雙碳主題的啟明星論壇。宋青峰那天報(bào)告的關(guān)鍵詞是植物冠層光合效率、植物表型組和碳中和，他報(bào)告中曬出的幾張?jiān)诖筇锏闹参锶S光合表型系統(tǒng)照片甚為矚目。會(huì)后我就約宋青峰去他們位于松江五厙的基地看看并對(duì)他作啟明星采訪。

40 ℃高溫?zé)o法阻擋做科研的熱情

7月13日（那天是上海入夏以來(lái)第二個(gè)高溫極值日，最高氣溫40.9 ℃?。┪掖钶d青峰的車去松江。宋青峰穿著所里公眾開(kāi)放日給科普志愿者發(fā)的橙色T恤衫，比我在照片上看到的樣子更精神、健碩。我們首先在位于松江基地的水稻試驗(yàn)田里看了他們?cè)苑N的水稻，這片幾百平方米面積的水田里水稻秧苗已有2～3寸長(zhǎng)，每株苗邊都插有標(biāo)記，再過(guò)幾周他們就要進(jìn)行水稻冠層光合氣體交換測(cè)量。因?yàn)榭崾?，試?yàn)田里見(jiàn)不到人，但是在農(nóng)田邊上的兩處平房里此刻卻有十多位科研人員在進(jìn)行各種操作和計(jì)算，青峰告訴我，這些年輕人大都有各種課題任務(wù)，為了早日得到研究數(shù)據(jù)，40 ℃酷暑并不能阻擋他們，其中有一位來(lái)自北京中國(guó)農(nóng)大的研究生說(shuō)因?yàn)榭粗剡@里的科研條件，能學(xué)到東西，所以專程趕來(lái)了。

那年暑期他隨母親鋤了一個(gè)夏天的草

1986年出生的宋青峰是在吉林松原農(nóng)村田間長(zhǎng)大的孩子，父親是小學(xué)教師，母親是農(nóng)民。除了上學(xué)，他的很多時(shí)間就是隨母親干農(nóng)活。家里30畝地，因?yàn)殡x水源地遠(yuǎn)一些，主要種的是飼料玉米，“我小時(shí)候就挎著小籃子跟著母親下田播種，走一步撒一顆種子，剛干覺(jué)得好玩，但干了一會(huì)就覺(jué)得又累又餓。到了秋天收割玉米就更累了，進(jìn)玉米地就先割玉米，然后把收下的玉米棒子直接往車上扔，一天干下來(lái)晚上會(huì)酸累得動(dòng)都不想動(dòng)?！鞭r(nóng)村的中小學(xué)除了寒暑假，還會(huì)放農(nóng)忙假，春秋各一次，每次十天左右，讓孩子幫家人干農(nóng)活。高中畢業(yè)那年（2005年）宋青峰一考完試就著急回家?guī)椭?，那年暑期他隨母親鋤了一個(gè)夏天的草，“印象最深的就是一遍一遍地除草，直到苗長(zhǎng)高了草長(zhǎng)不起來(lái)為止。每天早飯后戴著草帽，灌上井里的水到田里。我鋤草鋤得遠(yuǎn)不如母親干凈，鋤過(guò)的地方隔了一兩天就又長(zhǎng)出草來(lái)，而母親鋤過(guò)的地方要一周后才長(zhǎng)出草來(lái)”。這一年實(shí)際上是宋青峰告別農(nóng)村生活的最后一年，當(dāng)年他以優(yōu)異成績(jī)考進(jìn)上海交通大學(xué)進(jìn)入人生的新階段。但是在接受啟明星采訪時(shí)，他愿意比較仔細(xì)地回溯自己的農(nóng)田生涯，他承認(rèn)那段歲月的磨煉對(duì)他以后的人生之路影響甚大。“我以后能吃苦，不避困境和務(wù)實(shí)的秉性一定有那段農(nóng)村生活的烙印。”

將書本上的物理概念結(jié)合生活場(chǎng)景做推演

或許天生就是讀書的料，宋青峰的學(xué)習(xí)成績(jī)一直比較好且穩(wěn)定，從重點(diǎn)初中一直到重點(diǎn)高中，高中時(shí)物理老師講錯(cuò)的他都能指出。有一次親戚問(wèn)他有什么學(xué)習(xí)竅門，他說(shuō)就是喜歡。“對(duì)學(xué)到的物理學(xué)上的一些名詞術(shù)語(yǔ)或概念，如摩擦力、能量轉(zhuǎn)換、慣性等，我不僅僅滿足于書上標(biāo)出的定義進(jìn)行背誦，還會(huì)結(jié)合生活場(chǎng)景做概念的推演，在自己的腦海里生成一幅應(yīng)用場(chǎng)景，我會(huì)自問(wèn)自答。高二那年有一次經(jīng)過(guò)一處工地，看到打樁機(jī)的汽缸爆一下，壓力錘就擊打一下樁柱，我馬上就聯(lián)想到能量激發(fā)、轉(zhuǎn)換過(guò)程，想到摩擦力等概念。我還圍著打樁機(jī)仔細(xì)觀察了打樁機(jī)的工作過(guò)程，當(dāng)時(shí)還在想這有可能會(huì)出高考題。果真那年的高考題就有一道題涉及打樁機(jī)的工作原理。”這種看到相關(guān)場(chǎng)景就會(huì)很自然地遷移到相關(guān)的物理學(xué)概念，把學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)的習(xí)慣讓那些在別人眼里艱深乏味的知識(shí)學(xué)習(xí)在宋同學(xué)這里毫不覺(jué)得枯燥，甚至是很有趣?！芭囵B(yǎng)和保持學(xué)習(xí)興趣是一切知識(shí)學(xué)習(xí)探究最基本的源動(dòng)力”在宋青峰身上再次得到佐證。盡管有學(xué)習(xí)天賦，但是在初高中階段，青峰還是花了不少時(shí)間學(xué)習(xí)的。而幫母親干農(nóng)活上的時(shí)間損耗其實(shí)完全沒(méi)有影響他的學(xué)習(xí)，反而是讓他更好地提高學(xué)習(xí)效率，不浪費(fèi)時(shí)間。由此得到的回報(bào)是他更能體會(huì)到生活、生存的不易，一切都不會(huì)是天上掉下來(lái)，只能靠自己的打拼和努力。

高考前填志愿時(shí)，他填報(bào)了心儀的上海交通大學(xué)（2005年上海交大在吉林全省招生60名），有這樣的底氣是因?yàn)橹暗亩啻文M考他的成績(jī)是穩(wěn)定的。高考結(jié)束當(dāng)天答案就公布了，看了結(jié)果后宋青峰估計(jì)自己的成績(jī)應(yīng)該在650～660分之間，最后他的分?jǐn)?shù)是657分。

進(jìn)入上海交大生物信息學(xué)專業(yè)深造

宋青峰被錄取于上海交大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院。他原本對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)也是感興趣的，正好那年交大生命大專業(yè)平臺(tái)新設(shè)了生物信息專業(yè)，宋青峰如愿進(jìn)了這個(gè)專業(yè)，他植物表型組學(xué)的基礎(chǔ)也是在那時(shí)打下的。雖然與計(jì)算機(jī)專業(yè)所學(xué)的專業(yè)課有很大區(qū)別，但計(jì)算機(jī)軟硬件、編程的課程在生物信息學(xué)專業(yè)都有學(xué)?！爱?dāng)時(shí)還有一門課——工程制圖——對(duì)我的幫助也很大，我的立體感、空間感就來(lái)自于此，后來(lái)我做表型組學(xué)平臺(tái)框架研制等都得益于此。”大四時(shí)因?yàn)閷I(yè)學(xué)習(xí)和畢業(yè)論文需要，青峰到中科院計(jì)算生物學(xué)研究所（中科院與德國(guó)馬普所共建）實(shí)習(xí)一年，主要是周末過(guò)去，參與課題。宋青峰的本科畢業(yè)論文是做一個(gè)圖像序列追蹤軟件。實(shí)習(xí)過(guò)程中，后來(lái)成為他的博士生導(dǎo)師、對(duì)他學(xué)術(shù)生涯有重要影響的朱新廣老師剛從美國(guó)回來(lái)。有一天朱老師敲開(kāi)了青峰實(shí)習(xí)老師的門，他們交談時(shí)青峰就對(duì)朱老師有了很深的印象，心想如果有機(jī)會(huì)讀研的話能到朱老師門下學(xué)習(xí)就最好不過(guò)了。很快大四結(jié)束了，青峰因?yàn)槌煽?jī)好獲得保研機(jī)會(huì)，他還申請(qǐng)到計(jì)算所碩博連讀研究生，之后進(jìn)入朱老師課題組。

以提升植物冠層光合效率為研究方向

朱老師的研究方向是光合作用模型，簡(jiǎn)言之就是要把植物的光合作用這件事進(jìn)行數(shù)字化、模型化，然后就可以計(jì)算，找到提高效率的靶標(biāo)，做調(diào)整優(yōu)化，以達(dá)到提高光合作用效率的目的。循著這樣的研究路徑，青峰的博士論文課題確定為做冠層光合計(jì)算模型，冠層是指植物在地表以上的部分。在5年碩博的前一半時(shí)間里，圍繞論文涉及的光模擬，宋青峰先后開(kāi)發(fā)了光線追蹤算法以及多物理場(chǎng)模型，模擬了以水稻為對(duì)象的冠層光強(qiáng)分布，以及多物理場(chǎng)（溫度、熱力、流體等）過(guò)程等，并利用計(jì)算機(jī)模擬風(fēng)速、水汽、二氧化碳濃度等水稻田生長(zhǎng)環(huán)境。光的模擬這一塊進(jìn)展非常好，一直到現(xiàn)在都在用。這個(gè)光模擬過(guò)程涉及：實(shí)驗(yàn)中照到每一片葉片上的光強(qiáng)，再結(jié)合其光合轉(zhuǎn)化率，算出冠層整體二氧化碳的固定速率，即冠層光合作用速率。

從簡(jiǎn)陋的測(cè)量箱到成套系列測(cè)量系統(tǒng)

以上冠層光合計(jì)算模型雖然在計(jì)算機(jī)中表現(xiàn)完美，但是結(jié)果準(zhǔn)不準(zhǔn)還有賴于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有這方面的驗(yàn)證儀器。于是，設(shè)計(jì)這樣的冠層光合氣體交換測(cè)量系統(tǒng)（一米見(jiàn)方的測(cè)量箱，待測(cè)植株放入箱體后，通過(guò)測(cè)量箱內(nèi)空氣中的二氧化碳變化速率來(lái)測(cè)得冠層光合速率）成了當(dāng)務(wù)之急。朱老師鼓勵(lì)小宋大膽嘗試做出這樣一個(gè)設(shè)備。沒(méi)幾個(gè)月，宋青峰就搗鼓出這樣一臺(tái)比較簡(jiǎn)陋的原型機(jī)，并得到了一些數(shù)據(jù)。這是一個(gè)密閉的金屬框架測(cè)量箱體，蓋子可以打開(kāi)，側(cè)面接進(jìn)測(cè)量氣體，傳感器在外面，氣體抽出再輸入。測(cè)量對(duì)象是盆栽植物（水稻和煙草），測(cè)試的結(jié)果支持了他們這一模型的合理性。后來(lái)他們帶著測(cè)量箱到松江試驗(yàn)田里測(cè)量，得到的數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

早期版本的冠層光合測(cè)量系統(tǒng)在田間測(cè)試

雖然過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人鼓舞，但畢竟還是人工測(cè)量的方式，要真正令人信服就要做成系統(tǒng)能自主閉合的自動(dòng)化測(cè)量，且能24小時(shí)連續(xù)檢測(cè)。為此，宋青峰前后設(shè)計(jì)了四五個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，其間難度在于箱體的密閉性要好，還要輕便、透光性好，如果在野外測(cè)試還要穩(wěn)定性好。在宋青峰博士畢業(yè)那年，“植物冠層光合氣體交換測(cè)量系統(tǒng)”終得問(wèn)世。該系統(tǒng)還在2015年的工業(yè)博覽會(huì)上展出。這臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)成功研發(fā)的消息一傳出去，因?yàn)榭蒲猩嫌袑?shí)在的需求，很多同行找到他們希望能提供設(shè)備。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多通道全自動(dòng)測(cè)量并在國(guó)內(nèi)外多家科研單位得到應(yīng)用。

從一維到三維多視角測(cè)量

多通道全自動(dòng)冠層光合測(cè)量系統(tǒng)

多視角三維系統(tǒng)

有了這樣一個(gè)可以連續(xù)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的系統(tǒng)（箱體）后，新的問(wèn)題又提了出來(lái)：冠層光合雖然能測(cè)量了，但影響冠層光合效率的因素很多且復(fù)雜，尤其是植物株型結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)時(shí)的株型測(cè)量還是一維至多是二維的，如果不能提供植物的三維結(jié)構(gòu)，那么所測(cè)得的植株數(shù)據(jù)的完整性是存疑的。宋青峰告訴我，以前冠層光合領(lǐng)域的很多工作大都集中在葉片這個(gè)層面，但若要通過(guò)提升植物光合作用效率來(lái)提高生物量，需要從整個(gè)冠層層面考慮。葉片是個(gè)體，冠層是整體，這也是世界范圍內(nèi)同行的共識(shí)?！霸缙谟羞^(guò)不少數(shù)學(xué)模型，目標(biāo)也是想通過(guò)葉片尺度的光合效率來(lái)計(jì)算冠層的效率。但這些模型過(guò)于簡(jiǎn)單，難以指導(dǎo)實(shí)踐，所以我們想對(duì)植株的實(shí)際結(jié)構(gòu)有完整了解，并搞清楚與遺傳基因的關(guān)聯(lián)，這樣才能有針對(duì)性地指導(dǎo)育種?！币彩怯辛舜T博研究生期間所做的模型、測(cè)量系統(tǒng)這些基礎(chǔ)，2014年3月博士畢業(yè)后，宋青峰想把這件事繼續(xù)推進(jìn)，于是選擇留所工作，得到了他妻子王禹的大力支持。王禹當(dāng)時(shí)在新加坡留學(xué)，畢業(yè)回到上海工作。這樣就有了這幾年“多視角植物三維光合表型系統(tǒng)與計(jì)算模型”（以下簡(jiǎn)稱多視角系統(tǒng)）的構(gòu)想和實(shí)踐，“有了這個(gè)系統(tǒng)，就可以準(zhǔn)確了解葉片的角度、株高、生長(zhǎng)速度等表型，并研究其背后的基因調(diào)控?！?/p>

經(jīng)中科院植物生理生態(tài)所（2017年，宋青峰隨朱新廣老師課題組到這里）和中科院上海技術(shù)物理所合作攻關(guān)，這個(gè)具備三維結(jié)構(gòu)、多相機(jī)、多視角獲取并整合信息等特征的多視角系統(tǒng)于2018年問(wèn)世，使得對(duì)植物冠層結(jié)構(gòu)的更深入、更細(xì)致的數(shù)據(jù)獲取成為可能。說(shuō)到這里，宋青峰打了個(gè)比方：獲取植株的空間結(jié)構(gòu)信息，相當(dāng)于人體結(jié)構(gòu)的CT掃描?！皼](méi)有多視角系統(tǒng)前，我們研究冠層結(jié)構(gòu)就只能靠手工測(cè)量，測(cè)量一株植株要半小時(shí)，有了多視角的系統(tǒng)評(píng)價(jià)，1分鐘可以測(cè)量一株植株。不僅是速度大大提升，而且整個(gè)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性有了保證?！?/p>

借助高通量技術(shù)高效獲取每片葉片的信息

近兩三年里，在朱新廣教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)里，宋青峰除了主攻冠層三維結(jié)構(gòu)測(cè)量，還涉獵葉片光合效率的高通量獲取：采用高光譜成像技術(shù)掃描一下，幾秒鐘就可以采集獲取包括葉片的氮素含量、光合參數(shù)等數(shù)據(jù)并作計(jì)算。由于高光譜技術(shù)采集的信息量大，影響冠層光合效率的兩大方面（三位株型結(jié)構(gòu)和葉片光合參數(shù)）的數(shù)據(jù)獲取都可以實(shí)現(xiàn)。以往測(cè)量一片葉片的光合參數(shù)要5分鐘，并且是用一臺(tái)手持儀器一片一片地去測(cè)，效率很低。現(xiàn)在搭載高光譜相機(jī)的田間移動(dòng)式光合表型平臺(tái)可以自動(dòng)完成對(duì)田間植物作光合表型參數(shù)的測(cè)量。

移動(dòng)式植物光合表型平臺(tái)田間測(cè)試中

表型平臺(tái)研發(fā)合作團(tuán)隊(duì)在研制車間

那么表型組如何與植物的光合效率掛鉤？青峰解釋說(shuō)，“我們所關(guān)注的表型組就是基因型與環(huán)境互相作用后在植物形態(tài)、生理功能上產(chǎn)生的表現(xiàn)形式，我們?cè)谥参锉硇徒M里會(huì)具體聚焦到與光合作用相關(guān)的表型，即影響冠層光合效率的那些表型，包括植物三維空間結(jié)構(gòu)，葉片尺度的光合效率、形態(tài)結(jié)構(gòu)，生化方面的氮素含量，光合作用、蒸騰、氣孔導(dǎo)度等生理現(xiàn)象。”目前，他們已經(jīng)建立了玉米、水稻、小麥、大豆等主要作物的冠層光合模型及表型測(cè)量技術(shù)，這些都將在松江實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行展示和應(yīng)用。

思維方法和能力的培養(yǎng)

訪問(wèn)中，宋青峰多次提到他的成長(zhǎng)離不開(kāi)朱新廣老師的培養(yǎng)和關(guān)照?！八茏⒁獍l(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，博士論文等重大選題他會(huì)幫助把握方向，具體怎么做則給學(xué)生自由發(fā)揮的空間。讀博期間冠層光合模型方向就是他幫我把握的，現(xiàn)在來(lái)看這個(gè)方向無(wú)論是科學(xué)意義還是應(yīng)用前景都難以限量。包括我現(xiàn)在的表型組學(xué)研究也是朱老師確定的方向，他認(rèn)為這是一個(gè)世界性的前沿方向。朱老師不太贊同只是跟熱點(diǎn)，而是希望我們做自己的獨(dú)立判斷后確定值得做的方向。朱老師非常認(rèn)同那些自己提出問(wèn)題、且自己把它解決掉的課題，譬如冠層光合就是由我們課題組提出關(guān)鍵研究問(wèn)題，并為此開(kāi)發(fā)出了一系列的計(jì)算模型和測(cè)量工具，利用表型組學(xué)手段、高通量技術(shù)去解決冠層光合問(wèn)題，最后還用到育種等應(yīng)用上?！边@種從提出問(wèn)題、發(fā)展各種手段和工具來(lái)解決問(wèn)題到最終為實(shí)際應(yīng)用提供路徑并加以落地實(shí)施的全鏈條解決問(wèn)題的能力培養(yǎng)，是宋青峰從導(dǎo)師那里學(xué)到的最重要的思維方法和能力?！斑@將令我受益終生?！?/p>

希望通過(guò)提高植物光合效率助力糧食安全和碳中和

宋青峰博士畢業(yè)后的當(dāng)年就申請(qǐng)到中科院上海生科院的領(lǐng)域前沿項(xiàng)目，幫助他做光合模型。兩年后先后申請(qǐng)到國(guó)家基金委的青年基金項(xiàng)目和面上項(xiàng)目。他申報(bào)的“植物工廠蔬菜光合效率檢測(cè)機(jī)器人”成功獲得2021年啟明星計(jì)劃的支持。這次在松江基地青峰給我展示了光合效率檢測(cè)機(jī)器人的雛形。采訪結(jié)束前我讓宋青峰用一句話來(lái)表達(dá)他的追求時(shí)，他這樣說(shuō)：“我是一個(gè)在田間長(zhǎng)大的農(nóng)家子弟，這些年受到的教育和培養(yǎng)讓我抱定這樣的目標(biāo)，希望通過(guò)提高植物光合效率助力我們的糧食安全和碳中和目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)?！?/p>

這次因啟明星雙碳論壇結(jié)緣對(duì)宋青峰星友的訪問(wèn)讓我有幸結(jié)識(shí)了一位精進(jìn)于分子植物科學(xué)領(lǐng)域的才俊，他的成長(zhǎng)經(jīng)歷和研究志向及已經(jīng)做出的富有創(chuàng)見(jiàn)的工作很值得讓更多人知道。小結(jié)一下的話，宋青峰讓我留下至深印象的一點(diǎn)是他的不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐的能力，這不僅體現(xiàn)在他對(duì)物理學(xué)一些概念的超強(qiáng)的領(lǐng)悟力，更體現(xiàn)在他應(yīng)對(duì)課題、項(xiàng)目各種挑戰(zhàn)的能力，尤其看到他從一臺(tái)簡(jiǎn)陋的原型手動(dòng)樣機(jī)發(fā)展到成體系的全自動(dòng)冠層植株光合測(cè)量系統(tǒng)，再到多視角三維光合表型系統(tǒng)時(shí)，我對(duì)研制者的學(xué)習(xí)、實(shí)踐能力是非常敬佩的。最近青峰還在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程、軟件等一些計(jì)算機(jī)專業(yè)的知識(shí)，他說(shuō)懂一點(diǎn)這方面的知識(shí)以后做一些跨學(xué)科交叉的項(xiàng)目時(shí)合作會(huì)更有效果。是的，具有這種能力的人，一定能更好地適應(yīng)未來(lái)時(shí)代。

江世亮采寫于2022年7月18日