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Applicability and improvement of different potential evapotranspiration models in different climate zones of China

Ecological Processes 2024年第1期13卷 262-282页

作者： Zedong Li Yiran Li xinxiao yu.guodong jia Peng Chen Pengfei Zheng yusong Wang Bingbing Ding Key Laboratory of Soil & Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education Beijing Forestry University College of Horticulture and Forestry Sciences Tarim University State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology Faculty of Geographical Science Beijing Normal University

Background Accurate estimation of potential evapotranspiration(PET) is the key for studying land-air interaction hydrological processes. Several models are used to estimate the PET based on standardized meteorological data. Although combination-based models have the highest level performance estimation of PET, they require more meteorological data and may therefore be difficult to apply in areas lacking meteorological observation *** The results showed significant differences in the spatial trends of PET calculated by different models in China, the Doorenbots–Pruitts model revealed the highest PET(1902.6 mm), and the Kuzmin model revealed the lowest PET(349.6 mm), with the largest difference being 5.5 times. The Romanenko and the Rohwer models were the recommended temperature-based and aerodynamic-based models. On the other hand, the Abtew model was more suitable for arid and semi-arid regions, while the Priestley–Taylor model was more suitable for humid regions. Combination-based models revealed ideal calculation accuracies, among which the Penman–Monteith model was the best option for PET *** The accuracy range of Romanenko, Rohwer, Abten, Priestley Taylor, and Penman Monteith models improved in MPZ and TCZ is higher than that improved in TMZ and SMZ. This does not mean that the improved models have higher accuracy in MPZ and TCZ than in TMZ and SMZ. On the contrary, the original model performed poorly in MPZ and TCZ, so the improved accuracy was relatively large. The unimproved model was already more suitable in TMZ and SMZ, so the improved accuracy was relatively small. Therefore, regional calibration of the PET models can improve the accuracy and applicability of PET calculation, providing a reference for studying hydrological processes in different climatic zones.

关键词： Potential evapotranspiration Climatic zone Temperature-based model Aerodynamic-based model Radiation-based model Combination-based model Model calibration

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Synthetic auxotrophs accelerate cell factory development through growth-coupled models

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Frontiers of Chemical Science and Engineering 2024年第9期18卷 73-87页

作者： Liangpo Li Linwei yu xinxiao Sun Qipeng yuan Xiaolin Shen jia Wang State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering Beijing University of Chemical TechnologyBeijing 100029China

The engineering of microbial cell factories for the production of high-value chemicals from renewable resources presents several challenges,including the optimization of key enzymes,pathway fluxes and metabolic *** these challenges involves the development of synthetic auxotrophs,a strategy that links cell growth with enzyme properties or biosynthetic *** linkage allows for the improvement of enzyme properties by in vivo directed enzyme evolution,the enhancement of metabolic pathway fluxes under growth pressure,and remodeling of metabolic networks through directed strain *** advantage of employing synthetic auxotrophs lies in the power of growth-coupled selection,which is not only high-throughput but also labor-saving,greatly simplifying the development of both strains and *** auxotrophs play a pivotal role in advancing microbial cell factories,offering benefits from enzyme optimization to the manipulation of metabolic networks within single ***,this strategy extends to coculture systems,enabling collaboration within microbial *** review highlights the recently developed applications of synthetic auxotrophs as microbial cell factories,and discusses future perspectives,aiming to provide a practical guide for growth-coupled models to produce value-added chemicals as part of a sustainable biorefinery.

关键词： synthetic auxotrophs growth-coupled directed enzyme evolution pathway flux directed strain evolution coculture

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森林植被不同尺度的碳水过程及耦合机制研究进展

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水土保持学报 2024年第1期38卷 1-13页

作者：余新晓武昱鑫贾国栋北京林业大学国家林业与草原局水土保持重点实验室北京100083 北京林业大学水土保持学院首都圈森林生态系统国家定位观测研究站北京100083 北京林业大学林木资源高效生产全国重点实验室北京100083

[目的]陆地生态系统中的碳循环和水循环是陆地生态系统物质和能量循环的核心,也是连接地圈、生物圈和大气层的纽带。森林植被是陆地生态系统的重要组成部分,是表征陆地碳-水循环的重要变量,在维持生物圈和大气圈的动态平衡中发挥着重要... 详细信息

[目的]陆地生态系统中的碳循环和水循环是陆地生态系统物质和能量循环的核心,也是连接地圈、生物圈和大气层的纽带。森林植被是陆地生态系统的重要组成部分,是表征陆地碳-水循环的重要变量,在维持生物圈和大气圈的动态平衡中发挥着重要作用。目前,对陆地生态系统中碳-水循环的耦合关系和机制缺乏系统的分析和总结。[方法]从森林植被碳与水过程及其相互作用、植被水分利用和耦合机制的角度,综述了森林植被碳与水循环过程及其相互作用的研究与进展,以及不同空间尺度(叶片到区域/全球尺度)碳-水耦合的定义、方法、进展和展望。[结果]新兴的技术和方法实现了不同尺度碳水过程的高频观测,WUE等耦合指标体系推动了碳水耦合机制的研究和发展。[结论]通过系统阐述植被碳水耦合关系的多尺度整合和碳水耦合机理,为系统认识森林碳水耦合机理和水资源管理提供了理论基础,对未来植被经营管理决策具有重要的科学支撑意义。

关键词：碳水循环碳水耦合尺度水分利用

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庐山针阔混交林优势种水分利用来源季节变化及对降水的响应

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应用生态学报 2024年第4期35卷 886-896页

作者：雷自然王欣余新晓贾国栋北京林业大学国家林业与草原局水土保持重点实验室北京100083

阐明亚热带湿润山地林区针阔混交林优势种水分来源的季节规律,解析共生植物水文生态位分配与竞争机制,探究植物水分利用对降水的响应,可为指导植被经营管理提供理论参考。本研究以庐山山区马尾松与栓皮栎混交林为对象,基于氢氧稳定同位... 详细信息

阐明亚热带湿润山地林区针阔混交林优势种水分来源的季节规律,解析共生植物水文生态位分配与竞争机制,探究植物水分利用对降水的响应,可为指导植被经营管理提供理论参考。本研究以庐山山区马尾松与栓皮栎混交林为对象,基于氢氧稳定同位素技术,分析降水、马尾松和栓皮栎木质部水及0~100 cm土壤水的δ^(2)H和δ^(18)O特征,采用MixSIAR模型、Levins指数和PS指数分别计算各水源的相对贡献率、马尾松与栓皮栎的水文生态位宽度和生态位重叠度。结果表明:丰水期(3—7月)马尾松主要利用0~20和20~40 cm土壤水,栓皮栎主要利用20~40和40~60 cm土壤水,但在枯水期(8—9月)马尾松和栓皮栎分别转而利用40~60和60~80 cm土壤水,根系吸水深度增加。生长季早期(3—4月)和末期(9月)马尾松与栓皮栎水文生态位重叠度高,水分竞争激烈,生长季中期(5—8月)合理分配水源,水文生态位分离以满足高蒸腾需求。栓皮栎在降水事件前主要利用60~80和80~100 cm土壤水,降水后利用0~20和20~40 cm土壤水,但马尾松在降水事件前后均主要利用0~20和20~40 cm土壤水。综上,马尾松与栓皮栎的水分利用来源呈现“雨季浅,旱季深”的季节规律,能在生长旺季合理分配水源,根系吸水积极响应土壤水分动态,对极端降水的适应性强,具有较强的水源涵养能力。

关键词：水分利用来源氢氧稳定同位素混交林极端降水贝叶斯混合模型

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基于TCN-BiLSTM与LSTM模型对比预测北洛河径流

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北京林业大学学报 2024年第4期46卷 141-148页

作者：张梦凡丁兵兵贾国栋余新晓北京林业大学国家林业与草原局水土保持重点实验室北京100083 北京林业大学水保持学院首都圈森林生态系统国家定位观测研究站北京100083

【目的】本研究旨在探究TCN-BiLSTM耦合模型与传统LSTM模型在径流模拟预测中的性能,为洪水风险管理和区域水资源规划提供准确有效的径流预测模型。【方法】以北洛河流域为研究区,基于双向长短期记忆网络(BiLSTM)和时域卷积网络(TCN)建... 详细信息

【目的】本研究旨在探究TCN-BiLSTM耦合模型与传统LSTM模型在径流模拟预测中的性能,为洪水风险管理和区域水资源规划提供准确有效的径流预测模型。【方法】以北洛河流域为研究区,基于双向长短期记忆网络(BiLSTM)和时域卷积网络(TCN)建立一种新的径流预测耦合模型TCN-BiLSTM。利用相关性分析,筛选预测径流的输入因子,确定4种不同的输入方案应用于TCN-BiLSTM耦合模型和传统LSTM模型,每个模型分别预测1、2、3 d的径流量。采用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和拟合优度(R^(2))来评估模型的预测性能。【结果】(1)TCN-BiLSTM耦合模型整体预测性能优于LSTM模型,TCN-BiLSTM模型R^(2)达到0.91,高于LSTM的0.89。相比于LSTM,TCN-BiLSTM对于峰值和突变点的捕捉能力更强,对于波动大的复杂数据预测效果更优;(2)在针对未来1~3 d径流量预测中,随着预见期的延长,4种方案下TCN-BiLSTM和LSTM模型的预测效果均有所下降,相较于预测1 d,预测3 d的TCNBiLSTM和LSTM模型的R^(2)分别平均下降了0.17和0.14,RMSE分别平均增大了4.59和4.40,MAE分别平均增大了1.26和1.31;(3)在4种输入方案里,日累积降水量和日径流量作为输入变量时,模型的预测效果最好。降水数据的加入使得TCN-BiLSTM和LSTM模型相较于单一日径流数据作为输入变量时,1、2、3 d径流量预测的R^(2)分别提高15%、14%、6%和18%、14%和1%。【结论】TCN-BiLSTM耦合模型和LSTM模型R^(2)均能达到0.85以上,TCN-BiLSTM模型R^(2)较LSTM提高了2%。对比来看,TCN-BiLSTM模型在拟合洪水过程中表现更为优异,对于汛期的预测性能优于非汛期。输入变量对模型的影响较大,有效且高质量的气象数据能够提高模型的预测性能。

关键词：水文模拟 TCN-BiLSTM 日径流预测北洛河流域

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基于改进遥感生态指数的吐鲁番-哈密地区生态环境质量评价及驱动机制分析

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生态学报 2024年第9期44卷 3911-3923页

作者：傅楷翔贾国栋余新晓陈立欣北京林业大学水土保持学院北京100083 林木资源高效生产全国重点实验室北京100083 北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室北京100083

吐鲁番市和哈密市是我国盐渍化危害最严重的地区之一,明晰其生态环境变化趋势和驱动机制对吐鲁番-哈密地区生态文明建设具有重要意义。基于Google earth engine(GEE)平台,筛选2005—2020年6—9月Landsat影像,选取绿度(SVAI)、湿度(Wet)... 详细信息

吐鲁番市和哈密市是我国盐渍化危害最严重的地区之一,明晰其生态环境变化趋势和驱动机制对吐鲁番-哈密地区生态文明建设具有重要意义。基于Google earth engine(GEE)平台,筛选2005—2020年6—9月Landsat影像,选取绿度(SVAI)、湿度(Wet)、热度(LST)、干度(NDBSI)和盐度(NDSI)构建改进型遥感生态指数(SRSEI)对吐鲁番-哈密地区生态环境进行评估。结果表明:(1)SRSEI使用SAVI代替NDVI并加入盐度指标(NDSI),与RSEI相比有着更高的第一主成分贡献率,能更全面客观地评价吐鲁番-哈密地区生态环境质量。(2)时间尺度上,2005—2020年吐鲁番-哈密地区SRSEI先下降后上升,均值0.49,并在2020年均值达到0.5575,较差和良的面积占比变化显著,较差占比减少了11.54%,良占比增加了30.15%。且未来生态环境变化趋势还将以改善为主;空间尺度上,北部西山台原和中部莫钦乌拉山生态质量多为优和良,较差区域主要集中在南部噶顺戈壁。(3)年均降水量、年均气温和经济生产总值是驱动SRSEI变化的主要控制因子,q值均大于0.092;与单因子对生态环境影响力相比,双因子交互产生的影响力更强,年均降水量∩经济生产总值是驱动吐鲁番-哈密地区生态环境发生变化的最强交互因子。

关键词：吐鲁番-哈密地区改进型遥感生态指数地理探测器驱动机制分析

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冀北山地植被恢复对不同坡位土壤可蚀性与养分的影响

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水土保持学报 2024年第4期38卷 11-19,28页

作者：沙晓玮武昱鑫贾国栋余新晓北京林业大学水土保持学院北京100083

[目的]了解不同坡位和不同土地利用引起的土壤可蚀性和养分差异,讨论各因素对土壤可蚀性和养分情况的影响状况。[方法]通过土壤和根系取样,使用加权求和法计算不同坡位和不同土地利用下的综合土壤可蚀性指数(CSEI)和综合土壤养分指数(CS... 详细信息

[目的]了解不同坡位和不同土地利用引起的土壤可蚀性和养分差异,讨论各因素对土壤可蚀性和养分情况的影响状况。[方法]通过土壤和根系取样,使用加权求和法计算不同坡位和不同土地利用下的综合土壤可蚀性指数(CSEI)和综合土壤养分指数(CSNI)。[结果](1)不同坡位下的CSEI和CSNI均存在差异,其中CSEI的最大、最小值分别出现在坡上(0.653)和坡下(0.275),CSNI的最大、最小值分别出现在坡顶(0.715)和坡上(0.341);(2)不同土地利用下的CSEI和CSNI均存在差异,其中CSEI的最大、最小值分别出现在撂荒地(0.617)和林地(0.252),CSNI的最大、最小值分别出现在林地(0.793)和撂荒地(0.322);(3)CSEI与黏粒含量、砂粒含量、根长密度和地上生物量呈显著负相关,与粉粒含量和土壤容重呈显著正相关,其中容重的直接影响最大(0.26);CSNI与黏粒含量、砂粒含量、根长密度和地上生物量呈显著正相关,与粉粒含量和土壤容重呈显著负相关,其中黏粒含量的直接影响最大(0.45);CSEI、CSNI二者间呈显著负相关。[结论]坡位对CSEI和CSNI均有显著影响,在植被恢复中应注重坡上和坡中;各地貌部位植被恢复均有效降低CSEI并提升CSNI,其中乔木对水土流失的控制更为有效。

关键词：土壤可蚀性土壤养分坡位土地利用

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The anatomical structure of woody plants in arid habitats is closely related to nonstructural carbohydrates storage

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Forest Ecosystems 2022年第6期9卷 764-774页

作者： Zedong Li xinxiao yu.guodong jia Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration on Soil and Water Conservation Beijing Forestry UniversityBeijing100083China

Background:The high temperatures and drought conditions associated with global climate change have led to the widespread death of trees and forests,which has generated research interest in the impact of non-structural carbohydrates(NSC)reserves on woody plant survival in changing *** anatomical characteristics of plants can affect the scale and variability of NSC reserves,and linking the anatomical characteristics of trees to NSC concentration can help answer questions about the potential role of NSC in the repair of xylem embolism during ***:The anatomical characteristics,NSC concentrations and gas exchange parameters were determined in 16 common afforestation tree species in typical arid limestone habitats in rocky mountain *** found that the anatomical structures varied greatly among the tree species studied,and a branch xylem hydraulic efficiency-safety tradeoff was not *** concentration was significantly and positively correlated with variables including mean vessel diameter(MVD),maximum vessel diameter(XVD),potential hydraulic conductivity(Kp),vessel wall thickness(VWT),ratio of palisade tissue thickness to sponge tissue thickness(PT/ST),net photosynthetic rate(Pn),water use efficiency(WUE)and axial parenchyma cell area,and negatively with sponge tissue thickness(ST)and lower epidermis thickness(LET)of *** the four latent variables,mechanical strength was inversely related to NSC concentration,whilst hydraulic efficiency,leaf carbon fixation,and the embolism repair and storage capacity all had a positive ***:Our study revealed that tree species with larger vessel diameters,thicker vessel walls,more abundant axial parenchyma,and higher PT/ST have higher NSC storage in arid habitats in northern *** xylem anatomical characteristics and leaf anatomical characteristics among different tree species lead to differentiated water transport and photosynthetic processes,thereby regulating the NSC

关键词： Drought Embolism Leaf anatomy NSC concentration Xylem

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坝上地区退化小叶杨树干液流特征及对环境因子的响应

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北京林业大学学报 2024年第7期46卷 36-43页

作者：杨东烨余新晓李旭红蒋涛贾国栋北京林业大学水土保持学院北京100083 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江杭州311100

【目的】探究华北坝上地区退化和未退化小叶杨蒸腾耗水规律,合理配置生态用水,为小叶杨退化林的修复与重建提供理论参考。【方法】选取未退化、退化小叶杨为研究对象,利用热扩散探针(TDP)测定树干液流量,同时监测气象因子,研究两种小叶... 详细信息

【目的】探究华北坝上地区退化和未退化小叶杨蒸腾耗水规律,合理配置生态用水,为小叶杨退化林的修复与重建提供理论参考。【方法】选取未退化、退化小叶杨为研究对象,利用热扩散探针(TDP)测定树干液流量,同时监测气象因子,研究两种小叶杨在不同天气下树干液流特征及其对环境因子的响应机制,分析生长旺季(7、8、9月)两种小叶杨树干液流与蒸腾量。【结果】(1)在不同天气条件下,退化和未退化小叶杨晴天树干液流速率大于雨天与阴天,晴天时两者差距最大,且未退化小叶杨树干液流的启动时间总是早于退化小叶杨;(2)生长季内两种小叶杨树干液流速率差异显著,未退化小叶杨蒸腾耗水量是退化小叶杨的3倍;(3)大气温度和光合有效辐射是影响小叶杨树干液流最主要的环境因子,未退化小叶杨对环境因子响应更敏感。【结论】退化小叶杨较低的蒸腾量难以维持正常生理所需,导致生理衰退,对环境因子变化的敏感性增加,进一步削弱了其应对未来干旱事件的能力。建议对已经发生退化的杨树林分进行更新改造。

关键词：小叶杨树干液流退化环境因子

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北京山区典型植被土壤水分对次降雨的响应

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生态学报 2024年第6期44卷 2561-2571页

作者：王坤悦李旭红余新晓贾国栋张益党毅北京林业大学国家林草局水土保持重点实验室北京100083

为了揭示北京山区不同植被类型土壤水分对不同强度降雨的响应过程,选取北京山区内侧柏、荆条灌丛、荒草地为研究对象,基于2022年6—10月降雨和土壤水分的连续观测数据,分析土壤水分对不同降雨事件的响应特征。结果表明:(1)观测期内研究... 详细信息

为了揭示北京山区不同植被类型土壤水分对不同强度降雨的响应过程,选取北京山区内侧柏、荆条灌丛、荒草地为研究对象,基于2022年6—10月降雨和土壤水分的连续观测数据,分析土壤水分对不同降雨事件的响应特征。结果表明:(1)观测期内研究区降雨事件主要由小雨构成,小雨事件的总降雨量占总降雨量的14.78%,小雨事件对土壤水分的响应深度可达到40—60 cm土层;中雨、大雨、暴雨事件的总降雨量占总降雨量的85.52%,中雨、大雨、暴雨事件对土壤水分的响应深度均可达到60—80 cm土层;大降雨事件对土壤水分的补给作用更明显,降雨量越大,降雨能补给的土层深度越深,土壤水分补给效果越好。(2)三种植被平均土壤水分补给速率大小依次为荒草地>侧柏>荆条灌丛,说明降雨对荒草地的补给效果最好;土层活跃程度对植被土壤水分有影响,土层越活跃,土壤水分波动越大,三种植被平均土壤水分变异系数大小依次为荒草地>荆条灌丛>侧柏,而三种植被平均土壤储水量大小则依次为侧柏>荒草地>荆条灌丛,说明侧柏的土壤水分最为稳定。(3)荒草地、荆条灌丛剖面上各层土壤水分逐渐减少,侧柏则增加,说明土壤水分剖面分布受植被类型影响;侧柏、荆条灌丛、荒草地平均最大补给速率均发生在20—40 cm土层,说明降雨对浅层土壤水分的补给最为明显,对0—40 cm土层土壤水分的补给效果要更好。研究成果进一步解释了北京山区生态系统水分运动规律,为易干旱生态脆弱地带生态环境建设提供依据。

关键词：北京山区植被类型土壤水分降雨

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