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Integrating water use systems and soil and water conservation measures into a hydrological model of an Iranian Wadi system

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Journal of Arid Land 2020年第4期12卷 545-560页

作者： Nariman MAHMOODI Jens KIESEL Paul D WAGNER nicola fohrer Department of Hydrology and Water Resources Management Institute for Natural Resource ConservationKiel UniversityKiel 24118Germany Department of Ecosystem Research Leibniz-Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries(IGB)Berlin 12489Germany

Water resources are precious in arid and semi-arid areas such as the Wadis of Iran. To sustainably manage these limited water resources, the residents of the Iranian Wadis have been traditionally using several water use systems(WUSs) which affect natural hydrological processes. In this study, WUSs and soil and water conservation measures(SWCMs) were integrated in a hydrological model of the Halilrood Basin in Iran. The Soil and Water Assessment Tool(SWAT) model was used to simulate the hydrological processes between 1993 and 2009 at daily time scale. To assess the importance of WUSs and SWCMs, we compared a model setup without WUSs and SWCMs(Default model) with a model setup with WUSs and SWCMs(WUS-SWCM model). When compared to the observed daily stream flow, the number of acceptable calibration runs as defined by the performance thresholds(Nash-Sutcliffe efficiency(NSE)≥0.68, –25%≤percent bias(PBIAS)≤25% and ratio of standard deviation(RSR)≤0.56) is 177 for the Default model and 1945 for the WUS-SWCM model. Also, the average Kling–Gupta efficiency(KGE) of acceptable calibration runs for the WUS-SWCM model is higher in both calibration and validation periods. When WUSs and SWCMs are implemented, surface runoff(between 30% and 99%) and water yield(between 0 and 18%) decreased in all sub-basins. Moreover, SWCMs lead to a higher contribution of groundwater flow to the channel and compensate for the extracted water by WUSs from the shallow aquifer. In summary, implementing WUSs and SWCMs in the SWAT model enhances model plausibility significantly.

关键词： SWAT model stream flow Wadis multi-metric framework water use systems soil and water conservation measures Halilrood Basin

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Identifying the most important spatially distributed variables for explaining land use patterns in a rural lowland catchment in Germany

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Journal of Geographical Sciences 2019年第11期29卷 1788-1806页

作者： Chaogui LEI Paul D.WAGNER nicola fohrer Institute for Natural Resource Conservation Kiel University

Land use patterns arise from interactive processes between the physical environment and anthropogenic activities. While land use patterns and the associated explanatory variables have often been analyzed on the large scale, this study aims to determine the most important variables for explaining land use patterns in the 50 km2 catchment of the Kielstau, Germany, which is dominated by agricultural land use. A set of spatially distributed variables including topography, soil properties, socioeconomic variables, and landscape indices are exploited to set up logistic regression models for the land use map of 2017 with detailed agricultural classes. Spatial validation indicates a reasonable performance as the relative operating characteristic (ROC) ranges between 0.73 and 0.97 for all land use classes except for corn (ROC = 0.68). The robustness of the models in time is confirmed by the temporal validation for which the ROC values are on the same level (maximum deviation 0.1). Non-agricultural land use is generally better explained than agricultural land use. The most important variables are the share of drained area, distance to protected areas, population density, and patch fractal dimension. These variables can either be linked to agriculture or the river course of the Kielstau.

关键词： land use pattern logistic regression model rural lowland catchment Germany

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动态调水过程水文和理化因子共同驱动丹江口水库库湾浮游植物季节变化

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湖泊科学 2021年第5期33卷 1350-1363页

作者：闫雪燕张鋆李玉英蒋叶青崔真真高肖飞吴乃成 fohrer nicola 韩雪梅南阳师范学院水资源与环境工程学院河南省南水北调中线水源区流域生态安全国际联合实验室南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心南阳473061 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室水生态健康研究组厦门361021 德国基尔大学水文与水资源管理系基尔24118 海南师范大学生命科学学院海口571158

丹江口水库是南水北调中线工程水源地,库湾是水库型湖泊水质安全敏感区,动态调水过程库湾水质直接关系到调水安全.为探究动态调水过程中丹江口水库库湾浮游植物季节变化规律和驱动因子,2018年7月2019年7月,从丹库入库口到渠首调水口,按... 详细信息

丹江口水库是南水北调中线工程水源地,库湾是水库型湖泊水质安全敏感区,动态调水过程库湾水质直接关系到调水安全.为探究动态调水过程中丹江口水库库湾浮游植物季节变化规律和驱动因子,2018年7月2019年7月,从丹库入库口到渠首调水口,按季节对18个样点进行水质和浮游植物群落组成分析.从整个丹库来看,浮游植物全年总丰度变化范围为0.43×10^(3)~4.7×10^(6)cells/L,夏季最高,秋季最低;Shannon-Wiener指数春季最高,秋季最低.春季群落为硅藻绿藻型,夏季为绿藻硅藻型,秋季为蓝藻型,冬季为蓝藻绿藻硅藻型,秋季蓝藻相对丰度最高.位于丹库准保护区内的库湾胡寨,秋季水体电导率、总氮、总磷和叶绿素a浓度最大,蓝藻丰度最高.从入库口经库湾到调水口,浮游植物群落组成存在明显演替.从水文因子来看,秋季水库水位较高,调水流速和流量增加,线性回归分析表明,水位对Shannon-Wiener指数的影响最为明显,水位越高则多样性指数越低;流量和流速与Shannon-Wiener指数也呈负相关,但相关性较低.方差分解分析发现,水文因子和理化因子共同影响了浮游植物群落组成;偏Mantel分析显示3个库湾浮游植物群落组成与水温、氧化还原电位、化学需氧量、总氮和总磷浓度相关;典范对应分析也表明,总氮是影响库湾浮游植物群落组成最显著的环境因子.人类干扰活动改变了库湾水质理化性质,强干扰提高了蓝藻门丰度.因此,控制库湾人类干扰强度,尤其在水位和调水量较高的秋季,对于改善水体藻类组成、保护整个丹江口水库水质具有重要意义.

关键词：丹江口水库动态调水库湾浮游植物群落结构

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丹江口水库浮游细菌和氮磷循环基因垂直分布特征及其驱动因素

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环境科学 2024年第7期45卷 3995-4005页

作者：张玮玮高姗姗李梦璐陈彦 nicola fohrer Robert Costanza 李玉英陈兆进南阳师范学院水资源与环境工程学院南阳473061 南水北调中线水源区流域生态安全高等学校学科创新引智基地南阳473061

丹江口水库作为南水北调中线工程水源地,不同深度浮游细菌群落组成、氮磷循环功能及其驱动因素尚未清晰.选取丹江口水库5个生态点位,采用宏基因组学研究表层、中层和底层垂直分布浮游细菌群落组成,分析预测氮磷循环功能及其驱动因素.结... 详细信息

丹江口水库作为南水北调中线工程水源地,不同深度浮游细菌群落组成、氮磷循环功能及其驱动因素尚未清晰.选取丹江口水库5个生态点位,采用宏基因组学研究表层、中层和底层垂直分布浮游细菌群落组成,分析预测氮磷循环功能及其驱动因素.结果表明,丹江口水库主要由变形菌门、放线菌门和浮霉菌门等优势种群组成,不同深度来源的浮游细菌群落结构具有显著差异,水温(T)、氧化还原电位(ORP)、溶解氧(DO)和Chla是影响浮游细菌群落组成的主要因素.氮循环功能基因分析表明,主要涉及生物固氮过程、硝化作用、反硝化作用和异化硝酸盐还原作用等7个主要途径的gltB、glnA、gltD、gdhA和NRT等39个氮循环功能基因.磷循环功能基因分析表明,主要涉及有机磷矿化、无机磷溶解、调节等6个主要途径的pstS、ppx-gppA、glpQ和ppk1等54个磷循环功能基因.聚类分析表明不同深度是影响氮磷循环功能基因组成和丰度的主要因素,表层和底层氮磷循环功能基因丰度高于中层样品.奇异球菌属、嗜氢菌属、Limnohabitans和棍状杆菌属等是氮磷循环的关键物种.DO、pH、T、总溶解性固体(TDS)、电导率(EC)和Chla与氮磷循环功能基因显著相关,以上环境因子随丹江口水库深度增加浓度降低或升高,导致浮游细菌氮磷循环功能基因呈明显的垂直分布特征.通过揭示丹江口水库不同深度浮游细菌群落组成、氮磷循环功能及其影响因素,可为丹江口浮游细菌生态功能和多样性保护发挥潜在的作用.

关键词：丹江口水库分层宏基因组氮循环磷循环

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镉胁迫对芒草根际细菌群落结构、共发生网络和功能的影响

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环境科学 2021年第8期42卷 3997-4004页

作者：陈兆进林立安李英军陈彦张浩韩辉吴乃成 nicola fohrer 李玉英任学敏南阳师范学院水资源与环境工程学院河南省南水北调中线水源区流域生态安全国际联合实验室南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心南阳473061 南阳师范学院生命科学与农业工程学院南阳473061 德国基尔大学水文与水资源管理系基尔24098

芒草(Miscanthus)作为第二代能源植物,已用于重金属污染土壤修复研究,但目前该过程中土壤细菌群落组成和功能研究开展较少.以芒草品种南荻(***)为研究对象,通过高通量测序结合分子生态网络分析和PICRUSt功能预测,分析研究100 mg·kg^(-1... 详细信息

芒草(Miscanthus)作为第二代能源植物,已用于重金属污染土壤修复研究,但目前该过程中土壤细菌群落组成和功能研究开展较少.以芒草品种南荻(***)为研究对象,通过高通量测序结合分子生态网络分析和PICRUSt功能预测,分析研究100 mg·kg^(-1) Cd的胁迫对芒草根际细菌群落组成、共发生网络和功能的影响.MiSeq测序表明芒草根际细菌群落由32个门和425个属的细菌组成,包含鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、芽单胞菌属(Gemmatimonas)和链霉菌属(Streptomyces)等植物促生细菌(PGPR)种群.相似性分析(ANOSIM)和非参数多元方差分析(Adonis)表明,Cd的添加能显著影响芒草根际细菌群落组成,降低其群落多样性.同时分子生态网络分析表明Cd的添加降低了芒草根际细菌之间的相互作用,导致其网络结构更为简单;降低了网络缓冲环境变化的能力;提高了负相关连线数,使根际细菌物种之间的竞争关系更强;改变关键细菌组成.PICRUSt功能预测分析表明Cd的胁迫降低了芒草根际土壤细菌功能.本研究初步分析了芒草根际细菌群落组成及其对镉胁迫的响应,为后续调控芒草修复效率提供了基础.

关键词：镉污染芒草高通量测序分子生态网络分析 PICRUSt分析

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