该论文共同第一作者、北京林业大学博士后赵伟举例,这一过程类似人工智能算法预测预测人类疾病发生潜在风险的过程。通过人类基因组信息,人工智能算法可以准确的找到和疾病相关的遗传变异。

32.35t极高全超导磁场的实现,标志着我国高场内插磁体技术已经达到世界领先水平,其关键技术参数均已满足综合极端条件实验装置国家重大科技基础实施项目对极端强磁场的技术要求。

中国科学院东北地理与农业生态研究所景观生态过程学科组研究人员结合森林调查数据、土地利用数据、土壤数据及气候变化预测数据,利用森林景观过程模型(LANDIS
PRO)和生态系统过程模型预测了30个树种在未来300年内的分布变化,明确树种分布在未来的变化规律,量化了种群动态过程、森林采伐、气候变化及其交互作用的相对重要性以及影响树种分布变化的重要的生物属性。

近日,毛建丰课题组基于基因组信息、人工智能算法建立了林木响应未来气候变化的基因组模型。研究人员以我国北方重要的生态造林树种侧柏为研究对象,建立了侧柏种群响应未来气候变化的基因组响应模型,该模式有望对气候变化下的森林养护、种植提供建议。相关研究结果发表于《进化应用》。

建立梯度森林模型

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气候变化下的植树造林方案

位于陕西省黄陵县轩辕庙院内的黄帝手植柏 毛建丰课题组供图

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毛建丰表示,建立有效应对气候变化策略,首要任务是明确气候变化对森林的影响,弄清楚树木如何响应未来的气候条件。

高低温混合超导磁体测试曲线

该研究由东北地理所研究员王文娟、美国农业部林署研究员Frank R.
Thompson和密苏里大学教授Hong S.
He等合作完成。相关研究成果发表在生态学领域期刊Journal of Biogeography
和Science of the Total Environment上。研究得到中科院百人计划项目资助。

选择“长寿树”进行研究

据悉,多年来研究团队一直致力于高磁场高温超导内插磁体技术研究,先后研制成功24.0t、25.7t和27.2t全超导磁体,使我国成为世界上第二个能建造27.0t以上稳定运行超导磁体的国家。

图3. 种群动态、采伐、气候变化及其交互作用对树种(以white oak
为例)分布变化的相对贡献

要预测树木如何响应未来气候,研究人员找来一个好帮手——人工智能算法。针对未来气候变化对林木种群影响的问题,研究人员研发出“梯度森林
(Gradient Forests)”模型。

据悉,高磁场磁体的应用场景主要包括高场物性测量、高场核磁共振技术、高能加速粒子、探测器、散射中子源、磁约束聚变等领域。刘建华表示,团队研发的高磁场超导磁体将主要用于综合极端条件实验装置;此外,高磁场超导磁体还可用于物理、化学、材料、生命科学、特种装备、精密科学仪器等领域。

大量数据证实气候变化已经导致树种分布向高纬度和高海拔方向迁移。但近来研究表明这种迁移过程缓慢,很可能赶不上气候变化的速率,这将导致树种局部或完全灭绝,影响森林分布和结构,进而导致森林生物多样性丧失和生态系统功能的衰退。森林树种迁移及分布变化受多尺度过程的影响。在区域尺度上,决定树种分布的主要是气候;在景观尺度上(几百米到几千米空间范围),种子扩散和干扰等是影响局地的树种组成、生长与死亡的主要空间动态过程;在林分尺度上,种群动态和竞争是影响局地树种生长与死亡的主要生物过程。目前的树种分布变化的研究主要考虑了区域尺度气候等环境因素对树种分布的影响,但忽视或简化了林分尺度与景观尺度过程,将导致未来树种迁移及分布变化的预测有很大的不确定性。

气候变化深刻影响着森林、草原等生态系统。森林作为陆地生态系统的主体,成为研究界的重点关注对象。气候变化究竟会对森林造成怎样的影响呢?

气候变化深刻影响着森林、草原等生态系统。森林作为陆地生态系统的主体,成为研究界的重点关注对象。气候变化究竟会对森林造成怎样的影响呢?

图2. 树种(以white oak
为例)在2050年、2100年和2300年的定殖率(colonization rate, top
left)及灭绝率(extinction rate, bottom
left)以及树种在2300年的空间分布变化

贾凯华介绍,树木往往具有局地适应性。不同地理区域的同一树种,它们的适应性特征是不同,往往当地生长的乡土树木对其原生境环境有最好的适应性。局地适应性在森林树种中普遍存在。

全球变暖的趋势下,以前适合南方种植的侧柏品种可能会更适合北方种植,到底是不是这样,模型将提前告诉人类答案。赵伟说。

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 “气候变化下,森林树木可能有三种命运,要么通过自身的能力,适应变动后的新气候环境;要么循着气候变化趋势,迁移到自己适应的环境下;要么在不利的气候条件下,衰退进而灭绝。”该论文通讯作者毛建丰说。

具体来说,作为抗逆性较突出的树种,未来气候条件下侧柏种群相对稳定,中心分布区受影响不大,在分布区南北边缘的群体受到的潜在胁迫较大,需要加强管控。

图1. 结合区域、景观和林分尺度过程的树种分布耦合模拟方法

赵伟表示,该研究是林木气候变化基因组模型的重要尝试,该模型策略可以用于包括树木在内的其它物种,服务于森林经营、生物多样性保护等。根据该模型,人类可以提前了解到哪些品种的侧柏可能更适应变化后的环境,选育最合适种质资源进行造林。

该论文共同第一作者、北京林业大学博士生贾凯华表示,侧柏是一种寿命长的树种,百年以上的侧柏随处可见,陕西黄陵县的轩辕黄帝手植柏,距今已有5000年的历史。但随着证明气候变化对森林的影响的证据逐渐增多,侧柏的长寿可能将被打破。

研究发现大部分的北方、广分布及少数南方树种的分布面积将缩减,大部分的南方树种的分布面积将扩张;种群动态是影响树种分布变化最重要的过程;在短期和中期,采伐的作用比气候变化的作用大,但在长期,气候变化的作用比采伐的作用大,采伐和气候变化有交互作用,采伐将加速由气候变化导致的分布面积缩减和分布面积扩张;树种生物属性如繁殖能力、成熟时间、扩散能力对未来树种分布变化起重要作用。该研究强调了在气候变化下,种群动态和采伐对提高未来树种分布预测起到很重要的作用,在理论上把影响树种分布的多尺度过程纳入对气候变化响应的预测,完善了树种分布预测的模型理论,提高了预测的真实性;在应用上为资源管理和物种保护提供理论基础,也为制定适应气候变化的策略提供科学支撑。

当前,全球处在快速的气候变化中。这种气候变化主要特征是温度升高、降水不均衡、极端天气状况增多等。糟糕的是,树木适应性转变的速度远远慢于气候变化的速度。

12月6日,中科院电工所对外发布消息,该所研究员、中科院院士王秋良团队成功研制出了中心磁场高达32.35特斯拉的全超导磁体。该磁体采用了自主研发的高温内插磁体技术,打破了2017年12月由美国国家强磁场实验室创造的32.0特斯拉超导磁体的世界纪录,标志着我国高场内插磁体技术已经达到世界领先水平。

论文信息:

几十年来,北京林业大学联合国内国际研究力量围绕侧柏的生物学特性、遗传机制、良种选育、生态效能、造林利用等多方面开展了深入研究。在遗传选育方面,目前初步完成了全国侧柏遗传资源收集,开展了优良种源和家系选择。然而,选育出的侧柏并不一定能适应全国不同地域的生态环境。

气候变化下,森林树木可能有三种命运,要么通过自身的能力,适应变动后的新气候环境;要么循着气候变化趋势,迁移到自己适应的环境下;要么在不利的气候条件下,衰退进而灭绝。该论文通讯作者毛建丰说。

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“该模型具有良好的预测能力。利用该模型,研究人员识别到在未来气候变化情景下,不同地理种群的侧柏响应气候变化的空间模式,为建立气候变化下侧柏种质资源利用策略提供了参考。”
赵伟说。

据介绍,低温超导磁体产生的磁场强度上限为23.0t左右。为提高超导磁体的中心磁场强度,获得更高磁场,团队采用高低温混合超导磁体的方式建造磁体,即在低温超导磁体的同轴结构内部插入高温超导磁体,利用高温超导带材抗拉伸强度高、高磁场下载流密度大的优点,从而产生23.0t以上的中心磁场。

  1. Wang, W.J.*, Thompson III, F.R., He, H.S., Fraser, J.S., Dijak,
    W.D., and Spetich, M.A. 2018. Population dynamics has greater effects
    than climate change on tree species distribution in a temperate forest
    region. Journal of Biogeography, 45 , 2766-2778

  2. Wang, W.J.*, He, H.S., Thompson III, F.R., Spetich, M.A., and
    Fraser, J.S. 2018. Effects of species biological traits and
    environmental heterogeneity on simulated tree species distribution
    shifts under climate change.Science of the Total Environment, 634,
    1214-1221

具体来说,作为抗逆性较突出的树种,未来气候条件下侧柏种群相对稳定,中心分布区受影响不大,在分布区南北边缘的群体受到的潜在胁迫较大,需要加强管控。

几十年来,北京林业大学联合国内国际研究力量围绕侧柏的生物学特性、遗传机制、良种选育、生态效能、造林利用等多方面开展了深入研究。在遗传选育方面,目前初步完成了全国侧柏遗传资源收集,开展了优良种源和家系选择。然而,选育出的侧柏并不一定能适应全国不同地域的生态环境。

“全球变暖的趋势下,以前适合南方种植的侧柏品种可能会更适合北方种植,到底是不是这样,模型将提前告诉人类答案。”赵伟说。

相关论文信息:

侧柏耐干旱、瘠薄、抗盐碱,具有显著的抗逆性,是我国北方石质山地、干旱区造林绿化的首选树种,尤其是在黄河中下游水土保持、生态修复中具有不可替代的利用潜力。

要预测树木如何响应未来气候,研究人员找来一个好帮手人工智能算法。针对未来气候变化对林木种群影响的问题,研究人员研发出梯度森林
(gradient forests)模型。

该论文共同第一作者、北京林业大学博士生贾凯华表示,侧柏是一种寿命长的树种,百年以上的侧柏随处可见,陕西黄陵县的“轩辕黄帝手植柏”,距今已有5000年的历史。但随着证明气候变化对森林的影响的证据逐渐增多,侧柏的长寿可能将被打破。

了解树木如何响应未来气候的机制后,人类就可以找到那些受影响最为严重的林区,进而,采取恰当的病虫害防控、遗传选育或森林管理措施,监控森林生态系统是否稳定,或者采取恰当的方式对森林进行抚育管理。

相关论文信息:

赵伟表示,该研究是林木气候变化基因组模型的重要尝试,该模型策略可以用于包括树木在内的其它物种,服务于森林经营、生物多样性保护等。根据该模型,人类可以提前了解到哪些品种的侧柏可能更适应变化后的环境,选育最合适种质资源进行造林。

毛建丰补充,气候变化的影响也可能是间接的,一个极端情况是气候变化导致极度干旱进而形成频发的森林大火,大火可能在瞬间毁灭大面积的森林。

北京林业大学林木分子设计育种高精尖创新中心副教授毛建丰告诉《中国科学报》,气候变化对森林的潜在影响是巨大的,森林可能在数年间由于不适合气候变化带来的病虫害而被彻底毁灭,变化的气候也会像温水煮青蛙一样折磨着植物。

忍耐气候变化的树木

据悉,多年来研究团队一直致力于高磁场高温超导内插磁体技术研究,先后研制成功24.0t、25.7t和27.2t全超导磁体,使我国成为世界上第二个能建造27.0t以上稳定运行超导磁体的国家。

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