华北地下水开采与粮食生产的脱钩效应及其空间差异性研究

开展华北地区地下水开采与粮食生产的脱钩关系研究,对于客观反映华北地区地下水超采治理成效,辅助华北粮食主产区地下水超采治理精准施策,继而促进地下水资源修复与农业可持续发展具有重要意义。综合采用Tapio脱钩模型、LMDI分解模型和GIS莫兰指数空间分析方法分别从省区和地市层面对华北地区地下水开采量与粮食产量之间的脱钩关系进行分析,揭示脱钩的驱动效应及空间差异特征。结果表明:强脱钩是华北地区粮食产量与地下水开采的主要状态;供水结构效应、用水效率效应、规模效应是推动华北地区地下水开采减小的主要因素;华北地区地下水开采量与粮食产量脱钩程度整体趋于优化,“十三五”期间,超过80%的地市处于脱钩状态,各驱动效应贡献率呈现H-H聚集和L-L聚集特征,但聚集区域较小,未形成连片效应。建议:以河北、河南、山东三省区为重点,加大调整供水结构,进一步减少地下水开采消耗;推进实施农业节水,强化河南西部等地区用水效率驱动效应;重视山东半岛等地区粮食播种面积减少趋势,保障粮食安全。     

中国农业机械动力空间格局分析

以全国省级行政区为基本研究单元,利用基尼系数与ESDA空间分析技术,分析了近10年全国农机总动力的区域差异时空特征。结果表明:全国省域平均单位农机动力投入存在明显的空间差异,整体呈现东部大于西部、北部大于南部、由东部沿海向西递减的空间分布格局,但这种区域差异在研究期内呈现明显缩小趋势。近10年,全国省域农机动力投入在全局水平表现出显著的空间正相关性,同时又存在明显的局域空间自相关特征。其中,高高聚集区主要分布于京津冀地区,而低低聚集则分布于西南地区,并且随着时间的推移其空间聚集程度在不断减弱,各省域农机动力投入趋向均衡发展。     

生态系统服务价值驱动因素与空间异质性分析

以北京市为例,采用STIRPAT模型和地理加权回归模型分析了区域生态系统服务价值的驱动因素及空间差异。结果显示,人口数量、人均GDP、绿化率、第三产业比重、万元GDP能耗和城市化率都是影响北京市生态系统服务价值的重要驱动因素,其中绿化率是正向影响,其他5个指标对生态系统服务价值有负面影响,其中第三产业比重和城市化率的负面影响最大。加入空间距离和局域空间联系因素,对分区的生态系统服务价值驱动因素进行分析发现,北京市不同区的驱动因素的影响程度不同,各个驱动因素中,城市功能扩展区和城市发展新区的影响要高于生态涵养发展区。通过对驱动因素的定量测算及分区空间异质性分析,提出了北京市不同区域的提高生态系统服务价值的相关措施。     

基于用水量驱动因子的水量预测模型

采用主成分分析法筛选出显著的驱动因子,结合灰色关联分析将筛选出的驱动因子进行灰色聚类和优势分析.以用水量驱动因子为基础,利用SPSS建立多层感知器网络,利用矩阵实验室建立GRNN神经网络和BP神经网络.将诱导有序加权平均算子(IOWA)应用到水量预测模型中,构建基于IOWA算子的MLP-GRNN-BP组合用水量预测模型,最后建立由平方和误差(SSE)、均方误差(MSE)、平均绝对误差(MAE)、平均绝对百分比误差(MAPE)、均方百分比误差(MSPE)和Theil系数(μ)组成的预测效果评价体系,评价预测模型的预测效果,最后以重庆市的用水量预测为例,验证以上方法的可行性.结果表明:经过主成分分析及灰色关联分析,可将用水量驱动因子由31个降为12个, 12个驱动因子可综合为4个聚类,可确定4种用水量的各自驱动因子的重要性排序;BP, MLP, GRNN和MLP-GRNN-BP组合模型预测结果的MAPE,MSPE和Theil系数均在5%以内.     

数字普惠金融发展对农民收入影响的时空分异与收敛性分析

金融体系的运作与农民生产生活息息相关，通过剖析数字普惠金融发展对农民收入的具体影响，为有针对性地制定助农增收策略提供更为准确、可靠的实证依据。基于我国2011—2020年30个省域的面板数据，分别构建面板时空地理加权回归模型与空间收敛模型分析数字普惠金融对农民收入影响的时空分异与收敛特征。研究表明：数字普惠金融发展对农民收入具有显著的积极影响，且影响表现出显著的时空分异特征，不同地区、不同时期的数字普惠金融增收效应存在差异，其系数估计最小值为0.268，最大值为0.633。以新疆为代表的西部偏远地区的数字普惠金融增收效应不断增强，各地区整体差异在快速缩小。空间收敛模型中β绝对收敛与β条件收敛系数估计值分别为-0.165、-0.158，且均为负数，表明数字普惠金融增收效应符合空间收敛特征。数字普惠金融可有效改善传统金融发展的非均衡性，同时可为西部偏远地区农民增收提供赶超渠道，进一步减少农民内部收入不平等现象。     

黄河流域农业用水结构均衡度及影响因子分析

合理分析用水结构能够预测未来的用水状况，从而为长期用水安全提供保障。基于沿黄9省以及各省套二级水资源分区的农业各行业用水量数据，增加“绿水”资源的测度，采用均衡度指标、变异系数、Spearman秩相关系数、灰色关联度，分析黄河流域农业用水结构均衡度及其影响因子。结果表明：沿黄9省种植业、林业、畜牧业（草地）、畜牧业（牲畜） 5类用水部门用水量均衡度空间差异性较大，山东省农业用水结构均衡性最好，山西省最差，农业各行业用水结构均衡度随时间的变化趋于稳定；考虑“绿水”资源的沿黄9省套水资源分区的均衡度具有时空变异性，耕地灌溉面积、大牲畜的数量、小牲畜的数量、“绿水”资源、林果地灌溉面积是流域强关联因子。研究指出对于均衡度较差的区域通过调整该区域对应强关联因子可以提高该区不同用水部门之间的协调度。     

贝叶斯模型在土壤转换函数中的应用与适应性评价

为了研究大型灌区节水改造后的区域农田生态环境效应中分布式水文模型空间参数的确定问题,通过内蒙古河套灌区解放闸灌域22个土壤水盐监测点110个土壤样本的采样与分析,利用贝叶斯神经网络(BNN)模型建立了河套灌区区域分层土壤特征参数与土壤水分特征曲线模型参数、特征含水率之间的土壤转换函数模型,并与已有的BP神经网络模型进行适应性比较及模型验证。结果表明,BP模型土壤转换函数的训练模拟精度优于BNN,但是在模拟预测方面,BNN模型普遍好于BP模型,而且模型输入因子数量对BP模型的精度影响较大,而BNN模型对于不同输入因子表现出很好的稳健性,BNN模型比传统的人工神经网络模型具有更好的适应性和预测效果,体现了土壤特征参数的空间随机性和结构性特征,而且预测的土壤水分特征曲线与实测和VG拟合结果更为接近,是一种具有广阔应用前景的区域土壤转换函数推求方法。     

面向养殖水体分布差异的COD光谱法检测研究

面向养殖水体，传统光谱法对化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）检测模型构建的基础：源域（现有样本库）与目标域（检测地水体）间光谱数据独立同分布。但是当源域与目标域分布间存在差异时，由源域得到的低误差模型常在目标域上表现下滑。针对该问题，提出面向UV Vis光谱的域对抗训练网络（DAUVwpNet），将分布不同的源域和目标域数据映射至相同分布的特征空间中，使其在该空间的分布距离尽可能接近，从而在特征空间中对源域训练的目标函数也可以迁移至目标域上，以降低模型在目标域的误差。试验表明：面向同一批测试数据，DAUVwpNet的预测误差为0.78，要低于传统模型的预测误差（0.85）；DAUVwpNet预测值与实测值间相关系数为0.95，要高于传统模型的相关系数（0.89）。表明了该网络能够较好对齐两域特征空间数据分布，降低因分布差异带来的COD检测误差。     

不同空间分辨率驱动数据对作物模型区域模拟影响研究

为了探究不同空间分辨率驱动数据对作物模型区域模拟结果的影响,以中国北方冬麦区为研究区域,采用薄盘样条插值方法生成4种空间分辨率(5、10、25、50 km)的气象驱动数据,采用空间聚集方法构建相应空间分辨率的土壤参数集,以农业气象观测站数据为基础,通过泰森多边形方法扩展农田管理和作物模型品种参数,在以上基础上建立不同空间分辨率的WOFOST模拟平台,结合区域统计产量数据,诊断不同空间分辨率驱动数据对作物模型区域模拟的影响。研究表明:对于模拟的开花期、成熟期、潜在产量水平的地上生物量和穗质量、雨养产量水平的地上生物量和穗质量,4种空间分辨率的区域平均值模拟结果之间无显著差异;高分辨率驱动数据下,模拟结果分布上有更多的极值。不同空间分辨率的模拟结果均能反映冬小麦生长的空间分布规律;与同区域统计产量相比,不同空间分辨率下WOFOST雨养产量可以解释观测产量年际变异的75.4%~85.4%。不同空间分辨率的潜在产量和雨养产量与气候因子相关分析表明,生育期辐射可以解释16.6%~29.6%的潜在产量变化,生育期降水可以解释13.3%~17.8%的雨养产量变化。高空间分辨率的数据存贮量和计算时间分别是低空间分辨率的80和100倍以上。研究结果可以为作物模型区域应用,尤其是空间分辨率的选择提供理论依据。     

基于ESDA的河北省粮食单产空间格局变化研究

为揭示河北省粮食单产空间格局分布特征,因地制宜地制定区域粮食安全生产政策,采用泰尔指数模型与ESDA空间分析技术,对1987-2009年河北省136个县粮食单产的区域差异特征以及动态演变格局和成因进行分析。研究表明:粮食单产的整体差异和4个生态类型区的区间差异呈现逐渐缩小趋势,燕山太行山山前平原区、冀鲁豫低洼区和后山坝上高原区的内部差异在研究期内逐渐缩小,辽吉西、蒙东南、冀北山地区的内部差异呈现增长的过程,导致区域内差异对总体差异的贡献下降;河北省的粮食单产空间聚集程度有所减小,局部的空间相关来看,以石家庄市为中心粮食产量区域较为稳定,而张家口为中心的地产区域有扩大趋势;影响粮食单产格局变化最为主要的因素是有效灌溉面积、单位面积劳动力投入和粮食收购价格指数等。     

中国省域农村水电发展水平评价及空间格局演变研究

为重现我国省域农村水电发展水平的时空演变规律,合理布局未来发展规划,需借助科学合理的综合评价量化方法。基于此,从时间和空间两个维度,围绕经济、社会、生态环境、资源等四个领域构建中国省域农村水电发展水平评价指标体系(共15个指标)。以1990-2015年各省级行政区面板数据为基础,综合运用熵权TOPSIS方法及耦合协调度模型,从国家、区域、省级三个层面对农村水电发展水平进行了测度;在此基础上,采用聚类分析法对我国省域农村水电空间格局演变情况进行了探讨。计算结果将省域农村水电空间格局演变划分为高度协调、相对协调和欠协调三大分区,且表现为明显的三个发展阶段,分别为:波动上升期,不平衡、不协调发展期和稳步上升期;据此针对各省份农村水电发展特点,提出政策建议。     

灌区种植结构反演优化与土壤盐分空间分布协同解析

种植结构与土壤盐分的协同程度与发展关系关乎灌区水土生态质量与农业可持续发展,联动灌区种植结构提取与土壤盐分空间分析对于灌区生态环境评价与治理、保障耕地和粮食安全等具有重要意义。本文以内蒙古河套灌区永济灌域为研究区,利用2021—2022年生育期Landsat 8 OLI遥感数据与地面种植结构调查数据,分别构建决策树、支持向量机、随机森林分类模型,通过对比分析遴选出灌域适用的最优模型,准确获取灌域种植结构分布结果,同时进一步结合灌域土壤盐分实测数据及其空间异质特征,对种植结构与土壤盐分的协同关系进行深入探讨与分析。结果表明,3种模型的分类精度由大到小为随机森林、决策树、支持向量机,2021、2022年随机森林分类模型的总体精度、Kappa系数分别为92.81%、0.91,91.64%、0.89,为3种模型中精度最高,故选定随机森林模型作为最优模型;灌域内土壤盐分呈现“北部重,中、南部轻”的空间分布特征,2021、2022年土壤盐分的半方差函数适用于Gaussian模型,土壤盐分空间自相关在“中—强”等级变化;受土壤盐分制约,葵花以北部地带种植为主,玉米、小麦、小麦套种玉米(套种)和瓜菜等...     

基于InVEST模型的赤水河流域生境质量时空分异特征及驱动因素分析

生境质量是反映生物多样性的重要指标，在高质量发展背景下研究生境质量演变及驱动因素对于区域可持续发展及生态安全维护具有重要意义。基于赤水河流域2000-2018年五期土地利用数据，通过InVEST模型对生境质量进行评估，使用冷热点分析探究了其空间分异特征，并借助地理探测器探究了生境质量空间分布的影响因素。结果表明：从时间上看，赤水河流域生境质量呈先上升后降低趋势；冷热点分析显示，生境质量与生境退化在空间上表现为“上游弱下游强”的分异特征；地理探测结果显示土地利用是影响赤水河流域生境质量的主导因素，赤水河流域受自然因素与社会经济因素的协同作用。研究结果明确识别了的生境质量保护重点区以及不同因素对生境质量的影响程度，有助于为流域生物多样性保护战略及高质量发展管理决策提供理论依据。     

基于NNFFC的数控机床进给驱动系统动态性能优化

考虑机械传动环节结构柔性对进给驱动系统整体动态性能的影响,首先构建滚珠丝杠进给系统状态空间模型,在此基础上,基于数字化模块仿真,进一步实现与伺服控制系统的集成建模,并通过实验对集成模型进行了验证。在此基础上,鉴于级联控制及其动态特性非线性特征下伺服控制参数最优值并不固定,通过控制参数值优化选取对进给驱动整体动态性能进行优化具有一定的局限性,提出神经网络自适应电流与速度前馈控制设计策略(NNFFC),基于控制参数时变最优参数组合自适应调节与电流速度前馈,对滚珠丝杠进给驱动动态响应性能进行优化,优化后整体进给驱动系统跟随误差由0.252 6降为0.111 5,干扰峰值由0.019降为0.007 0,上升时间由原来的0.128 3 s减少为0.107 5 s。     

黄河流域农业系统水资源价值及其空间分布研究

【目的】分析黄河流域农业系统水资源空间分布特征。【方法】以黄河流域为研究对象,通过能值理论与方法、空间自相关分析法及空间滞后回归模型,研究了农业系统水资源价值空间分布特征及其主要影响因素。【结果】①农业系统水资源价值介于4.01～6.10元/m~3,流域中下游价值较高;②农业系统水资源价值全局莫兰(Moran)指数为0.277 2,呈空间正向自相关特征;主要以高值集聚型(H-H)聚集在流域中下游;③农业系统水资源价值空间变化的主要影响因素为GDP、海拔、用水量。【结论】以价值引导水资源分配,增加流域中下游农业用水有助于提高流域整体水资源农业生产效益。     

解放闸灌域农田耗水时空变化特征及灌溉效率评价

根据内蒙古自治区河套灌区解放闸灌域多年遥感蒸散发数据(2000-2014年),分析了农田实际蒸散发年际变化、空间分布特征以及其与地下水埋深的相关性。结合水量平衡模型对灌域灌溉用水效率进行了评价,同时对大型灌区续建配套及节水改造以来灌域水循环要素年际变化进行了统计分析。结果表明:解放闸灌域农田蒸散发量年际变化呈增加趋势,多年平均蒸散发量为8.56亿m~3(597.30mm);2000、2003、2006、2009、2012和2014年农田蒸散在空间上表现为西部和东北部区域高于其他区域,其空间差异性并未随时间发生明显变化,与地下水埋深空间分布特征相似,蒸散发高值区域发生在地下水埋深较浅区域,潜水蒸发对农田蒸散发量影响不可忽视。节水改造实施以来,灌域净灌溉引水量有所减少,灌溉水利用系数得到提高,地下水位由1.76m降到2.16m,由此表明了节水改造对该地区生态环境改变的积极影响。     

再生性资源型城市农业发展效率时空异质性分析——以徐州市为例

文章以镇域为研究单元,以徐州市为实证,采用数据包络分析(DEA)方法分析徐州市在1995年—2015年的农业现代化发展效率,并通过变异系数、Moran's I指数揭示农业发展效率空间差异的时间变化特征。结果表明:1)研究期内徐州市农业发展效率处于中等偏上水平,且基本保持稳定。2)农业发展效率的区域差异呈现综合效率纯技术效率规模效率的演变特征。3)各镇域之间的空间格局集聚显著,表现为综合效率持续减弱,技术效率与规模效率先增强后减弱。4)农业发展综合效率、技术效率与规模效率较高的镇域逐渐向东部地区转移。     

基于耕地污染负荷的畜禽养殖业空间布局优化研究

作为区域产业经济生态系统的子系统,畜禽养殖业应该走从空间视角进行产业系统优化的道路。基于2008—2018年吉林省畜禽养殖业基础数据进行总量和比重分析发现,区域畜禽养殖业的产值贡献有所下降(48%)但整体产业地位不容小觑,省域范围内畜禽养殖业的区域差异和时期差异明显,主要畜禽养殖种类的空间集聚特征显著,长春、四平、吉林和松原四个地区的累计生猪当量超过全省总量的70%;利用单位耕地污染物负荷法测算吉林省畜禽污染物排放强度发现,畜禽养殖业主要污染物(COD、TP、TN)排放强度与产业时空分布特征基本一致,在时间维度上有整体向好态势,在空间维度上污染聚集现象严重,中西部养殖规模较大的长春、吉林、四平、松原地区养殖排污浓度最高,东部地区染物排放强度较小。综合考虑现有产业布局和污染现状,建议将中部的辽源地区、西部的白城地区设定为以畜禽养殖业可持续发展为目标的促养区;将中西部的四平、吉林、长春、松原等地区划分为以转变饲养模式,限产防污为工作重点的限养区;东部的白山、延边、通化地区受自然、经济和生态环境约束建议设定为禁养区,近期旨在推动区域生态系统修复,远期可考虑走生态产业化发展道路。     

基于RSTCNN的小麦叶片病害严重度估计

以小麦叶片条锈病和白粉病为研究对象,针对同类型病害的不同严重度之间的图像颜色及纹理特征差异较小,传统方法病害严重度估计准确率不高的问题,提出一种基于循环空间变换的卷积神经网络(Recurrent spatial transformer convolutional neural network,RSTCNN)对小麦叶片病害进行严重度估计。RSTCNN包含3个尺度网络,并由区域检测子网络进行连接。每个尺度网络以VGG19作为基础网络以提取病害的特征,同时为了统一区域检测过程中前后特征图的维度,在全连接层前引入空间金字塔池化(Spatial pyramid pooling,SPP);区域检测子网络则采用空间变换（Spatial transformer,ST）有效提取尺度网络特征图中病害的注意力区域。小麦叶片病害图像通过每个尺度网络中卷积池化层得到的特征图,一方面可作为预测病害严重度类别概率的依据,另一方面通过ST进行注意力区域检测并将检测到的区域作为下一个尺度网络的输入,通过交替促进的方式对注意力区域检测和局部细粒度特征表达进行联合优化和递归学习,最后对不同尺度网络的输出特征进行融合再并入到全连接层和Softmax层进行分类,从而实现小麦叶片病害严重度的估计。本文对采集的患有条锈病和白粉病的小麦叶片图像结合数据增强方法构建病害数据集,实验验证了改进后的RSTCNN在3层尺度融合的网络对病害严重度估计准确率较佳,达到了95.8%。相较于基础分类网络模型,RSTCNN准确率提升了7~9个百分点,相较于传统的基于颜色和纹理特征的机器学习算法,RSTCNN准确率提升了9～20个百分点。结果表明,本文方法显著提高了小麦叶片病害严重度估计的准确率。     

塔里木河流域产水量时空分布及驱动因素分析

【目的】研究区域产水量时空变化及其驱动因素,为区域水资源的调配与管理提供理论支撑。【方法】利用In VEST模型模拟了2000―2015年和田河流域、开都-孔雀河流域和叶尔羌河流域产水量的时空分布并对驱动因素进行了分析。【结果】空间上,各流域多年平均产水量均集中分布在流域上游地区,平均产水量多在30 mm以上。2000―2015年和田河流域和开都-孔雀河流域产水量以下降趋势为主,而叶尔羌河流域则相反。降水对流域产水功能起着关键作用,和田河流域、开都-孔雀河流域和叶尔羌河流域产水量与降水呈显著相关性的面积占比较大,分别为73.99%、88.49%和71.11%。气温和降水是影响各流域产水量空间分布的主导因素,其q值都在0.4380以上;各流域两两因子之间的交互作用都存在着非线性增强;和田河流域人口密度与GDP、开都-孔雀河流域相对湿度与太阳辐射和风速、叶尔羌河流域GDP、人口密度与相对湿度之间差异显著。【结论】西北干旱区内陆河典型流域产水量主要受气温和降水的影响。