耕地集约利用与新型城镇化的耦合关联研究——以福建省为例

耕地集约利用与新型城镇化的协调发展对于推动乡村振兴和城乡统筹发展具有重要意义。以福建省9个设区市为研究对象,构建耕地集约利用与新型城镇化耦合协调发展评价指标体系,基于灰色关联度模型,定量评价2008—2018年两系统各要素间的耦合关联程度。同时运用熵权TOPSIS模型和耦合协调发展度模型,研究二者的综合发展水平及其耦合协调发展水平时空特征。结果表明:耕地集约利用与新型城镇化的关联度为0.761,达到较高关联,耕地集约利用为新型城镇化提供发展动力,新型城镇化为耕地集约利用提供要素支持;新型城镇化水平呈逐年上升趋势,而耕地集约利用水平保持稳定;两系统的耦合度先上升后下降,耦合度阶段总体上由中度耦合进入高度耦合,空间分布上呈现出由东西高南北低到南北高中间低演变的特点;二者的协调发展水平总体呈上升态势,协调发展等级由轻度失调衰退过渡为勉强协调发展,空间上主要表现为东高西低的分布格局;相对发展程度状况呈现出耕地集约利用滞后的发展态势。因此,福建省应在现有的资源禀赋上科学投入,以提高耕地集约利用水平,均衡新型城镇化发展差异,完善制度配套,推动协调发展。     

基于田块尺度土壤重金属空间分布及其生态风险评价

为了揭示田块尺度上土壤重金属污染特征及空间分布,以河南省新乡县翟坡镇某冬小麦种植农田为研究对象,采集了202个农田表层0~20 cm土壤和40个0~100 cm剖面土壤样品,分析了土壤样品中Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni和Mn的含量特征,运用地统计分析中的普通克里格插值法研究土壤重金属的空间分布规律,并结合地质累积指数法和潜在生态危害指数法对研究区土壤重金属的生态风险进行评价。结果表明,研究区表层土壤Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni和Mn均值为0.95、24.35、6.40、35.52、319.60、21.76mg·kg^-1和157.32 mg·kg^-1。Cr、Cd、Pb含量均超过河南省土壤重金属含量背景值,其中Cr、Cd含量超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）筛选值,点位超标率分别为98%和100%。总体来看,土壤重金属含量随着剖面深度增加而降低,调查区南部的部分区域重金属含量偏高。从地质累积指数法与潜在生态危害指数法两种方法来看,Cd污染最为严重,生态风险较高,应当对该区域土壤Cd污染采取一定的调控措施。     

玛纳斯河流域土壤水稳定同位素特征及运移机制

干旱区土壤水分垂直方向运移与分配,特别是膜下滴灌绿洲地区土壤水分垂直方向分布现状与运移机制尚不清楚。为探究干旱区农田生态系统水分层贡献问题,阐明农田土壤中水分运移过程,于2019年沿新疆玛纳斯河流域农田土壤进行分层采样,依次为0~5、5~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm。测定了稳定同位素δD和δ¹⁸O值,对同位素δD和δ¹⁸O值进行数据分析。结果表明： δD和δ¹⁸O最大值位于0~5 cm土层,分别为-25.64‰和-0.19‰; δD和δ¹⁸O最小值位于20~40 cm土层,分别为-108.32‰和-8.19‰。0~5 cm土层δD和δ¹⁸O值较高,表明上层比下层更易受水分蒸发作用影响,存在强蒸发效应。随土层深度增加,δD和δ¹⁸O值呈减小趋势,其中80~100 cm土层变化趋势缓慢。氘盈余值表现为山地>平原>荒漠>山前。研究表明,受长期膜下滴灌影响,加之蒸发作用强烈,玛纳斯河流域土壤水分迁移过程发生改变。     

基于Sentinel-2遥感影像的黑土区土壤有效磷反演

【目的】 土壤养分含量的整体状况对供给作物的生长有着重要意义,对农田土壤速效养分含量的估算是作物生长发育状况评价过程中的关键环节,高光谱遥感技术的发展为区域有机质和土壤养分的动态监测提供了有效的手段。相比传统方法耗时、耗力及测量复杂等缺点,该文提出了基于遥感影像的大面积土壤速效养分含量的精准估算方法,对促进玉米作物的精准施肥和黑土地肥力保护具有重大理论意义。【方法】 文章以东北黑土区的吉林省农安县玉米农田为研究区,基于Sentinel-2遥感影像和土壤有效磷含量实测数据,利用偏最小二乘回归方法构建土壤有效磷含量的反演模型,最终获取土壤有效磷含量的空间分布图,实现了黑土区土壤有效磷含量的大面积、快速、精准估算。【结果】 Coastal aerosol波段（海岸/气溶胶波段）、可见光波段及红边波段与土壤有效磷含量的相关性较强,模型的决定系数R²为0.649、均方根误差为2.44 mg/kg。【结论】 利用偏最小二乘回归模型估算所得土壤有效磷含量空间分布情况与其空间插值结果相一致,从空间分布情况上看,农安县西北部的土壤有效磷含量最高,东北部的土壤有效磷含量高于中部与南部地区;模型估算的土壤有效磷含量均值为18.08 mg/kg,空间插值的土壤有效磷含量均值为17.63 mg/kg。由此可见,该研究所建立的土壤有效磷估算模型具有一定的准确性与可靠性。     

硫肥对伴矿景天修复镉污染土壤的影响

为探索穴施硫粉和硫酸亚铁肥对伴矿景天（Sedum plumbizincicola）修复中性Cd污染土壤的影响,筛选不同硫肥最佳施用量以提高植物提取效率,在阳朔县兴坪镇思的村土壤Cd全量为0.65 mg·kg^-1的农田上,采用田间小区试验方法,设计穴施低、中、高剂量硫粉、硫酸亚铁等7个处理,对比监测了强化修复前后土壤pH、Cd全量、有效态Cd含量和伴矿景天生物量及Cd含量。结果表明：与不施用硫肥的处理（CK）相比,60 d后穴施不同硫肥处理有效降低了土壤pH,提高了土壤有效态Cd含量,同时有效提高了伴矿景天地上部生物量和Cd含量。通过处理效果与成本对比可知,每公顷穴施79 kg硫粉、252 kg硫酸亚铁效果较好,与CK相比,土壤pH分别降低了0.94、0.67个单位,土壤有效态Cd含量分别提高了111.5%、169.5%,伴矿景天地上部生物量分别提高了11.9%、40.7%,地上部Cd含量分别提高了48.5%、132.1%,地上部Cd提取量分别提高了65.8%、226.3%。研究表明,硫粉和硫酸亚铁肥均是伴矿景天修复中性Cd污染农田土壤的潜在强化提取剂,且硫酸亚铁处理修复效率显著高于硫粉处理。     

湿地生态系统实际蒸散发数据驱动估算模型研究

利用Fluxnet2015全球通量塔观测数据集,研究了随机森林（RF）、梯度增强回归分析（GBR）、支持向量回归（SVR）和深度学习神经网络（DNN）预测湿地生态系统的实际蒸散发（Evaporation,ET）。通过对比研究,确定了预测实际蒸散发的最佳特征变量组合,包括短波辐射、净辐射、初级生产总值、气温、土壤温度、风速、降水、经度、纬度和时间。以此为模型输入,利用Fluxnet2015站点测试数据集和ERA5-Land再分析资料提供的输入特征,对比分析了不同模型的实际蒸散发估计精度,结果表明：以站点数据为输入,SVR算法精度相对较高,其R²可达0.896,RPE最小为31.5%;以ERA5-Land再分析资料为输入,除了GBR算法以外,其余3种方法R²高于0.820,RPE小于57%。另外,模型算法估计的ET精度要明显高于ERA5-Land再分析资料提供的ET产品。     

滴灌条件下枣园蒸散量的显著气象因子分析

【目的】研究不同参考作物蒸散量(ET₀)与显著气象因子的相关性,分析各显著气象因子对滴灌枣园实际蒸散量(ET_c)的贡献率。【方法】在阿克苏地区枣树滴灌试验,选取Penman-Monteith(PM)、Hargreaves-Samani(HS)、Priestley-Taylo(PT)模型,采用多元线性回归分析不同ET₀的显著气象因子,以及各显著气象因子对枣园ET_c的贡献率。【结果】平均相对湿度(RH)与ET₀呈负相关,太阳辐射(R_n)、天顶辐射(R_a)、最高温度(T_max)、最低温度(T_min)、平均温度(T)、风速(U)与ET₀呈正相关;各模型的显著气象因子对ET_c贡献率为:PM-R_n(62.6%)、U(19.9%)、T(11.8%)和RH(5.7%);HS-T_max(55.1%)、T_min(30.1%)、R_a(11.6%)和T(3.2%);PT-R_n(84.1%)、T(12%)和T_min(3.9%)。【结论】T_max及R_n对滴灌枣园ET_c贡献率最大。     

农田土壤无线地下传感器网络节点设计与通信试验

为了揭示电磁波信号在农田土壤中的传输特性、科学部署传感器节点,以关中地区农田土壤为研究对象,采用模块化设计思想,将传感器、无线数传、处理器和能量供应等模块集于一体,设计了无线地下传感器网络（Wireless underground sensor networks,WUSN）节点和汇聚节点。采用单因素试验方法,分析了土壤含水率、WUSN节点埋深、节点间水平距离对WUSN节点信号传输的影响,建立了接收信号强度和误码率预测模型。结果表明,当WUSN节点信号在地下垂直方向上传输时,土壤含水率增加2.5个百分点,接收信号强度降低4~6dBm,通信误码率增加3~5个百分点;WUSN节点埋深增加5cm,接收信号强度降低3~5dBm,通信误码率增加3~4.5个百分点。当WUSN节点信号在地下水平方向上传输时,土壤含水率增加2.5个百分点,接收信号强度降低5~7dBm,通信误码率增加4~5个百分点;节点间水平距离在10~90cm范围内,节点间水平距离增加10cm,接收信号强度降低6~8dBm,通信误码率增加6.5~8个百分点;节点间水平距离在90~190cm范围内,节点间水平距离增加10cm,接收信号强度降低约1dBm,通信误码率增加1~1.5个百分点WUSN节点信号在垂直、水平两种传输方向上误码率和接收信号强度预测模型拟合优度R2最高为0.982,均方根误差RMSE为1.7%,拟合优度R2最低为0.942,均方根误差RMSE为5.136dBm。WUSN节点信号在土壤中传输受到土壤含水率、WUSN节点埋深和节点间水平距离的严重影响。     

基于卷积注意力的无人机多光谱遥感影像地膜农田识别

监测地膜覆盖农田的分布对准确评估由其导致的区域气候和生态环境变化有着重要作用,基于DeepLabv3+网络,通过学习面向地膜语义分割的通道注意力和空间注意力特征,提出一种适用于判断农田是否覆膜的改进深度语义分割模型,实现对无人机多光谱遥感影像中地膜农田的有效分割。以内蒙古自治区河套灌区西部解放闸灌区中沙壕渠灌域2018—2019年4块实验田的无人机多光谱遥感影像为研究数据,与可见光遥感影像的识别结果进行对比,同时考虑不同年份地膜农田表观的变化,设计了2组实验方案,分别用于验证模型的泛化性能和增强模型的分类精度。结果表明,改进的DeepLabv3+语义分割模型对多光谱遥感影像的识别效果比可见光高7.1个百分点。同时考虑地膜农田表观变化的深度语义分割模型具有更高的分类精度,其平均像素精度超出未考虑地膜农田表观变化时7.7个百分点,表明训练数据的多样性有助于提高地膜农田的识别精度。其次,改进的DeepLabv3+语义分割模型能够自适应学习地膜注意力,在2组实验中,分类精度均优于原始的DeepLabv3+模型,表明注意力机制能够增加深度语义分割模型的自适应性,从而提升分类精度。本文提出的方法能够从复杂的场景中精准识别地膜农田。     

结合遥感数据对云贵地区蒸散发量及干湿变化特征的研究

利用卫星遥感观测MOD16和全球陆面数据同化系统(GLDAS)的逐月实际蒸散量(MOD16_ETa及GLDAS_ETa)与潜在蒸散发(MOD16_ETp及PM_ETp),探讨了2000-2014年云贵地区蒸散发时空变化规律,并综合利用蒸散发数据与降水数据计算多种干湿指数,分析了云贵地区近15年的干湿变化状况以及蒸散发、降水与地区干湿演变的关系。结果表明:①云贵高原的年均ETa在空间分布上表现为在云南南部最高,贵州东部次之,在云南北部最低的特点;变化趋势上,ETa在云南西南部显著增加,而在云南北部显著减小;②基于不同数据集计算的年均ETp在云贵高原空间分布上差异均较小,但变化趋势均反映出云南中部及北部区域ETp有显著上升趋势;③干湿指数的变化趋势反映贵州地区干湿情况较稳定,云南的中部地区具有较显著的变干趋势,原因是该区域的ETa和降水量在显著下降,而ETp在显著增加。