基于XGBoost-ANN的城市绿地净碳交换模拟与特征响应

为分析城市绿地净生态系统碳交换(Net ecosystem exchange,NEE)对环境因子的响应,利用涡度相关法测量了2013—2016年生长季白天的NEE数据,使用XGBoost以及ANN模型对NEE进行模拟和分析,并通过决定系数(R~2)、平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和一致性系数(IA) 4个指标评价模拟精度。结果表明,当输入因子为光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)、空气温度(Ta)、相对湿度(RH)、土壤温度(Ts)、风速(WS)、10 cm处土壤含水率(VWC10)时,模拟效果达到最优。其训练集精度R~2为0. 712,RMSE为4. 394μmol/(m~2·s),MAE为3. 129μmol/(m~2·s),IA为0. 911;测试集精度R~2为0. 748,RMSE为4. 253μmol/(m~2·s),MAE为2. 971μmol/(m~2·s),IA为0. 920。在考虑因子间相互作用后,环境因子对NEE的重要性排序从大到小依次为PAR、VPD、Ta、RH、Ts、WS、VWC10;就单环境因子而言,对NEE的重要性由大到小依次为Ta、Ts、RH。通过计算生态系统净生产力(Net ecosystem productivity,NEP,即-NEE)对主要环境因子(PAR、VPD、Ta)的偏导数可知,生态系统光合作用表观量子效率最大值为0. 087,并且当PAR大于1 200μmol/(m~2·s)时,其不再是影响光合作用的主要因素; VPD偏导数的变化趋势表明,VPD对植物光合作用的影响以抑制性为主,当VPD过大时,偏导数趋近于0,此时植物叶片气孔闭合,抑制光合作用; Ta偏导数的变化趋势说明,随着温度的升高,光合作用速率逐渐大于呼吸作用的速率。研究表明,基于XGBoost与ANN模型能够更为精确地模拟NEE动态,在相关环境因子中,PAR、VPD、Ta是影响NEE变化的主导因子,NEE对主要影响因子的生态特征响应趋势可为理解碳循环关键过程提供参考。     

定量分解气候变化与人类活动对季节径流变异的贡献率

变化环境下径流序列可能发生变异。当前径流变异的贡献率分解研究多集中于年尺度,而对季节尺度的关注不足。以黄土高原典型流域——泾河流域为研究对象,应用小波分析方法揭示其季尺度径流序列的演变规律,采用有序聚类法和累积距平法对其径流序列进行变异诊断,最后采用累计斜率变化率比较法定量分解气候变化和人类活动对其四季径流变异的贡献率。结果表明:(1)泾河流域夏季和冬季径流的周期变化均在20世纪90年代左右有发生转变,均由小尺度周期变化转变为较大尺度周期变化;(2)春、夏、秋和冬季径流分别在1969年、1996年、1985年和1990年发生变异;(3)人类活动对春、夏、秋和冬季径流变异的贡献率分别为50.40%,89.69%,39.14%和84.59%,在夏季和冬季人类活动(主要是水土保持措施的不断深入)对泾河径流变异的贡献占主导地位,且干扰影响了径流的周期变化。     

液态有机肥对酚酸胁迫下马铃薯生长发育和土壤酶活性影响

为明确液态有机肥对土壤酚酸导致马铃薯的连作障碍的缓解效应,采用盆栽试验,将阿魏酸与香草酸等量混合后按不同浓度(0,50,100,150 mg/kg)施加于马铃薯基质土壤中,模拟马铃薯连作分泌的有机酸自毒物质,并施加不同浓度梯度液态有机肥(0,225,450,675 kg/hm^2),探讨酚酸胁迫下液态有机肥对马铃薯生长发育以及土壤酶活性的影响。结果表明:单一施加外源酚酸对马铃薯株高、茎粗、叶面积以及干物质量皆有不同程度的抑制作用,随酚酸浓度增加,土壤中脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性相对对照分别降低2.74%~10.95%,11.11%~20.55%,5.29%~12.96%,过氧化氢酶、多酚氧化酶活性升高,FDA水解酶活性表现为低促进高抑制。施加液态有机肥后提高了马铃薯株高、茎粗、叶面积以及干物质量,土壤酶活性均有提高,脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、FDA水解酶活性相对对照处理最高分别提高了10.80%,21.40%,18.20%,29.60%,37.69%,12.31%,但是液态有机肥浓度过高降低了其对磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶的提升效果,抑制了FDA水解酶活性。因此合理施加液态有机肥可以促进马铃薯生长发育,提高土壤酶活性,增强马铃薯的抗逆性,从而缓解酚酸对马铃薯的胁迫作用。     

复合指纹法分析红壤区强度开发小流域泥沙来源

南方红壤区人口密集,土地资源开发利用强度大,水土流失类型多样。为研究不同土地利用类型下红壤区强度开发小流域侵蚀泥沙来源,选取感德镇红壤强度开发小流域为研究区,分析了流域内潜在泥沙源地和泥沙的41个地球化学特征,利用Kruskal-Wallis H检验及逐步判别分析确认最佳指纹因子组合,并通过多元混合模型计算各泥沙源地泥沙贡献率。结果表明:共有速效P、Cu、P、Y、Ca、Ga、Sn、Nd 8种因子通过检验被确认为最佳指纹因子组合,累计贡献率达90%以上,拟合优度均大于0.80。多元混合模型结果显示,锋面雨季流域泥沙主要来源于林地、茶园与矿区,贡献率分别为28.59%,28.20%,27.59%;在台风雨季,4种土地利用类型泥沙相对贡献率为茶园>林地>矿区>耕地。通过对不同降雨特征下各土地利用类型泥沙贡献百分比数据进一步分析,结果显示矿区单位面积泥沙贡献百分比均值分别是耕地、林地与茶园单位面积泥沙贡献百分比均值的8,10,10倍,即单位面积下矿区土壤侵蚀强度最大。     

土石混合崩积体坡面细沟跌坑发育试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面细沟跌坑发育情况,采用室内放水冲刷试验,通过设置4个流量(2,4,8,12 L/min)和4种砾石含量的土石混合崩积物(砾石质量比例0,10%,30%,50%),研究不同条件下细沟跌坑的发育特征。结果表明:在不同冲刷时段,跌坑数量变化为3～17个,跌坑平均深度为1.10～5.93 cm,细沟纵断面形态系数为2.97～19.97。各跌坑参数随冲刷时间的延长总体呈增大趋势,部分坡面在5 min或7.5 min时出现最大值;跌坑参数随流量的增加总体呈先增大后减小趋势,8 L/min流量条件下出现最大值,而随着砾石含量增加总体呈增大趋势;流量对跌坑发育的影响大于砾石含量。各跌坑参数与流速、阻力系数及曼宁粗度系数密切相关,径流剪切力是描述跌坑发育的最适合水动力学指标,可用线性函数表达。     

农田土壤重金属淋洗剂筛选与效应分析

为分析不同淋洗剂在不同淋洗条件下对重金属淋洗效果的影响,采用振荡淋洗法对比研究4种淋洗剂(柠檬酸(CA)、酒石酸(TA)、乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)和氨三乙酸三钠盐(NTA))不同浓度、淋洗时间、pH和固液比对重金属复合污染农田土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的淋洗效果及单因素最佳淋洗条件下土壤淋洗前后重金属不同形态含量的变化。结果表明,CA和TA的最佳淋洗浓度为0.3mol/L,EDTA和NTA为0.05mol/L;CA和NTA的最佳淋洗时间为480min,EDTA和TA为720min;4种淋洗剂的最佳淋洗pH均为3,最佳固液比均为1∶20。单因素最佳淋洗条件下,EDTA对土壤重金属去除效果最佳,对Pb、Cd、Zn和Cu的去除率分别为67.4%,61.0%,13.8%和76.0%;NTA效果次之,去除率分别为41.6%,42.4%,9.9%和54.3%。土壤重金属去除率随淋洗剂pH的降低而升高,随固液比的增加而增加,随淋洗剂CA与TA浓度增大而增大。淋洗剂对土壤重金属的解吸动力学曲线符合准二级动力学模型,解吸过程为化学解吸,且解吸反应速率受土壤重金属含量与淋洗剂浓度控制。土壤重金属在淋洗剂作用下的解吸速率为Cd>Pb≈Zn≈Cu。EDTA和NTA淋洗显著降低土壤中Pb、Cd、Zn和Cu铁锰氧化态和有机结合态的含量,CA和TA显著降低Pb、Cd、Zn和Cu铁锰氧化态的含量。淋洗剂对重金属的去除效率为EDTA>NTA>CA>TA。