Upscaling as ecological information transfer: a simple framework with application to Arctic ecosystem carbon exchange

Transferring ecological information across scale often involves spatial aggregation, which alters information content and may bias estimates if the scaling process is nonlinear. Here, a potential solution, the preservation of the information content of fine-scale measurements, is highlighted using modeled net ecosystem exchange (NEE) of an Arctic tundra landscape as an example. The variance of aggregated normalized difference vegetation index (NDVI), measured from an airborne platform, decreased linearly with log(scale), resulting in a linear relationship between log(scale) and the scale-wise modeled NEE estimate. Preserving three units of information, the mean, variance and skewness of fine-scale NDVI observations, resulted in upscaled NEE estimates that deviated less than 4% from the fine-scale estimate. Preserving only the mean and variance resulted in nearly 23% NEE bias, and preserving only the mean resulted in larger error and a change in sign from CO₂ sink to source. Compressing NDVI maps by 70–75% using wavelet thresholding with the Haar and Coiflet basis functions resulted in 13% NEE bias across the study domain. Applying unique scale-dependent transfer functions between NDVI and leaf area index (LAI) decreased, but did not remove, bias in modeled flux in a smaller expanse using handheld NDVI observations. Quantifying the parameters of statistical distributions to preserve ecological information reduces bias when upscaling and makes possible spatial data assimilation to further reduce errors in estimates of ecological processes across scale.     

光唇鱼网箱养殖试验

网箱单养、混养光唇鱼的试验结果表明,在25m2网箱中,单养光唇鱼以200～220尾/m2的放养密度比较合适,单位面积产量可达12.7～12.9 kg/m2;瓯江彩鲤网箱中混养光唇鱼,在瓯江彩鲤保持180尾/m2的放养密度不变的情况下,混养20尾/m2的光唇鱼,其效果比单养瓯江彩鲤更好,单位面积产量可达103.2kg/m2.     

Energy and resource consumption of land-based Atlantic salmon smolt hatcheries in the Pacific Northwest (USA)

This paper evaluates the resource and energy requirements of six different types of land-based, hatchery production systems located in the U.S. Pacific Northwest: flow-through with a gravity water supply, flow-through with a pumped water supply, flow-through with pure oxygen, partial reuse system, partial reuse with heating, and a reuse system for the production of Atlantic salmon (Salmo salar) smolts. Key parameters used in the evaluation include direct energy, indirect energy, transportation energy, greenhouse gas emissions, and pollutant discharges.Power (electricity and natural gas) and feed energy accounted for the majority of the required energy for all the rearing option evaluated. The sum of the fixed capital and chemicals components accounted for less than 2–12% of the total energy budget for any rearing option. The energy efficiency (energy output/energy input) of the six options ranges from 0.97% for flow-through with pumped supply to 3.49% for the flow-through with gravity supply. The rearing options with the three highest energy efficiencies were flow-through with gravity supply (3.49%), partial reuse (2.75%), and reuse (2.64%).On a kg of smolt produced basis, the six rearing options showed a wide range in performance. The reuse system had the lowest water (2 m³ kg^− 1) and land (0.13 m² kg^− 1) requirements and the third lowest total energy requirement (288 MJ kg^− 1). The partial reuse system had the second lowest total power requirement (276 MJ kg^− 1), a low land requirement (0.21 m² kg^− 1), and moderate water requirements (33 m³ kg^− 1). The partial reuse with temperature control had the second highest total power requirement (657 MJ kg^− 1) and land and water requirements similar to the partial reuse system without temperature control. The flow-through system with pumped water supply had the highest water (289 m³ kg^− 1), land (2.19 m² kg^− 1), and energy requirements (786 MJ kg^− 1) of any of the rearing options. By comparison, the flow-through system with gravity water supply had the lowest energy requirement (218 MJ kg^− 1), a moderate land requirement (0.78 m² kg^− 1), and a high water requirement (214 m³ kg^− 1). The ranking of the six rearing options based capital and operating costs are likely to be quite different from those based on energy, water, and greenhouse gas emissions.     

大气CO2浓度升高对茶树光合生理特性的影响

通过对不同大气CO2浓度水平下的茶树观测试验,研究了大气CO2增长对茶树新梢叶片净光合速率、蒸腾气孔导度、水分利用效率、叶绿素含量和营养元素含量等光合生理特性的影响。结果表明,在大气CO2浓度为550、750μmol·mol-1时,比正常大气CO2水平下茶树叶片日平均净光合速率提高17.9%和25.8%,并缓解和消除了光合午休现象;茶树叶片气孔导度降低7.6%和13.0%,蒸腾速度稍有下降,水分利用效率提高21.6%和35.8%;同时使茶树新梢叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量和类胡萝卜素含量分别提高12.8%～18.4%、14.0%～22.0%、13.1%～19.4%和17.2%～20.1%,但叶绿素a与叶绿素b的比值有所降低。大气CO2浓度的升高使新梢营养元素N、K、Ca含量有不同程度降低,而Mg、Fe、Zn、Mn、Cu含量有所增加。     

小麦-玉米-大豆轮作下黑土农田土壤呼吸与碳平衡

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,探讨农田生态系统的土壤呼吸与碳平衡对于科学评价陆地生态系统在全球变化下的源汇效应具有重要意义。基于中国科学院海伦农业生态实验站的长期定位试验,对不同施肥处理下黑土小麦-玉米-大豆轮作体系2005—2007年的作物固碳量与土壤CO2排放通量进行了观测,并对该轮作体系下黑土农田生态系统的碳平衡状况进行了估算。结果表明:在小麦-玉米-大豆轮作体系中,作物固碳量的高低表现为:玉米>大豆>小麦,平均值分别为6 513 kg(C).hm-2、4 025 kg(C).hm-2和3 655kg(C).hm-2。从作物生长季土壤CO2排放总量来看,3种作物以大豆农田生态系统的土壤CO2排放总量最高,平均值达4 062 kg(C).hm-2;其次为玉米,为3 813 kg(C).hm-2;而小麦最低,为2 326 kg(C).hm-2。3种作物轮作下NEP(净生态系统生产力)均为正值,表明黑土农田土壤-作物系统为大气CO2的"汇",不同作物系统的碳汇强度表现为玉米>小麦>大豆,三者的平均值分别为3 215 kg(C).hm-2、1 643 kg(C).hm-2和512 kg(C).hm-2。长期均衡施用氮、磷、钾化肥或氮、磷、钾化肥配施有机肥后,小麦、玉米和大豆农田生态系统的固碳量和土壤CO2排放总量均明显增加,并在氮、磷、钾配施有机肥处理下达到最高。不同的施肥管理措施将改变土壤-植物系统作为大气CO2"汇"的程度,总体表现为化肥均衡施用下NEP值较高,而化肥与有机肥配施下农田生态系统的NEP值较低。     

联合收获机知识组织与知识库系统研究

针对联合收获机知识缺乏系统化组织与分类、难以在设计时高效获取并应用的问题,应用装备谱系及谱系拓扑图形式对联合收获机知识进行层次化组织;按照联合收获机智能化设计实际应用需求,对知识库系统功能模块进行架构分析;分析了农机装备设计知识的表现形式,综合利用产生式规则和框架表示的混合表示方法对设计过程进行分析和表达,建立了设计体系。以Visual Studio 2015平台为开发工具,在.Net环境下,应用ADO.Net技术、CATIA二次开发技术及SQL Server数据库,将联合收获机设计知识、参数化模型等数字化资源融和,进行组织管理,构建了联合收获机知识库系统。通过人机交互的方式,将知识表达形成的设计体系系统化,应用模糊查询方法、推理机和ADO.Net技术实现系统中知识的查询、推理及编辑功能,并将知识推送的结果传递给关联的参数化模型驱动,在不同需求下快速构建模型,实现了知识的高效获取与应用,提高了设计效率,为联合收获机零部件设计提供了一种通用方法。系统测试表明,该系统具有可行性和有效性,适用于联合收获机系列产品的开发。     

基于改进YOLO v3的自然场景下冬枣果实识别方法

为实现自然场景下冬枣果实的快速、精准识别,考虑到光线变化、枝叶遮挡、果实密集重叠等复杂因素,基于YOLO v3深度卷积神经网络提出了一种基于改进YOLO v3（YOLO v3-SE）的冬枣果实识别方法。YOLO v3-SE模型利用SE Net 的SE Block结构将特征层的特征权重校准为特征权值,强化了有效特征,弱化了低效或无效特征,提高了特征图的表现能力,从而提高了模型识别精度。YOLO v3-SE模型经过训练和比较,选取0.55作为置信度最优阈值用于冬枣果实检测,检测结果准确率P为88.71%、召回率R为83.80%、综合评价指标F为86.19%、平均检测精度为82.01%,与YOLO v3模型相比,F提升了2.38个百分点,mAP提升了4.78个百分点,检测速度无明显差异。为检验改进模型在冬枣园自然场景下的适应性,在光线不足、密集遮挡和冬枣不同成熟期的情况下对冬枣果实图像进行检测,并与YOLO v3模型的检测效果进行对比,结果表明,本文模型召回率提升了2.43~5.08个百分点,F提升了1.75~2.77个百分点,mAP提升了2.38~4.81个百分点,从而验证了本文模型的有效性。     

不同施肥条件对鱼腥草碳氮代谢生理指标的影响

【研究目的】结合前期对产量、品质的研究，探讨不同施肥条件下鱼腥草叶片主要碳氮代谢指标的变化及其与产量形成的关系。【方法】采用单因子随机区组设计进行施肥实验，测定鱼腥草叶片光合速率、硝酸还原酶活性、叶绿素和粗蛋白的含量。【结果】各施肥处理中以较低施肥水平人粪尿处理的鱼腥草叶片含叶绿素总量最高，达2.552 mg/gFW，以中等施肥水平鸭粪的净光合速率最高，为8.306μmol/(m2·s)。施用不同肥料的鱼腥草叶片硝酸还原酶活性大小为：鸭粪>猪粪>常规施肥>化肥>人粪尿，各处理以中等施肥水平的猪粪处理的硝酸还原酶最高，达46.2μg NO2-/(h·g)FW；粗蛋白以施用较高水平化肥的最高（13.31%）。【结论】施用有机肥能显著提高鱼腥草叶片的碳代谢，这有利于其产量的形成；但施用人粪尿不利于提高鱼腥草叶片硝酸还原酶活性和蛋白质的形成与积累。     

新疆内陆干旱区不同灌水量对长绒棉光合特性的影响

为探索新疆内陆干旱区不同灌水量对长绒棉新海14号光合特性的影响,利用小区试验,在5种灌水量（W）条件下,对其光合特性进行研究。结果表明：灌水量为7650m3/hm2时,叶片净光合速率日变化呈单峰曲线;随着灌水量的降低,其净光合速率日变化呈双峰曲线。新海14号的光补偿点为50μmol/m2·s;灌水量为2850m3/hm2时,其光饱和点为310μmol/m2·s,灌水量为5475m3/hm2以上时,其光饱和点为1280μmol/m2·s。叶片的净光合速率及蒸腾速率随灌水量的升高而增加,气孔阻力随灌水量的升高而降低。水分利用效率随着灌水量的降低而提高,呈极显著负相关;棉花产量对灌水量极为敏感。净光合速率与蒸腾速率呈显著正相关,与气孔阻力呈极显著负相关;蒸腾速率与气孔阻力呈显著负相关。新海14号的光合作用最适宜灌水量为6945m3/hm2;灌溉的临界值为5250m3/hm2     

刺槐光合生理生态特性日变化研究

为了解刺槐光合生理生态特性及生长的适宜生态条件,培育出优质高产的林木,采用LI-6400光合测定系统对刺槐的光合生理特性日变化及其与气象因子关系进行了研究。结果表：（1）刺槐的Pn日变化呈“双峰型”曲线,有明显的“午休”现象,第一个峰出现在9：00左右,第二个峰出现在15：00左右,第一个峰值明显高于第二个峰值。（2）Tr在很大程度上决定于气孔的活动状态,Ci因为Gs的降低而减少,刺槐的光合速率控制因子为气孔限制。（3）Pn与Gs成极显著正相关,与Tr成显著性正相关。环境因子主要是影响叶片的Tr、Vpdl和Tl来影响Pn,PAR对Pn的影响较大,但可能不是导致刺槐光合“午休”的直接因素。