基于经验模态分解的中国粮食单产波动特征及影响因素

探索中国粮食单产的多尺度波动特征及其影响因素,进而有针对性地采取措施来稳定和提高粮食单产对保障中国粮食安全有重要意义。该文对1978-2012年中国粮食及其主要构成作物稻谷、小麦和玉米的单位面积产量,利用经验模态分解方法进行了多尺度波动分解,并分析了改革开放以来中国粮食单产波动的多尺度特征及其主要影响因素。结果表明:1)应用经验模态分解方法可以将1978年以来中国的粮食和三大作物的单产分解为1个趋势项和2个波动项,分别反应了科技、政策和气候对于中国粮食单产波动的影响。其中技术趋势为主导,2个尺度的波动都较小。2)粮食趋势单产年增长率从1997年前的2.28%下降到之后的0.69%,明显放缓。稻谷的趋势单产与粮食走势最为接近,但1997年以后几乎走平。玉米和小麦的趋势单产增速1997年后虽有所下降,但目前上升依然明显。3)中期波动项包括了3个完整的周期和1个进行中的周期,且与中国粮食政策的重大调整及其所产生的后效在时段上具有很好的一致性。总体看粮食生产领域政策的影响大于气候的影响,但不同作物对各种政策的响应也有所不同,土地、税收、补贴、奖励和保险政策的普惠性和同步性较价格政策更强。小麦的中期波动率明显大于其他作物,显示其对政策更加敏感。4)粮食单产的短期波动率为1.80%,其中玉米为3.38%,高于小麦(2.55%)和稻谷(1.06%),显示中国的粮食生产系统有较强的抵御气象灾害的能力,但玉米防灾能力不及稻谷和小麦。5)综合长期趋势和中短期波动来看,3大作物中稻谷最为稳产。稻谷的主要问题是1998年以后单产的趋势产量上升乏力,玉米的主要问题是短期波动较大,受气象灾害的影响大,而小麦的政策波动大于玉米和稻谷。当前中国的农业已经进入了新的发展阶段,农业政策的调整势在必行,该研究结果可为新阶段农业宏观调控政策的制定提供决策依据。     

基于遥感的华北平原农作物时空分布变化特征分析

作物种植面积的多年时空变化是进行农业结构调整和优化的基础,也是开展农业减灾、地下水保护的重要依据。为了解华北平原主要作物近年来种植面积的时空变化过程,本文基于2000—2013年的MODIS NDVI数据和TM/ETM遥感数据提取当地主要作物的种植面积,并分析了华北平原主要作物近年来的时空变化特征。结果表明:1基于MODIS NDVI数据和TM/ETM遥感数据提取当地主要作物的种植面积,提取精度较高,结果可靠;2冬小麦?夏玉米主要分布于太行山前平原、山东省和河南省的引黄河灌区,单季玉米在河北平原北部分布最广,水稻集中分布于天津、河北唐山地区和黄河沿岸,蔬菜主要分布在城市郊区,林果分散分布于几个产果区和京津周边地区,棉花主要集中于华北平原中部地区。3华北平原粮食作物(小麦、玉米和水稻)种植面积明显下降,经济作物(林果和蔬菜)则显著增加,其中林果、蔬菜和水稻的面积变化率较大,分别为56.45%、35.76%和23.16%,蔬菜和水稻的位置转移明显。4景观格局AWMPFD和SHEI指数值表明,河北平原以南的冬小麦?夏玉米种植规模化程度提高,豫北地区冬小麦?夏玉米种植面积增加,豫北以北地区由于各类经济作物种植面积增加,区域作物种植多样化指数增加。该结果可为农业种植结构调整、资源合理利用提供参考。     

黄土丘陵区坡耕地依存度指数动态分析

坡耕地利用是黄土丘陵区水土流失的直接原因,也是这一地区长期以来为了生存和发展的艰难抉择,退耕政策实施后,当地农户对坡耕地的依赖性是否发生了根本性的变化,是退耕成果是否能够巩固的关键.以固原市上黄生态试区为例,根据该试区“六五”时期至“十一五”时期调查资料,通过构建坡耕地依存度指数分析方法,对上黄试区不同时期坡耕地依存度指数进行了动态分析,结果表明:坡耕地粮食依存度指数在治理前达到0.8,治理后期为0.51,退耕期坡耕地粮食依存度指数显著降低,“十一五”末期,坡耕地粮食依存度指数仅为0.09;坡耕地经济依存度指数在治理期间呈波动态势,其值介于0.26～0.36之间,粮食价格和粮食单产是其波动的主要原因.退耕后,坡耕地经济依存度指数明显下降,“十五”时期和“十一五”时期,坡耕地经济依存度指数分别仅为0.11和0.09,在这其中,政策贡献率分别达到91.97％和91.96％.上述结论说明,上黄试区坡耕地在整个研究期间,特别是退耕期,由于耕地集约度水平的提高,以及农户农业系统外收益的提升,当地农户对坡耕地的依赖程度也随之大大降低,农户对坡坡耕地的投入是一种越来越不经济的行为,退耕坡耕地复耕的可能性大大降低.     

中国西北部生态脆弱区典型区域土地综合整治分区——以甘肃省兰州市为例

[目的]探讨土地整治规划的重要内容——土地整治分区,为确定土地整治重点区域和土地整治规划提供参考依据。[方法]以西北部生态脆弱区典型区域甘肃省兰州市为研究区域,基于生态保护视角,在充分考虑区域自然地理特征、土地利用特点及区域主要生态问题的基础上,从地形地貌、降雨、土壤类型、植被类型、水土流失、土地利用等5方面选取指标因子初步构建分区指标体系,并从水资源供给、水系分布及行政区划等方面进一步完善。同时运用ArcGIS空间叠加分析功能,使用综合分析法进行土地综合整治分区。[结果]形成了"方位+地貌+土地利用类型"命名的土地整治两级分区体系,二级分区较为详细。兰州市划分为7个一级区和15个二级区。[结论]中国西北部生态脆弱区域在土地综合整理过程中应该通过选择合理的指标体系分区进行整治。各分区应该针对其土地资源、水资源、生态环境状况等具体特征,基于生态保护视角采取有效措施进行土地综合整治。     

黔西高原侵蚀性降雨特征分析

侵蚀性降雨的特征与土壤侵蚀的研究密切相关。利用径流小区观测法以及黔西高原地区典型小流域的降雨、径流与泥沙资料,对黔西高原地区侵蚀性降雨的特征进行了分析,结果表明:(1)降雨总动能(E)和最大60分钟雨强(I60)的乘积是研究区降雨侵蚀力(R)的计算指标;(2)中雨以上降雨事件的产沙量约占总产沙量的99.5%,6次暴雨事件的产沙量占总产沙量的79.4%。对大雨以上等级降雨事件的土壤侵蚀模数与降雨特征拟合分析得到:M=1.319EI60以及M=0.328PI60;(3)降雨侵蚀力大于500 MJ·mm/(h·hm2)等级的降雨事件的产沙量占总产沙量的73.6%,对降雨侵蚀力大于100 MJ·mm/(h·hm2)等级的降雨事件的土壤侵蚀模数与降雨特征拟合分析得到:M=1.269EI60以及M=0.324PI60;(4)降雨集中时间在1~6h的降雨发生概率大,且泥沙侵蚀量大。6月、7月份降雨事件的产沙量占总产沙量的78%左右,汛期(尤其是6月、7月份)的水土保持工作尤为重要。6月、7月份降雨事件的土壤侵蚀模数与降雨特征拟合分析得到:M=1.378EI60以及M=0.346PI60。     

东北平原典型玉米种植区农业景观植物多样性研究——以昌图县为例

非耕作生境是农业景观中的重要组成部分,为生物提供食物和栖息地,对生物多样性保护具有重要意义。本文以辽宁省昌图县为例,选取了20个非耕作生境比例为0~50%的网格(1 km?1 km)为样区,采用典型样地法对调查区域内农业景观中的林地、田间路、草地、沟渠、果园5类主要非耕作生境中的植物群落进行调查,探讨不同非耕作生境类型和比例中植物多样性及其与景观异质性之间的关系。研究结果表明,随着非耕作生境比例增加,植物物种多样性和均匀度先增加后减小,在20%~30%时达到峰值;非耕作生境比例在0~40%范围内时,植物物种丰富度同样呈现先增加后减小,且在20%~30%时达到峰值;非耕作生境比例高于40%时,植物物种丰富度再次出现峰值且高于20%~30%。随着非耕作生境比例的增加,农业景观香浓多样性、香浓均匀度指数和景观斑块形状复杂程度逐渐增加,蔓延度恰好相反。不同生境中重要值最高的均为禾本科植物,但植物种不同;优势种优势度为果园沟渠草地田间路林地。果园、草地和沟渠的物种多样性和均匀度指数显著高于林地和田间路,丰富度指数为草地林地沟渠果园田间路,且草地、果园和田间路的不同调查区域间植物群落指数存在较大的变异性。草地、果园、沟渠、田间路和林地中景观异质性与物种多样性相关性顺次降低。研究结论表明,东北平原典型玉米种植区农业景观中,最适宜非耕作生境比例为20%~30%;非耕作生境中林地、沟渠对物种多样性维持、湿生植物多样性保护具有积极作用;不同生境干扰类型和方式不同,景观异质性与植物物种多样性相关性程度也不同。在今后农业景观生物多样性保护中应综合考虑非耕作生境的类型和比例,干扰的类型和方式等多种因素对生物多样性、生态服务及农业产量的影响。     

基于四维变分和集合卡尔曼滤波同化方法的冬小麦单产估测

为了通过数据同化方法提高冬小麦的估产精度,以陕西省关中平原为研究区域,采用标定的CERES-Wheat模型模拟8个典型样点冬小麦整个生育期的叶面积指数(LAI),通过四维变分(4DVAR)和集合卡尔曼滤波(En KF)2种同化算法同化CERES-Wheat模型模拟的LAI和遥感数据反演的LAI,获得单点尺度的LAI同化数据,将单点尺度的LAI同化值扩展到区域尺度,对两种同化方法的单点尺度和区域尺度的同化结果进行对比与分析。结果表明,两种同化方法均能综合遥感反演LAI和模型模拟LAI的优势,使LAI同化值更符合冬小麦LAI的实际变化规律;在单点尺度和区域尺度上,En KF-LAI均更能反映关中平原冬小麦的实际生长状况。采用En KF-LAI构建关中平原冬小麦估产模型估测2008年和2014年的冬小麦单产,通过实测单产对估产模型进行验证,结果表明,2008年样点估测单产与实测单产的相对误差均小于15%,部分县估测单产与实测单产的相对误差均小于10%;与2014年模拟单产与实测单产间的相对误差相比,估测单产与实测单产间的相对误差降低0.57%~9.30%,RMSE降低217 kg/hm2,其中,8个样点的估产精度达到94%以上,表明组合估产模型的估产精度较高。     

基于转轮进口水流角的贯流水轮机最优工况应用

贯流式水轮机是农村小水电电网中的重要组成部分,其低水头、大流量的特点,易导致电站机组效率低下、出力降低。而贯流式水轮机运行中的最优运行问题很少引起学者关注,目前最优工况的研究仅仅局限于某点或线。该文从转轮水力损失的角度,理论上分析了影响贯流式水轮机效率的翼型阻力损失、端部损失与撞击损失,依据现场实际导叶与桨叶翼型,在定水头、定桨叶方式下,通过改变转轮进口水流角,对转轮进、出口速度三角形进行计算,从能量角度,进行工况优化,得到转轮10°工况下导叶在53.9°~58.8°的最优特性区域,效率可提高约3%~8%。利用数值仿真技术,对其工况做相应的数值仿真,并进行流场分析,在此基础上,进行真机试验,结果与理论分析相符,与数值仿真计算的误差小于2%,采用此方法对电站机组的全工况进行了计算,全工况范围内进行区域工况优化,得到转轮在7°~42°,导叶在0~78°的最优特性曲线,通过一段时间运行,数据显示机组的能量特性与稳定性效果比较理想。     

Soil organic carbon stock variability in the Northern Gangetic Plains of India: interaction between agro‐ecological characteristics and cropping systems

Soil organic carbon (SOC) content and its spatial distribution in the Northern Gangetic Plain (NGP) Zone of India were determined to establish the cause–effect relationship between agro‐ecological characteristics, prevailing crop management practices and SOC stock. Area Spread Index (ASI) approach was used to collect soil samples from the NGP areas supporting predominant cropping systems. Exponential ordinary kriging was found most suitable geo‐statistical model for developing SOC surface maps of the NGP. Predicted surface maps indicated that 43.7% area of NGP had 0.5–0.6% SOC, while the rest of the area was equally distributed with high (0.61–0.75%) and low (< 0.5%) SOC content levels. Averaged across cropping systems, maximum SOC content was recorded in Bhabar and Tarai Zone (BTZ), followed by Central Plain Zone (CPZ), Mid‐Western Plain Zone (MWPZ), Western Plain Zone (WPZ) and South‐Western Plain Zone (SWPZ) of the NGP. The SOC stock was above the optimum threshold (> 12.5 Mg/ha) in 97.8, 57.6 and 46.4% areas of BTZ, CPZ and MWPZ, respectively. Only 9.8 and 0.4% area of WPZ and SWPZ, respectively, had SOC stock above the threshold value. The variation in SOC stock was attributed largely to carbon addition through recycling of organic sources, cropping systems, tillage intensity, crop or residue cover and land‐use efficiency, nutrient‐use pattern, soil texture and prevailing ecosystem. Adoption of conservation agriculture, balanced use of nutrients, inclusion of legumes in cropping systems and agro‐forestry were suggested for enhancing SOC stock in the region.     

青藏高原地区典型公路路域水环境特征

[目的]阐明青藏高原地区公路路域水环境特征及影响因素,为青藏高速公路建设及水环境保护措施提供理论基础及科学依据。[方法]基于2015年6—7月对共玉公路(青海省共和县至玉树县)和青藏公路(格尔木市至拉萨市)路域水环境测试结果,对青藏高原地区公路路域水环境特征及影响因素进行分析。[结果]经T检验,青藏高原地区公路路域径流污染具有显著性差异,各水质指标存在不同程度的变异性,变异系数(Cv)变化范围为11%~396%,表明不同径流水体污染物因所处位置不同而有所差异;对比了典型路域水环境特征,新建公路(共玉公路)的水环境质量好于运营期公路(青藏公路),高速公路运营后对路域水环境影响明显;对不同径流水体进行了Person检验。结果显示,悬浮物(SS)与其他水质参数之间均表现出不同程度的相关性,说明SS不仅是青藏高原地区路域径流污染的主要污染物,且是其他污染物(重金属和化学需氧量COD)的载体。[结论]路面径流是路域水环境污染的重灾区,对降雨径流进行收集处理及采用新型的路面,布置径流处理措施,将有效地降低路域水环境的影响。