区域农田土壤重金属污染源解析方法研究现状及展望

重金属污染来源精细解析是区域农田土壤开展污染消减与阻控措施的首要措施。农田土壤重金属来源复杂多样,且污染物的迁移与累积过程受到地形、气象、植被等多种因素的影响,导致污染源对区域不同位置农田产生差别化污染贡献。为精细解析该差别化污染贡献,需使用多个类别型和连续型代理变量表征各污染源空间输出强度及影响因素,并建模代理变量与农田土壤重金属含量之间的关系。而在区域尺度这一关系往往存在空间异质性,现有方法能否有效解决该问题。对此,本文在分析农田土壤重金属污染来源及其空间异质性污染贡献的基础上,梳理了区域农田土壤重金属污染源解析方法的研究现状及其发展趋势,并展望了新的源解析方法,为我国各级政府和相关组织制定既经济又环保的农田土壤重金属污染风险防控措施提供技术支撑。

面向过程的建设用地全程监管时空数据组织模型

本文针对建设用地全程监管多环节、多数据及关系复杂等特点,基于全程监管业务过程和业务需求,提出了面向过程的建设用地全程监管时空数据组织管理模型,探讨了模型组织与存储方式以及回溯与重建操作的实现方法。该模型实现了对建设用地全程监管时空数据语义的一体化组织和表达,可以通过增加辅助表的方式在关系型数据中实现,并能够简单高效的支持用地地块和用地项目的回溯与重建操作,提高建设用地全程监管的效率。

基于LMDI模型的黄淮海地区县域粮食生产影响因素分解

实现粮食的持续稳定增长是保障区域粮食安全的关键。分解各因素对粮食生产的作用及影响强度,识别其主导因素,对提升粮食产量具有积极意义。该文运用对数平均迪氏分解方法(logarithmic mean weigh division index method,LMDI)建立因素分解模型,定量评价并对比分析1980-2010年间黄淮海地区县域粮食生产变动的区域因素。结果表明,1)1980-2010年间,黄淮海地区粮食产量增加了1.01亿t,县域粮食产量"南高北低"的空间分异格局明显,苏北、皖北、豫东和鲁西地区的粮食增产显著;2)4个因素中,粮食单产对粮食产量变化起到显著的正向促进作用,复种指数次之,而粮作比例和耕地面积在较大程度上抑制了黄淮海地区粮食产量的增加;3)县域粮食生产因素分解结果表明,县域之间在耕地面积、复种指数、粮作比例和粮食单产效应方面存在明显差异。总体而言,粮食单产效应叠加上复种指数效应使苏北、皖北和豫东多数县域粮食总产量显著增加;而粮作比例效应、复种指数效应和粮食单产效应的叠加使鲁西县域的粮食总产量增加明显。

北京市平原造林生态系统服务价值评估

结合北京市平原造林相关数据,运用生态经济学原理和方法,采用影子工程法、机会成本法和替代成本法等方法,对北京市100万亩的平原造林生态系统服务价值进行评估。结果表明,北京市平原造林生态系统服务的价值为325.89亿元,各生态服务功能的重要性由大到小依次为调节气候功能、净化空气功能、固碳释氧功能、降低噪声功能、固土保肥功能、涵养水源功能。研究结果为进一步推动北京市平原造林工程建设、制定生态补偿政策及确定生态补偿标准提供了参考。

国土空间监测网络布局优化方法研究

研究目的:服务于自然资源综合监管以及全国国土空间的多级综合动态监测,以县域为基本空间单元,采用多目标优化求解方法,优选具有国土空间代表性的典型县域监测样点,使得选取的每个样点县均能同时代表某种类型的农业生产空间、城乡建设空间和生态保育空间,形成国土空间监测网络优化布局方案,为构建国土空间监测网络提供参考依据。研究方法:基于2015年土地利用变更调查分县数据,结合自然本底、社会经济统计数据,构建空间采样数据集;采用土地垦殖率、城乡建设强度、生态覆盖度三个指标表征国土空间类型,选择与其相关性较大的自然、社会经济指标作为辅助变量,采用重复二分聚类方法进行国土空间分区;根据监测点对不同的农业生产空间类型、城乡建设空间类型、生态保育空间类型的代表性,以及地理空间分布的均匀性,设定多目标优化函数,采用多路空间模拟退火方法进行多目标优化求解,从全国县域单元中优选出能够同时对不同类型的农业生产、城乡建设、生态保育空间均具有代表性的样点县,形成国土空间监测网络布局备选方案;基于专家知识,充分考虑管理实践对监测样点布设的现实要求,从多套理论方案中优选出国土空间监测网络布局的优化方案。研究结果:基于成本最小原则,优选出34个县域监测样点,形成了国土空间监测网络布局参考方案。研究结论:人类对自然资源的开发能力日益增强,国土空间格局正在发生剧烈演变。为动态获取国土空间变化信息,掌握国土空间演变规律,及时制定国土空间优化调控策略,优化国土空间开发格局,亟需加快构建覆盖全国的国土空间多级综合监测网络。本文面向全国国土空间监测网络建设优选出的34个县域监测样点,能够以最少的样本数量实现对主要国土空间类型的全面覆盖,可为全国国土空间监测网络优化布局提供参考。同时,研究提出的国土空间分区和监测样点优化布局方法可为重点区域国土空间监测网络构建提供借鉴。

基于差分的土壤墒情自动监测数据误差修正方法

土壤墒情自动监测设备能够快速、高效、连续地观测土壤墒情数据,但由于受安装调试水平、设备自身状态、以及田间环境变化的影响,在长期连续监测中输出数据的准确性和稳定性会逐渐降低,不利于墒情监测业务的开展。本文以北京市昌平区土壤墒情的人工和自动同步观测数据为基础,通过分析土壤墒情自动监测数据的误差特点,构建了一元一次、一元二次和一元三次差分方程对自动监测数据进行误差修正,并对修正后的误差特征进行分析。结果表明:经过差分修正后,20 cm深度的绝对误差均值减小了34%和24%,40 cm深度的绝对误差均值减小了67%和54%,自动监测数据误差显著下降;3种差分方程中线性差分方程表现最优;修正后的误差统计特性符合简单随机误差,可以通过求算数平均数的方法进一步降低误差。通过差分方法来修正自动监测数据简单易行,能有效的提高自动监测数据精度,充分能够发挥人工和自动监测的优势,提高监测体系整体性能。

基于LMDI和EMD模型的中国玉米产量变化及其波动性研究

采用对数平均迪氏分解模型(LMDI)、经验模态分解模型(EMD)和方差分解模型(VDM),系统分析1978—2012年中国玉米产量的变化趋势和波动特征。结果表明,35年间玉米产量增加1.50×108 t,东北区和黄淮海区的玉米生产优势进一步凸显;玉米播种面积效应和玉米单产效应分别为0.79×108和0.71×108 t,播种面积是中国玉米产量快速增加的主要因素。玉米产量以趋势增长为主,且存在3年左右的准周期波动,玉米单产波动是准3年周期波动的主要影响因素。从八大粮食产区看,黄淮海区玉米产量的波动量最大,其次为东北区和黄土高原区;黄淮海区、东北区和黄土高原区自身的产量波动及其相互间的正向联动作用是中国玉米产量波动的主要因素;黄淮海区和东北区的玉米产量波动量大且变化剧烈,应重点关注这两个区的玉米生产。

类别辅助变量参与下的土壤无偏采样布局优化方法

为了提高采样点在地理空间和辅助变量特征空间中的代表性,该文提出特征空间偏离指数用以测度采样点在特征空间中的无偏性,采用类别型辅助变量参与下的多维特征空间构建方法,融合地理空间和特征空间均匀分布的多目标优化目标函数,并利用空间模拟退火的方法实现采样点布局优化。以北京顺义区农田土壤重金属采样为例,选取土地利用类型、土壤质地和母质为辅助变量进行样点布局优化,并与特征空间均匀和地理空间均匀采样方法比较,结果表明:用于区域变量总体估计时,地理空间均匀采样估计精度最低,在采样尺度大于0.275时以特征空间均匀采样估计精度最好,而在采样尺度小于0.275时,无偏采样能获得更好的估计结果;在特征空间代表性方面,采样尺度较大时特征空间均匀采样样点代表性最好,采样尺度小于0.302时,无偏采样与特征空间均匀采样的代表性基本一致,地理空间采样点的代表性最差;用于空间制图时,无偏采样总体上比其他2种方法具有更好的制图精度。可见,在辅助变量支持的采样优化中,当采样尺度大且样点数较少时,适合采用特征空间均匀方法,且只能用于总体估计;采样尺度较小,样点数多时,适合采用无偏采样方法。该研究为利用辅助变量设计区域采样布局提供参考。

1980—2012年河南省县域粮食单产时空分异及增产潜力研究

基于126个县域数据,采用描述性统计指标和空间自相关分析法,揭示1980—2012年河南省县域粮食单产空间格局及其变化,并结合全国耕作制度分区测算粮食增产潜力。结果表明:1)县域粮食单产波动性增加,绝对差异扩大,相对差异先增大后缩小,县域粮食单产分布由正偏态转为负偏态,集聚程度先增强后减弱;2)县域粮食单产空间自相关显著,粮食单产"东高西低"的分异格局明显,粮食单产增加量自东向西阶梯性递减,东部平原县域的粮食单产增加显著;3)1980—2012年县域粮食单产变化的空间集聚特征明显,局部分异显著,显著高高集聚(HH)类型区集中在黄淮平原东部和冀鲁豫低洼平原东北部,显著低低集聚(LL)类型区主要分布在豫西山地丘陵区和黄海平原区西部;4)将河南省划分为5个一级、11个二级增产类型区,鄂豫皖丘陵山地区、燕山太行山山前平原区的粮食单产增产潜力大;河南省总增产潜力约为1.27×107 t,黄淮平原区>鄂豫皖丘陵山地区>燕山太行山山前平原区>豫西山地丘陵区>冀鲁豫低洼平原区。

中国农作物成灾面积的演化趋势及波动特征研究

综合运用经验模态分解法、剩余法和方差分解法,系统分析了1978—2012年中国农作物成灾面积的演化趋势、波动特征及引起成灾面积波动的灾害类型差异和地区差异,旨在为中国农业生产防灾减灾提供科学依据。结果表明:(1)农作物成灾面积"先增后降",旱灾和水灾是主要灾害类型;成灾面积主要分布在长江中下游区,黄淮海区和黄土高原区。(2)农作物成灾面积的波动特征明显,存在3a和8a左右的准周期波动。(3)在灾害类型上,旱灾和水灾成灾面积波动的总方差贡献为91.77%,是中国农作物成灾面积波动的主要灾害类型。(4)从八大粮食产区看,长江中下游区农作物成灾面积波动的总方差贡献率最大,其次为东北区和黄淮海区,应重点关注这几个地区的成灾面积变化和波动。

长时间序列土地利用数据时空索引技术研究

研究目的:研究支持一调、二调海量土地利用时空数据变化分析及趋势预测的高效索引技术。研究方法:在分析格网索引、HR索引基础上,针对常用土地利用时空数据模型应用场景,提出了适于长时间序列土地利用数据检索的混合时空的索引方法。研究结果:(1)以行政区边界来划分空间格网,在格网基础上以变更调查年为时间标尺建立对应的HR树索引,将基态现状和变更增量时空对象的索引信息保存为索引结点,建立了基于格网与HR树的混合时空索引结构;(2)基于此索引结构,研究并实现了时空混合索引树生成、索引查询、索引删除、索引新增的具体算法。研究结论:以某县域土地利用变化分析中的几种典型情境为例,对比分析了格网索引、HR索引和混合时空索引检索时间复杂度,结果表明该索引方法具有较好的查询效率,满足土地利用变化分析数据时空查询的需求。

长时序海量土地利用时空数据统计优化方法

针对任意查询区域年度现状地类面积统计困难、长时序变更流量分析计算耗时等问题,提出基于时空变化图模型的统计优化方法。运用图的连通性原理,对查询统计区域内和边界处的要素实体进行分类,实现了时序快照统计优化算法,解决了任意查询区域时点现状统计困难的问题,提高了时序快照统计的效率。运用多商品流原理进行时空网络图约化性判定,实现了变更流量统计优化算法,减少了要素空间叠置分析次数,解决了长时序土地利用变化变更流量统计耗时问题,提高了统计的效率。最后,以2009—2012年琼海市土地利用数据为例,进一步验证优化算法的有效性和可行性。

2003～2014年中国种植业产值增长及贡献因素分析

基于统计数据,采用对数平均迪氏分解模型,从全国和省域2个尺度研究农作物播种面积、单位面积产值、增加值率、价格变化等因素对2003~2014年中国种植业增加值的影响方向与程度,以期为农业政策调整和差别化的种植业生产策略制定提供依据。结果表明：（1）12 a间种植业增加值增加了25 608.4亿元;农产品生产价格指数的提升、单位面积产值的快速增加叠加上农作物播种面积的稳定增长,导致研究期间种植业增加值的明显上升;种植业增加值呈现“北进中移”的发展趋势,长江中下游区、黄淮海区、西南区等省域的种植业增加值明显增加。（2）各因素对各省域种植业增加值的作用方向和作用强度呈现出一定的差异性,农产品价格指数的明显提升和单位面积产值的快速增加是大部分省域种植业增加值快速增长的主要推动力,而农作物播种面积的稳定增加也起到比较明显的正向促进作用;新疆和内蒙古农作物播种面积的正向效应明显,北京、上海和浙江农作物播种面积的负向效应明显;东部沿海省域和直辖市增加值率的负向效应比较明显。

空间信息网格中远程空间连接查询的优化

随着空间信息网格的建设,网格平台上管理的空间信息资源越来越丰富,这促进了空间信息网格中空间数据分布式查询的应用需求,而在分布式空间查询中,空间连接查询操作往往成为性能的瓶颈。根据空间信息的特点,通过利用网格计算资源来优化空间连接查询的执行。首先基于网格服务构建网格平台分布式空间数据查询软件结构,通过设计远程空间连接执行服务利用网格平台中的计算资源;根据空间信息的特点,采用基于Kd-Tree空间分区并行连接的方法提高远程空间数据连接操作执行效率,并给出了远程空间连接执行的查询代价模型;然后根据连接代价模型设计了远程空间连接查询执行计划优化生成算法;最后总结了本文工作并探讨了下一步研究方向。

上海海域营养盐趋势与长江排海量相关性研究

根据1984-2012年上海海域营养盐数据，对上海海域无机氮（DIN）、活性磷酸盐（PO4-P）、无机氮与活性磷酸盐比值（N／P）和富营养化指数的表，底层年均变化趋势进行分析评价，发现：无机氮具有线性上升趋势。2000年以来主要处于高位震荡状态。表层浓度年均增长0．0431mg／（L·a），年均增长率4．2％，底层浓度年均增长0．0274mo／（L·a），年均增长率3．3％；活性磷酸盐具有显著的线性上升趋势，并一直处于攀升状态，表层浓度年均增长0．0018m9／（L·a），年均增长率6．2％，底层浓度年均增长0．0015mQ／（L·a），年均增长率5．6％：无机氮与活性磷酸盐比值呈下降趋势，2000年以后基本稳定于20--30之间。水体的富营养化在不断加剧，20世纪80年代基本无富营养化，80年代末90年代初轻度富营养化，90年代中后期为中度富营养化，21世纪以来表层基本处于中度或重度富营养化。无机氮．硝酸盐氮和活性磷酸盐的长江排海通量的年增长量（率）与上海海域年均浓度增长量（率）具有很好的一致性。对营养盐指标年均浓度和长江年排海量的相关性分析，发现上海海域无机氮，活性磷酸盐和硝酸盐氮与长江对应指标的排海量存在显著的皮尔逊相关性。

基于本体知识库的建设用地疑似用地问题自动发现

城镇化发展过程中,建设用地的用地过程监管力度逐渐加大。为实现疑似用地问题的早发现,规范土地资源的使用,设计了一种基于本体知识库的建设用地疑似用地问题自动发现的技术路线。具体路线是针对目前疑似用地问题自动化判别方法研究的不足,借鉴本体知识库,对建设用地监管对象进行概念化表达,设计了建设用地监管对象本体。通过分析建设用地监管过程中的各类用地问题形成对应的问题指标;并构建对应的问题指标本体。基于监管对象与问题指标的关系构建相应的推理规则;并形成规则库。结合推理规则库与本体库进行自动化逻辑推理,发现疑似用地问题。最后通过案例实验,检验推理结果的准确性。实验结果表明基于本体知识库的建设用地监管疑似问题发现技术可行,该技术能够为建设用地动态监管提供一种问题实时发现的手段,对科学管理用地及进行用地决策具有一定的辅助作用。

基于三明治估计的全国土壤墒情估计方法

土壤墒情监测对于科学灌溉、抗旱资源调配均意义重大,文章针对全国范围墒情监测中由于监测点数据少、分布不均及数据点之间关系松散等导致的空间估计效果较差的问题,对全国范围的土壤墒情空间分布规律与空间估计方法展开研究。采用适用于分层异质性表面进行空间估计的三明治估计方法,以全国县域土壤墒情监测数据为采样数据,以全国降水栅格数据与土壤分类数据作为分区数据,以县行政区作为报告单元,实现土壤墒情监测点数据到面数据的上推。采用交叉验证方法对三明治估计效果进行验证,并与距离反比、克吕金、自然临近点和样条4种常规插值方法进行对比。结果表明:三明治估计的误差均值为1.66%,误差标准差为25.16%,墒情等级估计准确率为60.7%;与其它对比方法相比,三明治估计的结果在误差均值与误差标准差上并没有表现更好,三明治估计的误差均值小于样条插值方法但大于其它方法,误差标准差与距离反比、克吕金及自然临近点方法接近。总体来看,三明治估计能够获得与一般插值方法类似的估计效果,但是由于其更符合土壤墒情空间分布以及采样数据情况,因此其结果更可靠和易于解释,能更好地满足全国土壤墒情监测的应用需要。

基于时空感知能力的农业信息搜索技术研究

【目的】为具备时空感知能力的农业专业信息搜索引擎的研制提供关键技术与原型系统,并最终实现更高的查全率、查询效率和用户体验。【方法】以"农搜"为研究对象,通过对搜索引擎系统结构、关键技术和数据结构的研究与分析,并借鉴现有的中分分词和搜索技术、地名搜索技术和地名词典等关键技术,向"农搜"加入独立于农业主题搜索的位置索引和位置查询的方法以实现对位置(区域)的检索。【结果】应用此项技术形成了具备时空感知能力的农业信息搜索原型系统,经测试该原型系统能使位置搜索的查准率达到80%以上。【结论】基于时空感知能力的农业信息搜索技术的应用和推广必将能够提高农业信息系统的使用效率,进而取得较好的用户使用效果。

农田土壤重金属空间变异多尺度分析——以北京顺义土壤Cd为例

为了揭示土壤重金属的空间分异性及其空间结构特征,对2007年北京市顺义区农田土壤采样数据中Cd含量进行多尺度分析,采用半方差分析法和尺度方差分析法定量刻画了土壤Cd空间变异的空间等级结构和特征尺度。结果表明:顺义区土壤Cd含量的变异系数为44.9%,达到中等强度变异,土壤Cd含量具有较强的空间自相关性,且存在空间多尺度结构,3.5、9.6 km左右为土壤Cd的两个特征尺度,其在小尺度上受土地利用强度的影响,大尺度上主要受土壤类型的影响。多尺度分析方法可定量化解析农田土壤重金属空间变异,有效识别不同尺度上的主导因素。

基于地理探测器的土壤重金属污染影响因素分析

定量分析全国范围内Cd、Pb、Zn、As、Cu和Cr 6种土壤重金属累积量与影响因素的相关程度。通过描述性统计、地累积指数法分析了污染情况和累积量分布情况,并借助地理探测器,定量地揭示了土壤重金属含量的主要影响因素。结果表明:Cd呈现出大面积的连片污染,Pb、Zn和Cu呈现斑块状污染,As和Cr呈现零星污染。各种重金属的主要影响因素为:Cd与地理区划、海拔高度、地势三大阶梯和土壤类型相关性较强;Pb与地势三大阶梯、气候带类型和土壤类型相关性较强;Zn与海拔高度、地理区划和气候带类型相关性较强;As与气候带类型和土壤类型相关性较强;Cu与海拔高度、气候带类型和土壤类型相关性较强;Cr与土壤类型、东中西经济划分和地理区划相关性较强;全国大尺度上6种土壤重金属含量主要受自然因素主导控制,主要为多因素复合作用影响。通过定量化分析各重金属的影响因素,揭示了全国大尺度上6种土壤重金属含量整体趋势和宏观规律。