基于地理加权回归模型评估土地利用对地表水质的影响

针对传统线性回归模型大多忽视空间数据局部变化特征这一缺陷,引入地理加权回归模型(GWR)用于评估土地利用对地表水质的影响,分析了不同子流域内两者关系出现空间变化的规律并阐释了原因.同时,对比了GWR模型与普通最小二乘模型(OLS)的校正R2、Akaike信息准则(AICc)及残差的空间自相关指数(Moran's I),验证了GWR模型在预测精度和处理空间自相关过程中是否优于OLS模型.结果表明,同一土地利用类型对水质的影响随空间位置的改变而发生方向或大小的变化.以温瑞塘河流域总氮(TN)与农用地的关系为例,从GWR模型局部回归系数的方向分析,两者关系表现为农村正、城区负的现象,从大小分析,旧城区TN与农用地回归系数的绝对值高于其它区域;在溶解氧(DO)与人口密度所构建的GWR模型中,两者关系在整个研究区域内均表现为负值,与OLS结果吻合,从回归系数的大小分析,人口密度对DO的作用在郊区及农村更为显著.针对此类关系出现空间变化的原因分析表明,相邻子流域土地利用百分比的改变及水体主要污染源的不同,是导致土地利用对水质作用发生变化的根本因素.最后,对比所构建的80个GWR与OLS模型校正R2、AICc指标,验证了GWR作为一种局部统计模型,其预测精度优于OLS等传统全局模型且更能反映实际空间特征.     

科尔沁沙地水资源投入对粮食生产的影响定量研究 ——以奈曼旗为例

借鉴Cobb-Douglas全要素生产函数,以粮食总产量为因变量,以包括年降水量等气候要素、 耕地面积等经济要素和化肥施用量等技术要素在内的10项投入为自变量,构建1987年至2008年期间奈曼旗农业生产投入产出模型。结果表明:①影响奈曼旗粮食总产量的关键因素为农业劳动力(t=9.44,P/=0.00)、 年降水量(t=8.33,P=0.00)和灌溉用水量(t=6.89,P=0.00)。 除农业劳动力外,其他两项因子均与水资源有关;年降水量和灌溉用水量的弹性系数均大于1,说明粮食总产量的增长倍数高于水资源投入的增长倍数,水资源的继续投入将导致粮食产出快速增长。②根据模型,农业劳动力、 灌溉用水量、 年降水量的回归系数分别为5.13、 1.55和1.46,显示当地劳动力投入及水资源投入均存在不足,单独增加某个投入要素即会导致粮食产出以更快速度增长;随着奈曼旗农业劳动力不断减少,且年降水量波动性增强且呈下降趋势,粗放式的灌溉明显加强。根据模型,其他投入要素不变、农业劳动力减少1%时,灌溉用水量增加3.31%;其他投入要素不变、 年降水量减少1%时,灌溉用水量增加0.94%。③降水的波动会导致粮食单产量的波动,而灌溉用水量在很大程度上影响了粮食单产量水平(R²=0.543);降水量的减少导致农民通过扩大播种面积来获得增产,因此降水量的年际变化和播种面积的年际变化之间呈现明显的反向变动关系。总体来讲,奈曼旗农业生产对灌溉用水的依赖程度不断加大。随着灌溉用水的持续投入,其增产作用将逐渐降低,并且对当地脆弱生态系统带来进一步的压力。     

中国交通碳排放及影响因素时空异质性

选取30个省级行政单位作为空间单元,采用探索性空间数据分析（ESDA）方法对交通碳排放时空分布格局进行研究,同时考虑空间单元的差异性,构建地理加权回归（GWR）模型分析交通碳排放影响因素的时空异质性.研究发现：2000~2015年交通碳排放量呈现显著的空间聚类特征,聚类趋势逐年加强.双变量空间自相关指数为0.165~0.274,显著性水平介于0.016~0.045,表明交通碳排放同机动车保有量、GDP、货运周转量及客运周转量之间存在显著的空间正相关关系.GWR模型的R²在0.783~0.865之间,而OLS模型的R²在0.675~0.844之间,且GWR模型的AICc值均低于OLS模型的,说明GWR模型的拟合结果明显优于OLS模型,可以更好地解释交通碳排放的影响机制.GWR的回归结果表明碳排放的影响因素存在明显的时空异质性特征,其中GDP是主要的推动因素,部分地区回归系数高达0.91,2000年影响程度由东向西递减,而2005、2010和2015年由北向南递减.客运周转量起到关键的抑制作用,影响程度由东北向西南递减.因此建议应当充分考虑碳排放影响因素的时空异质性特征,制定差异化的碳减排政策.     

中国交通碳排放及影响因素时空异质性

选取30个省级行政单位作为空间单元,采用探索性空间数据分析（ESDA）方法对交通碳排放时空分布格局进行研究,同时考虑空间单元的差异性,构建地理加权回归（GWR）模型分析交通碳排放影响因素的时空异质性.研究发现：2000~2015年交通碳排放量呈现显著的空间聚类特征,聚类趋势逐年加强.双变量空间自相关指数为0.165~0.274,显著性水平介于0.016~0.045,表明交通碳排放同机动车保有量、GDP、货运周转量及客运周转量之间存在显著的空间正相关关系.GWR模型的R²在0.783~0.865之间,而OLS模型的R²在0.675~0.844之间,且GWR模型的AICc值均低于OLS模型的,说明GWR模型的拟合结果明显优于OLS模型,可以更好地解释交通碳排放的影响机制.GWR的回归结果表明碳排放的影响因素存在明显的时空异质性特征,其中GDP是主要的推动因素,部分地区回归系数高达0.91,2000年影响程度由东向西递减,而2005、2010和2015年由北向南递减.客运周转量起到关键的抑制作用,影响程度由东北向西南递减.因此建议应当充分考虑碳排放影响因素的时空异质性特征,制定差异化的碳减排政策.     

我国化肥施用量持续增长的原因分解及趋势预测

我国化肥大量使用在提高农业生产的同时也对环境产生了严重的负面影响。目前国内外学术界对我国化肥施用量持续增长的原因以及未来我国化肥使用的发展趋势还存在较大争议。论文利用过去20 a 间我国化肥施用量的相关数据, 对化肥施用量持续增长的成因进行了分解。研究结果表明:化肥使用强度的增长是我国化肥施用总量增长的主因, 但从2007 年以来, 使用强度的贡献不断下降, 播种面积调整的贡献有所提高。根据分解结果并利用“中国农业可持续发展决策支持系统”(CHINAGRO) 预测了2020 年全国和各省化肥使用量情况。模型分析结果表明如果不采取措施, 我国未来化肥的使用总量和单位播种面积化肥施用量将依然呈现增长趋势, 且单位面积化肥用量将长期高于225 kg/hm²的国际上限标准。预计到2020年我国化肥总施用量和单位播种面积化肥施用量比2010 年分别提高2%和4.3%。东部地区单位播种面积化肥施用量较高, 2020 年广东、福建、天津、北京等省(市) 化肥单位面积施用量将接近或超过600 kg/hm², 这将对当地环境造成巨大压力。     

集约化农区土地利用变化对水资源的影响——以河北省曲周县为例

根据曲周县统计资料和水利观测资料,分析了近30年来土地投入变化及其对粮食作物单产变化的贡献率,并对区域水资源平衡变化的情况进行了计算和分析。研究结果表明,作为集约化农区的曲周,30年来土地利用集约化程度不断提高,表现为土地的复种指数、化肥投入和灌溉率不断提高;播种作物面积单产的生产函数模拟表明,灌溉保障率的提高对作物播种面积单产的贡献率最大,达到了0.546;作物播种面积单产提高对水资源的高度依赖性,导致了对水资源的过度开采,使区域水资源失衡。这种趋势持续下去,将对区域的资源持续利用产生不利影响。要促进集约化农区水土资源的可持续利用,只有降低复种指数,减少耗水作物,特别是小麦的播种面积。     

基于市域尺度的中国化肥施用与粮食产量的时空耦合关系

化肥施用是一把双刃剑,在促进粮食产量增加、保障粮食安全的同时,导致了生态环境退化,当前亟需辨明化肥施用与粮食生产之间的时空耦合关系,以便为维护粮食安全与生态安全提供有效的对策。以中国336个地级行政区为研究单元,分析2005-2015年中国粮食产量与化肥施用量的时空格局变化特征、化肥施用量与粮食产量的时空耦合关系及其动态变化过程。研究发现：（1）2005-2015年中国化肥施用量与粮食产量均呈上升趋势,化肥施用量的区内差异呈“粮食主产区—产销平衡区—粮食主销区”递减态势;而粮食产量的区域差异总体趋于增大,且呈“粮食主产区—产销平衡区—粮食主销区”递增态势。（2）化肥施用量增幅大致呈“东—中—西”阶梯式递增的趋势,而粮食产量增幅呈明显的南北分异特征。（3）从空间分布来看,胡焕庸线以东地区以“双高区”为主,胡焕庸线以西地区以“双低区”为主,且“低效施肥区”收缩,“他因素影响区”扩张。（4）期间,粮肥耦合关系以“双增型”为主,其他类型为辅,粮肥耦合关系主要向“双增型”与“他因素影响型”转变。     

中国西部地区水-能源-粮食系统耦合协调度的时空特征

在2005~2018年中国西部地区水-能源-粮食系统综合发展评价的基础上,运用耦合协调度模型和地理加权回归模型对水-能源-粮食系统耦合协调度的时空特征及其影响因素进行实证研究.结果表明:(1)中国西部水-能源-粮食系统及其各子系统的综合发展指数总体呈波动上升趋势,其中,水资源和能源子系统在2011年后长期滞后于粮食子系统,成为西部地区水-能源-粮食系统耦合协调发展的短板.(2)2005~2018年,中国西部水-能源-粮食系统耦合协调度从勉强耦合协调进入初级耦合协调阶段,且耦合协调度呈现“南高北低”的时空特征.(3)居民消费水平和人口规模对甘肃、内蒙古等西北地区的系统耦合协调度具有正向影响,对重庆、云南等西南地区具有负向影响,影响程度在地理空间上均呈现出“北正南负”的空间特征;地方财政环保投入的影响程度从北到南逐渐增大,广西、贵州、四川、陕西的系统耦合协调度受该因素的影响最大;R&D投入强度对系统耦合协调的推动作用相对较小,影响程度呈现“北高南低”的空间特征.基于上述分析结果,提出了多资源系统联合发展视角下的区域资源管理方式,减少对有限资源间的依赖性,改善人口规模及环保科技投入等因素,构建具有西部区域特色、体现资源优势、富有竞争力的水-能源-粮食系统耦合协调发展策略.     

粮食主产区土地利用生态安全格局空间分布研究

土地生态安全是促进区域土地可持续发展、保障粮食安全的重要因素。以我国粮食主产区黑龙江省明水县为研究区,以研究区各乡镇为评价单元,采用P-S-R模型从压力、状态、响应3个方面建立土地生态安全评价指标体系,运用生态安全指数测算方法,计算研究区各评价单元的土地生态安全指数,并将评价结果表达在空间上。研究结果表明:在研究区12个乡镇中,I级生态安全单元2个,II级生态安全单元6个,III级生态安全单元4个。导致安全评价等级差异的影响因子各乡镇不一,其中经济密度、单位面积化肥施用量、单位面积农药施用量等因子的影响作用相对较大。该研究成果可为保护区域土地生态环境、保障国家粮食安全提供参考。     

辽河干流河岸带土壤中多环芳烃的污染特征与生态风险评价研究

土地生态安全是促进区域土地可持续发展、保障粮食安全的重要因素。以我国粮食主产区黑龙江省明水县为研究区,以研究区各乡镇为评价单元,采用P-S-R模型从压力、状态、响应3个方面建立土地生态安全评价指标体系,运用生态安全指数测算方法,计算研究区各评价单元的土地生态安全指数,并将评价结果表达在空间上。研究结果表明:在研究区12个乡镇中,I级生态安全单元2个,II级生态安全单元6个,III级生态安全单元4个。导致安全评价等级差异的影响因子各乡镇不一,其中经济密度、单位面积化肥施用量、单位面积农药施用量等因子的影响作用相对较大。该研究成果可为保护区域土地生态环境、保障国家粮食安全提供参考。     

基于LMDI模型的中国粮食产量变化及作物构成分解研究

理清1980-2010 年间中国粮食产量变化的作物贡献及其主要贡献因子,为今后农业政策的调整提供决策依据。论文采用对数平均迪氏分解模型(LMDI)开展1980-2010 年间中国粮食产量变化及作物构成分解研究。研究结果表明:①30 a 间中国粮食产量增加了2.26×10⁸ t,粮食播种面积效应和粮食单产效应分别为-0.21×10⁸和2.47×10⁸ t;粮食单产水平提升对粮食增加量的贡献值大,但这一贡献效应的增加量在减弱。②稻谷、小麦和玉米三种作物产量在全国粮食总产量中的比例波动性上升;稻谷单产、小麦单产、玉米单产,以及玉米播种面积的增产效应最为明显,是驱动全国粮食产量增加的主要因素。③地区贡献以黑龙江和河南最为突出,累积贡献率约占1/3,省域粮食生产“北进中移”的趋势明显;各省域粮食产量的贡献因素差异显著,大豆、薯类和其他作物对粮食总产量变化的贡献较小。建议实施差别化的粮食生产政策,在继续提高粮食单产的同时稳定粮食播种面积,确保国家粮食安全。     

单产提升潜力衰减模型法在河南粮食单产中长期预测中的应用研究

粮食单产水平的提高是河南粮食增产的主要原因,准确预测粮食单产水平,对科学判断河南粮食生产能力、制定粮食生产战略意义重大。论文针对目前直接以单产为变量建立的预测模型未能反映出单产增长的有限性和增速的减缓性之不足,研究提出了一种基于单产提升潜力衰减过程的单产预测方法。该方法利用河南耕地的平均单产潜力和历年实际单产数据,计算得到河南历年单产可提升潜力值;依据单产提升潜力理论上呈逐渐衰减之变化特点,可采用指数衰减函数建立单产提升潜力回归模型,以达到间接预测单产之目的。结果表明：1）单产提升潜力对数值与时间t之间具有高度负线性相关关系,适宜建立指数回归模型;2）回归模型V_q-V_t=e^{-0.009 5t+9.464 7}拟合优度R²=0.973 1,在0.01置信水平上回归显著;3）预测模型反映出了单产提升潜力的有限性和衰减性,即单产潜力对单产水平的限制性,模型理论诠释清晰;4）利用河南1978—2000年的单产数据作为样本建立预测模型,用样本以外2001—2015年的实际单产作为观测值,对预测单产进行模型预测检验,结果表明该模型预测单产绝对误差均值为129.15 kg/hm²,仅为现有方法的0.17~0.82倍,且误差平稳,适宜于单产中长期预测;5）预测得河南2020、2025、2030年的平均单产分别为6 375、6 765、7 155 kg/hm²,年均增幅为85.20~74.55 kg/hm²,增速呈逐渐减缓趋势。     

1949～1992年我国粮食单产的气候影响分析

１９４９～１９９２年我国粮食单产呈持续增长趋势,但年际间有明显的波动。这种波动除受政策因素影响外,主要受气候波动的影响,尤其是单产水平的剧降往往与气候灾害比较严重的年景对应。为此,本文着重分析了气候产量的时空变化特征。结果表明,东部地区单产水平虽然很高,同时波动幅度也很大,应以稳产为主,中、西部地区以增产为主。从全国来看,气候产量变化的一致性特征明显,５０年代和８０年代气候条件对粮食生产比较有利。但个别年份气候产量变化会呈现出南北或东西方向的地域分异特征。     

中国灌区粮食生产水足迹及用水评价

以1998、2005 及2009 年459 个灌区资料为基础,从区域尺度计算粮食生产水足迹,建立粮食生产用水水平综合评价指标I对灌区粮食生产与水资源利用之间的关系进行评价。结果显示:粮食生产水足迹及其组成的区域间差异均较大,大值省区主要分布于东北、华南,小值省区以黄淮海平原为核心集中分布;全国粮食生产水足迹多年均值为1.336 m³/kg,蓝、绿水比例分别为63.7%和35.8%,有35.1%的水足迹损失于粮食生产过程。空间自相关分析表明,粮食生产用水水平综合评价指标I相似的省区在空间上显著地聚集,局部自相关属性为HH和LL的省区超过了20 个,不同年份总体和局部的空间分异特征随时间变化均不明显;省区间粮食生产综合用水水平差异大,I值介于0.079~0.889 之间,变异系数为0.59,黄河中下游省区用水水平较高而东北及西北大部分省区则相反。结合人均粮食占有量与I值在全国的地位,对各省区粮食生产与农业用水发展方向进行了讨论。     

近20a来甘肃省县域人均粮食占有量时空格局及其驱动力研究

以甘肃省87个县域为研究单元,基于1991、1996、2001、2006、2011年的统计数据,采用ESDA、重心迁移、GWR等方法对甘肃省县域人均粮食占有量的空间格局进行测定,并分析区域差异的空间异质性及变化的驱动机制。结果表明:1991—2011年间,甘肃省县域人均粮食占有量呈现总体上升、期间波动的态势,重心自西北向东南迁移。人均粮食占有量的空间自相关特征明显,热点区主要集中分布在河西走廊中部,冷点区主要聚集在陇中和甘南,20 a间,冷、热点格局发生了较大变化。人均粮食变化驱动因素的非均衡联动局域性特征显著,人口数量对人均粮食占有变化的影响最大,呈负相关,其次是经济发展水平和城市化率;多个影响因素在空间上存在明显的经度或纬度地带性规律。     

2015~2019年河南省PM2.5时空特征与驱动因素分析

PM_2.5是雾-霾中的主要成分,河南省已成为PM_2.5污染防治重点地区之一.基于2015～2019年河南省PM_2.5浓度数据,使用空间自相关和空间热点探测方法分析其时空特征,引入地理探测器方法分析气象因素、空气质量因素和社会因素对PM_2.5浓度的解释力度.结果表明,河南省2015～2019年PM_2.5浓度整体呈现降低趋势,高污染天数减少和低污染天数增加,高污染逐步向中污染转化;PM_2.5浓度具备明显的空间聚集特征,全局空间自相关指数先降后升,空间热点集中在豫北地区（安阳市、鹤壁市、新乡市和焦作市）,空间冷点集中在豫西地区（三门峡市、洛阳市和南阳市）;空间重心转移呈现出北上的趋势;单因子探测显示,在9个影响因子中,土地利用类型（解释力度为0.511,下同）、降水量（0.312）和NO₂浓度（0.277）是影响PM_2.5浓度最明显的因子,其余因子影响力排序为PM₁₀浓度（0.255）、温度（0....     

福建省土地利用多尺度空间自相关分析

常规统计方法是分析制约土地利用空间分布的影响因素常用方法,其理论假设前提是数据本身在统计上是独立的,呈正态分布。而土地利用空间数据往往具有一定的空间自相关性,同时空间自相关性中蕴含一些有用的信息,必须采用合适的方法予以解决。论文以福建省作为研究区域,采用Moran's I系数的自相关图来表示土地利用及其影响因子的空间自相关性特征,并且在此基础上建立了土地利用与影响因子的空间自回归方程。研究结果表明,研究区域内土地利用与影响因子普遍存在空间自相关性,并且空间自相关性与研究尺度密切相关,空间自相关性随尺度增大而增强。空间自回归模型的解释能力比经典统计回归模型略强,并且空间自回归模型中的残差较小、空间模式不明显,而经典回归模型的残差比较大,并且具有显著的空间分布模式。     

东北商品粮基地粮食生产的区域分异

论文以商品粮基地县为研究单元,运用数理统计和GIS空间分析结合的方法,揭示东北商品粮基地县粮食总产的区域差异。研究结果表明:①粮食总产低于平均水平的商品粮基地县占多数,高于平均水平的基地数量仅占36.36%,但粮食产量占全部基地县粮食总产量的64.74%;②粮食生产基本上形成了以玉米、大豆、水稻为主的生产能力格局,粮食总产的区域差异小于分品种粮食作物内部的区域差异;③从省域尺度看,粮食总产高于平均水平的基地县84.6%分布在黑龙江和吉林两省,粮食生产布局的区域化、专业化趋势明显,大宗粮食作物进一步向产粮大县集中;④从区域尺度看,粮食总产的空间格局高低交错,集中在以松嫩平原中部黑土区、辽河平原和三江平原为重心的平原地区,有由中部平原地区向周边递减的趋势。回归分析表明,播种面积的区域差异是导致商品粮基地县粮食总产区域分异的主要原因,农业现代化水平对其具有重要影响。应加强商品粮基地建设,加大中低产田的改造力度,走以提高粮食单产来提高粮食综合生产能力的内涵式发展道路。     

干湿交替灌溉制度下纳米修复材料对杂交籼稻籽粒Cd累积及产量的影响

干湿交替灌溉具有节水高产特性,但在重金属Cd污染稻田,干湿交替灌溉常导致稻米Cd含量>0.20 mg·kg^-1,通过添加钝化剂可能对水分高效利用及优质稻米生产具有显著的调控效应.为此,本研究以吸收能力较强的籼型亚种为试材,在前期筛选出的高积累品种（深两优1813）和低积累品种（两优6206）基础上,于Cd轻度污染稻田设置灌溉制度和钝化剂双因素多水平处理开展大田小区试验.结果表明,干湿交替灌溉下,成熟期土壤有效态Cd含量较移栽前降低17.13%~61.01%,而传统淹灌水稻的降低幅度为-43.45%~21.07%,干湿交替灌溉较传统淹灌表现出显著降低土壤有效态Cd含量（P<0.05）.水稻植株地上部各器官Cd含量则表现为干湿交替灌溉处理明显高于传统淹水灌溉处理.不同钝化剂处理相比较,多孔纳米陶瓷+石灰处理对于降低土壤有效态Cd含量和籽粒Cd含量效果最好,显著优于多孔纳米陶瓷、石灰+有机肥、石灰+生物炭、石灰及不施任何钝化剂处理（P<0.05）.深两优1813和两优6206在多孔纳米陶瓷+石灰组合修复模式下的籽粒Cd含量分别为0.23~0.24 mg·kg^-1和0.16~0.21 mg·kg^-1.产量在灌溉制度、品种、钝化剂处理间差异不显著（P>0.05）.干湿交替灌溉的籽粒Cd含量在多孔纳米陶瓷+石灰组合模式下存在超标风险（深两优1813品种为0.24 mg·kg^-1;两优6206品种为0.21 mg·kg^-1）,但通过选用低积累品种,籽粒Cd含量具有可预见性的达标（<0.20 mg·kg^-1）潜力.因此,干湿交替灌溉+多孔纳米陶瓷和石灰组合修复模式+低积累品种可视为Cd轻度污染稻田节水高产优质稻米的调优生产模式.     

基于碳收支核算的河南省县域空间横向碳补偿研究

区域碳收支和生态补偿是当前气候变化背景下的研究热点之一。开展县域层面碳收支评估并构建区域横向碳补偿模式,对于推动区域低碳协调发展具有重要的实践意义。论文构建了区域碳补偿的研究框架和测算模型,并以河南省为例开展了县域空间碳收支核算和碳补偿方案的初步研究。主要结论如下：1）河南省县域空间碳收支及其强度空间差异明显。县域空间碳吸收强度具有“西北低、东南高”的特点,县域空间碳排放强度则呈现“从市辖区向外围的周边县（市）逐渐减少”的特点。2）县域碳补偿率的空间分布具有显著的区域差异。总体而言,经济越发达、工业能源消费越大、人均GDP越高的地区,碳补偿率往往越低;反之,碳补偿率越高。3）依据河南省各县域单元碳补偿价值的差异,大致可以将河南省分为三类区域,即重点支付区、重点获补区和相对均衡区。重点支付区大多是河南省经济发展水平较高的地区,重点获补区主要位于经济相对落后的西北部山区和东部平原的粮食主产区,这两类区域之外的其他县市则属于相对均衡区。4）为实现河南省县域经济的公平发展,未来应建立以政府为主导的区域横向碳补偿体制,建立基于碳收支核算的县域碳排放配额制度和主体功能区约束开发方案,并实施以低碳为导向的差别化的区域考核机制,这对于全球变化背景下区域公平和协调发展具有重要的现实意义。