Modeling of a sequencing batch reactor treating municipal wastewater using multi-layer perceptron and radial basis function artificial neural networks

A sequencing batch reactor was modeled using multi-layer perceptron and radial basis function artificial neural networks (MLPANN and RBFANN). Then, the effects of influent concentration (IC), filling time (FT), reaction time (RT), aeration intensity (AI), SRT and MLVSS concentration were examined on the effluent concentrations of TSS, TP, COD and NH₄⁺-N. The results showed that the optimal removal efficiencies would be obtained at FT of 1 h, RT of 6 h, aeration intensity of 0.88 m³/min and SRT of 30 days. In addition, COD and TSS removal efficiencies decreased and TP and NH₄⁺-N removal efficiencies did not change significantly with increases of influent concentration. The TSS, TP, COD and NH₄⁺-N removal efficiencies were 86%, 79%, 94% and 93%, respectively. The training procedures of all contaminants were highly collaborated for both RBFANN and MLPANN models. The results of training and testing data sets showed an almost perfect match between the experimental and the simulated effluent of TSS, TP, COD and NH₄⁺-N. The results indicated that with low experimental values of input data to train ANNs the MLPANN models compared to RBFANN models are more precise due to their higher coefficient of determination (R²) and lower root mean squared errors (RMSE) values.     

Ecological and Economic Services Provided by Birds on Jamaican Blue Mountain Coffee Farms

Abstract: Coffee farms can support significant biodiversity, yet intensification of farming practices is degrading agricultural habitats and compromising ecosystem services such as biological pest control. The coffee berry borer (Hypothenemus hampei) is the world's primary coffee pest. Researchers have demonstrated that birds reduce insect abundance on coffee farms but have not documented avian control of the berry borer or quantified avian benefits to crop yield or farm income. We conducted a bird‐exclosure experiment on coffee farms in the Blue Mountains, Jamaica, to measure avian pest control of berry borers, identify potential predator species, associate predator abundance and borer reductions with vegetation complexity, and quantify resulting increases in coffee yield. Coffee plants excluded from foraging birds had significantly higher borer infestation, more borer broods, and greater berry damage than control plants. We identified 17 potential predator species (73% were wintering Neotropical migrants), and 3 primary species composed 67% of migrant detections. Average relative bird abundance and diversity and relative resident predator abundance increased with greater shade‐tree cover. Although migrant predators overall did not respond to vegetation complexity variables, the 3 primary species increased with proximity to noncoffee habitat patches. Lower infestation on control plants was correlated with higher total bird abundance, but not with predator abundance or vegetation complexity. Infestation of fruit was 1–14% lower on control plants, resulting in a greater quantity of saleable fruits that had a market value of US$44–$105/ha in 2005/2006. Landscape heterogeneity in this region may allow mobile predators to provide pest control broadly, despite localized farming intensities. These results provide the first evidence that birds control coffee berry borers and thus increase coffee yield and farm income, a potentially important conservation incentive for producers.     

生态系统服务功能及其价值核算

生态系统服务功能是指生态系统服务与生态系统功能的综合，指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，生态系统服务功能对于人类生存发展具有重要的价值，应该在社会经济体系中得以体现，本文探讨了生态系统服务功能的类型，价值核算方法与理论及其应用研究在完善国民经济核算体系、促进可持续发展等方面的重要意义，并对今后发展进行了展望。     

北京南部城区PM2.5中碳质组分特征

为了解《大气污染防治行动计划》实施后北京市大气PM_2.5中碳质组分特征,于2017年12月至2018年12月在北京污染较重的南部城区进行了PM_2.5连续采样,对其中的有机碳（OC）和元素碳（EC）进行了全面研究.结果表明,北京大气PM_2.5、OC和EC浓度变化范围分别为4.2~366.3、0.9~74.5和0.0~5.5 μg ·m^-3,平均浓度分别为（77.1±52.1）、（11.2±7.8）和（1.2±0.8）μg ·m^-3,碳质组分（OC和EC）整体占PM_2.5的16.1%.OC质量浓度季节特征表现为：冬季[（13.8±8.7）μg ·m^-3] > 春季[（12.7±9.6）μg ·m^-3] > 秋季[（11.8±6.2）μg ·m^-3] > 夏季[（6.5±2.1）μg ·m^-3],EC四季质量浓度水平均较低,范围为0.8~1.5 μg ·m^-3.二次有机碳（SOC）年均质量浓度为（5.4±5.8）μg ·m^-3,四季贡献比例范围为45.7%~52.3%,年均贡献为48.2%,凸显了二次形成的重要贡献.随污染加重,尽管OC和EC贡献比例均降低,但浓度水平却成倍升高,OC和EC浓度在严重污染天分别是空气质量为优天的6.3和3.2倍.与非供暖时段相比,供暖时段PM_2.5、OC和SOC浓度分别增加了14.4%、47.9%和72.1%,体现了OC对供暖季PM_2.5污染的重要贡献.PSCF分析表明,位于北京西南的山西省和河南省部分区域是PM_2.5和OC的主要潜在源区,且PM_2.5潜在源区更为集中;EC的PSCF高值（>0.7）区域较少,主要位于北京南部,如山东省和河南省部分地区,且北京市及周边地区贡献明显.     

长江流域2000—2015年生态系统质量及服务变化特征

分析生态系统质量与服务现状及变化特征,有助于准确了解流域生态系统状况与趋势,为流域生态保护与修复的高效管理提供参考依据.采用相对生物量密度与相对植被覆盖度指数以及生态系统服务（土壤保持、防风固沙、洪水调蓄、粮食生产）评估模型,评估2000—2015年长江流域生态系统质量及服务变化特征.结果表明:①2000—2015年,长江流域森林、灌丛以及草地生态系统质量提升显著,56.56%的森林、45.65%的灌丛以及19.26%的草地生态系统质量得到不同程度的提高.②研究期间,长江流域粮食生产、洪水调蓄、土壤保持、防风固沙均呈显著上升趋势,其中粮食生产能力增加13.7%,洪水调蓄功能提升10.1%,土壤保持服务提高19.5%,防风固沙总量增加30.0%.③长江流域生态系统质量不高,处于低与差质量等级的生态系统面积比例在25%~35%之间;受不同类型的自然和人类活动影响,长江流域生态系统质量与服务均存在局部退化现象.研究显示,在生态质量与服务评估的基础上,分区域、分类型实施不同的生态系统保护与恢复途径,是今后长江流域加强生态系统管理的重要途径.      

基于生态系统服务供需关系的广西县域国土生态修复空间分区

国土生态修复是我国土地整治战略发展的需求,其空间分区与管控是实施国土整治与生态修复差别化建设的前提条件。以广西各县市为研究单元,在测算和分析生态系统服务供给量和需求量基础上,利用象限匹配法、双变量局部空间自相关和供需协调度来定量分析生态系统服务供需匹配关系、空间聚集程度和协调关联性,进而探讨和划分广西国土生态修复的空间分区及其管控措施与建议。研究表明：（1）广西各县市生态系统服务供给和需求差异明显。环绕广西的四周山林地和重点生态功能区县生态系统服务供给量较高,大中城市区则较低。生态系统服务需求量自东南向西北逐渐减少。（2）广西生态系统服务供需空间匹配呈现高供高需型、低供高需型、低供低需型、高供低需型四种类型,供需局部空间自相关以高-低或低-高的空间聚集为主,且生态系统服务供需协调度平均值为0.531,处于一般均衡。（3）结合生态系统服务供需匹配四类特征和广西地理环境条件,将广西各县域划分为10个分区,并针对各分区提出差异化整治措施和建议。总体上,生态系统服务高供高需型的区域应以保育为主、培育为辅,防止过度开发;高供低需型的区域以保护为主,提高管理水平;低供高需型的区域应以综合改良为主,提高土地效益;低供低需型的区域应以国土生态重构或重建为主,侧重恢复生态系统。     

永定河上游流域水生态系统服务价值评估

张家口市是首都的水源涵养区和生态功能支撑区,流经该区域的永定河上游流域发挥着保育水资源的重要作用。为全面认识永定河上游流域水资源生态价值,对流域水生态各项服务功能开展定量评价。以2017年为基准年,综合采用InVEST模型与市场价值法系统评估研究区的水源供给量,以空间和货币的手段直观地表达该地区的水源供给情况;对于空间数据较难获取的地区,采用当量因子法评估水土保持与生物多样性价值;采用分摊法计算水生态旅游价值。结果表明：其总价值量为55.14亿元,约占张家口市各区县平均GDP（81.87亿元）的67.35%。其中,水源供给价值、水力发电价值、水产品生产价值、休闲娱乐价值等直接使用价值为28.64亿元,土壤保持、河流输沙、生物多样性等间接使用价值为26.50亿元,水源供给、休闲娱乐和水土保持功能对研究区域水生态系统价值提升和发展具有重要作用。研究区单位面积的生态价值和经济效益分别为0.35亿元和0.23亿元,生态价值远高于经济效益。本文因地制宜的综合评价方法提升了价值评估的科学性和可靠性,对于基础数据较为缺乏的地区,有一定的参考意义。     

基于最大熵模型的福建省红树林潜在适生区评估

本研究利用生物气候、地形、底质类型、海温等环境因子和红树林分布数据建立了福建省红树林分布模型,基于最大熵方法分析了福建省沿岸红树林潜在适生区的空间分布.根据模型输出结果对福建省红树林的生境适宜性进行了评估,识别了影响红树林分布的关键环境因子及其适生值区间,并通过空间叠加分析获取了福建省红树林保护与修复的优先区与空缺区域.结果表明,影响福建省红树林适生区分布格局的主要环境因子包括海表温度、气温和降水等,福建省红树林潜在适生区主要位于沙埕港-三沙湾-兴化湾沿岸、泉州湾-厦门湾-九龙江口沿岸、漳江口-东山湾沿岸等地,其中最优适生区面积约为91km².全省共识别出8处红树林保护与修复的优先区域,现存红树林保护率约为64.4%,保护修复空缺主要出现在沙埕港、三沙湾、罗源湾、福清湾等处,研究结论可为未来福建省红树林保护和修复行动提供科学参考.     

典型西南工业城市春冬季PM2.5来源与潜在源区分析——以柳州市为例

为了揭示柳州城区春冬季PM_2.5的来源及其潜在源区分布和贡献,利用2018年24h自动监测数据和气象数据对柳州市大气污染物浓度变化特征进行了分析,并且使用后向轨迹模型（HYSPLIT）对春冬季柳州市PM_2.5逐日72h气流后向轨迹和前向轨迹进行聚类分析,同时结合潜在源贡献因子分析法（WPSCF）和轨迹浓度权重法（WCWT）对其潜在源区和浓度贡献进行了分析.结果显示,（1）在研究期内,不利的主导风向和工业区布局导致研究区PM_2.5在春冬季污染较严重,且工业源和交通源是其主要本地来源;（2）春冬季PM_2.5高值主要来源于西北和东南方向,其中,西北向PM_2.5主要来源于本地排放,且浓度在空间上呈现西高东低的趋势;（3）春季后向轨迹PM_2.5浓度整体大于冬季,春冬季中对柳州市PM_2.5影响最大轨迹均来自东部的短距离输送,而来自西北的气流轨迹输对PM_2.5贡献最低.春冬季柳州市大气PM_2.5通过气流传输对贵州地区大气环境有较大影响;（4）春季,柳州市PM_2.5的主要潜在源区分布在广西东南部、广东中西部、南海沿岸海域、湖南中部、江西西北部、湖北东部及安徽西北部;冬季,主要分布在广西东南部、广东西南部和南海沿岸海域.     

黑河中下游防风固沙功能时空变化及影响因子分析

黑河中下游是我国重要的防风固沙生态功能区,分析该区域的防风固沙功能时空变化,明确其主要的影响因子贡献,对于指导荒漠化防治、维护流域生态安全十分重要.该研究基于修正风蚀方程(revised wind erosion equation,RWEQ)、一元线性回归斜率分析、灰色关联分析和GIS技术,分析了2000—2017年黑河中下游防风固沙功能动态变化及其影响因子.结果表明:①2000—2017年,黑河中下游年均防风固沙量为3.2×109 t,年均防风固沙功能约为2.44×104 t/km2;防风固沙量总体呈增强趋势,年均增加6.67×107 t,年均变化率为1.85%.②区域防风固沙功能呈现中游较强,向下游递减的空间分布特征,防风固沙功能较高区约占研究区面积的31.54%,一般区占20.77%,较低区(北部荒漠区)占47.69%;甘肃省张掖市和嘉峪关市防风固沙功能呈增加趋势,回归方程系数(slope)为0~26.29%,占总面积的12.51%;额济纳旗东北部和甘肃省高台县中部防风固沙功能呈下降趋势,回归方程系数为-17.17%~0,占总面积的23.30%.③防风固沙功能主要影响因子中,风力因子最主要,贡献率为30.04%,其次为积雪覆盖、土壤湿度、植被覆盖,贡献率分别为24.57%、24.26%和21.13%.研究显示,防风固沙工程应综合考虑气候变化、植被覆盖、土壤特性及人类活动的复合影响,实行具有空间差异化的方案.