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基于Sentinel-1/2数据特征优选的冬小麦识别研究

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农业机械学报 2023年

作者：解毅王佳楠刘钰山西师范大学地理科学学院山西师范大学资源环境信息化管理院士工作站

为了提高冬小麦种植区识别精度，本文基于Google Earth Engine（GEE）平台和随机森林算法，对比和分析雷达和光学遥感数据对冬小麦提取效果的差异，并对多类特征变量进行重要性分析，研究特征优选对冬小麦识别精度的影响。选取2019年3月... 详细信息

为了提高冬小麦种植区识别精度，本文基于Google Earth Engine（GEE）平台和随机森林算法，对比和分析雷达和光学遥感数据对冬小麦提取效果的差异，并对多类特征变量进行重要性分析，研究特征优选对冬小麦识别精度的影响。选取2019年3月至5月冬小麦关键生育期的Sentinel-1和Sentinel-2影像为数据源，构建Sentinel-1的极化特征和纹理特征以及Sentinel-2的光谱特征、植被指数特征和植被指数变化率特征共5类特征变量；设置不同数据源和不同特征组合的冬小麦种植区提取方案并对比分析；对方案中特征变量进行优选，得出最优特征组合对河南省驻马店市的冬小麦种植区进行提取。结果表明，无论是否进行特征优选，基于多源遥感数据的冬小麦识别精度均优于仅采用光学或雷达数据的精度；经过特征优选后，各方案的分类精度均有不同程度的提升，说明多源数据特征变量组合和特征优选均能够提高分类精度。不同月份和类型的特征变量对分类精度的贡献率不同，贡献率由高到低的月份为4月、3月和5月；贡献率由高到低的特征类型为极化特征、植被指数变化率特征、植被指数特征、光谱特征和纹理特征。基于多源数据特征优选提取的2019年驻马店冬小麦空间分布图的结果最优，总体精度为95.60%，Kappa系数为0.93，冬小麦提取面积与统计年鉴数据相比，相对误差为2.23%。本文可为基于多源光学和雷达遥感影像进行农作物种植区提取的研究提供重要理论参考。

关键词：冬小麦识别特征优选哨兵数据 GEE 随机森林

黄土丘陵区农耕地与撂荒地土壤水分特征及对降雨的响应分析

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干旱区资源与环境 2021年第12期35卷 114-120页

作者：李亚新陈伟孙从建王红阳乔鹏山西师范大学地理科学学院临汾041000 山西省资源环境信息化管理院士工作站临汾041000

土壤水分是黄土丘陵区植被恢复和生态建设的重要限制因子,其对植被的生长状况具有重要的影响。植被恢复工程的推进和区域城镇化的提速,致使大量农耕地被撂荒,为探明人工恢复和自然恢复对黄土丘陵区土壤水分的影响,选取山西省冯家沟农耕... 详细信息

土壤水分是黄土丘陵区植被恢复和生态建设的重要限制因子,其对植被的生长状况具有重要的影响。植被恢复工程的推进和区域城镇化的提速,致使大量农耕地被撂荒,为探明人工恢复和自然恢复对黄土丘陵区土壤水分的影响,选取山西省冯家沟农耕地和撂荒地作为研究对象,基于2018-11月至2019-10月逐日降雨量和土壤含水量的长期观测数据,系统分析了土壤水分的动态变化规律及对降雨变化的响应过程。结果表明:1)农耕地各月土壤含水量均大于撂荒地且差异显著(p<0.05)。农耕地各土层土壤含水量均大于撂荒地且差异显著(p<0.05),农耕地最大含水量出现在40~60cm土层,而撂荒地最大含水量在20~40cm土层。2)除35.3mm降雨外农耕地和撂荒地随着降雨量的增加土壤含水量的增加量和土层的响应深度均呈增加的趋势。研究发现适当的人工恢复比自然恢复更有利于土壤水分的储存,为黄土高原东部地区农业生产和植被恢复提供一定的理论数据支持。

关键词：黄土丘陵区农耕地撂荒地土壤水分降雨

近57年来黄土高原干旱特征及其与大气环流的关系

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生态学报 2021年第13期41卷 5340-5351页

作者：王佳瑞孙从建郑振婧李晓明山西师范大学地理科学学院临汾041000 山西省资源环境与信息化管理院士工作站临汾041000

通过黄土高原地区52个气象站点1961—2017年的气象资料,利用不同尺度的标准化降水指数(Standardized Precipitation Index, SPI)和标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)对该区57年来干旱的时空变化特征进行了分析,并利用交叉小波变换探讨了干旱指标与大气环流的遥相关分析,得到了以下结论:(1)时间变化上,黄土高原57年来不同干旱指标均呈下降趋势,整体逐渐变干旱。但SPEI6指标较SPI6指标相比,干旱年份更多,干旱特征更明显,说明SPEI的计算由于考虑了蒸散发输入因此结果偏重.不同指标均显示,1999年以来,黄土高原地区干旱时有发生,但整体有降低的趋势。(2) SPEI6和SPI6的站次比和干旱强度最高点都出现在1999年,但SPEI6的站次比和干旱强度的变化幅度更剧烈,且出现全域性干旱的年份(5年)也多于SPI6(3年);SPEI12相较于SPI12,站次比和干旱强度较为相似,都在1966年达到顶峰,虽然出现全域性干旱的年份SPEI12(9年)多于SPI12(3年),但SPI12的干旱强度更高。(3)平原区的汾渭平原是轻旱多发区,河套平原、宁夏平原易发生中旱,同时宁夏平原还是重旱多发区。丘陵区西部的中宁、同心两地易发生重旱,乌审旗出现特旱。山地区干旱频率普遍较高,尤其是西部山地区的乌鞘岭重旱、特旱频发。(4)SPEI指数对环流指数的变化更敏感。AMO对区域各干旱指标的影响较小,ENSO、WPI对SPI6、SPEI6有显著的响应;而PNA对6个月尺度的干旱指标(SPI6、SPEI6)影响较小,对12个月尺度的干旱指标(SPI12、SPEI12)影响较大。区域干旱是一个复杂的自然现象,为了进一步探索不同干旱指标在不同区域的运用,必要时可采用多种指标,从不同角度比较多种干旱指标的相似性,从而避免单一指标对结果的局限性。

关键词：黄土高原标准化降水指数标准化降水蒸散指数交叉小波变换(XWT) 遥相关

不同控氮及苦荞品种对黄土高原典型土壤水肥的影响

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水土保持研究 2021年第1期28卷 65-72页

作者：陈伟王佳孙从建王红阳李亚新山西师范大学地理科学学院山西省资源环境信息化管理院士工作站山西临汾041000

为探究黄土高原典型土壤在不同施肥量及苦荞品种影响下的水肥特征,研究设置了3个控氮处理(尿素为0,80,100 mg/kg),探明耐氮性差异显著的苦荞品种(黑丰1号,HF,不耐低氮;迪庆苦荞,DQ,耐低氮)整个生育期对土壤水肥状况的影响情况。结果表明... 详细信息

为探究黄土高原典型土壤在不同施肥量及苦荞品种影响下的水肥特征,研究设置了3个控氮处理(尿素为0,80,100 mg/kg),探明耐氮性差异显著的苦荞品种(黑丰1号,HF,不耐低氮;迪庆苦荞,DQ,耐低氮)整个生育期对土壤水肥状况的影响情况。结果表明:(1)裂区分析结果显示氮控量、品种、氮控量和品种及时期三者之间的交互作用对土壤养分产生了极显著差异(p<0.01)。(2)整个生育期,常氮控量下(100 mg/kg),迪庆的有机质、pH、全氮、速效钾、全钾较黑丰高;低氮控量下(80 mg/kg),迪庆的碱解氮、全氮、全磷、pH比黑丰高;不施氮下(0 mg/kg),迪庆的水分、有机质、速效磷、全氮、全磷均比黑丰高。综上所述,在整个生育期黑丰1号的水肥消耗大于迪庆,生育期结束后有降低土壤pH的风险,黄土高原贫瘠地区土壤的可持续发展应多选用耐瘠性强的品种。

关键词：不同控氮量土壤水肥苦荞黄土高原

黄土丘陵区坡耕地与撂荒地土壤水分对降雨的响应特征

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生态学报 2022年第1期42卷 332-339页

作者：陈伟李亚新王红阳王佳孙从建山西师范大学地理科学学院临汾041000 山西省资源环境信息化管理院士工作站临汾041000

为了揭示黄土丘陵区不同土地覆被方式下土壤含水量对不同强度降雨的响应过程,选取山西省冯家沟小流域农耕地和撂荒地为研究对象,基于2019年4—10月降雨和土壤含水量以小时为单位的观测数据,分析了土壤含水量对不同强度降雨的响应规律。... 详细信息

为了揭示黄土丘陵区不同土地覆被方式下土壤含水量对不同强度降雨的响应过程,选取山西省冯家沟小流域农耕地和撂荒地为研究对象,基于2019年4—10月降雨和土壤含水量以小时为单位的观测数据,分析了土壤含水量对不同强度降雨的响应规律。结果表明:(1)小雨、中雨、大雨和暴雨对土层的影响深度分别为20、20、60 cm和60 cm,研究区降雨最主要的形式—小雨对土壤水分的补给作用较小。(2)各强度降雨过程中,除0—10 cm土层外,农耕地土壤含水量均大于撂荒地,且大雨条件下农耕地各土层土壤含水量变化较显著,而撂荒地仅0—10 cm和10—20 cm土层土壤含水量有所增加。(3)不同土层土壤含水量对降雨的响应不同,表层响应相对明显而深层相对减弱;农耕地土壤平均含水量最大值出现在50—60 cm土层,而撂荒地出现在30—40 cm土层。(4)本地区农耕地土壤含水量高于撂荒地,表明在该地区适当的作物种植有较好的储存土壤水分的作用。本研究的结果对地区水资源的高效利用和水土流失防控提供了一定的科学依据。

关键词：黄土丘陵区农耕地撂荒地土壤水分降雨

山西省城镇化与生态系统服务时空相关性及空间效应分析

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水土保持学报 2022年第1期36卷 124-134页

作者：刘海龙丁娅楠王跃飞王炜桥郭晓佳山西师范大学地理科学学院山西临汾041000 山西省资源环境信息化管理院士工作站山西临汾041000

为深入探究城镇化对生态系统服务价值的驱动因素以及生态系统服务空间溢出效应,以山西省县域为研究单元,基于2000—2018年土地利用数据、社会经济数据构建生态系统服务价值和城镇化水平综合评价体系,通过双变量空间自相关分析县域城镇... 详细信息

为深入探究城镇化对生态系统服务价值的驱动因素以及生态系统服务空间溢出效应,以山西省县域为研究单元,基于2000—2018年土地利用数据、社会经济数据构建生态系统服务价值和城镇化水平综合评价体系,通过双变量空间自相关分析县域城镇化与生态系统服务价值相关性的空间特征。结果表明:研究期间山西省生态系统服务价值整体呈下降趋势,城镇化综合水平虽有显著提高,但整体偏低。研究区城镇化和生态系统服务价值之间存在显著的负相关关系,呈“U”形发展趋势。空间计量模型结果表明,城镇化率、建成区面积与生态系统服务呈显著负相关,人均社会消费品零售总额、城镇化水平的平方项与生态系统服务呈显著正相关。生态系统服务价值对邻近县域产生正向的溢出效应,在控制其他解释变量不变的前提下,相邻县域生态价值每提高1%将对本县域产生0.243%的促进作用。研究区生态系统服务具有整体性和不稳定性,使各县域政府丧失自身环境保护的积极性。

关键词：城镇化生态系统服务双变量空间自相关空间计量模型山西省

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黄土残塬区不同种植类型下耕地土壤肥力与经济效益耦合关系研究

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地球环境学报 2022年第4期13卷 465-476页

作者：王红阳陈伟李亚新张驰山西师范大学地理科学学院太原030031 山西省资源环境信息化管理院士工作站太原030031

塬地农田作为黄土高原地区发展种植业的最佳区域,近年来由于人类对农业种植类型的不合理选择,使得该区域土壤保肥持水的水平降低,且已对作物生长及农业经济发展产生严重威胁,故本文旨在研究该区域不同种植类型下耕地土壤肥力和经济效益... 详细信息

塬地农田作为黄土高原地区发展种植业的最佳区域,近年来由于人类对农业种植类型的不合理选择,使得该区域土壤保肥持水的水平降低,且已对作物生长及农业经济发展产生严重威胁,故本文旨在研究该区域不同种植类型下耕地土壤肥力和经济效益耦合关系,从而选取合适的种植类型。本研究选取晋西南塬地四种典型样地类型(玉米、棉花、马铃薯、荒地)为研究对象,对2019年、2020年全生育期(3—10月)土壤肥力及产值产量进行测定,基于实验数据采用耦合协调度模型综合分析各作物种植下肥力、经济效益状况及耦合协调度。结果表明:(1)不同种植类型下土壤肥力有显著差异,其中马铃薯种植下土壤肥力最高;(2)不同生育期土壤肥力变化有异,除土壤含水量外各肥力指标在快速发育期含量最高而生长中期显著降低,土壤含水量在快速发育期含量最低;(3)各土壤肥力指标含量在20—40 cm土层较高,土壤含水量在0—20 cm土层含量较低;(4)各种植类型下经济效益排序为棉花>马铃薯>玉米>荒地,其中棉花经济效益分别为马铃薯、玉米和荒地的1.17倍、1.36倍和3.40倍;(5)马铃薯种植下耦合协调度最高,棉花和玉米次之,荒地最低。综上,马铃薯种植对肥力改善具有重要意义,而以经济创收为目的的优势种植类型为棉花。农业的可持续发展要求经济创收和地力保护相协调,本研究表明马铃薯为晋西南黄土残塬区兼顾经济增长和农业环境保护的最佳种植类型,应积极推广种植。以上各作物类型种植下在快速发育期应及时灌溉以减小水分对肥力改善和作物产量的限制。该研究对黄土残塬区耕地种植类型的合理选择、科学施灌及促进农业可持续发展等具有重要意义。

关键词：黄土残塬区不同种植类型土壤肥力经济效益

低氮胁迫对不同耐瘠性苦荞土壤氮转化酶活性的影响

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水土保持研究 2021年第5期28卷 47-53页

作者：王佳陈伟张强王红阳李亚新山西师范大学地理科学学院山西临汾041004 山西师范大学生命科学学院山西临汾041004 山西省资源环境信息化管理院士工作站山西临汾041004

为研究低氮胁迫对不同耐瘠性苦荞土壤氮转化酶活性的影响,以迪庆苦荞(DQ,耐低氮品种)和‘黑丰1号’(HF,不耐低氮品种)为研究对象,设置3个施氮水平:对照(CK,尿素0 mg/kg)、低氮量(N1,尿素80 mg/kg)、正常施氮量(N_(2),尿素160 mg/kg),对... 详细信息

为研究低氮胁迫对不同耐瘠性苦荞土壤氮转化酶活性的影响,以迪庆苦荞(DQ,耐低氮品种)和‘黑丰1号’(HF,不耐低氮品种)为研究对象,设置3个施氮水平:对照(CK,尿素0 mg/kg)、低氮量(N1,尿素80 mg/kg)、正常施氮量(N_(2),尿素160 mg/kg),对不同耐瘠性苦荞品种土壤的水肥状况及氮转化相关酶活性进行测定分析。结果表明:低氮胁迫对苦荞土壤的水肥状况有显著影响(p化相关酶活性亦有显著影响(p化酶活性、蛋白酶活性比DQ高37.61%,253.27%。同时,冗余分析表明品种(p=0.002),土壤含水量(p=0.002),NO^(-)_(3)-N(p=0.012),全钾(p=0.016),是影响土壤中氮转化过程关键酶活性最重要的环境因子。综上所述,迪庆苦荞对根际土壤水肥的保持度及产量高于黑丰,且成熟期迪庆苦荞氮转化酶活性较低,可能是迪庆苦荞通过对土壤中NH+4-N和NO^(-)_(3)-N的选择性吸收来改变根际土壤中的pH值从而影响氮转化酶的活性来调节环境中氮素的供给。因此,建议黄土高原土地养分贫瘠地区选用耐瘠性强苦荞品种,该结果可为黄土高原等土地养分贫瘠地区农业发展提供理论依据和实践参考。

关键词：低氮胁迫氮转化酶活性耐瘠性苦荞

黄土丘陵沟壑区低氮胁迫对苦荞生长及土壤养分的影响

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西南农业学报 2021年第11期34卷 2412-2421页

作者：王佳陈伟张强王红阳李亚新孙从建山西师范大学地理科学学院山西临汾041004 山西师范大学生命科学学院山西临汾041004 山西省资源环境信息化管理院士工作站山西临汾041004

【目的】探究黄土丘陵沟壑区低氮胁迫对苦荞生长和土壤养分的影响,确定低氮胁迫对耐氮性有差异的苦荞品种在生育期内植株生长的影响以及对土壤养分消耗的动态特征,为黄土丘陵沟壑区农田氮肥优化管理提供科学依据。【方法】以‘黑丰一号... 详细信息

【目的】探究黄土丘陵沟壑区低氮胁迫对苦荞生长和土壤养分的影响,确定低氮胁迫对耐氮性有差异的苦荞品种在生育期内植株生长的影响以及对土壤养分消耗的动态特征,为黄土丘陵沟壑区农田氮肥优化管理提供科学依据。【方法】以‘黑丰一号’(HF,不耐低氮)和‘迪庆苦荞’(DQ,耐低氮)为研究对象,设置0 kg/hm^(2)(N0,无氮处理)、80 kg/hm^(2)(N1,低氮处理)、160 kg/hm^(2)(N2,常氮处理)3个施氮水平,采集不同生育期内苦荞地上部分的植株和地下根际土样,测定了植株的株高、茎粗、叶面积及土壤的含水量、pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾。【结果】①品种、氮处理及两者之间的交互作用对苦荞植株产生极显著的影响(P<0.01)。N1处理下,幼苗期DQ的株高、茎粗、叶面积分别比HF高9.7%、10.5%、17.7%;开花期DQ的株高、茎粗分别比HF高9.5%、7.4%;而成熟期DQ的茎粗、叶面积分别比HF高5.4%、36.2%。②品种、氮处理及两者之间的交互作用对土壤养分产生了极显著的影响(P<0.01)。生育期结束后,两个品种的土壤养分指标均比播种期的低,但DQ的土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾及全氮、全钾在N1处理下分别比HF高98.8%、11.6%、44.7%、11.6%、80.41%、4.2%。【结论】耐低氮品种的苦荞有更大的叶面积和茎粗,可以缓冲降雨对地面的直接侵蚀并且抗风防止植株倒伏,有更好的水保作用和绿肥效益;植株收获后,耐低氮苦荞根际土壤养分含量更高,可以减少下一季肥料用量,更有利于农业的可持续发展。

关键词：施氮量土壤养分苦荞黄土丘陵沟壑区