为提高番茄果实成熟度的识别精度,实现番茄种植环节成熟度在线无损自动检测,本研究提出一种基于改进YOLOv5的番茄成熟度检测方法。针对番茄果实间因藤蔓、叶片的遮挡以及光照干扰而导致的识别误差、图像中小目标番茄检测难等问题,在YOLOv5算法的骨干网络Backbone中增加ECA高效通道注意力模块,将Neck结构中PAFPN替换为具有双向加权融合能力的BiFPN,在Head结构中添加小目标检测模块,通过消融试验获取最优改进算法YOLOv5−tomatoA。结果表明:相对于YOLOv3−Tiny、SSD300和Faster R−CNN目标检测网络,YOLOv5−tomatoA算法在遮挡和光照不均等复杂场景下,平均精度均值和F1得分分别达到97.4%和95.4%,图像识别仅需14.7ms,能同时满足高精度和快速响应的番茄果实识别需求。改进后的YOLOv5网络结构优化了内存占比和资源消耗,仅占用15.9M,模型更加轻量化,对实现番茄成熟度的在线无损检测具备一定的实用价值,该技术也可用于番茄自动采摘机器人设计中。
在全球气候变化背景下,中国大陆地区常常面临暴雨洪涝灾害的威胁,且不同地区影响不同,对农业生产和供应链管理带来了严重挑战。本文分析了中国农产品供应链的时空分异性,包括复杂的产地分布、季节性生产、多样化的农产品类型以及供应链各环节的紧密联系;分析了暴雨洪涝灾害对从种植到最终销售7个环节供应链的影响,从生产环节的农田水涝、土壤侵蚀,到物流运输环节的道路受损、农产品质量下降,再到销售环节的价格波动和市场不确定性等;针对农产品供应链的各环节,提出包括灾前预警、灾后短期救灾行动和灾后长期恢复重建措施。旨在提高农产品供应链的韧性,为减轻农业损失,确保农产品供应的可持续性提供参考,为未来灾害风险管理提供经验。
2024年夏季(6−8月)全国平均气温22.4℃,较常年同期(1991−2020年)偏高1.2℃,为1961年以来最高;全国平均降水量342.6mm,较常年同期偏多20.7mm;全国平均日照时数630.0h,较常年同期偏少35.1h。夏季农区大部光热适宜、降水充足、墒情较好,气象条件有利于秋收作物生长发育和产量形成。但区域性气象灾害多发,对秋收作物生长和产量形成造成一定影响。华北黄淮部分地区遭遇干旱、洪涝影响,部分地区旱涝急转,影响夏播工作和已播作物的在地生长;江南华南强降水导致部分地区早稻遭受“雨洗禾花”影响;东北地区中南部渍涝灾害影响作物生长和产量形成;四川盆地、长江中下游持续高温天气,部分地区一季稻及经济林果生长受到影响。
海量异构数据的高效利用是提升农业灾害管理智能化水平的关键因素,探索多源异构的农业气象灾害知识图谱构建技术对农业气象灾害动态监测与智能化管理决策具有重要意义。本文通过文献调研深入分析农业气象灾害领域知识图谱构建所需的数据来源、类型及特点,按照自顶向下与自底向上相结合的知识图谱构建框架,从模式层构建、实体抽取、关系抽取和知识融合4个视角分析构建知识图谱的关键技术及应用现况;探究农业气象灾害知识图谱在农业气象灾害监测预警、风险评估、智能服务、决策支持领域的应用,总结农业气象灾害知识图谱构建面临的挑战,讨论农业气象灾害知识图谱的未来发展方向。不同模态的信息整合可使知识图谱更全面、准确地表达农业气象灾害领域的知识和信息,有助于更好地评估农业气象灾害带来的损失,提高决策的准确性和效率。未来结合大语言模型,借鉴先进的知识抽取方法实现复杂实体及关系抽取,整合多模态数据构建多模态知识图谱,进一步优化农业气象灾害知识图谱技术方法。
气候智慧型农业(Climate-smart agriculture,CSA)已成为推动农业绿色发展议程的核心要素。深入探究全球范围内CSA研究进展,有助于提升学术界和实践者对该领域的理解和评估。本文基于Web of Science(WoS)数据库,检索2014-01-01至2023-08-11发表的814篇CSA相关主题的论文,运用文献计量学方法重点剖析国际CSA研究热点。结果表明:(1)2018年后CSA论文发表数量与被引用次数均快速上升,环境科学、可持续性研究、农学的多学科交叉领域是CSA研究核心;(2)气候型智慧农业、气候变化、采用、保护性农业、管理、粮食安全、减缓和农户等为热点关键词;(3)研究热点主要包括CSA重要实践模式之一的保护性农业、CSA对土壤有机碳的影响与量化、CSA在不同区域应用效果、影响农户采纳CSA的关键因素和CSA相关决策支持,揭示出不同国家和地区在实施CSA过程中效果不同,农户采纳CSA的关键因素呈多元化特点,提示政策制定者在设计和推行CSA策略时须全面考虑多元化因素,以确保在全球各地实现CSA措施的有效推广和本土化应用;(4)2014−2023年引文量激增的25篇论文主要集中在保护性农业、CSA的应用与挑战,以及气候变化对农业的影响及应对策略等核心问题上。
全球气候变化背景下,极端气候事件的频率、强度和持续时间均不断增加、增强,对农业生产带来极大影响。东北三省是中国玉米主产区,也是受气候变化影响最显著的区域,探究极端气候事件对东北三省玉米气象产量的影响对保障粮食安全和经济发展至关重要。本文基于气象观测数据和玉米产量统计数据,构建玉米气象产量机器学习模型,明确历史(1981-2014年)和未来(2031-2060年)极端气候事件对东北玉米气象产量的影响。结果表明:历史时段内,高温和高温干旱灾害对玉米气象产量影响最大,气象产量分别减少13.2%和15.9%。与极端降水事件相比,极端温度事件对玉米气象产量影响更大。未来气候变化情景下,东北三省仍表现为变暖趋势,与SSP1-2.6(低排放)情景相比,SSP5-8.5(高排放)情景下的东北玉米减产幅度更加明显,且未来需更加关注极端降水事件对东北三省玉米气象产量的影响。
近年来农业气象学的理论发展呈“徘徊现象”,众多关键性重大问题正迫切等待解答。本文基于系统观、资源观等理论,深度剖析农业气象学内涵,拓展气象条件和农业(作物)生产的相互关系,以期为当前农业气象领域的重大问题提供解决思路。结果表明:大气、土壤、作物和技术条件等要素构成了农业气象系统;气候要素既是自然要素,也是生产要素,全过程参与农业生产,作物生产与气象条件间可建立线性或非线性的函数关系;农业气象指标表现为气象要素的动态组合;技术条件能改变气候资源的可获得性和农业生产对气候的敏感性;气候资源具有数量、时空位和质量三大属性。农业气象系统中不同要素的时空相互作用决定了实现不同目标的可能性。本研究对推动农业气象学理论发展具有参考意义。
2015−2020年不同省份小麦生命周期碳足迹变化分析
基于2015−2020年14个小麦种植省份的产量、播种面积、农资投入等统计数据,计算小麦生命周期的农资投入品碳足迹,分析小麦生命周期碳足迹动态变化和不同农资投入品的碳足迹贡献,揭示小麦生命周期碳足迹变化规律及排放源,为实现农业绿色低碳发展提供理论依据。结果表明:2015−2020年14省小麦生命周期平均单位面积和平均单位产量碳足迹分别为4315.4kgCO2eq×hm−2和999.4kgCO2eq×t−1,总体均呈下降趋势。北方冬(秋播)麦区的陕西和山西省、春播麦区的内蒙古和宁夏回族自治区、冬春兼播麦区(新疆)小麦生命周期平均单位面积和平均单位产量碳足迹均高于整个研究区平均值。南方冬(秋播)麦区(四川、江苏、安徽和湖北)、春播麦区的黑龙江和甘肃省、北方冬(秋播)麦区的山东和河南省小麦生命周期平均单位面积和平均单位产量碳足迹均低于整个研究区域平均值。另外,灌溉用电、化肥、柴油、种子和农药投入产生的碳足迹在小麦生命周期中平均占比分别为34.2%、51.6%、7.3%、3.7%和3.2%,表明灌溉和化肥是主要排放源。化肥是南方冬(秋播)麦区(江苏、安徽、湖北和四川)小麦生命周期碳足迹的主要排放源,四省平均占比分别为76.6%,71.3%,69.6%和70.0%,化肥减量增效是该地区的重要减排措施。灌溉用电是北方冬(秋播)麦区的河北和山西省、冬春兼播麦区(新疆)的主要排放源,其平均占比分别为45.6%、54.8%和65.2%,推广应用节水灌溉技术及研发配套低耗能农机设备是该地区的重要减排措施。由此可见,化肥减量和应用节水灌溉技术是减少研究区域小麦生命周期碳足迹的有效管理措施,结合各省农业和社会经济条件,针对性制定农田温室气体减排措施,是促进农业绿色低碳发展的关键。
高温限氧裂解制备而成的生物炭作为农业废弃物资源化利用及固碳减排的重要抓手,在环境污染修复领域发挥了重要作用,市场前景较好。作为土壤修复的功能材料,生物炭对重金属吸附固定能力不足,限制了其应用推广,而生物炭经改性设计后制备的工程材料已成为修复土壤重金属污染的重要发展方向。本研究以木屑为原料制备生物炭(BC),辅以镧改性设计制得镧改性生物炭(LBC),开展为期30d的土壤培养试验,以施用镧改性生物炭(LBC)、生物炭(BC)、不施炭材料(CK)的砷污染红壤为研究对象,设置30%、70%、100%田间持水量共3种土壤含水量条件,探讨生物炭在镧改性前后对不同水分条件下的砷污染红壤的修复效应。结果表明:(1)施用镧改性生物炭有利于缓解南方红壤的酸化现象。当土壤培养试验结束时,在30%、70%、100%田间持水量下,LBC处理的土壤pH值较CK处理升高0.86~1.20个单位,较BC处理提升0.09~0.44个单位。(2)施用镧改性生物炭有助于固定污染红壤中的砷。LBC应用于不同土壤含水量条件下的砷污染红壤,全周期固定效率达54.7%~90.0%,培养末期(第30天)固定效率达81.0%~85.8%,BC施用后在全周期内土壤砷较CK处理活化135.4%~895.9%。(3)镧改性生物炭对土壤砷的固定效应主要与施用后土壤砷形态的转化有关。LBC施用后土壤砷由非专性吸附态向残渣态等稳定的形态转化,而添加BC的土壤中非专性吸附态砷含量升高,促进了土壤砷活化。(4)镧改性生物炭修复砷污染红壤的同时,对土壤酶活性等微生态情况未构成明显不良影响。施用LBC可以提升土壤脲酶及过氧化氢酶活性,虽导致土壤磷酸酶及蔗糖酶活性略有降低,但土壤蔗糖酶活性较BC处理更高。综上所述,镧改性生物炭应用于砷污染红壤修复潜力较大。
全球变暖导致极端天气气候事件的发生频率显著增加,中国以东北地区最为明显,区域粮食生产受到严重影响。本文基于历史时期(1981−2014年)地面气象观测资料和未来(2031−2060年)气候变化预测资料,选择与农业生产相关的4项极端温度指数和3项极端降水指数,系统分析东北三省作物种植区极端温度和降水事件的时空分布特征以及未来的变化趋势。结果表明:东北三省作物种植区内历史阶段低温日数(CD)下降、高温日数(HD)上升,但低温强度(CSI)和高温强度(HSI)均总体呈上升趋势;持续湿润日数(CWD)下降,持续干燥日数(CDD)上升,强降水日数(R20)下降;未来东北三省作物种植区气温整体将继续升高,持续湿润日数增加,持续干燥和强降水日数减少,降水变异性大、空间差异大且波动幅度均大于历史阶段,异常降水不确定性加强,尤以南部和东南部最为明显。
气候变暖及人类活动对石羊河流域地表径流时空特征产生了显著影响,流域水资源适应性管理面临严峻挑战。以石羊河流域三个独立的子水系大靖河水系、六河水系和西大河水系为研究对象,采用统计方法分析1960−2020年石羊河流域各子水系年平均径流量演变规律,利用Mann-Kendall检验、Pettitt检验等方法确定径流序列突变点,设计气候和土地利用变化的组合情景,结合验证后的SWAT模型定量辨识石羊河流域径流变化归因,以期解决水资源配置不均等问题。结果表明:(1)1960−2020年石羊河流域大靖河水系、六河水系、西大河水系年平均径流量下降速率分别为0.01m3·s−1、0.07m3·s−1和0.01m3·s−1;1960−2020年六河水系、西大河水系径流量突变年分别为1973年和2002年,大靖河水系尚无径流量的突变,仍处于自然状态。(2)SWAT模型对石羊河流域有较好的适应性,经率定和验证,模型的决定系数和纳什效率系数均高于0.50。(3)1960−2020年六河水系年平均降水量、平均气温、相对湿度、太阳辐射和平均风速的变化对年平均径流量减少的贡献率分别为75%、53%、55%、55%和52%,土地利用变化对年平均径流量减少的贡献率为17%;综合6个影响因子耦合作用对年平均径流量减少的贡献率为67%,气候变化对石羊河流域径流影响较大。
保障粮食安全并兼顾低碳发展是农业经济的现实问题,也是种植业碳中和的根本方向。基于四川种植业数据,回顾碳排放量和排放强度变化的基础上,运用投入与产出超效率模型,评估四川省种植业绿色发展效率,通过Tobit回归模型分析其影响因素。结果表明,2010−2022年四川种植业碳排放强度由0.717t·万元−1降至0.208t·万元−1,种植面积不断扩大是碳增量的核心驱动因素;同期,四川种植业绿色发展趋势整体表现为“持续低效—快速拉伸—稳定发展”的演化特征;从影响因素看,特有的农业产业结构和气候环境,以及科技投入驱动了四川种植业绿色发展,而高比例粮油作物种植是客观挑战;财政政策支持提升了种植业对气候资源的利用水平,但也有明显的抑制效应。为此,在主动适应全球变暖的同时,长效平衡粮食安全与种植业绿色发展,以政策导向引领种植主体的绿色发展意愿,是政府层面应持续关注的方向。
生物质能是全球公认的具有零碳属性的可再生能源,但其碳减排效益尚未有效体现。本研究基于全生命周期评价(LCA)方法,结合经济效益评价方法与环境影响货币化方法,构建秸秆热解多联产技术的温室气体减排效益货币化评价模型(EGE),以秸秆收集、离田储运、热解转化和产物利用全链条为边界,探究不同热解多联产技术在不同生产规模下的经济环境综合效益。结果表明:外加热热解炭气联产技术在规模化应用中的经济效益最好,年处理秸秆0.5×104~10×104t生产规模下,每消耗1t秸秆可减少1.01~1.07tCO2eq。温室气体减排效益可显著提升秸秆热解多联产技术工程的经济效益,每消耗1t秸秆可增加57.5~103.1元效益,使秸秆热解多联产技术工程收益率提升1.6~14.0个百分点。预计2030年、2060年秸秆利用潜力分别达1.24×108t和1.67×108t,秸秆热解多联产技术的减排收益可达1.0×1010~3.7×1010元。本研究结果为实现双碳目标背景下生物质能产业发展提供技术支撑。
全球经济持续发展与环境变化的双重背景下,粮食生产与消费过程对环境的影响愈发显著,特别是粮食生命周期中温室气体排放问题,已成为气候变化和生态平衡的一项重要挑战。综合分析国际和国内粮食生命周期碳排放研究进展可揭示该领域研究趋势和前沿热点。本研究通过检索Web of Science(WoS)和中国知网(CNKI)数据库的中英文文献,运用科学知识图谱以及CiteSpace文献可视化工具进行深入分析和可视化呈现。结果表明:2003年国际上开始出现粮食生命周期碳排放相关研究,国内于2009年开始关注此问题,两者均呈稳步增长态势;国际和国内研究侧重点不同,国际研究包括粮食生产与消费、整个粮食系统及供应链的综合研究,注重粮食系统及供应链的碳排放管理;国内研究侧重于粮食生产端、区域差异研究。未来国内粮食生命周期碳排放相关研究应更注重粮食生产与消费平衡,外卖服务等新兴行业需引发关注。粮食生命周期碳排放的区域差异对区域粮食可持续生产和消费的发展至关重要。混合生命周期评估将成为主流研究方法,全面评估粮食生命周期碳排放的多个方面。政策效果也将成为重要的研究焦点,以推动粮食生命周期碳减排。
2022年在新疆乌兰乌苏开展大田试验,设置3个棉花品种(‘中棉979’、‘中棉703’和‘国欣棉’)和2个种植密度(D1:22株·m−2;D2:11株·m−2)处理,利用热比率法茎流仪测定蒸腾,对比不同天气条件(晴天、雨天)和时间尺度下棉花日均蒸腾量、日蒸腾变化和累计蒸腾的差异,明确北疆地区不同品种、密度下棉花耗水规律。结果表明:(1)种植密度对群体棉花累计蒸腾和日蒸腾速率影响显著,D1种植密度下棉花累计蒸腾和日蒸腾显著提高,3个品种D1种植密度处理下累计蒸腾、日蒸腾速率显著高于D2种植密度处理(平均高51.2%)。(2)棉花品种对单株和群体蒸腾有显著影响,‘中棉703’茎流速率、日蒸腾速率和累计蒸腾高于其他品种。(3)单株棉花蒸腾在日尺度上呈“几”字型变化规律,白天(9:00−21:00)日蒸腾较稳定,夜间由于根压作用仍存在少许茎流;(4)7−9月棉花蒸腾速率和蒸腾量逐月递减,9月棉花日蒸腾曲线逐步向单峰型转变,且白天蒸腾开始时间较晚(10:00),结束较早(20:00)。(5)累计蒸腾与籽棉产量和平均叶面积未呈现显著相关关系。
以川渝地区双季早稻和晚稻为研究对象,基于历史气象数据(1981−2020年)和水稻产量数据(1997−2020年)构建面板模型,解析未来气候情景下(2021−2060年,SSP1-2.6和SSP5-8.5)平均态和极端态变化对川渝水稻产量的影响。结果表明:(1)2021−2060年川渝大部分地区水稻产量较历史产量增加10.0%~30.0%,四川南部和东南部地区减产0~10.0%。(2)未来气候变化下,平均态(降水量和辐射量)及极端态(高温和干旱)变化使川渝大部分地区水稻产量减产0~2.0%,降水极端态变化使重庆市和达州市水稻减产0~2.0%。温度平均态变化对早、晚稻产量的影响差异较大,降水量和辐射量平均态变化对早、晚稻产量影响基本一致。2021−2060年川渝地区大部分地区的温度、降水量和辐射量呈上升趋势,少部分地区(重庆市、攀枝花市)降水量呈下降趋势。降水量和辐射量平均态、干旱和高温极端态变化导致川渝大部分地区水稻减产,其中辐射量平均态变化和干旱极端态变化分别在未来SSP1−2.6和SSP5−8.5情景下对水稻减产贡献最大。未来气候变化背景下,应采取措施应对极端干旱和极端高温事件,以保障川渝水稻高产稳产。
基于国家标准《气候季节划分》(GB\T 42074−2022),利用格点数据CN05.1分析1961−2020年东北地区气候季节的变化特征,并对比新旧标准、气候基准期更替带来的变化。结果表明:新标准下,东北地区常年气候季节分为四季分明区和无夏区,无夏区主要分布在大、小兴安岭及与平原的过渡地带,常年春、夏季由南向东北方向、由中部平原向山地入季,秋、冬季与之相反,相比1981−2010年气候基准,三江平原、呼伦湖等部分地区由无夏区转为四季分明区。当年春季起始日在东北大部分地区分别呈1d·10a−1的显著提前趋势,东北平原中西部夏季起始日显著提前2~3d·10a−1,秋季起始日在四季分明区、冬季在无夏区和东北平原中部呈显著推迟趋势,夏、冬季持续时间分别呈显著延长、显著推迟趋势。相比原标准,新标准下春、夏季起始日以及夏、冬季持续时间的显著变化区域明显增多。东北地区逐年入夏面积占比呈3.9个百分点·10a−1的显著上升趋势,与6−8月平均气温呈显著正相关。四季起始日等级基本服从正态分布,夏季起始日略偏早。
利用广西19个气象站点1961-2020年月值气象数据,基于Penman-Monteith蒸散模型计算标准化降水蒸散发指数(SPEI_PM),通过线性倾向估计、Mann-Kendall趋势检验、互相关函数、交叉小波变换和小波相干等方法,分析广西气象干旱的时空变化特征,探究厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)与广西气象干旱的关联性,以期为干旱预警与防治提供依据。结果表明:1961−2020年广西夏季、秋季和年SPEI_PM整体上呈显著线性上升趋势,气候具有湿润化趋势。全区年际和季节尺度干旱发生频率均以轻旱和中旱为主,重旱和特旱发生频率较低。春季干旱集中发生在桂中部地区,夏季集中在桂西南地区,秋季集中在桂东南和桂东北地区,冬季干旱全区都有分布,而年尺度干旱集中在桂东北地区。广西干旱站次比有明显的年代特征,全区大范围发生旱情尤其是重旱和特旱主要集中在1960s、1970s和2000s。ENSO事件对广西气象干旱的影响具有显著的空间异质性,海洋尼诺指数(ONI)与桂东北和桂东南地区的干旱相关性最高,其次是桂西北地区,而沿海地区和桂西南大部分地区与ONI没有显著相关性。作为桂东北地区的典型代表,桂林气象站的SPEI-3与ONI在1962-1976年和1990-2019年分别表现出16~48个月和12~64个月的年际主共振周期。