人工智能深度学习模型在土壤属性数字制图中的应用

为提高土壤属性数字制图预测精度,以及随着遥感环境变量数据量的增加、算力的增强和开源深度学习框架的普及,数字土壤制图正在从传统的知识驱动模型向数据驱动的人工智能深度学习模型转变。该文以土壤关键属性有机碳为例,分析归纳土壤有机碳数字制图深度学习模型的理论基础、模型结构、亟待解决的有关环境变量空间上下文信息和多模态数据整合及模型可解释性等问题,旨在促进人工智能深度学习模型在第三次全国土壤普查土壤属性制图中的应用。

氮肥减量配施壳寡糖对棉花根系生长及根际土壤酶活性的影响

改善根际土壤环境以及促进棉花根系发育对棉花健康生长及产量和品质的提高意义重大。为探究氮肥减量配施壳寡糖促进棉花根系生长及调节土壤酶活性的作用,以盆栽试验和田间小区试验为研究方法,设置了不施肥、常规施肥(施N 400 kg/hm^(2)、P_(2)O_(5)140 kg/hm^(2)、K_(2)O 130 kg/hm^(2))、常规减氮20%施肥、常规减氮20%施肥+聚合度2~6型壳寡糖450 g/hm^(2)、常规减氮20%施肥+聚合度2~20型壳寡糖450 g/hm^(2)等5个处理,研究了氮肥减量配施不同聚合度类型壳寡糖对棉花根系生长和根际土壤酶活性的影响。结果表明,除土壤过氧化氢酶外,2个配施壳寡糖的处理均不同程度上降低了土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性,其中酶活性降幅最大的为土壤磷酸酶,常规减氮20%施肥配施聚合度2~6型壳寡糖处理和常规减氮20%施肥配施聚合度2~20型壳寡糖处理分别比常规减氮20%施肥处理降低10.6%和5.5%。常规减氮20%施肥配施聚合度2~6型壳寡糖处理较常规减氮20%施肥处理土壤硝态氮含量增加了38.1%,而常规减氮20%施肥配施聚合度2~20型壳寡糖处理较常规减氮20%施肥处理土壤硝态氮含量降低了43.4%。并且施加聚合度2~6型、聚合度2~20型2种不同聚合度类型壳寡糖后,棉花根长较常规减氮20%施肥处理分别增加64.2%、40.1%,根表面积较常规减氮20%施肥处理增加74.8%、54.4%,根体积较常规减氮20%施肥处理增加106.2%和73.2%。由此可见,聚合度2~6型壳寡糖对促进棉花根系生长效果要优于聚合度2~20型壳寡糖。

基于小型卷积神经网络的南疆棉花图像分类

针对南疆棉田图像分类特定应用场景,该文提出一种小型卷积神经网络模型,分别对幼苗期棉苗、缺苗穴和地膜及吐絮期叶片、成铃和吐絮铃图像进行自动化分类。该卷积神经网络由12层组成,包括交替堆叠的4个卷积层和4个最大池化层,以及1个展平层、1个Dropout层和2个密集连接层。采用智能手机拍照方法,获取幼苗期棉苗、缺苗穴和地膜图像13 920张,吐絮期叶片、成铃和吐絮铃图像21 427张。在普通笔记本电脑上部署TensorFlow、Keras深度学习框架和卷积神经网络模型,使用数据增强和添加Dropout层来消除过拟合。研究结果表明,小型卷积神经网络在幼苗期和吐絮期图像测试集的分类精度分别达到了0.999 3和0.975 7,模型具有很好的泛化能力,模型的训练时间约2 h。研究结果将为利用数字图像智能提取棉花缺苗信息及棉铃吐絮信息提供一定的参考。

土壤水分胁迫对胡杨、灰叶胡杨光合作用-光响应特性的影响

采用盆栽试验研究正常供水（土壤相对含水量70％～80％）、中度水分胁迫（50％～60％）和重度水分胁迫（30％～40％）条件下，胡杨和灰叶胡杨2年生幼苗光合作用-光响应特性。结果表明：胡杨、灰叶胡杨光合作用-光响应曲线符合非直角双曲线函数。在正常供水条件下，胡杨、灰叶胡杨的最大光合速率（Pn max）分别为24．59、16．68μmol CO2·m^-2s^-1，表观光合量子效率（AQY）分别为0．059、0．036μmolCO2·μmol^-1photons，光饱和点（LSP）分别为603、517μmol photons·m^-2s^-1，光补偿点（LCP）分别为42、41μmol photons·m^-2s^-1、暗呼吸速率（Rd）分别为2．99、1．45μmol CO2·m^-2s^-1。土壤水分胁迫能显著降低胡杨、灰叶胡杨Pn max、AQY、LSP，而对LCP及Rd无显著影响。无论在正常供水还是在土壤水分胁迫条件下，胡杨均表现出更高的光合活性，其Pn、Pn max、LSP、AQY及Rd值均比灰叶胡杨高，而LCP值，二者之间无显著差异。表明生长在同一生境中的胡杨对光照、土壤水分的生态适应能力高于灰叶胡杨。

南疆高产栽培技术模式下陆地棉干物质生产规律的研究

南疆棉区高产栽培技术模式下陆地棉的干物质积累呈 S型曲线增长过程 ,高产棉花总积累的干物质为 1 1 8.7g/株 ,干物质增长最快的时段在 8月 2～ 1 2日(出苗后 85～ 95天 )。地上部干物质分配中心随生育进程发生着如下动态转移 :真叶→茎枝→蕾花→幼铃→铃壳→籽棉。棉铃内部的干物质分配。

南疆棉花干物质和氮磷钾养分积累的模拟分析

分析了南疆棉花的干物质和氮磷钾养分的积累规律 ,它们均呈“S”型曲线 ,可用 Logistic生长函数加以模拟 ,效果良好 ,曲线相关指数 R2 均在 0 .98以上。棉株总干物质和生殖器官干物质积累速率最快的时刻在出苗后的 86～ 93 d和 99～ 1 0 0 d;棉花对 N、P2 O5、K2 O养分吸收强度最大的时刻分别在出苗后的 73～ 80d,72～ 76d和 65～ 76d。南疆高产棉花 (2 2 5 6kg/hm2 )地上部总干物质和生殖器官干物质积累量分别为1 1 8.69g/株和 69.3 3 g/株 ,吸收积累的 N、P2 O5、K2 O养分为 :2 63 .890、68.63 5和 3 3 4.72 5 kg/hm2 。N∶ P2 O5∶K2 O=1∶ 0 .2 6∶ 1 .2

南疆陆地棉与海岛棉光合-光响应及叶绿素荧光特性分析

以南疆棉区主栽的陆地棉品种中棉所35号及海岛棉品种新海21号为供试材料，测定了吐絮期倒1叶、倒2叶光合生理生态参数对不同光照强度（PPFDO～3200μmol photons m^-2s^-1）的响应和叶绿素荧光参数。结果表明光合-光响应曲线符合非直角双曲线函数，陆地棉的最大光合速率Amax、暗呼吸速率Rd、光补偿点LCP、光饱和点LSP高于海岛棉，而表观量子效率AQY低于海岛棉；随着光合有效辐射通量密度PPFD的增加，蒸腾速率Tr与气孔导度Gs直线上升。在PPFD低于1000photons m^-2s^-1的范围内，Pn、Pn／Ci、WUE呈上升的趋势，超过该值之后开始缓慢下降；而Ci随PPFD的增加，先急剧下降再缓慢上升。这些说明在约全日照1／2左右光强以下时，随着PPFD的增加，光强对CO2、H2O气体交换、叶肉细胞光合能力及水分利用效率均有促进作用，超过一定光强之后，光合作用出现光饱和现象，WUE、叶肉细胞的光合能力也呈下降趋势。叶绿素荧光参数，陆地棉除了初始荧光Fo较大以外，PSⅡ原初光能转换效率Fv／Fm、PSⅡ的潜在活性Fv／Fo、非循环电子传递速率ETR都比海岛棉要低，而PSⅡ实际的光化学反应量子效率ΦPSⅡ、光化学猝灭系数qP、非光化学猝灭系数NPQ在两品种之间无显著差异。总体来说，在吐絮期陆地棉对高光强光能的利用能力强于海岛棉，而对低光强光能的利用能力弱于海岛棉，棉花不同叶位对光能的利用能力也存在着差异，并因品种的不同而不同。

水分与氮素对南疆膜下滴灌棉花水分利用效率与蒸腾速率的影响

研究了不同滴水量(2 850、3 900、4 950 m3/hm2)与施氮量(0、180、270、360 N kg/hm2)条件下南疆膜下滴灌棉花蕾期、花铃期与盛铃期功能叶水分利用效率WUE与蒸腾速率E。结果表明,在蕾期、花铃期水分与氮素对棉花叶片水分利用效率WUE无显著影响;在盛铃期,WUE显著地受到水分的影响,施氮、施氮与水分的交互作用对WUE无显著影响。在盛铃期时,滴水量为4 950 m3/hm2时WUE显著高于滴水量为3900、2 850 m3/hm2时的WUE,后两者之间的WUE无显著差异。不同处理棉花叶片蒸腾速率E在蕾期均高于花铃期和盛铃期。在蕾期,水分与氮素对蒸腾速率无显著影响;在花铃期,水分对蒸腾速率E的影响达到了显著水平,最高滴水量处理的蒸腾速率也最高,而施氮、水分与施氮的交互作用对蒸腾速率E无显著影响。在盛铃期,最高滴水量4 950 m3/hm2条件下,蒸腾速率E显著地受到施氮的影响,施氮量最高时,其蒸腾速率也最高。南疆膜下滴灌棉花水分利用效率、蒸腾速率的大小与棉田冠层环境因子密切相关,其中,温度是最主要的影响因子。WUE与叶片温度、空气温度、空气饱和差、胞间CO2与空气CO2浓度比呈现出极显著的负相关关系,WUE与光合有效辐射PAR呈显著负相关关系,WUE与空气相对湿度、空气CO2浓度呈现出极显著的正相关关系。蒸腾速率与空气温度、叶片温度、光合有效辐射PAR呈现出极显著的正相关关系。蒸腾速率与空气CO2浓度、胞间CO2与空气CO2浓度比呈现出极显著的负相关关系。

中子水分仪在棉田土壤上的标定研究

通过对中子水分仪在棉田土壤中的标定研究 ,提出了用系统聚类法选择中子水分仪标定管点的方法 ;得到土壤不同深度层次的 3条标定直线 :0 cm～ 2 5 cm土层标定直线的截距和斜率是 1.81× 10 - 2 cm3/ cm3,2 3.4 1×10 - 2 cm3/ cm3;30 cm～ 80 cm土层标定直线的截距和斜率是 - 2 .77× 10 - 2 cm3/ cm3,2 6 .2 5× 10 - 2 cm3/ cm3;90 cm～110 cm土层标定直线的截距和斜率是 - 6 .6 2× 10 - 2 cm3/ cm3,2 8.6 0× 10 - 2 cm3/ cm3。

水分氮素及环境因子对南疆膜下滴灌棉花水分利用效率影响研究

试验研究了不同灌水量(2 850、3 900和4 950 m3/hm2)与施氮量(01、80、270和360 N kg/hm2)条件下南疆膜下滴灌棉花蕾期、花铃期与盛铃期功能叶水分利用效率(WUE)。结果表明,在蕾期、花铃期水分与氮素对棉花叶片水分利用效率WUE无显著影响;在盛铃期,WUE显著地受到水分的影响,施氮、施氮与水分的交互作用对WUE无显著影响。在盛铃期时,灌水量为4 950 m3/hm2时的WUE显著高于灌水量为3 900和2 850 m3/hm2,后两者之间的WUE无显著差异。南疆膜下滴灌棉花水分利用效率的大小与棉田冠层环境因子密切相关,其中,温度是最主要的影响因子。WUE与叶片温度、空气温度、空气饱和差、胞间CO2与空气CO2浓度比呈现出极显著的负相关关系、WUE与光合有效辐射PAR呈显著负相关关系,WUE与空气相对湿度、空气CO2浓度呈现出极显著的正相关关系。

植物色素高光谱遥感研究进展

植物色素尤其是叶绿素、类胡萝卜素和花青素在生物圈中具有极其重要的作用。有关色素时间和空间的变化信息是植被和生态系统中一系列关键特性和过程的一个有价值的指示器。但是,由于传统的植物色素测定方法的制约,对植物色素时间、空间变化信息的获取是有限的。而高光谱遥感技术的出现为非破坏性、重复地在一定空间尺度上连续地定量色素浓度成为了可能。本文总结了目前植物色素高光谱遥感的主要分析技术与方法,包括基于单个窄波段反射率、基于多个窄波段反射率的组合(主要是光谱色素指数)、光谱微分技术和辐射传输模型的应用。并展望了今后植物色素高光谱遥感的发展方向。

两种施氮水平下不同基因型冬小麦叶片光合特性与形态差异的研究

田间试验研究不施N和施N(90kg/hm2)条件下“NR9405”、“9430”、“偃师9号”、“小偃6号”、“陕229”、“西农2208”、“矮丰3号”和“商188”等8种不同基因型冬小麦中后期生理特性及其叶片形态的差异结果表明,抽穗期倒二叶和灌浆期旗叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率及瞬时水分利用效率在不同基因型间存在显著差异,施N仅能显著降低抽穗期倒二叶的蒸腾速率,而对功能叶的其他生理指标无明显影响。小麦成熟期旗叶和倒二叶的长度、宽度及叶面积在不同基因型间也存在极显著差异,施N对这些叶片形态指标有极显著地促进作用,基因型和N肥同时影响灌浆期旗叶的SPAD值,而叶片衰老指数主要受基因型调控。总体上看,冬小麦叶片形态指标同时受施N和基因型影响,而生理指标主要受基因型影响,N肥的影响相对较小。

小岛屿发展中国家面临的气候变化挑战和应对策略——以塞舌尔共和国为例

气候变化及其应对已成为世界范围的重大议题。气候变化对小岛屿发展中国家的生态环境、社会和经济等方面的影响更为直接和剧烈,甚至威胁到当地居民的生存。以位于非洲东部西印度洋上的小岛屿发展中国家塞舌尔共和国为例,分析了气候变化带来的严峻挑战,如海平面上升、海洋表面温度升高、水资源短缺、珊瑚礁生态系统遭受破坏等,及该国采取的应对策略,以期对小岛屿发展中国家面临问题的严峻性提出警示。通过管窥小岛屿发展中国家面临气候变化的挑战和应对之道,也希冀引起我国政府和民众对于气候变化的足够重视,特别是在沿海和海岛城镇的政策制定等方面应未雨绸缪。

施氮对不同基因型冬小麦氮素吸收及干物质分配和产量的影响

以8个基因型NR9405、9430、偃师9号、小偃6号、陕229、西农2208、矮丰3号、商188为供试材料进行田间试验,研究了不同施氮肥量(0、90N kg/hm2)对冬小麦氮素吸收、干物质分配与产量及其构成因素的影响。结果表明:虽然小麦叶片、茎鞘、穗轴+颖壳及籽粒含氮量、氮收获指数及叶片、茎鞘、籽粒干物质分配率在不同基因型间存在显著差异,但是它们并没有显著受到施氮的影响。氮总吸收量、籽粒产量及产量构成因素的单位面积穗数、单株分蘖数、每穗粒数、单位面积粒数、千粒重、每穗粒重在不同基因型之间存在显著差异。施氮增产的主要原因是增加了单位面积株数、单位面积穗数、单株分蘖数、单位面积粒数及单位面积粒重。施氮增加小麦的干物质累积量的同时也增加了氮总吸收量,但并没有显著地增加籽粒氮含量。

施氮与基因型对半湿润区冬小麦灌浆期籽粒氮、磷累积的影响

在年均降水量632mm的黄土高原南部半湿润区红油土上以“9430”、“小偃6号”和“商188”为供试材料,研究了不施N和施N(90kg/hm2)条件下不同基因型冬小麦灌浆期间籽粒中N、P累积特性。结果表明,不同基因型冬小麦灌浆期间籽粒含N量呈现出“高-低-高”的时间变化趋势,而籽粒含P量基本呈直线下降趋势。不同基因型小麦籽粒最终含N量的高低与灌浆进程中籽粒含N量的高低一致,“小偃6号”籽粒含N量始终高于“商188”和“9430”。在整个灌浆期间,籽粒中N累积速率显著高于P累积速率,灌浆末期表现更为明显。籽粒N的活跃累积期与千粒重呈显著正相关,提高籽粒中N累积速率有利于增加籽粒蛋白质含量。基因型是控制籽粒中N活跃累积期和N活跃平均累积速率的主要因子,而基因型对籽粒P活跃累积期和平均累积P速率无显著影响。施N虽然对灌浆期间籽粒N、P累积参数无显著影响,但在一定程度上可以提高灌浆进程中籽粒含N量,对最终籽粒N累积具有一定的促进作用。

小麦品种演变过程中性状遗传改良规律综述

人类通过两种途径来提高小麦的生产力水平,一是品种遗传改良;二是改善小麦生长的农田环境条件。前一途径在小麦的增产中占了较大的作用。在小麦品种演变过程中,生物学与光合生理学性状发生着遗传改良。比较明显的是植株高度降低和收获指数增加,而生物学产量、产量构成因子并没有发生明显地改变,光合器官叶片细胞结构日趋复杂,但是单位叶面积光合性能并没有得到显著地提高,氮运转指数和氮素利用效率有增加的趋势。随着全球资源与环境的压力越来越大,小麦品种的遗传改良除了仍然以抗病高产优质为主要目标以外,利用现代生物工程技术进行抗性育种、抗旱生态育种、植物营养高效育种和高光效育种等将逐渐得到加强。

基于CBERS-02卫星遥感图像的棉花光谱识别模型的建立

新疆南疆地区是中国重要的棉花产区,准确及时地获取棉区播种面积及长势状况对于棉花生产与管理有重要的意义。本研究以2005年7月10日中巴资源卫星CBERS-02卫星CCD1-4波段遥感图像为数据源,分析了阿拉尔垦区棉花、果园、草地、居民地、盐碱地及水库6种典型地物的光谱特征,建立了遥感解译标志。以CBERS-02卫星CCD1-4图像DN值及NDVI值组合为条件构成判断表达式,从而建立了棉花遥感光谱识别模型,并采用ERDAS遥感图像处理软件的空间建模方法提取了棉花面积及分布信息。

基于INLA-SPDE贝叶斯空间模型预测土壤有机碳含量

采用嵌套拉普拉斯逼近积分——随机偏微分方程(INLA-SPDE)构建贝叶斯空间模型,用该模型对塔里木盆地北缘土壤有机碳含量的空间分布进行预测;采用Python语言PyMC库和R语言spBayes包构建基于马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)模拟的贝叶斯空间模型。比较了基于MCMC和INLA-SPDE两类贝叶斯空间模型的推断结果、预测准确性和计算时间,结果表明基于INLA-SPDE与MCMC的有机碳含量的贝叶斯空间模型具有相似的参数后验分布、后验预测分布以及预测准确度;INLA-SPDE模型比MCMC模型具有更快的运算速度。

基于CBERS-02卫星遥感图像海岛棉与陆地棉植被指数的对比

随着遥感技术的发展,植被指数作为用来表征地表植被覆盖和生长状况的度量参数,已经在环境、生态、农业等领域有了广泛的应用。本文利用中巴资源卫星CBERS-02星CCD1-5波段遥感图像,比较了海岛棉与陆地棉5种植被指数(比值植被指数RVI,归一化差异植被指数NDVI,红色植被指数R I,转换型植被指数TVI,归一化差异绿度指数NDG I)的差异。结果表明:海岛棉与陆地棉的5种植被指数差异均未达到显著性水平(P>0.05);海岛棉与陆地棉之间比值植被指数RVI差异最大,而转换型植被指数TVI差异最小;在阿拉尔垦区利用7月份CBERS-02卫星遥感图像植被指数的差异很难区分出海岛棉与陆地棉。

中子水分仪测定棉田土壤含水量的标定研究

通过中子水分仪测定棉田土壤含水量的标定研究 ,得到了土壤不同深度的三条标定直线 :0 -2 5cm土层标定直线的截距和斜率是 1 .81 (v% ) ,2 3 .4 1 (v% cnt std) ;3 0 -80cm土层标定直线的截距和斜率是 -2 .77(v% ) ,2 6.2 5 (v% cnt std) ;90 -1 1 0cm土层标定直线的截距和斜率是 -6.62 (v% ) ,2 8.60 (v% cnt std)。还阐明了在利用中子水分仪作灌溉计划时精确的田间标定直线的必要性。