智慧农业产业学院“1234”产教融合协同育人模式

智慧农业是近年来国内外的重点和热点研究领域,也是实现我国农业强国和解决“三农”问题的重要途径。未来,涉农行业、企事业单位对智慧农业人才的需求将呈快速增长态势,而当前智慧农业人才难以满足智慧农业产业的需求。同时,智慧农业是多学科交叉融合且实践性很强的专业,也是新型专业,尚未形成系统性的智慧农业专业人才培养体系。因而,加快推进智慧农业专业人才培养,显得尤为迫切和重要。该文在坚持“以本为本”和“四个回归”的教育理念基础上,围绕智慧农业发展目标,面向智慧农业产业需求,以山西农业大学省级智慧农业学院为例,探索出智慧农业产业学院“1核心、2导师、3平台、4体系”的“1234”产教融合协同育人模式,为我国智慧农业产业学院发展及人才培养模式提供参考和借鉴。

基于数据同化系统的作物产量预测研究进展

数据同化系统融合了遥感数据和作物生长模型的优势,是实时监测农业生产状况的有力手段。本文在简要介绍作物产量遥感估测方法的基础上,重点对数据同化算法的发展情况、多源遥感数据在数据同化上的应用潜力、数据同化系统的不确定性以及数据同化系统的尺度效应4方面进行论述。并且针对农业应用现状,提出未来应充分挖掘多源遥感数据、多作物生长模型集合和数据算法的优势,最终实现以机理模型为纽带的作物估产模式,并为制定田间管理策略、规划粮食产业布局和制定进出口贸易政策提供有力的数据和技术支撑。

高等农业院校来华留学研究生培养模式探索

随着我国综合国力的提升以及对世界影响力的不断攀升,来华留学研究生规模将会持续扩大,尤其是随着“一带一路”倡议的实施,沿线国家的留学生数量和规模也将持续增加。从全球经济和社会发展来看,我国农耕文化的生命力越来越强劲。因此,掌握与精通农学知识的国际学生的就业前景越来越好,我国高等教育越来越被国际同行看好。鉴于来华留学研究生日益增加的现实需求,针对当前来华留学研究生存在的现实问题,精确分析来华留学研究生的教育培养现状。围绕国家对来华留学研究生的培养目标,立足我国高等农业院校的学科特点,探索高等农业院校来华留学研究生的微观一体化培养模式,以提升高等农业院校来华留学研究生培养质量。

接种AMF提高干旱胁迫下土壤微生物活性和燕麦抗旱能力

【目的】研究接种AMF(arbuscular mycorrhiza fungi)提高干旱胁迫下土壤微生物生物量和酶活性,及提高土壤养分有效性的效果,为旱作区作物生产提供菌根调控技术。【方法】盆栽试验连续进行了两年,供试燕麦品种为‘坝莜18号’,栽培基质为生土与河沙以3∶1混合,每盆添加N 0.315 g、P2O50.087 g。试验设两个土壤相对含水量(田间持水量的75%和55%),并分别设接种AMF和不接种AMF处理,共4个处理。在燕麦抽穗期取样测定土壤微生物特性指标和养分含量,及燕麦各器官氮、磷积累量;成熟期测定燕麦籽粒产量。【结果】接种AMF条件下,55%土壤相对含水量处理的燕麦根系AMF侵染率比75%土壤相对含水量处理显著降低23.28%~33.35%。与正常水分条件相比,干旱胁迫显著降低了土壤微生物生物量碳和酶活性,降低了土壤有效氮、磷含量,pH和有机碳含量升高。干旱胁迫下,与未接种AMF相比,接种AMF显著提升了土壤微生物生物量碳、氮和磷含量,提高了土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性,速效磷含量显著增加了4.92%~5.41%,有机碳和pH无显著变化;显著增加了燕麦根、茎、叶和穗部氮、磷积累量,籽粒产量显著提高了14.20%~14.74%。接种AMF、土壤pH和速效磷是影响土壤微生物特性的主要因子。土壤微生物生物量氮和脲酶活性是影响土壤养分有效性的主要因子。速效磷是影响燕麦氮、磷积累量和产量的主要因子。【结论】接种AMF提高了干旱胁迫条件下燕麦根系的AMF侵染率,提高了根际土壤微生物活性和酶活性,提高了根际土壤中速效磷含量,进而提高了燕麦各器官氮、磷积累和籽粒产量,增加了燕麦的抗旱性。

施用有机肥对谷子产量、品质及经济效益的影响

为研究有机肥对谷子产量、品质及经济效益的影响,采用大田试验,以晋谷57为试验材料,设置不施肥(T0,为对照)、化肥(常规施氮量180 kg/hm^(2),T1)、有机肥6 250 kg/hm^(2)(T2)、有机肥8 750 kg/hm^(2)(T3)和有机肥11 250 kg/hm^(2)(T4)共5个处理,对比分析不同处理下谷子的产量及产量构成因素、品质和生物活性物质,并进行成本和效益核算,以期为谷子合理施用有机肥和发展有机旱作农业提供技术支撑。结果表明,不同处理下谷子产量为3 025.25~6 265.20 kg/hm^(2),其中,T3处理产量为6 265.20 kg/hm^(2),较T0处理显著提高。Pearson相关分析法分析产量与产量构成因素发现,产量与穗长、穗粗、单穗粒质量、单穗质量、千粒质量和出谷率呈极显著正相关。从谷子籽粒品质来看,T1~T4处理均可以改善籽粒品质,T3处理下的蛋白质、脂肪和淀粉含量增幅最高,分别较对照增加1.74%、0.76%和7.28%;T3处理还显著提高了籽粒中多酚、黄酮和叶酸含量。由于肥料投入较低,T2处理下的经济效益最高,与T0处理相比提高8 157.80元/hm^(2)。施用有机肥对提高谷子产量、改善籽粒品质和提高籽粒生物活性物质含量均有一定的促进作用,8 750 kg/hm^(2)有机肥对谷子产量、籽粒品质和生物活性物质效果最佳,可作为有机肥推荐使用量。

基于图像处理技术的多角度冬小麦氮素营养诊断

为实现基于图像处理技术的多角度冬小麦氮素营养无损监测,以不同氮运筹试验的冬小麦作为研究对象,使用相机对冬小麦冠层进行多角度拍摄,基于openCV图像技术处理冬小麦冠层图像并提取颜色特征参数,结合叶片氮含量指标,利用多元线性回归、逐步多元线性回归、BP-神经网络建立多角度条件下颜色特征参数的氮素监测模型。结果表明,冬小麦冠层图像与叶片氮含量存在一定的相关性,从冠层图像获取的RGB颜色空间中的R、G、B、reG、lnG等5个颜色参数与冬小麦的叶片氮含量相关性均达到极显著水平;不同的拍摄角度对基于图像参数的冬小麦叶片含氮量光谱监测精度造成影响,其中,与冠层水平面呈60°(逆光,与天顶方向夹角30°)拍摄的冠层图像建模效果准确度最高,效果最优(R2=0.896,RMSE=0.572),与冠层水平面呈30°(逆光,与天顶方向夹角60°)次之,与冠层水平面呈90°(逆光,垂直向下,与天顶方向夹角0°)最差。基于R、G、B、lnG、reG等5个颜色特征参数建立的60°冠层图像的多元线性回归模型整体表现最好。

典型山西黄土高原区土壤有机质的空间异质性及空间插值预测

农田土壤有机碳库储量是评估其固碳减排潜力的重要依据,而土壤有机碳(SOC)周转受到气候(温度和降水)、地形(坡度和高程)等环境变量的影响。为了明确环境变量因子对SOC的影响及实现SOC的空间插值预测,为理解小尺度SOC的空间异质性及精确制图提供一定理论和实践参考,研究利用反距离加权法(IDW)、径向基函数法(RBF)、普通克里格插值(OK)、多元线性回归(MLR)、回归克里格法(RK)、回归反距离加权法(MIDW)、回归径向基函数法(MRBF)等7种插值方法,探寻地形因子和气候因子与SOC的关系,并选出能更好预测SOC空间分布的空间插值模型。结果表明,SOC含量与高程(-0.255^(**))、温度(-0.246^(**))、坡度(-0.214^(**))及降水量(-0.085^(*))均呈显著负相关关系,其中高程与SOC的关系最为密切。对比不同插值模型的预测表现可知,MLR的均方根误差为0.083,小于OK、RBF、IDW、RK、MRBF、MIDW的均方根误差;MRBF的平均绝对误差为2.506,小于OK、RBF、IDW、MLR、RK、MIDW的平均绝对误差;MRBF的皮尔逊相关系数为0.674,大于OK、RBF、IDW、MLR、RK、MIDW的皮尔逊相关系数,因此,基于MRBF方法的SOC预测效果最好。

基于高光谱技术的土壤蛋白酶活性估测

快速测定土壤蛋白酶活性,对评估土壤健康状况、建立可持续耕作管理模式具有重要意义。为探究高光谱技术在估测土壤蛋白酶活性方面的可靠性,试验以128个土壤样品为研究对象,测定其蛋白酶活性和土壤光谱信息,观测不同蛋白酶活性水平下土壤光谱反射率的变化;并对原始光谱数据及不同光谱预处理数据分别与土壤蛋白酶活性进行相关性分析,构建偏最小二乘(PLS)线性模型和支持向量机(SVM)非线性模型对土壤蛋白酶活性进行估测。结果表明,蛋白酶活性在一定范围内,土壤光谱反射率随蛋白酶活性增加而升高;不同预处理方法显著提高土壤光谱数据与土壤蛋白酶的相关性,其相关系数最高达到0.99;基于不同预处理所建立的PLS线性估测模型和SVM非线性估测模型,在导数变换预处理下模型效果最好,且在大部分预处理下所构建的模型都可以较为可靠地对土壤蛋白酶活性进行估测;基于一阶导数预处理所构建的PLS线性模型表现优于其他模型(Rc^(2)=0.99、RMSEc=0.08、RPDc=10.51;Rv^(2)=0.96、RMSEv=0.17、RPDv=4.68)。高光谱技术在一定程度上可以较为准确地估测土壤蛋白酶活性。

基于多元统计分析的冬小麦干旱综合指标构建及监测研究

为了实现水分胁迫后冬小麦干旱指标综合表现的定量监测,以2017—2018、2018—2019年的冬小麦水分胁迫试验为基础,选择冬小麦叶片含水量(LWC)、叶绿素密度(ChD)、游离脯氨酸含量(Pro)以及抗氧化物酶中的超氧化物歧化(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性等生理参数作为研究对象,利用主成分分析方法(PCA)构建了冬小麦干旱综合指标(Comprehensive drought index,CDI)。结合相关分析法和逐步多元线性回归(CA+SMLR)、偏最小二乘法和逐步多元线性回归(PLS+SMLR)及连续投影算法(SPA)对光谱反射率进行了特征波段提取,综合利用化学计量学方法,对冬小麦生理生化及CDI指标监测展开了研究。结果表明:通过CA+SMLR提取的特征波段个数较少,并且所构建的SMLR模型表现一般;利用SPA构建的监测模型表现优于CA+SMLR和PLS+SMLR 2种方法,可以实现对冬小麦CDI指标优化目的。利用多元回归分析方法构建的模型对比,发现基于全谱建立的PLSR模型表现(R^(2)=0.885,RMSEC=0.221,RPD=2.772;R^(2)=0.631,RMSEP=0.441,RPD=1.625),其预测效果最好;SPA方法提取特征波段建立的MLR模型表现(R^(2)=0.647,RMSEC=0.387,RPD=1.355;R^(2)=0.672,RMSEP=0.376,RPD=1.500)次之。综上,通过CDI模型的构建,为实现水分胁迫后冬小麦生理参数综合表现的高光谱监测提供了参考。

基于TM和MODIS数据的水旱地冬小麦面积提取和长势监测

采用Mahalanobis Distance分类法提取了冬小麦种植面积,通过搭建决策树结构进行了不同灌溉类型冬小麦种植面积的提取,通过两个年份不同生育时期MODIS-NDVI的比较,分析了NDVI时间曲线与冬小麦长势的响应规律和水旱地冬小麦年同期长势。结果表明:2007年临汾地区冬小麦总种植面积为234778.5hm2,提取精度为96.96%,其中水地种植面积为107488.3hm2,提取精度为86.15%,旱地冬小麦为127290.2hm2,提取精度为86.16%。生育期内,水地冬小麦整体长势好于旱地冬小麦,通过NDVI变化斜率比较,表明随着生育期的推进,水地冬小麦NDVI达到峰值前的上升速度远大于旱地冬小麦,峰值后水地冬小麦NDVI下降速度小于旱地冬小麦。

基于遥感数据和气象数据的水旱地冬小麦产量估测

研究利用遥感数据进行了运城地区冬小麦不同生育时期归一化差值植被指数和产量关系的研究,利用气象数据和光谱数据构建了冬小麦光谱产量模型、气象产量模型以及光谱气象产量模型。结果表明:运城地区水旱地冬小麦均以5月8日左右的NDVI值与产量相关性最好,且达极显著水平,因此该时期为建立冬小麦遥感估产模型的最佳时相。通过对冬小麦光谱产量模型、气象产量模型以及光谱气象产量模型预测效果进行的F检验,表明各模型均达到极显著水平。与其他两种模型相比,光谱气象产量模型的决定系数(R2)有明显的提高,并且相对均方根误差(RRMSE)和相对误差(RE)降低,且降低幅度较大。说明光谱气象产量模型比气象产量模型和光谱产量模型有较好的预测效果。平均单产的遥感估产值略高于统计数据值,旱地估产精度为80.91%,水地估产精度为87.72%;总产量的估算值略高于统计值,旱地精度为99.20%,水地精度为80.54%。因此,利用遥感和气象数据建立模型进行单产和总产估测是可行的,且精度更高。

不同株型品种冬小麦NDVI变化特征及产量分析

冬小麦不同株型品种和灌溉类型是影响产量遥感估测的重要因素,对二者的实时监测可以提高产量的估测精度。结合遥感数据(MODIS数据)与非遥感数据(GPS数据和外业调查资料),研究了不同株型品种冬小麦在水、旱地条件下归一化差值植被指数(NDVI)的动态变化特征,分析了不同生育时期NDVI与产量之间的关系。结果表明:冬小麦不同株型品种间NDVI随生育时期的变化具有明显一致性,呈"小-大-小"变化趋势;拔节期至孕穗期不同株型品种冬小麦NDVI差异显著,披散型品种高于紧凑型品种,该时期为准确识别冬小麦株型的最佳时期。水、旱地同一种株型的冬小麦品种在整个生育时期NDVI均值差异较显著,均表现为水地冬小麦高于旱地冬小麦,尤以抽穗初期最为明显。水旱地冬小麦不同生育时期NDVI与产量相关性均以抽穗初期为最高,但用抽穗初期和灌浆期NDVI与产量的复合回归方程进行产量预测比用抽穗初期NDVI与产量的回归方程效果好,旱地冬小麦尤为明显。

农作物冷冻害遥感监测研究进展

当前全球极端天气气候事件发生的频率和强度增大,造成的灾害损失不断增加。其中,冷冻害是作物常见的灾害之一,农业部门及各地方政府等相关部门都对农作物灾害的实时监测极为关注。遥感技术的发展为作物冷冻害的监测和预报提供了快速、无损、大面积监测的手段。本文对作物冷冻害遥感监测的主要研究进展进行了综述,并归纳了作物冷冻害遥感监测的主要技术方法。目前国内外关于农作物冷冻害遥感监测,在监测机理、精度、实时性和实用化等方面还存在着较大的不足,还有待于深入研究。对此提出了进一步加强光谱响应机理研究、空基和地基相结合、多源多时相数据互补的解决对策,并进行了展望。

基于GIS的荞麦芦丁含量生态区划研究

分析了荞麦芦丁含量与气象因子的关系,结合荞麦地理分布信息,筛选出影响芦丁含量的主要气象因子,利用Arc GIS软件的空间分析功能,对荞麦芦丁含量进行生态区划,并进行评述。结果表明,品种和生态区域对芦丁含量具有明显的影响,而温度、降水、日照时数是影响芦丁含量的主要生态因子。芦丁含量与8月上旬均温、7月大于30℃天数具有负相关性,与8月降水量、生育期日照时数具有正相关性。利用GIS对芦丁含量进行区划,将晋中市分为3个区,即高、中、低芦丁含量荞麦种植区,与实际状况基本符合。研究结果可为高芦丁含量荞麦生产基地的确定和区域化、规模化种植提供参考。

小麦遥感估产研究进展与发展趋势

对国内外小麦遥感估产研究进行了全面的回顾,探讨了遥感技术在小麦种植面积提取、长势监测和模型构建上的应用,并提出了今后的研究方向和发展趋势。

基于RS的冬小麦种植面积提取及最佳时相选择

为探求冬小麦种植面积提取的方法,本研究通过多种图像处理方法对TM数据进行处理,结合实地调查和研究区主要种植作物的物候历,利用TM数据提取了冬小麦的种植面积。同时为了提高解译精度,结合GIS进行了两次目视解译过程,消除了分类器分类会出现的多分和漏分现象。结果表明:通过分类后计算混淆矩阵与地面真实感兴趣区(ROI)进行比较,发现Mahalanobis Distance分类法阈值(最大误差距离)为2.9时分类效果最佳。得到2007年研究区域冬小麦遥感监测面积为560 650 hm2,提取精度达到了95.23%。三个地区以临汾地区提取精度最高,而晋中地区最低。因此利用该方法提取冬小麦种植面积是可行的。

不同糜子品种萌发期对干旱胁迫的响应及抗旱性评价

利用PEG-6000溶液模拟干旱胁迫,对16个糜子(Panicum miliaceum L.)品种萌发期与抗旱性相关的指标进行测定,比较其抗旱性,并采用隶属函数法对其抗旱性进行综合评价。结果表明:不同糜子品种抗旱性有显著性差异。干旱胁迫抑制糜子种子萌发活力,降低了萌发速度和发芽率;干旱胁迫对糜子胚根的抑制要强于胚芽;萌发抗旱指数、相对发芽率、相对发芽势、相对胚芽长、相对胚根长、相对萌发指数和相对活力指数均可作为糜子萌发期抗旱性鉴定的参考指标。河曲红黍子、伊选红糜、粘丰5号这3个品种抗旱性较强。

糜子氮、磷、钾肥的效应及优化研究

为揭示糜子氮、磷、钾肥效应,并提出最优推荐施肥量组合,本试验采用"3414"不完全正交回归设计,对糜子氮、磷、钾肥合理配比施肥效应进行研究,同时对糜子产量进行肥效模型拟合,得出最优经济效益氮、磷、钾推荐施肥量。结果表明,施用氮、磷、钾肥,糜子增产效果显著,最高增产率可达52.31%,缺氮和高氮处理增产率最低,说明适宜的氮肥施用量是影响糜子产量的关键因子。氮、磷、钾肥间存在明显的交互作用,配合施用能提高肥效,三因素对糜子产量的影响大小顺序为氮>磷>钾,任一因素过量施用均会导致产量显著降低。根据一元二次肥效模型得出糜子氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)的最优推荐施肥量分别为121.61、78.09、24.23 kg/hm2,适宜的氮、磷、钾施肥比例为1∶0.64∶0.20。

不同糜子品种对低氮胁迫的生物学响应

采用溶液培养的方法,研究了低氮胁迫下不同糜子品种苗期生物学性状、氮素吸收利用效率差异及与根系形态生理指标之间的相关关系。结果表明,低氮胁迫下,糜子地上部生长受抑程度大于根部,植株氮累积量降低但氮利用效率明显提高。晋黍7号株高、叶面积、茎叶干重、根干重、总根数、总吸收面积和活性吸收面积下降幅度在所测试品种中均最小,其总氮累积量分别是晋黍1号、晋黍5号、晋黍8号的1.35、1.50、1.39倍,根系氮累积量/总氮量的百分率增加的幅度和地上部氮累积量/总氮量的百分率下降的幅度均最低,分别为9.75%和3.47%;植株氮利用效率比晋黍1号、晋黍5号、晋黍8号分别高20.92%、12.44%、14.83%。晋黍7号较其他品种更耐低氮胁迫。低氮胁迫下,糜子根系干重、总根长、总吸收面积与总氮累积量呈显著线性相关,表明低氮胁迫下,根系形态生理指标对氮素吸收效率起重要作用。