基于机器学习算法的棉田土壤钾、钠离子量预测

【目的】比较4种机器学习方法对南疆棉田土壤K+、Na+量的预测结果,确定一种预测准确度较高的机器学习模型作为可供参考的方法。【方法】采用支持向量回归(SVR)、随机森林回归(RFR)、K-最近邻回归(KNNR)和梯度提升回归树(GBRT)4种机器学习算法,2020年棉田土壤K+、Na+量数据训练模型,2021年实测数据进行测试验证。使用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和决定系数(R^(2))对模型预测结果进行评估。【结果】4种模型(SVR、RFR、KNNR和GBRT)对测试样本K+量预测的MAE分别为0.100、0.169、0.169g/kg和0.167g/kg;RMSE分别为0.119、0.218、0.218g/kg和0.223g/kg;R^(2)分别为0.687、0.437、0.430和0.395。对测试样本Na+量预测的MAE分别为0.841、2.841、2.826g/kg和2.856g/kg;RMSE分别为1.154、3.658、3.630g/kg和3.650g/kg;R^(2)分别为0.838、0.299、0.219和0.200。将测试样本K+、Na+量分别按4个土层深度(0~10、10~20、20~30 cm和30~40 cm)进行预测时,SVR模型的误差值最小,其对K+量按照4个深度预测的MAE分别为0.122、0.114、0.056 g/kg和0.106 g/kg,RMSE分别为0.135、0.135、0.069 g/kg和0.126 g/kg;对Na+量预测的MAE分别为0.540、0.619、0.835 g/kg和1.371 g/kg,RMSE分别为0.636、0.748、1.198 g/kg和1.710 g/kg。【结论】SVR模型预测K+、Na+量的精度最高,可推荐作为南疆棉田土壤钾、钠离子量预测的一种方法。

基于OneNET物联网云平台的农田环境监测及远程灌溉系统设计

针对传统的农田环境监测设备采集的数据单一、无法实时远程显示数据、导出历史数据不易以及无法与灌溉控制系统有效兼容的问题。设计了一种基于OneNET物联网云平台的农田环境监测及远程灌溉系统,借助WiFi无线通信模块和增强设备协议(EDP)完成数据交互。结果表明,该系统可以把农田的空气温湿度、土壤温湿度、紫外线指数、二氧化碳浓度上传至物联网云平台上显示,通过物联网云平台控制灌溉设备进行远程灌溉,还可把采集到的历史环境数据导出Excel文件用作永久保存和进一步的数据分析。方便用户可以在任何接入互联网的地点查看农田环境数据和控制电子水泵开关。本系统可连接更多的传感器或更多具备同等功能的设备实现扩展,为农业物联网提供更高效的解决方案。

水氮运筹对新疆无膜滴灌棉花生长发育及土壤温室气体排放的影响

【目的】探究水氮运筹对新疆无膜滴灌棉田棉花生长发育、水氮利用效率及土壤温室气体排放的影响。【方法】设置2个灌水定额(W1:450 m^(3)·hm^(-2),W2:540 m^(3)·hm^(-2))和3个施氮量(150、225、300 kg·hm^(-2)纯氮),分析不同水氮条件下土壤和植株全氮含量、棉花株高与茎粗、籽棉产量、水分与氮素利用效率及土壤温室气体排放的差异。【结果】225 kg·hm^(-2)和300 kg·hm^(-2)施氮量下,不同生育时期W1的0~80 cm土层平均全氮含量高于W2处理。同一施氮量水平下,W1处理的土壤CO_(2)、CH_(4)、N_(2)O累积排放量,全球增温潜势(global warming potential,GWP),土壤温室气体排放强度(greenhouse gas emission intensity,GHGI)及水分利用效率均高于W2处理。W1灌溉水平下,苗期和蕾期0~80 cm土层平均全氮含量、不同生育时期棉花的株高与茎粗、籽棉产量、水分利用效率均随施氮量的增加而增加,土壤CO_(2)和CH4累积排放量、GWP、GHGI和氮肥偏生产力均随施氮量的增加而降低,而植株全氮含量随施氮量的增加呈现先升高后降低的趋势。W2灌溉水平下,植株全氮含量、籽棉产量和水分利用效率均随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势,土壤CO_(2)及CH_(4)累积排放量、GWP和氮肥偏生产力均施氮量的增加而降低,而棉花茎粗和株高随施氮量的增加而增加。通过拟合分析发现,W1与W2处理的籽棉产量拟合曲线在施氮量为278.07 kg·hm^(-2)时相交。【结论】在水资源短缺的新疆南疆地区,450 m^(3)·hm^(-2)灌水定额和300 kg·hm^(-2)施氮量是无膜滴灌棉花节水、增产、减排的高效水氮施用模式。

咸淡水交替灌溉对南疆设施番茄酶活性及产量品质的影响

为了探究不同咸淡水交替灌溉对设施番茄土壤盐分胁迫响应及产量品质的影响,以“秦岭蔬越”番茄品种为研究对象,共设置W1(淡咸咸)、W2(淡咸淡)和W3(咸淡淡)3种咸淡水交替灌溉方式,并以淡水灌溉(CK)对照。结果表明:在咸淡水交替灌溉方式下,番茄生育期土壤盐分出现逐渐累积趋势,整体表现为W1>W2>W3处理,且W1、W2处理土壤盐分表聚现象较为严重,而W3处理土壤盐分有向下淋洗趋势,土壤表层积盐较轻。不同咸淡水交替灌溉后,由于土壤盐分累积程度不同,使番茄受到盐分胁迫的差异较大,其中番茄叶片内丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)、可溶性蛋白(SP)、可溶性糖(SS)及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)含量均有不同程度增加。由相关性分析可知,土壤盐分与番茄叶片CAT、PRO呈极显著性正相关(P<0.01),与叶片SS呈显著性正相关(P<0.05),说明番茄通过改变各种保护酶活性及渗透物质含量提高自身抗逆性,以应对盐分胁迫危害。通过对比分析,W3处理番茄可溶性固形物、硝酸盐、Vc和总酚含量及产量均高于对照,说明适宜的咸淡水交替灌溉方式能够提高番茄品质和产量。

南疆盐碱土水、氮、盐光谱特征及其反演模型

【目的】探讨南疆盐碱土在不同水、氮、盐条件下的光谱特征,构建适合南疆盐碱土的水、氮、盐反演模型。【方法】以南疆代表性盐碱土为研究对象,设置不同的土壤水、盐和氮量,分析不同处理的土壤光谱特征,采用偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机回归(SVR)和BP神经网络(BPNN)建立土壤水、氮、盐反演模型。【结果】土壤水的特征波段在1900 nm附近,土壤氮的特征波段在1490~1506、1540~2006、2011~2500 nm之间,土壤盐的特征波段在1880~1883、1890~1942 nm之间;PLSR模型对水、氮、盐量的反演效果最好,BPNN模型次之,SVR模型最差。【结论】1900 nm波段是水、氮、盐共同的特征波段,南疆盐碱土水、氮、盐量的最优反演方法为:采用Savitzky-Golay方法进行平滑处理,运用主成分分析降维后通过偏最小二乘回归建立反演模型。

一种智能有机蔬菜生长柜的控制系统设计

饮食安全成为生活健康刻不容缓的难题,能否有一种设备实现将蔬菜种进千家万户,打造每个家庭的绿色农场。本文设计了一种智能有机蔬菜生长柜的控制系统。该系统主要由Android手机平台操作界面和控制系统两部分组成,两者之间通过蓝牙模块进行通信。控制系统以STC90C58AD单片机为核心部件,对各种采集到的参数进行处理,与设定的环境参数进行对比,使其达到环境最佳。结果表明,该系统工作稳定、精度高、操作方便,可以实现在有机蔬菜生长过程的全托管。

声控自平衡小车的设计与研究

本文研究了声控自平衡车原理,基于STM32F103C8T6平台实现并优化了小车的自平衡功能,增加语音控制及远程控制设计。通过语音控制的模式,可以实现在通讯条件极差或不稳定的场所近距离声控自平衡车进行动态工作的功能,具有低功耗、高效率、灵活性高等特点,可以代替人类进行一些危险性质的操作项目,在工业化生产及研究领域具有一定的研究价值。

基于Logistic模型的南疆无膜滴灌棉花产量模型构建与评价

为了阐明灌溉对无膜滴灌棉花生长动态和产量形成的影响,在2019-2020年大田试验基础上,采用Logistic模型定量分析不同灌溉处理对无膜滴灌棉花茎粗、株高和叶面积指数动态发育的影响,建立棉花生长模型,分析棉花生长动态变化过程与产量及其构成因素的回归关系,构建棉花产量模型。结果表明,无膜滴灌棉花茎粗、株高及叶面积指数实测值与模拟值标准化的均方根误差(nRMSE)均小于20%,协同指数(d)与决定系数(R2)均大于0.91,Logistic模型可用于精确描述不同灌溉处理下无膜滴灌棉花茎粗、株高及叶面积指数的动态过程;无膜滴灌棉花产量与最大茎粗、最大株高、最大叶面积指数和耗水的相关性均呈现极显著水平;棉花产量模型预测值和实测值的nRMSE、d与R2分别为5.11%、0.88和0.62,产量模型具有较高的预测精度。

水杨酸对盐胁迫下棉苗生长及生理的调控作用

为探究水杨酸(salicylic acid,SA)对盐胁迫下棉花幼苗生长及生理的调控作用,设置3(低盐,T_(1))、6g/L(高盐,T_(2))2个盐分浓度和0.00(S_(0))、0.01(低浓度,S_(1))、0.05(中浓度,S_(2))、0.10mmol/L(高浓度,S3)4个SA浓度,无SA无盐为对照(CK),基于主成分综合评价法研究SA对盐胁迫下棉花幼苗根系干物质量、根系形态、抗氧化酶及渗透调节物质的影响。主成分分析表明,棉花幼苗根表面积、地下部干物质、根体积和过氧化氢酶(CAT)活性对盐分胁迫及SA的调控响应度最高,盐浓度相同时,随SA浓度的增加呈先增加后减小的趋势,T_(1)S_(2)处理以上4个指标较T_(1)S_(0)分别增加66%、75%、119%和26%;T_(2)S_(2)处理较T_(2)S_(0)分别增加47%、61%、49%和12%。随着盐浓度的增加,根表面积、地下部干物质、根体积呈显著降低趋势,T_(2)S_(0)处理较T_(1)S_(0)分别降低33%、25%和22%,而CAT活性随着盐浓度的增加呈显著增加趋势,T_(2)S_(0)处理较T_(1)S_(0)处理增加32%。综合评价表明,中浓度(0.05mmol/L)SA缓解了低盐胁迫对棉花幼苗的损害,随盐浓度的提高,SA的缓解作用减弱,本研究可为棉花耐盐抗逆种植提供较为适宜的外源施用策略。