基于频谱图的土壤有机碳含量高光谱反演

土壤有机碳含量关乎地力强弱、生态均衡及农业的永续经营,是精细农业实践中不可或缺的指标。高光谱定量分析技术以其高效性和成本优势成为评估该指标的首选方法。但当前研究多基于少量单一样本,且在光谱数据处理和建模关键技术等方面,仍需突破以提高有机碳检测的准确度。为此,本研究以欧盟统计局提供的LUCAS多种类型土壤光谱数据集作为分析对象,设计了一种基于频谱图的土壤有机碳(SOC)含量高光谱反演方法。将土壤高光谱数据进行预处理,去除光谱中的噪音和冗余信息;运用小波包变换(WPT)、短时傅里叶变换(STFT)将一维光谱数据分别转换成大小为33×34和128×36的二维频谱图,提高光谱特征信息维度,以更好适应卷积神经网络(CNN)学习结构,同时二维形式呈现了吸收率随波长变化的频率分布,可以更精确地显示不同频率或波长上的吸收率差异;将频谱图输入构建的CNN模型进行回归预测,估测SOC含量。对比偏最小二乘回归(PLSR)和一维卷积模型(1D-RDC)与STFT-CNN、WPT-CNN估测模型。结果表明,经小波包变换和短时傅里叶变换后得到的频谱图能够很好体现光谱中的特征信息,配合CNN模型的特征提取和学习能力能够有效地估测大规模土壤高光谱中SOC含量,WPT-CNN模型估测效果最优(决定系数R 2,0.84;均方根误差RMSE,11.2),STFT-CNN模型的回归预测效果次之(R 2,0.77;RMSE,13.29)。因此,基于频谱图的土壤有机碳含量高光谱反演方法对大型土壤高光谱数据集中的土壤有机碳含量估测有较好的效果,可为构建智能化的土壤属性预测技术提供参考。

基于高光谱成像技术识别番茄干旱胁迫

番茄果实营养丰富备受人们喜爱。番茄生长周期长,需水量大,水分含量是影响番茄植株生长发育的主要因素;快速发现番茄植株水分亏缺状态,对于科学有效地进行番茄的灌溉管理,保障和提高番茄的产量和品质具有重要意义。利用高光谱成像技术,实时识别番茄叶片干旱胁迫程度,提出了一种基于高光谱成像技术的番茄叶片干旱胁迫的识别方法。首先,选取红樱桃番茄为实验品种,在室内培养12盆番茄幼苗。在保证其他管理措施相同的基础上,通过控制施水量来控制番茄的胁迫状态,干旱胁迫程度设计3个处理(适宜水分、中度和重度胁迫)。分批次采集不同干旱程度番茄幼苗嫩叶在400~1000 nm范围的高光谱图像,并提取了每个样本的光谱和纹理特征。使用标准化(Norm)、多元散射校正(MSC)、一阶导数(1st)和标准正态变量变换(SNV)四种预处理方法对光谱数据进行预处理去除光谱中的噪声。使用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)以及竞争性自适应重加权算法结合连续投影算法(CARS-SPA)选取光谱重要特征波段,用灰度梯度共生矩阵(GLGCM)提取番茄叶片的纹理特征,用SPA选择纹理特征的重要变量。融合重要光谱特征与重要纹理特征结合支持向量机(SVM)构建识别番茄干旱胁迫模型,同时选用自适应增强算法(AdaBoost)与K-近邻(KNN)与SVM模型对比。结果表明,融合重要光谱特征与重要纹理特征后,基于CARS-SPA波长选择的SNV-SVM模型具有最好的分类效果,训练集的分类准确度(ACC_(T))为94.5%,预测集的分类准确度(ACC_(P))为95%,AdaBoost模型分类效果次之ACC_(T)为86.5%,ACC_(P)为87%,KNN模型分类效果最差ACC_(T)为81.5%,ACC_(P)为79%。因此,该方法对番茄叶片干旱胁迫程度实时识别有较好的效果,可为构建智能化的干旱胁迫分析技术提供参考。

黄土高原沟壑区果园还耕对土壤水分的影响

在黄土高原沟壑区王东沟小流域,在塬面、梁地和坡地三种地貌类型上,分别选取了盛果期果园、老果园和退耕还田等3种土地利用与管理方式,测定土壤0-400 cm（塬面0-600 cm）水分含量分布,研究果园的利用管理方式变化对土壤剖面中水分含量变化的影响。结果表明,梁地和坡地上,盛果期果园、老果园土壤水分含量均接近作物凋萎湿度（10%）;塬面上,盛果期果园、老果园土壤水分含量为15%。退果4年的耕地、坡地0-400 cm土层土壤储水量显著增加,梁地和塬面虽有增加但与老果园相比,剖面储水量并没有达到显著水平;退果4年耕地、坡地和梁地剖面中的60-140 cm和220-400 cm含水量提高最显著,塬面上220-600 cm土层中水分提高显著。

不同施肥处理对黑垆土各粒级团聚体中有机碳含量分布的影响

依托中国科学院黄土高原长武农业生态试验站中的长期定位试验(始于1984年),利用湿筛法获得不同粒径的团聚体,研究了长期施肥对不同粒级水稳性团聚体中有机碳分布的影响。试验涉及化肥和轮作培肥两个长期试验的9个处理。化肥试验:同一施磷基础上的5个施氮水平(N0、N45、N90、N135、N180);轮作培肥试验:不施肥(CK)、化肥(NP)、有机肥(M)、化肥有机肥配施(NPM)。结果表明:长期施肥显著影响土壤水稳性团聚体含量(p<0.05),提高了>2mm粒级水稳性团聚体含量,降低了<0.25mm水稳性团聚体含量。施氮(N45、N90、N135、N180)处理主要提高了>5mm、0.5～0.25mm水稳性团聚体中有机碳的含量,与N0相比,提高量为44.3%～73.3%;有机肥(M、NPM)处理对各粒级团聚体中有机碳的含量均有提高,与CK相比,提高量为40.7%～92.2%,其中>5mm团聚体中有机碳含量分别提高了66.7%和92.2%。低氮(N0、N45、N90)处理、不施肥(CK)处理的1～0.5mm团聚体中的有机碳对土壤有机碳的贡献率最大,占13.7%～23.7%;高氮(N135、N180)处理和氮磷配施(NP)处理、有机肥(M、NPM)处理的>5mm团聚体中的有机碳对土壤有机碳的贡献率最大,占17.3%～24.9%。土壤有机碳与>5mm、5～2mm团聚体含量呈显著正相关关系,与<0.25mm团聚体含量呈极显著负相关。

黄土旱塬区冬小麦不同施肥处理的土壤呼吸及土壤碳动态

依据黄土旱塬区黑垆土上中国科学院长武站长期定位试验(始于1984年),于2008年3月到6月,测定了冬小麦连作系统中返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期和收获期土壤呼吸日变化、生育期变化以及土壤可溶性有机碳(Dissolved organic C,DOC)和微生物量碳(Soil microbial biomass C,MBC),研究了施肥措施对土壤呼吸、DOC和MBC的影响以及土壤呼吸与碳组分之间的关系。研究涉及6个处理:休闲地(F)、不施肥(CK)、有机肥(M)、氮肥(N)、氮磷肥(NP)和氮磷有机肥(NPM)。结果表明,冬小麦连作系统中土壤呼吸的日变化格局呈单峰曲线,最高值出现在12:00左右(拔节期)和14:30左右(成熟期),最小值出现在0:00～3:00之间或6:00左右;冬小麦土壤呼吸速率拔节期最高,其次是灌浆后期,抽穗期最低;不同施肥条件下,各生育期土壤呼吸速率大小顺序:NPM>M>NP>N>CK>F。土壤水分亏缺是导致抽穗期和灌浆期土壤呼吸速率降低的重要原因。各施肥处理DOC含量高低顺序为灌浆期>抽穗期>成熟期>返青期>拔节期;除M,NPM处理MBC含量拔节期>灌浆期外,各施肥处理MBC含量高低顺序为成熟期>抽穗期>灌浆期>拔节期>返青期。同一处理不同生育期土壤呼吸速率与DOC,MBC的相关性较低,但同生育期不同施肥处理土壤呼吸与土壤有机碳组分间存在显著的相关性。以F处理土壤呼吸为基础,估算CK、N和NP处理生育期根系对土壤呼吸的平均贡献率依次为36%、45%和54%。

施肥措施对黄土旱塬区小麦产量和土壤有机碳积累的影响

利用中国科学院长武农田生态试验站的长期田间试验（1984年-2007年）,研究了小麦产量,耕层有机碳变化,评价了土壤管理和气候因素对土壤有机碳（Soil organic C,SOC）变化的影响。研究涉及6个处理：休闲地（F）;不施肥（CK）;有机肥（M）;氮肥（N）;氮、磷肥（NP）和氮、磷、有机肥（NPM）处理。结果表明,施肥可以显著提高作物产量和SOC积累,CK、M、N、NP、NPM处理平均产量依次为1.5、2.6、2.0、3.3、4.0 t/hm^2,2007年F、CK、M、N、NP、NPM处理0—20 cm土层SOC积累量依次为-1.09、0.76、8.59、1.02、3.42和9.5 t/hm^2。作物产量与SOC含量呈显著的正相关关系（r=0.80）,有机碳输入量与SOC含量相关性更好（r=0.97）,外源有机碳的输入也是提高SOC的重要措施。施肥措施对作物固碳和SOC影响存在显著（P〈0.05）差异。土壤固碳速率（Y）与SOC输入量（X）符合线性方程Y=0.231X-0.0813（r=0.98）。施肥可以提高黄土高原半干旱地区土壤生产力和SOC的积累,且无机肥和有机肥配施效果最佳。

不同施肥土壤水分特征曲线空间变异

为了探讨长期施肥土壤水分特征曲线空间变异性及其影响因素,依托中国科学院黄土高原长武农业生态实验站中的长期定位实验,采用高速离心机法测定长期施肥条件下不同吸力的土壤含水率,并利用Van Gennuchten数学模型对水分特征曲线进行拟合,对比研究了不同施肥土壤水分特征曲线、持水性、供水性及土壤水分的有效性。结果表明:由于长期不同施肥使其土壤结构发生差异,导致土壤水分特征曲线存在明显的差异。化肥处理(N、NP)破坏了土壤结构,降低了土壤持水性能;有机肥(M、NPM)的施入增加了土壤有机质的含量,改善了土壤结构,提高了土壤持水性能。有机肥处理(M、NPM)土壤水分的有效性明显高于其他处理,N、NP、CK处理之间无明显差异。土壤供水能力由强到弱为N、CK、NP、NPM、M。

黄土旱塬裸地土壤呼吸特征及其影响因子

于中国科学院长武生态试验站(始于1984年),采用动态密闭气室法(Li-8100,USA)于2008年3月至2009年3月监测了裸地土壤呼吸日变化、季节变化以及0—60cm土层的温度和含水量,研究了裸地土壤呼吸的日变化、季节变化特征及其与土壤温度和含水量之间的关系。结果表明:裸地土壤呼吸四季的日变化和季节变化均呈单峰型曲线,与气温变化趋势一致;日变化峰值出现在14:00左右或16:00左右,最低值出现在0:00左右或者6:00左右;季节变化表现为夏季最高,冬季最低,春秋季无明显差异,年平均呼吸速率为0.94"molCO.2m-.2s-1。土壤呼吸与温度具有极显著(P<0.01)的正相关关系,且可以用Rs=aebx形式的指数函数很好地拟合,其中与5cm深度的土壤温度相关性最好。水分对土壤呼吸的影响复杂。裸地土壤呼吸的双变量模型关系显著(P<0.01),比相应的单变量模型更好地解释了土壤呼吸变异。

渭北泥炭资源在栽培基质中的应用研究

针对人工栽培基质中基质配比问题,采用生物试验的方法,对陕西彬县的泥炭、陕西铜川的油页岩、陕西关中土粘化层土壤,进行不同比例的配合后,再对配合基质设制不同处理,进行作物的室内栽培试验,通过生物量、生物性状（根冠比）、及产量分析来判断基质配比的优劣。研究结果表明：随着泥炭比例的增加,小青菜的产量增加,泥炭量达到一定值后,随着泥炭量的增加,小青菜的产量反而降低;泥炭与〈1 mm粘土配合（PS）处理中,PS3处理（泥炭∶粘土为3∶1）小青菜地上部分产量最大;在泥炭与7~10 mm粘土配合（PB）处理中,PB2处理（泥炭∶粘土为2∶1）小青菜地上部分产量最大;对小青菜根系生物量来说,在泥炭和粘土比例较小时,小颗粒粘土处理的根量明显高于大颗粒粘土处理,在泥炭和粘土的比例较大时,大颗粒处理高于小颗粒处理。对油页岩处理而言,在泥炭量较少的配合基质中加入8%的油页岩能起到良好的增产作用;而在泥炭含量较多时,对小青菜产量的影响是负面的;石灰处理对小青菜地上部分产量影响都是负面的,但是对小青菜根系生物量的影响基本是正面的。高温处理对小青菜地上部分产量的影响基本上都是负面的,对小青菜根系的生长也基本是起负作用的。根冠比达到某一适宜值,即作物的根与地上部分的比例适中时,才有益于作物地上部分的生长。试验中小青菜的根冠比为0.04或0.07~0.08时,小青菜的经济产量最大。

泥炭配合基质水分特征曲线的特性研究

泥炭和粘土不同比例配合土按同一容重装填到环刀中,采用高速离心机法和大气平衡法测定配合土的不同吸力下土壤的含水量,并利用Van Gennuchten数学模型对水分特征曲线进行拟合,进而来分析泥炭与粘土配合土的持水能力。研究结果表明：①泥炭和粘土（＆lt;1 mm）比例为3∶1时的持水能力较强,优于其它配比。②泥炭和粘土（3~5 mm）比例为3∶1和4∶1时的持水性较好。

基于物联网的层叠式鸡舍环境智能监控系统(英文)

由于层叠式鸡舍的饲养密度大,因此对养殖环境要求高,目前,对层叠式鸡舍环境监测多采用功能单一的检测仪器,操作复杂,且监测的位置点较少,很难反映层叠式鸡舍环境的整体情况,该文研制了一种基于物联网技术的蛋鸡养殖环境智能监控系统,针对层叠式鸡舍复杂结构,设计了一种监测布点的拓扑结构,可以实现对层叠式鸡舍环境参数的实时在线监测,可以对采集数据进行本地存储记录和远程发送,用户可以通过网页或智能手机APP进行鸡舍环境数据实时查询。试验发现鸡舍内温度、CO2、硫化氢和氨气浓度分布符合畜禽场环境质量标准,而光照强度、风速、湿度和PM10局部分布不合理,并给出了相应的优化措施。实践表明,该系统运行稳定、测量数据精确,适合对鸡舍环境进行精准监测,在规模化畜禽精准养殖方面具有广泛的应用前景。

基于各向异性的区域土壤有机碳三维模拟与空间特征分析

为探索更加科学的土壤属性三维空间模拟方法,以各项同性三维普通克里格法为对比方法,采用均方根误差(root mean squared errors,RMSE)和标准化克里格方差(mean squared deviation ratio,MSDR)以及空间模拟方差图等,评价比较了各项同性和顾及各项异性的三维模拟方法的模拟效果。结果显示:三种方法模拟的土壤有机碳三维空间分布格局基本一致。随着土壤深度的不断增加,土壤有机碳含量较高的斑块逐渐减少,垂直方向上总体呈现出土体上部高下部低的格局。顾及各向异性能在一定程度上克服普通克里格法常出现的牛眼和趋中效应等缺陷问题。顾及各向异性基于Markov的同位置协同格里格法模拟效果最佳。该法的RMSE值最小(1.6215),相比于各项同性三维普通克里格法RMSE提高将近50%,特异值覆盖比率最大(76.15%),模拟精度最高,能够更好地突出波动性,体现特异值;该方法的MSDR最接近1(1.4409),且模拟的土壤有机碳质量分数总体方差均值最小(2.08)。研究成果将为区域土壤属性三维空间有效模拟提供方法参考。

陕西省泥炭油页岩草炭三种有机矿藏资源基本性状及农业利用的可行性分析

对陕西蕴藏的泥炭、油页岩和草炭3种主要有机矿藏所含的有机物质、矿质养分、水溶性盐分含量和重金属组成进行了系统测定分析,结果表明:在农业应用中,3种有机矿藏资源的最大优势是有机质含量高;限制性因素是沥青含量高、水溶性盐分含量高(尤其是硫酸盐含量高)、重金属砷含量高。在农业利用中可以作为混合基质的配料使用,不宜直接作为栽培基质。

黄土地区影响土壤膨胀性的因子分析

为了探讨影响黄土地区土壤结构稳定性的机理,对黄土高原几种典型土壤类型的膨胀率进行了测定,系统分析了颗粒组成、碳酸钙含量以及有机质含量对土壤膨胀性的影响。结果表明,颗粒组成是影响土壤膨胀率的主要因子,土壤膨胀率与粉砂粒及粘粒含量呈显著正相关关系,并且粘粒对土壤膨胀性具有双重作用;土壤膨胀性与碳酸钙含量呈显著负相关关系,经脱钙处理后土壤膨胀率增加,增幅在14.47%-36.92%;土壤膨胀性与有机质含量相关性不明显,但去除有机质后土壤膨胀率明显增加,增幅在12.24%-62.99%,说明有机质对土壤膨胀性实际上也有着极为明显的抑制作用。

施氮水平对黄土旱塬区小麦产量和土壤有机碳、氮的影响

施用氮肥是提高作物产量和土壤有机碳（SOC）、氮（TSN）含量的重要养分管理措施。利用长期田间试验（1984～2007）,定量评价了常规耕作条件下5个施氮水平N 0（N0）、45（N45）、90（N90）、135（N135）和180（N180）kg/hm2处理下,小麦子粒产量、SOC、TSN和氮肥利用效率的变化。研究了施氮水平对黄土旱塬区小麦产量、SOC和TSN积累的影响。结果表明,1984～2007年期间,N0、N45、N90、N135和N180处理小麦产量的平均值依次为1.2、2.4、2.9、3.2和3.4t/hm2;N0处理的小麦产量随试验年限而降低,年降低幅度达67 kg/hm2（P〈0.001）;但增施氮肥处理小麦产量降低趋势得到显著控制,当施氮水平提高到N 90 kg/hm2时,产量随年限呈现出缓慢升高的趋势。随着施氮水平的提高,地上部氮肥利用率由40%（N45）降低到28%（N180）。不同施氮水平条件下,SOC含量随年限呈缓慢升高趋势。23年后（2007年）,N0、N45、N90、N135和N180处理下,0—20 cm土层SOC储量依次为16.9、18.2、18.7、19.0和19.1 t/hm2;TSN储量依次为2.032、.16、2.24、2.34和2.37 t/hm2。施氮水平与产量呈显著的抛物线关系（R2=0.993）。产量与SOC存在着极显著的线性相关关系（R2=0.997）。增施N 1 kg/hm2,小麦产量可提高29 kg/hm2,SOC提高1.2 kg/hm2,TSN提高0.13 kg/hm2。根茬还田量的增加是导致黄土旱塬区SOC和TSN提高的主要因素。

基于改进中值滤波的梨树病害彩色图像分割

针对梨树叶部病害彩色图像分割准确率不高的问题,提出一种基于改进中值滤波与BP神经网络结合的图像分割方法。将彩色图像分解成R、G、B三个单通道灰度图像,分别应用改进后的中值滤波进行处理,处理完成后进行通道融合,得到滤波后的彩色图像;然后,使用标准图像的BP神经网络模型对滤波后的彩色图像像素点进行分类,重构分类结果得到病斑图像。实验结果表明,该方法可以较为准确地对梨树叶部病害彩色图像进行分割,平均分割准确率为89.07%。

痕量铜离子光化学传感器的设计与研制

针对量子点荧光猝灭法检测Cu2+大多通过实验室化学分析或大型仪器检测而难以满足现场检测需求的问题,设计了一种可用于现场检测的痕量Cu2+光化学传感器,主要包括光学感知模块与信号处理模块,光学感知模块完成激光光源的输出与荧光的激发,信号处理模块完成微弱荧光信号的光电转换、信号放大、数据处理与显示。利用自行研制的光电采集、转换与信号处理系统完成痕量Cu2+的快速检测,实现了检测仪器的小型化与低成本。实验结果表明,在Cu2+浓度30～1 000nmol.L-1范围内传感器检测结果具有较好的线性关系,拟合后的直线方程为y=0.109 77x+11.872 32,线性度为0.994 82,标准方差3.994 24,检测下限达到30nmol.L-1,传感器响应时间为40s,实验测定了其他共存离子对Cu2+检测结果的干扰,实验结果表明该传感器可以满足痕量Cu2+现场检测的需求。

基于Android平台的园艺温室监管系统的设计与实现

为了解决个人计算机不能实时、实地对园艺大棚进行监管的限制,通过对Android系统的分析,该文提出了基于Android系统的园艺大棚监管系统。使用Android智能手机,利用无线网络资源与远程服务器进行交互,使园艺大棚的管理人员可以远程实时、实地观察园艺大棚内的环境信息,并通过对相关设备的控制调控,使花卉处于最佳生长环境。

基于协同进化遗传算法的模型拟合研究

普通遗传进化算法在解决模型拟合问题中,建模与优化顺序结构时优化效果有限、拟合速度慢、稳定性低。针对上述问题,提出基于协同进化遗传算法的模型拟合算法。该算法将建模与优化问题抽象成多种群间协同进化,通过种群间整体的适应度值交换,将种群关联起来,扩大智能算法建模过程中参数优化的时空作用范围。各种群间含有不同基因表达,在解决局部问题时具有自包含性,有利于更好地发挥各智能算法(遗传算法、遗传规划)的优势。实验结果表明,该算法的稳定性和收敛速度优于传统遗传进化算法。

基于TDLAS技术的N_2O气体检测系统设计

基于红外光谱吸收及谐波检测原理,讨论了谐波信号和气体浓度关系,搭建了基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测系统。该系统采用低频锯齿波和高频正弦波联合调制激光器,并由锁相放大电路提取一次谐波和二次谐波信号幅值,以STM32F103VB控制器为核心,进行数据处理与数据上传,实现对0~0.1%浓度范围氧化亚氮(N_2O)气体实时测量。首先,介绍了系统的总体设计与核心结构,包括系统的硬件结构与软件结构;并进行了系统的标定和性能测试,结果表明二次谐波和一次谐波信号幅值比与浓度具有良好的线性关系,检测精度可达20×10^(-6),满足对N_2O气体实时监测的需求。