农业工程类学科建设新思路探索

农业工程是一门实践性很强的交叉应用学科,是联系农业与工业的纽带,也是高等农业教育的重要组成部分。随着新农科、新工科的提出,农业工程教育也将迎来机遇和挑战。目前,我国农业工程学科发展仍不够全面且存在诸多问题,形成窄深型的专业体系,主要表现为高校尚未形成成熟的课程建设和系统化的教学体系;不同学科之间的融合度低;课程设置过于偏重工程科学,导致工程与农业脱离;课程设置过窄,学时普遍偏高;农业工程学科的教师队伍老化等。针对我国农业工程教育存在的这些问题,以黄河科技学院的农业工程类学科专业建设为例,从融入思政教育、建立新的农业工程人才培养模式、优化课程设置、创建教师团队、改革教学方法等方面探讨在新农科背景下发展与建设我国农业工程学科的新思路和新方法。

基于分子标记技术玉米抗粗缩病种质资源的筛选与应用

【目的】利用与3个玉米抗粗缩病位点qMrdd2、Rmrdd6和qMrdd8紧密连锁的分子标记筛选高抗玉米粗缩病自交系,并进行杂种优势类群分类和配合力分析,为玉米抗粗缩病品种的快速高效选育提供依据和方法。【方法】将抗病自交系K36与感病自交系S221杂交,从F2开始,采用单粒传的方法构建一个包括263个F9家系的重组自交系(recombinant inbred lines,RILs)群体;在不同种植环境下,对RILs进行抗病性鉴定,同时,采用与3个抗病位点qMrdd2、Rmrdd6和qMrdd8紧密连锁的分子标记5FR、6W53和IDP25K进行基因型分型,筛选出抗病且农艺性状优良家系;利用Maize56K SNP芯片对包括优良家系在内的24份玉米自交系进行基因型分型,根据Roger’s算法计算优良家系与其他骨干自交系之间的遗传距离,并在构建聚类图的基础上进行杂种优势类群划分;同时利用优良家系与不同类群的自交系测交配制杂交组合,在田间进行配合力测定和抗病性鉴定,筛选出抗病且杂种优势强的组合。【结果】自交系K36在qMrdd2、Rmrdd6和qMrdd8等3个抗性位点处均为抗病性纯合基因型,自交系S221均为感病性纯合基因型。RILs群体的263个家系在粗缩病抗性遗传组成上分为21种基因型,3个位点均为抗性纯合基因型家系的病情指数(DSI)最小(0.281),均为感病性纯合基因型家系的DSI最大(0.776),这与抗、感性亲本的DSI表现一致(0.257和0.623);2个位点为感病性纯合基因型时,1个位点为抗病性纯合基因型的DSI由小到大的位点是Rmrdd6(0.396)、qMrdd8(0.478)和qMrdd2(0.654),结果表明,Rmrdd6抗病性最强,qMrdd8次之,qMrdd2最弱。筛选出的3个抗性位点纯合基因型家系JR2136与其他23份自交系的遗传距离变化范围为0.2234—0.2895,平均值为0.2612,与之遗传距离最小的自交系是C413,最大的是Chang7-2。根据聚类分析结果,将JR2136划分在瑞德群,与属于黄改群的自交系H92和H521配制出抗病强的优势组合,分别比郑单958增产7.01%和7.80%,表明JR2136与属于黄改群的自交系之间具有良好的配合力。【结论】玉米自交系K36对粗缩病的抗性由qMrdd2、Rmrdd6和qMrdd8等3个基因控制、呈数量遗传特征且具有基因累加效应,具有3个抗性纯合基因型的玉米品种抗病性最强。开发的与3个位点紧密连锁的分子标记在抗病品种选育和抗性种质资源筛选上具有实用价值,利用分子标记进行辅助选择和基因聚合的方法选育抗病性强的优势组合应用于生产切实可行。

CdS/TiO_(2)双晶薄膜光催化解聚玉米秸秆的实验研究

秸秆光催化解聚技术可以降低秸秆的利用难度,扩大秸秆可利用的范围。文章采用水热法制备了CdS/TiO_(2)双晶薄膜光催化剂,对催化剂的表面形貌和晶体结构进行了表征分析;设计了以原料浓度、反应时间和搅拌强度为自变量的玉米秸秆光催化解聚单因素实验,并建立了CdS/TiO_(2)双晶薄膜光催化玉米秸秆解聚还原糖过程的响应面模型。基于所建模型的分析表明,还原糖产量的影响顺序为“原料浓度>搅拌强度>辐照时间”,且三者存在交互作用,搅拌强度与辐照时间的交互影响因素最强。优化结果为原料浓度972 mg/L、辐照时间2 h、搅拌强度71.4 r/min,预计总还原糖产量为326.08 mg/L。实验验证结果表明,总还原糖产量为314.6 mg/L,解聚还原糖产量为189.6 mg/L,显示出模型预测与实验结果的吻合度较高。

负载二氧化钛陶瓷材料对玉米秸秆光合生物制氢的影响

【目的】探究陶瓷材料作为二氧化钛(TiO_(2))载体在玉米秸秆光合生物制氢中的作用。【方法】将3种陶瓷材料(氧化铝、氧化锆和碳化硅)负载TiO_(2),以累计产氢量、pH值和还原糖质量浓度为考察指标,考察负载TiO_(2)陶瓷材料对玉米秸秆光合生物制氢的影响及重复使用效果。【结果】添加负载TiO_(2)陶瓷材料可以提高玉米秸秆光合生物制氢累计产氢量,其中负载TiO_(2)氧化铝陶瓷材料效果最好,累计产氢量相较空白对照组提高了25.7%,最大产氢速率为12.08 mL·h^(-1);添加负载TiO_(2)陶瓷材料对光合生物制氢pH值和还原糖质量浓度的影响较小,仅在12~48 h内导致还原糖质量浓度明显降低。在重复使用试验中,负载TiO_(2)氧化锆陶瓷材料在第二次和第三次使用中效果更好,累计产氢量相较空白对照组提高了24.7%和28.0%,可以有效提高TiO_(2)的重复利用率。利用扫描电子显微镜观察使用后的陶瓷材料,发现TiO_(2)的负载有利于光合细菌的固定。【结论】添加负载TiO_(2)陶瓷材料可以有效提高TiO_(2)在玉米秸秆光合生物制氢工艺中的催化效果和重复利用率。

基于多光谱影像特征的小麦锈病反演模型构建

【目的】研究如何从无人机多光谱遥感影像中提取有效的特征,并以此构建小麦锈病反演模型。【方法】以小麦锈病田块为研究对象,利用大疆精灵4无人机获取多光谱影像,分别提取植被指数和纹理指数,使用皮尔逊相关系数、灰色关联度和变量投影重要性等方法进行指数排序,利用判定系数、赤池信息准则进行变量筛选,分别使用偏最小二乘回归、后向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)、随机森林(random forest,RF)3种方法建立小麦锈病反演回归模型。【结果】利用变量投影重要性-赤池信息准则方法能够筛选出较好的光谱指数,使用BP方法构建的回归模型精度最高,其判定系数R 2为0.918,RMSE是0.128。【结论】利用3种特征筛选方法,在构建的光谱指数、纹理特征集中筛选敏感特征,并建立小麦锈病反演模型,实现了小麦锈病灾害空间分布制图,为多光谱影像特征变量筛选提供了方法参考。

纳米Fe_(3)O_(4)对沼液MFC产电特性与有机物降解的影响

为了提高微生物燃料电池(MFC)对沼液中有机质的降解和产电效率,将纳米Fe_(3)O_(4)与MFC结合,考察了纳米Fe_(3)O_(4)以Fe_(3)O_(4)@生物炭和Fe_(3)O_(4)@碳毡两种不同介入方式对MFC性能的影响。结果表明,两种方式均可成功启动MFC,且产电效率远高于无纳米Fe_(3)O_(4)介入的空白实验,最高电压分别为699和707 mV,最高电压持续时间均可长达10 d。Fe_(3)O_(4)@碳毡与Fe_(3)O_(4)@生物炭介入下,MFC最大功率密度分别为700和578 mW/m^(2),比未使用纳米Fe_(3)O_(4)的MFC提高了43%和31%。将Fe_(3)O_(4)@碳毡作为阳极电极得到的化学需氧量(COD)降解率最高,为51.76%;直接投加Fe_(3)O_(4)@生物炭对NH_(4)^(+)-N的降解影响最大,投加Fe_(3)O_(4)@生物炭后NH_(4)^(+)-N含量由(6800.14±57.86)mg/L降至(689.14±37.29)mg/L,NH_(4)^(+)-N降解率达到89.87%。纳米Fe_(3)O_(4)参与的MFC微生物群落结构合理,两种介入方式均刺激了主要水解细菌梭菌纲(Clostridia)的生长富集。随着纳米Fe_(3)O_(4)的位置变化,Clostridia的相对丰度在以Fe_(3)O_(4)@生物炭和Fe_(3)O_(4)@碳毡介入的MFC中分别达到61.11%、50.98%。二者的电活化细菌中β-变形菌纲(Betaproteobacteria)含量最高,并且在反应后碳毡上发现了反硝化细菌芽孢八叠球菌属(Sporosarcina)。

光催化纳米颗粒对光合细菌HAU-M1产氢的影响

【目的】探究光催化纳米颗粒对玉米秸秆光合生物制氢工艺的影响机制,提高光合生物制氢产氢效率并增加氢气产量。【方法】分别将二氧化钛纳米颗粒(titanium dioxide nanoparticles,TiO_(2) NPs)和氧化锌纳米颗粒(zinc oxide nanoparticles,ZnO NPs)作为光催化剂添加在光合细菌HAU-M1的产氢体系中,以累计氢气产量、氢气含量及pH值为试验指标,研究光催化纳米颗粒对光合细菌HAU-M1产氢工艺的影响规律。【结果】TiO_(2) NPs在质量浓度为500 mg·L^(-1)时,可获得最大的累计氢气产量为673 mL,比对照组增长7.4%。可缩短产氢周期24 h,在120 h就可结束产氢。ZnO NPs质量浓度为100、200、300、400、500 mg·L^(-1)时累计氢气产量分别514、533、480、407、368 mL,与对照组(0 mg·L^(-1))累计氢气产量563 mL相比降低了8.7%、5.3%、14.7%、27.7%、34.6%。同时,ZnO NPs质量浓度为100、200、300、400、500 mg·L^(-1)时氢气含量分别为52.3%、50.5%、48.8%、51.0%、42.3%,除质量浓度为500 mg·L^(-1)外,与对照组(0 mg·L^(-1))氢气含量48.7%相比有所提升。TiO_(2) NPs对光合细菌产氢工艺参数pH值影响微弱,ZnO NPs可显著提高光合细菌产氢工艺参数的pH值。【结论】TiO_(2) NPs可以提高光合细菌产氢效率,增加氢气产量,而ZnO NPs对光合细菌产氢过程具有一定的抑制作用。

一类带有梯度项的Caputo型时间分数阶扩散方程解的局部存在性和全局存在性

通过建立解算子的估计,本文研究一类带有梯度项的Caputo型时间分数阶扩散方程适度解的局部存在性,并证明一类带有梯度项的Caputo型时间分数阶扩散方程的极值原理,进而得到该问题小初值假设下适度解的全局存在性.

原生/酸洗活性炭负载Fe-Ni催化剂对松木气化制备合成气的影响

活性炭(AC)经HCl溶液处理得到酸洗活性炭(AWAC),利用超声浸渍法将Fe-Ni活性组分负载于AC与AWAC上,研究催化剂AWAC,AC,Fe-Ni/AWAC和Fe-Ni/AC对松木气化制备合成气的影响,并采用EDS-SEM,BET,XRD,FTIR和XPS等表征方法研究催化剂的性质与变化。研究结果表明:超声浸渍法可将FeNi合金成功负载于炭载体上,气化反应过程中催化剂催化活性的排序为Fe-Ni/AC>Fe-Ni/AWAC>AC>AWAC;当Fe-Ni/AC为催化剂时,H_(2)体积分数为46.46%,合成气的H_(2)/CO为1.97,气体总产量可达6.38 L;Fe-Ni/AC中固有的AAEMs元素不仅对Fe-Ni组分的催化活性具有促进作用,还有助于抑制活性组分的烧结和团聚;炭载体上的含氧官能团对松木挥发分具有重整作用,其中C-O基团为主要的反应活性位点之一。

秸秆类生物质厌氧发酵补氢强化技术研究进展

针对秸秆类生物质厌氧发酵过程中适当补充氢气能够有效提高沼气产量和质量的补氢强化新技术,介绍了国内外补氢强化技术的研究现状,分析了外源补充氢气的含量、流量以及反应温度、微量元素等与厌氧发酵产气速率、甲烷含量等因素之间的相关关系及其影响规律,明确了秸秆类生物质厌氧发酵过程中由于外源氢气的补入提高了沼气产量、产气速率和甲烷含量,并指出了补氢强化技术未来的重点研究方向。

生态文明时代农业工程学科内涵探讨

生态文明时代农业工程学科面临新的机遇与挑战。该研究依据生态文明时代的新思想与新要求,提出了生态文明时代农业工程学科新的内涵,探讨了农业工程学科研究对象、理论体系和研究方法等学科要素的演变。生态文明时代农业工程学科的研究对象从农业生物系统向农业生态系统拓展、理论体系融入生态文明理念、研究方法应具备系统工程思维,并对国内外农业工程学科探索实践的事例进行了分析,为社会持续繁荣的农业文化伦理形态提供技术支撑,使农业工程学科成为推进人、自然、社会和谐共生、良性循环、全面发展的科学力量。

玉米杂交种‘冀玉228’选育及新杂优模式讨论

本研究旨在选育高产、稳产、抗倒的玉米品种。利用坚秆耐密美国种质和在黄淮海具有广泛适应性的‘黄瑞’种质作为基础选系材料,采用高密度、大群体、测选相结合的方法,分别选育出具有高产、抗倒特性的自交系‘冀42’和‘冀1877’,并组配出玉米新品种‘冀玉228’。该品种2年区试平均产量为9778.5 kg/hm^(2),比对照增产6.38%;生产试验产量为9114.0 kg/hm^(2),比对照品种增产5.8%;增产点率为83.75%,区试倒伏倒折率之和平均为2.3%,生产试验倒伏倒折率之和平均为2.8%。2019年通过国家审定,适宜黄淮海区夏播种植。研究表明,‘冀玉228’融合了美国种质坚秆抗倒和中国种质适应性广的优点,并且具有丰产性好、耐密等特性。同时也探索出一种新的玉米品种选育杂优模式。

玉米抗玉米蚜种质的鉴定与抗性位点的定位分析

玉米蚜是世界性的玉米害虫,利用玉米自身的抗性是控制玉米蚜虫危害的重要途径。为培育抗蚜新品种,提高玉米的抗性,首先需要鉴定筛选抗性种质,明确其抗性遗传模式,发掘抗性基因。本研究首先对新收集的国内外玉米种质资源进行抗玉米蚜鉴定,然后采用分离群体分组分析与高通量测序技术相结合的方法,对鉴定出的高抗蚜玉米自交系携带的抗性位点进行了定位分析。结果表明,在98份玉米种质资源中有5份表现高抗玉米蚜,其中高抗蚜自交系32t33的抗蚜性受多基因控制,表现数量遗传特征,测序分析在第3、第5染色体上获得了2个与抗蚜性状关联的区域,其大小分别为19.66和6.34 Mb,并在关联区域初步筛选出5个抗蚜候选基因。本研究结果丰富了玉米的抗蚜基因资源,为最终分离出抗性基因、明确抗蚜的遗传机制和培育抗蚜品种奠定了基础。

利用无人机多光谱估算小麦叶面积指数和叶绿素含量

利用无人机遥感的方式进行农作物长势监测是目前精准农业、智慧农业发展的重要方向,为了探究无人机多光谱反演小麦叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)和叶绿素含量的模型估算潜力,该研究在3个飞行高度(30、60、120 m)采集多光谱影像,通过使用全波段差值光谱指数(Difference Spectral Index,DSI)、比值光谱指数(Ratio Spectral Index,RSI)、归一化光谱指数(Normalized Spectral Index,NDSI)和经验植被指数与地面实测数据进行相关性分析,获得不同高度下的光谱指数与LAI和叶绿素含量的关系模型及其决定系数,以决定系数为依据分别构建多元逐步回归、偏最小二乘回归和人工神经网络模型,分析不同飞行高度无人机多光谱反演小麦冠层LAI和叶绿素含量SPAD(Soil and Plant Analyzer Development)值的精度。结果表明:1)30 m高度下,绿-红比值光谱指数与小麦LAI的相关性最高,相关系数为0.84;60 m高度下,红-蓝比值光谱指数与小麦叶绿素含量的相关性最高,相关系数为0.68;2)在60 m高度下,经验植被指数与小麦LAI和叶绿素含量的相关性较好,最大相关系数分别为0.77和0.50;3)利用偏最小二乘回归反演小麦LAI的精度最高,决定系数为0.732,均方根误差为0.055;利用人工神经网络模型反演小麦叶绿素含量的精度最高,决定系数为0.804,均方根误差0.135。该研究成果可为基于无人机平台的高通量作物监测提供理论依据,并为筛选无人机多光谱波段实现作物长势参数快速估测提供应用参考。

氨基酸对光合菌群HAU-M1发酵玉米秸秆产氢能力的影响

为研究氨基酸对光合发酵产氢的影响,以玉米秸秆为产氢底物,以比产氢量为主要指标,分别添加不同浓度的L-半胱氨酸和L-苏氨酸,并对其累积产氢量、pH值、氧化还原电位(ORP)和产氢动力学结果进行分析。结果表明:L-半胱氨酸最佳浓度为0.6 g/L,此时比产氢量为(54.4±0.75)mL/g,比对照组提高45.45%;L-苏氨酸最佳浓度为0.6 g/L,比产氢量为(48.6±0.55)mL/g,比对照组提高31.71%。产氢动力学特性结果表明:适量的L-半胱氨酸和L-苏氨酸均可提高最大产氢潜能和最大产氢速率,但前者可缩短产氢延迟时间,后者会增加产氢延迟时间。

秸秆热解催化重整制备合成气 实验研究及模型预测

利用自制的闭式循环装置对秸秆类生物质进行热解催化重整实验,探究了水蒸气量、热解温度、催化重整温度对合成气组分的影响。在此基础上,通过元素守恒和热力学平衡计算,建立了生物质催化重整模型,并使用一组实验数据对模型进行修正。利用修正后的模型对玉米秸秆热解气催化重整实验进行了模拟,预测温度、水蒸气添加量和生物质种类对合成气成分的影响。结果表明:当热解温度和催化重整温度均为850℃,S/B为1时,合成气的品质最佳;热解炉温度(750~900℃)升高有利于氢气的合成,催化重整炉温度(750~900℃)升高有利于温室气体(CO2和CH4)含量的减少。

楸叶泡桐叶光合生物产氢实验研究

以楸叶泡桐叶为底物,累积产氢量和产氢速率为主要考察目标,研究不同底物质量浓度对光合细菌HAU-M1同步糖化发酵产氢的影响,并对发酵过程中发酵液的pH值和还原糖浓度变化进行分析。实验结果表明:当底物浓度为25 g/L时,产氢效果最好,得到最大累积产氢量167.85 mL,氢气浓度达到39.5%;产氢高峰期集中在24~60 h,在36 h时,产氢速率达到最大值5.42 mL/h,在72 h后逐步停止产氢;反应液中的还原糖浓度在反应进行到0~12 h时快速上升,在12 h后逐渐下降,最终趋于平稳。利用修正的Gompertz方程对不同底物质量浓度下的产氢动力学进行分析,结果显示:当底物质量浓度为25 g/L时,光合产氢试验获得最大产氢潜能和产氢速率,分别为168.79 mL和6.51 mL/h。

秸秆肥料化利用研究进展

秸秆是一种重要的生物质资源,在诸多利用方式中,作为肥料回归土地、回归农业,是最符合农业生态系统物质循环的一种利用方式。目前秸秆还田是秸秆肥料化利用的主要技术之一,分析了秸秆肥料化利用的发展优势,阐述秸秆直接还田、堆肥还田和过腹还田等常用的利用形式,指出秸秆多元化肥料利用的途径,并展望其发展趋势,以期引发对秸秆高效资源化利用及农业可持续发展的思考,为推动秸秆肥料化利用提供参考。

Fe_(3)O_(4)纳米颗粒对玉米秸秆光发酵产氢的影响

以HAU-M1光合菌群作为发酵细菌,以玉米秸秆为发酵底物,研究Fe_(3)O_(4)纳米颗粒对光发酵产氢过程的影响。结果表明:粒径60 nm的Fe_(3)O_(4)纳米颗粒浓度为100 mg/L时,比产氢量达到(46.68±1.00)mL/g VSS,与对照组的(35.07±0.56)mL/g VSS相比提升(33.11±0.01)%,此时的能量转化率也提高33.10%。产氢动力学分析结果也表明Fe_(3)O_(4)纳米颗粒对反应体系有明显的影响,粒径60 nm的Fe_(3)O_(4)纳米颗粒浓度为100 mg/L时,最大产氢潜能和最大产氢速率分别为46.97 mL/g VSS和1.06 mL/(g VSS·h)。适宜的Fe_(3)O_(4)纳米颗粒的粒径和浓度能显著促进光发酵产氢能力,而浓度过高则会产生抑制作用。

Orthogonal Test About Biogas Upgrading by Pressured Water Scrubbing

Biogas is a kind of regenerable energy which is inexpensive and friendly to the environment, but the potential ofbiogas is difficult to develop fully in China, for most biogas have badly qualities and the utilization of it is monotonous. The suitable operation term about biogas upgrading by pressurized water scrubbing was researched through the orthogonal test in this study. Two sorts of scrubber packing included the random multidimensional hollow sphere packing and the structured screen packing were also used, and the effects of experiment factors included packing, water temperature, gas flow speed, water flow speed and washing pressure were studied. The results showed that better effect was got when the screen structured packing was used; all the five test factors affected the processing significantly in the arrange as before and had better and better significant effects.