棉花叶片氮含量的空间分布与光合特性

在棉花生长旺季,将冠层按高度分多层测定了田间叶片含氮量和叶片净光合速率对光合有效辐射通量密度的响应(光响应曲线,Pn-PPFD response curve)及相应的生物指标。结果表明,各层叶片氮含量与光合作用关系密切,各层平均值大小依次为上层>中层>下层,对应层叶片的最大净光合速率Pmax、表观暗呼吸速率Rd、光补偿点LCP及光饱和点LSP均从上到下依次递减,与氮含量分布一致,而表观光合量子效率AQY则略有不同;氮含量的指数衰减系数kn=0.762(R2=0.593),根据观测结果,棉田叶片氮含量(N)空间分布可以用相对累积叶面积指数(Lc/Lt)为自变量的指数方程来模拟,从而为建立光合作用机理模型与进行生产力奠定基础。

基于机器学习和多颜色空间的冬小麦叶片氮含量估算方法研究

[目的]基于冠层图像可见光颜色分量进行冬小麦叶片氮含量(leaf nitrogen concentration,LNC)估算的算法研究,旨在为构建LNC估算模型提供方法借鉴。[方法]用Olympus E-620单反相机采集不同种植条件(2个品种、2个种植密度、3个氮处理)下2年生育期(2013年和2014年)的小麦冠层图像。基于H颜色分量的K-means聚类分割冠层图像,分别提取3个颜色空间HSV、L*a*b*和RGB的3种基础颜色分量值,作为输入参数;分别使用多元线性回归(multivariate linear regression,MLR)、支持向量回归(support vector regression,SVR)、随机森林(random forest,RF)构建LNC估算模型,以决定系数R 2和均方根误差(root mean square error,RMSE)为评价指标;10×10嵌套交叉验证法分析3个颜色空间下各算法模型的拟合能力与泛化性能。[结果]单颜色空间下,3个算法模型的拟合与泛化性能以HSV空间下最优,L*a*b*空间下其次,RGB空间下表现最弱;其中,RF拟合能力最强,但方差主导了泛化误差,模型过拟合;SVR拟合能力弱于RF,优于MLR,但该模型泛化性能最优;MLR拟合能力最弱,且偏差主导了泛化误差,模型欠拟合且受噪声干扰。融合3个颜色空间9种基础颜色分量的多颜色空间,3个模型拟合与泛化性能相对单颜色空间均更优,其中RF模型最优。与最优单色空间HSV相比,RF在训练集上R 2提高2.67%,RMSE降低11.59%;测试集上R 2提高7.57%,RMSE降低11.49%。多颜色空间下RF较SVR拟合更优,且泛化性能有效提升,提升比例高于SVR。[结论]基于3种算法构建的LNC估算模型,在融合3个颜色空间的9个基础颜色分量多颜色空间下,RF拟合与泛化性能最优,可为估算冬小麦LNC提供方法参考。

205国道两侧农田土壤和水稻叶片及糙米中重金属含量的空间分布特征

对205国道无林带典型路段东西两侧200m范围内的农田表层土壤、稻（Oryza sativa L．）叶及糙米中Al、Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Ph、Zn和As的含量及空间分布规律进行了分析研究。结果表明，205国道两侧农田表层土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Ph和Zn的含量达到土壤环境质量一级标准（GB15618—1995），As含量超过土壤环境质量三级标准。西侧表层土壤中的Al、Cr、Fe、Ni、Zn和As含量，稻叶中的Al、Cd、Cr、Fe和Ni含量及糙米中的Al、Cd、Cr、Cu、Fe和Ni含量均比东侧高，表明路西侧受汽车尾气扩散沉降影响比东侧明显，并与该路段主风向为偏东风有关；西侧表层土壤中的Ni和Zn含量及东侧表层土壤中的Cd含量、西侧稻叶中的Al和Zn含量、西侧糙米中的Fe含量和东侧糙米中的Al含量均有随路侧距离增加而显著递减的规律，负相关关系显著或极显著；稻叶和糙米中某些重金属的含量有明显的峰值区域，均位于路侧10～20m区域内，并与土壤中的含量有显著或极显著的正相关关系；在糙米中未检出As，且Al、Cd、Cr、Cu和Zn含量均未超出国家食品卫生标准，但部分样本Ni和Ph含量略有超标。主成分分析结果显示，稻叶中的Pb主要来源于土壤，而稻叶中其他重金属含量明显受到公路环境污染物扩散沉降影响。研究结果显示，重金属元素已在205国道两侧的农田表层土壤中显著累积，其中As的积累最严重；稻叶和糙米中重金属的含量水平明显受到公路汽车尾气扩散沉降的影响，且扩散沉降集中在距离公路边缘10～20m的区域内。

横断山区草本沼泽湿地水体氮含量空间分布特征

草本沼泽是横断山区重要的湿地类型,为探明横断山区草本沼泽湿地水体中总氮、硝氮和氨氮的空间分布特征及其控制因素,于2014-2017年在横断山区对典型草本沼泽湿地开展水样采集和分析工作,同时收集降水量、地表大气温度、水温、水深、人口数量、GDP、家畜数量等环境数据。结果表明:(1)横断山区草本沼泽湿地水体中总氮含量表现出明显的纬向地带性和垂直地带性:总氮含量随纬度和海拔增加而下降,水温是控制这种地带性特征的主要因素。同时,随经度增加,水体中总氮含量也显著增加,社会经济发展因素是导致这种分布特征的主要原因;(2)横断山区沼泽湿地水体中硝氮和氨氮含量在海拔梯度上的变化趋势不明显;(3)随经度和纬度增加,沼泽湿地水体中硝氮含量逐渐增加,导致这种现象的主要原因是水深和水温;(4)随经度增加,沼泽湿地水体中氨氮的含量逐渐增加,但氨氮含量与自然环境因素和社会经济发展因素均无显著相关性。

基于地统计学的植烟土壤碳氮含量空间变异性研究

有机碳和全氮含量是影响土壤肥力与作物产量的重要土壤因子,区域内土壤碳氮含量的分布情况直接影响作物生产。通过解析云南省保山市烟区土壤碳氮含量空间分布情况,为区域植烟土壤肥力改良和优质烤烟生产提供科学依据和数据支撑。对保山市5县(区)72个植烟土壤点进行采样,测定土壤容重、田间持水量、土壤含水量、土壤酸碱度、有效土层厚度、土壤全氮含量和土壤有机碳含量等7项指标,采用径向基函数神经网络模型和克里格法建立土壤碳氮含量与土壤理化因子间的相关关系,预测土壤有机碳含量和全氮含量的空间分布特征。土壤碳氮含量与理化指标间的相关性分析表明,土壤全氮含量与土壤容重、土壤pH值呈显著负相关关系(P<0.05),相关系数分别为-0.235、-0.170;土壤有机碳含量与田间持水量、土壤含水量呈极显著正相关关系(P<0.01),相关系数分别为0.555和0.452;土壤有机碳含量与土壤pH值呈显著正相关关系,相关系数为0.190;土壤有机碳含量与土壤容重呈极显著负相关关系,相关系数为-0.636;土壤碳氮关系可用线性回归方程y=10.69+4.37x(r^(2)=0.137,n=72)表示;土壤平均全氮含量2.01 g/kg,土壤平均有机碳含量为33.60 g/kg,土壤平均碳氮比为16.71。径向基函数神经网络模型较多元回归模型对验证样点土壤全氮含量和有机碳含量的预测值与实际观测值的相关系数分别提高0.037和0.031,表明土壤理化因子与土壤碳氮含量之间的复杂关系能够通过径向基函数神经网络模型更准确地描述出来;47个验证点预测结果误差分析表明,与普通克里格法和回归克里格法相比,径向基函数神经网络模型和普通克里格法相结合的方法明显减低了土壤有机碳和全氮含量预测结果的平均绝对误差、均方根误差和平均相对误差。保山市5县(区)土壤碳氮含量由北向南存在明显差异,相关性分析结果表明,植烟区内的土壤理化因子对土壤有机碳含量和全氮含量的影响较大。因此,在烤烟生产上,应根据预测结果因地制宜,针对不同区域制定施肥方案,合理调控有机肥和氮肥的施用,保障烤烟高质量生产。

影响污水生物脱氮能力的关键水质参数及空间分布特征研究

基于住建部城镇污水处理数据管理系统的水质数据，选定影响污水生物脱氮能力的关键水质参数BOD5／TN和SS／BOD5，分析城镇污水处理厂进水水质参数的空间分布特征及参数值，结果表明：我国70％城镇污水处理厂进水BOD5／TN低于4，59％城镇污水处理厂进水SS／BOI）5高于1．2，南部城市较北部城市碳氮比低，悬浮固体比例高，北京、上海、广州20万m3／d污水处理厂进水SS／BOD5维持在1．1～1．2的正常值。我国城镇污水碳氮比（BOD5／TN）偏低、进水悬浮固体无机组分含量偏高（SS／BOD5）的状况普遍存在，构成我国城镇污水的特有水质特性，在城市建设及污水管网尚不完善的区域，这种状况还会继续存在较长的时间，需要加以关注和解决。

滇中红壤不同土地利用类型土壤氮素的空间分布

选取我国西南部抚仙湖流域典型流域尖山河小流域为试验区,测定不同土地利用类型（次生林、坡耕地、人工林及灌草丛）不同坡位处土壤剖面土壤全氮及碱解氮含量,结果表明院4种土地利用类型土壤全氮平均含量表现为灌草丛〉坡耕地〉人工林〉次生林;土壤碱解氮平均含量表现为坡耕地〉次生林〉灌草丛〉人工林;同一土地利用类型,不同坡位土壤全氮及碱解氮含量均表现为坡下部〉坡中部〉坡上部;同一土地利用类型,上层土壤全氮及碱解氮含量均不同程度地高于下层土壤,即0～20cm土层〉20～40cm土层〉40～60cm土层。土壤全氮含量与碱解氮含量之间有着显著相关性。

基于偏振反射模型和随机森林回归的叶片氮含量反演

叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程,有重要的研究意义。利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用,但其反演精度不能完全满足精细农业的需要,有一定提升空间。叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响,机理误差主要来源于叶片表面反射。传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射,又包含叶片表面镜面反射部分,只有前者是携带叶片内部生化组分(如氮含量)信息的,由于后者是入射光在叶表蜡质层发生的直接反射,因此该部分并不携带叶片内部信息。根据菲涅尔定律,叶表镜面反射是部分偏振的,而内部散射是非偏振的,因而通过偏振反射建模可部分去除叶表镜面反射影响,以消除机理误差。算法误差主要来源于不同氮含量反演算法对于高光谱数据挖掘能力的差别。比较了偏最小二乘法、主成分回归、支持向量机、K-近邻算法和随机森林回归在高光谱叶片氮含量反演中的表现,在调整算法参数之后,选择使用随机森林回归算法以减少高光谱反演算法误差。以常绿针叶林、落叶阔叶林和针阔混交林为研究对象,利用多角度偏振卫星POLDER/PARASOL的多光谱数据库构建二向偏振反射模型,用以模拟和分析研究区森林的偏振反射率;从HySpex传感器系统获取的机载高光谱数据中去除偏振反射率带来的光谱机理误差,以实现叶片氮含量的精确反演。以均方根误差为主要指标评估精度变化可获得以下结论:在高光谱叶片氮含量反演中,消除偏振反射率带来的机理误差后,各算法反演精度均有提升,平均提升了4.244%。其中,随机森林回归可以最大程度减小反演算法误差(可决系数达到0.803,均方根误差达到0.252),且对光谱偏振信息最为敏感,去除偏振后精度提高了13.103%。相比于广泛使用的偏最小二乘算法,去除光谱机理误差并减小反演算法误差后,叶片氮含量反演精度整体提高了32.440%。该研究实现了基于机载高光谱数据的叶片氮含量精确反演,证明了在叶片氮含量反演中去除偏振反射率的必要性,体现了在高光谱氮含量反演中随机森林算法的应用潜力。

河北永定河流域葡萄园土壤硝态氮空间分布特征

【目的】探究永定河流域葡萄园氮素投入、高程与土壤硝态氮含量和累积量之间的关系,旨在为永定河流域葡萄种植区的合理施肥和降低环境污染风险提供理论依据。【方法】以河北永定河流域52个典型葡萄园为研究对象,实地调研葡萄园养分投入现状,室内分析测定葡萄园0—60 cm垂直土层(间隔20 cm)硝态氮含量,并计算其累积量和盈余量。利用ArcGIS地统计学方法分析氮素投入和盈余、土壤硝态氮含量和累积量的空间变异性。【结果】永定河流域施用有机肥农户不足50%,以施用无机肥为主。上、下游葡萄园平均氮素投入量分别为(1492.79±988.90)和(1079.31±638.25)kg·hm^(-2),平均氮素盈余量分别为(1430.41±993.01)和(1027.23±637.37)kg·hm^(-2),氮素投入与盈余量之间呈极显著正相关(P<0.01),且在空间分布上均具有从西到东递减的趋势。土壤硝态氮含量和累积量在不同土层间的变化及空间分布规律一致,低值区主要分布在下游,高值区主要分布在上游。上游和下游0—60 cm土壤剖面硝态氮平均含量分别为34.96和18.76 mg·kg-1,平均累积量分别为92.44和48.12 kg·hm^(-2),不同土层间均差异显著。上游土壤硝态氮含量和累积量在20—40 cm土层最低,下游则随土层的增加而增加。上游土壤硝态氮含量和累积量在600—650 m高程范围内最高,显著高于其他高程(P<0.05),而下游受高程的影响不显著。相关性分析表明,高程主要影响表层硝态氮累积量分布,氮素投入主要影响底层硝态氮累积量分布。【结论】永定河流域葡萄园氮素盈余严重,垂直土层硝态氮向深层累积,不同高程(除450—500 m)土壤硝态氮含量与累积量均为上游高于下游,但在垂直分布上变化趋势不同,受高程和氮素投入共同影响。

中国660种陆生植物叶片8种元素含量特征

对全国范围内120个样点660种陆生植物共1781个植物样本的叶片S、K、Na、Fe、Ca、SiO2、Al、Mn含量特征进行了研究。各元素的平均含量大小顺序为K>Ca>SiO2>Na>S>Al>Fe>Mn,总体上属于K>Ca型。与世界陆生植物平均元素含量相比较,我国植物叶片Na的含量偏高。除Ca在草本植物中的含量低于木本植物外,为满足快速生长的需要,S、K、Na、Fe、Ca、SiO2的含量草本植物>木本植物、落叶植物>常绿植物、阔叶植物>针叶植物,而Mn的含量在这些功能组却刚好相反,Al的含量变化不大。S、K、SiO2在针叶林中的含量最低,S、Na、Fe在荒漠植物中的含量最高。Ca与SiO2、Al,以及Mn与除Al之外的其他6种元素之间均呈极显著负相关(P<0.01),除此之外,植物元素含量间的相关关系都为极显著正相关(P<0.01)。植物叶片元素含量与植物所处的地理位置的相关分析表明,S、K、Na、Fe、Ca、SiO2含量随纬度的增加而增加,Al、Mn随纬度的增加而减少;S、K、Na、Fe、SiO2、Al随经度的增加而减少,Mn随经度的增加而增加,而Ca与经度间相关性不显著。

鄱阳湖枯水期水体主要污染物时空分布差异(性)研究

系统分析了鄱阳湖2015年度枯水期主湖体、五河入口、湖口过江水道、赣江下游主河道和南昌市周边湿地表层水体中总氮、总磷、汞、铜、锌、铅、镉等几种污染物的含量,结果表明:12015年度鄱阳湖枯水期水体中总氮、总磷和铜的平均浓度分别为3.145 mg/L、0.121 mg/L和0.089 mg/L,总体偏高;2汞、铅、锌、镉的平均浓度为5.932×10^(-4)mg/L、0.408mg/L、0.064 5 mg/L和4.516×10^(-2)mg/L;3总氮、总磷和铜在空间分布上存在差异性,表现为饶河河口、吴城望湖亭和湖口等区域的污染情况较为严重,南矶山碟形湖的污染程度最轻.

西北旱区不同覆膜和灌溉水平下的玉米冠层氮含量垂直分布及高光谱反演

为探究不同覆膜和灌溉水平下玉米叶片氮含量垂直分布特征及其遥感反演规律,2020年在甘肃省武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站进行大田试验,设置3种灌水量水平(春玉米灌溉需水量的100%(W_(100))、70%(W_(70))和40%(W_(40))和3种覆膜处理(不覆膜(M_(0))、普通塑料膜(M_(1))和生物可降解膜(M_(2))),测定春玉米在不同灌水量和覆膜条件下叶片氮含量垂直分布、冠层反射特征和反射率与叶片氮含量等指标,并采用随机森林法构建氮含量估测模型分析垂直分布的叶片氮含量。结果表明,相同灌水处理的玉米冠层叶片中氮含量由高到低为M_(0)>M_(2)>M_(1),M_(0)比M_(2)的上、中、下部位叶片氮含量分别增加6.78%、5.11%、2.55%,M_(2)比M_(1)的上、中、下部位叶片氮含量分别增加7.14%、5.24%、5.39%。相同覆膜条件下玉米冠层叶片氮含量由高到低为W_(100)>W_(70)>W_(40),W_(100)比W_(70)的上、中、下部位叶片氮含量分别增加6.84%、6.23%、7.74%,W_(70)比W_(40)的上、中、下部位叶片氮含量分别增加4.41%、3.32%、9.49%。在M_(0)W_(100)处理中,玉米冠层叶片氮含量从上到下依次减小,上部比中部叶片氮含量增加7.44%,中部比下部叶片氮含量增加7.60%。在相同覆膜条件下,在可见光波段范围内,冠层反射率随着灌水量的增加而降低;在近红外波段范围内,冠层反射率随着灌水量的增加而增加。综上,基于随机森林的春玉米不同垂直部位叶片中氮含量估算模型均与实测结果相吻合(验证的R^(2)>0.5),上部叶片中氮含量估算精度最高(R^(2)为0.63,RMSE为1.66g/kg,RPD为1.57),其次为中部叶片(R^(2)为0.73,RMSE为1.66g/kg,RPD为1.30),精度最低的下部叶片(R^(2)为0.00)。

我国东北寒温带湿地土壤碳氮分布及相关性

以东北寒温带不同纬度典型湿地土壤碳氮分布关系为研究对象,遴选漠河湿地、洪河湿地及七星河湿地进行土壤样品的调查采集并进行土壤碳氮分布相关分析,通过构建不同纬度沼泽湿地土壤碳氮含量垂直分布结构,考察不同湿地不同植被类型土壤碳氮分布规律及土壤对植被生长状况的影响。结果表明:土壤氨氮及硝态氮在土壤垂直分布中有明显的表聚现象,含量随土壤深度的增加呈明显下降趋势;七星河湿地及洪河湿地土壤碳氮含量呈显著的线性相关关系,而漠河湿地土壤碳氮含量相关性不显著。本研究通过对东北寒温带不同纬度沼泽湿地土壤碳氮含量分布的研究,旨在对全球沼泽湿地氮循环的研究提供一定的参考作用。