湖北省农作物碳汇的阶段性特征、空间差异与动态演进——基于1997—2022年湖北省农作物数据

湖北省是我国农业大省,科学测算湖北省农作物碳汇,摸清本底,对碳汇交易和农业低碳发展具有重要意义。对湖北省1997—2022年的农作物碳汇量进行测算,运用Dagum基尼系数、Kernel密度估计和Markov链,探讨湖北省农作物碳汇量的地区差异和动态演进特征。结果表明:1997—2022年,湖北省农作物碳汇量呈现“W”形波动上升的态势,平均值为12085.30万t,其中粮食作物为湖北省农作物碳汇的主要贡献来源。“双碳”背景下对湖北省的三大地区及各市(州、林区)展开分析,发现1997—2022年鄂东地区农作物碳汇量位于湖北省三大地区的第一位。Dagum基尼系数分析显示湖北省农作物碳汇存在一定的地区差异,其差异主要来自于超变密度,平均贡献率为53.58%,湖北省农作物碳汇总量具有较强的稳定性,具有一定的俱乐部趋同特征。最后提出相关对策建议,如开发农作物碳汇核算方法学和标准,制定差异化的农业碳汇增汇政策,探索农业碳汇交易机制及价值实现。

不同核函数高斯过程回归算法与不同因子输入情况下对长江流域蒸散发量应用研究

为探明不同核函数高斯过程回归算法在不同使用条件下对参考作物腾发量(ET 0)模拟精度,在长江流域内选择10个代表性气象站点,以PM公式的计算结果作为参考值,以最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、平均本站大气压、日照时数和风速作为主要气象因子,使用灰色关联分析得到因子输入组合,使用二次有理、平方指数、Matern 5/2等3种不同核函数的高斯过程回归算法对ET 0进行模拟,并与Priestley-Taylor、Hargreaves-Samani、Irmak-Allen等3种经典算法计算结果进行对比。结果显示:①在同一站点同一参考公式计算结果下,3种不同核函数高斯过程回归算法和3种经典算法的模拟精度大小排序为:Matern 5/2>二次有理>平方指数>PT>IA>HS,其中Matern 5/2的模拟效果最好,其R 2范围为0.970~0.988。表明在相同气象参数输入条件下,机器学习模型精度普遍优于经验模型。②针对灰色关联分析得到的结果,日最高温度对参考作物腾发量影响较大,其平均关联度为0.8969;日照时数对参考作物腾发量影响较小,其平均关联度为0.8105;其余气象因子对参考作物腾发量的影响适中。③针对不同因子组合输入下同种核函数的高斯过程回归算法,3种不同核函数高斯过程回归算法的模拟ET 0表现效果均为:六因子>五因子>四因子,其中六因子输入的模拟效果最好,其R 2范围为0.908~0.977。

基于人工神经网络的玉米籽粒形态识别方法的研究

该文应用计算机视觉技术选择并获得了11个玉米粒形态参数,采用BP冲量算法,建立了一个三层前馈神经元网络,实现了一幅多颗粒任意放置玉米粒的完整与破损的在线自动识别,对175粒完整及175粒破损玉米粒的识别试验显示,正确率为93%。

基于仿生脱粒的鸡喙啄取玉米果穗引起籽粒离散过程分析

在先离散后脱粒工艺基础上,为探究玉米果穗的低损伤离散,该文利用玉米离散试验系统对鸡喙啄取玉米籽粒的过程进行试验研究。结果表明,鸡喙接触玉米籽粒后,籽粒离鸡喙越近,推力的水平分力越大,籽粒运动越明显,越容易从果穗上分离下来,籽粒离鸡喙越远,推力的水平分力越小,籽粒越难与果穗分离;离散过程中,籽粒遵循"组砌规律"进行力的传递,传递的范围近似为"塔形",脱离果穗的籽粒的运动类似于斜抛运动;玉米果穗在果穗切线方向上的受力最大,其次是玉米果穗轴线方向上的受力,垂直于试验台方向上的受力最小;验证试验结果:玉米果穗的平均离散率为67.53%,平均离散损伤率为0.16%,表明模仿鸡喙的离散辊对玉米果穗有较好的离散效果,且损伤率低。该研究对低损伤玉米脱粒系统的设计提供了仿生学思路。

中国河西走廊东灰山和西灰山作物遗存研究

河西走廊是古代中原文化和西域文化的交叉地带,也是古丝绸之路的重要通道。为了给研究东西方物质和文化交流在中国农业发展史上的作用提供实物证据,对甘肃民乐东灰山和西灰山现有材料采用遗址剖面土壤样本浮选、分拣、鉴定和理化分析方法,以现代作物种子为对照,确定遗址炭化作物籽粒的种类、性状差异及年纪。结果显示,东灰山遗址发现了炭化小麦、大麦、谷子(粟)、糜子(黍、稷)、黑麦、荞麦和燕麦籽粒,以及胡桃壳、枣核等;西灰山遗址发现了炭化小麦、谷子、糜子和大麦籽粒;两个遗址的作物种植结构基本一致。东灰山和西灰山发现的作物以小麦最为古老,距今在3800~3600年之间,西灰山小麦种植历史稍早于东灰山。在新石器晚期至青铜器时代,河西走廊的粮食生产已有比较合理的作物种类结构,包括小麦、大麦、谷子、糜子、黑麦、荞麦和燕麦等。炭化小麦籽粒较小,且大小不均匀,说明人工选育程度低。如对东灰山和西灰山作物和植物遗存开展系统性发掘,可能还会有更多新发现或新认知。

基于稀疏表示的大米品种识别

为了实现机器视觉准确判别大米品种,提出了一种基于稀疏表示的大米品种识别方法。以长江米、圆江米、粳米、泰国香米、红香米和黑米等6种大米籽粒图像作为研究对象,采用颜色和形态结构参数表示单个籽粒。每种大米随机选取50粒作为训练样本,200粒作为测试样本。所有训练样本组成稀疏表示方法的数据词典,对每一个测试样本,计算其在数据词典上的投影,将具有最小投影误差的类作为测试样本所属的品种。最后将提出的方法与BP网络和SVM的识别结果做了对比和分析。试验结果表明,提出的方法对于6个大米品种的综合识别准确率为99.6%,获得了最好的分类效果。为大米品种的识别提供了一种新的有效方案。

离心式籽粒均布器的设计

籽粒均布器是千粒质量测试仪的重要组成部分,而千粒质量测试仪是选育优良品种过程中对种子进行评价必不可少的仪器。为此,设计了一种基于离心原理的籽粒均布器,从理论上推导出了实现籽粒均布的籽粒受力和通过性条件,确定了该系统结构参数的数学模型,并对软件系统和关键电路进行了设计。该系统能够实现在计数区间内对籽粒进行计数称量,为千粒质量测试仪的成功研发奠定了坚实的基础。

2种除草剂对燕麦产量、杂草防除及后茬作物安全性的影响

试验采用前期筛选的2种最佳除草剂仲丁灵和二甲·辛酰溴施用于燕麦田(Avena sativa),调查燕麦鲜草、种子产量及防效,并初步研究不同浓度除草剂对后茬植物出苗率、株高及鲜重的影响。结果表明:药后15 d,30 d株防效及鲜重防效表现为施用高浓度二甲·辛酰溴>中浓度二甲·辛酰溴>高浓度仲丁灵。表明与对照相比,所有处理对燕麦产量均有增产作用,2种除草剂都在中浓度增效明显,且二甲·辛酰溴优于仲丁灵。低浓度除草剂处理过的土壤对后茬冬油菜及皮、裸燕麦出苗无影响,在中、低浓度下对后茬成株期株高和鲜重有促进作用,而高浓度除草剂对后茬出苗率及成株期生长有抑制作用。仲丁灵中浓度对后茬影响最小,高浓度二甲·辛酰溴对后茬抑制最大。因此建议燕麦田施用40%仲丁灵和40%二甲·辛酰溴分别不超过5625和2025 mL·hm^(-2)。

基于核磁共振的玉米不同籽粒类型单粒质量和含油率分析

针对现有玉米单倍体核磁共振分选系统基于一个含油率阈值,无法对胚败育籽粒和单倍体籽粒正确分选的问题,分别对玉米生物诱导产生的二倍体、单倍体和胚败育3种不同籽粒类型的单粒质量和含油率进行分析,提出了利用籽粒含油率双阈值提高单倍体正确识别率的分选方法。该研究以2个普通玉米杂交种和3个自交系为母本,以高油型诱导系为父本,进行生物诱导产生的3种不同类型籽粒为研究对象,利用核磁共振分选系统分别对不同类型籽粒的单粒质量和含油率进行测定,结果表明:单粒质量整体表现为单倍体>二倍体>胚败育,除二倍体籽粒与胚败育籽粒间存在极显著差异外,其他籽粒类型间差异不显著;不同类型籽粒的单粒质量平均变异系数为16.62%,并且每个材料的3种籽粒类型间出现较大的重叠区域。而不同类型籽粒含油率整体表现为二倍体>单倍体>胚败育,变异性以二倍体最小,平均变异系数仅为12.52%,其次是单倍体,而胚败育籽粒最高(34.14%),但其含油率最低且均≤2%;每个材料各自的3种类型籽粒间含油率呈现梯度分布,存在较明显的界限。由此可见,利用籽粒含油率能够区分玉米生物诱导的3种不同籽粒类型,而单粒质量则不能;通过设置二倍体籽粒的最小含油率为上限,胚败育籽粒的最大含油率为下限,利用含油率的双阈值可提高单倍体的正确识别率,为玉米生物诱导单倍体高效自动化分选提供依据。

小麦保险费率厘定:基于小波分析与非参数估计法

合理厘定保险费率是农作物保险开展的重要前提,可为政府保费补贴等支农政策提供决策依据。本文以北京市冬小麦为样本,采用小波分析和非参数估计方法相结合的方法,改进了农作物保险纯费率厘定方法,提高了计算结果的合理性与准确性,即,利用小波分析法确定作物单产的趋势产量,并在非参数高斯函数为核密度函数设定,借助Silverman的"经验法则"确定带宽,确定了样本数据的概率分布模型,最终完成了北京市冬小麦保险纯费率厘定过程。

基于非参数核密度法的农作物区域产量保险费率厘定研究

利用湖北省82个县(市、区)1991～2007年县级中稻单产数据,逐县选择相应的ARIMA(p,d,q)模型拟合其中稻历年单产,并计算出单产减产率,然后在此基础上运用非参数核密度估计法算出各县中稻产量保险纯费率,最后考虑到农作物产量损失的空间相依性,根据各县所面临的系统风险状况对纯费率进行调整,得到更为合理的纯费率。

基于籽粒RGB图像独立分量的玉米胚部特征检测

玉米胚部特征是重要的农艺性状之一,目前主要通过手工方法进行测量。为实现通过机器视觉图像处理的方法进行玉米胚部特征的自动检测,提出一种基于独立分量分析ICA的玉米胚部测量方法,并建立了检测模型。首先对玉米籽粒的RGB图像进行ICA分析,发现具有最大熵的独立分量IC代表着胚部与籽粒其他部分的对比。根据此IC能够实现玉米胚部的准确分割。然后,提取了玉米胚部面积等9个特征。和手工检测结果相比,面积误差为0.7%,决定系数达0.984,其他8个特征的误差总体也都在2%以下。与前人的基于颜色模型区域生长的检测结果比较,检测准确度有明显提高。表明采用基于ICA的方法检测的结果准确可靠,能够用于玉米胚部的自动检测。

基于非参数信息扩散模型的湖北水稻生产灾害风险评估

在小样本条件下估计灾害损失,非参数信息扩散模型相比一般的参数和非参数估计效果更好,因此本文利用湖北省1991—2007年县级水稻单产数据,基于非参数核密度估计的信息扩散方法来评估湖北水稻生产灾害风险。研究结果表明,各地区水稻灾害损失率的概率分布及各地区灾害风险的相对大小,与湖北洪涝和干旱灾害发生的时空分布及灾害程度较为吻合,可为湖北水稻县域产量保险风险区划研究提供支持。

基于PSO与LS-SVM的作物需水量预测

为了提高作物需水量预测精度,提出基于粒子群优化算法(PSO)优化最小二乘支持向量机(LS-SVM)的预测模型。该模型以空气湿度、温度、太阳辐射以及风速为输入,利用多项式核函数和径向基核函数的非负线性组合构造核函数,将粒子群优化算法(PSO)与交叉验证方法用于确定模型参数。实验结果表明与神经网络和随机森林相比,PSO优化的LSSVM可获得更好的预测精度和泛化能力,可用于节水灌溉,具有较高的应用价值。

基于X-rayμCT技术的玉米籽粒结构特征的粒位效应分析

玉米籽粒因其在果穗上着生位置不同存在较大差异,明确籽粒结构特征的粒位效应为玉米的消费、加工和播种质量等玉米产量和品质性状的评价提供参考。该研究以3个不同籽粒类型的玉米品种登海618(DH618)、KX3564和先玉335(XY335)为材料,利用X射线计算机断层(X-ray micro-computed tomography,X-rayμCT)技术扫描测试样本,通过图像滤波、阈值分割等图像分析方法重建籽粒3维结构,获取玉米果穗不同粒位籽粒的胚、胚乳、皮下空腔、胚空腔、硬质胚乳、粉质胚乳、胚乳空腔等结构参数。数据分析表明,籽粒不同结构指标在果穗上呈现不同的变化规律,从基部到顶部(不考虑果穗两端的极端籽粒),胚、胚乳及硬质胚乳体积线性下降,各指标在果穗上的变化范围分别为15.82~33.36、180.15~296.50及87.13~166.00 mm^(3);胚乳空腔>皮下空腔>胚空腔,果穗中部籽粒的空腔较小且稳定,3个品种表现一致;胚与胚乳的比值在粒位间基本稳定,粉质胚乳体积、硬质胚乳与粉质胚乳的比值从基部至顶部逐渐减小,但不同指标的变化斜率存在差异。3个供试品种的籽粒结构参数不同:DH618果穗不同部位籽粒胚与胚乳的比值大于KX3564和XY335,XY335籽粒硬质胚乳与粉质胚乳的比值大于DH618和KX3564。在籽粒空腔方面,KX3564皮下空腔的比例较高,而XY335胚乳空腔的比例较高。3个品种胚、胚乳、皮下空腔体积在玉米籽粒中的比例平均分别为9.27%、89.87%、0.86%。X-rayμCT扫描技术为玉米籽粒性状的研究提供新的方法与思路,明确果穗籽粒结构的粒位效应有利于全面地掌握玉米果穗上籽粒的性状特征,为玉米的生产、加工及品种改良等提供借鉴。

基于引力核密度聚类算法的作物病害叶片区域的快速检测

针对作物病害叶片图像的复杂性和模糊性,提出一种基于引力核密度聚类算法的作物叶片病害区域快速检测方法:首先,在RGB颜色空间提取病害叶片图像的R通道值,根据R值的特征直方图特性,运用多项式拟合特征直方图曲线,根据导数性质确定拟合特征直方图曲线的峰值点和峰值区域,确定病害叶片图像聚类数和初始聚类中心;根据初步确定的病变叶片图像的聚类中心,运用引力核密度聚类算法快速完成对病害叶片病斑的分割。试验结果表明,基于引力核密度聚类算法的平均分割精度达80%以上,平均检测时间为4.912 s,优于已有病害区域分割算法K–means和Meanshift的性能。

脱落酸对离体培养玉米籽粒生长发育的影响

为探究脱落酸(ABA)在玉米籽粒生长发育过程中的作用,采用籽粒离体培养技术,研究玉米籽粒发育早期(授粉后4d)和中期(授粉后20d)4个ABA浓度处理(0、1、10、100μmol/L)对粒重、体积、含水量、淀粉和可溶性糖含量的影响。结果表明,培养基中ABA浓度越高,籽粒ABA含量越高。高浓度ABA处理(100μmol/L)导致玉米籽粒鲜重、干重和体积显著降低,且早期处理比中期处理的降低幅度大;低浓度ABA早期处理也不利于籽粒生长,但中期适宜浓度处理(10μmol/L)使籽粒干重增加。ABA处理显著提高了籽粒淀粉含量,降低了籽粒含水量,且中期处理比早期处理影响更大。总之,玉米籽粒发育早期ABA升高导致粒重降低,而中后期适当ABA处理对粒重形成有正向作用。

基于红外光声光谱的农作物秸秆导热系数定量分析

选用我国华北地区具有代表性的小麦、玉米、水稻秸秆样品,对比研究了偏最小二乘(PLSR)和高斯核支持向量机(RBF-SVR)分别构建单一和混合种类秸秆全波段定量分析模型的效果,探讨了红外光声光谱耦合化学计量学方法构建我国主要粮食作物秸秆导热系数定量分析模型的可行性。研究发现,小麦秸秆和水稻秸秆导热系数RBF-SVR非线性模型,以及玉米秸秆、混合种类秸秆的PLSR线性模型效果较优。进一步应用蚁群算法与上述最优建模方法相结合,构建了更加优化的小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆和混合秸秆导热系数模型,验证决定系数(R_p^2)分别为0.77、0.83、0.96和0.79,验证均方差(RMSEP)分别为0.007 8、0.015、0.005 9、0.014 W/(m·K),验证相对分析误差(RPD)分别为2.81、2.41、7.39和2.15。研究结果表明,红外光声光谱技术结合先进适用的化学计量学方法可实现我国主要粮食作物秸秆导热系数的快速定量分析,但混合秸秆模型预测精度仍需进一步提升。

作物籽粒图象识别的光照条件研究

在模式识别理论分析基础上，依据光源光谱、ＣＣＤ摄象元件光谱响应以及作物籽粒表面反射率光谱特性，得出籽粒黑白图象识别系统最佳光源为单色光，其波长为使两待识籽粒反射率光谱差值与ＣＣＤ光谱响应二者的串联响应最大的波长。根据测得的正常和带紫斑病大豆的反射率光谱。

基于优先分配的玉米单个籽粒生长模拟(英文)

精确预测作物产量对于作物生产、栽培措施优化等具有重要意义。玉米单个籽粒的质量差异对玉米产量有显著影响,并且雌穗不同位置的籽粒获取同化物的能力不同。当前的玉米模型中由于缺乏基于单个籽粒生长机制的模拟过程,从而限制了其在更广泛环境下对产量的模拟精度和预测能力。为了量化雌穗不同位置籽粒对于同化物的竞争能力,基于源库理论建立了玉米单个籽粒灌浆过程的模型,并引入"优先权"方程量化雌穗一列籽粒中每个籽粒获取同化物的"优先"能力,整合进入潜在籽粒生长需求计算新的籽粒库强。通过多年多源库水平的玉米田间试验数据对模型的有效性进行系统评估。结果表明,引入"优先权"后明显提高不同位置籽粒的干质量的模拟精度。这为理解单个籽粒的生长发育过程、玉米产量形成过程提供基础依据。