干旱胁迫下玉米叶片可溶性糖光谱估测研究

【目的】利用高光谱遥感技术实时监测干旱胁迫下玉米叶片可溶性糖,为诊断玉米干旱胁迫和田间水分管理提供了理论基础。【方法】采用单因素随机区组设计,对玉米进行盆栽控水,设置4个水分梯度(正常水分、轻度胁迫、中度胁迫和重度胁迫),研究不同干旱胁迫下玉米不同生育时期冠层光谱反射特征及变化规律,比较可溶性糖含量与冠层光谱反射特征和植被指数之间的关系,构建玉米叶片可溶性糖估测模型。【结果】玉米叶片可溶性糖含量在拔节期、喇叭口期和抽雄吐丝期随着干旱胁迫程度的加剧而逐渐增加,均在重度胁迫达到最大值,分别为44.45、44.22和73.00 mg/g,3个时期叶片可溶性糖含量的平均值在抽雄吐丝期达到最大值为72.43 mg/g;不同干旱胁迫下玉米冠层原始光谱反射率在可见光区域(400~700 nm)无明显差异,在近红外光区域(700~1 000 nm)随干旱胁迫加剧逐渐升高,重度胁迫达到最大值;一阶导数光谱的红边幅值随干旱胁迫加深逐渐升高,红边位置在喇叭口期出现"红移";可溶性糖的敏感波段处于原始光谱560~719 nm和导数光谱651~683 nm之间;通过对11个植被指数和经过波段自由组合的RSI、DSI、NDSI这3个植被指数与可溶性糖含量相关分析得知,利用波段自由组合的植被指数DSI(D444,D455)与玉米叶片可溶性糖含量的相关性最好(r=0.99),并由此构建的估测模型y=498 165x2-7 566.9x+71.856能够实现对玉米叶片可溶性糖含量的估测。【结论】不同干旱胁迫下玉米冠层光谱和可溶性糖含量存在差异性,利用高光谱遥感技术可以实时监测玉米叶片可溶性糖含量。     

基于改进ResNet18的胡麻干旱胁迫识别与分类研究

【目的】为实现在移动端对胡麻干旱胁迫实时监测,解决传统机器学习方法在识别分类时准确率低、速度慢的问题,提出一种基于改进ResNet18的胡麻干旱胁迫分类识别方法。【方法】首先在网络中添加卷积块注意力（CBAM）模块,强化网络对胁迫特征的提取能力;其次调整残差块中批标准层、激活函数、卷积块的连接顺序,实现对输入的样本数据进行归一化操作;最后将ReLU激活函数替换成LeakyReLU激活函数,避免出现神经死亡现象。试验分为无胁迫、轻度干旱、重度干旱3个水分胁迫处理,分批次采集不同干旱程度胡麻叶片图像,数据样本按3∶1分为训练集与测试集,并使用数据增强的方法增加样本的多样性。【结果】改进ResNet18模型分类准确率高达98.67%,相比于ResNet18和VGG16分别提高6.14和4.87个百分点,而模型所需参数大小仅为42.80 MB,单幅图像推理时间为17.50 ms。【结论】该文模型对胡麻干旱胁迫具有更好的分类识别效果,能够实现嵌入式设备上胡麻干旱胁迫识别的实时性要求。可为胡麻干旱监测、机械化生产等研究提供技术支持。     

基于机器视觉技术的两阶段玉米干旱胁迫识别模型研究

机器视觉技术可以实现农业作物的干旱胁迫状态的快速分析和有效识别,实现农业活动的自动化管理。本文基于机器视觉技术在黑龙江省绥化市开展玉米干旱胁迫识别的田间试验,选取色彩特征和纹理特征作为识别玉米干旱胁迫识别指标,采用两段式梯度增强决策树作为分类器进行玉米作物图片识别,并与其他机器算法结果进行比较。结果发现,本试验选择的两阶段玉米干旱胁迫识别模型在干旱胁迫分类准确率和干旱胁迫识别准确率方面表现优异,其干旱胁迫识别结果优于其他机器算法模型。     

基于Mask R-CNN的玉米苗与株芯检测方法

【目的】研究基于改进Mask R-CNN的玉米苗冠层分割算法,满足精准作业中对靶施肥的识别要求,提高化肥的使用效率,减少环境污染。【方法】采集田间玉米苗图片并增强数据,生成田间数据集;使用ResNeXt50/101-FPN作为特征提取网络对分割算法进行训练,并与原始ResNet50/101-FPN的训练精度结果作对比;采用不同光照强度及有伴生杂草的玉米苗图片对比验证冠层识别算法效果。【结果】在不同光照强度下,无伴生杂草的目标平均识别精度高于95.5%,分割精度达98.1%;在有伴生杂草与玉米苗有交叉重合情况下,目标平均识别精度高于94.7%,分割精度达97.9%。检测一帧图像的平均时间为0.11 s。【结论】Mask R-CNN的玉米苗及株芯检测算法有更高的准确率和分割精度,更能适应不同光照强度及有伴生杂草的苗草交叉重合情况的目标检测。     

基于远红外热成像的叶温变化与玉米苗期耐旱性的研究

 【目的】植物可以通过降低叶片气孔蒸腾来达到控制失水和增强抗旱的目的。蒸腾强度的变化会引起植物叶片温度的变化,利用远红外热成像仪研究遭受干旱胁迫时玉米自交系苗期叶温的变化与生物量耐旱系数间的关系,为筛选鉴定玉米耐旱自交系提供依据。【方法】以83个优良玉米自交系为材料,利用远红外热成像仪检测干旱胁迫条件下苗期叶片温度的变化,叶片的气孔导度、蒸腾强度采用气孔计Li-1600测定,同时测定植株的生物量。【结果】遭受干旱胁迫时,玉米苗期叶片的相对生物量变异幅度为0.271～0.997（生物鲜重）、0.338～0.969（生物干重）,叶温变异幅度为 -0.1～+0.5℃,均存在显著变异。耐旱玉米自交系的叶片温度显著上升,而敏感玉米自交系的叶片温度变化不明显。干旱胁迫与正常灌水条件下叶温的差值即叶温差与相对生物鲜重（0.283*,0.288**,n=83）及相对生物干重（0.239*,0.273**,n=83）间存在极显著的相关性。此外,叶温差与叶片气孔导度、蒸腾强度间也存在着显著的相关性。【结论】遭受干旱胁迫时,玉米苗期叶片温度变化可以显著反映玉米苗期的耐旱性,叶温差可以作为玉米苗期耐旱性初步筛选的一个指标,将远红外热成像技术运用于玉米耐旱育种存在可行性。     

基于高光谱数据的棉田虫害鉴别研究

【目的】快速、准确、无损伤地鉴别棉花虫害类别,以便针对性制定植保施药方案。【方法】对棉花叶片高光谱数据进行采集和分析。采用波段范围为350～2 500 nm的FieldSpec?3便携式光谱分析仪,分别获取受蚜虫和红蜘蛛危害的棉花叶片以及正常棉花叶片的高光谱数据。采用K-近邻和SVM算法区分受红蜘蛛和蚜虫侵害的叶片以及正常叶片。为进一步优化虫害识别模型、提高识别精度,利用主成分分析方法 (PCA)进行特征降维,并利用网格搜索法进行参数寻优。【结果】使用K-近邻算法和SVM算法构建了虫害识别模型,2种模型的识别率分别为86.08%和89.29%;引入PCA进行特征降维并使用网格搜索进行参数寻优后,可以提高虫害识别率,K-近邻算法和SVM算法的识别精度分别达到88.24%和92.16%。【结论】利用高光谱数据可以区分受蚜虫和红蜘蛛侵害以及正常的棉花叶片;结合PCA降维和网格搜索法,能够提高识别率且不需要获得具体的特征波段;对于受蚜虫和红蜘蛛侵害以及正常的叶片识别,基于径向基核函数的SVM算法优于K-近邻算法。     

干旱胁迫对玉米雄穗发育特征及产量的影响

【目的】探究干旱胁迫对玉米雄穗发育特征及产量的影响,以期为中国东北地区玉米种植抗旱保产提供一定理论基础。【方法】采用盆栽试验,设置原土处理和添加土壤改良剂处理,并于玉米大喇叭口期至吐丝期进行不同程度的干旱胁迫：正常供水、轻度干旱胁迫、中度干旱胁迫和重度干旱胁迫,研究不同程度干旱胁迫对玉米的抽雄吐丝间隔、雄穗形态特征、生理指标以及产量的影响。【结果】干旱胁迫导致玉米雌穗吐丝时间延后,雌、雄穗开花吐丝不同步,且在重度干旱胁迫时达到最大值,其中原土处理较CK延长了6.33 d,添加土壤改良剂处理延长了4.67 d;不同程度干旱胁迫会导致玉米雄穗变小、主轴缩短,轻度干旱胁迫有利于雄穗积累干物质,原土处理和添加土壤改良剂处理的雄穗干物质分别比CK增加了5.18%和14.87%;干旱胁迫会促使雄穗分泌抗氧化系统酶以及渗透调节物质抵御逆境伤害,但重度干旱胁迫时雄穗内部产生过多丙二醛(MDA)以及有害物质,会导致抗氧化系统酶活性有所降低;干旱胁迫会造成玉米产量严重下降,重度干旱胁迫时原土处理的产量与CK相比下降了62.39%,添加土壤改良剂处理的产量则下降了57.77%。【结论】干旱胁迫会对玉米雄穗发...     

基于TVDI 与荧光的呼伦贝尔市干旱时空动态监测研究

【目的】呼伦贝尔地区降水量少,年际和年内分布不均,灌溉条件不发达,干旱对当地农业和畜牧业生产造成了严重影响,结合干旱监模型与荧光数据可对呼伦贝尔干旱情况进行有效监测。【方法】文章使用MODIS归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)产品,建立Ts-NDVI特征空间,计算温度植被干旱指数(TVDI),同时结合GOME-2 L2级荧光产品,综合分析评价2017—2018年呼伦贝尔地区干旱时空变化特征。【结果】该文建立的干旱指数模型能有效监测呼伦贝尔市干旱状况,干旱等级划分结果表明,2017—2018年呼伦贝尔地区存在不同程度的干旱问题,此模型在该研究区干旱监测上具有很好的适用性;通过SIF与NDVI的变化过程对比分析发现,SIF对水分胁迫等植被生理变化比较敏感,SIF较NDVI而言,能更有效地反映植物受胁迫状况。【结论】通过MODIS产品与GOME-2 L2荧光产品相结合,可以更准确地监测分析该研究区内的干旱时空动态变化,为呼伦贝尔市的旱情监测提供重要参考。     

干旱、淹水和低温胁迫对莲雾抗氧化系统的影响

【目的】探讨干旱、淹水和低温胁迫对莲雾Syzygium samarangense营养生长的控制作用以及对抗氧化系统的影响。【方法】在控温室中对盆栽莲雾进行干旱、淹水和低温胁迫处理,以常温下正常浇水的盆栽莲雾作为对照,观察新梢的抽生情况,测定各处理植株叶片的相对含水量、丙二醛含量和抗氧化水平。【结果】3种胁迫处理均有效控制新梢的抽生;干旱和淹水胁迫下,莲雾叶片相对含水量减少,解除胁迫后相对含水量恢复到对照水平;与对照相比,3种胁迫处理均增加了叶片丙二醛的含量,提高了叶片超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性,增加了抗坏血酸和还原型谷胱甘肽的含量。【结论】干旱、淹水和低温胁迫处理有效控制了营养生长,提高了莲雾抗氧化水平。     

玉米肌动蛋白解聚因子ZmADF4基因克隆、转录活性及表达分析

【目的】克隆玉米肌动蛋白解聚因子4（ZmADF4）基因,并对其转录活性和表达模式进行分析,为探究玉米ADF家族基因的功能及调控机制提供参考依据,也为玉米抵抗逆境胁迫研究提供潜在的基因资源。【方法】采用同源克隆技术克隆玉米叶片ZmADF4基因,运用生物信息学软件分析其编码蛋白的理化性质、保守结构域及二、三级结构;通过原生质体瞬时转化进行亚细胞定位;利用酵母自激活分析该基因转录活性,下载RNA-Seq数据分析其在不同组织中的表达特性,并利用实时荧光定量PCR检测其在不同逆境胁迫下的表达情况。【结果】从玉米叶片克隆获得的ZmADF4基因,编码区（CDS）长度为420 bp,编码139个氨基酸残基,蛋白分子量为15.855 kD,理论等电点（pI）为7.66,属于亲水性蛋白,具有典型的植物ADF蛋白家族的保守结构域ADF_gelsolin,主要定位于细胞质中。ZmADF4基因不具有转录自激活效应,且在根、茎、叶、花丝、花药、胚、胚乳和果皮等组织中呈差异性表达,在茎、果皮和叶片中表达量较高。ZmADF4基因对高温胁迫、低温胁迫、高盐胁迫、干旱胁迫及脱落酸处理均有响应,其中高温胁迫下,整体呈上调表达趋势,而低温胁迫和脱落酸处理下,整体呈下调表达趋势,干旱和高盐胁迫下则呈先上调再下调表达的趋势。【结论】ZmADF4基因属于ADF基因家族成员,不仅参与玉米茎、果皮和叶片的生长发育调控,还参与低温、高温、干旱、脱落酸、盐胁迫等逆境响应调控。