机器学习在氮循环领域的应用研究进展

氮循环是地球圈层中水-土-气-生多介质、多界面的复杂过程，与土壤健康、粮食安全、全球变暖、空气污染、水体质量等环境问题密切相关。近年来，得益于计算机技术的快速发展和海量、多源数据的产生，机器学习迅速成为研究氮素循环强有力的工具。本文系统梳理了机器学习的功能性概念，包括典型开发流程和学习应用场景等；总结了机器学习的典型应用算法，包括经典机器学习（如随机森林、支持向量机等）和深度学习（如卷积神经网络、长短期记忆网络等）；并综述了机器学习在氮循环研究领域的应用研究进展，包括大气、水体、土壤和植物/作物等介质的氮素代谢机制、模拟氮素循环过程及管理氮素流动等。未来基于大数据和机器学习技术的特征工程和模型融合的研究，将会给氮循环领域的数据分析与建模带来巨大变革。同时，将机器学习与基于物理过程的模型相结合解决氮循环过程中的复杂问题，可为服务国家“双碳”战略以及控制全球变暖、空气污染等环境问题提供重要支撑。     

中国土地退化防治伙伴关系10年与国外经验借鉴

在回顾中国土地退化防治伙伴关系过去10年发展的基础上，总结了伙伴关系建立取得的成效，指出了伙伴关系建立中存在的资金机制、协调机制、基层和社区、潜在伙伴关系和公众意识等方面存在的问题。借鉴美国、加拿大、澳大利亚等国外和国际机构的相关经验和做法，针对中国土地退化防治伙伴关系的下一个10年发展战略，就如何加强伙伴关系、深化伙伴关系和拓展伙伴关系，提出了构建多元化的资金机制、完善伙伴协调机制和深化伙伴关系、拓展伙伴关系等建议。     

中国低温种质库建造技术调查分析

低温种质库主要用于保存以种子为主体的植物种质资源。该文对中国主要低温种质库采用的保温墙材料和厚度、地面架空层高和抗震设计等建筑技术，机组运行控制方式、制冷方式、制冷剂和除湿方式等制冷除湿技术，以及种子架、干燥设备等进行了调查和分析。根据调查结果，就有关建好低温种质库的关键技术问题，如库房面积、高度、墙壁、围护结构、干燥系统、种子架以及制冷除湿等方面提出了建议。     

贵州省新时期水土流失综合治理

现阶段我国取得了水土流失面积和强度双降低的显著效果，新时期对充分发挥水土保持的水源涵养、改善生态、提升农业生产能力、改善人居环境等多项重要功能提出了更高要求。通过分析贵州省水土流失及治理概况、存在问题及治理难点，在深入研究总结传统水土流失防治模式成功经验的基础上，结合水土保持规划工作实践，从生态系统质量、稳定性、可持续性等方面出发，探讨提出贵州省水土流失综合治理体系，重点阐述了生态、清洁、经济、生活4种类型的小流域综合治理和石漠化区坡耕地综合治理等水土流失综合治理的途径、模式。     

多层覆盖连栋温室热环境模型构建

建立了多层覆盖连栋温室的温、湿度动态机理模型，定量描述了温室内的对流换热、土壤热传导、太阳辐射、长波热辐射、植物蒸腾、地面蒸发、水汽凝结、机械通风和自然通风等物理过程，根据质能平衡原理，对覆盖材料、室内空气、作物、土壤等建立了质能平衡方程。在给定的边界条件下，通过求解质能平衡方程，可求得室内温、湿度和各组成部分如覆盖材料、土壤、植物等的温度以及各部分间的能流、蒸汽流密度。利用有效辐射的概念，推导出了内外遮阳幕、内外覆盖材料、作物冠层、地表、室外天空之间的辐射热交换计算方法。利用压力分布法，推导出了具有顶窗、侧窗和湿垫等多个通风口时的风压和热压通风量计算式。与其他研究者提出的温室环境模型相比，本模型具有更为广泛的适用性。     

江苏省水土保持监测系统建设

为适应新形势下水土保持改革发展的需要，结合江苏省水土流失现实情况和水土保持信息化建设的基本业务管理需求，建立了江苏省水土保持监测系统。介绍了该系统的建设目标、结构和设计内容，并指出其实现了对坡面径流场、控制站、气象站、综合实验站水土保持监测信息的采集、传输、入库等。经过3 a的运行，该系统为江苏省水利信息采集、数据存储、监测数据传输等核心业务提供了有力支撑，在改造传统水土保持监测手段、提高管理服务能力等方面发挥了重要作用。     

种子加工成套设备的计算机测控技术研究

该文介绍了种子加工成套设备的计算机测控系统硬件系统设计和软件编程关键技术。实现了包括振动频率、风速、风量、转速、温度、角度等多种参量的实时检测和加工设备关键部位的视频监视。控制参数包括电机转速、筛面振动频率、风速和风量等，实现了成套加工机组的工作流程自动控制功能。软件以虚拟仪器技术为核心，将先进的图形用户界面、动画仿真和视频监视等技术有机结合，设计了人性化的人机交互界面。实际应用表明,该系统实时性强,可靠性高，提高了牧草种子机械化加工质量。     

mRNA差异显示技术研究进展

分离和鉴定差异表达基因是分子生物学研究领域的热点之一。DDRT-PCR是目前该领域中最受青睐的技术。它有简便、灵敏和RNA用量少、且可同时比较多组样品等优点，但也存在假阳性率高、所得的差异片段较短等不足。针对这些缺陷，人们在引物的设计、DDRT和PCR参数的优化、差异显示凝胶的选择、阳性克隆的鉴定等环节进行了改进，并与其它生物技术结合，发展了该技术，如代表性差异分析、荧光mRNA差异显示和单个植入前胚胎mRNA差异显示技术，使该技术日臻完善。结合本研究室近年来的研究工作，对DDRT-PCR技术的原理、优越性、主要缺陷、技术改进及应用前景等方面进行简要综述。     

基于冠层温度的菜心缺水指数模型初步试验研究

以柳叶菜心为研究对象，测试了不同干旱条件下的土壤含水量、空气温湿度和冠层温度等参数，确定了作物缺水指数经验模型的参数，并针对太阳辐射强度对模型做了改进。研制了蔬菜旱情检测系统，利用红外测温仪、土壤含水量传感器等，可以实时测得田间作物的水分亏缺状态，为同类研究提供了测试手段和数据分析方法。     

小米挤压膨化加工营养方便粥的工艺研究

通过氨基酸分析评价，了解本项目主料小米氨基酸品质，利用双螺杆挤压膨化机熟化，并采用调整膨化物料含水率、膨化喂料量，再结合乳化剂的使用和添加玉米等技术措施，改进小米的膨化效果。采用正交试验，设计产品配方。结果表明，选用小米为主料，其蛋白质基本符合模式标准，优于大米、小麦、玉米等多种谷物。控制上述4种膨化辅助条件，解决了小米膨化的难题，而且蛋白质、淀粉等大分子物质部分降解更有利于吸收。经正交试验选择出主料与多种辅料的最佳组合，使产品蛋白质含量和蛋白质质量大幅度提高，达到了全价蛋白质的营养水平，维生素、矿物质等多种营养元素含量也显著提高，营养很丰富。同时由于多种辅料的配合，产品的调溶性、复水性、口感等感官质量高，而且产品中富含了各种辅料所含的多种保健成分。     

黄淮海平原县域灌区灌溉管理质量时空分析

灌区建设与管理具有公益性、可经营性、垄断性、政策性、学科综合性等特点，这些特点对农业用水，尤其是平原区地下水灌溉提出了特殊的要求。为此，针对平原区灌溉管理特点和农业生产现状，选取了灌溉水利用系数等9个指标，提出了具体的评价灌溉管理质量和措施的方法。并以黄淮海平原的曲周县为例进行了实证分析，结果表明：选取的指标和分析方法能较好地评价县域灌区管理质量；从1980年以来，曲周县各乡镇灌溉管理质量越来越好；曲周镇的管理措施比其它乡镇更加得力。最后，分析了管理质量变化的驱动力，并提出了建议。     

金沙江干热河谷植被恢复研究进展

植被恢复是金沙江干热河谷区生态恢复的有效途径。分析了金沙江干热河谷特殊的自然条件和恶劣的生态环境现状，回顾了金沙江干热河谷自1950年代以来的植被恢复历程，综述了金沙江干热河谷植被恢复中的理论研究、品种选择、技术突破、效益评价等的研究进展，指出了目前本区植被恢复中研究手段、方法和内容等方面的不足，强调今后研究应注重加强高新技术的应用，重视植被恢复的科学性、现实性和可操作性，及加大乡土种的筛选与应用研究等方面的内容。     

循环式粮食干燥机的智能控制系统

为了有效地控制干燥机的温度、水分等因素，提高干燥效率，针对国内干燥机控制系统存在的不足，设计出基于单片机和复杂可编程逻辑器件CPLD技术的一体化控制系统，采用了温度、水分、仓位等多个传感器来检测有关信息，进行干燥机的智能控制。该系统可完成温度传感器的设定，水分传感器的校准和修正，干燥机15项运行参数的设置，能进行水分、温度和故障的自动检测与报警，燃烧机的自动控制等。也可实时将测量的谷物水分值传送给计算机，便于多台干燥机的集中监控，及进行统计分析。该系统经实践检验，实现了干燥机正常可靠的各项操作和多种干燥作业，达到了高效干燥的智能化控制，且系统易于扩展，谷物品质好。     

水培番茄、黄瓜营养液管理专家系统的构建

针对无土栽培的技术核心——营养液管理，构建了水培番茄、黄瓜的营养液管理专家系统，以促进无土栽培技术在中国大面积的推广和应用。该文详细介绍了该专家系统的设计目标、结构和功能设计的过程以及知识库的构成；构建了番茄、黄瓜在不同生育期对氮、磷、钾、钙等大量元素的吸收模型，组成动态模型库；优化了番茄、黄瓜在逆境(高温、低温、寡照等)生长条件下对营养液的管理。在大量搜集水培知识和营养液管理数据的基础上，基本实现了对水培番茄、黄瓜不同生育期的营养液浓度(EC)，酸碱度(pH)，氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)等营养元素浓度，以及营养液温度、溶解氧浓度的管理和决策。     

多媒体蔬菜栽培专家系统MVPES

通过对园艺专家的蔬菜栽培知识的研究，研制了多媒体蔬菜栽培专家系统MVPES。MVPES将蔬菜生产分为播前准备、育苗、定植、田间管理、病虫害防治，采收与贮藏及肥料运筹七个子系统。采用描述型知识，数据型知识、规则型知识等知识表示形式，配以土壤信息系统（GIS）、超文本数据库、图片数据库、知识规则库等专家决策支持系统。采用“产生式”、“决策树”和“加权模型逻辑”的方法构建了品种决策，播期决策、定植密度决策、肥料决策和病虫害诊断等决策模块，以Authorware为开发工具设计了MVPES的多媒体流程图，程序采用构件化技术设计。     

煤田开采诱发环境地质问题及防治对策

煤田开采沉陷引发了各种地质灾害和环境效应，包括地面塌陷、地裂缝、滑坡崩塌、泥石流等，对土地资源、水资源和大气环境、地表设施造成严重破坏和污染，也对人类生命财产安全造成重大损失。介绍了我国煤炭开采沉陷灾害的现状，论述了各种灾害和环境效应的形成机理，系统地总结了我国现阶段对各种灾害和环境效应的防治对策。主要的防治对策包括管理措施、控制沉陷的开采技术、沉陷预测、采空区的工程治理、地表建筑物防护、土地复垦等。实施综合防治措施和绿色开采是矿业发展的必由之路。     

基于组件式GIS的管道输水灌溉系统规划设计软件研制

应用组件地理信息系统(ComGIS)、CAD及数据库等软件开发工具，开发的管道输水灌溉系统规划设计软件，可以实现管道系统优化布置、系统设计流量推算、管径优化设计、工程投资概算和经济效益分析等多种功能。系统能够提供图形、文本、表格等多种形式的成果输出，人机交互界面友好，操作方便。系统保证了规划设计方案的合理性，大大减少人工劳动，提高了工作效率。该软件已在江苏省节水农业示范区管道输水灌溉工程的规划设计中推广应用，并取得了良好的技术经济效果。     

中国土壤分类四十年

建国以来土壤分类是不断完善的过程。涉及全国的土壤分类系统至少有9个。可分为三个时期。解放初，采用美国马伯特土壤分类系统，以土类为基本单元，土系为基层单元，其中就有我国特有的山东棕壤、砂姜黑土和水稻土等类型；从1954年开始采用土壤发生分类系统，之后陆续提出了一些新土类，如黄棕壤、黑土、白浆土、砖红壤性红壤等，接着由于对耕地土壤的普查，充实了水稻土、明确了潮土、灌淤土和塍土等的独立土类地位。并提出了其他许多磷质石灰土等新土类。目前正在开始以诊断层如诊断特性为基础、结合我国丰富土壤类型的实际，在已有基础上，建立具有我国特色、具有空量指标的土壤系统分类。但这需要有一个较长的研究和完善过程。     

大米草气、电、热三联供技术研究

该文根据大米草的组成成分特性，利用热解气化技术，针对原料富含钾、钠、氯等元素引发碱金属问题，确定了合适的气化工艺,并对气化炉的结构进行优化、改进。将原料中的碳、氢等元素转化为一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体，通过净化处理后，成为优质、廉价的清洁能源；同时针对大米草燃气的燃烧特性，对采暖供热锅炉和燃气内燃发电机组进行了优化和改进，实现了气、电、热三联供。该技术为建设独立的、完整的、资源-能源-环境一体化的大米草能源系统提供参考。     

“农业航空工程”专题导读

2017年4月22—24日，“国际工程科技发展战略高端论坛—农业航空技术”在北京召开，农业部农机化司李伟国司长在致辞中指出：农业航空技术是新兴的高端农业机械化技术，在现代农业生产中特别是航化作业、病虫害防治等方面发挥了越来越重要的作用。为全面、深入地了解中国农业航空行业的发展现状和趋势，反映行业面临的困难和问题，本刊特策划“农业航空工程”专题，共刊发8篇相关研究成果报道。 兰玉彬院士团队的研究综合分析了植保无人机旋翼风场分布特性、雾滴与无人机旋翼风场交互机理、雾滴沉降与飘移机理、雾滴与叶片表面的交互机理及雾滴分散和蒸发特性等国内外研究现状，并给出植保无人机施药技术的未来发展建议，对优化植保无人机结构、科学应用植保无人机、提高农药利用率、减少环境污染具有重要意义。杨宁等采用无人机获取了内蒙古河套灌区沙壕渠灌域内试验地的无人机多光谱遥感图像数据及不同深度的土壤盐分数据，使用3种光谱指数筛选方法，对比3种建模方法，模拟3个深度土层的土壤盐分分布，比较了传统光谱指数及引入红边波段的改进光谱指数在盐渍化建模方面的潜力，具有创新性和一定的学术价值。陈锋军等针对云杉计数问题给出了较为完整的基于航拍和机器视觉的解决方案，对YOLOv3的网络结构进行了有益探索和改进，解决了YOLOv3模型小样本训练过拟合问题和云杉特征丢失问题，提升了云杉计数的准确率，具有重要的研究意义和实用价值。王玉娜、陈晓凯等基于低空无人机平台和成像光谱仪获取陕西关中地区拔节期冬小麦高光谱影像，将无人机高光谱遥感应用于冬小麦氮素营养监测和叶面积指数估算，对降低监测成本、增强时效特性等具有一定新意和重要意义。陈日强等利用无人机载激光雷达采集苹果园的果树单木冠层信息，并评价空间分辨率对于果树单木树冠检测与提取的影响，具有一定的学术价值和实用性，对精准果园管理生产具有重要意义。杜蒙蒙等提出了一种基于多旋翼无人机与激光测距技术的农田地形测绘方法，在多旋翼无人机测绘平台上搭载激光测距模块与后处理动态差分全球定位系统设备获取激光测距值序列、PPK-GPS三维定位数据以及无人机的飞行姿态数据，综合激光测距、GPS数据进行高程测量，对农田微地形测量具有很好的实用价值。孔繁昌等以东北地区粳稻稻瘟病高光谱识别诊断为选题，运用多旋翼无人机载高光谱遥感技术获取健康、轻度、中度和重度等级水稻穗茎的冠层指数，利用随机森林的方法对光谱预处理变换数据、光谱曲线特征提取参数、植被指数组合进行建模，填补了无人机高光谱遥感监测大田穗颈瘟病和实验室穗颈瘟病光谱理论研究之间的研究空白。 本专题集中刊发的8 篇系列文章，分别来自华南农业大学、沈阳农业大学、西北农林科技大学、北京林业大学、河南理工大学、河南科技大学、东北农业大学等机构，源于国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、广东省重点领域研发计划项目、广东省引进领军人才项目、中央高校基本科研业务项目、河南省高等学校重点科研计划项目等的研究成果，从理论综述、机理模型到实用技术，具有创新性、重要性、实用性等特点，对促进国内航空植保事业发展、农业航空技术全面推广应用、明确航空植保施药发展方向和未来智慧农业的发展与实现具有重要的理论和现实意义。