电子鼻技术在棉花早期棉铃虫虫害检测中的应用

为了更好地获取棉花虫害信息,该文使用电子鼻和气质联用技术对受到不同数量棉铃虫早期危害的棉花进行检测。基于气质联用技术获得了棉花挥发物的成分和含量,基于电子鼻响应曲线提取了稳定值、面积值、平均微分值、小波能量值和多项式拟合曲线参数值5种特征值,筛选出3种较优单特征:稳定值、平均微分值和面积值,之后基于多特征分别使用多层感知神经网络、径向基函数神经网络和极限学习机3种神经网络方法进行分类分析。最后采用支持向量机回归分别基于3种较优单特征及多特征对危害棉花的棉铃虫数量进行回归预测。结果表明:多特征的分类效果优于单特征,基于多特征“稳定值和平均微分值”和极限学习机分类效果最好,训练集和测试集的分类正确率均达到100%。多特征的预测能力优于单特征,基于多特征“面积值和平均微分值”的回归模型预测效果最佳,训练集回归模型的决定系数(R^2)和均方根误差(RMSE)分别为0.9940和0.0860,测试集回归模型的R^2和RMSE分别为0.9230和0.3709,电子鼻对棉花早期棉铃虫虫害具有较好的区分和预测能力,电子鼻在棉花早期棉铃虫虫害中的检测具有一定的应用潜力。     

基于电子鼻信号判别番茄苗机械损伤程度

番茄苗产生的挥发物易受到病害、虫害、损伤等多种因素影响。该文利用电子鼻系统测试机械损伤番茄苗挥发性物质的变化,通过主成分分析、线性判别分析对4种不同处理机械损伤的番茄苗进行分析,结果表明主成分分析各处理样本间均有重叠,区分效果不理想,线性判别分析各处理样本基本可以分开;用逐步判别分析和BP神经网络对各处理样本进行判别,测试集的准确率分别达到84.4%和93.8%以上,神经网络模型的预测结果更好。该研究可为番茄苗机械损伤快速在线监测提供参考。     

基于电子鼻传感器阵列优化的甜玉米种子活力检测

针对甜玉米种子活力传统检测方法操作繁琐、重复性差等不足,该研究利用电子鼻技术建立甜玉米种子活力快速检测方法。利用电子鼻获取不同活力甜玉米种子的气味信息,再结合主成分分析(PCA,principal component analysis)、线性判别分析(LDA,linear discriminant analysis)、载荷分析(loadings)和支持向量机(SVM,support vector machine)对气味信息进行提取分析,建立甜玉米种子活力的定性定量分析模型。结果显示:PCA和LDA分析均无法区分不同活力的甜玉米种子,而SVM的鉴别效果较好。全传感器阵列数据集SVM分类判别模型训练集和预测集正确率分别为97.10%和96.67%,建模时间为30.75 s,回归预测模型训练集和预测集决定系数R~2分别为0.993和0.913,均方差误差分别为2.23%和8.50%。经Loadings分析将10个传感器阵列优化为6个。优化后传感器阵列数据集SVM分类判别模型训练集和预测集正确率分别为98.55%和96.67%,建模时间为21.81 s,回归预测模型训练集和预测集决定系数R~2分别为0.982和0.984,均方差误差分别为3.80%和3.01%。结果表明:基于SVM的电子鼻技术可以实现对不同活力甜玉米种子的高效判别和预测,将传感器阵列优化为6个,判别和预测效果均有所提升。该研究为电子鼻技术应用于甜玉米种子活力检测提供理论依据。     

常规稻与杂交稻谷的仿生电子鼻分类识别

气味是进行稻谷品种及其品质识别的重要方法之一,作为一种基于仿生嗅觉的机器检测方法,仿生电子鼻在水稻品种的分类识别中具有较好的应用前景。常规稻与杂交稻在食味品质等方面存在一定的差异,为了解应用电子鼻进行常规稻谷与杂交稻谷识别的可行性,采用PEN3电子鼻对同季同地域收获的3种常规稻(中香1号、湘晚13、瑶平香)和3种杂交稻(伍丰优T025、品36、优优122)稻谷样品的气味信息进行了采集和分析。首先通过过载分析(Loadings)法分析了电子鼻检测稻谷气体挥发物时的各传感器贡献率,分别针对基于特征值的提取和稻谷气味检测对电子鼻传感器阵列中的传感器进行了优选,阐明了稻谷气体挥发物检测中应以对硫化物、氮氧化合物、芳香成分和有机硫化物敏感的传感器为主。随后,分别采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)、线性判别法(linear discriminant analysis,LDA)和BP神经网络对6种不同稻谷之间、常规稻与杂交稻之间的分类识别进行了研究。结果表明,PCA分析法与LDA分析法在对6种不同稻谷之间的分类以及常规稻与杂交稻之间的分类中均未取得理想的效果,存在部分样本数据点重叠或样本数据点较近的情况,在实际应用中易发生混淆;而BP神经网络在对6种不同稻谷之间的分类中对测试集的识别正确率分别达到了90%,在常规稻与杂交稻之间的分类识别中对测试集的识别正确率达到了96.7%。上述试验验证了电子鼻用于常规稻与杂交稻稻谷分类识别的有效性,为常规稻与杂交稻的快速、无损分类识别提供了一种新的方法。     

电子鼻对草莓采后贮藏早期霉菌感染的检测

为了实现电子鼻对草莓贮藏期常见霉菌感染的早期检测,对草莓果实分别接种灰霉、扩展青霉和根霉3种主要病原菌,以无菌水处理为对照组,每2d采用PEN3电子鼻获取草莓的气味,并用气质联用技术分析草莓气味。结果表明,草莓接种病原菌2d后,主成分分析能够正确区分正常果实(对照组)与病害果实,且可以较好区分草莓感染病原菌种类,多元方差分析结果也显示接种不同病原菌对草莓果实挥发性物质的影响差异显著(P<0.05),通过Fisher判别建立的回归函数对3种病原菌灰霉、扩展青霉和根霉及对照组的判别正确率分别为100%、93.3%、86.7%和100%。载荷分析及气质联用技术结果表明病原菌对草莓果实挥发性物质的影响主要体现在烃类及酯类的变化。研究结果可为实现草莓采后贮藏和流通过程中质量变化和病原微生物的感染进行无损快速检测和监测提供参考。     

应用电子鼻判别西湖龙井茶香气品质

根据电子鼻工作原理与西湖龙井茶香气特征,探索利用电子鼻判别西湖龙井茶等级的方法。该研究提出顶空瓶内茶水直接混合的香气制备法,增强电子鼻响应信号、减少人为冲泡误差;合理选择电子鼻顶空进样及信号采集参数,提高香气指纹图谱信噪比;采用不同等级茶样循环交叉排列采集,增加传感器的适应性,剔除仪器系统误差;经校正集与预测集的样本划分,提高模型建立的可靠判别样本集。利用软独立建模分类法（SIMCA）建立不同等级西湖龙井茶判别模型,等级分类正确率高达95%以上,实现了西湖龙井茶的智能分等分级。     

基于多特征融合的电子鼻鉴别玉米霉变程度

为了提高电子鼻检测玉米霉变程度的正确率,该文探究了电子鼻信号不同特征组合的表征对霉变玉米鉴别结果的影响。首先,运用电子鼻对霉变玉米的5组样本训练集与测试集进行测试,获得测试信号。其次,分别提取测试信号的积分值(integral value,INV)、平均微分值(average differential value,ADV)、相对稳态平均值(relative steady-state average value,RSAV)作为特征值,5组训练集与测试集均分别采用3种单一的特征值或其组合特征值来表征。然后,运用Fisher判别分析(fisher discriminant analysis,FDA)分别对5组训练集进行判别分析,并用对应的测试集进行检验。FDA分析结果指出,电子鼻测试信息分别在单一特征和2个特征组合表征下,不同霉变程度玉米是不能有效分开的,但在2个特征组合表征下的鉴别正确率比单一特征有所提高;当用3个特征组合来表征测试信息时,FDA鉴别能力得到提高,鉴别正确率在96%以上。另外,借助于WilksΛ统计量考察了电子鼻中每个传感器测试信号表征的差异性,对3个特征组合的表征情况进行了表征变量筛选。FDA分析结果显示,筛选前后的鉴别结果非常相近,最低鉴别正确率均在96%以上,这说明不同传感器需要不同的特征表征,以体现其差异性,由此也减少了计算的复杂性。研究结果表明,用多特征融合模式可更有效地表征电子鼻对霉变玉米的响应信息,有利于提高霉变玉米的鉴别正确率。同时,该研究成果也不失一般性,为电子鼻信号表征提供了一种新思路。     

加气对西北旱区膜下滴灌棉花生长与水分利用效率的影响

针对膜下滴灌棉田土壤根际低氧胁迫抑制棉花水分利用问题，探讨不同生长阶段加气灌溉对棉花生长发育及水分利用的影响。研究设置了苗期、蕾期、花铃期、蕾期+花铃期、苗期+蕾期+花铃期5个加气阶段，以生育期不加气为对照进行田间试验。结果表明：花铃期加气土壤呼吸和土壤温度峰值较其他处理延后了9 d，使加气效果得到延长，更好地改善了土壤环境，在获得最大产量的同时，水分利用效率也最高。土壤氧气含量对棉花产量的影响程度最大，且花铃期土壤氧气含量对产量和水分利用效率的正面影响均大于其他生育期。因此，在棉花花铃期进行加气灌溉是缓解覆膜造成的棉花根际低氧胁迫，提升棉花产量与水分利用效率的最佳时期。研究结果对揭示加气灌溉对棉花生长的影响机制及进一步提高水土资源利用率提供了理论依据。     

基于电子鼻的果园荔枝成熟阶段监测

为了无损快速监测荔枝成熟阶段,该文提出了一种基于电子鼻技术的果园荔枝成熟阶段监测方法,采用PEN3电子鼻获取挂果约25 d到果实成熟过程中6个成熟阶段荔枝样本的仿生嗅觉信息并同步获取了各成熟阶段荔枝的3项物理特征(果实直径、果实质量与果实可溶性固形物含量)。根据不同成熟阶段荔枝物理特征变化可知,荔枝果实直径与果实质量2项物理指标在挂果约32 d~39 d,以及53 d~60 d增长较快,可溶性固形物含量在挂果约32 d前无法测量,53 d~60 d阶段增长速度较慢。提取各样本电子鼻采样数据75 s时刻的各传感器响应值作为特征值后,采用载荷分析(loadings)进行传感器阵列优化,优选了传感器R2、R4、R6、R7、R8、R9和R10的响应数据进行后续分析。将优化后的传感器响应数据进行归一化处理。采用线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)进一步提取特征信息,降低数据中包含的冗余信息。LDA对荔枝成熟阶段的分类识别效果不佳。为进一步探究电子鼻监测果园荔枝成熟阶段的可行性,采用模糊C均值聚类分析(fuzzy C means clustering,FCM)、k最近邻函数分析(k nearest neighbor,KNN)和概率神经网络(probabilistic neural network,PNN)进行模式识别。研究结果表明,FCM对果园荔枝成熟阶段识别的正确率为89.17%。采用KNN与PNN建立识别模型后,KNN与PNN识别模型对训练集的回判正确率均为100%,对测试集的识别率均为96.67%,具有较好的分类识别效果。试验证明了采用电子鼻进行果园荔枝成熟度监测的可行性,为果园水果品质的实时监测提供参考。     

豫东平原棉田土壤水分变化规律和灌溉试验研究

为探明棉花生育期间土壤水分对产量的影响，我们在豫东平原棉田进行了土壤水分状况和灌溉的试验研究。结果表明，豫东平原棉花生育期间土壤含水率存在3个低谷，分别出现在蕾期后期、花铃期后期和吐絮期中期，即棉花移栽后的21～27 d、69～75 d和102～108 d。从棉花蕾期至花铃期土壤储水量逐步增加到较高的水平，但在花铃期进行适时、适量的灌溉，同时控制盛絮期的耗水量有利于提高产量和土壤水分的利用效率(WUE)。通过2000～2002年间棉花蕾期、花铃期、吐絮期和盛絮期的田间耗水量与产量的回归分析，得出其影响产量的系数分别为0.24、1.48、-0.12和-0.33。研究认为，棉花田间灌溉的时期对产量的效应顺序为：花铃期＞蕾期＞吐絮期＞盛絮期。     

我国Bt棉花商业化的环境影响与风险管理策略

Bt转基因棉花于1997年在我国商业化种植，到2006年种植面积已达棉花总面积的70％。环境影响监测表明，Bt棉花有效地控制了棉铃虫和红铃虫的发生和为害，但盲蝽蟓类害虫演化上升成为棉田的主要害虫。抗性分析显示，虽然棉铃虫自然种群对Bt棉花抗性基因频率没有明显的变化，但Bt棉花髙强度种植地区的棉铃虫耐受性正逐年提高，已成为影响Bt棉花持续利用的主要因素。基于Bt棉花环境风险和影响因子的综合分析，本文讨论了Bt棉花环境风险的管理策略。     

辐照棉铃虫成虫田间扩散能力的研究

３００ Ｇｙ γ射线辐照棉铃虫（ Ｈｅｌｉｃｏｖｅｒｐａ ａｒ ｍ ｉｇｅｒａ Ｈｕｂｎｅｒ） 成虫（ 棉田第１ 代） 在田间的扩散试验表明：释放的标记虫约９７ ％ 集中在离释放点半径７２０ ｍ 的范围内。最远平均扩散距离为６１５ ｍ 。棉铃虫扩散密度与扩散距离呈倒数相关,符合模型 Ｎ ＝－ ０８３ ＋ １６４７３４／ ｘ 。野生棉铃虫有向嫩绿寄主植物扩散的趋势。     

提高防治棉花害虫效果的施药新技术方案

针对棉花不同生育期和害虫的发生及危害特点，提出了棉花全程动态施药的策略和技术方案，从而提高了农药的有效利用率和防治效果。经由手动喷雾器和机动喷雾机为核心组成的两套技术方案实验测定，表明其在防治棉花害虫，特别是防治棉铃虫方面，有较好的效果。     

磁化水膜下滴灌对棉田水盐分布特征及棉花生长特性的影响

通过田间小区磁化水滴灌试验,研究了磁化水膜下滴灌对土壤水盐分布特征、棉花生长特性及产量的影响。结果表明:磁化水灌溉可以提高土壤含水量,促进棉花根系对水分的吸收,0—100 cm土层内磁化强度为3 000 Gs时的土壤含水量最大,保水效果最好。磁化水灌溉可以有效降低土壤盐分含量,加快土壤盐分的淋洗,0—100 cm土层内各磁化水处理土壤平均含盐量表现为3 000 Gs4 000 Gs1 000 Gs5 000 Gs0 Gs,磁化淡水处理的土壤脱盐率为2.7%～28.2%,3 000 Gs磁化处理的土壤脱盐率最高;磁化微咸水处理的土壤积盐率为21.7%～33.9%。磁化水滴灌可以促进棉花生物量及产量的增长,淡水、微咸水磁化处理的产量较未磁化处理增加了8.98%～31.4%,3 000 Gs磁化处理下的棉花产量最高。从棉花生长特征、产量、水分利用效率等方面综合考虑,3 000 Gs为最佳磁化强度处理。     

基于自适应判别深度置信网络的棉花病虫害预测

作物病虫害预测是病虫害防治的前提,利用深度学习预测作物病虫害是一个有效且具有挑战性的研究课题。该文针对深度置信网络(deep belief network,DBN)在作物病虫害预测中的训练耗时长和容易收敛于局部最优解等问题,将自适应DBN和判别限制玻尔兹曼机(restricted boltzmann machine,RBM)相结合,利用棉花生长的环境信息,提出一种基于自适应判别DBN的棉花病虫害预测模型。该模型由3层RBM网络和一个判别RBM(discriminative restricted boltzmann machine,DRBM)网络组成,通过3层RBM网络将棉花生长的环境信息数据转换到与病虫害发生相关的特征空间,通过自动学习得到层次化的特征表示,再由DRBM预测棉花病虫害的发生概率。该模型将自适应学习率引入到对比差度算法中,通过自动调整学习步长,解决了在传统DBN模型训练时学习率选择难的问题;在学习过程中通过在DRBM中引入样本的类别信息,使得训练具有类别针对性,弱化传统RBM无监督训练时易出现特征同质化问题,提高了模型的预测准确率。对实际棉花的"棉铃虫、棉蚜虫、红蜘蛛"虫害和"黄萎病、枯萎病"病害的平均预测准确率为82.840%,与传统BP神经网络模型(BPNN)、强模糊支持向量机模型(SFSVM)和RBF神经网络模型(RBFNN)分别提高19.248%,24.916%和27.774%。     

辐照对棉铃虫精子传导及产卵反应的影响

本文报道辐照棉铃虫与正常棉铃虫精子传导。棉铃虫的精子传导是一个复杂的过程 ,正常棉铃虫精子传导的失败率为 1 9% ,经 2 50Gy和 40 0Gy辐照后 ,精子传导的失败率分别为 2 1 %和 50 %。精包“帽”定位的异常是精子传导失败的一个重要原因。当棉铃虫雌虫与高剂量辐照雄虫交配后 ,产卵反应表现异常。     

膜下滴灌间作盐生植物棉田水盐运移特征及脱盐效果

盐生植物改良盐碱地作为改良盐碱地最有效的方法之一,具有成本低,效率高,环境友好等特点,有良好的应用前景。该文包括2个研究目标:1)研究间作不同盐生植物的膜下滴灌棉田水盐运移特性;2)研究不同地下水埋深条件下盐生植物的盐碱地改良效果。针对第1个研究目标,设置了3种(孜然、碱蓬、苜蓿)间作盐生植物,进行大田试验,分析地下水埋深相似条件下间作不同盐生植物时土壤水盐分布状况;针对第2个研究目标,设置了4种地下水埋深(1.5、2.0、2.5、3.0 m),进行均衡场试验,研究不同地下水埋深条件下间作盐生植物时地下水的补给比例和土壤脱盐效果。结果表明:1)膜下滴灌棉田间作盐生植物能明显提高棉花生育期膜间和膜内0~30 cm土层平均含水率,且碱蓬效果最明显;间作条件下苜蓿、碱蓬、孜然、对照0~100 cm土层平均脱盐率依次为55.97%、-18.77%、-21.43%、-307.52%,即苜蓿的总脱盐率效果最好;间作盐生植物能在一定程度上抑制0~100 cm土层钠离子和氯离子的聚集,同时增加棉花产量和提高其水分利用效率,且碱蓬对抑制盐离子累积的效果最好;2)间作条件下,地下水埋深越浅,0~100 cm土层平均含水率越高,膜内膜间的含水率差异越小,土壤的脱盐率越低。与未间作相比,间作种植有效的提高了土壤脱盐率,增加了棉花产量、提高了地下水补给比例和水分利用效率。可见,膜下滴灌棉田间作盐生植物不仅可以有效降低土壤含盐量,增加其含水率,还可以增加棉花产量和提高其水分利用效率,且间作碱蓬和苜蓿的节水、脱盐、增产效果较好,这为膜下滴灌土壤盐碱地改良提供了有效的理论支撑。     

不同施氮量对棉花产量和棉田土壤养分的影响

为探讨连续定位试验条件下不同施氮水平对棉花产量和棉田土壤养分含量及养分利用效率的影响,于2018—2020年连续3年在阿拉尔开展田间试验,设置6个纯氮处理:0(N0)、90(N1)、180(N2)、270(N3)、360(N4)、450 kg·hm^-2(N5),研究了定点定量施氮对棉花土壤有机质、全氮、速效养分、植株干物重及含氮量、产量和氮肥利用效率的影响。结果表明,各处理土壤有机质、全氮及速效养分含量均随土层加深而减少。随施氮水平的提高,收获期棉田0~60 cm各土层土壤有机质含量基本无显著差异,全氮、碱解氮含量整体表现为N0、N1和N2处理低于N3、N4和N5处理,速效磷含量变化则反之;不同年限处理间速效钾含量基本以N3处理最低,至2020年N3处理0~60 cm土层速效钾平均含量较其他处理低23.49%~51.13%。棉花地上部单株干物重和单株含氮量均以棉铃占比最高,不同处理分别为59.04%~62.91%和56.48%~65.16%。各处理地上部单株干物重、单株含氮量、皮棉产量和氮肥表观利用率均随施氮量的增加呈先增后降的趋势,且均在N3处理达到最大,试验年内N3处理平均单株干物重和单株含氮量分别为117.25和1.96 g,皮棉产量2 419.39 kg·hm^-2,较其他处理分别高出29.75%、14.32%、8.18%、8.54%和10.21%,氮肥表观利用率也最高,为47.26%。因此,综合考虑产量及氮肥利用效率,推荐南疆阿拉尔地区棉花氮肥适宜用量为270 kg·hm^-2。在此施用量下可获得棉花高产,并减少收获期土壤养分残留。本研究结果为棉花精准施肥提供了理论依据。     

控释氮肥对棉花叶片光合特性及产量的影响

以鲁棉研28号为材料,设计100%树脂包膜尿素基施、50%普通尿素+50%树脂包膜尿素基施和棉花控释专用肥基施3种控释氮肥处理,研究了等氮条件下,不同控释氮肥处理对棉花光合特性及产量的影响。结果表明,与生产对照(CK2)相比,100%树脂包膜尿素处理和棉花控释专用肥处理提高了植株上部叶片叶龄45和60 d的叶绿素含量、PSⅡ的活性(Fv/Fo)、光化学最大效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)和光化学猝灭系数(qP),从而使叶片保持了较高的净光合速率;单株结铃数分别增加了0.77和0.84个,子棉产量分别增加6.2%和5.0%,皮棉产量分别提高6.4%和4.3%,分别达极显著和显著差异。而50%普通尿素和50%树脂包膜尿素处理与生产对照CK2差异较小。