Analysis of germination data from agricultural experiments

Expensive agricultural experiments deserve to be analyzed as efficiently as possible by extracting as much information as possible from the data while respecting the experimental design. We consider experiments where germination in response to time elapsed is used to characterize germination performance and vigour. We formulate statistical models in a biologically meaningful framework in such a way that the inherent data structure, which centers around repeatedly monitoring seeds over time, is duly incorporated in the statistical analysis. Consequently, estimation and model checking procedures are based on treating the data as event times, that is, to record the time it takes for germination (the event of interest) to occur. The key result is that the use of appropriate statistical models is important in order to get a better appreciation of the uncertainty that is present in germination experiments.     

特大暴雨下不同土地利用类型坡面切沟发育特征

切沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区水土流失的重要形式之一，然而极端暴雨条件下不同土地利用类型坡面切沟侵蚀研究还鲜见报道。该研究以陕北2017年"7·26"特大暴雨为例，研究了岔巴沟流域3种土地利用类型（农地、休闲地和撂荒地）坡面切沟发育形态特征及体积估算模型。结果表明：1）农地、休闲地和撂荒地切沟长度分布在20 m内的占比分别为55.6%、34.8%和44.8%；农地切沟平均深度为110 cm，分别比休闲地和撂荒地高18.3%、19.2%；农地和休闲地切沟平均宽深比分别为0.87和0.84，横断面呈"宽-浅型"，而撂荒地切沟呈"方型"（宽深比1.01）。2）撂荒地切沟侵蚀体积分别比农地和休闲地减少47.8%和28.3%，表明植被恢复有效地削弱了极端暴雨作用下的切沟侵蚀。3）农地切沟不同坡段侵蚀体积由高到低为下坡、上坡、中坡，而休闲地和撂荒地切沟侵蚀体积沿坡长方向呈递增趋势；3种土地利用类型切沟在上坡段的沟岸拓宽速率大于下切速率，中下坡则相反。4）农地、休闲地和撂荒地切沟侵蚀体积均与切沟长度、横断面面积呈极显著幂函数关系（P<0.001），横断面面积是切沟体积估算更为有效的参数。研究结果可为黄土高原丘陵沟壑区不同土地利用类型坡面切沟侵蚀体积估算及其防治提供重要依据。     

基于无人机多光谱影像的夏玉米SPAD估算模型研究

快速获取作物叶片叶绿素含量对及时诊断作物健康状况、指导田间管理具有重要意义。本研究以关中地区2020年夏玉米为研究对象,获取试验区无人机多光谱影像,提取植被指数,分析所选植被指数与SPAD的相关性,筛选得到模型的输入变量,利用偏最小二乘法（PLS）、随机森林回归（RF）和分层线性模型（HLM）分别构建拔节期、抽雄期、灌浆期以及全生育期的SPAD估算模型,最终选出最优估算模型,以期为快速获取夏玉米SPAD提供参考。研究发现：除NRI之外,NDVI、OSAVI、GNDVI、RVI、MCARI、MSR、CIre与SPAD均显著相关,其中,OSAVI、NDVI与SPAD呈现出较强且稳定的相关性;各个生育期的最优模型均是RF模型,在拔节期、抽雄期、灌浆期和全生育期,验证集R2分别为0.81、0.81、0.73、0.61,RMSE分别为1.24、2.32、3.13、3.20;对于SPAD估算模型,将降雨量、最高气温这两个气象因子与植被指数耦合的HLM模型可以一定程度提升线性模型的估算精度,但其精度低于RF模型。因此,基于无人机多光谱影像的RF模型可以实现夏玉米SPAD的快速准确估算。     

基于经验模式滤波与循环神经网络的水锤压力信号预测

为准确预测水锤信号变化规律,实现对水锤冲击强度和能量等特性的提前预判,针对水锤冲击信号提出了一种基于经验模式分解(empirical mode decomposition,EMD)和循环神经网络(recurrent neural network,RNN)的模型预测方法.首先,通过EMD获取具有不同频率的IMF分量,根据水锤信号的频域特性剔除高频噪声分量并重构信号以实现滤波,滤波后信号能量损失不足0.1%;进而,建立了基于RNN模型的时间序列预测模型,搭建试验平台获取水锤冲击信号,完成了RNN模型的训练和参数调节;随后,对不同流速下水锤冲击信号进行序列预测,在测试集与训练集流速不同条件下,得到了准确的预测结果,表现出一定泛化能力.对比分析预测水锤信号与实际信号,得到R²系数大于0.990 0,幅值和能量损失不足1%,验证了所提出方法的正确性,主要结论和建模方法可为各类输水系统的风险评估、管路监测和健康管理提供理论指导和技术手段.     

秸秆氨化还田对农田水分与夏玉米产量的影响

寻求秸秆资源的有效还田方式对干旱半干旱区农业的可持续发展具有重要意义。本文于2014年和2015年在夏玉米全生育期设置2个秸秆氨化水平（A0:未氨化冬小麦秸秆,A1:氨化冬小麦秸秆）和2个秸秆长度水平（L0:粉碎为短秸秆,L1:大于50mm冬小麦长秸秆）翻压还田,分析不同预处理秸秆还田条件下夏玉米全生育期株高、叶面积指数、地上部生物量、冠层覆盖度等生长指标以及土壤贮水量、耗水量、产量和水分利用效率的变化。结果表明,2年夏玉米氨化短秸秆翻压还田处理（A1L0）平均土壤体积含水率较未氨化长秸秆处理（A0L1）分别提高了10.7%和6.4%;氨化处理土壤体积含水率明显高于未氨化处理,但不同处理间耗水量差异较小;夏玉米灌浆期氨化短秸秆翻压还田处理（A1L0）的平均冠层覆盖度（CC）比其他处理高3.7%~10.7%;成熟期氨化短秸秆翻压还田处理（A1L0）的平均地上部干物质量比其他处理高 2.1%~9.5%,平均产量比其他处理增加2.8%~9.1%,平均水分利用效率比其他处理增加1.7%~7.4%;氨化短秸秆翻压还田处理（A1L0）能显著提高夏玉米地上部生物量与籽粒产量。因此,氨化短秸秆翻压还田能有效促进夏玉米生长,保持较好的土壤水分条件,有助于提高夏玉米产量和水分利用效率。     

连续降雨条件下工程堆积体产流产沙对砾石含量的响应

[目的] 探究连续降雨条件下不同砾石含量对陕北沙壤土上方有来水工程堆积体坡面产流产沙的影响,为生产建设项目水土流失治理提供数据支撑和理论参考。 [方法] 通过室内模拟降雨试验,研究不同砾石含量(0,10%,20%,30%,40%)工程堆积体坡面土壤水动力学特性及产流产沙特征。 [结果] ①降雨强度相同,随砾石含量增加,工程堆积体坡面初始产流时间表现为递减趋势,减幅为27.22%～64.62%,35.09%～71.70%,47.37%～78.77%,51.75%～82.31%。次降雨径流率表现为“迅速增加—稳定波动”的变化趋势,平均径流率随砾石含量、降雨时间的增加显著增大;但产流峰值随砾石含量增加而降低,且出现时间逐渐提前。 ②试验各场次雷诺数的变化范围介于74.13～165.05,均小于500,水流属于层流;弗劳德数的变化范围集中在2.14～3.71,表现为急流。水流剪切力、水流功率和单位水流功率随降雨场次的增加而显著增加。 ③0%～40%砾石含量工程堆积体坡面侵蚀速率介于0.45～6.73,0.13～4.09,0.25～1.26,0.14～0.96,0.13～0.88 g/(m²·min),各砾石含量堆积体减沙幅度分别为36.06%,49.05%,55.23%和56.62%,其中砾石高覆盖度(40%)的沙壤土工程堆积体坡面土壤侵蚀强度较小。 [结论] 砾石覆盖在沙壤土工程堆积体坡面的水土流失过程中可显著降低土壤侵蚀速率,从而实现拦蓄水土,保持较高的减沙效益。     

雨滴击溅对耕作层土壤团聚体粒径分布的影响

为研究不同雨滴直径的降雨对耕作层团聚体的破碎及其粒径分布特征的影响,该文选取4个雨滴直径(2.67~3.79 mm)对耕层土壤(0~20 cm)团聚体进行雨滴击溅试验,每次试验各滴5 000滴,每1 000滴收集1次溅蚀团聚体。结果表明:1)所有收集次序中雨滴直径3.79 mm溅蚀量最大,累积雨滴数为2 000、3 000和4 000时,溅蚀量与雨滴直径均呈显著的指数函数关系。2)各雨滴直径的溅蚀量随粒径减小呈增大-减小-增大趋势,2 mm粒径的溅蚀量几乎为0,0.053 mm粒径的溅蚀量随雨滴直径增大而增大。3)相同雨滴直径不同累积雨滴数之间平均重量直径值差异不显著,相同累积雨滴数不同雨滴直径之间平均重量直径值差异不显著(P0.05)。4)不同雨滴直径溅蚀团聚体富集率随粒径变化一致,1 mm粒径溅蚀量团聚体富集率值接近0,0.053~1 mm粒径团聚体富集,1 mm粒径团聚体主要破碎成0.053~1 mm粒径团聚体,且粒级越小,富集率越高。研究可为黄土高原地区水土保持提供理论依据。     

基于AHP-熵值法组合赋权的甘肃省城市生态用水安全综合评价及影响因素分析

[目的] 综合评价甘肃省城市生态用水安全的关键影响因素,为协调地区生态、生产和生活的关系提供借鉴。[方法] 基于社会、经济、生态以及水资源开发利用,构建生态用水评价体系;综合层次分析法和熵值法得出权重,进行生态用水安全水平划分,并辨析生态用水安全主要影响因素。[结果] ①2020年嘉峪关、兰州和甘肃省整体生态用水安全指数值大于0.5,处于基本安全水平,其他12座城市均处于较不安全水平。 ②2011—2020年核心区的生态用水安全水平较低,主要受生态效益子系统影响。 ③绿化覆盖面积、生态环境用水比例、人均公园绿地面积和城市化水平是影响生态用水安全水平的主要障碍因子,其贡献度在45%以上。[结论] 甘肃省各市区生态用水安全不容乐观,需提高生态效益来改善甘肃省各市区生态用水安全。     

西藏“一江两河”地区水力侵蚀的时空分异规律

[目的] 对西藏自治区“一江两河”地区土壤侵蚀强度及其时空分异规律进行分析,为该地区土壤侵蚀防治与生态治理提供科学依据。[方法] 基于降雨、数字高程模型DEM、土壤、植被及土地覆被等数据,利用修正通用土壤流失方程(RUSLE)及空间信息技术(GIS)等方法估算研究区1995,2005,2015和2020年的土壤侵蚀模数并进行土壤侵蚀强度分级,分析“一江两河”地区土壤侵蚀强度时空变化特征,阐明水土流失面积变化规律。 [结果] ①“一江两河”地区平均土壤侵蚀模数为30.35 t/(hm²·a),随时间呈先增加后降低的总体趋势,且土壤侵蚀模数呈减少趋势的区域面积逐年增加。 ②研究区土壤侵蚀强度呈西高东低的趋势,以轻度和微度为主,面积比例总和达70%及以上,各等级土壤侵蚀面积转移以中度侵蚀→轻度侵蚀为主。 ③流域内水土流失面积比例总体呈现减小趋势,谢通门县、拉孜县为侵蚀风险较高的区域。 [结论] “一江两河”地区土壤侵蚀具有较强的时空分异性,中部地区土壤侵蚀风险较高,水土保持治理亟需加强。