基于光谱预处理和机器学习算法的烤烟叶绿素含量预测

叶绿素是作物进行光合作用合成有机物的主要色素,实时监测烤烟叶片叶绿素含量对跟踪烟株氮素营养状况和判别烟叶成熟度具有重要的指导作用。基于对烤烟叶片光谱特征的分析,以不同供氮水平下实测的烟叶高光谱数据及叶绿素相对含量(SPAD)为数据源,采用一阶导数(1st Der)、多元散射校正(MSC)、标准正态变量(SNV)和SG平滑(SG)对原始光谱数据进行预处理,先采用连续投影法(SPA)挑选出每个预处理条件下的特征波长,后将各特征波段下的光谱反射率作为模型的输入变量,利用反向传播神经网络(BPNN)、随机森林(RF)和支持向量机(SVM)3种机器学习的方法分别构建烤烟叶片叶绿素含量估测模型。使用决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和平均绝对值误差(MAE)对每个机器学习模型的性能进行了评估和比较。结果表明:3种机器学习方法训练出的模型相比较,RF模型的预测准确率最高;烤烟叶片原始光谱经MSC和SNV预处理后的光谱信息作为输入变量,经RF算法建模具有较高的精度和良好的预测能力,模型为MSC-SPA-RF(R2=0.96,RMSE=1.15,MAE=0.94)和SNV-SPA-RF(R2=0.96,RMSE=1.14,MAE=0.94)。说明基于机器学习利用高光谱数据估算烤烟叶片叶绿素含量具有可行性,这为实时、精确地监控烤烟生长过程中叶片叶绿素含量变化状况以及合理科学的进行田间管理提供了一定的理论基础。     

我国西南烟区典型植烟土壤烤烟氮素的吸收规律

通采用¹⁵N同位素示踪方法,研究我国西南烟区典型红壤、黄壤、水稻土烤烟的氮素吸收规律。结果表明,烤烟氮素的累积与烟叶产量显著正相关,西南烟区烤烟氮适宜需求量为60~100 kg hm^–2。不同土壤类型上种植的烤烟,其氮吸收差异显著,云南红壤烤烟生长前期的氮素吸收速率最高,其次是水稻土烤烟,黄壤烤烟最低;相应氮素吸收高峰分别在移栽后7、9和11周。烤烟中总氮、土壤氮、肥料氮的吸收速率均呈单峰曲线变化,且肥料氮的吸收高峰早于土壤氮;烤烟进入旺长期以后,土壤氮的吸收速率逐渐高于肥料氮,转入以吸收土壤氮为主。西南烟区烤烟打顶前土壤氮的累积比例为59.8%,肥料氮为72.1%,不同土壤类型烤烟打顶前氮素累积比例差异显著,红壤、黄壤、水稻土烤烟分别为87.8%、47.3%和49.2%。因此,根据不同土壤类型烤烟氮素吸收动态,在适宜的氮素需求量下,应以烤烟打顶前氮素需求量和土壤氮素供应量来计算烤烟氮肥需求量。     

基于插值法分析施肥量和留叶数对烤烟的影响

为明确烤烟适宜的施肥量和留叶数,提升烟叶生产过程中的综合效益,以施肥量和留叶数为变量,采用正交试验设计,通过插值的方法分析了不同施肥量、留叶数对烤烟农艺性状、经济性状、品质性状的影响。结果表明：随着施肥量由450 kg·hm^-2增加至600 kg·hm^-2,烤烟长势显著提升,产量、均价、中部和上部烟叶主要化学成分协调性评价总分逐渐提高;随着留叶数由每株16片增加至20片,成熟期最大叶面积与倒3叶面积差值逐渐增大,株形呈“倒塔形”-“筒形”-“塔形”变化。产量、产值分别提高20.8%、18.8%,上等烟率、均价分别降低7.6%、1.5%,烟叶种植净收益逐渐提高,中部和上部烟叶主要化学成分协调性评价总分均呈现先升高后降低的变化趋势。在烟叶生产过程中,适度提高养分供给强度,并增加留叶数,有利于提高烟叶品质,且烟农种植净收益较高。     

不同种植模式对黄壤烟田 N2O排放的影响

为探明烤烟-玉米轮作和烤烟连作在黄壤烟田N_2O排放变化特征,并探明不同环境因子对其排放通量的影响。2016年于贵州省烟草科学研究院龙岗长期养分定位试验站,采用静态箱—气相色谱法测定了N_2O含量,试验共设3个处理,不施任何肥料+轮作(CK);常规施肥+轮作(CR);常规施肥+连作(CC)。试验结果表明,烤烟生长季,各施肥处理的黄壤烟田N_2O排放均有2次高峰,峰值主要出现在烤烟施基肥后3～5 d和追肥后1～7 d,其中施基肥后N_2O排放累积量占整个生长季N_2O排放累积量的比例较高,范围为16.26%～18.30%。各个处理N_2O平均排放通量的顺序是CCCRCK,其平均排放通量分别为0.044、0.022和0.013 mg·m~(-2)·h~(-1);相同施肥量条件下,烤烟连作较轮作N_2O排放总量提高了2倍,烤烟生物量降低了30.01%。相关分析表明,施肥+轮作的烟田N_2O排放通量与土壤硝态氮含量有关(P0.05)。黄壤烟田轮作后显著降低了土壤N_2O排放量,合理轮作是降低黄壤烟田温室气体N_2O排放的重要途径。     

稻草还田对烟田追肥气态氮损失及相关微生物的影响

研究不同农业措施下N2O和NH3的排放，对减缓温室效应及雾霾治理有重要意义。针对烟田追肥浇施的特殊管理方式，以水稻烤烟轮作定位试验为平台，于2017年选择单施化肥（NPK）、化肥+稻草还田（NPKS）、化肥+稻草还田+饼肥（NPKSB）3个处理，研究稻草还田对追肥气态氮损失及其相关微生物群落结构的影响。研究显示，烤烟追肥后土壤NH3挥发和N2O排放速率开始上升，2～3d达到最大，之后开始下降。NPK处理追肥氨挥发氮量为1.45±0.04 kg/hm2、N2O排放氮量为2.49±0.23 kg/hm2，气态氮损失中以N2O排放为主。与单施化肥相比，稻草还田配施化肥提高了土壤含水量、改变了氧化亚氮还原酶基因（nosZ）和氨氧化细菌（AOB，Ammonia Oxidizing Bacteria）的微生物群落结构，其根瘤菌目相对丰度显著降低、红螺菌目相对丰度显著升高；同时N2O排放量增加了55.35%、氨挥发氮量显著降低了11.43%，气态氮损失显著增加。与单施化肥相比，化肥+稻草还田+饼肥处理提高了土壤含水量、改变了nosZ和AOB基因的微生物群落结构，其伯克尔霍尔德氏菌目相对丰度显著提高。化肥+稻草还田+饼肥处理N2O排放量与单施化肥差异不显著，氨挥发氮量显著降低了8.91%，但两者气态氮损失差异不显著。化肥+稻草还田+饼肥处理N2O排放量较化肥+稻草还田处理降低27.82%，但两者氨挥发量差异不显著。综上所述，秸秆还田抑制了土壤氨挥发、激发了N2O排放，稻草还田配施饼肥能够降低土壤氨挥发、抑制稻草还田引起的N2O排放。     

砖肥对土壤电导率及烤烟根系分布的影响

紫色土分布区域降雨集中、土壤养分淋失严重,导致土壤肥力下降、根区养分供应不足、根系发育不良等问题,提升土壤养分的供应强度有利于优化根系空间分布格局和促进根系生长。将原料肥和有机物料混匀后,利用1400 kg/cm2的强大压力将其压制成砖肥(BF),同时,设置原料肥和有机物料物理混合(CK)为对照。于关键生育期测定垄向截面不同土层深度和离烟株不同远近距离的格点位置的土壤电导率(EC)、不同直径的根系组成和根系生物量,采用Logistic模型、指数模型拟合根系空间分布关键参数和生物量累积关键参数,研究砖肥对烤烟根区电导率及根系生长的影响。结果表明:在烤烟根系主要分布区,即主根系半径12.5 cm处,深度2.5～12.5 cm的土壤剖面,BF处理的EC比CK高90.5～281.6 μS/cm;主根系半径17.5 cm处,深度2.5～17.5 cm的土壤剖面,BF的EC比CK高160.1～392.2 μS/cm。在主根系15～20 cm水平半径内,BF的根系重量比CK提高150%;分布在10～15 cm深度土层的根系重量提高了26.5%,并且土壤剖面10～20 cm之间的侧根伸展性更强、分布更广。移栽后75、90和105 d,BF的田间根系生物量分别比CK提高12.7、11.9和9.7 g/株,烟叶生物量分别比CK高24.5、13.6和17.1 g/株,根系和烟叶生物量最大累积速率分别比CK提高了43.5%和15.7%。对于淋失严重的土壤,施用砖肥可以提高养分供应强度、优化根系分布格局和促进烤烟生长发育。     

冕宁烤烟推荐施肥关键参数试验研究

为了研究凉山冕宁烟区烤烟养分管理的关键参数,以当地主栽品种云烟87为试验材料,采用田间试验探讨了不同氮、磷、钾施肥水平对云烟87产量、养分吸收利用规律和肥料效应的影响.结果表明:氮、磷、钾对凉山烟区烤烟产量的影响大小表现为氮>磷>钾;不同处理中,处理VI(N 90 kg/hm2,P2O590 kg/hm2,K2O 27...     

应用~(15)N示踪研究不同有机物对烤烟氮素营养及品质的影响

【目的】了解有机肥氮对烤烟氮素营养的贡献及在烟株生长过程中的动态,为烤烟合理施肥提供依据。【方法】采用15N同位素示踪方法,研究菜籽饼肥、油菜秸秆、稻草秸秆中氮素对烤烟氮素营养的贡献及对烤烟品质的影响。【结果】结果显示,有机添加物与无机氮肥配施中,菜籽饼肥、稻草秸秆、油菜秸秆的氮素利用率分别为19.5%、15.5%、8.1%,相应无机氮肥的利用率分别为41.1%、42.7%和35.7%。菜籽饼肥、稻草秸秆、油菜秸秆对烤烟氮素累积量的贡献分别为1.0%、2.4%、2.7%,其中打顶(63d)后饼肥、稻草秸秆、油菜秸秆的供氮量分别占其供氮总量的4.4%、20.8%、18.9%。【结论】秸秆及饼肥对烤烟氮素营养的贡献率较低,有机肥与无机氮肥配施降低了烟叶烟碱含量,增加了糖碱比,改善了烟叶品质,其中秸秆还田的降碱作用大于饼肥,可以作为降碱措施之一。     

植烟黄壤供氮特征研究

【目的】研究烤烟生长期间植烟黄壤的氮素矿化及供氮特征,为烟草氮素营养调控提供理论依据。【方法】选择两块有机质含量存在差异的黄壤试验田,每块试验田设休闲、植烟不施氮、植烟施氮90kg·hm-2、植烟施氮120kg·hm-24个处理,采用埋袋法进行田间原位培养。【结果】在烤烟生长期间,不施肥植烟土壤氮矿化存在两个高峰,一是在烤烟旺长期(烤烟移栽后42d左右),二是在烤烟打顶后(烤烟移栽后77d左右)。在烤烟生长期间,随着时间的推进矿化氮累积量增加,至烤烟移栽91d左右,矿化氮累积量趋于平缓。有机质含量为15.5和23.7g·kg-1的不施肥植烟土壤累积矿化量分别为80.4和88.5kg·hm-2,打顶后土壤矿化氮量占其矿化氮总量的58%、65%。土壤有机质含量对土壤氮素矿化动态影响不显著,肥料氮的施用导致土壤氮矿化动态波动幅度增大,在烤烟生长前期形成净固定,对烤烟生长后期土壤净矿化产生显著正激发效应。【结论】调控烟草生长后期土壤氮素矿化,能够减少烟草生长后期土壤氮素供应;减少烟草生长前期土壤无机氮固定,促进烟草生长前期无机氮释放,也能在一定程度上缓解烟草生长后期土壤氮素供应过量的问题。     

根区施肥对烤烟干物质积累及氮吸收的影响

为探明根区内不同施肥空间对烤烟氮素吸收与利用的影响,试验在田间条件下,设置T1(对照)、T2(直径15 cm)、T3(直径20 cm)、T4(直径25 cm)4个处理,烤烟品种为云烟87,小区试验设计,3次重复。结果表明:土壤有效氮含量T2处理处于最低值,对照最高,2个处理之间差异显著,T4与对照之间无显著差异;地上部干物质积累量随着生育期延后表现出一直增加的变化,第17周时T4比对照提高了17.78%,差异显著,T2、T3均低于对照;地下部干物质积累量T2处于最低值,与对照之间差异显著,T4高于对照16.17 kg/hm~2;地上部氮吸收量T2、T3、T4分别低于对照17.82、9.04、6.07 kg/hm~2;地下部氮吸收量T4低于对照0.15 kg/hm~2,无显著差异,T2、T3显著低于对照;T4氮利用率高于对照12.90%。分析认为,综合土壤有效氮积累量,地上、地下氮积累量和氮肥利用率可知根际施肥空间在20 cm之内不利于烤烟根系对氮素营养的吸收,而T4的空间施肥是提高氮素积累的最适处理。