Deep neural network algorithm for estimating maize biomass based on simulated Sentinel 2A vegetation indices and leaf area index

Accurate estimation of biomass is necessary for evaluating crop growth and predicting crop yield.Biomass is also a key trait in increasing grain yield by crop breeding.The aims of this study were(i)to identify the best vegetation indices for estimating maize biomass,(ii)to investigate the relationship between biomass and leaf area index(LAI)at several growth stages,and(iii)to evaluate a biomass model using measured vegetation indices or simulated vegetation indices of Sentinel 2A and LAI using a deep neural network(DNN)algorithm.The results showed that biomass was associated with all vegetation indices.The three-band water index(TBWI)was the best vegetation index for estimating biomass and the corresponding R2,RMSE,and RRMSE were 0.76,2.84 t ha−1,and 38.22%respectively.LAI was highly correlated with biomass(R2=0.89,RMSE=2.27 t ha−1,and RRMSE=30.55%).Estimated biomass based on 15 hyperspectral vegetation indices was in a high agreement with measured biomass using the DNN algorithm(R2=0.83,RMSE=1.96 t ha−1,and RRMSE=26.43%).Biomass estimation accuracy was further increased when LAI was combined with the 15 vegetation indices(R2=0.91,RMSE=1.49 t ha−1,and RRMSE=20.05%).Relationships between the hyperspectral vegetation indices and biomass differed from relationships between simulated Sentinel 2A vegetation indices and biomass.Biomass estimation from the hyperspectral vegetation indices was more accurate than that from the simulated Sentinel 2A vegetation indices(R2=0.87,RMSE=1.84 t ha−1,and RRMSE=24.76%).The DNN algorithm was effective in improving the estimation accuracy of biomass.It provides a guideline for estimating biomass of maize using remote sensing technology and the DNN algorithm in this region.     

覆盖作物多样性对猕猴桃园土壤微生物群落功能的影响

以丹江口水源涵养区猕猴桃园为研究对象,运用Biolog微平板技术,研究不同种类覆盖作物处理(2、4、8种和清耕对照)下土壤微生物群落功能多样性的差异。结果表明,覆盖作物处理土壤微生物群落对碳源的利用程度、功能多样性指数和丰富度指数均高于清耕对照。覆盖作物及清耕对照处理土壤微生物Shannon-Wiener多样性指数、丰富度指数与土壤含水量、有机碳、pH、微生物量碳氮呈显著正相关关系。主成分分析与碳代谢图谱分析表明,猕猴桃园增加覆盖作物种类提高了土壤微生物对碳源的利用能力,且对D-甘露醇、L-精氨酸、L-天门冬酰胺、L-苯丙氨酸、γ-羟丁酸、α-丁酮酸、4-羟基苯甲酸、吐温40的利用能力显著高于清耕对照。此外,4种覆盖作物处理对猕猴桃园土壤生态环境的影响优于2种和8种。研究表明,猕猴桃园增加覆盖作物多样性改变了土壤环境因子,影响了土壤微生物群落的代谢活性和功能多样性。     

3种遥感产品检测黄土高原森林变化及差异比较

基于Landsat Vegetation Continuous Fields（LVCF）、MODIS Vegetation Continuous Fields（MVCF）和MODIS Land Cover（MODLC）等遥感产品和森林清查数据（NFI）检测2000-2015年黄土高原森林分布及变化。结果表明:1）2000-2015年黄土高原森林覆盖度升高，基于LVCF和MVCF的全区森林覆盖度均值分别由2000年的7.8%和9.6%增加到2015年的9.7%和13.2%。2）遥感产品估算的森林分布空间格局和面积差异较大，基于LVCF、MVCF和MODLC估算的黄土高原森林面积在2000年分别为726.6×10⁴、604.7×10⁴ hm²和325.1×10⁴ hm²，2015年分别为926.2×10⁴、998.3×10⁴ hm²和400.1×10⁴ hm²。3）遥感产品估算的省级尺度上森林面积与NFI的不一致性因省份和年份而异，LVCF与NFI一致性整体略优于MVCF，MODLC与NFI差异最大且估算的森林面积远低于LVCF、MVCF和NFI。4）遥感产品检测的陕西和山西2省的森林面积增加值与NFI一致性高于宁夏；基于遥感产品估算的宁夏森林面积及增加幅度均远低于NFI。     

大丽轮枝孢激活蛋白对小麦旗叶面积及其光合特性和籽粒产量的影响

为明确大丽轮枝孢激活蛋白（Verticillium Dahliae Asp-f2 Like，简称VDAL）对冬小麦旗叶面积、花后光合特性及籽粒产量的影响，于2017-2018和2018-2019年两个小麦生长季，以强筋冬小麦品种藁优2018为材料，在河北藁城设置大丽轮枝孢激活蛋白种子包衣，并在大田条件下设置春三叶（倒四叶）露尖（S3）、春四叶（倒三叶）露尖（S4）、春五叶（倒二叶）露尖（S5）、春六叶（旗叶）露尖（S6）以及孕穗期（SB）叶面喷施VDAL和全生育期不喷施VDAL（S0）6个处理，以不包衣且不喷施为对照（CK），分析了VDAL对小麦旗叶面积、花后光合特性和产量的影响。结果表明，S4和S5处理显著（P＜0.05）增加了旗叶的长或宽，从而增大了叶面积。S4、S5和S6处理可以维持旗叶花后较高水平的净光合速率。各喷施处理的籽粒产量均有不同程度的提高，与CK相比，两年间S4处理的籽粒产量均显著（P＜0.05）提高，2018-2019年，S5处理的穗粒数和籽粒产量也显著（P＜0.05）提高。综上，采用VDAL种子包衣，并于春生4~5叶龄喷施VDAL，可以增加旗叶面积和旗叶花后净光合速率，提高穗粒数和千粒重，从而达到增加产量的目的。     

河西荒漠灌区紫花苜蓿施肥效应及其基于数据包络分析法的经济效益研究

为科学准确地评判河西走廊苜蓿主产区紫花苜蓿饲草生产中施肥措施对其产品质量及生产收益的影响,本研究以“甘农3号”紫花苜蓿为材料,通过2016、2017年2年田间试验,以该区域紫花苜蓿饲草生产的平衡施肥推荐方案(N 103.5 kg·hm^-2、P₂O₅ 105 kg·hm^-2、K₂O 90 kg·hm^-2)为对照,探讨了不施肥及3种不完全施肥(缺氮偏施、缺磷偏施、缺钾偏施)处理下紫花苜蓿的生产性能,并采用数据包络分析法(DEA)对其经济效益进行分析。结果表明:与不施肥相比,施肥措施各处理均显著提高紫花苜蓿产量、蛋白总量,降低其酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维,提高了相对饲用价值,从而改善了紫花苜蓿品质,并有效增加了经济效益;与氮、磷、钾平衡施肥相比,各偏肥处理的紫花苜蓿产量和品质均显著低于平衡施肥,尤以缺磷偏施的降幅最大,2016、2017年2年的产量和蛋白总量降幅分别达到25.9%、25.7%和33.4%、33.1%。因此,磷是河西荒漠灌区紫花苜蓿饲草生产的养分限制因子,氮、磷、钾对该地区紫花苜蓿生产性能影响顺序为:磷>氮>钾。运用数据包络分析法(DEA)分析出河西荒漠灌区紫花苜蓿的施肥效应为氮、磷、钾平衡施肥的经济效益最优,为DEA有效;不完全施肥的3个评价单元及不施肥评价单元为DEA无效,其中,不施肥经济效益最低,3个不完全施肥评价单元中的缺磷偏肥的紫花苜蓿经济效益比缺氮偏肥和缺钾偏肥更低;另外还以DEA模型推算出不同施肥措施下紫花苜蓿饲草生产经济效益改进的具体方案,其中,不施肥的紫花苜蓿饲草生产需调整的幅度最大,调整额度达10678.88 CNY·hm^-2,各施肥措施需调整的幅度排序为:不施肥>缺磷偏施>缺氮偏施>缺钾偏施。     

喀斯特山区不同土地利用方式下石灰土化学风化特性

研究喀斯特山区不同土地利用方式（耕地、荒草地、退耕还草地和林草间作地）石灰土剖面化学风化特征，探讨矿质元素在石灰土剖面的分布、迁移和富集特征，从不同土地利用方式下土壤风化度，元素淋溶度、迁移度和残积度的角度分析土壤化学风化特征。结果表明：喀斯特山区石灰土剖面氧化物含量以SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃为主，其他氧化物含量相对较低，均属于中等变异元素，SiO₂、Al₂O₃、MgO含量以荒草地较高，CaO、Na₂O含量以林草间作地较高，Fe₂O₃、MnO、P₂O₅、K₂O以耕地较高；研究区土壤处于中等化学风化阶段，富铝化程度弱，不同土地利用方式下荒草地土壤化学蚀变系数较强，林草间作地土壤富铝化程度较高；研究区土壤K、Na、Ca淋失严重，荒草地盐基离子淋失明显，林草间作地盐基离子淋失程度相对较低；土壤Fe、Al相对富集明显，残积程度高，林草间作地Al含量积累明显，退耕还草地Fe含量富集显著；实施“退耕—还草”等增加植被覆盖度的治理模式对土壤的保护作用显著。     

马奶子葡萄叶面积评估模型的建立

【目的】研究新疆南疆地区马奶子葡萄叶长、叶宽、叶长×叶宽及叶面积之间的关系,为田间快速估测葡萄叶面积提供方法。【方法】以南疆地区马奶子葡萄品种的叶片作为研究对象,测定叶片的叶长、叶宽、叶长×叶宽及叶面积值,分析不同指标和马奶子葡萄叶面积之间的关系。【结果】建立的叶面积估测的二元回归方程,是估测马奶子葡萄叶面积最佳的回归方程,估测的平均差异率仅为2.103%;建立的二元回归方程y₁=12.990x₁+2.501x₂-66.109为最优方程。【结论】马奶子葡萄叶片的叶长、叶宽、叶长×叶宽与叶面积均存在极显著相关,运用回归法估测马奶子葡萄叶面积,既不破坏树体,又具有简便易测、可靠性强、准确性高的优点。     

北疆盐碱地空间分布特征分析

为了探究北疆盐碱地空间分布过程中盐碱化程度与经度、纬度及海拔高度之间的关系，基于1985年土壤调查结果，结合2015年Landest 8遥感解译去除人工绿洲结果，采用2 km×2 km网格单元，以盐碱地面积占总面积的比例作为检验区域盐碱化程度的指标，对盐碱地分布情况进行统计和分析。结果表明，北疆地区盐碱化程度受地形和降水的影响明显，特别是受土壤类型的影响更为密切；北疆地区盐碱化程度，由西向东呈增大趋势（P=0838），主要集中分布在E90°～E96°范围内，盐碱土占总面积的比例为7562%；由南向北呈减小趋势（P=-0768），主要集中分布在N40°～N43°范围内，盐碱土占总面积的比例为7782%；由低到高呈减小趋势（P=-0767），主要集中分布在-160～500 m范围内，盐碱土占总面积的比例为4741%。北疆盐碱地空间分布特征的分析对于揭示北疆盐碱化程度的变化规律，促进北疆盐碱土资源的合理开发和维持地区生态安全具有重要的意义。     

垄作稻鱼鸡共生对水稻群体生长特性及产量形成的影响

为了探究水稻垄作栽培和稻鱼鸡共生模式的结合对水稻群体生长特性及产量形成的影响，在总结前人垄作栽培、稻鱼和稻鸡共生模式的研究基础上，提出了水稻垄作栽培养鸡养鱼的种养结合技术，通过设计常规水稻垄作栽培(CK)、水稻垄作养鱼(RF)、水稻垄作养鸡(RC)和水稻垄作养鸡养鱼(RFC)的田间对比试验，研究了不同垄作稻鱼鸡共生模式下的水稻群体生长特性和产量形成。结果表明：与CK处理相比，2年中RFC和RC处理的水稻平均产量能够维持稳定，平均有效穗、每穗总粒数、结实率和千粒重虽有差异，但均未达到显著性差异；RF处理水稻产量、有效穗、每穗总粒数、结实率和千粒重平均降幅分别为29.98%、19.70%、484%、3.99%和5.74%，且均达到显著性水平。2年中RFC、RC处理的茎、叶和穗的干物质平均积累量与CK处理整体不存在显著差异，但较RF处理均显著增加。RFC、RC和CK处理水稻茎和叶在齐穗前干物质积累量显著高于RF处理，平均增幅分别为56.23%、50.66%和54.15%，齐穗后干物质积累量的降幅慢于RF处理，并且维持叶面积指数在较高水平，平均增幅为41.38%、38.35%和38.23%。2年中RFC、RC和CK处理较RF处理均具有较高的群体生长速率、净同化率和光合势，其中群体生长速率增幅分别为77.94%、70.29%和7669%，净同化率为40.07%、39.47%和38.87%，光合势为38.39%、35.49%和35.94%，进而为稻穗积累更多的干物质量和产量的形成奠定基础。综上可知，垄作稻鱼鸡共生和垄作稻鸡共生利于水稻的干物质积累及叶面积指数、群体生长速率、净同化率和光合势的提高，进而保证水稻产量稳定。     

PEG胁迫下春小麦萌发期抗旱指标的遗传力

为探索干旱胁迫对春小麦萌发期生长的影响,筛选春小麦萌发期抗旱性指标。以宁夏灌区和雨养区的2种粒色（红皮和白皮）40份春小麦的抗旱品系为试验材料,研究PEG-6000模拟干旱胁迫对胚根长、胚根数、胚芽鞘长和一叶长的影响。利用广义遗传力分析法,筛选春小麦萌发期抗旱性指标。胚根长的广义遗传力最高,均大于0.55,遗传力的控制程度稳定。雨养区的红粒种子胚根长的遗传力高达0.95;雨养区的红粒种子的胚芽鞘长的广义遗传力最高,达0.94,但其遗传力控制程度不稳定,最低遗传力仅为0.06;胚根数和一叶长的遗传力很低,且控制程度极不稳定。春小麦萌发期胚根长的广义遗传力最高,控制程度稳定。其次是胚芽鞘长,但其遗传力的控制程度不稳定。胚根长可作为春小麦萌发期的抗旱指标鉴定抗旱材料,以胚芽鞘的长度为参考值。