用于作物表型信息边缘计算采集的认知无线传感器网络分簇路由算法

随着无线终端数量的快速增长和多媒体图像等高带宽传输业务需求的增加，农业物联网相关领域可预见地会出现无线频谱资源紧缺问题。针对基于传统物联网的作物表型信息采集系统中存在由于节点密集部署导致数据传输过程容易出现频谱竞争、数据拥堵的现象以及固定电池的网络由于能耗不均衡引起监测周期缩减等诸多问题，本研究建立了一个认知无线传感器网络（CRSN）作物表型信息采集模型，并针对模型提出一种引入边缘计算机制的动态频谱和能耗均衡（DSEB）的事件驱动分簇路由算法。算法包括：（1）动态频谱感知分簇，采用层次聚类算法结合频谱感知获取的可用信道、节点间的距离、剩余能量和邻居节点度为相似度对被监控区域内的节点进行聚类分簇并选取簇头，构建分簇拓扑的过程对各分簇大小的均衡性引入奖励和惩罚因子，提升网络各分簇平均频谱利用率；（2）融入边缘计算的事件触发数据路由，根据构建的分簇拓扑结构，将待检测各区域变化异常表型信息触发事件以簇内汇聚和簇间中继交替迭代方式转发至汇聚节点，簇内汇聚包括直传和簇内中继，簇间中继包括主网关节点和次网关节点-主网关节点两种情况；（3）基于频谱变化和通信服务质量（QoS）的自适应重新分簇：基于主用户行为变化引起的可用信道改变，或分簇效果不佳对通信服务质量产生的干扰，触发CRSN进行自适应重新分簇。此外，本研究还提出了一种新的能耗均衡策略去能量消耗中心化（假设sink为中心），即在网关或簇头节点选取计算式中引入与节点到sink的距离成正比的权重系数。算法仿真结果表明，与采用K-medoid分簇和能量感知的事件驱动分簇(ERP)路由方案相比，在CRSN节点数为定值的前提下，基于DSEB的分簇路由算法在网络生存期与能效等方面均具有一定的改进；在主用户节点数为定值时，所提算法比其它两种算法具有更高频谱利用率。     

东北棕壤长期不同施肥处理轮作大豆氮素吸收和土壤硝态氮特征

【目的】在玉米–玉米–大豆轮作体系下,基于棕壤肥料长期定位试验,研究不同施肥处理对东北地区大豆生物量、产量、各部位吸氮量及收获期土壤0―100 cm硝态氮累积的影响,为该地区合理施肥提供理论依据和科学指导。【方法】棕壤肥料长期定位田间试验始于1979年,包括不施肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷钾肥配施(NPK)、低量厩肥(M1)及其与化肥配施(M1N和M1NPK)、高量厩肥(M2)及其与化肥配施(M2N和M2NPK)9个处理。厩肥为猪厩肥,1992年后大豆季不施猪厩肥,仅在玉米季相关处理中施用。39年后,调查分析了大豆生物量、产量、氮素吸收利用及大豆收获期0―100 cm土壤硝态氮累积特征。【结果】高量、低量厩肥配施化肥处理大豆生物量、产量、总吸氮量及各部位吸氮量均显著高于单施氮肥和不施肥处理,其中,M1NPK处理大豆生物量、产量和总吸氮量最高,分别为9107、2979和314.2 k g/h m^2,较其他处理分别提高了6.1%~133.6%、23.9%~232.5%和11.7%~359.4%。施肥提高了大豆氮收获指数,但氮素生理效率降低。NPK和M1NPK处理的氮素收获指数最高,均为63.5%,而氮素生理效率较CK分别降低了30.6%和28.1%。大豆收获期各处理土壤硝态氮累积量随土层深度的增加而降低。与播前相比,大豆收获期单施氮肥处理的0―100 cm土层硝态氮积累量显著增加,NPK处理变化不显著,M1、M1N和M1NPK处理显著降低。低量厩肥配施化肥处理收获期0―100 cm土壤硝态氮积累量远低于高量厩肥配施化肥处理,较播前平均降低了79.2%。所有处理中,土壤硝态氮积累量以M1NPK处理最低,比其他处理平均降低了58.2%。【结论】在东北棕壤地区玉米–玉米–大豆轮作体系下,玉米季低量厩肥(13.5 t/hm^2)与氮磷钾化肥配合施用时,大豆季仅施氮磷钾化肥既可提高大豆生物量、产量,促进氮素吸收,同时还可降低大豆收获期土壤硝态氮累积量,降低环境风险,是该轮作体系较为合理的施肥方式。     

有机肥施用对红地球葡萄产量、品质及土壤环境的影响

【目的】明确有机肥施用对河北葡萄主产区高产优质红地球葡萄产量、品质及土壤环境的影响,为葡萄种植合理施用有机肥提供理论依据。【方法】以河北张家口市怀来县葡萄试验示范基地13年生红地球葡萄为试验材料,进行为期4年的田间试验。设置6个处理,分别为农民传统施肥(CK)、单施化肥(NPK)、单施有机肥9 t/hm^2 (M)、有机肥7.5 t/hm^2+化肥(M1NPK)、有机肥15 t/hm^2+化肥(M2NPK)、有机肥45 t/hm^2+化肥(M3NPK),采用常规方法测定葡萄产量、品质、重金属含量及果园土壤中硝态氮、微生物量碳和氮、重金属含量,并对葡萄园土壤重金属累积达到限量所需年限进行推算。【结果】施用有机肥处理葡萄产量均显著高于单施化肥(NPK),其中以中量有机肥+化肥处理(M2NPK)的产量最高,4年(2010-2013)平均产量为21503kg/hm^2,较农民传统施肥(CK)提高了14%;施用有机肥处理葡萄Vc含量比对照显著增加。各处理间葡萄百粒重、pH、可溶性固形物、可滴定酸和固酸比差异不显著。收获后M2NPK处理0-20 cm和20-40 cm土壤硝态氮累积量下降,土壤微生物生物量碳、氮含量显著高于CK。连续4年施用有机肥后,葡萄果实及果园土壤的重金属含量(Cr、Cd、As、Pb、Hg、Cu、Zn)均未超标,但随着有机肥施用量的增加,葡萄及土壤中的重金属分别呈现线性和二次函数累积趋势。M3NPK处理土壤重金属含量较其他施用有机肥处理提前累积到限量水平。【结论】中量有机肥+化肥(M2NPK)处理葡萄的产量最高,品质最佳,而且降低了土壤硝态氮在各土层的累积,增加了土壤微生物生物量碳、氮含量,且葡萄果实和果园土壤重金属含量未超标。高量有机肥处理不会进一步提高红地球葡萄的产量和品质,但快速增加果园土壤重金属累积。     

辽西褐土区高产土壤理化性质及影响玉米产量的主要因子

  【目的】  土壤耕层结构与肥力水平是影响玉米生长及其产量的重要因素。厘清辽西褐土区不同产量玉米田的土壤结构与肥力水平及其与玉米产量之间的关系，进而提出土壤合理耕层构建的评价指标，最终为该地区玉米产量的提高提供理论基础。  【方法】  本研究在辽西褐土区选取不同产量玉米田共56块，将其分为产量 < 6000、6000～9000和 > 9000 kg/hm2 3个水平，分析调查土壤耕层与犁底层厚度、紧实度、容重、孔隙度、有机质、有效磷、速效钾、碱解氮含量和玉米根系生长状况。采用预测变量重要性分析方法明确影响玉米产量的主要因素，提出辽西褐土区玉米高产所需的土壤耕层结构与肥力特征。  【结果】  玉米产量随土壤耕层厚度增加而增加，随犁底层厚度增加而减小。不同产量玉米田的紧实度、容重和孔隙度在0—10 cm土层差异不大，而在10 cm—犁底层和犁底层差异较大，即产量 > 9000 kg/hm2玉米田的各项结构指标均优于产量 < 9000 kg/hm2玉米田。土壤有机质、有效磷、速效钾和碱解氮等肥力状况在产量 > 9000 kg/hm2玉米田同样优于产量 < 9000 kg/hm2玉米田。不同产量地块的玉米根系生长情况出现明显差异。产量> 9000 kg/hm2玉米田的根干重和根长均明显高于产量 < 9000 kg/hm2玉米田。分土层来看，所有玉米田的根系都主要分布在0—20 cm土层，产量 < 6000、6000～9000和 > 9000 kg/hm2玉米田在0—20 cm土层的根干重分别占0—40 cm总量的83.3%、79.8%和81.1%，根长分别占83.0%、74.6%和71.7%。这不但说明根系对水分和养分的吸收主要集中在0—20 cm土层，同时也表明产量 > 9000 kg/hm2玉米田在20—40 cm土层的根系分布仍然比产量 < 9000 kg/hm2玉米田要丰富。所有结构性质与肥力因素中，耕层厚度和有效磷含量是影响辽西玉米高产的最重要因素。  【结论】  辽西褐土区高产玉米田具有以下特征:耕层厚度18～26 cm，平均23 cm；紧实度低于1000 kPa；耕层土壤容重处于1.14～1.39 g/cm3，平均1.27 g/cm3；耕层土壤总孔隙度为47.4%～58.5%，平均52.2%，毛管孔隙度平均33.5%，通气孔隙度平均18.7%；耕层土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾平均含量分别为14.8 g/kg、34.7 mg/kg、21.2 mg/kg、159.9 mg/kg。提高土壤有效磷含量、增加耕层厚度是培肥中低产田最迫切的任务。     

连续秸秆–紫云英协同还田对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响

  【目的】  水稻秸秆和紫云英是稻田系统重要的原位有机肥源，明确长期连续秸秆–紫云英协同还田后水稻增产趋势、养分积累和土壤肥力变化特征，以便对秸秆和绿肥资源进行综合利用。  【方法】  本试验为3年连续大田试验 (2016―2018年)，以双季稻为研究对象，设置3个处理:1）早、晚稻秸秆不还田，冬季不种植紫云英 (CK)；2）早、晚稻秸秆全量还田，冬季不种植紫云英，即秸秆单独还田 (T1)；3）早、晚稻秸秆全量还田，冬季种植紫云英，即秸秆–紫云英协同还田 (T2)。各处理均施用等量化肥。  【结果】  相对于对照，连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田周年轮作下水稻产量分别增加1.93%～9.15%和1.34%～12.48%，且连续秸秆–紫云英协同还田周年增产效果随着试验年份的增加而增加。不同年份间水稻产量变异系数和可持续性指数分析表明，连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田均有利于双季稻持续性高产稳产，其中秸秆–紫云英协同还田效果优于秸秆单独还田。连续3年6季还田后，秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田对水稻产量的贡献率分别为6.92%和11.10%，其中秸秆–紫云英协同还田处理比秸秆单独还田处理高76.47%。与产量变化趋势一致，连续秸秆–紫云英协同还田不仅有利于早稻氮、磷、钾养分积累，对晚稻养分积累也有一定的后效作用。与试验初始土壤养分含量相比，2018年晚稻收获后，对照土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别降低了9.03%、11.11%、3.87%和10.57%。而相对于对照，连续秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了20.51%、25.00%、24.16%和20.37%；相对于秸秆单独还田处理有机碳、全氮和有效磷含量分别增加了2.73%、7.14%和14.19%。  【结论】  在双季稻轮作系统中，连续秸秆–紫云英协同还田有利于早稻和晚稻获得高产和稳产，同时增加早稻氮、磷、钾养分积累，提高土壤有机碳、全氮和有效磷含量，是综合利用秸秆和绿肥资源较好的方式。     

稳定性氮肥减施对春玉米氮素吸收及土壤无机氮供应的影响

  【目的】  稳定性氮肥减量施用在玉米上表现出良好的稳产和增产效果，但缺乏针对不同土壤和气候条件下春玉米生产的推荐施用量。为此，我们在辽中、辽南地区春玉米上开展了稳定性氮肥一次性施用最佳用量试验。  【方法】  2017年在辽宁省沈阳市和海城市两地开展田间试验。供试稳定性氮肥中同时添加了脲酶抑制剂和硝化抑制剂。两个试验区均设置了不施氮处理 (CK)、普通尿素常规施氮量 (CK1) 和普通尿素减氮10%对照 (CK2)。沈阳试验区设置稳定性氮肥比其CK1 (244 kg/hm2) 分别减氮10%、15%、20% 3个处理 (S1、S2、S3)，海城试验区设置比其CK1 (217 kg/hm2) 分别减氮10%、15% 2个处理 (S1、S2)。采集玉米生长季内各生育时期的土壤样品和植株样品，测定土壤无机氮含量和植株不同部位养分含量，每个小区单独采收，记录产量。  【结果】  与CK1相比，稳定性氮肥能显著提高玉米产量 (P < 0.05)，且以减氮15%的S2处理肥效稳定，沈阳试验较CK1增产、增收幅度分别为7.5%、1795元/hm2，较CK2增产、增收幅度分别为11.1%、2808元/hm2；而海城试验产量与CK1没有显著区别，收入减少184元/hm2，与CK2相比，增产19.5%，增收2685元/hm2。与CK1相比，稳定性氮肥处理氮素表观利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力依次提高10.4%～12.4%、3.4%～6.2%和6.5%～10.8%；与CK2相比，分别提高10.2%～12.2%、3.3%～6.1%和3.3%～7.6%。与普通尿素相比，施用稳定性氮肥显著提高了玉米生育中后期植株氮素吸收强度，稳定性氮肥各处理氮素总积累量表现为S2 > S1 > S3 > CK1 > CK2。土壤无机氮含量主要在0—20、20—40 cm土层表现出较大差异，总体上稳定性氮肥处理 (S1、S2、S3) 耕层土壤无机氮含量在玉米生育前期 (苗期、拔节期) 低于普通尿素处理 (CK1、CK2)，在玉米生育中后期 (大喇叭口期至成熟期) 0—40 cm土层无机氮含量显著高于普通尿素处理，但总体上无机氮含量在0—40 cm土层中变化幅度较普通尿素处理平缓。  【结论】  稳定性氮肥减施可以维持或提高土壤无机氮含量。在沈阳试验点，稳定性尿素施氮量减少15％时，玉米的产量和经济效益、氮素累积总量和氮素表观利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力等都最高；而在海城试验点，由于普通尿素投入量相对较低，最佳稳定性尿素推荐量为减氮10%。     

冀北坝上地区3种人工灌木林地防风蚀效果的比较

选取冀北坝上地区防风固沙林为研究对象,通过观测风速、地表粗糙度、临界起沙风速、输沙量、风沙流结构等指标,对比分析3种人工灌木林地(沙棘林地、柠条林地、沙柳林地)防风蚀效果。结果表明:人工植被能够增加地表粗糙度,改变近地表风场和风沙流结构,降低风速,减少输沙量,有效防治土壤风蚀。不同人工灌木林地防风蚀效果存在较大差异。从主要观测指标来看,粗糙度和临界起沙风速为柠条林地>沙棘林地>沙柳林地;输沙量为柠条林地<沙棘林地<沙柳林地;防风效应为沙棘林地>沙柳林地>柠条林地;固沙效应为柠条林地>沙棘林地>沙柳林地。冀北坝上地区应充分发挥林木防风固沙、保持水土的特性,采用生物治沙技术与措施,合理配置人工植被开展生态建设,防治土壤风蚀,改善生态环境。     

基于扩散理论的华北春玉米生理成熟后籽粒脱水过程分析

玉米机收籽粒可以显著提高玉米的生产效率,是玉米生产的发展方向。生理成熟后的籽粒含水率是决定机收质量的关键,受品种、密度和气候等多种因素影响。准确估算生理成熟后玉米籽粒含水率,进而分析其主要影响因素,最终确定玉米收获时间和筛选适宜机收的品种,对玉米主产区华北的春玉米籽粒机收发展具有重要意义。因此,于2017年和2018年在河北省泊头、南大港、玉田和山西榆次进行了两年田间春玉米试验,每年设置7个共性品种,每个品种3个密度,对生理成熟后籽粒含水率、品种性状、气象和管理要素进行了监测,并利用基于扩散理论考虑空气温湿度的脱水模型对籽粒含水率进行了模拟,进而计算脱水曲线下的面积(AUDDC),用以筛选脱水优异的玉米品种。结果表明,基于扩散理论的籽粒脱水模型对玉米生理成熟后籽粒含水率的模拟效果较好;年份、地点和品种对生理成熟时籽粒含水率(M_0)和水分扩散速率(k)具有显著影响,密度对脱水参数影响不显著。逐步线性回归分析得到灌浆期参考作物蒸发蒸腾量(ET_0)、最高气温和灌水量对M_0具有显著的正效应,生理成熟后30 d内ET0和灌浆中后期降雨对k具有显著的正效应,全生育期降雨对k具有显著的负效应。品种性状中对M_0影响最大的为苞叶层数(正效应),对k影响最大的为叶片数(负效应)。通过模型计算得到,生理成熟后10d华北地区春玉米籽粒含水率可以下降到28%,籽粒含水率下降到25%的概率为50%。由模型计算得到各品种生理成熟后10 d内的AUDDC,与AUDDC平均值比较发现‘京农科728’‘张1453’‘华农887’‘广德5’和‘金科玉3306’为脱水表现优异的品种。     

PGPR菌剂对辣椒的促生效应及根际土壤细菌的响应研究

研究田间条件下PGPR菌剂灌根对辣椒根际土壤细菌数量及群落结构的影响,为深入探究PGPR菌剂的田间促生机制提供理论依据。以4株PGPR菌株制成PGPR菌剂,对辣椒进行灌根,并采用Illumina-MiSeq平台对辣椒根际土壤细菌V3-V4区进行Paired-end测序,结合细菌及功能菌群数量、辣椒产量指标,比较分析菌剂灌根配施全量化肥(PGPR-CF1)、菌剂灌根配施80%化肥(PGPR-CF2)和全量化肥(CK)处理后对辣椒根际土壤细菌数量及群落结构特征的影响。结果表明:PGPR菌剂灌根后辣椒根际土壤细菌及包含固氮、解磷及解钾等功能菌群的数量显著提高,且物种丰度和多样性均高于对照,细菌优势度则表现为PGPR-CF1和CK组高于PGPR-CF2。所有土样共得到有效序列573 896条,在相似水平为97%下聚类分析得到OTUs数分别为2 153个(CK)、2 337个(PGPR-CF1)、2 358个(PGPR-CF2);各处理辣椒根际土壤中的优势门为酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门和变形菌门,相对丰度总占比分别为83.7%(PGPR-CF1)、79.55%(PGPR-CF2)和79.77%(CK)。PGPR菌剂灌根后增加了伯克霍尔德氏菌目、芽孢杆菌目、鞘脂单胞菌目等的相对丰度,降低了芽单胞菌目、酸杆菌目的相对丰度。Pearson指数表明,辣椒产量和单果重与根际土壤细菌多样性和丰度正相关。研究显示,PGPR菌剂处理,可以提高根际土壤细菌和功能菌群的数量,同时影响了物种多样性和群落结构,并促进了辣椒增产。     

氮肥施用对直播冬油菜产量及氮肥利用率的影响

为探明安徽省直播冬油菜种植中适宜的氮肥用量、氮肥种类和施氮方式，通过田间小区试验，研究尿素不同用量及等氮量尿素和控释尿素不同施用方式对直播冬油菜产量、氮肥累积量及氮肥利用率的影响。结果表明：施氮水平和施氮方式对直播冬油菜产量具有显著影响，成株率与产量之间呈显著正相关，施氮量180 kg N·hm^-2条件下，尿素分次施用处理（N180）和控释尿素一次性施用处理（CRU180）在生育中后期能有效提高直播冬油菜密度。施氮量240 kg N·hm^-2、尿素分次施用处理（N240）角壳和茎秆氮素累积量分配比例增加，籽粒分配比例减少，氮肥表观利用率、氮肥农学效率、氮肥生理效率和氮肥偏生产力显著降低，籽粒产量不增反降，较CRU180和N180分别降低2.87%和9.67%。各施氮处理中，N180处理产量最高，较其他施氮处理显著增产7.53%~82.15%。施氮量180 kg N·hm^-2条件下，相比尿素一次性施用处理（U180），CRU180和N180显著增产8.53%和16.69%，籽粒氮素累积量显著增加8.80%和16.02%，氮肥表观利用率显著增加11.68%和14.30%，氮素农学效率显著增加12.53%和24.46%，氮素生理效率增加0.74%和9.13%，氮肥偏生产力显著增加8.59%和16.76%。综合本试验直播冬油菜产量、氮素累积量和氮肥利用率结果来看，合理的氮肥用量和氮肥品种可以有效增加直播冬油菜的成株率和氮素累积量，进而增加产量、提高氮肥利用率。安徽省直播冬油菜施氮量180 kg N·hm^-2，尿素分次施用和控释尿素一次性施用，均能达到产量和氮肥利用率的双向提升。考虑到直播冬油菜轻简化发展大趋势，建议采用控释尿素一次性基施。