基于遗传算法的波长选择方法对土壤有机碳预测模型影响

以黑龙江农田黑土为研究对象,利用遗传算法(GA)波长选择结合偏最小二乘法(PLS)回归建立土壤有机碳(SOC)的预测模型。通过设定以下GA参数:波长选择数量上限k、初始种群大小P及迭代次数N,采用单点优化方式逐一确定各参数。结果表明,在主成份数为7的情况下,当GA的参数取N=300、P=300、k=50时,GA模型最优;模型的校正决定系数R2=0.922、校正均方根误差RMSEC=1.74、交叉检验均方根误差RMSECV=1.80;模型的预测决定系数R2=0.931、预测均方根误差RMSEP=1.84、预测相对误差RPD=3.81。与原始光谱的PLS模型相比,R2由0.900提升至0.922,RPD由3.38提升至3.81。结果表明,通过GA进行波长选择能够优化模型,提升模型稳定性以及预测精确性。     

钾硅肥不同用量对水稻-油菜生长、钾素吸收及钾素平衡的影响

利用盆栽试验研究了钾硅肥不同用量对水稻-油菜轮作模式下作物生物量、钾素吸收利用和土壤钾素平衡的影响。结果表明,当施钾量为1.5g K_2O/盆,钾硅肥与硫酸钾效果相同,水稻-油菜生物量与对照相比显著增加,水稻生物量增加41.0%~42.2%,油菜生物量增加19.7%~20.8%,两季作物钾素吸收量也显著增加,钾硅肥用量增加一倍后两季作物生物量增加幅度均最高,分别为46.9%和21.4%,当钾硅肥施用量为3.0g K_2O/盆时,两季作物钾素吸收量也最大,分别为1.36和0.54g K_2O/盆。随着钾硅肥用量的增加,水稻-油菜的钾素真实利用率呈降低的趋势,钾硅肥施用量为1.5和3.0g K_2O/盆时,钾素真实利用率分别为59.1%和53.5%,经过两季作物种植后,硫酸钾处理、钾硅肥处理和2倍钾硅肥处理其偏钾平衡值分别为1.1、0.9和0.6,表明硫酸钾处理土壤钾素处于亏缺状态,而施用钾硅肥的处理土壤钾素均处于盈余状态,其中当钾硅肥施用量为3.0g K_2O/盆时,土壤钾素盈余量最大。与对照比较,施用钾硅肥可以显著增加土壤速效钾和缓效钾含量,且随着钾硅肥用量增加二者含量明显增加。钾硅肥可以替代硫酸钾施用,当季施用量应和硫酸钾含钾量相等或略低于硫酸钾含钾量,连续种植第二季作物时,应适当补施钾硅肥或硫酸钾。     

基于高光谱的冬油菜植株氮素积累量监测模型

为无损和定量研究高光谱技术在冬油菜植株氮素积累量(PNA,plant nitrogen accumulation)时空变化监测的适宜性及准确性,该文以两年田间氮肥水平试验为基础,采用单变量线性和非线性回归方法,建立基于特征光谱参数的冬油菜P NA高光谱估算模型。结果表明,采用比值光谱的方法可显著提高冬油菜冠层光谱反射率与PNA间的相关性,其最佳的波段组合为1 259 nm与492 nm处光谱反射率比值(R1259/R492),决定系数R2为0.85。高光谱参数间,以比值植被指数(RVI-5)、归一化光谱指数(NDSI)、线性内插法红边位置(REIP)、三角植被指数(TVI)、742 nm处一阶微分光谱值(FD742)和红边面积(SDR)等光谱参数与PNA相关性较好(平均R2和标准误SE分别为0.69和42.70),且以FD742表现最优(R2=0.79,SE=35.66)。精度分析结果显示,以光谱参数R1259/R492和FD742为自变量的指数方程模型作为高光谱监测油菜PNA的最佳模型,各生育期Noise Equivalent(NE)均较低且表现稳定,同时模型估测精度较高,R2分别为0.98和0.98,相对均方根误差RRMSE分别为0.73和0.72,相对误差MRE分别为14.42%和10.31%。该方法为快捷和精确评估冬油菜PNA提供了新的研究思路。     

紫云英添加对土壤团聚体组成及有机碳分布的影响

以湖北省武汉市稻田土壤为研究对象,分别设置不添加紫云英(CK)、添加2%土壤质量的紫云英(G1)、添加4%土壤质量的紫云英(G2)3个处理,进行干湿交替模拟培养试验,研究培养60、120和180d土壤团聚体组成及团聚体内有机碳的分布特征。结果表明:添加紫云英培养120 d增加了各处理2 mm团聚体含量,培养60 d时G1处理的增幅最大(78.08%),培养120 d时G2处理的增幅最大(77.31%),且显著提高了团聚体的平均重量直径。不同培养时期添加紫云英均提高了土壤的有机碳含量,且G2处理土壤有机碳含量高于G1处理,各处理随着培养时间的增加有机碳含量先增加后降低。团聚体中有机碳含量均随着粒级的减小而降低,紫云英添加培养180 d时团聚体各粒级有机碳含量均有所提升,且2 mm团聚体的有机碳含量增幅最大(17.17%～43.67%)。紫云英添加培养120 d时主要增加大团聚体内各有机碳组分的相对含量,180 d时显著增加了微团聚体内细颗粒有机碳的含量。     

基于贝叶斯最大熵的多因子空间属性预测新方法

为了在空间数据预测时充分利用样点和环境数据,提出了在贝叶斯最大熵方法框架下将经典地统计方法与环境相关法结果融合、利用多源数进行空间预测的新方法;并以湖北省京山县土壤有机质含量为例,验证该方法的可行性.以由数字高程模型(digital elevation model,DEM)生成的各种相关地形因子作为环境数据,并分为密集建模集Ⅰ(330个样点)和稀疏建模集Ⅱ(100个样点),分别用普通克里金法和本文所提方法进行土壤有机质空间预测,用预留的50个样点进行精度分析.结果表明:本文所提方法的预测精度较普通克里金法的高,其Ⅰ和Ⅱ2组建模集精度分别提高了10.95%和22.72%,特别在样点较稀疏时,在相关环境因子的辅助下,精度提高幅度更大.说明将经典地统计方法与环境相关法结果相融合的多因子空间属性预测方法使预测结果既能体现样点的空间自相关,又能体现被预测属性与其他属性间的相关性.     

生物炭和石灰对红壤理化性质及烟草苗期生长影响的差异

我国南方红壤普遍存在酸性强、铝毒和有效养分含量低等特性,本文研究了生物炭和石灰对红壤理化性质及烟草生长的差异,为烟田红壤改良提供理论基础。采用盆栽试验,设置0、0.5%、1%、2%生物炭用量与传统石灰用量(0.3%)等5个处理,研究了其对红壤pH值、交换性铝和锰、有效态矿质养分含量,以及烟草农艺性状、烟叶矿质养分含量等的影响。结果表明:施用生物炭或石灰后,烟草株高、茎粗和叶片数目等农艺性状明显改善,生物量显著提高。0.5%和1%生物炭处理烟叶的N、P、K、Ca和Mg含量较对照处理明显提高,但2%生物炭处理,烟叶N含量比对照处理降低了9.3%。与对照处理相比,石灰处理中烟叶的N、P和Ca含量增加,K和Mg含量下降。施用生物炭和石灰均能够提高红壤pH值,降低其交换性铝含量;且施用生物炭土壤的碱解氮、速效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量均高于对照处理;而石灰处理仅交换性钙含量增加,交换性锰含量则减少。因此,施用生物炭和石灰均能促进红壤中烟草的生长,并有效改善红壤的理化性状。     

氮肥配施下不同C/N作物残渣还田对红壤温室气体排放的影响

氮肥配施能够促进还田秸秆的分解,为了解其对不同C/N秸秆还田下温室气体排放的影响,采用培养实验方法,研究了油菜饼(C/N为4)、玉米秸秆(C/N为28)、水稻秸秆(C/N为41)和小麦秸秆(C/N为71)等4种不同C/N植物残渣在不同量氮肥(无氮、低氮和高氮)配施下对红壤温室气体(CO2、CH4和N2O)排放的影响。结果显示,氮肥配施增加了不同植物残渣的CO2-C累积排放量,且仅在高C/N的小麦秸秆处理中发现存在显著性差异,在低氮和高氮下CO2-C累积排放量分别达到1 271.44、1 212.83 mg·kg-1,显著高于无氮肥配施的883.40 mg·kg-1。土壤N2O累积排放量最大的为油菜饼处理组,低氮量的配施进一步增强了N2O的产生,其累积排放量达到5 550.42μg·kg-1,显著高于无氮肥配施的4 430.44μg·kg-1,然而当氮肥施用量进一步增加时却抑制了N2O的排放(3752.84μg·kg-1)。氮肥配施并未显著影响玉米秸秆和小麦秸秆处理组的N2O累积排放量。在培养期内,每一个处理均表现为CH4的吸收现象,氮肥施用能够增加土壤对CH4的累积吸收量,但差异显著性仅在对照和油菜饼处理中发现。     

长期施肥对水稻土有机氮组分及氮素矿化特性的影响

以湖南省3个国家级稻田土壤肥力变化长期定位监测点(新化、宁乡和桃江)的土壤为对象,研究了20年不同土壤培肥方式(不施肥、单施化肥、化肥配施中量/高量猪粪和化肥配施秸秆)对土壤全氮、有机氮组分及氮素矿化的影响.结果显示,与不施肥相比,单施化肥对土壤全氮的影响在新化和宁乡点均不显著,但化肥配施猪粪或秸秆在三个试验点均显著提高了土壤全氮、碱解氮和微生物量氮的含量.总体来看,长期施肥能够提高土壤有机氮各组分的含量,并提高氨基糖氮和氨基酸氮在全氮中的占比,但不同类型肥料施入后对有机氮组分的影响因试验点的不同而异,这可能是不同试验点土壤理化性质差异导致的.相关分析显示土壤酸解有机氮组分与氮矿化势极显著相关,且在三个监测点,有机物配施化肥的处理土壤氮矿化势均高于单施化肥处理.研究表明,虽然土壤性质上的差异可能导致土壤氮组分对施肥措施的响应不同,但有机无机肥配施提高土壤供氮潜力的效果均优于单施化肥.     

不同施氮处理对水稻产量、氮素吸收及利用率的影响

大田试验条件下研究了不同施肥处理对水稻产量、氮素吸收及利用率的影响,以期为肥料的合理施用提供依据。结果表明,与不施肥处理(CK)相比,各施肥处理均显著提高了稻谷产量,增产率为28.5%~40.0%;不同施肥处理间却无显著差异。施肥处理水稻产量的提高主要归因于有效穗和每穗粒数的增加,增幅分别为5.5%~26.1%,25.2%~57.0%。养分吸收结果表明,施氮处理显著提高了水稻的氮素吸收量,且主要分配于稻谷,所占比例为71.3%~79.0%。与习惯施肥处理(T1)相比,优化施肥(T2)、控释尿素(T3)、控释尿素与普通尿素配施(T4)处理在减少氮肥用量21.6%的条件下,稻谷产量没有降低,而氮肥农学利用率、氮肥偏生产力以及氮肥生理利用率和氮收获指数都有所增加,分别提高3.2~6.9 kg/kg、11.7~15.4 kg/kg、7.0~30.6 kg/kg、0.04~0.08,且均表现为控释尿素处理(T3)处理最高。可见,采用合理的肥料及科学的施用方法均可显著提高养分的利用效率。     

前期土壤含水率对红壤团聚体稳定性及溅蚀的影响

为了探究前期含水率对南方红壤团聚体稳定性及溅蚀的影响,选取泥质页岩和第四纪红黏土发育的4个典型红壤为研究对象,就5个前期含水率(3%、5%、10%、15%、20%)条件下3~5 mm团聚体水稳定性特征及其与溅蚀的关系进行了初步的探讨。结果表明,消散作用是团聚体破碎最有效的机制,土壤前期含水率越大,团聚体破碎程度越小。随着前期含水率的升高,泥质页岩发育的2种红壤水稳性团聚体平均质量直径(MWDwa)显著增大;第四纪红黏土发育的2种红壤水稳性团聚体平均质量直径(MWDwa)先增大后减小,拐点出现在含水率为15%条件下。泥质页岩发育2种红壤溅蚀量随前期含水率的升高显著减小;第四纪红黏土发育2种红壤溅蚀量随前期含水率的升高呈现先减小后增大的趋势,在含水率为15%时达到最小。团聚体水稳性较高的土样,溅蚀粒径分布呈双峰曲线分布,主要分布1~0.5和0.05 mm范围内,且前期含水率越高,0.05 mm溅蚀颗粒含量越大;而团聚体水稳定性较差的土样,除前期含水率为20%外,溅蚀粒径分布呈单峰曲线分布,主要分布在0.25~1mm。该结果为红壤区农业水土工程及机侵蚀机理研究提供一定的参考,对完善坡面水蚀模型具有一定的参考价值。