光电技术在农业工程中的应用与展望

我国是农业生产大国，农业种植面积和多种农产品产量居世界前列，但是我国农业生产自动化程度相对较低，农业效益提升潜力大。光电技术在提升农业效益方面大有可为。概述了光电技术在农业工程中的应用现状，并展望了光电技术在农业工程中的发展趋势。      

南方酸化红壤钾素淋溶对施石灰的响应

为探究石灰施用的长期和短期效应对酸化红壤钾素的影响，依托始于1990年的国家红壤肥力与肥料效益监测长期定位试验，选取化肥氮磷配施(NP)、氮磷钾配施(NPK)、氮磷钾配施+半量秸秆还田(NPKS)及其增加常量石灰（NPL、NPKL、NPKSL）6个处理。室内土柱淋溶试验设置0 L、0.5 L、1 L和1.5 L石灰施用量，监测田间和淋溶后0 ~ 50 cm土层速效钾和缓效钾含量、pH及淋溶液中钾离子（K⁺）含量的变化。结果表明：1）施用石灰4年后，与NPKS、NPK、NP相比，各处理均增加了相应土层的缓效钾含量；NPKSL和NPL处理分别增加了0 ~ 40 cm和0~10 cm速效钾含量，增幅分别为2.06 % ~ 36.39 %和27.26 %。2）石灰施用量相同，各处理土壤累积K⁺淋溶量由大到小依次为NPKS处理、NPK处理和NP处理。施用石灰减少了NPKS和NPK处理淋溶液中累积K⁺含量，降幅为18.10 % ~ 57.70 %，且K⁺淋溶率也下降。3）施石灰提高了表层土壤pH；土壤中钾素盈余情况下，石灰当季施用量每增加1 000 kg·hm^-2，K⁺淋溶损失率降低11.7%；施用石灰和施肥是显著影响平均淋溶K⁺量和K⁺累积淋溶量的主效应。可见，施用石灰的短期和长期效应均能提高表层土壤pH；减少速效钾在剖面的运移，增加剖面下层缓效钾的含量；土壤淋溶K⁺量、累积K⁺淋溶量和K⁺淋溶率均随土壤中速效钾含量的增加而增加，随施用石灰而降低。合理的石灰用量能够有效降低酸化红壤K⁺淋溶损失风险。     

不同增稠剂对农药可分散油悬浮剂稳定性的影响

为明确不同增稠剂对以矿物油为分散介质的油悬浮体系稳定性的影响,以12.5%丙炔·吡嘧(丙炔噁草酮·吡嘧磺隆)可分散油悬浮剂为对象,通过流变学和多重光散射方法,研究了有机膨润土、有机高分子和气相二氧化硅3类增稠剂单独使用及有机膨润土和其他两类增稠剂分别搭配使用对可分散油悬浮剂物理稳定性的影响。结果表明:所有样品的流动特性指数(n)均小于1,为假塑性流体,具有触变性。除有机膨润土和高分子增稠剂Atlox Rheostrux100组合使用时体系更符合Casson方程外,其余样品均更符合Herschel-Bulkley方程。单独使用时,有机膨润土对保证体系稳定的效果相对较好;Atlox Rheostrux 100和Atlox Rheostrux200两种高分子增稠剂的效果差别较大,其中Atlox Rheostrux 100效果更好,这可能是由分子结构差异造成;两种气相二氧化硅类增稠剂由于不能有效形成氢键,效果较差。将有机膨润土和有机高分子增稠剂组合使用时,体系的稳定性有所提升,其中有机膨润土869和Atlox Rheostrux 100组合使用效果更好,体系具有较高的黏度,且具有良好的触变性,物理稳定性优异;有机膨润土869和疏水气相二氧化硅R974组合使用时则效果没有明显的提升。研究表明,流变学和多重光散射两种方法均能较好地表征可分散油悬浮剂的物理稳定性;新型高分子增稠剂和有机膨润土具有协同作用,将二者合理组合添加能大幅提升可分散油悬浮剂的稳定性。     

生物质炭添加对重金属污染稻田土壤理化性状及微生物量的影响

分析了生物质炭添加对红壤性水稻土理化性状、重金属含量及微生物生物量的影响。通过田间小区长期定位试验,一次性施入不同量生物质炭(0,10,20,30,40t/hm2),于2017年9月采集各处理表层土样(0—15cm),研究土壤理化性状、重金属含量及微生物生物量的变化。结果表明:生物质炭添加对土壤理化性状、重金属含量及微生物生物量均有显著影响。与对照相比,供试土壤的pH、EC和有机质含量随生物质炭添加量的增加而增大,增幅分别为5.11%~18.43%,37.62%~104.31%和1.72%~22.41%,而有效磷和铵态氮含量随生物质炭添加量的增加呈先增大后减小趋势,分别在生物质炭添加量为10t/hm2和30t/hm2时达到最大值。随生物质炭添加量的增加,土壤有效态Cd和有效态Pb含量均呈降低趋势,而土壤有效态As含量呈先增加后减少的趋势,三者均在生物质炭添加量为40t/hm2时达到最小值。土壤微生物生物量碳、氮和微生物商随生物质炭添加量的增加均呈先升高后降低的趋势,均在生物质炭添加量为20t/hm2时达到最大值。相关分析表明,生物质炭添加量分别与土壤有效态Cd和Pb含量之间呈极显著负相关(P0.01);通径分析表明,生物质炭主要是通过直接作用影响土壤有效态Cd含量,而土壤pH、EC、有机质、微生物生物量碳、氮和有效磷主要是通过间接作用影响土壤有效态Cd含量。因此,添加适量生物质炭不仅可以改善土壤重金属污染现状和土壤理化性状,提高土壤养分含量,还可以改良土壤生物学性质,增加土壤微生物量。研究结果可为提高稻田土壤肥力和改善土壤重金属污染状况提供科学依据。     

不同水氮条件对东北寒地黑土直播稻光响应特征的影响

为了揭示寒地黑土直播稻在不同灌水方式和施氮水平下功能叶片光响应特征,以测坑试验水直播水稻为研究对象,采用全面试验方法,设灌水方式和施氮量2个因素,针对水稻分蘖期和抽穗开花期开展了不同水肥条件下直播水稻叶片光响应特征的研究。结果表明:随氮肥施用量的增加,直播稻功能叶片的光响应曲线上升,光强高于600μmol/(m~2·s)时,不同施氮量处理的光响应曲线间距变大。运用非直角双曲线模型建立水稻叶片光合光响应曲线的拟合,得出不同水氮处理下直播水稻叶片的光响应特征参数,结果显示,随着施氮量的增加,最大净光合速率Pnmax、表观量子效率α和光饱和点LSP上升,光补偿点LCP下降;而同施氮量条件下,控制灌溉处理的Pnmax、α和LSP高于淹灌处理,LCP低于淹灌处理。因此,在0~135kg/hm~2的范围内增加施氮量和控制灌溉有助于提升直播稻功能叶片光合作用能力,提高其对光能的利用率和对强光及弱光的适应能力,有效改善叶片光响应特征,提高水稻产量,所以在进行直播水稻栽培研究时,要充分考虑不同水肥条件对其光响应特征的影响。     

聚光集热苦咸水蒸馏装置中含吸光颗粒水体的光吸收特性

传统太阳能蒸馏装置存在传热热阻大,传热换热环节多等缺陷,导致太阳能蒸馏装置热能利用效率低和淡水产量小,鉴于此,该文设计一种新型基于聚光集热的苦咸水蒸馏装置,利用抛物碟式聚光器将入射太阳光汇聚并直接在含有大量黑色多孔颗粒苦咸水体内完成光热转化,克服了传统太阳能蒸馏器光传输方向与热传输方向相反的缺点,减少了装置传热换热环节,使得聚光直接加热苦咸水蒸馏产水得以实现,该文对于装置中实现光热直接转化的水体光吸收特性展开试验测试和理论分析,借助光学积分箱对影响水体模拟受热温升阶段和沸腾蒸发阶段光吸收特性的吸光颗粒粒径、颗粒丰度及光程等因素展开研究。结果表明,含较小粒径吸光颗粒的水体光吸收特性较好,在模拟受热温升过程中,含粒径为0.5 mm颗粒的水体最大光吸收比比含有粒径为1.0 mm颗粒的水体增加9.0%,模拟受热沸腾过程中,丰度为6.7 g/L水体光吸收比是丰度为0.75 g/L水体的4.94倍,且水体光吸收比随沸腾程度呈指数函数变化规律。该研究结果为太阳能苦咸水蒸馏技术的热能高效利用提供参考。     

等氮量下不同分施次数对燥红壤N2O排放的影响

通过室内培养试验研究等氮量下不同施肥次数对N_2O排放的影响。试验设一次性施氮(S1,将200 mg/kg氮肥一次性施入土壤),二次分施(S2,将200 mg/kg氮肥分两次平均施入土壤),三次分施(S3,将200 mg/kg氮肥分80、60、60 mg/kg 3次施入土壤)和空白(CK,不施肥)4个处理。培养在65%田间持水量,30℃恒温箱中进行。结果表明,氮肥施入显著促进土壤N_2O排放;等施氮量下,不同分施次数使土壤pH呈显著性差异,而土壤pH的差异又影响了土壤N_2O累积排放量;分施次数越多,土壤酸化程度越强,N_2O累积排放量越少。因此,在等施氮量下,要充分考虑土壤酸化、N_2O排放、NO–3-N积累以及施肥成本等,确定合理分施次数。     

高粱光敏色素A基因的克隆、蛋白结构与长短日照诱导表达模式

光敏色素是一类红光/远红光受体,对植物光形态建成、外部形态和生理功能等方面起着重要的调节作用。为明晰光敏色素A在调控高粱光形态建成发育过程中的作用,本研究比较分析光温敏感程度不同的高粱品种Btx623、Rio、Tx430和LH645的PhyA基因序列和PHYA蛋白的保守结构域,利用qRT-PCR明确长短日照条件处理下PhyA基因的表达模式。结果表明,Btx623、Rio和Tx430之间PhyA基因序列存在非同义突变,LH645在PhyA基因的第7个外显子上插入了5 bp碱基序列;高粱PhyA蛋白中含有1个PAS-2结构域、1个GAF结构域、1个Phytochrome结构域、2个PAS结构域、1个组氨酸激酶A结构域和1个类似组氨酸激酶的ATP激酶结构;遗传进化树分析表明,单子叶和双子叶植物PhyA蛋白明显聚为2大类,高粱PhyA、谷子PhyA和玉米PhyA1、PhyA2聚为一个亚类,相互间亲缘关系较近,与水稻PhyA同源性相对较远;在短日照(SD)条件下各时期PhyA基因转录水平变化显著,Rio PhyA基因转录水平较Btx623和Tx430变化明显,LH645 PhyA基因转录变化不显著,在长日照(LD)条件下Rio PhyA基因转录水平低于Btx623和Tx430,LH645 PhyA基因转录水平变化不显著。以上结果表明,PhyA受光周期诱导,推测其在高粱光形态建成中起重要调控作用。本研究为进一步解析PhyA基因功能及其在调控高粱光形态建成发育过程中的作用提供理论基础。     

长期施肥处理对双季晚稻叶绿素荧光特征及籽粒产量的影响

研究施肥模式对水稻叶绿素含量及荧光参数的调节作用,对提高水稻光能利用效率及籽粒产量具有重要意义。本研究以水稻品种赣929为试验材料,比较长期定位施磷钾肥(PK)、施氮磷钾肥(NPK)、等养分条件下70%氮磷钾肥配合施用30%有机肥(70F+30M)、50%氮磷钾肥配合施用50%有机肥(50F+50M)、30%氮磷钾肥配合施用70%有机肥(30F+70M)条件下水稻叶绿素荧光参数和产量变化特征。结果表明,水稻旗叶叶绿素含量从齐穗期到成熟期呈下降趋势,且表现为30F+70M50F+50M70F+30MNPKPK。水稻叶绿素荧光参数Fv/Fm随水稻生育期的推进呈降低趋势,其中PK处理Fv/Fm值最低,而施氮处理比不施氮处理Fv/Fm值增加了2.85%～4.18%。叶绿素荧光参数qL、ΦPSII在NPK处理中表现为齐穗期较高, 20 d之后显著降低;在50F+50M、30F+70M处理中表现为齐穗期较低, 20 d以后显著增加;在PK处理、70F+30M处理中一直处于较高水平。NPQ变化趋势与qL基本相反。ETR-PAR光响应曲线拟合结果表明, 70F+30M处理ETRmax、?和Ek值在齐穗期和20 d后值均最高。综合看来,等养分条件下配施30%有机肥具有最优的叶绿素荧光指标组合及籽粒产量;而配施超过50%有机肥由于前期热耗散增大使得用于光合作用的光能份额减少,而施用氮磷钾肥处理则由于后期的衰老使得光能利用效率下降。