基于PLSR方法的马铃薯叶片氮素含量机载高光谱遥感反演

作物氮素状况是评价土壤肥力和作物长势的重要指标,叶片氮素状况的实时无损估测对合理氮素管理、提高产量和改善品质具有重要意义。本文选择不同氮处理条件下的马铃薯作为研究对象,利用AISAEagle机载高光谱成像系统获取试验区的高光谱图像,在对图像进行精确的几何、辐射校正和反射光谱重建基础上,提取每个处理马铃薯冠层的高光谱数据。选取波长430-910nm范围内原始光谱R及其D1(R)、D2(R)、Log(1/R)、DLog(1/R)、D2Log(1/R)5种变式数据,根据田间同步采样叶片的氮素含量数据,利用偏最小二乘回归法(PLSR)构建了马铃薯叶片氮素含量的光谱预测模型,并进行全氮含量填图。结果表明:基于一阶导数光谱D1(R)的偏最小二乘回归模型的效果最优,决定系数(R2)和校正均方差(RMSEC)分别为0.82、0.38%。将该最优估算模型应用到整个高光谱图像上,得到试验区马铃薯叶片全氮分布图,图像上氮的值域为3.35%~5.95%,与地面实测结果3.59%~5.89%基本一致,且叶片全氮值的大小分布与马铃薯长势分布一致。研究结果可为研制和开发基于高光谱成像技术的马铃薯叶片氮素预测方法提供理论和技术支持。     

基于无人机高光谱影像的引黄灌区水稻叶片全氮含量估测

实时监测水稻氮素状况对于评估水稻长势及精准田间管理意义重大。为确定宁夏引黄灌区水稻叶片全氮含量的最优高光谱估测方法,该文依托不同氮素水平水稻试验,基于成像高光谱数据和无人机高光谱影像,综合运用统计分析及遥感参数成图技术,对比分析光谱指数与偏最小二乘回归方法预测水稻叶片全氮含量的精确度和稳健性。结果表明,以组合波段738和522 nm光谱反射率的一阶导数构成的比值光谱指数(ratio spectral index,RSI)构建的线性模型为水稻叶片全氮含量的最优估测模型(检验R2为0.673,均方根误差为0.329,相对分析误差为2.02);无人机高光谱影像反演的水稻叶片全氮含量分布范围(1.28%~2.56%)与地面实际情况较相符(1.34%~2.49%)。研究结果可为区域尺度水稻氮素含量的空间反演及精准农业的高效实施提供科学和技术依据。     

基于高光谱的寒地水稻叶片氮素含量预测

为快速、无损和准确地诊断水稻营养状况,开展了基于高光谱成像技术的寒地水稻叶片氮素含量预测研究。以不同施氮水平下的水稻叶片为研究对象,利用高光谱成像技术,分析拔节期水稻叶片光谱,采用全波段高光谱数据、连续投影算法及分段主成分分析(segmented principal components analysis,SPCA)与相关分析(correlation analysis,CA)相结合的方法建立多种回归分析模型,并对模型进行检验和筛选。结果表明:随着施氮水平提高,水稻叶片反射率在可见光区域降低,在近红外区域升高。在校正集决定系数上,基于多元逐步回归分析的全波段模型较好,校正集决定系数为0.821,校正集均方根误差RMSEC=0.079;在预测集决定系数上,基于SPCA-CA结合多元回归分析的多变量单波段指数、差值指数、双差值指数模型较好,预测集决定系数为0.869,预测集均方根误差RMSEP=0.085。该研究结果为快速检测水稻叶片氮素含量及水稻生长期间精确施肥管理提供了参考。     

黑土土壤中全氮含量的高光谱预测分析

为实现快速、准确估测土壤氮素含量水平,推动土壤信息化管理进程,该研究利用ASD2500高光谱仪在室内条件下测定了风干土壤样品的可见—近红外光谱。结果表明,通过不同的变换,光谱反射率对数的一阶导数与土壤全氮含量相关性得到增强,以400～600 nm波段范围内相关性最好。该文确定了以反射率对数的一阶导数光谱预测黑土全氮（TN）含量的最佳回归模型,模型所用的波段为可见光波段的556 nm、近红外的1 642和2 491 nm。同时,也确定了利用由可见光波段550和450 nm组成的归一化光谱指数预测黑土TN含量的最佳预测模型。模型通过验证达到较好的效果：利用反射率对数的一阶导数、归一化光谱指数对土壤TN的预测R2分别为0.863、0.829,均方根误差RMSE分别为0.122、0.152。     

有机肥部分替代化肥对滴灌棉田氮素转化及不同形态氮含量的影响

在滴灌条件下,采用连续3年定位增施有机肥小区试验,研究了不同有机无机肥配比对滴灌棉田土壤铵态氮、硝态氮、微生物量氮、全氮以及土壤矿化和硝化特性的影响,旨在明确滴灌棉田增施有机肥条件下土壤氮素转化与各形态氮素特征。结果表明,增施有机肥各处理均可显著增加土壤NH+4-N和NO-3-N含量(P0.05),且明显增加NH+4-N占总氮(TN)比例。在各施肥处理中,以配施6 000 kg·hm-2生物有机肥处理(60%CF+BF2)的矿质氮含量最高;3年连续增施有机肥3 000~6 000 kg·hm-2可明显增加滴灌棉田全氮和微生物量氮含量(P0.05),其中生物有机肥(CF+BF)对提高微生物量氮(MBN)/TN的效果显著,其土壤全氮分别比对照(CK)和单施化肥处理(CF)提高了24.7%~37.1%和13.3%~24.5%,微生物量氮分别增加53.8%~98.5%和32.2%~70.5%。有机无机肥配施可明显提高土壤硝化势和矿化能力。土壤增施3 000~6 000 kg·hm-2有机肥对促进滴灌棉田氮素转化,调节不同形态氮素比例及提高氮素肥力有显著效应。     

基于近红外光谱分析的土壤全氮含量估测研究

应用近红外光谱分析技术对比研究基于土壤风干样本和鲜样来预测全氮含量的可行性。选取水稻土为研究对象,首先分析了不同水分土壤的光谱特征,显示随水分含量增加,吸光度升高,且鲜样的吸光度高于干样。通过比较不同预处理方法,对土壤干鲜样分别采用逐步多元回归(SMLR)和偏最小二乘法(PLSR)建立了相应的近红外模型。结果表明,利用近红外光谱均可预测干鲜土壤样本的全氮含量,特别是利用偏最小二乘法建立的标定模型,预测精度高,反演性较好,鲜样和干样外部验证决定系数分别达到0.89和0.91,相对误差仅为6.92%和5.92%,研究结果可以为田间土壤全氮含量的估测提供技术依据和参考。     

不同尺度冬小麦氮素遥感监测方法及其应用研究

该文以航空影像、地面冠层光谱数据及同步观测的植被生化数据为基础,探讨了冬小麦冠层氮素监测的遥感方法。该方法应用于Lukina变量施肥模型,研究了基于遥感影像变量施肥量的计算方法。为实现以上目标,首先采用矩匹配和反射率转换方法,对获取的机载实用模块化成像光谱仪(OMIS)影像进行辐射校正;然后结合航拍相片及地面高精度差分GPS定位点坐标对高光谱影像进行几何校正。以预处理后的反射率影像和冠层光谱数据为数据源,采用倒高斯模型拟合冬小麦红边光谱曲线,并构建红谷位置、红边位置和红边宽度等光谱特征参量。通过对红边光谱特征量和实测氮素进行统计分析,寻找相关性显著、拟合误差小的最佳光谱特征量,并用于预测冬小麦冠层的氮素含量。统计相关分析结果表明：拟合曲线和图像反射率曲线面积差和实测的氮素含量有最高的相关性,且相关性达到极显著。最后,把该氮素预测方法集成到Lukina变量施肥模型中,结合反射率影像数据生成变量施肥处方图。文中探讨的最佳氮素预测方法改善了氮素预测的精度;基于影像的面状信息获取技术克服了点状信息的不足,使变量施肥技术更利于实用和推广。     

纳帕海湿地不同退化状态下土壤氮素的分异特征

纳帕海湿地区4类主要土壤的退化程度由高而低为弃耕地-中生草甸土(AFMMS)、中生草甸土(MMS)、湿草甸土(WMS)和沼泽土(MS),对4类土壤0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm采样,分析全氮(TN)、速效氮(RAN)、溶解有机氮(DON)、无机氮(IN)含量。结果表明:在剖面垂向,沼泽土TN和RAN含量中上层相对富集,而DON和IN含量由上而下逐渐降低、上层相对富集;其它三类土壤氮素含量总体由上而下降低、上层相对富集;4类土壤间,上层氮素含量为AFMMS相似文献   

基于1D-CNN的土壤全氮近红外光谱预测模型

摘要：【目的】传统的基于近红外光谱数据预测土壤全氮的方法需要对原始光谱数据做复杂的预处理，筛选出与土壤全氮含量相关性高的敏感波长之后进行模型的回归拟合。本文提出一种一维卷积神经网络（1D-CNN）模型，可以在对数据进行简单预处理甚至无处理的情况下达到非常理想的结果，实现用近红外光谱技术对土壤全氮含量的预测。【方法】于江苏无锡采集410个土壤样品，利用半微量开氏法(NY/T 53-1987)测定土壤的全氮含量，并利用NIR Quest 512光谱仪，在室内环境下对每份土壤样品做光谱检测，并用均值中心化(CT)、标准正态变换(SNV)、趋势校正(DT)对光谱进行预处理，运用偏最小二乘回归（PLS）、BP神经网络、1D-CNN方法建立土壤全氮含量的回归预测模型。每种模型在采用不同预处理方法的数据集上做十折交叉验证，记录预测模型的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)的平均值，并对比三种预处理方法对模型精度的影响。【结果】证明了本文提出的1D-CNN模型基于土壤近红外光谱数据预测土壤全氮含量的可靠性。使用原始数据与经均值中心化、标准正态变换、趋势校正预处理的数据训练得到的1D-CNN模型的决定系数分别为0.907、0.931、0.922、0.964，构建的PLS回归模型决定系数为0.856、0.863、0.861、0.880，训练的BP神经网络的决定系数为0.874、0.907、0.901、0.911。【结论】本文提出的1D-CNN模型在原始数据和经预处理的光谱数据上的表现都优于PLS和BP神经网络，且可以证明，对光谱数据进行预处理能够有效提高1D-CNN模型的性能，尤其是趋势校正对模型的提升效果最明显。研究表明，1D-CNN能更好地提取光谱特征并建立其与含氮量的映射关系，有效地避免过拟合，在未经过预处理的光谱数据上依然能够达到一定的精度。     

汉江小流域土壤氮素空间分布特征及影响因素

氮素是土壤中不可或缺的营养元素之一,对植物生长具有至关重要的作用。利用网格采样法(30m×30m)和典型样地取样法在汉江余姐河小流域进行土样采集,每个样点分为3层A1(0—20cm),A2(20—40cm),A3(40—60cm),分别测定其土壤全氮、土壤铵态氮和土壤硝态氮含量。研究了土壤氮素的空间异质性、氮素的组成比例以及不同土地利用类型下土壤全氮、铵态氮和硝态氮与环境因子间的相关关系,并且分析了不同形态氮素间的相互关系。结果表明:土壤氮素的空间变异性为土壤硝态氮土壤铵态氮土壤全氮;土壤全氮与硝态氮在A1土层为强空间相关性,在A2,A3层为中等程度的空间相关性,土壤铵态氮在各土层均表现为中等空间相关性;农地、林地、草地对全氮储量的贡献依次增大;相较于林地草地,农地对铵态氮储量的贡献最大;而草地对硝态氮储量的贡献在三种土地利用中最大;不同土地利用类型中,农地的氮素空间分布主要与土壤粒径具有相关性,而与地形因子(坡度、坡向等)相关性较小;林地的氮素空间分布主要与地形因子相关性较高,草地介于两者之间;在流域内增加草地林地面积,在流域出口处布设林草地等措施可以减少流域土壤氮素的流失。     

Effect of tillage treatments upon soil tests for soil acidity,soil phosphorus and soil potassium at three soil depths

Abstract

Soil samples were obtained at 0–3, 3–6, 6–9 and 0–9 inch depths from experimental plots receiving five tillage treatments. Each of two samplers composited approximately six one‐inch cores from each plot. Soil samples were analyzed for acidity, P and K using routine analysis procedures in the University of Illinois Soil Testing Laboratory.

Few significant differences were attributed to sampler and it was concluded that samplers using similar sampling techniques were obtaining soil samples from the same population.

No significant differences in soil acidity at different depths were observed. The different tillage methods did significantly affect soil P at the 0–3 inch depth, but had no significant effect on soil P at deeper depths. Different tillage methods also significantly affected soil K values at different depths.     

Usability of soil survey soil texture data for soil health indicator scoring

Soil textural information is an important component underlying other soil health indicators. Soil texture analysis is a common procedure, but it can be labor intensive and expensive. Soil texture data typically are available from the Soil Survey Geographic (SSURGO) database, which may be an option for determining soil health texture groups (SHTG). The SSURGO database provides soil texture information in the soil map unit (SMU) name, taxonomic class category (family), and detailed values (≤ 2 mm soil fraction) of percent sand, silt and clay by soil horizon. The objective of this study was to examine the possibility of using SSURGO data for SHTG at the 147-ha Cornell University Willsboro Research Farm in New York state as an alternative for soil texture data determined manually on collected soil core samples. Comparative results revealed that representative values for soil texture from the SSURGO database generally matched measured mean values for all SMUs.     

土壤含水率与土壤碱度对土壤抗剪强度的影响

土壤含水率和土壤碱度是表征土壤物理化学性质的两个重要参数。通过室内三轴不固结不排水试验,研究了土壤含水率和土壤碱度对土壤抗剪强度的影响。试验处理采用5种土壤碱度(土壤可交换钠百分比ESP=0、5、10、20、40)和4种土壤质量含水率(0.05、0.10、0.20以及饱和含水率0.34)水平。试验结果显示,土壤黏聚力随着土壤含水率的增加基本上呈先增大后减小之趋势;当土壤含水率在0.10附近时黏聚力达到其最大值。土壤内摩擦角随着土壤含水率的增加而线性减小。土壤碱度对土壤黏聚力的影响机理较为复杂,其影响效果随土壤含水率的增加而减小;但土壤碱度对土壤内摩擦角的影响较小。土壤碱度对土壤抗剪强度的影响程度明显地小于土壤含水率对其的影响程度。     

黑土区土壤侵蚀厚度对土地生产力的影响及其评价

为了研究黑土区土壤侵蚀厚度对土地生产力的影响,采用盆栽试验,人为剥离黑土表层0、5、10、15、20、25和30 cm土壤以模拟侵蚀厚度不同的耕层土壤,分析土壤侵蚀厚度对土壤理化性质、大豆生物性状和水分利用效率等指标的影响。并对TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)模型进行改进,用于评价侵蚀厚度不同的土壤的土地生产力。结果表明:土壤全N、碱解N、全P、速效P、有机质含量和土壤田间持水率均随侵蚀厚度的增加而递减,土壤容重随侵蚀厚度的增加而递增。土壤侵蚀厚度对大豆生长有显著影响,随着侵蚀厚度的增加,大豆减产率呈"S型"曲线递增,产量、耗水量呈"Z型"曲线递减,水分利用效率呈指数曲线关系递减。改进的TOPSIS模型对不同侵蚀厚度下土地生产力的评价结果较为理想,计算的土地生产力指数随土壤侵蚀厚度的变化呈"Z型"曲线,与大豆产量的变化趋势相同,且二者呈指数函数关系,决定系数达0.996,均方根误差为0.65。研究结果可为黑土区土壤侵蚀防治提供理论依据。     

土壤调节剂对土壤物理性质的改善

Effects of non-ionic polyacrylamide(PAM),anionic polyacrylamide(PHP),cationic polyacrylamide(PCAM),non-ionic polyvinylalcohol(PVA),anionic hydrolyzed polyacrylonitrile(HPAN)and polyethleneoxide(PEO)on the physical properties of three different soil stpes were studied.content of water-stable aggregates larger than 0.25mm increased to varying extents for different soils and soil conditioners,Among the six kinds of condiftioners,non-ionic polyacrylamide(PAM) was the most effective for red soil while polyethyleneoxide(PEO)the least effective for Chao soil,red soil and yellow-brown soil.Water-stable aggregates with the molecular weight of PEO within a certain range.Only evaporation rate of Chao soil decreased after aplication of PAM and HPAN to Chao soil and red soil.     

黑土土壤水分反射光谱特征定量分析与预测

选择单一土类黑土作为研究对象, 并准确调配其不同含水量,实验室测定土壤高光谱反射率,利用光谱分析与统计方法,定量描述了不同含水量黑土反射光谱特征,并建立了黑土含水量反射光谱预测模型,结果表明,随土壤含水量的增加,达到一定阈值（300 g kg-1）,反射率存在过饱和现象,但其倒数对数微分可以有效去除饱和问题;土壤反射率倒数对数微分对土壤含水量的响应表现出三个变化阶段,导致1 870 nm波段的倒数对数微分也表现为非线性变化,需要利用分段函数进行土壤含水量的光谱精确速测。     

Nonisothermal nature of soil profiles and soil hydrophysics

The results of studies of thermal water transfer and the functional analysis of nonisothermal soil water exchange (summarizing the current concepts of its physical nature, value, relations to soil properties, contribution to heat conductivity, and use for determining other hydrophysical properties of soils) are presented without going into detail of the mathematical analysis.     

Effect of soil acidification on the soil microflora

The effects of short and long term acidification on a few Alberta soils were studied with respect to bacterial numbers and total soil respiration. Significant reductions in bacterial numbers were observed in both short and long term acidified soils. Total soil activity was severely affected in an acid soil (pH 3.0, longterm) adjacent to a S block. A soil (pH 6.8) 200 m away from this S block when artificially acidified to pH 2.9 significantly reduced soil activity but not as drastically as found in the long term pH 3.0 soil. A garden soil (pH 7.7) which was also acidified to pH 3.2 showed no significant reduction in total soil respiration rate as compared to its unacidified control soil. These acid soils when amended with organic substrates demonstrated that certain physiological groups of organisms were severely inhibited by this acid condition. The importance of examining more than one parameter when assessing the effect of a potential pollutant on soil activity is discussed.     

聚丙烯酸盐类土壤改良剂对燕麦土壤微生物量氮及酶活性的影响

以燕麦田土壤为研究对象,探讨了聚丙烯酸盐类土壤改良剂及其复配(聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、腐植酸钾、聚丙烯酸钾+腐植酸钾、聚丙烯酰胺+腐植酸钾)对燕麦田土壤微生物量氮及土壤酶活性的影响。结果表明,不同土壤改良剂均能提高土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量,各指标分别比对照增加了8.24%～30.22%、7.60%～19.29%、5.15%～29.45%和27.86%～68.86%;土壤改良剂能促使燕麦全生育期内0～10、10～20和20～40 cm各土层的土壤微生物量氮含量显著提高,聚丙烯酸钾+腐植酸钾和聚丙烯酰胺+腐植酸钾复配处理较其各单施效果显著,随土壤深度的增加土壤微生物量氮逐层递减;与对照相比,土壤改良剂能显著提高燕麦全生育期各土层过氧化氢酶活性,在抽穗期活性最高,且以聚丙烯酸钾+腐植酸钾较高;但对于脲酶,聚丙烯酸钾+腐植酸钾、聚丙烯酰胺+腐植酸钾和腐植酸钾3个处理在苗期显著低于对照,在抽穗期和成熟期高于对照,两种酶活性均随土壤深度的增加逐渐降低。