壳聚糖基碳量子点的制备、表征及其对过氧化氢的荧光检测研究

为制备可用于分析过氧化氢(H₂O₂)的荧光传感器,本研究利用壳聚糖与DL-酒石酸为反应前体,水热处理制备了新型氮掺碳量子点(CDs),能够高效、简便地检测食品中的H₂O₂含量;并采用透射电镜(TEM),以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等方法进行分析表征。结果表明,CDs的荧光量子产率约为5.22%,粒径约为20 nm,而且具有石墨烯结构,其表面也含有较丰富的羟基、氨基和羧基等功能性官能团。此外,Fe³⁺可以猝灭CDs溶液的荧光,而Fe²⁺几乎不影响;按照CDs与Fe³⁺混合后荧光几乎消失时的浓度配比,将Fe³⁺替换成同等浓度Fe²⁺再分别加入不同浓度的H₂O₂,快速混均后测量其在320 nm激发光下的荧光发射图谱,绘制标准曲线,H₂O₂浓度在0~60 μmol·L^-1内线性关系良好,相关系数R²约为0.990 0,检测限约为0.65 μmol·L^-1。本研究结果为快速检测食品中的H₂O₂提供了一定的理论依据。     

农业样品中总汞的快速检测技术研究进展

重金属汞是农业环境、食用农产品、肥料、饲料等农业样品监测的重要污染物对象.传统的实验室分析方法通常需要复杂的样品前处理,耗时、费力,极易造成汞的损失,因而无法满足农业样品中汞的快速检测需求.本文对总汞的现有快速检测手段进行了综述,包括电热蒸发技术、激光和微等离子体技术、X射线分析技术、碘化亚铜化学反应显色技术、电化学技...     

用于食品安全检测的生物传感器的研究进展

生物传感器特异性好、分析速度快、成本低,在食品安全检测领域有着重要的应用价值。该文介绍了电化学、光学、压电和量热生物传感器在食品安全检测中的应用,包括致病菌、抗生素残留、生物毒素和农药残留检测,指出了目前研究中需要解决的问题并展望了未来发展方向,认为高灵敏度、集成化、微型化、多功能化等是未来用于食品安全检测的生物传感器的发展趋势和重点方向。它在食品污染物的快速实时及特异性检测方面有着广阔的应用前景。     

锌离子荧光探针的最新研究进展

锌离子是生物体必需的微量元素之一,具有重要的生理功能,选择性识别和检测锌离子,对化学、生物学、临床医学和农学等领域的相关研究具有十分重要的意义。荧光探针分析法具有选择性好、灵敏度高以及操作简单等优势,因此设计合成锌离子荧光探针成为近几年的研究热点。本文基于不同母体化学结构,对近5年来锌离子荧光探针的研究进展进行了归纳总结,并对未来的发展提出了展望,旨在对后续锌离子荧光探针的进一步研究提供重要参考。     

农业环境信息无线传感器网络监测技术研究进展

无线传感器网络是实现农业环境变量信息多方位、网络化远程监测的主要技术手段。无线地上传感器网络应用研究集中在作物不同生长期内节点布设距离和高度以及作物高度等对无线电信号传输损失的影响,从而合理选择节点布设参数。无线地下传感器网络应用研究集中在气象环境、土壤类型、土壤含水率、土壤结构与成分、节点埋藏深度、节点距离、频率与功率范围、网络拓扑结构、路由算法、组网方式等对电磁波多路径传输的路径损失、误码率、最大传输距离、含水量测试误差等方面的影响。研究指出,300～500 MHz的频率更适合土壤无线地下传感器网络,其最大传输距离为5 m,传输距离将是系统大面积推广应用的主要限制因素。今后重点应研究433 MHz电磁波在不同土壤和空气多层介质中的传输特性、信道模型及路径损失,优化节点和网络技术参数,确定不同农业应用环境条件下传感器网络节点合理位置和最优的网络拓扑结构方案。     

红壤区土壤有机碳时间变异及合理采样点数量研究

相对于土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)空间变异性及合理采样点数量的研究,其时间变异性及揭示特定时段SOC变化所需采样点数量的研究较少。选择红壤丘陵区的江西省余江县为研究区,分析了1982—2007年SOC含量的时间变异特征,并估算了揭示该时段SOC变化所需土壤采样点数量。结果表明,1982—2007年SOC含量均值由14.18增至16.27 g kg-1,增幅为14.74%,其变异系数则由0.22上升为0.44。各土地利用方式中,水田和林地SOC含量分别增加了2.93和3.12g kg-1,而旱地则降低了2.55 g kg-1;同时各利用方式的SOC含量变异系数均出现较大幅度的提高。基于两时段的全部样点,在95%和90%置信区间上,计算得到揭示该时段全县SOC时间变异所需的采样点数量分别为186和147。基于各土地利用方式的SOC变化,计算得到水田、旱地和林地所需采样点数量分别为68、44和144(95%置信区间)及54、34和112(90%置信区间);揭示旱地SOC变化所需采样点数量应为水田的60%以上,而林地所需样点则为水田的2倍以上。该研究结果可为红壤区SOC时间变异性及其调查采样提供参考。     

样点稀少条件下基于环境相似性的土壤有机碳空间分布预测

针对现有土壤有机碳（soil organic carbon,SOC）空间分布预测模型难以适用于样点稀少条件下的问题,该研究依据成土环境越相似土壤属性越相似的假设,提出一种基于环境相似性的SOC空间分布预测方法（environmental similarity model,ESM）,首先利用影响SOC空间分布的关键环境变量刻画研究区成土环境,然后比较采样点与待估测点处的环境相似度,最后依据环境相似度预测待估测点处的SOC含量。为验证ESM方法的有效性,以云南省作为案例研究区,并设置3个情景：1）从64个采样点中随机抽取10个点作为训练集,余下的采样点作为验证集,随机抽取20次;2）从64个采样点中随机抽取20个点作为训练集,余下的采样点作为验证集,随机抽取20次;3）从64个采样点中随机抽取30个点作为训练集,余下的采样点作为验证集,随机抽取20次。以平均绝对误差（mean absolute error,MAE）和均方根误差（root mean square error,RMSE）评估模型预测精度。方差分析结果表明,采样点分别为10、20和30这3个情景条件下ESM的MAE（12.7、11.7、11.1 g/kg）都显著（P < 0.05）低于多重线性回归（72.6、23.0、16.7 g/kg）和人工神经网络（15.8、14.9、15.8 g/kg）,表明ESM模型具有较高的预测精度及较强的鲁棒性,可为成土因素复杂区域SOC空间分布的预测提供借鉴和指导。     

基于荧光分析的不同有机碳水平水稻土添加外源有机物培养对DOC的影响

以江西省红壤研究所内的水稻土有机肥长期定位试验(始于1981年)为研究对象,基于三维荧光技术,在室内培养条件下,研究外源有机物(葡萄糖和秸秆,分别代表易分解和难降解碳)对不同碳水平水稻土可溶性有机碳含量与结构的影响。结果表明:添加葡萄糖对高碳和低碳水稻土可溶性有机碳(DOC)含量均无显著影响(p0.05),但可以促进DOC结构中类溶性微生物代谢产物的增加与类胡敏酸类富里酸的减少。添加秸秆则对高碳和低碳水稻土DOC有不同的影响:低碳土壤中,在培养末期(60d),添加秸秆处理的DOC含量显著提高(p0.05),而高碳土壤处理则无显著变化。在DOC结构方面,秸秆可以促进低碳土壤中类蛋白物质转化为更稳定的类胡敏酸和类富里酸物质;对于高碳土壤,则可以促进类溶性微生物代谢产物的积累,促进类胡敏酸与类富里酸的分解利用。低碳土壤DOC含量相对稳定,结构受外源有机碳影响较大;高碳土壤DOC结构相对稳定,但含量变化较大。     

土壤有机碳稳定性影响因素的研究进展

增加土壤碳汇是应对全球气候变化的有效措施,作为土壤碳汇来源之一的有机碳在其中发挥重要作用。过去几十年,土壤有机碳的分子结构性质被认为是预测有机碳在土壤中循环的主要标准。然而最近的研究结果表明有机碳的分子结构并非绝对地控制着土壤有机碳的稳定,而土壤环境因子与有机碳的相互作用显著降低了土壤有机碳被降解的可能性。土壤微生物不仅参与有机碳的降解,其产物本身也是土壤有机碳的重要组成成分。非生物因子直接或间接地控制着土壤有机碳的稳定,包括土壤中的无机颗粒、无机环境以及养分状况等。其中,有机碳与土壤矿物的吸附作用和土壤团聚体的闭蓄作用被普遍认为高效地保护了有机碳。土壤矿物的吸附作用取决于其自身的矿物学性质和有机碳的化学性质。土壤团聚体在保护有机碳的同时也促进了有机碳与矿物的吸附,而有机-矿物络合物同样可以参与形成团聚体。此外,土壤无机环境也影响着有机碳循环。总之,土壤有机碳的稳定取决于有机碳与周围环境的相互作用。同时,有机碳的结构性质也受控于环境因素。然而,无论有机碳的结构性质,还是其所处的生物与非生物环境,都是生态系统的基本属性,且各属性间相互影响、相互作用。因此,土壤有机碳的稳定是生态系统的一种特有性质。     

基于Kinect V3深度传感器的田间植株点云配准方法

准确建立植物的三维点云是以点云方式高通量获取植株各部位物理参数的前提。为实现田间复杂环境下的植株三维点云配准,该研究提出了一种基于多标定球的田间植株点云自动配准方法,并分别在室内简单场景及大田复杂场景下从不同角度对多种作物采集的点云数据进行验证。该方法采用随机抽样一致性算法（Random Sample Consensus, RANSAC）结合点云减法的概念从下采样后的点云中实现多标定球的自动提取,弥补了RANSAC一次只能提取单个物体的缺点。然后基于各标定球的球心距离信息实现三维点集的自动匹配。最后使用奇异值分解算法解算旋转平移矩阵,实现点云的自动配准。不同场景下各作物的配准结果表明,各植株的水平90°、180°、270°以及垂直方向上的点云配准到水平0°点云下的平均轴向误差在6～17 mm之间,平均点位误差在13～30 mm之间,与手动配准的商用同类软件LiDAR360的配准结果相当,但配准过程的自动化程度明显提高,效率提高了67%。该文所提出的方法可在田间复杂环境下对低成本深度相机获取的植株点云实现高精度的自动配准,为田间植物表型参数的提取提供了低成本的可行方案。     

比率电化学传感技术在农产品真菌毒素检测中的研究进展

真菌毒素广泛存在于霉变农产品中,具有致癌、致畸、致突变等危害,受其污染的农产品已被世界卫生组织列为食源性疾病的主要来源,但农产品中真菌毒素检测存在基质复杂、灵敏度要求高等难题。电化学传感技术操作简单、成本低、灵敏度高以及分析速度快,在农产品真菌毒素检测中应用广泛,而将比率策略与电化学传感结合发展的比率电化学传感技术可以进一步提高传感器在复杂环境中的分析准确度和可靠性。该研究主要从直接传感、免疫传感、DNA传感及适配体传感等4个方面综述了近3年来（2018－2021年）比率电化学传感技术的研究进展,系统讨论了它们的信号产生策略、传感机理及其在农产品真菌毒素检测方面的应用,总结了不同传感模式中所用识别元件、传感材料、实际样品及检测真菌毒素的分析性能,并讨论了不同传感模式的优缺点。最后,分析了比率电化学传感技术在农业传感领域的瓶颈问题,如识别元件的开发,多种真菌毒素的同时检测,农产品的现场、实时检测等,指出开发便携式设备实现不同真菌毒素的现场、同时、快速检测是本领域的重要发展方向,以期为农产品中真菌毒素高效检测技术提供参考。     

融合激光三维探测与IMU姿态角实时矫正的喷雾靶标检测

基于高精度激光传感器的喷雾靶标特征检测是精准施药变量决策的重要依据。为了改善复杂地形条件对车载激光靶标检测的影响,进行了车载激光喷雾靶标检测与矫正研究。该文基于惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)与UTM-30LX型激光传感器搭建靶标检测试验车,IMU实时获取车体姿态角的偏航角、俯仰角及侧倾角信息,车载激光传感器实时获取目标切面轮廓的极坐标数据。将获取的目标切面轮廓的极坐标数据与试验车姿态角信息相匹配,通过矫正算法获取精确的目标外形尺寸信息并重构目标三维图像。试验设计首先对长方体柜子与仿真树进行车体单一动态俯仰角的检测试验,然后以仿真树为试验目标,进行车体存在复合动态俯仰角与侧倾角的检测试验,最后在未知地形条件下对长方体柜子以及仿真树进行动态姿态角检测与矫正试验。利用MATLAB软件对数据矫正分析,对矫正后的目标尺寸信息进行误差分析并重构目标三维图像。试验结果显示矫正后长方体柜子的高度、宽度最大相对误差分别为8.89%和8.00%,仿真树的高度、宽度以及树冠高度最大相对误差分别为5.63%、10.00%和5.00%,矫正效果良好,验证了矫正算法的有效性。     

农业生态环境监测中无线传感节点信号有效传输距离的确定

农业生态环境的物理形态和结构复杂多样,对WSN（wireless sensor networks）的无线信号传输造成不同衰减影响。为确保无线传感器网络在农业环境中经济、合理、高效部署,有必要明确典型农业环境中无线传感节点间的有效传输距离。该文基于Shadowing信号衰减模型,利用当前通用的CC2530和CC2591无线通信模块,分别选定4种不同农业环境（湖泊、草地、农田、树林）开展单跳组网试验,通过设定不同距离测试传感器节点的接收信号强度指标（received signal strength indication,RSSI）,分析不同环境中RSSI与传输距离间的变化特征。试验结果表明,所有测试环境获得的RSSI值与有效距离遵从Shadowing模型,其拟合度在0.9232～0.9846之间。通过对实测数据建立拟合模型,以接收节点的灵敏度为临界值,计算出湖泊、草地、农田、树林4种环境的理论传输距离分别为663.3,419.3,208.0和79.5 m,而实测有效传输距离与理论值之间的相对误差在22%～34%之间。从误差分布看,复杂环境的实测值更接近理论值,而特殊结构的复杂环境似对实际信号传输有增强作用。该文的研究方法和模型估算获得的信号衰减系数可为实际环境监测组网提供有益参考。     

基于文献计量分析的土壤有机碳矿化研究进展与热点

为了解土壤有机碳矿化的研究进展和未来发展趋势,以Web of Science核心合集数据库中1045篇土壤有机碳矿化的研究论文为数据源,通过CiteSpace、VOS viewer和GIS分别以发文数量、总/平均被引频次等为指标,对国家、机构、作者等进行了分类与可视化展示。结果表明：1982—2020年间,土壤有机碳矿化研究的发文数量不断增长,尤其是1993—2019年。美国总发文量第一且中介中心性较高,影响力较大;中国在2016年后年均发文数量第一但需加强科研创新性;目前形成了联系紧密的核心作者群,研究机构以中国科学院发文数量最多,但国家以德国和法国的国际影响力最大。土壤有机碳矿化的研究是基于多个学科、多个领域的知识相互融合而开展的,研究热点集中在土壤类型、环境因素和土地利用的变化对土壤有机碳的矿化量、周转情况及时空分布特征的影响上。未来应加强不同条件下土壤有机碳矿化的内在机制与模型研究,同时应更加注重对激发效应、土壤侵蚀以及外源碳氮添加等研究主题的关注度。     

不同农业废弃物还田对土壤碳排放及碳固定的影响

在玉米生长季,采用静态箱法,在氮磷钾等养分量(N 240kg/hm~2,P2O5100kg/hm~2,K2O 120kg/hm~2)的条件下,研究秸秆、牛粪、鸡粪与化肥配施还田,对土壤CO_2排放及碳固定的影响。研究结果表明:施肥促进土壤CO_2排放,其中100%秸秆粉碎还田配施化肥(S1)对土壤CO_2排放的促进作用最为明显,平均排放通量达389.0mg/(m~2·h);其次为单施化肥(S4)。S1、S2、S3和S4处理在6,7,8三个月份CO_2平均排放通量表现为S4S1S3S2,分别占整个生长季排放总量的80.1%,78.9%,78.8%和83.7%,表明单施化肥处理(S4)在玉米生长旺季CO_2排放通量最高达624.9mg/(m~2·h)。各施肥处理在玉米生长季出现2个CO_2排放高峰阶段,与2次氮肥(尿素)追施密切相关,2次追施氮肥后CO_2排放通量平均值均表现为S4S1S3S2,表明用农业废弃物中的氮部分代替化肥氮,可减少CO_2排放量。50%牛粪有机氮还田配施50%化肥氮(S2),能明显提高土壤有机碳含量。50%鸡粪有机氮还田配施50%化肥氮(S3)可明显提高玉米各器官及植株含碳量,其中S3处理植株含碳量最高为9.59t/hm~2,促进玉米碳固定;而100%秸秆粉碎还田配施化肥氮(S1),并不能提高玉米各器官及植株含碳量,甚至低于单施化肥(S4)。     

基于移动无线传感器网络的植株图像监测系统设计与测试

针对静态无线传感器网络(static wireless sensor network,SWSN)在图像监测中功耗分布不均、传输不可靠等问题,设计了基于移动无线传感器网络(mobile wireless sensor network,MWSN)的农田植株图像监测系统。选用JN5139模块搭配摄像头采集和编码图像,利用无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)搭载协调器收集信息。通过仿真和测试可得,节点在MWSN中的最小功耗为10μW,工作功耗为133 m W,在SWSN中为133 m W,路由节点功耗为普通节点的2倍;在10~35 m范围内,MWSN的信号强度为-68~-86 dbm,SWSN为-83~-85 dbm;在10~80 m范围内,MWSN的误码率范围是0~9.2%,SWSN是0~38.6%。试验时UAV在15 m高空悬停接收地面设备发出的图像数据,测得获取一张图片平均需135 s,图片分包平均为22次,解码后的图像可以较好的反映植株生长状态。上述结果表明,工作时间相同,MWSN中节点的功耗差异性小,呈均匀分布;在一定距离范围内,MWSN的传输能力和抗干扰能力整体上优于SWSN,能保证数据传输的可靠性,因此,基于移动无线传感器网络技术的图像监控系统能够满足大范围农田中植株图像的监测需求。     

Effects of vegetation type on mercury concentrations and pools in two adjacent coniferous and deciduous forests

Vegetation type and ecosystem structure affect major aspects of the mercury (Hg) cycle in terrestrial ecosystems which serve as important storage pools for a long‐term legacy of natural and anthropogenic Hg release to the environment. The goal of this study was to evaluate the integrated effects of 80 y of different vegetative type on Hg accumulation and partitioning in terrestrial ecosystems by comparing Hg concentrations and pools of two adjacent forests: a coniferous Douglas fir (Pseudotsuga menziesii) and a deciduous red alder (Alnus rubra) stand. These stands grew for > 80 y in close proximity (200 m) with identical site histories, soil parent materials, and atmospheric exposure. Results showed that the Douglas fir stand was characterized by significantly higher Hg concentrations and Hg : C ratios in aboveground biomass compared to the deciduous red alder forest. For foliage, higher Hg concentrations (plus 43 μg kg^–1) were expected due to foliage age, but Hg concentrations also were higher in woody tissues (by 2 to 18 μg kg^–1) indicating increased uptake of atmospheric Hg by coniferous tissues. These differences were reflected—and further increased—in litter horizons where Hg‐concentration differences increased in highly decomposed litter to > 200 μg kg^–1. In soils, no difference in concentrations of Hg was observed, but Hg : C ratios were consistently higher in the coniferous Douglas fir. Estimation of pool sizes of C and Hg in soils and at the whole ecosystem level showed that considerably smaller C pools in the coniferous stand as a result of faster C turnover and lower productivity did not lead to corresponding declines in Hg‐pool sizes. The partitioning of Hg among ecosystem components—including distribution between aboveground and belowground components and distribution through the soil profile—was largely unaffected by forest type. Methyl‐Hg concentrations observed in litter layers were also significantly higher in litter of Douglas fir, along with a higher proportion of methylated Hg of total Hg. In soils, methyl‐Hg concentrations were similar in both stands. Comparison of these adjacent forest stands highlights that vegetation type affects concentrations of total Hg in otherwise equivalent sites and that differences also exist in respect to methylated Hg.     

QCM气敏传感器阵列的制备及其对鸡蛋货架期的检测

为实现鸡蛋货架期的无损检测,该文提出了基于石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)传感器阵列的检测方法。采用浸涂法制备了4个QCM气敏传感器,分别修饰有碳纳米管、石墨烯、氧化铜以及聚苯胺敏感材料薄膜;优化传感器的敏感材料层数后,分别选择4层碳纳米管、4层石墨烯、5层氧化铜和5层聚苯胺修饰的传感器构成QCM传感器阵列,其灵敏度分别为2.05、1.37、2.31与1.70 Hz/(mg/kg),长期稳定性均高于85%,4个传感器表现出良好的重复性、回复性以及动态响应特性。进一步将所制备的QCM传感器组成阵列应用于鸡蛋货架期的检测中,采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)、线性判别分析法(linear discriminant analysis,LDA)对不同货架期的鸡蛋样品进行区分,LDA法能够有效区分不同货架期的鸡蛋样品,区分效果优于PCA;采用偏最小二乘回归法(partial least squares regression,PLSR)建立鸡蛋货架期的回归模型,能够很好预测鸡蛋样品的货架期(R~2=0.954 7,RMSE=1.666 1 d)。结果表明,所制备的QCM传感器阵列能够实现不同货架期鸡蛋的区分和预测,研究结果为鸡蛋货架期的无损检测提供参考。     

嵌入式谷物流量传感器设计与试验

为进一步提高双平行梁谷物测产系统的集成度以便于推广应用,提出一种嵌入式谷物质量流量传感器。设计了基于混合信号控制器HY16F188和嵌入式处理器STM32F405的信号采集处理模块。其中HY16F188负责谷物冲击信号的后置放大和AD转换,STM32F405则主要完成自适应噪声对消算法,输出谷物质量流量信号。基于MFC设计了配套的上位机软件,用于谷物产量显示、存储和产量图生成。为验证传感器性能,2016年11月在扬州市江都区的实际生产稻田进行了空载振动试验、标定试验、测产试验。空载振动试验分成原地小油门、原地大油门和行走等3种工况,振动干扰噪声幅度降低了97.4%。标定试验中采用线性关系对传感器进行标定,通过直线拟合获得了标定系数。选择3个不同田块开展测产试验,共计进行8次实际测产试验,获得了产量分布图,可以直观看出农田各位置的谷物产量分布情况。大田测产试验结果表明最大测量误差小于7.4%。该研究可为精准农业谷物在线测产研究提供参考。