基于光谱技术的水稻叶片氮素测定仪的开发

在理论分析的基础上设计开发了一套基于光谱技术的水稻叶片SPAD值和氮素测定仪。该测定仪主要包括光路部分、调理电路和控制与数据采集器等。光路部分包括光源、检测点以及光电传感器等元器件,主要作用是：控制光源的亮灭、收集透过叶片光线、将光信号转换为电信号;调理电路主要将所得微弱电信号进行电流电压转换以及放大到合适的幅度;控制与数据采集器包括AD转换电路,液晶显示电路和SD卡存储电路。对该测定仪的性能进行了测试,试验分为两步：先建立AD采样电压信号与SPAD值之间的模型,然后建立SPAD值与氮素之间的模型。经过大量的试验测得：传感器转换的电压信号与SPAD值之间存在很高的相关性（R2 =0.956）,SPAD值与氮含量建立的模型的决定系数为R2 =0.802,结合以上两种模型得到该仪器的氮素模型的决定系数为R2 =0.766。该仪器适合用于田间水稻叶片氮素含量的快速测量。     

膨润土对重金属离子的竞争性吸附研究

通过间歇震荡平衡法研究了膨润土对4种重金属离子Cd2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+的竞争性吸附特性及其机制。研究结果表明:与单一离子体系比较,膨润土在竞争体系中对Cd2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+4种重金属离子的吸附量均呈下降趋势。竞争体系下,其它重金属离子的存在显著抑制了膨润土对Cd2+的吸附,降幅为19.20%~37.50%,而对Pb2+的吸附能力几乎没有影响,降幅仅为0.41%~2.83%。膨润土对4种重金属离子的富集系数,其大小顺序依次为Pb2+>Cu2+>Zn2+>Cd2+。该选择性吸附顺序与重金属离子的一级水解常数密切相关。     

基于卡尔曼滤波的降雨起止时间手机远程监测装置研制

为解决设施农业的降雨监测系统难以精准检测降雨起止信号的问题,研制了一种降雨起止时间远程监测装置。该装置主要由雨水感应模块、雨水检测电路、单片机、通用分组无线电系统数据传输单元模块(General Packet Radio System Data Transmission Unit,GPRS DTU)、串口通信电路和手机端APP组成。通过自行设计的雨水感应模块检测降雨过程,利用卡尔曼滤波器降低雨水检测信号的电阻热噪声干扰,根据滤波后的信号差值建立降雨起止信号判别模型,判定的降雨起止信号经通用分组无线电系统(General Packet Radio System,GPRS)远程无线传输至云服务器,并以云服务器的同步时间作为基准时间,实现了手机远程监测降雨起止时间。开展装置性能测试试验,研究其稳定性、准确性与可靠性,结果表明:1)降雨起止信号判别模型的判别周期取10 s最优;2)室内测试时的降雨起止信号错报率为1.2%,手机接收成功率为100%;3)雨水感应模块的导线末端间距为2 mm、基板间夹角为120°是能检测小雨及以上等级的最优参数组合。将装置安装于开阔的楼顶天台开展实测验证试验,结果表明:装置对降雨开始与停止时间的检测误差范围分别为7~34、9~29 s,室外仅出现1次错报,信号错报率为5.9%,符合对自然降雨过程的检测要求。该装置能远程监测降雨起止时间,可为今后进一步研究农业智能感雨监测系统提供技术支持和理论依据。     

基于虚拟仪器技术的食品物性检测系统的研究

采用虚拟仪器技术、机电一体化技术、单片机技术、传感器技术于一体,研制了食品物性参数的自动检测和分析系统。系统硬件由食品受力传感器、食品变形位移传感器、定时器、信号调理、数据采集、串口通讯、扩展LCD等模块电路构成;软件基于Lab Windows/CVI虚拟仪器开发平台,采用多线程技术实现了信号采集、动态曲线显示、试验数据的实时分析和处理。试验结果表明：该系统的检测精度高、检测功能完善及抗干扰能力强,具有理论研究意义和实用价值。     

新型茶皂素硫酸钠合成及其修复土壤重金属污染研究

经水提-沉淀法从茶籽饼提取茶皂素,以其为原料设计合成了新型绿色茶皂素基螯合剂(茶皂素硫酸钠)。对其表面性能进行研究发现,其表面张力低于茶皂素,而HLB值、起泡力及稳泡性均优于茶皂素。同时考察了振荡时间、螯合剂浓度、pH及离子强度对螯合剂去除重金属率的影响。结果表明,重金属去除率随振荡时间和浓度增加而升高,随pH、离子强度增加而降低。得出去除Pb2+、Cd2+离子的最佳工艺:振荡时间为12h,质量分数为7%,pH为5.0,Ca(NO3)2浓度为0.01mol/L,此条件下螯合剂对土壤中Pb2+、Cd2+离子去除率最大,茶皂素硫酸钠对Cd2+离子的去除率大于Pb2+离子,且茶皂素硫酸钠对此2种离子的去除率均优于茶皂素,尤其对Pb2+离子去除率改善效果显著。     

生物有机肥对重金属的吸附解吸作用的影响

通过室内培养的方法比较了生物有机肥和干鸡粪对重金属离子Pb2+、Cd2+、Cr3+、As6+的吸附与解吸特性。研究结果表明:生物有机肥和鸡粪对4种重金属离子的吸附量大小依次为Cr3+>Pb2+>Cd2+>As6+,解吸量大小顺序为Pb2+>Cd2+>Cr3+>As6+,而解吸率的大小顺序为As6+>Pb2+>Cd2+>Cr3+,这主要与四种金属离子的电荷种类、数量及水合离子半径等密切相关。与干鸡粪相比,生物有机肥增加了对4种重金属离子的吸附率,同时降低了对4种重金属离子的解吸率。     

肥液氮素浓度在线检测装置研制

为实现肥液自动混合过程中氮素浓度的实时检测,设计了一个检测装置,该装置主要由硝酸根离子选择电极、电极信号调理电路、温度传感器、数据采集以及显示电路组成。在10-6~10-1 mol/L范围内配制了一系列标准浓度的NO3-溶液,对该检测装置进行了性能测试试验:1)以标准毫伏计PHS-3CT作为对比,测试了装置对电极响应电势的测量准确性,其相对误差最大为5.2%;2)在5~45℃范围内,分析了离子选择电极的温度变异性,结果表明电极响应电势随着待测溶液温度升高而呈线性变化,在此基础上采用最小二乘法的逐步拟合方法建立了温度参数模型,并对模型进行了验证,其测量误差最大为9.2%;3)采用固定干扰法分析了Cl-、SO42-、H2PO4-和HPO42-等4种干扰离子对装置测量结果的影响,结果表明Cl-引起的干扰最大,电极对Cl-的敏感性是NO3-的0.2%,因而肥液中少量的干扰离子对测量结果的影响不大。因此,该装置可满足工程上自动混肥过程中氮素浓度检测的应用要求。     

小分子有机酸对紫色土中Pb的活化机理研究

以紫色土为研究对象,分别用强酸和小分子有机酸盐模拟柠檬酸、酒石酸、乙酸中质子和酸根离子,研究典型小分子有机酸对紫色土中铅(Pb2+)的活化作用,探讨其对紫色土中Pb2+的活化动力学。结果表明:乙酸对Pb2+的活化以质子作用为主,240min内的快反应阶段达到最大解吸量的76.05%,能快速解吸静电吸附态Pb2+;酒石酸则表现出较强的络合配位作用,其钠盐对紫色土中Pb2+的活化能力大于酒石酸自身;柠檬酸在借助滴定模拟的方法时,无法判断质子与酸根的作用大小,在动力学中使用双指数动力学模型得出,慢反应占总反应的比例最高达48.39%,由于较高的络合稳定常数与较多的有机配体,能够破坏更多化学键而与Pb2+形成多齿多核状络合物,释放专性结合位点的Pb2+。     

东北地区奶牛舍围护结构的低限热阻计算与验证

为探究利用废弃农业生物质制备两性吸附材料处理含Pb2+和As5+废水方法,该文通过醚化反应将2种具有"钳形"|结构的改性剂（阳离子改性剂IA和阴离子改性剂IM）接枝到小麦秸秆的纤维素上,制备高效两性吸附材料WS-IAIM。利用扫描电镜、红外光谱、X射线光电子能谱对其结构进行表征。通过批量处理试验,研究了该材料对水中Pb2+和As5+的去除能力和可能的吸附机理,探讨了其吸附动力学和热力学。结果表明：随着溶液pH值的增加,吸附剂对Pb2+的吸附量增大,对As5+的吸附量减少,吸附行为符合Langmuir吸附等温模型和拟二级动力学模型。根据Langmuir模型,在313 K时,对Pb2+和As5+的理论最大吸附量分别180.12和27.48 mg/g。吸附热力学和动力学结果表明,该吸附是一个自发的化学吸热过程。WS-IAIM对Pb2+和As5+的吸附过程吸附机理以离子交换和络合作用为主。该吸附材料重复使用5次后,对2种重金属离子的吸附量仍然可达159.3和19.8 mg/g。研究结果可为农作物秸秆的源化利用和水体环境中复杂重金属净化提供理论依据。     

基于反射光谱的植物群体叶绿素含量监测系统的研制

针对农业生产环境中植物群体叶绿素的监测,该文提出了一种基于可见-近红外反射光谱的植物群体相对叶绿素含量实时监测系统。系统以太阳光为光源,设计了特殊光路同时获得植物冠层反射的700和830 nm 2种波长光信号以及该2种波长光的入射信号。采用ZigBee协议搭建无线传感器监测网络,由终端节点将以上光路获取的4路信号进行采集和处理,并将其转发至协调器,进而由协调器发送至用户中心进行计算与存储。系统试验研究中测量的有效样本点共124个,将前36个点的两波长吸光度值与样本叶绿素指数值采用最小二乘法进行多元回归,建立定量分析模型,模型决定系数和标准差分别为0.919和9.26958;用后88个点建立预测集,模型预测值与标准值建立的线性函数决定系数为0.913,标准差为9.372,系统稳定性试验变异系数CV1.82%。结果表明,该系统可用于自然光照条件下群体叶绿素的准确测量与实时监测,为精细农业自动无损检测技术提供理论及实践基础。     

土壤铅和镉溶出伏安法检测中影响因素及其削弱方法研究进展

溶出伏安法具有分析速度快、成本低、灵敏度高等优点被广泛应用于检测土壤重金属含量,但在检测土壤重金属时,溶出伏安检测精度会受到多方面因素的影响。该文在介绍溶出伏安法工作原理的基础上,从伏安参数、试验条件和土壤物质成分三方面阐述溶出伏安法检测土壤Pb2+和Cd2+为的影响因素,解析各因素的影响机理,归纳影响削弱方法的研究进展。研究结论为：方波脉冲阳极溶出伏安法最常用于检测土壤Pb2+和Cd2+,伏安参数包括脉冲幅值、电压增量和脉冲频率,试验条件包括沉积时间、沉积电压和支持电解质种类及其pH值,土壤成分主要干扰因素包括非目标重金属和有机质。针对伏安参数和试验条件的影响可以设计优化试验有效削弱。针对非目标重金属和有机质的干扰影响,目前研究还没有提出有效的削弱方法。最后,展望了溶出伏安法检测土壤重金属的未来发展方向。     

作物叶片表面农药残留的便携式检测仪器的设计与试验

针对现有的农药残留检测仪器只能检测水溶液体系中的农药残留和检测对象较为单一的问题,该研究以不同植物叶片啶虫脒农药残留为研究对象,探究了利用荧光强度检测叶片表面农药残留的可行性,设计了一款叶片表面农药残留的便携式检测仪器。首先,通过啶虫脒农药叶片表面喷洒试验,采集叶片的荧光光谱并进行特征分析,发现啶虫脒农药的最佳激发波长和最佳发射波长分别为355和500 nm,从而确定光源和光电信号接收源的特征波长分别为350和500 nm。然后,通过获取最佳光源照射角度以及光照距离,优化光路结构减少叶片表面杂散光的干扰。同时,设计相关检测电路(光源电路、信号调理电路、控制电路等)测出表征反射光强度的电压值,构建电压值与农药残留值之间的线性方程,设计便携式检测仪对农药残留进行检测。结果表明:1)荧光强度与农药浓度在1～5 mg/L的范围内成正比;2)确定了检测仪器最佳光照角度为45°,光源和待测叶片之间的最佳垂直距离为3.46 cm;3)方程决定系数达到了0.875,均方根误差为0.405 mg/L。该研究所设计的便携式荧光光谱仪能够快速、准确、无损检测叶片表面农药残留。     

基于NB-IoT技术的土壤重金属检测仪设计与验证

为解决土壤重金属检测准确度较低、实时性差以及数据分散的问题,该研究设计了一种基于窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)技术的土壤重金属检测仪。自主研发高准确度能量色散X射线荧光光谱仪,将测量得到的数据通过NB-Io T实时上传到数据集成云平台。设计试验探究了该设备的最佳测试时间、预热时间。结果显示:在预热30 min后以180 s的测试时间测量样品,仪器具有最佳重复性。设计试验验证该设备的准确度,使用该设备、奥林巴斯Vanta Element-S、实验室化学方法针对同一批四川土壤进行了多次采样比较研究,结果显示:Cd、Hg、As、Pb、Zn、Cu测量值都具有较高准确度,测量As、Cr、Hg、Pb元素时比Vanta Element-S更接近真实值。测量国家标准土样,对比样品标准值,7种元素中Cr、Cu、Pb、Zn的平均相对误差非常小,分别为4.6%、7.5%、3.8%、14.2%。其余3种元素As、Cd、Hg相对误差分别为55.5%,55.7%,37.2%。该设备能够准确、稳定、实时的检测出土壤较高含量的重金属元素含量值并且将数据汇总到云平台,具有较为优异的实时性及数据集成能力,在大规模土壤检测分析场合具有一定的推广价值。     

基于HDXRF和ICP-MS的黔西北土壤重金属空间分布及影响因素研究

高精度X射线荧光光谱仪(HDXRF)是一种准确度较高的金属元素快速检测仪器。本研究将HDXRF法与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法进行对比研究，探究HDXRF法在土壤重金属调查评估中的适用性。选取威宁县黑石头镇某地为研究区，基于地理探测器，以土壤理化性质(p H、有机质、CEC、黏粒、粉粒、砂粒)和地形因素(高程、坡度、坡向) 9个因子为自变量，重金属(Cd、Pb、Zn、Cr、Cu、Ni)含量为因变量，分析两种检测方法下耕地土壤重金属空间分布规律及其影响因素。结果表明：6种重金属的HDXRF法与ICP-MS法检测值均服从正态分布，两种方法检测得到的土壤重金属在耕层和剖面的分布规律基本一致，从数据统计上看，仅HDXRF法Cu的值比ICP-MS法高约16%，其他元素无显著差异。HDXRF法与ICP-MS法所测相同重金属间均存在极显著正相关关系(P<0.01)，与各影响因子间相关性分析结果基本一致，Cd、Pb、Zn、Ni与土壤理化性质，Cr与土壤理化性质、高程和坡向，Cu与CEC和高程间均存在极显著相关关系(P<0.01)。地理探测器交互探测结果显示，影响因子间交互作用均显...     

The Influence of Heavy Metals on Carbon Dioxide Evolution from a Typic Xerochrept Soil

In a laboratory study the effects on soil respiration of trace metals (Ni, Cd, Cu, Mn, Pb, Zn)added at loading rates ranging from 0 to 1000 µg g-1 were determined. Differences intoxicity with respect to the type of metal salt added were also evaluated. The inhibitory effect onsoil respiration differed considerably among the heavy metals and increased with the increasingloading rate. No linear relationships were found between the degree of inhibition and the levels oftotal and available metals. Toxicity evaluation at 20 and 50% inhibition of soil respiration showedCu as the most toxic and Mn as the most tolerable metal. A ‘metal equivalent’ was calculated asthe sum of the amounts of the available metals weighted to their relative toxicity with respect tothe least toxic one: Mn equivalent = Mn + 1.9Pb + 2.1Ni + 2.5Zn + 6.7Cd + 6.7Cu. The ionicpotential of the heavy metals was found to be positively related to the percent inhibition of soilrespiration. Chlorides and sulphates appeared to depress soil respiration more than nitrates, thelatter counter-balancing the toxic effect of the heavy metals.     

Effects of combinations of heavy metal pollutants on Cuscuta reflexa

The effects of combinations of Hg, As, Pb, Cu, Cd, and Cr on the variables of Cuscuta reflexa Roxb. in natural condition were studied. All of the combinations of heavy metals tested decreased Hill reaction activity, chlorophyll and protein contents and increased tissue permeability over control values. The effects were best visible with the treatments of (As + Cd + Pb + Hg + Cu + Cr) and (As + Cd + Pb + Hg + Cu), followed by (As + Cd + Pb + Hg), (As + Cd + Pb), and (As + Cd). The degree of inhibition or increase by combinations of heavy metals is much higher due to synergism as the observed effects exceed the summed amount. The general order of sensitivity was As > Cd > Pb > Hg > Cu > Cr (absolute metal concentration).     

长期化肥配施不同有机肥对土壤和玉米中重金属累积的影响

  【目的】  明确长期化肥配施有机肥对重金属元素在土壤和农作物籽粒、秸秆中积累的影响及其环境效应,为安全高效施肥提供科学依据。  【方法】  在北京市农林科学院新型肥料长期定位试验站进行了为期10年的田间试验,其种植模式为冬小麦–夏玉米轮作,试验处理为不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、氮磷钾 + 鸡粪堆肥的有机肥料 (NPKJF)、氮磷钾 + 污泥堆肥的有机肥料 (NPKWN)、氮磷钾 + 垃圾堆肥的有机肥料 (NPKLJ) 和氮磷钾 + 秸秆粉碎还田 (NPKJG) 共6个处理,施肥处理依据等氮量施肥原则,每季作物施 N 180 kg/hm2、P₂O₅ 90.0 kg/hm2、K₂O 90.0 kg/hm2。在玉米收获后测定了玉米秸秆、籽粒和0—20 cm耕层土壤中重金属全量。  【结果】  添加污泥处理显著提高了土壤中Cd、Hg、As、Cu、Zn的含量,单因子污染指数分别比对照提高了45.10%、150.00%、104.00%、44.60%、65.80%。不同施肥处理对土壤中全量Cd、Cr、Hg、Cu、Zn存在一定的富集效果。各处理重金属单项污染指数在0.02～0.46,远小于1,综合污染指数为0.23～0.36,均小于0.7,试验区土壤重金属均为无污染等级。施用有机废弃物堆肥的处理玉米籽粒Cd、Cu、Zn含量比对照显著增加,各处理间Hg、As、Cr、Pb、Ni含量差异不显著,连续10年定位施肥后试验站土壤以及玉米籽粒中重金属含量均未超标。同一作物不同部位对重金属的富集能力不同,玉米秸秆对重金属的富集能力大于籽粒。玉米籽粒中Pb、Cu、Zn含量与土壤Pb、Cu、Zn含量存在正相关性,玉米秸秆中Cd、Hg、Cr、Ni含量与土壤中Cd、Hg、Cr、Ni含量呈正相关或者显著负相关。  【结论】  在施氮总量不变的前提下,连续施用供试有机堆肥10年后,土壤重金属含量均未超标,土壤重金属单项污染指数在0.02～0.46,综合污染指数为0.23～0.36,无污染风险。只有污泥堆肥需要加强土壤Cd的监测。玉米秸秆对重金属的富集能力大于籽粒。玉米籽粒中Pb、Cu、Zn含量与土壤相应重金属含量存在正相关性,秸秆中Cd、Pb、Hg、Zn与Cr、Ni含量与土壤中相应重金属含量呈正相关,而秸秆中Cr、Ni含量与土壤中相应重金属含量呈负相关。     

便携式作物生长监测诊断仪的设计与试验

为了解决当前作物生长信息实时、快速、无损测量手段瓶颈问题,研发了一种基于多光谱传感器的便携式作物生长监测诊断仪。该仪器由多光谱传感器系统、处理器系统及附属机构组成,能实时无损地获取作物叶层氮含量、叶层氮积累量、叶面积指数、生物量等主要生长指标。对水稻的试验结果表明,便携式作物生长监测诊断仪测得的DVI值与水稻叶层氮含量、氮积累量、叶面积指数、叶干重的决定系数R2分别为0.711,0.8231,0.7698,0.7212。该仪器结构简单,集成度高,性价比好,携带方便,易于田间操作。