基于优先分配的玉米单个籽粒生长模拟

精确预测作物产量对于作物生产、栽培措施优化等具有重要意义。玉米单个籽粒的质量差异对玉米产量有显著影响,并且雌穗不同位置的籽粒获取同化物的能力不同。当前的玉米模型中由于缺乏基于单个籽粒生长机制的模拟过程,从而限制了其在更广泛环境下对产量的模拟精度和预测能力。为了量化雌穗不同位置籽粒对于同化物的竞争能力,基于源库理论建立了玉米单个籽粒灌浆过程的模型,并引入“优先权”方程量化雌穗一列籽粒中每个籽粒获取同化物的“优先”能力,整合进入潜在籽粒生长需求计算新的籽粒库强。通过多年多源库水平的玉米田间试验数据对模型的有效性进行系统评估。结果表明,引入“优先权”后明显提高不同位置籽粒的干质量的模拟精度。这为理解单个籽粒的生长发育过程、玉米产量形成过程提供基础依据。     

基于改进卷积神经网络模型的玉米叶部病害识别（英文）

准确识别玉米病害有助于对病害进行及时有效的防治。针对传统方法对于玉米叶片病害识别精度低和模型泛化能力弱等问题,该研究提出了一种基于改进卷积神经网络模型的玉米叶片病害识别方法。改进后的模型由大小为3×3的卷积层堆栈和Inception模块与Res Net模块组成的特征融合网络两部分组成,其中3×3卷积层的堆栈用于增加特征映射的区域大小,Inception模块和Res Net模块的结合用于提取出玉米叶片病害的可区分特征。同时模型通过对批处理大小、学习率和dropout参数进行优化选择,确定了试验的最佳参数值。试验结果表明,与经典机器学习模型如最近邻节点算法(K-Nearest Neighbor,KNN)、支持向量机(Support Vector Machine,SVM)和反向传播神经网络(Back Propagation Neural Networks,BPNN)以及深度学习模型如Alex Net、VGG16、Res Net和Inception-v3相比,经典机器学习模型的识别率最高为77%,该研究中改进后的卷积神经网络模型的识别率为98.73%,进一步提高了模型的稳定性,为玉米病害检测与识别的进一步研究提供了参考。     

低湿玉米籽粒的射频加热模拟与试验

为了准确预测射频加热过程低湿（含水率13.0%～20.0%）玉米籽粒的温度分布变化,该研究结合玉米籽粒的多组分结构特征、热物理特性及介电特性的异质性,建立了玉米籽粒的三维二组分物理几何模型和射频加热数学模型,并利用验证后的模型研究不同姿态和含水率玉米籽粒的射频选择性加热。结果表明：射频加热过程中平放玉米籽粒温度的模拟值与试验值最大相对误差仅为3.47%,玉米籽粒中胚的温度高于胚乳,该模型能很好地预测籽粒内部的选择性加热现象。射频加热过程直立玉米籽粒的几何效应最强,显著提高了胚的电场强度和功率密度,导致其优先加热程度最大,其次是斜放和侧立玉米籽粒的,平放玉米籽粒中胚的优先加热程度最小。射频加热过程含水率为13.0%的玉米籽粒中胚与胚乳的温差逐渐增大,而含水率为16.5%和20.0%的玉米籽粒中胚与胚乳的温差先增大后减小;当玉米籽粒被加热至55 ℃时,含水率为16.5%的玉米籽粒中胚的优先加热程度最大,其次是含水率为13.0%玉米籽粒的,含水率为20.0%的玉米籽粒中胚的优先加热程度最小。研究结果揭示了玉米籽粒的姿态和含水率对其射频选择性加热的影响规律,可为射频加热技术应用于低湿玉米籽粒的热处理过程提供有益借鉴。     

玉米立茬与粉碎秸秆覆盖对生长季土壤呼吸的影响（英文）

农田土壤呼吸(Rs)是全球CO_2循环的重要组成部分,生长季土壤呼吸对于作物的产量有巨大的影响,同时,作物残茬的覆盖模式会影响土壤呼吸。该文应用了粉碎秸秆覆盖地表(SH)和立茬覆盖地表(ST)是两种主流的作物残茬覆盖地表模式,自2000年起,玉米收获之后,在试验地块施用这2种作物残茬覆盖地表的模式。自2013年开始,在试验地块测量每年冬季的土壤结冻深度,积雪的厚度与CO_2通量,土壤温度与湿度。总土壤呼吸分为异养呼吸(HR)和根际呼吸(RR),该文使用放射性碳标记技术和数学方程计算异养呼吸和根际呼吸的CO_2通量。试验结果显示,与SH处理相比,ST处理地表平均积雪厚度可以增加44%,最大土壤冻深降低18%,并且冻土完全融化的时间将提前10到27 d。ST与SH的平均CO_2通量分别为16.55和14.02 mmol/m~2h。对于整个生长季,SH与ST的土壤呼吸差别在生长季开始和结束时期较小,在生长季的中期较大。ST的平均Rs比SH多3.3 mmol/m~2h,在ST中,HR是Rs的主要构成部分,而RR只约占总土壤呼吸10%。冗余分析结果显示,Rs和HR与土壤温度和积雪厚度呈正相关,与冻土深度呈负相关。该文的研究结果显示相比较于粉碎秸秆残茬覆盖,立茬覆盖地表有利于提高生长季的土壤呼吸,可为玉米的光合作用提供较多CO_2,这将有利于作物增产。     

基于改进CA-Markov模型的山地城市边缘区土地利用变化模拟（英文）

山地都市边缘区土地利用处于深刻转型中,其变化模拟一直以来都是难点问题。现有的模拟方法如传统的CA-Markov模型等存在明显缺陷。该研究基于层次分析的多标准评价模型MCE引入传统的CA-Markov模型,改进传统模拟方法。在限制因素和限制因子适宜性评价基础上,结合实证区域2006,2011和2016年土地利用现状数据,引入改进的CA-Markov模型,模拟山地城市边缘区土地利用时空变化。首先是利用改进的模型与传统的模拟分别模拟2016年研究区域的土地利用变化;其次将2种方法获取的图像分别与实证区域的土地利用现状图进行精度分析,改进方法模拟精度明显高于传统方法精度;最后利用改进的方法和2016年现状数据,进一步模拟2030年实证区域的土地利用时空格局。结果表明：维持研究区现有的城镇化发展速度,到2030年研究区的耕地、林地、园地、水域、未利用地和农村居民点等将大幅减少,这对于研究区粮食安全、生态保护等造成较大威胁。改进的MCE-adjusted CA-Markov模型,相对于传统的CA-Markov模型,能较好地模拟山地城市边缘区土地利用时空格局变化。此外,讨论了研究结果对该区域国土空间规划编制的启示以及模型未来改进的方向等。     

基于三波长漫反射理论的玉米叶绿素含量无损测定（英文）

传统的叶绿素无损检测方法采用是的光学透射法,它的测量值是一个相对值。植物叶片的厚度显著的影响了测量的准确性。该文利用三波长漫反射的技术设计了一个试验装置。选取了3种玉米品种,郑单-958,浚单-20和豫单-606来验证检测装置的可行性。在玉米叶片漫反射函数值和叶片叶绿素真实值之间建立了回归分析,郑单-958,浚单-20和豫单-606的决定系数R2分别为0.9766,0.9612和0.9409。试验结果证明了三波长漫反射光谱的方法测量玉米整体叶绿素含量的可行性。     

基于车载式冠层光谱传感器的玉米拔节期叶绿素含量诊断（英文）

CropspecTM是一种基于735 nm和808 nm的车载式主动作物冠层光谱传感器,能够快速、无损地检测作物氮素营养状态。为了评价其检测精度,针对农大8号和京农科等2种玉米作物品种,使用该检测系统在拔节期采集作物冠层在808nm和735nm波段处的反射率。然后组合计算了DVI735,NDVI735,PVI735和RDV735等常规的植被指数,并基于RVI735构造了一种新的植被指数MRVI735。通过分析各植被指数与叶绿素含量指标SPAD值之间的相关关系得出:对于农大8号,MRVI735、NDVI735和RVI735与叶绿素含量指标的相关性较好,相关系数分别是:-0.7482、-0.6763和-0.6786,达到强相关水平。对于京农科,NDVI735、MRVI735和RVI735与叶绿素含量指标的相关性较好,相关系数分别是:0.7270、0.7252和0.7245,达到强相关水平。对于2个玉米品种,都分别选取了相关系数最好的一个和两个植被指数为参数,分别建立了一元线性回归模型和二元线性回归模型。农大8号的一元模型和二元模型的R2c分别是0.6052和0.7774,R2v分别是0.5017和0.6911。京农科的一元模型和二元模型的R2c分别是0.5449和0.5626,R2v分别是0.4974和0.4506。结果表明:采用CropspecTM传感器进行拔节期玉米叶绿素含量的快速、无损检测是可行的。该研究为拔节期玉米叶绿素含量的诊断提供了技术支持。     

华北地区夏玉米干物质分配系数的模拟

干物质分配系数是驱动玉米生长发育模型的关键参数。利用2013年、2014年连续两年在山东夏津、河北固城、山西运城进行的田间试验观测资料,采用比值法、线性回归等订正方法,获取完整的玉米全生育期内生物量序列;在此基础上,以有效积温模拟的发育进程为自变量,构建了华北夏玉米干物质分配的动态变化模型。结果表明：（1）三站玉米干物质分配系数有相同的时间动态变化特征。叶片干物质分配系数从出苗开始持续减少;茎秆干物质分配系数先增后减,最大值出现在抽雄前后;穗棒干物质分配系数在玉米抽雄后持续增加,抽雄后20d左右达到1,即干物质不再向叶茎分配。（2）华北夏玉米生育期内叶、茎的干物质分配系数均可用分段式非线性模型模拟。叶的干物质分配系数以抽雄后10～15d为界,之前干物质分配系数随发育进程可用三次多项式动态模型模拟,之后变为0;茎的干物质分配系数以抽雄后20～25d为界,之前干物质分配系数随发育进程可用四次多项式动态模型模拟,之后变为0;穗棒干物质分配系数通过依据任意发育阶段叶、茎、穗棒的干物质分配系数之和为1的原则计算求得。检验结果表明华北地区夏玉米干物质分配系数动态模型模拟效果良好。     

东北春玉米郑单958籽粒灌浆过程的模拟

利用白城国家一级农试站2011-2013年春玉米田间试验观测数据,基于Richards方程建立和验证东北春玉米籽粒灌浆模型,并进行籽粒灌浆特性分析。结果表明：分别以相对开花后天数、相对活动积温和相对≥10℃有效积温为自变量,相对百粒重为因变量建立的籽粒灌浆过程普适模型(模型I、模型II和模型III)均通过了0.01水平的显著性检验（R2>0.98）。模型回代后模拟值与实测值的评价指标NSE（Nash-Sutcliffe指数）和RSR（均方根误差与标准差的比值）值均表现为“很好”的效果。模拟值与实测值散点均在1︰1线?10%范围内。模型I显示,东北春玉米籽粒灌浆活跃期为46d,整个灌浆过程平均速率为0.84g·d-1;籽粒灌浆速率在开花后32d达到最大,为1.23g·d-1,此时玉米百粒重为15.17g;灌浆中期对百粒重的贡献率最大,为65.60%,前期和后期贡献率分别为10.50%和23.90%。模型II和模型III显示,籽粒灌浆活跃期活动积温和≥10℃有效积温分别为1043.5℃·d和679.1℃·d;灌浆速率在开花后活动积温和≥10℃有效积温分别为782.8℃·d和473.3℃·d时达到最大值;中期灌浆贡献率为67.68%。3个模型均显示,中期灌浆贡献率较大,前期和后期相对较小,说明春玉米籽粒干物质积累主要在灌浆中期完成。     

滴灌施氮水平下玉米籽粒灌浆过程模拟

为了揭示水肥一体化条件下不同施氮水平对玉米籽粒灌浆过程的影响,2017～2018年在宁夏农垦平吉堡农场进行田间试验,供试品种为"天赐19",在0、90、180、270、360和450 kg/hm~2 6个施氮水平(分别用N0、N1、N2、N3、N4和N5表示)下,基于Richards方程构建和验证了滴灌水肥一体化条件下不同氮素处理中玉米籽粒灌浆过程模型,并进行灌浆特征参数分析。结果表明,不同氮素水平下玉米籽粒灌浆规律均符合Richards曲线,模型评价指标均方根误差RMSE为1.03 g/kg,标准化均方根误差n-RMSE为5.56%,稳定度较高。籽粒灌浆速率呈先增后减的变化趋势,将灌浆进程划分为渐增期、速增期和缓增期3个阶段。施氮显著增加籽粒干物质累积量,其原因主要是延长灌浆持续期和增加灌浆速率。施氮270 kg/hm~2对增加速增期的灌浆天数效果显著,使速增期对最终籽粒干物质积累量的贡献率达到了64%,并且能维持较高的后期灌浆活性。本文基于Richards方程构建的籽粒灌浆过程模型将在滴灌玉米灌浆期准确地预测籽粒灌浆特性。     

基于人工神经网络的玉米籽粒形态识别方法的研究

该文应用计算机视觉技术选择并获得了11个玉米粒形态参数,采用BP冲量算法,建立了一个三层前馈神经元网络,实现了一幅多颗粒任意放置玉米粒的完整与破损的在线自动识别,对175粒完整及175粒破损玉米粒的识别试验显示,正确率为93％。     

耦合粘虫胁迫的玉米生长可视化模拟

针对难以定量化模拟虫害影响植物形态结构和生理过程的问题,提出将虫害影响耦合至植物功能-结构模型中的可视化模拟方法。根据粘虫啃食叶片的空间分布特征,改进细胞纹理特征点和基函数,适用于描述粘虫啃食路径,采用单叶被啃食率描述被啃食程度,并以三维可视化形式模拟虫害啃食效果;结合粘虫数量、啃食量以及分布规律,估计各单叶被啃食率,根据单叶虫洞可视化方法,定量化表达粘虫对单株玉米形态结构的影响;根据植物形态结构变化,将粘虫胁迫作用于生物量产量、生物量分配等植物生理过程,确定粘虫对植物形态发育的影响。试验结果表明,单叶虫洞可视化方法能较形象、逼真的仿真不同受灾程度下粘虫对叶片形态的影响,并将虫害影响耦合至功能-结构模型中,实现虫害胁迫下植物生长发育的模拟和仿真,为定量描述和理解灾害程度提供新思路。     

基于图像分析的玉米籽粒损伤检测研究

为深入探索玉米籽粒机械损伤的自动、准确、快速识别技术,本试验首先采用灰度法、色度阈值法、色彩恢复的多尺度Retinex法、基于卷积的Sobel法分别对玉米籽粒进行区域分割和质量比较;其次提取玉米籽粒的二值化图像特征,建立玉米籽粒的机械损伤判别分析和逐步剔除模型;最后利用构建和验证集样本对2种模型进行验证。结果表明,基于卷积的Sobel法二值化图像质量最优,其均方误差、峰值信噪比、熵、平均梯度分别为1.813 5、45.545 5 dB、2.838 7 bit/pixel、7.358 4;利用置信区间法得到了正常与机械损伤样本形态特征的最优阈值,各形态指标对判别是否产生机械损伤的贡献程度由大到小依次为面积、周长、最短费特雷直径、最长费特雷直径,其权重系数分别为0.299 5、0.283 2、0.241 7、0.175 5;得到了玉米籽粒多元线性机械损伤判别模型,相关性为0.805,判别分析和逐步剔除模型的平均准确率分别为93.00%、85.67%,构建集与验证集准确率差值分别为2.00%和3.33%。本研究可为玉米籽粒品质视觉检测提供理论依据。     

基于点云配准的果树快速三维重建（英文）

旨在为果园生产管理提供果树三维可视化基础数据,该文提出了一种基于点云配准的自然光照环境下的果树三维重构方法。首先,利用RGB-D相机采集不同视角下的果树彩色图像和深度图像,并通过信息融合获取相应视角下果树的三维点云数据;第二,对果树原始点云进行去背景和滤波等预处理,利用归一化对齐径向特征NARF(Normal Aligned Radial Feature)算法计算每片点云中的关键点,并在关键点初运用快速点特征直方图FPFH(Fast Point Feature Histograms)描述子得到关键点的特征向量。通过计算比较两片点云的FPFH特征,寻找两片相邻点云之间的空间映射关系,利用随机抽样一致性RANSAC(RANdom SAmple Consensus)算法提纯映射关系并完成相邻两片点云的初始配准;第三,在初始配准的基础上,利用迭代最近点ICP(Iterative Closest Point)算法完成点云的精确配准;最后,利用上述点云初始配准和精确配准方法对果树多片点云进行全局配准并完整重构果树的三维点云图像。针对配准过程中时间消耗过大的问题,该文提出了基于OpenMP技术对配准进行加速的方法。结果表明,该文所提出的果树三维重构方法具有较高的准确性,配准的平均距离误差为0.0068 m;同时,在不影响配准精度和稳定性的前提下大幅提高了果树三维重建的效率。     

基于SVM和区域生长结合算法的南方主要蔬菜害虫分类识别（英文）

该文基于支持向量机(support vector machine,SVM)与区域生长结合算法,设计了对黄曲条跳甲、烟粉虱、小菜蛾、蓟马这四类蔬菜害虫进行分类识别的检测算法。该方案将识别过程融入到分割中,采用网格法进行区域生长种子点的选取,简化图像处理的步骤。该文每种蔬菜害虫训练样本图像为60幅,测试样本为40幅。试验展示,基于其形态、颜色特征,该算法可以将南方重大蔬菜害虫正确分割识别出来,对黄曲条跳甲、烟粉虱、小菜蛾、蓟马成功率为分别为96.4%、93.2%、95.4%、98.2%,算法达到了对多种害虫进行分类的效果,有较好的应用前景。     

长期定位施肥对夏玉米籽粒灌浆影响的模拟研究

在25年肥料定位试验的基础上,2006年对夏玉米籽粒灌浆过程进行了研究,旨在探讨玉米高产栽培措施。结果表明:在冬小麦夏玉米轮作条件下,随着肥料用量的增加穗粒数明显增加,其中化肥增加幅度为103.6～161.6%,秸秆的增加幅度较小为11.9～58.9%,化肥和秸秆配合施用穗粒数增加的幅度为105.7～159.6%。子粒干物质积累过程呈“S”型曲线,可用Logistic模型进行模拟,相关系数均达0.99以上。随着施肥量的增加,达到最大灌浆速率的时间延长,整个灌浆进程延长,但最大灌浆速率差异不显著。     

不同发育期干旱对玉米籽粒形成与产量的影响模拟

利用作物生长模型模拟苗期和拔节期发生不同时长干旱（用连续无雨日数表示）时玉米的生长过程,分析单一发育期干旱和两个发育期同时发生干旱对玉米籽粒形成和产量的影响。结果表明：（1）苗期或拔节期分别发生10～40d的持续干旱,均会对玉米籽粒灌浆产生负面影响,并最终导致产量下降,且干旱持续时间越长对灌浆的影响越早,减产越严重。当玉米苗期和拔节期分别发生持续10d干旱时减产率分别为3.24%和3.5%,持续20d干旱时分别减产7.89%和8.31%,持续干旱30d时分别减产12.33%和13.71%,持续干旱40d时分别减产达21.6%和23.94%。（2）当玉米苗期和拔节期均发生持续时间为5、10、15、20d干旱时,分别减产1.77%、9.02%、18.93%和31.28%。可见,拔节期同等程度干旱造成的玉米减产幅度均大于苗期干旱,两个发育期同时发生干旱导致的减产率远大于单一发育期干旱相叠加产生的效应。     

模拟铅胁迫下玉米不同基因型生长与铅积累及各器官间分配规律

我国遭受重金属污染的土地中有87%左右是中轻度污染土壤类型,深入研究不同植物对重金属的吸收和转运积累规律,是科学利用植物和土壤资源的重要基础工作。通过玻璃网室盆栽模拟污染的手段,研究了玉米6种基因型在铅中度污染胁迫（800mg·kg^-1）与轻度污染胁迫（400mg·kg^-1）下的植株生长、铅吸收积累及其在玉米不同器官间分配的规律。结果表明,不同铅污染胁迫下,玉米不同基因型的生长及铅吸收量达到极显著差异（P〈0.01）,铅在不同器官之间的分布形式也存在显著的基因型差异。轻度铅污染胁迫不同程度地促进玉米所有供试基因型的生长,而中度污染胁迫下糯玉米基因型生物量最大。与正常土壤对照条件下的表现相比,不同程度铅污染胁迫下基因型申甜1号的生物量增幅最大,表现出较强的铅耐受能力。不同基因型的玉米体内铅积累量随着污染水平的提高而增加,各器官内铅积累浓度差异规律为根〉叶〉茎〉穗。掖单13号具有较强的铅转运能力（TF=0.6628）,申甜1号的生物富集能力最强（BCF=0.0264）,掖单13号和申甜1号均具有较强的铅吸收和积累能力,属于潜在的高积累基因型。但掖单13号根部富集量少而穗部积累多,申甜1号根中铅积累较多而果穗中较少。2个甜玉米基因型果穗内铅积累量较少,其含量符合国家规定的食品生产相应的安全标准。     

中国玉米小麦产量与氮肥利用效率同步提高的研究进展（英文）

Achieving both high yield and high nitrogen use efficiency(NUE) simultaneously has become a major challenge with increased global demand for food,depletion of natural resources,and deterioration of environment.As the greatest consumers of N fertilizer in the world,Chinese farmers have overused N,and there has been poor synchrony between crop N demand and N supply because of limited understanding of the N uptake-yield relationship.To address this problem,this study evaluated the total and dynamic N requirement for different yield ranges of two major crops(maize and wheat),and suggested improvements to N management strategies.Whole-plant N aboveground uptake requirement per grain yield(N_(re)q) initially deceased with grain yield improvement and then stagnated,and yet most farmers still believed that more fertilizer and higher grain yield were synonymous.When maize yield increased from 7.5to 12.0 Mg ha~(-1),Nreq decreased from 19.8 to 17.0 kg Mg~(-1) grain.For wheat,it decreased from 27.1 kg Mg~(-1) grain for grain yield 4.5 Mg ha~(-1) to 22.7 kg Mg~(-1) grain for yield 9.0 Mg ha~(-1).Meanwhile,the percentage of dry matter and N accumulation in the middle-late growing season increased significantly with grain yield,which indicated that N fertilization should be concentrated in the middle-late stage to match crop demand while farmers often applied the majority of N fertilizer either before sowing or during early growth stages.We accordingly developed an integrated soil-crop system management strategy that simultaneously increases both grain yield and NUE.     

玉米功能叶片碳同化物在果穗不同部位籽粒中的分配

利用＾１４Ｃ示踪法研究玉米灌浆期功能叶＾１４Ｃ－光合产物在果穗籽粒间的分配。结果发现,饲喂功能叶半片叶时,＾１４Ｃ－光合产物在果穗各行籽粒中的分布是不均匀的,＾１４Ｃ－光合产物的量在一半果穗中较高,在另一半果穗中较低,有所谓的“半侧分布”现象。当剪掉半片叶再饲喂另外半片叶时,＾１４Ｃ－光合产物在果穗各行籽粒中的分布仍有“半侧分布”现象。