基于石墨烯气凝胶的全固态硝酸根离子选择性电极研究

全固态离子选择性电极的结构在许多制备和应用方面具有明显优势。但由于固态界面上缺少有效的离子-电子转化导致其在电位稳定性上表现较差,无法保证各界面电势的稳定性而限制了全固态离子选择性电极的应用。因此,提出使用具有三维结构的石墨烯气凝胶(GAs)作为有效的固态转接层材料,用于调节离子载体基选择性聚合膜玻碳电极基底之间的离子-电子转化,基于这一原理制备了高性能全固态硝酸根离子选择性电极。通过透射电子显微镜表征其形貌特征;将其滴涂于玻碳电极表面形成GAs修饰电极,采用循环伏安法表征其电化学行为。在上述修饰电极表面覆上硝酸根离子选择性膜后制备新型的全固态离子选择性电极,通过电位水层测试、电位测量来表征其性能。GAs转接层的离子选择性电极对硝酸根离子展现出良好的能斯特响应和10~(-4.2)mol/L的检测下限,这为实现硝酸根离子现场即时检测提供了可能。     

营养液多参数在线检测技术研究

针对无土栽培中营养液成分检测的问题,设计一种营养液多组分检测系统。该系统主要由离子选择电极、信号调理电路、数据采集电路以及基于DelpHi开发的采集软件组成,能实时在线检测pH电极、钾离子电极、钙离子电极以及硝酸根电极四种电极的电压信号,并将其转化为pH值和相应离子浓度值。对相互不存在交叉敏感干扰的氢离子和硝酸根离子,采用函数拟合的方式直接将pH电极和硝酸根电极转化为pH值和相应的硝酸根浓度;对相互存在交叉敏感干扰的钾离子和钙离子,采用遗传算法优化的BP神经网络建立交叉敏感模型来决策出相应的钾离子浓度和钙离子浓度,并与传统的BP神经网络算法进行了对比。最后采用多参数检测仪的测量结果和该系统得到的数据进行了对比来验证系统的准确可行性。     

LED光源下不同光照时间对生菜生长的影响

为了探究LED光源下光照时间的延长对生菜生长、品质和离子吸收量的影响,选择3个光照时间(12,16,20 h)和2个生菜品种(美国大速生和香港玻璃)进行水培实验,并对试验数据进行了分析。试验分析结果表明:延长光照时间能够提高生菜的株高、叶长和叶宽、地上部分鲜重、根鲜重和地上部分干重;随着光照时间的延长,生菜可溶性糖含量显著增加,硝酸盐含量显著减少,二者呈负相关关系,其蛋白质含量显著降低;同时,延长光照时间能够显著增加生菜对硝酸根、铵根、磷酸根和钾离子的吸收量。因此,LED光源下延长光照时间有利于增加生菜株高、叶面积和产量,改善品质,并促进离子吸收。     

基于光谱特征和生理特征的番茄磷营养诊断方法

为提高番茄磷营养水平检测精度,针对目前基于光谱分析的作物磷营养水平检测精度较低以及磷的光谱反射率受叶绿素和花青素影响的问题,提出了结合番茄样本光谱特征和生理特征的番茄磷营养水平诊断策略。以自行培育的25%、50%、75%、100%、150%5个梯度水平的磷营养胁迫水培番茄样本为研究对象,分别利用光谱分析仪和叶绿素仪采集不同磷营养水平番茄叶片的光谱数据和SPAD值,并对叶片花青素含量进行测定,提取各样本在不同波长下的光谱反射率和生理特征(SPAD值和花青素含量)作为番茄磷营养诊断的特征变量,基于最小二乘支持向量机建立诊断模型,通过改进粒子群优化算法获取支持向量机的最优参数。将120个番茄样本随机分为训练集和测试集分别进行实验。结果表明,采用本文的建模方法结合番茄样本光谱特征和生理特征能够建立精度较高的番茄磷营养水平预测模型,高于对比的其他方法,其相关系数和均方根误差分别为0.961 1和0.461,诊断效果较好,为番茄磷素的快速检测提供了新思路。     

基于复杂环境的番茄叶部图像病虫害识别

针对复杂环境下番茄叶部图像因其背景复杂导致病害识别较为困难,以温室大棚内采集的番茄叶部图像作为研究对象,对番茄白粉病、早疫病和斑潜蝇三种常见病虫害,提出一种结合颜色纹理特征的基于支持向量机(SVM)的CCL-SVM的复杂环境番茄叶部图像病害识别方法。CCL-SVM方法为实现小样本及复杂背景环境下的快速识别,首先采用滑动窗口将原始番茄叶部病害图像切割成小区域图像,选取不包含背景的小区域图像样本作为试验样本,从而实现样本数量和样本多样性的增加,并降低样本复杂背景的影响。通过对样本数据抽取颜色纹理特征(CCL),采用SVM模型对番茄早疫病、白粉病、斑潜蝇和健康叶片分类识别。试验结果表明,提出的CCL-SVM方法比Gray-SVM对番茄叶片病害种类的识别性能得到大幅提升,识别率从60.63%提升到97.5%;CCL-SVM方法识别精度高于对比的深度学习网络VGG16和Alexnet方法,且每个小区域图像的平均测试时间远低于深度学习网络。本文设计的CCL-SVM方法具有减小复杂背景影响,计算量小及系统要求低的优点,为复杂环境下番茄病害快速识别提供一种新的思路。     

离子选择微电极与膜片钳在电生理检测中的应用

玻璃微电极在检测植物细胞内部的电生理活动中有着重要的作用.根据检测目的的不同,微电极主要应用可以分为离子选择微电极检测技术和膜片钳技术.为此,介绍了二者的检测原理,对离子选择微电极技术和膜片钳技术在检测植物细胞电生理信息方面的应用做了详细的论述,并对其以后的应用与发展进行了展望.     

用于土壤中氮钾含量快速测定的非接触电导微流控芯片

[目的/意义]土壤中氮、钾元素在作物生长和农业生产过程中具有关键作用。快速定量检测土壤中氮、钾含量对指导精确施肥具有重要意义。因此,建立一种快速可靠的土壤氮、钾含量检测方法十分必要。[方法]本研究建立一种基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)微流控芯片电泳和电容耦合非接触电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection,C⁴D)方法,快速定量检测土壤中氮、钾养分离子。通过微流控电泳芯片实现对土壤中多种离子快速分离,利用C⁴D进行电导率变化的精准测量。基于检测器工作频率输出响应特性,激励电压响应特性和电泳电压,确定最佳分离和检测性能。[结果和讨论]该方法对钾离子(K⁺)、铵根离子(NH₄⁺)和硝酸根离子(NO₃^-)标准溶液的检测限(S/N=3)分别为0.5、0.1和0.4 mg/L。K⁺、NH₄     

基于Android手机平台的玉米叶片含氮量无损检测

为了提供一种玉米叶片含氮量无损快速检测方法,分析了玉米叶片的颜色特征参数与含氮量的关系,并基于Android手机平台开发了玉米叶片含氮量检测软件。首先获取包含被测玉米叶片与标定色块组的图像,利用标定色块对图像色彩进行校正,以减小外界光照等因素对图像色彩造成的失真。进而进行图像分割、图像平滑和颜色特征信息提取等处理,分析了各颜色特征参数与玉米叶片含氮量的关系,发现绿光标准化值与含氮量之间线性关系最好。应用Java语言和OpenCV计算机视觉库在Android手机平台上实现了玉米叶片的图像获取、图像处理和查看结果等功能。实验结果表明,该方法对玉米叶片含氮量的绝对测量误差为-0.40%~0.35%,均方根误差为0.20%,从采集图像到给出结果所用时间小于10 s。     

土壤结皮发育程度对氮磷淋溶的影响研究

土壤结皮的发育影响土壤淋溶过程中的养分流失情况。选取降雨强度为30 mm/h雨强，时间为0 min、10 min、30 min形成的不同发育程度的结皮，采用土盘、土柱试验，对铵根离子和磷酸根离子的流失进行分析。结果表明：(1)土壤结皮的发育对土壤减渗效果作用明显，两种雨强下10 min、30 min结皮的平均减渗效果分别达到了39.99%、61.93%。(2)对淋溶水养分进行显著性分析，结果表明在两种雨强下，结皮发育均会对铵根离子、磷酸根离子的浓度产生显著性影响，结皮发育会减少土壤淋溶水中的养分流失。(3)对土壤养分流失的影响进行相关性分析，铵根离子和磷酸根离子流失率与土壤结皮抗剪强度、土壤结皮容重呈负相关关系，与土壤结皮孔隙度、土壤淋溶水量呈正相关关系。     

嵌入式水稻氮素营养检测仪的研究与设计

针对水稻氮素营养实时检测的问题,设计了一种基于嵌入式技术的利用水稻叶片颜色特征进行氮素营养水平检测的系统。首先提取不同氮素营养水平下的水稻样本叶片图像的RGB颜色特征,并对各颜色特征值与水稻全株含氮量进行相关性分析。其中颜色特征G和2G-R-B分量的相关性高于其它,分别为-0.761 1和-0.742 1,进一步对叶片不同位置的G和2G-R-B分量与全株含氮量进行相关性分析得出叶片中部2G-R-B分量与全株含氮量间相关性最高,达0.765 6。以此为依据,结合Open CV图像处理技术和Qt4.5跨平台用户界面框架技术,最终实现系统的嵌入式设计。针对设定样本检测结果表明,系统对各营养水平稻株识别准确率均超过90%,且具有良好实时性与便携性,能够满足水稻氮素营养水平实时检测需要。     

水肥一体化滴灌条件下氮素在土壤中的时空分布特征

水肥一体化灌溉是提高水肥利用效率的主要途径之一。试验采取单点源滴水施肥模拟滴灌条件下水肥一体化灌溉施肥过程,研究滴灌条件下氮素中的NO~-_3-N和NH~+_4-N在土壤湿润体中的时空分布特征。结果表明,在灌水施肥结束后的1周时间内,土壤湿润体中NO~-_3-N和NH~+_4-N在靠近灌水施肥点处的含量较高,由灌水点向外,随着距离的增大,其含量逐渐减小,在土壤湿润体的边缘,即湿润锋处,氮素的含量最低。随着时间的推移,NO~-_3-N和NH~+_4-N的分布变化表现为:NO~-_3-N的含量先增大后减小,在第5d达到最大值,此后含量有所降低。而NH~+_4-N的含量相对较低,其含量始终低于NO~-_3-N的含量,且一直在减小,特别是在第3d以后迅速减小,到第5d时湿润体内NH~+_4-N的含量甚至低于灌水前风干土的含量。     

通风方式对牛粪堆肥氨气排放与氮素转化的影响

为揭示通风方式对好氧堆肥过程中氮素转化及损失的影响,设置连续通风T1（通风速率0.2L/（min·kg））和间歇通风T2（平均通风速率0.2L/（min·kg）,通风10min,间歇10min）2个处理,以牛粪和玉米秸秆为原料在反应器中进行好氧堆肥试验。结果表明,堆肥结束后T1和T2处理总氮（TN）损失分别占初始 TN 23.25%和21.12%, TN的损失以NH3挥发为主,分别占 TN损失的74.76%和61.84%,而以N2O排放损失的氮仅占 TN损失的1.12%和1.37%。NH3挥发主要集中在堆肥初期,主要是因为较高的温度和pH值所致,至堆肥结束时T2处理NH3累积排放量比T1处理少24.37%。不同通风方式对堆肥过程中NH+4N和NO-3N的含量变化也产生显著影响,到堆肥结束时,T2处理相比T1处理,其NH+4N含量低11%,而NO-3N含量高6.7%,T2处理酸解总有机氮含量比T1处理高12.4%,说明间歇通风有利于硝化作用和氨同化作用的进行。结构方程模型（SEM）显示,T2处理不同有机氮对NH+4N含量的总影响从大到小顺序为：酰胺态氮(1.006)、氨基糖态氮(0.485)、酸解未知态氮(0.034)、氨基酸态氮(-0.852),说明NH+4N来源于酰胺态氮、氨基糖态氮和酸解未知态氮,同时NH+4N可以通过氨同化作用生成氨基酸态氮,间歇通风能促进NH+4N向氨基酸态氮的转化。间歇通风方式通过抑制有机氮向NH+4N的转化,降低堆肥过程中由NH3排放造成的氮素损失。     

保水材料对河套灌区土壤硝态氮和铵态氮动态变化的影响

为了研究内蒙古河套灌区农业化肥面源污染检测和治理措施,采用大田土壤淋溶试验,分析了河套灌区农田在保水材料处理下,玉米生育期内土壤硝态氮、铵态氮累积量及动态变化特征。结果表明,与CK相比,保水材料处理玉米苗期土壤NO_3~--N累积量平均提高20.49%,收获期平均降低13.98%;苗期土壤NH_4~+-N累积量平均提高35.21%,收获期平均降低28.93%。保水材料有效地抑制了氮素的淋溶损失,提高了氮素利用率,同时保证了玉米生育后期有效氮的供应,避免短时间内氮素的大量累积,在一定程度上减少了化肥面源污染,为农业面源污染治理提供有力措施。     

排水暗管外包材料渗透性与除氮效果试验研究

测定了5种排水暗管外包材料(麦秸秆、锯末、陶粒、沸石、纤维球)的透水特性,并分析了不同外包材料及其厚度的去氮效果。结果表明,各外包材料对氨态氮和硝态氮的去除能力存在差异,无机材料对氨态氮的吸附能力较强,有机材料对硝态氮的去除能力更好;10cm厚度时锯末除氮效果最好,去除率为55.1%,而在30cm厚度时沸石相对更好,去除率为76.2%;外包料的厚度对总氮的去除能力呈正相关关系,每增加10cm厚度,麦秸秆和锯末总氮去除率增加6%～8%,陶粒和沸石总氮去除率增加6%～28%,纤维球总氮去除率增加10%～20%。     

水稻灌区农业面源污染物迁移转化规律模拟研究

模拟水稻灌区中非自然水文过程及其驱动下的面源污染物迁移转化过程对了解水稻灌区面源污染形成机理以及污染控制具有重要的意义。将水稻灌区水文过程分为陆面水文过程和排水沟道水文过程,采用均衡法模拟陆面水文过程中稻田深层渗漏水量以及氨氮(NH4~+)、硝氮(NO_3~-)和磷酸根(PO_4~(3-))的渗漏通量,在此基础上,基于非稳定饱和渗流方程计算稻田深层渗漏过程所形成的侧向排水过程,作为排水沟道水文过程的输入项,基于动力波方程和一阶动力学方程描述了水稻灌区排水网络下的面源污染物运移和转化过程,提出了水稻灌区农业面源污染物迁移转化模型。根据前郭灌区2008—2009年的监测数据对模型渗流过程、主要面源污染物迁移转化过程参数进行率定,采用2010年的监测资料对模拟结果进行了验证。结果表明,基于所提出的方法模拟了稻田和排水沟道2个水文过程中NH4~+,NO_3~-和PO_4~(3-)的质量浓度峰值过程的差异,实现了水稻灌区陆面水文和排水沟水文过程的耦合。稻田水层中模拟NH4~+,NO_3~-和PO_4~(3-)的Nash-Sutcliffe系数分别为0.772、0.758和0.709,相对均方根误差(RMSE)分别为0.042、0.050和0.071,排水系统中模拟NH4~+、NO_3~-和PO_4~(3-)污染物的Nash-Sutcliffe系数分别为0.645、0.704和0.854,相对均方根误差(r RMSE)分别为0.072、0.060和0.031。所提出的方法可有效地模拟稻田渗流过程和排水过程中的面源污染物迁移转化过程。     

氮肥运筹对砂壤土麦田土壤水氮分布和利用的影响

为解决河北省黑龙港区砂壤质氮肥施用问题,分别设置不施氮肥T1,总施氮量为240 kg/hm²氮肥基追比T2(3∶7)、T3(4∶6)、T4(5∶5)、T6(6∶4)和T6(7∶3)处理。研究小麦水氮利用效率以及土壤含水量、贮水量、氮素动态变化规律。结果表明,砂壤质土壤氮肥基追比3∶7的处理水分利用效率、氮肥生产效率最高,分别为21.00 kg/(hm²·mm)和24.36kg/kg。土壤含水量随土层深度增加而增加,在60~80 cm聚集。氮肥基追比3∶7的处理土壤贮水量、NH_4~+-N、NO_3~--N在小麦生育期都有较高值,可以为小麦生长发育提供充足水分和氮素营养。在小麦拔节期0~100 cm土层中NO_3~--N累积量最大,NO_3~--N有向下淋溶的风险,但是随着小麦生长NO_3~--N累积量逐渐减少。因此选用氮肥基追比为3∶7相对较为合理。     

小波变换与分水岭算法融合的番茄冠层叶片图像分割

在基于机器视觉的作物营养诊断研究中,通常需要采集叶片样本并在实验室条件下定量测定其营养素含量,但由于叶片间相互重叠,往往使得叶片样本不能清晰地反映在群体番茄冠层图像中。为了解决这一问题,需要利用图像分析技术有效提取作物冠层图像中的叶片,并根据处理结果采集实验室测定样本。本文从复杂背景剔除、梯度图计算、小波变换、标记选取、分水岭分割等环节出发,实现了基于小波变换与分水岭算法融合的番茄冠层多光谱图像叶片分割。首先对比了4种复杂背景剔除算法,发现当增强因子a=1.3时,基于归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)的阈值分割目标提取准确,适合各种光照条件,时空复杂度低。其次在梯度图计算方面,近红外(Near infrared,NIR)波段图像形态学梯度在保持目标边缘的同时,能消除大量由叶脉、光照等引起的叶片内纹理细节。然后以小波分析为基础进行标记选取,发现当选取db4小波函数、4层小波分解低频系数、阈值为18的H-maxima变换能得到最优的目标标记结果。最后对多光谱番茄冠层图像的小波变换分水岭分割和数学形态学分水岭分割结果进行叠加,发现对复杂背景及不同光照强度下的番茄冠层叶片平均误分率为21%,为基于多光谱图像分析的番茄叶片营养素含量检测提供了一定的技术支持。     

水氮耦合对膜下滴灌设施番茄水氮生产函数影响研究

[目的]探究膜下滴灌水氮耦合对温室番茄水氮生产函数的影响,寻求影响温室番茄的关键需水阶段,为番茄节水高效生产提供理论依据.[方法]设置4因素3水平水氮耦合正交试验,对温室水氮耦合下番茄的产量进行研究,基于Jensen模型建立了番茄水氮生产函数,并建立其水分敏感指数累积曲线,利用塑料大棚番茄水氮耦合产量结果对水氮生产函数...     

基于改进轻量级卷积神经网络MobileNetV3的番茄叶片病害识别

番茄病害的及时检测可有效提升番茄的质量和产量.为实现番茄病害的实时无损伤检测,本研究提出了一种基于改进MobileNetV3的番茄叶片病害分类识别方法.首先选择轻量级卷积神经网络Mobile?NetV3,在Image Net数据集上进行预训练,将预训练得到的共享参数迁移到对番茄叶片病害识别的模型上并做微调处理.采用相同...     

基质栽培番茄临界氮浓度和氮营养指数研究

为了确定番茄的需氮量以及利用氮营养指数估测番茄氮盈亏水平的可行性,分别建立了基质栽培番茄临界氮浓度、氮营养指数和氮亏缺模型,为番茄精确施肥提供理论依据。采用基质栽培番茄,营养液氮素形态设置3个硝铵比为100∶0、75∶25和50∶50,标记为N100、N75+A25和N50+A50;氮素水平设置为Hoagland氮浓度(15mmol/L)的1/4、1/2和3/4。实验采用完全随机区组设计,共9个处理,每个处理15个重复。分别构建了不同氮源下番茄地上部生物量的临界氮浓度稀释曲线模型。结果表明,不同氮源处理番茄临界氮浓度和地上最大生物量间均符合幂指数关系,不同氮源模型间存在一定差异,参数ac(ac为地上部生物量为1g/株时的临界氮浓度)差异表明对于相同的地上部生物量,N75+A25处理番茄的氮累积能力高于N100和N50+A50;b值(b为曲线斜率)不同说明N75+A25处理植株衰老缓慢,叶氮浓度下降较N100和N50+A50慢,因而其曲线斜率低。基于临界氮浓度的氮营养指数(NNI)和氮亏缺模型Nand对番茄的适宜氮源和浓度诊断结果一致,均以N75+A25(1/2)s为最佳施氮组合。根据模型推算的NNI与相对地上部生物量、相对氮累积量和相对产量均呈显著相关性。临界氮稀释模型具有明确的生物学意义,该模型得出的分析结果是合适和可靠的。