基于光谱FOD与优化指数的银川平原土壤有机质含量反演

土壤有机质（SOM）是土壤肥力的重要组成部分,是作物生长的主要养分来源。为探究分数阶微分（FOD）联合优化光谱指数对低肥力地区SOM的反演效果,以银川平原为研究对象,对野外土壤高光谱反射率原始数据进行0~2阶FOD处理（间隔0.2阶）,构建优化光谱指数DI/RDI、DI/NDI、NDI/RDI、RDI/NDI、DI/GDI和RI/GDI,分析各指数与土壤有机质含量间的二维相关性,筛选出最佳优化光谱指数,并建立基于支持向量机（SVM）的SOM含量反演模型。结果表明：银川平原SOM含量整体偏低,其中93.05%处于四级到六级水平。土壤野外原始光谱反射率吸收特征差异明显,在1400、1900nm处有明显吸收峰。随着分数阶的不断增加,光谱反射率不断趋近于0。土壤DI/NDI、DI/GDI、RI/GDI、NDI/RDI和RDI/NDI在0~2阶最大相关系数绝对值（MACC）均小于0.80,DI/RDI在0.2~2.0阶范围内的MACC为0.9965~0.9986,其敏感波段主要集中在1450~1750nm和2100~2400nm之间。基于0.2阶微分处理的DI/RDI-SVM模型对SOM的反演精度最佳,建模决定系数R2c和验证决定系数R2p分别为0.98和0.99,相对分析误差（RPD）为4.31。研究结果可为低肥力地区的SOM含量快速、准确反演及制图提供科学依据。     

基于FOD-ML的干旱区土壤有机质含量估算

为探究基于分数阶微分(fractional order derivative, FOD)预处理的光谱反射率与土壤表层有机质含量之间的响应机制,以新疆乌鲁木齐县安宁渠镇土壤冠层光谱为数据源,采用G-L分数阶微分方法对高光谱数据进行0～2.0阶次(间隔0.2)预处理,并利用任意波段组合算法,计算基于分数阶微分预处理光谱的比值光谱指数、归一化光谱指数和差值光谱指数,通过竞争性自适应重加权(CARS)算法筛选土壤有机质含量的敏感波段及光谱指数等,与3种机器学习(machine learning, ML)算法(ANN、KNN和SVM)相结合,构建基于分数阶微分和机器学习方法的土壤有机质含量估算模型,并进行模型验证。结果表明：基于0～2.0阶次的两波段光谱指数与土壤有机质含量之间均呈现极显著相关,基于原数据和0.2阶预处理的NDVI和RVI相关性系数r超过0.80。该研究基于0.2阶NDVI指数的K近邻算法模拟土壤有机质含量能力表现最佳,估算模型精度分别为决定系数(R²)为0.73,均方根误差(RMSE)为2.11 g/kg,相对分析误差(RPD)为2.23。为遥感技术提供理...     

基于三维光谱指数的土壤含水率反演研究

为研究三维光谱指数预测土壤含水率的效果,以期能为精准农业地表土壤含水率的快速精确测定提供参考.以浙江永康地区采集的不同含水率土壤样本为研究对象,利用ASD FieldSpec 3光谱仪在室内对土样进行光谱反射率测量,并基于原始光谱反射率(R)及其对应的一阶微分光谱(FD)、二阶微分光谱(SD)进行一维二维及三维光谱指数的提取.再通过偏最小二乘回归模型(PLSR)对不同光谱指数建模,并对比分析不同模型的反演精度.结果表明:三维光谱指数相比于一维二维光谱指数对土壤含水率更加敏感;基于三维光谱指数(TBI2)偏最小二乘回归模型具有最佳的预测效果,其Rv2=0.92,RPD可达3.32;对于土壤含水率反演而言,三维指数(R-TBI1)相比于其他的光谱指数更具重要性,其变量投影重要性(VIP)达1.04.该研究表明利用三维光谱指数建模为高光谱遥感对表层土壤含水率的快速有效监测提供了一条新途径.     

基于高光谱技术的基质含水率快速测定方法

为了寻找一种基质含水率的快速检测方法,应用高光谱技术获得不同含水率基质样品光谱信息,阐释基质含水率光谱规律,对基质含水率进行定量分析,为设施基质栽培水分快速测定提供参考。以稻壳基质为研究对象,对基质光谱信息进行基线校正和平滑处理后,利用逐步回归分析法提取稻壳基质光谱反射率一阶微分变换的敏感波段,建立基于敏感波段组合的基质含水率预测模型,并对模型进行了检验。结果表明,在敏感波段527、796和959 nm处,采用反射率一阶微分建立的稻壳基质含水率三波段指数预测模型的预测效果较好,模型预测相关系数(RP)为0.91,预测均方根误差(RMSEP)为5.55%,可以实现对稻壳基质含水率的快速准确检测。     

基于分数阶微分的荒漠土壤铬含量高光谱检测

为解决高光谱检测土壤中痕量级重金属含量存在的困难,提高土壤重金属铬含量检测的准确度,利用新疆准东煤田周边168个荒漠土壤样本的重金属铬含量及其对应的高光谱数据,运用分数阶微分算法进行光谱数据预处理,最后利用全部波段进行偏最小二乘建模并进行可视化分析,旨在探讨分数阶微分预处理在高光谱数据估算荒漠土壤重金属铬含量的可能性。结果表明:原始光谱与吸光率变换的分数阶微分模型均在1.8阶微分处达到了最好的精度效果。吸光率变换1.8阶微分模型为最优模型,模型的校正均方根误差为7.68 mg/kg,R_c~2=0.83,预测均方根误差为8.39 mg/kg,R_p~2=0.78,相对分析误差为2.14。最后利用铬含量实测值与光谱预测值通过反距离加权法插值获得研究区土壤重金属铬含量的空间分布,说明利用该方法对土壤重金属铬含量定量检测并进行大尺度的空间分布反演在一定程度上是可行的,为荒漠土壤重金属污染状况的高光谱检测提供了一定的科学依据和技术支持。     

基于分数阶微分和最优光谱指数的大豆叶面积指数估算

高光谱遥感技术可对作物生长状况进行无损、高效地监测，是推动现代精准农业发展的必要手段。以不同施氮水平与覆膜处理下的开花期大豆叶面积指数(Leaf area index, LAI)为研究对象，对原始开花期大豆高光谱反射率数据进行0～2阶微分变换处理(步长0.5),并筛选出各阶光谱指数中与开花期大豆LAI相关性最高的指数作为最优光谱指数进行输入，采用支持向量机(Support vector machine, SVM)、随机森林(Random forest, RF)、遗传算法优化的BP神经网络(BP neural network optimized by genetic algorithm, GA-BP)3种机器学习方法构建大豆LAI预测模型。结果表明：0～2阶光谱指数与大豆LAI相关系数平均值分别为0.616、0.657、0.666、0.669、0.658,相比于原始与整数阶高光谱反射率，分数阶微分变换处理后的高光谱反射率构建的光谱指数与开花期大豆LAI具有更强的相关性；相关系数平均值最高的1.5阶微分处理最优光谱指数波长组合分别为：TVI(687 nm, 754 nm)、DI(687 n...     

北京典型耕作土壤养分的近红外光谱分析研究

以北京郊区试验田采集的72个土壤样品为实验材料,应用傅里叶变换近红外光谱技术,分析了土样的全氮、全钾、有机质和pH值养分含量。采用偏最小二乘法(PLS)对光谱数据与土壤养分实测值进行回归分析,建立预测模型,以模型决定系数(R2)、校正标准差(RMSECV)、预测标准差(RMSEP)和相对分析误差(RPD)作为模型精度的评价指标。分析结果:土壤的全氮模型R2为95.44%,RMSECV为0.014 1,RMSEP为0.016 8,RPD为4.68;有机质模型R2为89.63%,RMSECV为0.37,RMSEP为0.47,RPD为3.11;全钾模型R2为85.62%,RM-SECV为0.173,RMSEP为0.204,RPD为2.64;pH值模型R2为87.33%,RMSECV为0.031,RMSEP为0.053,RPD为2.81。     

基于岭回归的土壤含水率高光谱反演研究

以以色列南部Seder Boker地区采集的粘壤土样品为研究对象。在室内利用ASD Field Spec 3型高光谱仪获取土壤的原始光谱,在进行数据预处理和不同数学变换后,共获取了4种光谱指标:光谱反射率(REF)、倒数之对数(LR)、一阶微分(FDR)和去包络线(CR)。采用偏最小二乘回归法(PLSR)、逐步回归法(SR)和岭回归法(RR)构建了基于不同指标的土壤含水率高光谱反演模型,并对反演结果进行精度验证与比较。结果表明:REF-PLSR模型在所有回归模型中的反演与预测效果均为最优(R2c=0.990,R2p=0.987),在逐步回归模型和岭回归模型中,LR-SR(R2c=0.981,R2p=0.971)、LR-RR(R2c=0.975,R2p=0.979)均为最佳模型。对于其他3种指标,虽然逐步回归法和岭回归法的建模效果较偏最小二乘回归法略有下降,但R2c均大于0.9,R2p均大于0.8,RPD均大于2.5,RMSE均小于0.03,模型仍具有较好的反演效果;逐步回归法和岭回归法均实现了模型的简化,但岭回归法采用有偏估计从而提高了模型的稳健性,且实现了波段的优选(用于建模的波段数仅为全光谱的0.3%)。粘壤土土壤含水率LR-RR高光谱反演模型的建立为高光谱模型的优化、土壤含水率的快速测定提供了途径。     

不同盐结皮光谱特征及其盐渍化信息预测研究

盐碱地是我国重要的后备耕地资源,及时、准确获取土壤盐渍化信息,对治理盐碱地、防止其进一步退化和促进农业可持续发展至关重要。以宁夏银北地区不同盐结皮土壤为研究对象,运用土壤学和地统计学方法,以土壤野外原位光谱数据和室内盐分指标测定数据为基本信息源,系统分析不同盐结皮光谱特征,确定对结皮层pH值、EC和盐分离子最敏感的土壤光谱反射率转换形式、波段和光谱盐分指数,进而建立并验证基于敏感盐分指数的盐分指标预测模型。结果表明:研究区白碱结皮光谱反射率在450～1050 nm最高,马尿碱结皮次之,黑油碱结皮最低。通过野外光谱反射率可以将研究区主要盐结皮类型进行分类。反射率平滑后再经过一阶微分、倒数对数一阶微分、连续统去除和连续统去除一阶微分转换后最大相关系数比只作平滑处理的反射率显著增大。与pH值、EC、CO_3~(2-)和Mg~(2+)相关性最强的转换方式是连续统去除一阶微分,与SO_4~(2-)、Ca~(2+)和K~+相关性最强的转换方式是倒数对数一阶微分,与HCO_3~-和Cl~-和Na~+相关性最强的转换方式是一阶微分。整体上连续统去除一阶微分与各盐分指标的相关性最强。整体来看,盐分敏感区域在蓝光450、470、485 nm附近、绿光501、575 nm附近、红光680 nm附近和近红外多个波段。与各盐分指标最强相关性盐分指数:pH值为盐分指数S1(Salinity index);Cl~-、K~+为盐分指数SI3(Salinity index 3);SO_4~(2-)、Mg~(2+)为盐分指数S2(Salinity index);EC、HCO_3~-及Na~+为盐分指数S3(Salinity Index);CO_3~(2-)、Ca~(2+)为盐结皮指数SCI(Soil curst index)。除土壤CO_3~(2-)外,利用敏感盐分指数可以准确预测土壤结皮层pH值、EC和其他盐分离子,其中对Na~+的拟合度最大。该研究可以为银北地区不同盐结皮土壤分类及盐渍化信息的准确预测提供科学依据。     

不同盐结皮光谱特征及其盐渍化信息预测研究

盐碱地是我国重要的后备耕地资源,为及时、准确获取土壤盐渍化信息,以宁夏银北地区不同盐结皮土壤为研究对象,运用土壤学和地统计学方法,以土壤野外原位光谱数据和室内盐分指标测定数据为基本信息源,系统分析不同盐结皮光谱特征,确定对结皮层pH值、电导率（EC）和盐分离子含量最敏感的土壤光谱反射率转换形式、波段和光谱盐分指数,进而建立并验证基于敏感盐分指数的盐分指标预测模型。结果表明：研究区白碱结皮光谱反射率在450～1050nm波段最高,马尿碱结皮次之,黑油碱结皮最低。通过野外光谱反射率可以将研究区主要盐结皮类型进行分类。反射率平滑后再经过一阶微分、倒数对数一阶微分、连续统去除和连续统去除一阶微分转换后,最大相关系数比只作平滑处理的反射率显著增大。与pH值、EC和CO2-3、Mg2+含量相关性最强的转换方式是连续统去除一阶微分,与SO2-4、Ca2+、K+含量相关性最强的转换方式是倒数对数一阶微分,与HCO-3、Cl-、Na+含量相关性最强的转换方式是一阶微分。整体上连续统去除一阶微分与各盐分指标的相关性最强。整体来看,盐分敏感区域在蓝光450、470、485nm附近,绿光501、575nm附近,红光680nm附近和近红外多个波段。与各盐分指标相关性最强的盐分指数分别为：pH值为盐分指数S1,Cl-、K+含量为盐分指数SI3,SO2-4、Mg2+量为盐分指数S2,EC和HCO-3、Na+含量为盐分指数S3,CO2-3、Ca2+含量为盐结皮指数SCI。除CO2-3含量外,利用敏感盐分指数可以准确预测土壤结皮层pH值、EC和其他盐分离子含量,其中对Na+含量的拟合度最大。该研究可为银北地区不同盐结皮土壤分类及盐渍化信息的准确预测提供科学依据。     

中国主要退化土壤的改良剂研究与应用进展

在中国主要退化土壤类型和分布的基础上,对比分析了退化土壤的不同改良技术;结合国内外土壤改良剂研究概况和土壤改良剂的原料来源及其分类,总结强调了土壤改良剂对土壤和农作物的主要功能影响.阐述了酸化地、盐碱地和重金属污染地土壤的土壤改良剂研究效果,提出不同类型退化土壤的土壤改良剂在应用过程中存在的问题.最后,进一步探讨土壤改良剂研发与应用过程中面临的主要问题,结合绿色和可持续发展导向,指出加强土壤改良剂的应用基础研究、新型环保低成本研发、应用评价、应用规范建立和认证管理以及退化土壤的综合治理是土壤改良剂研究与应用的发展趋势.     

土壤水分对半干旱区石灰性土壤有机碳矿化的影响

为明确土壤水分对我国北方半干旱区域石灰性土壤有机碳矿化的影响,采用室内恒温培育试验,以栗钙土、栗褐土、褐土为研究对象,研究了不同土壤水分条件下土壤有机碳(SOC)矿化差异。土壤含水率设置为田间持水率(WHC)的40%、70%和100%。结果表明,随着土壤含水率升高,3类土壤2种利用方式(玉米地、果园)土壤有机碳累积矿化量及矿化率增大,较高水分下的增幅(70%WHC~100%WHC)小于较低水分下的增幅(40%WHC~70%WHC);土壤有机碳矿化动态符合一级动力学方程,土壤潜在矿化碳库(Cp)为33.10~193.56 mg/kg,潜在矿化率Cp/SOC为0.41%~3.35%,Cp及Cp/SOC随土壤含水率升高而增大,Cp及Cp/SOC较高水分条件下的增幅较小;40%WHC下Cp/SOC与土壤有机碳量显著负相关,70%WHC及100%WHC下则与土壤有机碳量及黏粒量显著负相关(P0.05)。半干旱区域石灰性土壤有机碳矿化及土壤有机碳固存能力在较低水分条件下(40%WHC~70%WHC)受土壤水分变化影响较大。     

花岗片麻岩山区土壤水分特征研究

以河北平山县岗南镇低山丘陵区为研究对象,分析不同土层、坡位及坡向的土壤水分特征。结果表明:土壤水分渗透速率随着时间的延长逐渐降低,最后达到稳渗。土壤质地大部分为多砾质,土壤总孔隙度在37.53%~48.12%之间,阳坡绝大部分是毛管孔隙。不同坡位>0.25 mm土壤团聚体含量,坡下明显高于坡上,不同坡向>0.25 mm的团聚体呈现:半阴坡>阴坡>阳坡,且随土层加深含量增加。土壤容重,阴坡>阳坡>半阴坡。土壤蓄水能力,阴坡优于阳坡;20~40 cm的中层土壤蓄水能力优于其它土层。     

大孔隙对土壤水分特征曲线的影响

土壤大孔隙是普遍存在的现象 ,并非例外 ,它对水及溶质在土壤中的运移有着深刻影响。分别从原状土区和回填土区随机取若干土样 ,采用离心机法测得了原状土和回填土的水分特征曲线 ,比较原状土和回填土土壤水分特征曲线的参数 ,分析了土壤中大孔隙的存在对土壤水分曲线中各参数的影响。指出在进行土壤中水及溶质运移研究中 ,必须考虑大孔隙的影响。     

淋洗状态下保护地土壤pH与盐分含量及其组成关系的研究

以沈阳地区酸化比较严重的保护地土壤为研究对象,采用淋洗模拟试验的方法,通过测定淋洗后土壤pH值和全盐量、淋洗出的盐分离子含量,研究了土壤pH值与离子组成、含量之间的关系.结果表明:①土壤pH值与土壤全盐含量呈显著负相关关系,即土壤pH值随土壤全盐量的降低而逐渐增加,但盐分的减少对土壤pH的影响在淋洗后期明显大于前期;②土壤pH值与阳离子、阴离子的组成即相对比例有关,其中与K+和其他4种阴离子呈曲线负相关关系,与另外3种阳离子呈直线负相关关系,且相关性均达到极显著;③随着淋洗次数的增加,NO3、SO42-等离子含量在全盐含量中所占比例而不断下降,与此同时土壤pH值却在不断的上升,而Ca2+、Na+等盐基离子在全盐中的相对比例的上升也是导致土壤pH值上升的重要因素.     

层状土溶质运移特性及其参数分析

由于自然和人为因素作用,土壤常常呈现层状结构,这种层状结构影响土壤水分和溶质的运移特性。通过室内模拟试验,分析了层状土溶质运移特性,研究了层状土溶质运移参数变化特征。结果表明C l-在层状土及均质土中弥散度具有明显差异,并且这种差异与夹层土壤的弥散度存在密切相关。     

黄河古道细质沙土水分性状的研究

供试土壤为细砂（粉砂）质壤上，２ｍ土层有效水贮量总计为４５８．３ｍｍ，其中，０～９３ｃｍ细质矽土层为主要供水土层，在９３～１５５ｃｍ有一粘土夹层，它能提供的有技水量很少，但它使砂层产生了近１００ｍｍ的顶托水量，因此，供试土壤有一个良好的水分性状，其２ｍ土层有效水贮量基本能满足作物的需水要求。     

土壤质地对机采棉土壤水热状况及生长发育影响研究

为了进一步明确玛纳斯河流域土壤质地对机采棉水热状况及生长发育的影响,通过测坑试验,对3种不同土壤质地(壤土、砂土、黏土)下的土壤温度、土壤含水率、机采棉、株高、叶面积及产量进行了对比分析。结果表明,不同土壤质地条件下地温日变化及不同时间段温度增量表现为:砂土黏土壤土;不同土壤质地条件下0~60 cm和0~100 cm土层土壤质量含水率大小顺序为:黏土壤土砂土;不同土壤质地下机采棉的生长及产量均表现为壤土黏土砂土。研究认为壤土质地种植机采棉,提高了其生育前期的土壤温度,有效保持了土壤水分,有利于其生长发育。因此,为了提高水分利用效率及产量,建议玛纳斯河流域应增加壤土质地种植机采棉的比例。     

不同灌溉方式对新疆盐碱地土壤理化性质和微生物特性的影响

采用大田试验,以农十师种植面积最大的食葵为研究对象,用3种不同灌溉方式对新疆种植食葵盐碱地的土壤理化性质和微生物特性的影响进行研究。结果表明:渗灌、滴灌和沟灌3个处理对土壤中总盐和pH值有明显的抑制作用,对土壤的速效养分、微生物种群数量、微生物量、碱性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶、碱性磷酸酶、多酚氧化酶活性有明显的促进作用,对土壤过氧化氢酶活性没有影响。降低土壤的盐分和pH值以沟灌为宜;提高土壤的速效养分、土壤微生物特性以滴灌为宜。     

小型碎土机的设计

为解决水田育苗过程中碎土劳动强度大、效率低的问题,设计研制了工厂化育苗生产线配套机具———小型碎土机。介绍碎土机的基本结构及工作原理,着重阐述关键部件的设计和使用SolidWorks建模方法。试验结果表明：该机结构紧凑、运行平稳、工作效率高、作业质量好,可促进工厂化育苗技术的快速发展。