激光诱导击穿原子光谱在土壤分析中的应用

土壤分析是土壤学研究及应用的前提和基础,传统化学土壤分析方法逐渐不能适应现代土壤学海量信息数据快速获取的需求。激光诱导击穿光谱作为一种全新的、反映土壤组成元素原子信息的光谱技术,其无需对样品进行复杂前处理,可实现原位、快速、多元素连续在线检测,每条光谱记录土壤样本独一无二的特征,可以视为土壤“指纹”,成为现代土壤分析的有效技术之一。首先介绍和分析了激光诱导击穿原子光谱的原理、光谱获取的主要影响因素、光谱数据处理的化学计量学方法等;然后阐述和梳理了基于激光诱导击穿光谱技术在土壤分析方面的应用成果和进展,包括土壤鉴定、土壤养分评估、土壤重金属测定、微观/介观尺度土壤原位表征等;最后讨论和总结了激光诱导击穿光谱技术在土壤分析中所面临的挑战及其应用展望。     

田块尺度土壤入渗特性空间变异研究

土壤入渗特性是田块尺度参数估值的重要基础。该文以陕西省杨凌区一级阶地砂壤土和三级阶地粘壤土所选典型田块的双环入渗试验为基础,分析了归一化因子在单一尺度和多尺度上的分形特征,并在此基础上建立了估算归一化因子的土壤转换函数。结果表明:对于修正Kostiakov公式所采用的归一化处理方法是可行的,可较好地预测典型田块各测点的土壤入渗过程;在单一尺度上,一级阶地和三级阶地所选典型田块的归一化因子最优半方差函数均为球状模型,其分形维数分别为1.796和1.840;在多尺度上,一级阶地典型田块归一化因子的空间变异受粉粒含量、砂粒含量和土壤容重的影响显著,三级阶地典型田块归一化因子的空间变异与黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量和土壤初始含水率相关程度最高(显著性水平0.01);估算归一化因子的土壤转换函数具有较高的精度和可靠性,其一级阶地和三级阶地典型田块验证样本归一化因子的实测值与估算值相对误差绝对值均值分别为13.15%和9.95%。研究结果可较好地解决田块尺度内土壤入渗点面转换及入渗参数难以取得的问题。     

设施土壤有机氮组分及番茄产量对水氮调控的响应

【目的】酸解铵态氮和酸解氨基酸氮是土壤有机氮的主要组分,可表征土壤的供氮能力,并在氮素矿化、固定、迁移以及为植物生长供氮过程中起到至关重要的作用。研究水、氮调控下设施土壤有机氮组分和番茄产量的相互关系,为评价设施土壤肥力变化和制定科学合理的水、氮管理措施提供科学依据。【方法】田间定位试验在沈阳农业大学的温室内进行了5年,供试作物为番茄,栽培垄上覆盖薄膜,打孔移栽番茄幼苗,膜下滴灌。定位试验三个氮肥处理为施N75、300、525kg/hm^2,记为N1、N2和N3;三个灌水量为25、35和45kPa灌水下限(灌水始点土壤水吸力),记为W1、W2和W3,共9个肥水处理组合。在试验第五年番茄生长期(2016年4—8月)调查了番茄产量及其构成,在休闲期(2016年9月)测定0—10、10—20和20—30cm土层土壤有机氮组分、有机碳和全氮含量。【结果】9个处理中,土壤全氮、有机碳和除酸解氨基糖氮外的有机氮组分含量均随土层深度的增加而降低,且0—10、10—20和20—30cm土层间含量差异显著(P<0.05)。三个土层中酸解总氮占土壤全氮的66.0%、64.6%和55.2%,是土壤有机氮的主要存在形态。土壤酸解总氮中各组分含量及其所占比例的大小顺序为酸解氨基酸氮、酸解铵态氮>酸解未知态氮>酸解氨基糖氮。灌水下限和施氮量对番茄产量及单果重的影响均达极显著水平(P<0.01),水氮交互效应也达显著水平(P<0.05)。休闲期土壤酸解铵态氮与番茄产量间显著负相关(P<0.05)。番茄产量W1N2(25kPa+N300kg/hm^2)、W2N1(35kPa+N75kg/hm^2)和W1N1(25kPa+75kg/hm^2)处理间差异不显著。【结论】灌水和施氮量及其交互效应对各土层土壤全氮、酸解总氮、酸解铵态氮和酸解氨基酸氮的影响均达到极显著水平(P<0.01),而对土壤有机碳的影响不显著(P>0.05)。相同施氮量下,0—30cm土层酸解铵态氮和0—20cm土层酸解氨基酸氮含量均在土壤水吸力维持在35~6kPa范围内达最高值,此土壤水分含量下的0—20cm土层酸解氨基酸氮含量在施N75kg/hm^2时达到最大值。从节水减氮和番茄产量的角度考虑,控制土壤水吸力不低于35kPa、每季随水施N75kg/hm^2为供试番茄生产条件下最佳的水、氮组合量。     

固原市玫瑰苑小区低影响开发措施改造对降雨径流的调控效益

[目的]计算住宅小区海绵改造后对降雨径流的调控效益,旨在为海绵城市建设提供技术参考。[方法]结合宁夏回族自治区固原市某住宅小区各低影响开发(low impact development, LID)设施的布设情况,计算不同设计降雨量下LID设施对降雨径流的截蓄量与各LID设施截蓄容积的利用率;再结合固原市2004—2014年的降雨资料,计算出该小区年均降雨径流总截蓄量与各LID措施对降雨径流的截蓄量。基于计算出的小区LID设施对降雨径流的截蓄数据,结合资源环境经济学原理,计算小区降雨径流年调控效益、单方降雨径流调控效益与各LID措施年均降雨径流调控效益。[结果]小区海绵改建后,年均降雨径流调蓄量增加11 568 m~3,产生的效益为111 302元/a,单方降雨径流调控效益为9.62元/m~3;各LID设施年均效益分别为:雨水花园45 273元/a,下沉式绿地27 103元/a,雨水桶6 654元/a,雨水池32 272元/a。[结论]住宅小区海绵改建能够有效控制小区降雨径流的外排量,提高小区年径流总量控制率,具有明显的经济、环境和社会效益。     

结合Sentinel-2影像和特征优选模型提取大豆种植区

准确获取大豆的空间分布对于产量估计、灾害预警和农业政策调整具有重要意义,目前针对种植结构复杂地区所开展的大豆遥感识别研究鲜有报道。该研究以安徽省北部平原的典型大豆产区——龙山、青疃镇为研究区,基于Sentinel-2数据提出一种分层逐级提取策略的大豆识别方法。该方法首先构建决策树筛选规则,剔除研究区内非农田地物,获得田间植被的总体分布;然后生成19个候选特征因子,包括分辨率小于等于20 m的10个波段反射率以及9个植被指数。在典型地物类型样本的支持下,将ReliefF特征权重评估算法与随机森林(RandomForest,RF),BP神经网络(Back-Propagation Neural Network,BPNN)和支持向量机(Support Vector Machine, SVM)相结合,分别构建ReliefF-RF、ReliefF-BPNN、ReliefF-SVM三种组合模型筛选出对于大豆识别最有效的特征,并基于布设在研究区内6个样方(大小为1 km×1 km)的无人机影像提取得到的大豆分布来评估3种模型在大豆制图中的表现。结果表明,ReliefF-RF模型表现最佳,基于该模型筛选出7个优选特征因子,大豆制图的总体精度介于85.92%～91.91%,Kappa系数在0.72～0.81之间,各个样方的提取效果均优于其他两种模型。此外,基于优选特征达到的提取精度明显高于原始波段反射率,虽然略低于全部19个特征的结果,但是数据量降低了63.16%。该研究可以为农田景观破碎、种植结构复杂地区的大豆种植区提取相关研究提供有价值的参考和借鉴。     

地理加权回归模型结合高光谱反演盐生植物叶片盐离子含量

快速、无损地估算盐生植物叶片盐离子含量在植物生长监测、耐盐植物筛选和土壤盐渍化监测等方面有实用价值。该研究以新疆艾比湖保护区内盐生植物为研究对象,通过分析植物叶片盐离子(K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+))含量与冠层高光谱数据的光谱变换和二维植被指数(比值型植被指数(ratiovegetationindex,RVI)、差值型植被指数(difference vegetation index,DVI)、归一化型植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI))的相关性选取特征波段,构建基于地理加权回归模型(geographically weighted regression,GWR)的叶片盐离子含量估算模型,并与BP神经网络模型(back propagation neural network)进行对比,研究基于GWR模型估算干旱区盐生植物叶片盐离子的可行性。结果表明,选取特征波段集中表现在红及短波红外波段:K~+含量在反射率倒数的对数选取的红光区域内波段使用GWR估算效果最佳;Na~+的特征波段在光谱变换下集中于短波红外区域,二维植被指数集中在近红外、短波近红外及黄、橙、红区域,各种波段选取下GWR对Na~+的含量估算均有较好效果,但反射率对数的一阶估算效果最好;Ca~(2+)含量在反射率平方根的一阶微分下选取的短波红外波段通过GWR模型估算效果最好;Mg~(2+)含量在DVI选取的位于红光区域特征波段估算效果最佳,但使用GWR模型对Mg~(2+)的估算精度不及BP模型。分析基于GWR盐离子模型估算模型发现,含量较高的离子估算效果更好,K~+、Na~+的模型精度优于Ca~(2+)、Mg~(2+)。在使用GWR模型估算植物叶片盐离子含量时,特征波段均指向红及短波红外波段,符合植被光谱机理的响应。     

激光诱导击穿光谱技术检测土壤中的铅和镉含量

为了满足土壤重金属快速准确检测的需求,同时为土壤的重金属污染防治和农业的可持续发展提供理论指导,该研究利用激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术结合定标曲线法和化学计量学方法对土壤中重金属铅(Pb)和镉(Cd)元素进行定量分析。在获取LIBS数据之后,结合土壤LIBS发射谱线中Pb和Cd谱峰信息以及美国国家标准与技术研究院(national institute of standards and technology,NIST)的标准原子光谱数据库,选取了Pb和Cd的特征谱线分别为Pb I 405.78和Cd I 361.05 nm。首先对谱线信息进行预处理后,根据谱峰信息和元素的含量,分别建立了基于谱线峰强度、归一化后洛伦兹拟合强度、谱峰积分强度与对应元素浓度之间的关系模型和定标曲线。对于Pb元素的3种定标方法得到的线性关系的决定系数(R2)分别为0.983 85、0.970 97、0.993 21,且模型反演的结果与实际值的相对误差较小;而Cd元素的3种定标方法没有得到明显线性关系。然后运用偏最小二乘回归(partial least-squares regression,PLSR)建立了土壤Pb和Cd元素的定量分析模型,Pb元素PLSR模型的结果与定标曲线法的结果类似,其预测的相关系数(RP)为0.948 5,预测均方根误差(RMSEP)为2.044 mg/g;而Cd元素的PLSR模型的结果比起定标曲线法有较大提升,其预测的相关系数(RP)为0.994 9,预测均方根误差(RMSEP)为97.05μg/g,结果说明PLSR方法在光谱化学分析领域中比定标曲线法进行定量分析有更好的适用性。研究表明,LIBS技术能够实现对土壤重金属Pb和Cd含量的定量检测,为开发实时便携式LIBS土壤重金属检测仪提供了理论基础。     

酸法提取青稞麸皮结合酚工艺优化

为了提高青稞的附加利用价值,该文以青稞麸皮为研究对象,考察了提取试剂、酸质量分数、萃取pH值、料液比和提取温度对多酚质量分数和 DPPH·自由基清除能力的影响。采用中心组合设计优化其结合酚提取工艺。结果表明,青稞结合酚提取最优工艺条件为：提取试剂为硫酸,酸质量分数为11.10%,水料比为1：17 g/mL,提取温度为75℃,pH值不作处理,此条件下提取得到的结合酚质量分数达224.33 mg/(100 g),DPPH·自由基清除能力达9919.28μmol/(100 g),与预测值多酚质量分数243.80 mg/(100 g),其DPPH·自由基清除能力9087.02μmol/(100 g)基本一致。高效液相色谱法检测到最优工艺下所得青稞结合酚中含有8种酚酸及8种黄酮类物质,总量达325.104 mg/(100 g)。研究结果为全面评价青稞结合酚含量及青稞麸皮的高效利用提供科学依据。     

ZSM-5催化生物质三组分和松木热解生物油组分分析

为了更清晰地研究三大组分(纤维素、木聚糖、木质素)在介孔ZSM-5参与下的催化热解过程,该研究首先对生物质的三大基本组分和云南松木粉进行热解,然后在介孔ZSM-5催化剂存在的条件下对微晶纤维素、木聚糖、碱性木质素三大组分和云南松进行催化热解。采用气质联用仪对生物油的化学组分进行分析。通过对比ZSM-5参与前后的生物油的主要化学组分的变化,对催化剂的催化机理进行探究。研究结果表明,催化热解过程中,介孔ZSM-5将纤维素直接热解得到的β-D阿洛糖、糠醛、3-丙基戊二酸和2,4-戊二烯酸转化为1-甲基萘、2,6-二甲基萘,纤维素催化热解得到的生物油中的芳烃含量为63.89%。半纤维素催化热解过程中,催化剂将生物油中的糠醛从67.78%降低为2.66%,有效提高芳烃化合物,包括萘、2-甲基萘的含量,催化热解后得到的生物油中总芳烃含量达到36.81%。木质素催化热解过程中,介孔ZSM-5有效降低生物油中2,6-二叔丁基对甲酚的量(从82.33%降至77.97%),并大幅地提高1,8-二甲基萘和1,7-二甲基萘的量,生物油中总芳烃相对含量达到14.14%。云南松催化热解过程中,催化剂有效降低云南松直接热解得到生物油中2-甲氧基-4-甲基苯酚和(Z)-异丁子香酚的含量,并将芳烃化合物总量提高到53.99%(主要是1-甲基萘、1-亚甲基-1氢-茚和2,6-二甲基萘)。随着催化剂使用次数的增加,生物油中含氧化合物相对含量增加,烃类化合物的相对含量明显降低,从53.99%降至43.32%,元素分析结果表明生物油中的碳含量逐渐减少,氧含量逐渐增加。但是,催化剂经过焙烧再生后,催化活性基本完全恢复。     

冬油菜与杂草对长期不同施肥的差异性适应

研究长期水旱轮作条件下,施肥模式对田间冬油菜、杂草、土壤养分及冬油菜–杂草空间分布的影响,为长江流域冬油菜轻简化生产提供依据。2011年在湖北省粮油主产区——江汉平原布置水稻–冬油菜轮作肥效定位试验。2016年冬油菜收获期,调查农田杂草群落多样性和分析油菜–杂草–土壤养分三者状况。结果表明,长期土壤养分亏缺会显著影响油菜–杂草的生长和空间分布、形成不同的杂草优势群落。平衡施肥(NPK处理)有助于增加冬油菜根茎粗、有效分枝数、角果数和最终产量,降低杂草总生物量,提高杂草群落多样性Shannon-Wiener指数。与NPK处理相比,–N、–P和–K均会不同程度地降低籽粒、茎秆、角壳和杂草的养分吸收量,尤以–P处理降幅最为明显。与土壤养分含量的初始值相比,长期不施用化肥会引起土壤氮磷钾有效含量下降,尤其对于土壤钾,现有平衡施肥措施不足以弥补农田钾素亏缺,应重视秸秆还田的补钾效果。总之,长期科学的农田养分管理与调控措施,不仅可以降低杂草对冬油菜的危害、增强生物多样性和形成良性的油菜-杂草竞争环境,也有利于减少化学药剂使用、推动冬油菜的轻简化生产。