Comparison of multivariate models and variable selection algorithms for rapid analysis of the chemical composition of field crops

This study evaluates the use of visible and near-infrared spectroscopy for rapid prediction of total carbon, total nitrogen, and total phosphorus concentrations in field crop samples. Two multivariate models (partial least squares regression and support vector machine regression) were compared. In addition, four spectral variable selection algorithms (competitive adaptive reweighted sampling, genetic algorithm, uninformative variable elimination, and variable importance for projection) were applied with support vector machine regression to determine the most accurate predictions. The results showed that support vector machine regression performed better than partial least squares regression for predicting the three chemical compositions. The combination of competitive adaptive reweighted sampling and support vector machine regression outperformed the other models for the predictions of total carbon and total nitrogen with high coefficients of determination of 0.91 and 0.90, respectively. For the determination of total phosphorus, the prediction accuracy of competitive adaptive reweighted sampling was comparable with the best result obtained from genetic algorithm with the coefficients of determination of 0.73 and 0.77, respectively. In conclusion, the support vector machine regression combined with competitive adaptive reweighted sampling has great potential to accurately determine the chemical composition of field crops using the visible and near-infrared spectroscopy.     

Fungal endophyte Phomopsis liquidambari B3 enriches the diversity of nodular culturable endophytic bacteria associated with continuous cropping of peanut

Previously, the application of the fungal endophyte Phomopsis liquidambari B3 exhibited notable effect in alleviating soil obstacles caused by continuous cropping of peanut. It was supposed that P. liquidambari B3 could enhance the efficiency of nodulation and nitrogen fixation by enriching the diversity of nodular endophytic bacteria under continous monocropping system. To verify this hypothesis, a pot experiment was conducted under natural conditions. Four treatments were set as follow: discontinuous cropping soil (NS), continuous cropping soil (CK), continuous cropping soil inoculate with actived P. liquidambari B3 (CSB3), and continuous cropping soil inoculate with sterilized P. liquidambari B3 (CSIB3). As a result, a total of 120 isolates were obtained. Our study clearly declared that the addition of fungal endophyte effectively enriched the genetic diversity and the community composition in CSB3. In contrast, a low genetic diversity level and simplex community structure were exhibited in CK and CSIB3. Meanwhile, the positive percentage rate and corresponding community composition of the plant growth-promoting isolates in NS and CSB3 were larger and more abundant than the other. This is the first time to describe the effects of fungal endophytes on the diversity of the nodular culturable endophytic bacteria associated with continuous cropping of peanut.     

国内外有机肥标准对比及风险评价

中国是人口最多的发展中国家,生产生活中产生的有机废弃物数量巨大,堆制有机肥是降低有机废物污染风险的重要方式,而有机肥标准则是防止有机肥成为新的土壤污染源,规范有机肥产业健康发展的重要保障。目前我国有机肥不合格现象时有发生,针对有机堆肥的标准仅有一个8年前的行业标准（NY 525—2012）的现状,本文对比了中国、日本、澳大利亚、欧盟、美国有机肥标准的重要指标,对存在的重金属残留、抗生素污染、病原体污染、营养富集及土壤盐渍化等有机肥质量安全风险问题进行分析,为我国有机肥行业未来绿色、健康、可持续发展提出建议。尽管我国现有有机肥质量标准,在具体指标要求方面优于美国,但和欧盟相比还有差距,比如我国重金属Cu、Zn、Ni限量缺失,对Cd等重金属限值要求不够严格,长期施用会导致土壤重金属含量超过风险筛选值,严重影响农作物安全;同时,由于部分畜禽养殖业不合理使用抗生素,加之有机肥生产企业技术的欠缺,农户施用时缺乏指导,监管部门执法不严等因素,我国有机肥施用过程存在较大风险隐患。因此,进一步完善有机肥标准体系,强化对原料中有毒有害物质的限制,要求选用原料批批检,加大准入和过程的落实力度,才能保障我国有机肥产业有序健康发展。     

退化红壤植被恢复团聚体及化学计量特征

为了探究不同植被恢复模式对土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)分配格局及其生态化学计量特征的影响,为红壤侵蚀区的植被恢复措施及生态治理模式优化提供科学依据,以江西省泰和县红壤严重退化地为研究对象,对研究区马尾松纯林、湿地松纯林、木荷纯林、马尾松木荷混交林(马木混交林)以及湿地松木荷混交林(湿木混交林)5种植被恢复模式0—20,20—40cm土层不同粒径水稳性团聚体C、N、P分配格局及其化学计量特征进行了研究。结果表明:(1)0—40cm不同粒径团聚体分别占总重56.34%(>2mm),30.01%(0.25~2mm),7.14%(0.053~0.25mm),6.54%(<0.053mm),各植被恢复模式土壤水稳性团聚体含量随着粒径的减小而降低,且差异显著(p<0.05),马木混交林>2mm土壤水稳性团聚体含量显著高于其他恢复模式(p<0.05);(2)各植被恢复模式土壤C、N、P含量以马木混交林及湿地松纯林较高,水稳性团聚体C、N、P的含量总体随着粒径减小呈升高的趋势,以较小粒级养分含量较高,且存在显著差异(p<0.05);土层间C、N含量差异显著,P无显著差异,C∶N、C∶P及N∶P存在显著差异(p<0.05);粒径间C∶N、C∶P及N∶P存在显著差异;土壤团聚体C、N与C∶N、C∶P、N∶P均呈极显著相关关系,N∶P值较高且P与N∶P存在显著负相关性(p<0.05);(3)土壤C、N与土壤团聚体C、N含量显著相关(p<0.05),土壤团聚体C、N与土壤容重及含水率存在极显著相关性(p<0.01)。研究结果表明,不同植被恢复模式对土壤养分的改善作用主要集中于表层土壤;土壤团聚体养分对土壤养分状况具有指示作用,且土壤团聚体养分保持能力与土壤物理性质有关;研究区植被生长限制因素以P限制为主且大团聚体和微团聚体受P限制作用更严重;马木混交林较其它植被恢复模式对土壤质量和结构提升均具有显著作用。     

不同缓控释氮肥对连作春玉米产量及氮肥去向的影响

在山西省连作春玉米区连续4年设置大田定位试验,设置不施氮肥(CK)、一次性基施尿素(CU1)、追施尿素(CU2)、树脂包膜尿素(PCU)、硫包衣尿素(SCU)、多酶金缓释尿素(MEU)6个施肥处理,研究施用缓控释氮肥对春玉米产量、氮肥去向及氮素平衡的影响,为春玉米氮素养分的科学管理技术提供参考。结果表明:(1)缓控释氮肥处理能够明显提高春玉米产量,促进氮素吸收。与CU1处理相比,SCU、MEU、PCU和CU2处理可分别提高春玉米产量17.51%,9.88%,9.62%,9.48%,同时氮肥农学利用效率分别提高7.5,4.2,4.1,4.1 kg/kg。(2)不同缓控释氮肥处理的作物吸收肥料氮以及肥料氮在0-100 cm土层残留量之间存在显著差异。SCU、MEU、PCU、CU2和CU1的氮肥表观利用率分别为36.1%,32.5%,26.5%,26.7%,19.5%,肥料氮在0-100 cm土层残留量分别占施氮量的28.5%,31.6%,35.7%,35.5%,39.1%。此外,与一次性基施尿素相比,缓控释氮肥能够显著降低肥料氮的损失,SCU、MEU、PCU和CU2分别降低了22.65%,18.81%,8.99%,8.47%。(3)综合分析不同氮肥处理的农田氮素平衡,SCU处理的春玉米吸氮量最高,为261.5 kg/hm^2,其次是MEU,为253.5 kg/hm^2。SCU的0-100 cm土层残留量在缓控释氮肥中最低,为124.1 kg/hm^2,MEU和PCU分别为131.04,140.09 kg/hm^2。SCU处理的氮表观损失量最低,为106.3 kg/hm^2,MEU和PCU分别为111.6,125.1 kg/hm^2。在山西省春玉米主产区土壤上,缓控释氮肥能够显著促进春玉米对氮素的吸收,减少氮素损失。硫包衣尿素和多酶金缓释尿素的效果相对较好。     

稻虾共作模式氮和磷循环特征及平衡状况

稻虾共作模式是我国长江中下游地区一种新兴的稻田复合种养生态模式,研究稻虾共作系统中氮（N）和磷（P）的循环特征及盈亏状况,对合理调控稻虾共作系统养分循环和平衡,指导系统N和P优化管理具有重要的意义。本文通过田间试验,采用投入产出法,以中稻单作模式作为对照,研究了稻虾共作模式下N和P的循环特征及平衡状况。结果表明：克氏原螯虾子系统N和P的输出/输入比分别为0.62和0.44,且子系统中N和P以饲料输入最大,占总输入的92.9%和96.4%,以成虾N和P输出最大,分别占总输出的53.3%和59.5%;在目前投入水平下,两种模式土壤子系统中N和P表观平衡均出现盈余,且稻虾共作模式土壤子系统N的盈余量高于中稻单作模式,而P的盈余量则低于中稻单作模式;稻虾共作模式和中稻单作模式的N和P输出/输入比均小于1,且稻虾共作模式的N和P输出/输入比均小于中稻单作模式;稻虾共作模式增加了土壤截存的N和P量,其土壤截存的N和P量较中稻单作模式分别提高49.2 kg·hm^-2和9.1 kg·hm^-2;稻虾共作模式提高了系统N和P表观损失量,其系统N和P表观损失量较中稻单作模式分别提高10.2 kg·hm^-2和1.0 kg·hm^-2。可见稻虾共作模式降低了N和P输出/输入比,促进了土壤中N和P的累积,但增加了系统N和P表观损失量。     

干湿循环下崩岗土体裂隙发育对其渗透性能的影响

渗透是崩壁降雨重分布的关键且直接影响其重力侵蚀过程。试验设计6次干湿循环,通过进行崩壁4层土壤的饱和渗透试验并结合数字图像处理技术,研究了干湿循环效应下崩壁4层土的裂隙演化规律及其对各层土饱和渗透性能的影响。结果表明:(1)随干湿循环次数的增加,表土层和红土层裂隙发育明显,裂隙率逐渐增加后趋于稳定,过渡层和砂土层几乎没有产生裂隙;表土层在第3次循环后裂隙几乎发育完全,裂隙率达到3.50%,形态纤细且破碎,而红土层在第1次循环后裂隙骨架基本定型,随着干湿循环的进行,裂隙宽度不断增大至一定程度时不再发生变化;(2)4层土壤渗透系数大小为砂土层>过渡层>红土层>表土层,表土层和红土层渗透系数随干湿循环的进行逐渐增加后趋于稳定,过渡层一直比较稳定,砂土层逐渐减小后趋于稳定;(3)土壤裂隙率与渗透系数之间存在二次函数关系,裂隙发育对土壤渗透性能的影响先增大后减小。研究结果可为降雨入渗-重分布下崩壁失稳机理研究提供科学依据。     

秸秆生物质炭对稻田土壤剖面N2O和N2浓度的影响*

氧化亚氮（N2O）和氮气（N2）是淹水稻田土壤剖面反硝化过程的重要气态产物,可通过土水界面向大气排放,也可随水向下淋溶。秸秆生物质炭施入稻田后会改变土壤理化及微生物学性质,影响反硝化过程及N2O和N2产排。本研究依托2010年夏建立的连续秸秆生物质炭还田的稻麦轮作农田试验,通过埋设淋溶管收集土壤剖面溶液,采用气相色谱和膜进样质谱分别定量溶液中N2O和exN2（反硝化产生N2量）,观测了2018和2019年水稻季不同秸秆生物质炭施用量（CK：每季0 t·hm-2;1BC：每季2.25 t·hm-2;5BC：每季11.3 t·hm-2;10BC：每季22.5 t·hm-2）下0~1 m土壤剖面溶液中N2O和exN2浓度的时空变化,评估了长期施用秸秆生物质炭对稻田土壤剖面反硝化作用及其主要气态氮产物exN2随水流失的影响。结果表明,两个稻季CK处理N2O浓度以60 cm处较高,exN2浓度则随土壤深度增加呈降低趋势。秸秆生物质炭处理能降低剖面N2O和exN2浓度,以10BC处理最为明显。其中,N2O浓度降低以60 cm处较大,exN2浓度降低随土壤深度增加而加大。施用秸秆生物质炭对土壤剖面溶液无机氮（NO3-+NH4+）含量无明显影响,但5BC和10BC处理增加了可溶性有机碳（DOC）和溶解氧（DO）浓度以及氧化还原电位（Eh）。CK处理下土壤剖面溶液N2O和exN2浓度变化与DOC、硝态氮（NO3-）及DO有关;秸秆生物质炭处理下则主要受DO和Eh控制。exN2淋溶量（按1 m深度计算）CK处理下为2.3 ~5.5 kg·hm-2,相当于无机氮和有机氮（DON）淋溶量的32%~34%,5BC和10BC处理则降低为1.7 ~3.7 kg·hm-2和1.1~1.9 kg·hm-2,上述结果表明,反硝化产生N2随水淋溶量不容忽视,秸秆生物质炭还田可改善淹水稻田土壤剖面的通气状况,增加DO,提高Eh,进而有效减少深层反硝化及其主要气态产物exN2随水流失的风险。     

河道淤泥和堆肥蛭石混合发酵制备基质及其育苗效果

农村河道清淤产生的淤泥,体量大、有机物浓度高,处置不当会造成二次污染。现代农业的工厂化育苗需求大量的营养土,就地取土导致耕地退化。该研究利用功能微生物发酵淤泥制备育苗基质,研究不同菌株发酵基质的物理和生物学性状,基质培育西瓜苗的生长、生理参数和抗逆性能。结果表明:微生物处理均能够提升淤泥基质物理和生物学性能,同时能够提升育苗质量。其中Trichoderma harzianum T83(T83)、Bacillus amyloliquefaciens IAE(BIAE)菌株发酵基质性能最好。相较于对照处理基质的最大持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、通气孔隙度,T83处理分别增加了64.25%、52.65%、45.05%、56.11%;BIAE处理分别增加了101.17%、45.43%、61.43%、38.14%。相较于对照处理西瓜苗的株高、鲜质量、干质量、叶绿素含量、根系活力、根际真菌、细菌数量,T83处理分别增加了66.85%、52.07%、72.16%、43.13%、54.93%、110.62倍、1.63倍;BIAE处理分别增加了80.40%、57.34%、82.37%、54.88%、46.40%、67.26%、2.60倍、2.94倍。T83和BIAE处理西瓜苗叶片过氧化氢酶和超氧化物歧化酶酶活显著增加,根系丙二醛含量显著降低。真菌菌株T. harzianum T83和细菌菌株B. amyloliquefaciens IAE发酵淤泥,能够显著提升其农用品质,为淤泥高附加值化农用提供一条可行的途径。     

基于NDVI遥感反演的半干旱沙区耕地地表温度异质性研究

土地荒漠化是半干旱沙区突出的生态环境问题,土地利用是导致该区域土地荒漠化的主要原因,在荒漠化呈整体逆转、局部扩张的背景下,基于地块尺度研究半干旱沙区耕地利用特征,对进一步防治荒漠化、实现生态恢复具有重要意义。本文利用遥感反演的地表温度,分析耕地地块的地表温度特征,并分析形成该特征的原因。结果表明,耕地地表温度总体分布范围较大;在耕地地块温差方面,地块温差较大,遥感影像的行编号条带号为030/120部分的耕地地块温差在0～10 K之间,行编号条带号为030/119部分的耕地地块温差在0～11 K之间,且地块温差大的耕地面积所占比例大;耕地地块边缘的地表平均温度高于地块平均温度。科左后旗自然降水量的空间分异使得耕地地表温度范围较大。坨甸微地形导致自然降水重新分配和耕地地块存在一定高差造成耕地地块温差较大。微地形条件、土壤质量及农业管理措施共同导致了耕地地块边缘的地表温度较高。基于以上研究结果,认为在半干旱沙区进行耕地质量评价时,评价单元的确定宜采用网格法;建议对耕地地块边缘的耕地进行退耕,以进一步防治土地荒漠化和恢复生态。