培肥措施对复垦土壤微生物碳氮代谢功能多样性的影响

土壤复垦是矿区生态环境恢复和耕地总量平衡及质量提升的根本要求。本研究依托山西襄垣采煤塌陷区复垦定位试验基地,采用Biolog-ECO方法和荧光定量PCR技术,研究了不施肥（CK）、单施化肥（CF）、单施有机肥（M）和有机无机培肥（MCF）4种培肥措施下复垦4年和8年土壤微生物碳代谢功能多样性及氮代谢功能基因丰度的变化特征。结果表明,随复垦年限增加,单施有机肥较其他处理可显著提高复垦土壤微生物的总碳源利用能力;不同处理复垦土壤微生物碳源相对利用率总体表现为氨基酸类>糖类>聚合物类>羧酸类>双亲化合物类>胺类,其中单施有机肥更大程度上提高了羧酸类、氨基酸类和胺类碳源的利用率;复垦年限和培肥措施没有改变复垦土壤微生物优势度指数,但有机无机配施较其他处理可显著提高香浓指数（H′）和Pielou均匀度指数;不同处理复垦土壤氮转化功能基因丰度总体表现为amoA（AOA）> amoA（AOB）>nisS、nirK> nifH,5种功能基因丰度均为以有机无机培肥处理最高,且随复垦时间增加而增加;复垦土壤有机质含量与nirS、nirK、nifH基因丰度以及AWCD值存在显著相关性,相关系数在0.707～0.807,同时5种氮转化功能基因丰度均与玉米产量存在显著或极显著的相关性,相关系数在0.824～0.949。综上所述,单施有机肥可提高土壤有机质含量,进而增强了复垦土壤碳代谢强度,有机无机培肥则更有利于复垦土壤碳氮代谢功能多样性的提升,并促进作物产量形成。     

基于级联卷积神经网络的番茄花期识别检测方法

对作物花期状态的准确识别是温室作物执行授粉的前提。为提高花期状态识别的准确度,该研究以温室番茄为例提出了一种基于级联卷积神经网络的番茄花朵花期识别方法。首先采用改进的端到端的特征金字塔网络FS-FPN实现番茄花束的分割,然后采用Prim最小生成树对分割后的花束图片进行花期识别优先级排序,最后将已排序的分割花束图片输入改进的Yolov3网络,实现番茄花朵花期状态的精准识别。在由1600幅包含花蕾期、全开期、谢花期、初果期4类花期状态的番茄花束图像构成的数据集上,所提方法对番茄花朵花期平均检测时间为12.54 ms,平均检测精度分别比Mask R-CNN和SPP-Net提高了3.67%和2.39%,识别错误率比改进前的Yolov3网络降低了1.25%。最终将该方法部署到番茄授粉机器人上,并在大型玻璃温室内进行验证,结果表明,所提方法对番茄花朵各花期的检测精度分别为花蕾期85.71%、全开期95.46%、谢花期62.66%、初果期88.34%,该研究结果可为智能授粉机器人的精准作业提供重要依据。     

采用多元统计分析方法构建南极磷虾粉品质评价体系

南极磷虾是一种重要的战略性海洋生物资源,营养价值高,资源量大,开发利用前景广阔。为了构建南极磷虾粉品质评价体系,为南极磷虾粉品质的科学评价提供依据。通过检测15项南极磷虾粉品质指标,采用因子分析筛选品质评价指标,应用概率分布分级品质评价指标,通过层次分析确定品质评价指标权重,利用K-均值聚类分析和判别分析建立南极磷虾粉品质判别函数。结果表明：1）南极磷虾粉品质指标之间离散度有差异,变异系数在8.89%～84.46%;2）从15项指标中选择6项作为南极磷虾粉品评价指标（蛋白质、脂质、盐分、赖氨酸、生育酚、挥发性盐基氮）;3）建立了南极磷虾粉品质评价指标的分级标准和评分标准;4）建立了南极磷虾粉品质判别函数,判别率较高。该研究构建的南极磷虾粉品质评价体系为南极磷虾粉品质评价提供了科学依据,可以用于南极磷虾粉的品质定性判别和评价。     

采用全卷积神经网络与Stacking算法的湿地分类方法

高精度湿地制图对湿地生态保护与精细管理具有重要的支撑作用。针对传统湿地分类方法的精度不高和泛化能力弱等问题,提出了一种联合全卷积神经网路（fully convolutional neural network,FCN）与集成学习的湿地分类方法。首先利用全卷积神经网络（SegNet、UNet及RefineNet）对GF-6影像的语义特征进行提取与融合,然后利用Stacking集成算法对融合后的特征进行判别和分类。结果表明,联合全卷积神经网络与Stacking算法能有效提取湿地信息,总体分类精度为88.16%,Kappa系数为0.85。与联合全卷积神经网络与单一机器学习RF、SVM与kNN算法相比,该文提出的湿地分类方法在总体分类精度上分别提高了4.87%,5.31%和5.08%;与联合单一全卷积神经网络（RefineNet、SegNet、UNet）与Stacking算法下的湿地分类结果,该文提出的湿地分类方法在总体分类精度上分别提高了2.78%,4.48%与4.91%;该文方法一方面能通过卷积神经网络提取遥感影像深层的语义特征,另一方面通过集成学习根据各分类器的表征性能进行合理的选择并重组,从而提高分类精度及其泛化能力。该方法能为湿地信息提取及土地覆盖分类方法的研究提供参考。     

基于土壤微波辐射布儒斯特角反演土壤含水率

在利用被动微波遥感技术进行裸露地表土壤含水率(Soil Moisture Content,SMC)的反演中,土壤粗糙度是制约反演精度的最关键因素。该研究利用改进的积分方程模型(Advanced Integral Equation Model,AIEM)进行地表多角度微波发射率的模拟,探索地表微波辐射多角度信息用于提高地表SMC反演精度的可行性。基于不同SMC和不同粗糙度地表多角度V极化发射率数据的变化趋势提取土壤介质布儒斯特角,结果表明,土壤布儒斯特角对SMC具有较高的敏感性,C波段(6.6 GHz)不同含水率土壤的布儒斯特角分布在60°～80°范围内。基于AIEM模拟数据的分析发现,土壤布儒斯特角正切值与SMC具有较好的线性关系,线性拟合决定系数为0.94,均方根误差为0.027cm~3/cm~3,并得到了基于布儒斯特角的裸露地表SMC反演算法。基于模拟数据的算法验证结果表明,算法的SMC预测值与理论值的决定系数为0.95,均方根误差为0.024 cm~3/cm~3。算法在不同土壤粗糙度自相关函数下均表现出稳健的特性,SMC预测精度最大均方根误差为0.027 cm~3/cm~3,最小为0.023cm~3/cm~3。基于布儒斯特角的SMC反演算法利用的是多角度土壤发射率的相对变化而非其绝对数值,该研究为SMC的多角度被动微波遥感提供了一种不同的研究思路。     

透气隔水埋体对土壤水分入渗与溶质运移的影响

为分析透气隔水(弱透水)埋体促进水分入渗与溶质运移功效,开展了不同容重(1.40,1.45,1.50,1.60 g/cm~3)透气隔水(弱透水)埋体的一维垂直土柱入渗试验,分析了不同容重的透气隔水(弱透水)埋体对土壤水分入渗与溶质分布的影响。结果表明,透气隔水(弱透水)埋体能够增加土壤累积入渗量,推动湿润锋运移,在一定范围内,随着透气隔水(弱透水)埋体容重增加,湿润锋推进速度与土壤入渗率均增加。600 min时,土壤累积入渗量相对增加7.42%～29.17%,湿润锋深度达到27 cm,入渗时间相对减少26.97%～64.27%。相比于对照组,不同容重的透气隔水(弱透水)埋体均能降低溶质向深层土壤迁移数量。Philip模型和代数模型均能描述透气隔水(弱透水)埋体土壤水分入渗过程,且Philip模型中吸渗率S和代数模型中综合形状系数α均与透气隔水(弱透水)埋体内外容重比呈正相关关系。研究结果表明透气隔水(弱透水)埋体能够通过改变上层土壤吸力分布提高水分入渗能力与溶质传输效率,实现对城市雨水径流调控和净化。     

连续秸秆–紫云英协同还田对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响

  【目的】  水稻秸秆和紫云英是稻田系统重要的原位有机肥源,明确长期连续秸秆–紫云英协同还田后水稻增产趋势、养分积累和土壤肥力变化特征,以便对秸秆和绿肥资源进行综合利用。  【方法】  本试验为3年连续大田试验 (2016―2018年),以双季稻为研究对象,设置3个处理:1）早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 (CK);2）早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英,即秸秆单独还田 (T1);3）早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 (T2)。各处理均施用等量化肥。  【结果】  相对于对照,连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田周年轮作下水稻产量分别增加1.93%～9.15%和1.34%～12.48%,且连续秸秆–紫云英协同还田周年增产效果随着试验年份的增加而增加。不同年份间水稻产量变异系数和可持续性指数分析表明,连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田均有利于双季稻持续性高产稳产,其中秸秆–紫云英协同还田效果优于秸秆单独还田。连续3年6季还田后,秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田对水稻产量的贡献率分别为6.92%和11.10%,其中秸秆–紫云英协同还田处理比秸秆单独还田处理高76.47%。与产量变化趋势一致,连续秸秆–紫云英协同还田不仅有利于早稻氮、磷、钾养分积累,对晚稻养分积累也有一定的后效作用。与试验初始土壤养分含量相比,2018年晚稻收获后,对照土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别降低了9.03%、11.11%、3.87%和10.57%。而相对于对照,连续秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了20.51%、25.00%、24.16%和20.37%;相对于秸秆单独还田处理有机碳、全氮和有效磷含量分别增加了2.73%、7.14%和14.19%。  【结论】  在双季稻轮作系统中,连续秸秆–紫云英协同还田有利于早稻和晚稻获得高产和稳产,同时增加早稻氮、磷、钾养分积累,提高土壤有机碳、全氮和有效磷含量,是综合利用秸秆和绿肥资源较好的方式。     

揉碎玉米秸秆螺旋-气力耦合输送装置设计

为解决揉碎玉米秸秆螺旋输送过程中的生产率低、功耗大、易堵塞及机件磨损严重等问题,该文设计了一种螺旋-气力耦合输送装置,并以揉碎玉米秸秆为原料开展了试验研究。螺旋-气力耦合输送装置主要由螺旋输送装置和气力辅助输送系统组成。其中气力辅助输送系统主要由喷射角度可调的Y型喷嘴座、喷嘴、最大出气压力为1.6 MPa的空气压缩机、直径为10 mm的PPR(polypropylene random)管和15°弯管及压力表等组成。螺旋输送装置主要由机壳、螺旋叶片和中心轴等组成,其关键参数为:螺旋叶片外径为250 mm,中心轴直径为60 mm,螺距为335 mm,螺旋槽用U型机壳。以比功耗、轴向推力、螺旋叶片及机壳各部位所受压力作为输送性能指标,对施加气流前后各部位所受压力进行测试。结果表明,当螺距为335 mm、螺旋轴转速为100 r/min、喂入量为70 kg/min、气流速度为10～50 m/s时,随着气流速度的增大,输送装置的比功耗先减小后增大。当气流速度为20 m/s时比功耗最小,为10.78 W/kg,比无气流时的比功耗减小了8.3%,轴向推力、叶片和机壳各部位所受压力随着气流速度的增大而减小,且均小于不加气流时的值。     

种植方式对水稻产量及根系性状的影响

2011—2012年在湖南长沙以超级杂交稻Y两优1号、杂交稻汕优63和常规稻黄华占为材料的大田定位试验,比较了垄作梯式栽培技术(两种垄规格)和垄厢栽培技术(3种厢规格)对水稻产量和根系性状的影响。与平作栽培(T0)相比,窄垄作梯式栽培(T1)和垄厢栽培(T3)均可提高水稻产量,其中以T1的产量最高,比T0平均增产22.2%(17.1%～27.2%),其次T3平均增产10.4%(5.8%～15.0%),但随着垄宽或厢宽的增加,产量增幅逐渐下降。较高的穗数和每穗粒数、良好的根系特性(根系氧化力、根表面吸收面积、根系孔隙度)以及齐穗后干物质积累量大是上述两种栽培技术增产的重要原因。同时,根解剖结构表明垄作梯式栽培的根皮层减小、中柱和导管面积增大,增强了水分吸收能力。     

基于不同空间插值的污染场地土壤锑修复范围预测研究

以污染场地土壤锑超标地层为研究对象,结合土壤每层锑含量的分布特点,分析和比较了克里格插值模型(OK、UK)、反距离插值(IDW)、泰森多边形(TIN)和分区预测模型(OK+TIN)对不同深度土壤锑修复范围及预测精度的差异。结果表明：各方法确定的0～1 m地层修复面积大小顺序为IDW>OK=UK> TIN>OK+TIN,修复面积依次为74 154、57 427、37 338、32 707 m²;各方法确定的1～3.8 m地层修复面积大小顺序为IDW>UK>TIN>OK+TIN>OK,修复面积依次为13 089、11 030、9 660、2 183、1 231 m²,克里格插值带来的平滑作用导致超标范围的遗漏和未超标区域纳入修复范围。在受成本和污染物空间分布制约的情况下,TIN方法从几何原理的角度可以较为准确地反映不同深度土壤锑的修复范围;克里格插值(包括OK+TIN方法)和反距离插值受数据分布假设的约束,平滑效应明显,估计精度受限。