应用纹理分析方法在线监测苹果冻干含水率

在果蔬真空冷冻干燥过程中对果蔬物料含水率进行实时监测,可为冻干过程监控和优化提供依据。该文研究以冻干果蔬物料含水分图像纹理分析为技术手段,实现连续表达干燥过程中物料的含水率。试材选用苹果,采用环形光源和高速CCD组件,在冻干仓窗外分别采集原始苹果样本MA和经CuSO4溶液染色的苹果样本MB在一个完整冻干周期中表面含水纹理变化的动态图像,运用主成分分析法对图像均值等6个含水纹理特征指标进行统计分析,并对原始样本纹理特征的第一主分量与其含水率W1、染色样本含水纹理特征的第一主分量与其含水率W2、W1和W2分别进行非线性回归分析。结果表明,模型的决定系数达到0.9376、0.9289和0.9930,且显著性检验概率均<0.0001,模型检验极显著。同时,模型相对误差基本<3%。因此,由果蔬物料含水图像的纹理特征可实现含水率的在线监测。该方法不但为真空冷冻干燥加工过程控制探索一种利用水分图像处理方法进行水分在线监测的新方法,而且也可在其他干燥加工水分监测及过程控制中应用。     

覆膜和露地旱作春玉米生长与蒸散动态比较

利用土壤水分传感器、微型蒸渗仪与涡度相关系统,连续监测覆膜和露地春玉米田土壤水分、蒸发和农田蒸散,分析春玉米田蒸散与土壤蒸发变化规律,探讨了覆膜玉米高产节水增效的机理。结果表明:与露地相比,覆膜的表层土壤温度和体积含水率分别提高4.9%和19.5%。覆膜、露地处理玉米出苗率分别为99.0%和80.0%,其差异为显著水平,覆膜提早春玉米各生育阶段平均为7d,全生育期缩短11d。生育前期、中期,覆膜的叶面积指数、株高和地上、地下干物质均显著高于露地的,播种一个月后差异最大,分别高110.2%、13.5%、42.9%和12.7%。玉米拔节期前(6月前)和8月后至玉米成熟,覆膜的农田蒸散量分别比露地的低6.8%和0.4%,但6-8月覆膜的比露地的高5.1%。全生育期覆膜的农田蒸散量为376.2mm,降低了6.0%,且土壤蒸发降低了57.7%。最终单株平均果穗质量、生物量差异不显著。但是,由于覆膜显著提高了出苗率从而增加了单位面积生物产量和经济产量,增幅分别为23.7%和15.3%。同时,覆膜作物水分利用效率提高了22.6%,达到31.3kg/(hm2·mm)。可见,覆膜能显著降低土壤蒸发和农田总蒸散量;保水增温促出苗,提前玉米各生育期;生育中期日蒸散量和干物质积累速率较高;最终显著提高单位面积生物产量和经济产量以及作物水分利用效率。     

覆膜抑制土壤呼吸提高旱作春玉米产量

为从农田碳通量角度揭示地膜覆盖种植方式的增产增效机理,于2011年在山西寿阳旱作农业野外试验站对覆膜和露地春玉米田,进行了表层土壤温湿度、土壤呼吸和净碳交换规律及作物生长发育规律的研究和分析。结果表明:与露地处理相比较,覆膜处理全生育期表层土壤含水率提高了18.7%,前期可平均提高表层土壤温度1.67℃。覆膜和露地处理土壤呼吸变化规律总体一致,但前者的温度敏感系数Q10比后者低,且中后期前者排放的碳仅为后者的61.7%,说明采用覆盖地膜种植方式有利于农田土壤碳管理。前期和中期覆膜处理绿叶面积指数比露地处理平均高0.81 m2/m2,后期覆膜处理衰老较快,收获时比露地处理低1.00 m2/m2;露地处理在前期和中期日均净碳通量平均比覆膜处理大0.04 mg/(m2·s),而后期仅小0.02 mg/(m2·s),这是造成2处理最终生物产量和经济产量差异的根本原因。在地上干物质积累和地下干物质积累方面,覆膜处理始终比露地处理高,收获时差值分别为269.7和38.6 g/m2。露地处理每公顷少收春玉米籽粒1 348 kg。由此可见,覆膜种植可提高表层土壤温湿度,促进作物生长发育,抑制土壤呼吸,促进碳积累,增加农民收入的同时更有利于土壤碳管理。     

基于光谱特征空间的农田植被区土壤湿度遥感监测

土壤湿度遥感动态监测在农业生产中具有重要作用。近年来,多种基于光谱特征空间的土壤水分监测指数被陆续提出,并得到广泛关注和应用,但当前多数监测指数未考虑混合像元的影响。该文针对垂直干旱指数(perpendicular drought index,PDI)在农田植被覆盖区监测精度降低问题,分析了植被覆盖下的PDI误差分布规律,引入垂直植被指数(perpendicular vegetation index,PVI)作为植被覆盖表征量,在PVI-PDI二维空间对PDI模型进行调整,提出了适于植被覆盖的植被调整垂直干旱指数(vegetation adjusted perpendicular drought index,VAPDI),并利用内蒙古明安镇研究区实测土壤湿度数据,对PDI与VAPDI进行了比较和验证。结果表明,在裸土、麦茬、土豆、豇豆4种植被覆盖类型中,PDI与土壤实测含水率的决定系数分别为0.630、0.504、0.571、0.543,VAPDI与土壤实测含水率的决定系数分别为0.599、0.523、0.602、0.585。VAPDI在植被区的误差略小于PDI,一定程度上克服了植被覆盖对监测精度的影响。通过PDI和VAPDI空间分布图的比较也说明,VAPDI对土壤湿度的差别有更好的区分能力,在中尺度土壤表层水分遥感反演方面具有一定的优势。该研究可为农田土壤湿度遥感监测方法选择及监测误差分析提供参考依据。     

基于电阻抗成像的植物单根断层图像重建

为了实现植物根系结构形态的原位检测,植物根系单根的断层图像重建研究非常必要。该文应用动态电阻抗成像技术对土壤-树根模拟系统进行了图像重建,对重建图像进行二值化处理并求出树根在该系统中的位置坐标、面积和形状,并以树根的位置坐标、面积及形状的相对偏差为指标,分析了图像重建算法、土壤含水率2个因素对成像质量的影响。结果表明：电阻抗成像技术能够实现树木单根断层图像重建;将重建图像进行二值化处理,所得图像更加直观,便于定量评价成像质量;基于Newton单步残差正则化的一步牛顿误差重构（Newton's one-step error reconsruction,NOSER）算法,比基于全变差正则化的主双-内点模式（primal dual-interior point method,PD-IPM）算法的成像质量好;土壤含水率越高成像质量越好。该研究为基于电阻抗成像技术的植物根系结构形态的图像重建提供参考。     

旱地全膜覆土穴播和全沙覆盖平作对小麦田土壤水分和产量的调节机理

以春小麦品种‘陇春27’为试材,采用田间试验法,以裸地平作为对照,研究半干旱区旱地全膜覆土穴播和全沙覆盖平作对小麦田土壤水分和产量的调节作用。结果表明:与裸地平作(CK)相比,全膜覆土穴播(PM)和全沙覆盖平作(SM)小麦田0~40 cm土壤水分条件明显改善,尤其在干旱年份,能满足小麦前期生长,同时促进小麦出苗后对0~200 cm土壤水分的利用;种植第1年PM在60~80 cm土层耗水量最大,SM和CK在40~60 cm土层耗水量最大;种植第2年PM以120~180 cm土层耗水量最多,SM和CK则以60~80 cm土层耗水量最多。连续种植两年后,PM耗水深度从120 cm延伸到200 cm,SM耗水深度从120 cm延伸到140 cm,CK耗水深度无变化;小麦田休闲效率PM最大,SM次之,CK最小,但是各处理休闲效率随种植年限增加而降低。可见,PM和SM能改善小麦前期生长水分环境,促进出苗后耗水,并加快小麦对土壤深层水分的利用,因而与CK相比,PM产量增加48.77%~815.79%,SM产量增加49.41%~702.24%。但随种植年限增加,耗水深度加大,休闲效率降低,多年种植可能对土壤水分生态产生不利影响。     

不同种植方式对红壤旱地土壤水分及抗旱能力的影响

通过3年田间小区试验,研究不同种植方式对红壤旱地土壤水分及抗旱能力的影响.结果表明：1）与种植花生相比,种植苎麻可显著提高土壤有机质质量分数（28.44％）、田间持水量（10.06％）和总孔隙度（5.65％）,土壤密度则显著降低7.20％;2）监测期内,花生地各层土壤以及整个0～ 100 cm土体水分变异系数普遍高于苎麻地,苎麻地0 ～ 100 cm土体水分的时间稳定性和空间协调性优于花生地;3）苎麻地0～ 40 cm土壤较花生地延长抗旱时间7d以上,但随着土层的加深,差异越来越小;4）红壤坡耕地种植苎麻有利于提高红壤旱地土壤抗旱能力,特别是中、上层土壤.从扩充土壤水库的角度考虑,红壤旱地种植苎麻优于种植花生,该研究结果可为挖掘红壤区深层土壤水分提供参考.     

晋西黄土丘陵区不同植物群落的土壤分形特征

为研究晋西黄土丘陵区不同植物群落与土壤结构特性和入渗特性的关系,探索土壤结构的定量化描述,运用分形学原理和方法,研究晋西黄土丘陵区油松纯林、刺槐纯林、油松＋刺槐混交林、侧柏纯林、黄刺玫灌丛、柠条灌丛及荒地7种植物群落的土壤分形维数与土壤质地、密度、孔隙度、含水量及饱和导水率的关系.结果表明：1）植物群落具有改善土壤颗粒结构的作用,其改善作用以针阔混交林（油松＋刺槐混交林）最好,阔叶林（刺槐纯林、黄刺玫纯林）次之,针叶林（油松纯林、侧柏纯林）最低.2）研究区土壤颗粒分形维数在2.799 ～ 2.805之间,黏粒（＜0.002mm）质量分数偏高.3）土壤颗粒分形维数与土壤黏粒质量分数呈显著正相关关系,与土壤砂粒（2.00～0.02 mm）质量分数、土壤总孔隙度、含水量及饱和导水率呈显著负相关关系.因此,土壤颗粒分形维数可以表征土壤结构特性和入渗特性的好坏.不同的植物群落对土壤的改良效果不同,研究结果可为研究区域植树造林提供参考依据.     

体积置换法直接测量土壤质量含水率及土壤容重

土壤含水率直接测量是相关研究和应用的基础,在土壤力学、作物栽培、农田灌溉、生态环境等研究和实践中十分重要。该文提出了一种与传统烘干称质量法相当的体积置换法直接测量土壤质量含水率及土壤容重。该方法在假设一定土壤颗粒密度的前提下,用一定体积的标准取样环刀取得土样后,通过向待测量土体补充水分使土壤达到饱和,用一定体积的水置换土壤中的充气空隙,直到土样达到饱和状态;再通过测量得到的初始/原始土样质量、饱和后土壤的质量以及已知土壤颗粒密度和水密度,计算得到被置换的充气空隙的体积,进而由此计算得到土壤质量含水率和土壤容重。采用3种不同土壤,即陕西杨凌黏黄土、北京粉壤土和江西黏红土,分别预配制成7种不同初始土壤体积含水率,含水率约为:风干土(含水率2%～3%)、5%、10%、15%、25%、30%和饱和含水率,以及3种不同土壤容重:1.25、1.35和1.45g/cm3进行室内试验。用类似的土样,采用传统方法烘干土样8、12、24、48h后,测量确定土壤的质量含水率,通过延长烘干时间测得数据表明,传统方法烘干8h所测得的质量含水率仍有1%～3.2%的含水率误差。最终试验结果表明体积置换方法测得的土壤含水率比传统烘干土样8h所测得的结果大2%～3%,比烘干土样48h所测得的结果大1%左右。体积置换方法测量操作过程简单,耗时较少,节约能源,测量结果具有较高精度。     

黑河中游绿洲不同景观单元表层土壤水分空间变异性

了解黑河中游绿洲生态系统表层土壤水分空间分布规律可为绿洲生态系统水资源合理分配与利用提供参考。使用地统计学方法分析黑河中游绿洲8—10月戈壁、林地、农地3种典型景观单元表层土壤水分空间变异特征。结果表明：1）3种景观单元土壤含水量从8—10月有下降趋势,呈中等变异特征且土壤水分相对变异（变异系数）一般在干燥时较大,绝对变异（标准差）在湿润时较大;2）表层土壤水分具有明显空间结构及季节变化特征,呈明显斑块状分布,最优拟合模型均为指数模型;土壤水分基台值和变程的变化大致与土壤平均含水量的变化呈相同趋势,具有中等和强烈的空间相关性,且10月份的土壤水分空间自相关性明显大于8和9月,相似性质斑块空间尺度有缩小趋势;3）在黑河中游绿洲区景观类型、土壤平均含水量、土壤、地貌、气候条件及人为管理等因素是造成黑河中游荒漠绿洲区表层土壤水分呈现时间和空间上明显差异的主导因素,其中平均含水量起的主导作用是持续存在的。