摘要: 科学测度耕地多功能权衡与协同关系对于量化和表征耕地隐性形态具有重要意义,可为构建土地利用绿色转型调控路径、揭示人地关系演化过程提供科学依据。该研究以黄河流域(河南段)为研究区域,利用1990-2020年时间序列社会经济发展数据,从耕地的生产、社会、生态以及文化功能4个维度系统构建耕地多功能评价指标体系及土地系统功能权衡度(Land system Function Trade-off Degree)模型,测算黄河流域(河南段)耕地多功能指数,解析耕地多功能之间权衡与协同关系时序演化特征,以此揭示耕地利用隐性形态的演变规律。结果表明:1)1990-2020年间黄河流域(河南段)耕地的生产、社会、生态和文化功能均呈增长态势,且生产与文化功能增长较为突出。2)按照功能层次性,将1990-2020年间耕地多功能的变化划分为六个阶段。在1990-2010年的前四个阶段中以生产与生态功能为主,在2010-2020年的后两个阶段中以生产与文化功能为主,并且功能间作用关系较为复杂。3)1990-2020年间,耕地生产、社会、生态和文化功能间相互作用关系呈现"权衡为主导-权衡协同持平-权衡为主导"的演化特征,黄河流域(河南段)耕地功能于2010年后呈现显著转型特征。4)耕地转型影响因素关联性随时间变化而不同。1990-2020年影响因素关联性变化显示:城镇化率、农业机械总动力、粮食总产量、第三产业占比是显著影响因素。耕地隐性形态变化可深层次显化耕地利用转型,为耕地可持续利用提供参考。
摘要: 农田表面温度是土壤、作物和大气之间进行水/热交换传输的重要参数,也是灌区遥感反演模型的重要参量。在利用热红外传感器连续获取农田表面温度数据时,由于作物的生长发育处于动态变化中,农田表面温度数据往往混合了作物冠层温度和土壤表面温度。为精准甄别和区分田间海量监测数据,该研究结合Logistic作物生长模型,通过考虑作物生长状态指标叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)和作物冠层高度及其关键节点,构建了农田表面温度监测数据的甄别算法。以内蒙古永济试验站玉米和向日葵实测数据对算法进行验证,并利用解放闸灌域和吉林省长春试验站的玉米和向日葵田间观测数据进行校核。结果表明:考虑LAI和作物冠层高度并利用Logistic模型模拟的关键节点来建立甄别算法,能够为农田稀疏植被表面温度数据甄别提供高效判定。与人工测量值对比,冠层温度优化幅度在10%左右(相对误差),土壤表面温度优化幅度超过5%;甄别方法可以明显提升冠层和土壤表面温度的获取精度。甄别算法中校正因子数值需根据作物种植密度及LAI确定,其中玉米校正因子选择作物冠层温度校正因子0.9,土壤表面温度校正因子1.1;向日葵校正因子以叶面积指数最大值4为基础,选取冠层温度校正因子0.7,土壤表面温度校正因子1.2;在不同地区应用时,向日葵叶面积指数最大值每增加1,推荐冠层温度校正因子调高0.35,土壤表面温度校正因子调低0.18。研究结果为精量灌溉提供技术支撑,提高了农田监测数据的性能,为无人机遥感和卫星遥感数据的精量甄别提供算法和验证。
摘要: 绿色高效杀线农药是现阶段防治植物线虫病的有效手段之一,针对在大规模杀线农药活性筛选测试阶段,传统人工镜检工作存在耗时长、准确率低、工作量大等问题,提出一种基于坐标注意力机制与高效边界框回归损失的线虫快速识别方法YOLOFN(YOLO for Nematodes)。基于YOLOv5s目标检测理论框架,在主干网络嵌入坐标注意力机制特征提取模块,融合线虫特征图位置信息于通道注意力中;进一步,平衡考量线虫目标的重叠比例、中心点距离、预测框宽高以及正负样本比例,以精确边界框回归的高效损失函数(Efficient IoU,EIoU)和焦点损失函数(Focal loss)优化定位损失函数和分类损失函数,最小化真实框与预测框的宽高差值,动态降低易区分样本的权重,快速聚焦有益训练样本,以提升模型对重叠黏连线虫目标的解析能力和回归精度。试验结果表明,YOLOFN在准确率、召回率和平均精度均值(mean Average Precision,mAP)性能指标上较改进前提高了0.2、4.4和3.8个百分点,与经典检测算法YOLOv3、SSD、Faster R-CNN3相比,mAP分别提高了1.1、31.7和15.1个百分点;与轻量化主干算法深度可分离卷积-YOLOv5、Mobilenetv2-YOLOv5、GhostNet-YOLOv5相比,在推理时间基本无差别情况下,mAP分别高出11、16.3和15个百分点。YOLOFN模型可快速、准确、高效完成线虫镜检统计工作,满足植物线虫病农药研发的实际需求,为加快植物线虫病防治新药的研制提供有力技术支持。
摘要: 渍害是长江中下游地区影响小麦生长发育的一种主要农业气象灾害,针对目前渍害评估方法中考虑致灾因子不全面和没有考虑作物耐渍性生育期差异等问题,本文提出了以整个生育期受渍指数代表小麦受渍程度的特征模型。该模型综合考虑了土壤低氧对根系影响和不同生育期内小麦耐渍性差异,并将2016年至2022年SMAP(Soil Moisture Active Passive)土壤表层含水量产品数据代入模型中计算了长江中下游地区各栅格点(10km*10km)受渍指数值,将受渍指数大于0.005代表受渍区域,得到了长江中下游地区受渍率空间分布,并依据受渍率大小进行分区。结果表明:湖北省、安徽省、江苏省小麦发生渍害地区主要集中在长江沿线,即各省南部,主要以中风险区为主风险区为主;湖南省、江西省小麦发生渍害高风险区主要集中在各省的中部,两省几乎所有区域都在中风险区域范围内。长江中下游地区全域无渍害区面积占28.1%,低风险区占8.9%,中风险区占34.4%,高风险区占28.6%。
摘要: 如何获取到高质量的特征是从遥感影像中提取高精度的农作物空间分布的关键,该研究针对如何利用哨兵2A(Sentinel-2A)影像提取高精度的冬小麦空间分布开展研究。针对影像中存在的数据空间尺度不一致的问题,以生成式对抗网络为基础建立了降尺度模型REDS(Red Edge Down Scale),用于将B5、B6、B7、B11 4个通道的空间分辨率从20 m降为10 m;然后利用卷积神经网络构建了逐像素分割模型REVINet(Red Edge and Vegetation Index Feature Network),REVINet以10m分辨率的B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B11,以及提取出的增强植被指数、归一化植被指数和归一化差值红边指数组合作为输入,进行逐像素分类。选择ERFNet、U-Net和RefineNet作为对比模型同REVINet开展对比试验,试验结果表明,该研究提出的方法在召回率(92.15%)、查准率(93.74%)、准确率(93.09%)和F1分数(92.94%)上均优于对比方法,表明了该研究在从Sentinel-2A中提取冬小麦空间分布方面具有明显的优势。
摘要: 旨在为探究采用高光谱技术反演冻结状态土壤水溶性盐基离子含量的可行性,该研究针对河套灌区盐渍化土壤,测定土壤在冻结与未冻结状态下的光谱和主要水溶性盐基离子含量(HCO3-、Cl-、CO32-、SO42-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+),光谱经标准正态变量变换(Standard Normal Variable,SNV)和变量投影重要性法(Variable Importance in Projection,VIP)筛选出敏感波段后,采用偏最小二乘回归法(Partial Least Squares Regression,PLSR)、支持向量机回归法(Support Vector Regression,SVR)和极限学习机法(Extreme Learning Machine,ELM)构建基于特征光谱的土壤离子含量高光谱反演模型,并对比冻结与未冻结状态反演模型的精度。结果表明:在冻结状态下,不同离子的反演精度存在很大差异,其中Cl-和K+的预测精度极高(相对分析误差大于2.5),SO42-、Ca2+和Na+预测精度较好(相对分析误差在2.0~2.5之间),其余离子预测效果较差;3种回归方法中,ELM模型精度最高,SVM模型次之,PLSR模型最低。冻结和未冻结状态下离子的最优反演模型相同,但冻结状态下Cl-、SO42-、K+和Na+反演精度比未冻结状态高,而Ca2+和Mg2+反演精度比未冻结状态低且Mg2+的反演精度差别最大。各离子最优反演模型与未冻结状态下的相对分析误差相比变化为-34.45%~24.43%。该研究构建的VIP-ELM模型为季节性冻土区盐渍化土壤盐基离子的高光谱监测提供了一种可靠途径。
摘要: 流域土壤侵蚀预测对于了解未来土壤侵蚀发展趋势,制定未来水土保持治理策略具有重要意义。为了提出一种适用于黄土高原地区的易于评估未来不同土地利用管理策略的土壤侵蚀预测方法,本研究基于地形、降雨、土壤、遥感影像数据,完成韭园沟流域2010—2020年的土地利用空间分布解译,并计算历史时期(2010-2020)的土壤侵蚀模数,基于FLUS模型完成流域2025年土地利用分布状况预测,以此为基础获得未来植被覆盖措施因子B和耕作措施因子T,结合CSLE模型预测2025年自然发展、经济增长、生态保护3种不同土地利用变化情景下土壤侵蚀状况。结果表明:1)韭园沟流域土地利用类型主要为草地(面积占比62.23%)和林地(28.41%),其次是耕地、建筑物和水体,在2010—2020年期间土地利用空间分布格局经历了较大变化,林、草地面积增加8.36%,耕地面积减少30.3%。2)流域2010、2015、2020年这3 a间土壤侵蚀模数平均值分别为19.49、15.83、20.7 t hm-2 yr–1,整体呈现先降低后增加的趋势,不同土地利用类型的土壤侵蚀模数由大到小为耕地(40.56 t hm-2 yr–1)、草地(18.79 t hm-2 yr–1)、建设用地(10.25 t hm-2 yr–1)、林地(8.02 t hm-2 yr–1)。3)在积极的生态保护情景下,2025年林、草地面积相比自然发展和经济增长情景分别增加1.63%、5.06%,耕地面积相比自然发展和经济发展分别减少1.2%、14.73%。4)2025年流域自然发展、经济增长、生态保护情景下土壤侵蚀模数分别为24.3、22.9、18.3 t hm-2 yr–1。采取积极的生态保护情景发展模式,建设用地面积适度扩张可以兼顾生态保护和经济发展的需要。该研究为流域未来的土地利用规划以及水土保持治理提供了参考,同时提供了一种快速、高效的不同土地利用情景土壤侵蚀预测方法。
摘要: 土壤盐渍化是干旱灌区农业可持续发展亟待解决的关键问题,膜下滴灌加适宜的节水控盐灌溉制度可有效控制根区土壤盐分,并提升作物产量。该研究以河套灌区玉米膜下滴灌田间试验为基础,应用农业水文过程模型(Agro-Hydrological & Chemical and Crop systems simulator, AHC)模拟分析了膜下滴灌农田土壤盐分胁迫和玉米产量对不同灌溉制度的响应,以期获得不同程度盐渍化土壤膜下滴灌玉米适宜的节水控盐灌溉制度。结果表明,轻度盐渍化土壤灌水下限为-20 kPa时,与不淋盐处理相比,淋盐处理平均盐分胁迫系数可提高12.4%,产量可提高16.9%,水分利用效率提高2.2%;中度盐渍化土壤灌水下限为-15 kPa时,与不淋盐处理相比,淋盐处理平均盐分胁迫系数可提高31.1%,产量可提高25.2%;重度盐渍化土壤灌水下限为-10 kPa时,与不淋盐处理相比,淋盐处理平均盐分胁迫系数提高74.1%,产量可提高50.2%。轻、中、重度三种盐渍化土壤,玉米膜下滴灌适宜节水控盐的灌水下限分别为-20 kPa、-15 kPa和-10 kPa,次灌水量为对应灌水下限无淋盐处理的灌水量与淋盐水量之和。研究为河套灌区及类似干旱灌区玉米农田土壤水盐调控与灌溉管理提供科学依据。
摘要: Hot air assisted radio frequency (RF-HA) drying with multistage tempering was applied for post-harvest treatment of rough rice. The effects of RF-HA drying were explored about various parameters such as electrode gap (100 mm, 110 mm, 120 mm), drying temperature (50°C, 55°C, 60°C) and air velocity (0.5 m/s, 1.5 m/s, 2.5 m/s) along with hot air (HA) drying on milled rice quality. In this study, optimal HA-RF drying condition was recorded at electrode gap of 110 mm, temperature of 60°C and hot air velocity of 2.5 m/s. After milling, the head rice yield (HRY), broken percentage, chalkiness, length to width (L/W) radio, percentage of unsound kernels, fatty acid content and degree of freshness were estimated. Results indicated that RF assistance significantly enhanced HRY and degree of freshness while reducing the broken percentage by up to 16.21%, 36.48% and 42.24% respectively, as compared to HA drying. Yellowness, length to width ratio and fatty acid content of RF-HA and HA dried samples were statistically no significant, while chalkiness of RF-HA dried rice was slightly higher than HA dried samples. The research findings are critical for application of RF-HA drying on industrial scale to improve the quality of milled rice.
摘要: 生态沟渠是中国南方地区农业面源重要拦截磷污染的措施,受生态沟渠自身特征和环境因子影响,不同研究中生态沟渠对磷的去除效率差异较大。通过文献检索平台CNKI和Web of Science,收集研究磷在生态沟渠迁移转化过程的文献,经过筛选后,建立生态沟渠磷迁移数据库,共包含334项数据,通过统计分析系得到生态沟渠对TP的平均去除效率为47.16%。基于Mann-Whitney U检验和K-W检验方法,分析不同因素(植被类型、沟渠材质类型、强化措施、气候温度、水力停留时间)对生态沟渠TP去除效率的影响。研究结果表明:不同植被类型中,多种人工植被的生态沟渠去除效果最好,其TP平均去除效率为53.93%;不同沟渠材质中,边坡半衬砌的生态沟渠的TP平均去除效率为58.22%,效果最佳;不同强化措施类型中,基质类更有助于提高生态沟渠对TP的去除效果,其去除平均去除效率达到53.53%;不同气候温度区间中,温度在>25~35℃时生态沟渠对TP去除效率最高,平均值为57.18%;不同水力停留时间条件下,超过24h时生态沟渠对TP的平均去除效率最佳,达到72.12%。该研究成果可为中国南方生态沟渠磷拦截效应评估、沟渠设计提供技术支撑。
摘要: 在作为中国“一带一路”倡议的先试区和重点区的中巴经济走廊,极端降水事件是导致洪涝灾害频发的主要原因,因此有必要开展极端降水事件研究,促进其有效风险管理,进而推动中国“一带一路”战略的顺利开展。该研究利用中巴经济走廊0.25°×0.25°的逐日降水数据集从强度、面积、持续时间3个方面进行极端降水事件的识别,通过强度-面积-持续时间(Intensity-Area-Duration,IAD)包络线分析三维特征的相关关系,分析中巴经济走廊多年以来极端降水的变化趋势。结果表明:1)1961—2013年间,中巴经济走廊年降水量呈现波动上升趋势;2)根据极端降水三维特征利用 IAD 聚类模型识别历史时期极端降水事件,发现2—4 月、7—8 月的旱雨季是极端降水事件的高发期,一年内极端降水事件频次出现明显的双峰值现象。同时极端降水事件逐年呈现波动增加趋势,但是增加趋势不显著;3)持续 1 d 极端降水事件单次影响面积呈现明显的上升趋势,其余事件处在波动状态,趋势不明显,极端事件影响的范围随时间推移在进一步扩大;4)随着时间的推移,持续 1 d 极端降水事件相对强度有明显的增加趋势,持续 3 d 事件也在增加但不明显,持续 5 d 和7 d 事件无显著趋势,呈波动变化,总体上极端降水事件强度增加。
摘要: 小麦条锈病和小麦黄矮病是严重威胁小麦生产的重大病害,病害的早期识别对病害防控具有重要意义。现有病害识别模型对相似表型症状识别困难,对早期病害的识别准确度低。为此,本研究构建了一种改进的快速区域卷积神经网络(Faster Regions with CNN Features,Faster-RCNN)的病害识别方法。该方法采用卷积核拆解和下采样延迟策略优化了深度残差网络(Deep Residual Neural Network,ResNet-50),用优化后的ResNet-50作为主干特征提取网络以增强所提取特征的表达力,同时简化模型的参数;并采用ROI (Region of Interest)Align改进ROI迟化层以降低特征量化误差,提升识别的精度。在自建的涵盖200余种不同发病时期、不同抗感性的小麦叶部图像数据集上进行试验,结果表明:改进的Faster-RCNN识别方法比其他SSD (Single Shot Multi-Box Detector)、YOLO(You Only Look Once)和Faster-RCNN网络模型的平均精度均值(mean Average Precision,mAP)分别提升了9.26%、7.64%和14.97%。对小麦条锈病、小麦黄矮病、健康小麦和其他黄化症状小麦识别的平均mAP可达98.74%;对小麦条锈病和小麦黄矮病轻、重症识别的平均mAP可达91.06%。同时,模型损失函数值降低最快,整体性能表现最优。进一步开发小麦病害智能识别系统部署研究模型,使用微信小程序进行田间小麦病害的识别。在最大并发100的条件下,小程序平均返回时延为5.024秒,识别返回成功率为97.85%,对两种小麦病害及其细分轻重症识别的平均准确率为93.56%,能够有效满足实际应用需求,可用于指导病害的科学防控。