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夏玉米农田生态系统碳源汇特征及其气候影响

生态学杂志 2024年

作者：彭记永张溪荷王冰余卫东中国气象局郑州农业气象野外科学试验基地中国气象局.河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室河南省郑州农业气象野外科学观测研究站河南省气象科学研究所济源市气象局安阳国家气候观象台

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，玉米作为我国种植面积和产量最大的粮食作物，在气候变化背景下，准确评价夏玉米农田生态系统的碳源汇特征，对提高农田生态系统固碳能力具有重要意义。利用1991—2022年郑州国家基本气象站... 详细信息

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，玉米作为我国种植面积和产量最大的粮食作物，在气候变化背景下，准确评价夏玉米农田生态系统的碳源汇特征，对提高农田生态系统固碳能力具有重要意义。利用1991—2022年郑州国家基本气象站气象数据和2008—2022年郑州农业气象试验站夏玉米农田生态系统CO2通量数据、气象观测数据及夏玉米生物量和产量数据，分析了郑州站气候变化特征以及夏玉米农田生态系统CO2通量变化规律，明确了夏玉米农田生态系统碳源汇特征。结果表明：夏玉米农田生态系统CO2通量具有明显的日变化和季节变化特征，除6月份为碳源外，7—9月份均为碳汇。不同气候年型下，夏玉米农田生态系统碳通量具有一定的差异，总初级生产力(gross primary productivity，GPP)多年平均值为(1197.5±129.9)g C·m-2·a-1；生态系统呼吸(Reco)多年平均值为(711.2±129.9)g C·m-2·a-1。不计算收获后的籽粒，夏玉米农田整体表现为CO2的汇，净生态系统碳交换量(net ecosystem exchange，NEE)多年平均值为(-342.8±52.3)g C·m-2·a-1。籽粒收获移出农田后，根据理论产量计算，夏玉米农田表现为弱的碳汇，净生物群系生产力(net biome productivity，NBP)为-41.3 g C·m-2·a-1(占NEE的12.0%)；根据实际产量计算，夏玉米农田在籽粒收获后表现为较强的碳汇，NBP为-105.9 g C·m-2·a-1(占NEE的30.9%)。郑州站气候呈现暖干化变化趋势，气温和降水对夏玉米农田生态系统碳通量无显著影响，日照时数对夏玉米农田生态系统GPP影响显著(P<0.05)，并通过GPP对净生态系统生产力(net ecosystem productivity，NEP)和Reco产生间接影响(P<0.05)。夏玉米生长季，日照时数增加15.6 h·a-1，GPP增加19.4 g C·m-2·a-1，NEP增加6.6 g C·m-2·a-1，表明夏玉米农田生态系统具有较大的固碳潜力。

关键词：气候变化夏玉米农田生态系统碳源/汇净生态系统碳交换量碳达峰碳中和

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河南省主要河川径流变化归因

南水北调与水利科技（中英文） 2024年第2期22卷 228-236页

作者：竹磊磊王纪军吴璐杨婷苏晓乐李芳中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室郑州450003 河南省气候中心郑州450003

为相对全面客观地分析气候变化和人类活动对河南省主要河川径流变化的影响,基于河南省内卫河、伊洛河、洪汝河和唐河流域1961—2022年径流和降水资料,以及国家气候中心根据Penman-Monteith公式计算的年潜在蒸散发资料,比较4个蒸发对比... 详细信息

为相对全面客观地分析气候变化和人类活动对河南省主要河川径流变化的影响,基于河南省内卫河、伊洛河、洪汝河和唐河流域1961—2022年径流和降水资料,以及国家气候中心根据Penman-Monteith公式计算的年潜在蒸散发资料,比较4个蒸发对比站年潜在蒸散发和蒸发皿年蒸发值,运用Mann-Kendall突变检验法和累积双曲线法分析4个研究流域控制水文站年径流序列的变化趋势和突变年份,以及4个流域年降水和潜在蒸散发的变化趋势。采用基于Budyko假设的弹性系数法对径流变化开展归因分析。结果表明:4个蒸发对比站年潜在蒸散发与蒸发皿年蒸发变化趋势基本一致,4个水文站年径流深及4个流域年降水和年潜在蒸散发均呈下降趋势。4个水文站年径流深分别在1977年、1985年、2008年和2010年发生了突变。气候变化对径流减少的贡献率在卫河和伊洛河流域为7%以下,在洪汝河和唐河流域约为12%~18%,降水减少不显著和潜在蒸散发呈下降趋势是贡献率小的原因,可见人类活动是影响4个流域径流变化的主要驱动因素。

关键词：弹性系数法气候变化人类活动径流变化卫河伊洛河洪汝河唐河

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授粉期高温胁迫对夏玉米植株形态、叶片光合及产量的影响

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中国生态农业学报（中英文） 2024年第1期32卷 106-118页

作者：穆心愿马智艳卢良涛吕姗姗刘天学胡秀丽李树岩蒋寒涛范艳萍赵霞唐保军夏来坤中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室郑州450003 河南省农业科学院粮食作物研究所/河南省玉米绿色精准生产国际联合实验室郑州450002 河南农业大学郑州450046 河南滑丰种业科技有限公司滑县456400

针对黄淮海地区花期高温影响夏玉米安全生产的问题,本研究以热敏感型品种‘先玉335’为试验材料,以大田常温为对照(CK),设置授粉期高温处理(HT),研究授粉期高温胁迫对夏玉米植株形态、叶片光合特性、干物质积累与分配及产量形成的影响... 详细信息

针对黄淮海地区花期高温影响夏玉米安全生产的问题,本研究以热敏感型品种‘先玉335’为试验材料,以大田常温为对照(CK),设置授粉期高温处理(HT),研究授粉期高温胁迫对夏玉米植株形态、叶片光合特性、干物质积累与分配及产量形成的影响。结果表明:2021年和2022年,HT处理的冠层最高温度超过40℃的天数分别为7 d和8 d,高温处理期间冠层最高温度分别较CK高1.7~6.8℃和1.5~4.6℃。HT处理显著提高了夏玉米株高和穗位高,对茎粗和叶面积无显著影响,但延缓了生育后期叶片衰老,2021年和2022年成熟期的叶面积较CK分别显著提高34.69%和163.72%。高温处理期间,HT处理的玉米叶片气孔导度、蒸腾速率和胞间CO_(2)浓度显著升高(P40℃时)则显著降低(P<0.05),反之则显著升高(P<0.05)或无显著变化,叶片整体光合性能下降。高温胁迫解除后,HT处理的叶片光合性能相关参数逐渐与CK趋于一致。经授粉期高温胁迫处理后,玉米茎秆、叶片、苞叶、穗轴和单株干重降低,其中穗轴干重降幅最大,而雄穗和花丝干重增加,使得干物质向茎秆、叶片、雄穗、花丝等部位的分配比例增加,而向穗轴的分配比例显著减少(P<0.05)。至成熟期,HT处理造成玉米籽粒和单株干重显著减少48.32%和16.71%(P<0.05),而玉米茎秆和叶片干重显著增加35.01%和9.48%(P<0.05)。HT处理的结实率和穗粒数分别显著下降54.43%和53.19%(P<0.05),百粒重显著提高10.13%(P<0.05),但籽粒产量显著降低46.82%(P<0.05)。综上,授粉期高温胁迫增强了玉米叶片气孔蒸腾,增加了胞间CO_(2)浓度,降低了叶片羧化效率和水分利用效率,导致植株整体光合性能下降,制约了光合同化物积累及向穗部的转移分配,导致结实率显著下降,穗粒数显著减少,制约了花后光合同化物从“源”(茎秆和叶片)向“库”(籽粒)的转运,最终导致籽粒产量大幅下降。

关键词：夏玉米授粉期高温胁迫光合性能干物质积累与分配产量

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基于改进的YOLOv3农作物目标检测算法

农业大数据学报 2024年第1期6卷 40-47页

作者：郭蓓王贝贝张志红吴苏李鹏胡莉婷中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室郑州450003 河南中原光电测控技术有限公司郑州450047

农作物图像在进行目标检测时,由于作物种植较密集、成像质量不佳等原因严重影响目标检测算法的检测精度。针对存在的问题,提出一种基于YOLOv3的改进算法优化在农作物目标检测的检测性能:对YOLOv3的主干特征提取网络进行优化,利用原网络... 详细信息

农作物图像在进行目标检测时,由于作物种植较密集、成像质量不佳等原因严重影响目标检测算法的检测精度。针对存在的问题,提出一种基于YOLOv3的改进算法优化在农作物目标检测的检测性能:对YOLOv3的主干特征提取网络进行优化,利用原网络中输出的4倍降采样特征图对目标进行检测,并且在算法原网络残差块的基础上增加残差单元,以检测目标较小的农作物位置信息;提出高斯衰减函数,对图像中高度重叠的农作物候选框的衰减较强,在有效抑制冗余框的同时也可以有效地降低漏检率;对回归损失函数进行优化改进,用CIOU Loss作为损失函数,使得目标检测过程中最终的目标定位更加精确。将改进的YOLOv3算法和原YOLOv3算法、Faster R-CNN算法在实拍的玉米作物图像数据集上进行对比实验,结果表明改进后的YOLOv3算法能有效检测农作物小目标,算法检测的平均准确率均值和检测速度都有明显的提升。

关键词：目标检测 YOLOv3算法特征提取网络损失函数

基于无人机高光谱的冬小麦LAI估算及LAI遥感产品检验

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生态学杂志 2024年

作者：李军玲李梦夏熊坤田宏伟张渝晨余卫东中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室河南省气象科学研究所商丘市气象局安阳国家气候观象台

冬小麦叶面积指数（LAI）的动态变化，可用于其长势监测和估产。针对目前地面观测数据和卫星数据的尺度不匹配易引起的尺度效应，以及常用的多光谱数据相对高光谱数据的弱敏感性，为有效利用高光谱信息，优选出最佳波段进而构建LAI估算... 详细信息

冬小麦叶面积指数（LAI）的动态变化，可用于其长势监测和估产。针对目前地面观测数据和卫星数据的尺度不匹配易引起的尺度效应，以及常用的多光谱数据相对高光谱数据的弱敏感性，为有效利用高光谱信息，优选出最佳波段进而构建LAI估算模型以提高LAI估测精度，本文引入无人机高光谱数据作为地面观测和卫星数据的桥梁进行相关研究，在获取冬小麦返青期地面实测LAI数据、无人机高光谱数据、高分一号卫星（GF-1）数据基础上，首先对高光谱数据进行不同形式的特征变量变换和计算，再通过建立感兴趣区，计算得到和地面观测尺度一致的无人机影像像元，进行同尺度下多个植被指数及光谱变换形式和LAI的相关性分析，筛选LAI敏感波段或指数，开展基于无人机和GF-1卫星的不同尺度下冬小麦LAI反演。结果表明：冬小麦LAI敏感波段或指数为635、655、693、704、714、721、724、763、806、813、900和936一阶导、714、717、763、767、784、806、813、900、903和936二阶导以及敏感光谱指数SDy、DVI、MSAVI2、NLI和SAVI，并利用多元逐步回归、偏最小二乘法、岭回归等构建无人机高光谱影像LAI反演模型，通过精度比较认为岭回归建模最优；基于升尺度方法建立了GF-1冬小麦LAI估算模型，并将模拟结果作为相对真值对LAI遥感反演产品进行了真实性检验，FY3＿1KM＿LAI产品和GF＿1KM＿LAI产品相关系数达到0.787，说明FY3＿LAI产品和相对真值有很强的相关性，可以用于日常业务服务和科研中。本文通过尺度扩展分析不同数据来源下反演模型精度，探讨不同遥感信息源在估算冬小麦LAI方面的能力，对作物管理提供科学指导，也为精准农业研究提供理论依据。

关键词：叶面积指数高分一号卫星无人机高光谱数据真实性检验岭回归

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河南省冬小麦籽粒质量评价的气象指标分析

气象与环境学报 2024年第2期40卷 69-76页

作者：成林韩耀杰胡程达中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室河南郑州450000 河南省气象科学研究所河南郑州450000

选用2008年、2010—2014年、2019年河南省共630份冬小麦样本及对应时段的气象资料,采用多重比较、Logistic多元回归等方法,构建河南省冬小麦籽粒质量达二等及以上的气象指标。结果表明:冬小麦籽粒容重与花粒期平均空气相对湿度呈显著负... 详细信息

选用2008年、2010—2014年、2019年河南省共630份冬小麦样本及对应时段的气象资料,采用多重比较、Logistic多元回归等方法,构建河南省冬小麦籽粒质量达二等及以上的气象指标。结果表明:冬小麦籽粒容重与花粒期平均空气相对湿度呈显著负相关,与日照时数呈显著正相关;籽粒不完善粒与空气相对湿度、降水量和降水日数为显著正相关;冬小麦籽粒质量与各旬气象因子的相关性呈动态变化。不同地区影响冬小麦籽粒容重的关键气象因子不同,河南北部地区为光照和气温,河南东部主要为气温,河南南部为气温和降水量。冬小麦籽粒质量气象指标评价等级与实际籽粒质量等级指标的一致率为84%,不完善粒评价一致率为100%。近30 a河南省冬小麦质量气象等级达二等的平均频率为79.7%(除河南西部),气象条件整体上有利于河南省冬小麦籽粒质量的提高。

关键词：籽粒容重不完善粒气温日较差气象因子

高温干旱复合胁迫下冬小麦叶片和冠层尺度SIF与光合作用的关联变化特征研究

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麦类作物学报 2024年第8期44卷 1029-1040页

作者：王超李萌褚荣浩商东耀成林薛昌颖安徽农业大学资源与环境学院安徽合肥230036 郑州航空工业管理学院民航学院河南郑州450046 中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室河南郑州450003 河南省气象科学研究所河南郑州450003

为探究高温干旱复合胁迫下叶片和冠层尺度日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)与植物光合作用的关系,开展冬小麦高温干旱复合胁迫田间试验,共设置三种水分条件[严重干旱(50%~60%田间持水量)、轻度干旱(65%~... 详细信息

为探究高温干旱复合胁迫下叶片和冠层尺度日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)与植物光合作用的关系,开展冬小麦高温干旱复合胁迫田间试验,共设置三种水分条件[严重干旱(50%~60%田间持水量)、轻度干旱(65%~75%田间持水量)和正常供水对照组(80%~90%田间持水量)]和三个温度水平(半包式增温、全包式增温和大田环境温度对照组),分析不同胁迫处理下冠层和叶片尺度SIF、冠层总初级生产力(gross primary productivity,GPP)和叶片净光合速率(net photosynthetic rate,P_(n))的日变化和季节变化特征,探讨小麦叶片SIF与P_(n)和冠层SIF与GPP之间的关联性。结果表明,高温干旱复合胁迫下日尺度和季节尺度叶片和冠层SIF总体均呈现出单峰型变化特征,季节尺度冠层SIF对干旱胁迫的响应比叶片SIF明显,且高温干旱复合胁迫对叶片和冠层SIF的影响均大于单一高温或干旱胁迫。P_(n)和GPP总体分别呈现出双峰型和单峰型变化特征。高温干旱复合胁迫下叶片SIF与P_(n)的相关性(R^(2)=0.42)小于冠层SIF与GPP的相关性(R^(2)=0.52),随着单一胁迫的增强,二者之间的相关性逐渐降低,且干旱胁迫对二者关系以及P_(n)和GPP的影响均大于高温胁迫。此外,环境变量中温度对SIF与P_(n)关系的影响最大,其次是饱和水汽压差(vapor pressure deficit,VPD),光合有效辐射(photosynthetic active radiation,PAR)影响最小,且SIF与P_(n)之间的相关性随温度的增加逐渐降低,随VPD的增大先降后升,随PAR的增加先升后降。高温干旱复合胁迫下冠层和叶片SIF大小与植物光合作用强弱有一定关联性,并受环境变量影响。

关键词：冬小麦日光诱导叶绿素荧光叶片净光合速率 GPP 日尺度季节尺度

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冬小麦-夏玉米轮作田沟金针虫垂直活动特征

应用气象学报 2024年第4期35卷 467-479页

作者：赵花荣任三学齐月张玲田晓丽杨超胡丽丽中国气象科学研究院北京100081 中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室郑州450003 河北固城农业气象国家野外科学观测研究站保定072656 中国气象局兰州干旱气象研究所·甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室·中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室兰州730020 甘肃省气象信息与装备保障中心兰州730020 河北省保定市气象局保定071000

基于河北固城农业气象国家野外科学观测研究站2019—2020年、2021—2022年冬小麦-夏玉米轮作田沟金针虫在土壤中分层调查数据,引入虫口重量指标,结合虫口密度指标,揭示沟金针虫在冬小麦-夏玉米轮作田为害-休眠动态变化,讨论沟金针虫在... 详细信息

基于河北固城农业气象国家野外科学观测研究站2019—2020年、2021—2022年冬小麦-夏玉米轮作田沟金针虫在土壤中分层调查数据,引入虫口重量指标,结合虫口密度指标,揭示沟金针虫在冬小麦-夏玉米轮作田为害-休眠动态变化,讨论沟金针虫在土壤中垂直活动特征、气象条件与其相关性以及对冬小麦产量影响。结果表明:沟金针虫在冬小麦-夏玉米轮作田存在3个为害期和3个休眠期,且交替出现。3个为害期出现在冬小麦返青-拔节期、夏玉米幼苗期、冬小麦秋苗期,3个休眠期出现在冬小麦越冬期、冬小麦成熟-收获期、夏玉米灌浆-成熟期,3个为害期中以冬小麦返青-拔节期最为严重。冬季偏暖及春季回暖早,沟金针虫表现出晚下早上特征,使得沟金针虫冬季休眠期缩短而为害活动期延长;土壤温度、湿度以及食源关系共同影响沟金针虫为害、休眠以及取食活动,其为害适宜土壤重量含水率约为15%~18%,适宜土壤温度为14~18℃。分析沟金针虫为害与冬小麦减产率可知,虫口密度每增加10 m^(-2)或虫口重量每增加1.0 g·m^(-2),可导致减产率增加5.1%。

关键词：沟金针虫垂直活动冬小麦夏玉米轮作田

GSW-YOLOv7:一种基于改进YOLOv7的玉米叶病害检测方法

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山东农业大学学报（自然科学版） 2024年第4期55卷 566-578页

作者：孙向阳杨晓霞山东农业大学信息科学与工程学院山东泰安271017

准确识别农田中常见类型的玉米叶病害并及时治疗是提高玉米产量的关键,可以提高效率并降低种植成本。为了解决玉米叶病害识别精度不高、检测效率低以及在移动端设备难以部署的难题,本文提出了一种改进的名为GSW-YOLOv7的目标检测模型。... 详细信息

准确识别农田中常见类型的玉米叶病害并及时治疗是提高玉米产量的关键,可以提高效率并降低种植成本。为了解决玉米叶病害识别精度不高、检测效率低以及在移动端设备难以部署的难题,本文提出了一种改进的名为GSW-YOLOv7的目标检测模型。首先,设计了GS-ELAN结构优化模型颈部,降低模型的参数量。其次,将简单且无需参数的SimAM注意力机制融入网络结构中,在不增加额外参数的情况下提高检测的精度,获取更具代表性的玉米叶病害特征。最后,采用高效的Wise-IoU损失函数以加快收敛速度,并提高模型的精度。实验结果表明,GSW-YOLOv7网络模型平均精度(mAP)为85.60%,检测速度为26.79FPS,该模型在检测任务中权衡了模型的检测精度和检测速度,与YOLOv5、YOLOX等算法相比,该算法性能最好,能够快速、准确地检测常见的玉米叶病害,为农业生产提供了创新的解决方案。

关键词：玉米叶病害 YOLOv7 目标检测深度学习注意力机制