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基于XGBoost算法的鱼粉中微塑料的红外光谱识别研究

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 1835-1842页

作者：许晓栋张慧敏刘佳乐韩鲁佳杨增玲刘贤中国农业大学工学院农业工程系北京100083

作为四大新兴污染物之一的“微塑料”带来的危害日益凸显,微塑料的检测识别是其污染评估和风险管理防控的关键。以鱼粉饲料中的微塑料(包括PA、PE、PET、PP、PS、PVC)作为研究对象,运用XGBoost算法分别研究构建了近红外光谱和红外光谱... 详细信息

作为四大新兴污染物之一的“微塑料”带来的危害日益凸显,微塑料的检测识别是其污染评估和风险管理防控的关键。以鱼粉饲料中的微塑料(包括PA、PE、PET、PP、PS、PVC)作为研究对象,运用XGBoost算法分别研究构建了近红外光谱和红外光谱定性识别模型。采用GridSearchCV工具包研究优化XGBoost模型的主要超参数,近红外光谱模型的超参数优化结果为n_estimators:300,learning_rate:0.08,gamma:0,max_depth:4,min_child_weight:1;红外光谱的超参数优化结果为n_estimators:100,learning_rate:0.02,gamma:0.20,max_depth:4,min_child_weight:1。基于优化后的超参数构建的近红外定性识别模型平均精确率(Precision)为0.985,平均召回率(Recall)为0.977,平均F1值(F1 score)为0.978,相比于优化前模型效果分别提升了40.17%,51.00%,50.00%;红外定性识别模型平均精确率(Precision)、平均召回率(Recall)和平均F1值(F1 score)均为1.000,优化后的模型效果分别提升了20.67%,27.50%,26.33%。进一步与PLS-DA模型对比分析发现,红外光谱的XGBoost模型与PLS-DA模型效果基本一致,近红外光谱的XGBoost模型各参数(Accuracy,Precision,Recall,F1 score)效果均不同程度地优于PLS-DA模型。综上所述,运用XGBoost算法可以有效识别鱼粉中不同种类的微塑料,该研究为鱼粉饲料中微塑料的快速检测识别方法提供理论支持和技术支撑。

关键词：微塑料红外光谱 XGBoost PLS-DA

番茄苗期叶位色素含量高光谱检测及可视化研究

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 386-391页

作者：赵建贵王国梁张宇赵丽洁陈宁王文俊杜慧玲李志伟山西农业大学农业工程学院山西太谷030801 山西农业大学谷子研究所山西长治046000 山西农业大学基础部山西太谷030801

叶片色素含量是表征作物栽培基质营养元素和生理状态的重要指标;快速、精准获取色素含量及叶位分布规律是设施农业水肥精准化管理的基础。以番茄苗期不同叶位叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素(Chll)和类胡萝卜素(Caro)为研究指标,... 详细信息

叶片色素含量是表征作物栽培基质营养元素和生理状态的重要指标;快速、精准获取色素含量及叶位分布规律是设施农业水肥精准化管理的基础。以番茄苗期不同叶位叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素(Chll)和类胡萝卜素(Caro)为研究指标,用营养液配制10个氮素浓度;根据叶片位置摘取1710片(285个样本)用于可见光-近红外高光谱采集;运用卷积平滑(S-G)、标准正态变量变换(SNV)和多元散射校正(MSC)对光谱数据预处理。首先采用竞争自适应加权算法(CARS)对特征波段“粗”提取,然后利用迭代和保留信息变量算法(IRIV)判断“粗”提取波段的重要性,并对强弱波段组逆向消除“精”提取最优波段集合,建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。结果表明:(1)营养液氮素浓度为302.84 mg·L^(-1),叶片色素含量最大,且高浓度的抑制作用高于低浓度,叶位色素含量呈上叶位>中叶位>低叶位分布规律;(2)采用CARS-IRIV-PLSR算法“粗-精”特征波段筛选策略分别对Chla、Chlb、Chll和Caro提取了4、4、10和11条特征波段,其Rp为0.7722、0.7321、0.8471和0.8587;(3)结合最优模型色素定量反演图像可视化表达,Chla、Chlb和Chll分布规律一致,而Caro与Chll分布规律相反,该结论与植物生理特征和测定结果相吻合。采用高光谱成像技术能够实现对叶片色素含量进行无损检测及可视化表达,为设施农业植物叶片色素分布、养分亏缺和施肥决策等提供数据支撑和理论依据。

关键词：高光谱叶位色素含量特征波段可视化

元宝枫色素含量、分布及超微结构与叶色的关系

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林业科学 2024年第3期60卷 111-120页

作者：王娟蔺银鼎李洁田旭平山西农业大学林学院晋中030801 山西农业大学晋中030801

【目的】探究元宝枫叶片颜色属性与不同叶色叶片各组织中色素含量和分布,以及与细胞超微结构的关系,为明确元宝枫叶片呈色的内部机制提供细胞学依据,为揭示红叶植物变色机制提供参考。【方法】分析元宝枫叶片颜色属性,测定各颜色叶片叶... 详细信息

【目的】探究元宝枫叶片颜色属性与不同叶色叶片各组织中色素含量和分布,以及与细胞超微结构的关系,为明确元宝枫叶片呈色的内部机制提供细胞学依据,为揭示红叶植物变色机制提供参考。【方法】分析元宝枫叶片颜色属性,测定各颜色叶片叶绿素、类胡萝卜素和花色素苷含量,观察叶片各组织中色素分布情况,使用透视电镜观察叶肉细胞的叶绿体和其他细胞器的超微结构。【结果】元宝枫不同叶色叶片色素含量、分布和超微结构均存在差异。1)红叶花色素苷含量极显著(P系。2)元宝枫叶片上下表皮细胞均无色素分布,花色素苷主要分布于栅栏组织。红叶花色素苷分布明显,绿叶和黄叶花色素苷分布较少。黄叶类胡萝卜素分布明显,在海绵组织也有花色素苷分布。3)嫩绿色叶片叶绿体尚在发育中;绿叶细胞发育成熟,有淀粉粒。叶片变红后,叶绿体中核糖体减少,全红叶片中出现叶绿体解体的残留物;黄叶中叶绿体受损,细胞中有嗜锇颗粒;尖端变褐的叶片细胞中有大量嗜锇颗粒,有些细胞基本为空腔。【结论】元宝枫彩叶未发生结构变异,其颜色变化是因为在叶片变红过程中,叶绿素和类胡萝卜素含量降低尤其叶绿素含量下降迅速,而花色素苷含量上升,其内部花色素苷与叶绿素和类胡萝卜素的比值上升造成的,属于色素型彩叶。叶片花色素苷主要分布于栅栏组织,在变红前就已产生,随其含量上升,最终在叶色上呈现出来。在叶色变化过程中,叶绿体逐渐解体,出现衰老症状,为衰老期型彩叶。黄叶生长势差,叶色从绿转黄,不能呈现红色,衰老速度较红叶更快。

关键词：元宝枫色素含量色素分布超微结构

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益生菌对发酵乳品质影响的研究进展

食品工业科技 2024年第8期45卷 388-396页

作者：戴一佳赵亮中国农业大学食品科学与营养工程学院北京10083 中国农业大学益生菌研究中心中国农业大学营养与健康系北京100190

发酵乳营养丰富、风味独特,市场发展迅速,是益生菌在食品领域的重要产品应用形式。与嗜热链球菌、德氏乳杆菌保加利亚亚种等发酵菌株相比,益生菌在主发酵过程中参与度较低,但通过协同发酵对发酵乳的质构、风味、后酸化程度等产生一定作... 详细信息

发酵乳营养丰富、风味独特,市场发展迅速,是益生菌在食品领域的重要产品应用形式。与嗜热链球菌、德氏乳杆菌保加利亚亚种等发酵菌株相比,益生菌在主发酵过程中参与度较低,但通过协同发酵对发酵乳的质构、风味、后酸化程度等产生一定作用,影响发酵乳品质。本文综述了益生菌对发酵乳质构、风味品质、后酸化进程的影响;分析了益生菌利用代谢及产EPS维持发酵乳的质构,通过产生风味化合物改善发酵乳的风味品质,以及通过影响商业发酵剂的生长而影响发酵乳后酸化进程的相关机理;总结提出了提高益生菌在发酵乳中稳定性的相关技术,以期为功能性发酵乳的研发和品质提升提供参考。

关键词：益生菌发酵乳风味质构菌株活性

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海洋动物多糖的生物活性及其应用研究进展

食品工业科技 2024年第16期45卷 418-424页

作者：杨艺姜宝杰王震李利王鑫孙纪录邵娟娟河北农业大学理工系河北沧州061000 河北农业大学食品科技学院河北保定071000

海洋动物富含多糖、活性蛋白、活性肽、氨基酸等生物活性成分。随着分离提取和构效关系分析技术的发展,海洋动物多糖作为海洋动物活性成分的重要组分,已被证实具有免疫调节、降血糖、抗氧化、降血脂、抗癌等多种生物活性。本文以海洋动... 详细信息

海洋动物富含多糖、活性蛋白、活性肽、氨基酸等生物活性成分。随着分离提取和构效关系分析技术的发展,海洋动物多糖作为海洋动物活性成分的重要组分,已被证实具有免疫调节、降血糖、抗氧化、降血脂、抗癌等多种生物活性。本文以海洋动物多糖为研究对象,结合国内外有关海洋动物多糖的最新研究,对多糖的种类、生物活性以及在生物医药、水产养殖、食品、化妆品领域的应用进行了系统论述,并提出了未来的研究方向,为推动海洋动物多糖的高值化、生态化开发利用提供了理论参考。

关键词：海洋动物多糖生物活性应用前景研究进展

鸟粪石基载镁生物炭对干湿交替灌溉水稻产量与品质的影响

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农业工程学报 2024年第4期40卷 91-103页

作者：李妍琦吴奇宫福征官玉王宣茗迟道才沈阳农业大学水利学院沈阳110866 沈阳农业大学农学院沈阳110866

鸟粪石(MgNH4PO_(4)·6H2O)普遍存在于镁改性生物炭对废水氮磷去除后的回收产物中,其可以作为缓释肥料使用。为探究鸟粪石基载镁生物炭(struvite-based magnesium modified biochar,MAP-BC)在农田中的应用效果以及对不同灌溉和施肥模式... 详细信息

鸟粪石(MgNH4PO_(4)·6H2O)普遍存在于镁改性生物炭对废水氮磷去除后的回收产物中,其可以作为缓释肥料使用。为探究鸟粪石基载镁生物炭(struvite-based magnesium modified biochar,MAP-BC)在农田中的应用效果以及对不同灌溉和施肥模式的适用性,该研究依托大田试验,以东研18号(粳稻)为供试材料,设置常规淹灌(ICF)、干湿交替(IAWD)2种灌溉模式,以及常规施肥(conventional fertilization,N_(1)B_(0))、常规施肥+5 t/hm^(2)MAP-BC(conventional fertilization+5 t/hm^(2)MAP-BC,N_(1)B_(1))、常规施肥+10 t/hm^(2)MAP-BC(conventional fertilization+10 t/hm^(2)MAP-BC,N_(1)B_(2))、减施氮磷肥25%+5 t/hm^(2)MAP-BC(25%less nitrogen and phosphate fertilizer+5 t/hm^(2)MAP-BC,N_(3/4)B_(1))和减施氮磷肥25%+10 t/hm^(2)MAP-BC(25%less nitrogen and phosphate fertilizer+10 t/hm^(2)MAP-BC,N_(3/4)B_(2))5种施肥模式。结果表明:与ICF相比,IAWD显著提高了乳熟期叶片叶绿素含量,并显著降低了2021年无效分蘖数(P<0.05);MAP-BC不仅能够高效弥补减施氮磷肥对水稻叶绿素含量的不利影响,还具有一定的超补偿效果;MAPBC中高纯度的鸟粪石组分通过缓释氮磷素,保障了对植株氮磷养分的长期供应。与N_(1)B_(0)相比,N_(3/4)B_(2)不仅可以满足水稻生长后期对氮磷养分的需求,还使穗部吸氮量和吸磷量分别显著增加(P<0.05)4.77%~7.06%和4.26%~12.69%;与N_(1)B_(0)相比,施加10 t/hm^(2)MAP-BC使2a的最高分蘖数和最终分蘖数分别显著增加(P<0.05)6.75%~9.64%和13.16%~16.88%;2 a试验中,在IAWD模式下,与N_(1)B_(0)相比,N_(1)B_(1)和N_(1)B_(2)的产量分别显著提高(P<0.05)了7.66%~8.43%和11.49%~12.64%,并且10 t/hm^(2)的MAP-BC可以弥补减施25%氮磷肥对产量造成的不利影响;IAWD模式下N_(3/4)B_(1)和N_(3/4)B_(2)可以显著降低消减值、垩白粒率和垩白度,显著提高崩解值,从而显著改善(P<0.05)水稻外观品质与食味值;此外,N_(1)B_(1)和N_(1)B_(2)较N_(1)B_(0)处理显著提高(P<0.05)稻米蛋白含量2.66%和5.79%,表明施用MAP-BC有助于改善稻米的营养品质。因此,在IAWD模式下减施氮磷肥25%配施10 t/hm^(2)MAP-BC可在节水条件下实现减施氮磷肥、增产、提质,从而为水稻绿色高效生产提供理论依据。

关键词：灌溉肥料水稻鸟粪石基载镁生物炭叶绿素氮磷吸收产量品质

基于YOLO v7-ST-ASFF的复杂果园环境下苹果成熟度检测方法

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农业机械学报 2024年第6期55卷 219-228页

作者：苗荣慧李港澳黄宗宝李志伟杜慧玲山西农业大学信息科学与工程学院太谷030801 山西农业大学农业工程学院太谷030801 山西农业大学基础部太谷030801

针对复杂果园环境下目标检测算法参数量大、鲁棒性差等问题,本文提出一种改进的YOLO v7网络模型用于苹果成熟度(未成熟、半成熟、成熟)检测。以YOLO v7为基线网络,在特征提取结构中引入窗口多头自注意力机制(Swin transformer,ST),极大... 详细信息

针对复杂果园环境下目标检测算法参数量大、鲁棒性差等问题,本文提出一种改进的YOLO v7网络模型用于苹果成熟度(未成熟、半成熟、成熟)检测。以YOLO v7为基线网络,在特征提取结构中引入窗口多头自注意力机制(Swin transformer,ST),极大地降低网络参数量与计算量;为提高模型对远景图像中小目标的检测能力,在特征融合结构中引入自适应空间特征融合(Adaptively spatial feature fusion,ASFF)模块优化Head部分,有效利用图像的浅层特征和深层特征,加强特征尺度不变性;采用WIoU(Wise intersection over union)代替原始CIoU(Complete intersection over union)损失函数,在提高检测准确率的同时加快模型收敛速度。试验结果表明,本文改进的YOLO v7-ST-ASFF模型在苹果图像测试集上的检测速度和准确率均有显著提高,不同成熟度检测精确率、召回率和平均精度均值可达92.5%、84.2%和93.6%,均优于Faster R-CNN、SSD、YOLO v3、YOLO v5、YOLO v7以及YOLO v8目标检测模型;针对多目标、单目标、顺光、逆光、远景、近景以及套袋、未套袋苹果目标的检测效果都较好;本文网络模型内存占用量为53.4MB,模型平均检测时间(Average detection time,ADT)为***,均优于其他目标检测模型。改进的YOLO v7-ST-ASFF模型能够满足复杂果园环境下苹果目标的检测,可为果蔬机器人自动化采摘提供技术支撑。

关键词：苹果成熟度检测复杂果园环境 YOLO v7 窗口多头自注意力机制 ASFF

褐土全氮含量Vis/NIRS组合预测模型的构建

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光谱学与光谱分析 2024年第8期44卷 2310-2317页

作者：张秀全马世兴李志伟郑德聪宋海燕山西农业大学农业工程学院山西太谷030801 山西农业大学信息科学与工程学院山西太谷030801

准确掌握农田土壤全氮含量对于评估土壤肥力,合理施用氮肥具有重要意义。为综合利用各个单预测模型的优势,提升整体预测性能、降低模型方差,提高鲁棒性,以农田褐土土壤为研究对象,基于近红外-可见光高光谱数据,提出了一种基于标准差的... 详细信息

准确掌握农田土壤全氮含量对于评估土壤肥力,合理施用氮肥具有重要意义。为综合利用各个单预测模型的优势,提升整体预测性能、降低模型方差,提高鲁棒性,以农田褐土土壤为研究对象,基于近红外-可见光高光谱数据,提出了一种基于标准差的预测有效度组合预测模型(CPM),用于预测土壤全氮含量。对原高光谱数据采用Savitzky-Golay平滑和一阶微分变换,采用树模型进行特征波段提取,利用决策树回归(DTR)(模型1)、高斯核回归(GKR)(模型2)、随机森林回归(RF)(模型3)、LASSO回归(模型4)、多层感知器回归(MLP)(模型5)5个单预测模型,通过单预测模型的线性组合建立组合预测模型。结果表明:(1)通过广义简约梯度优化算法求得组合预测模型中5个单预测模型的权重分别为ω_(1)*=0.407,ω_(2)*=0.378,ω_(30*=0.215,ω_(4)*=0,ω_(5)*=0;(2)对于所有数据,基于5种单预测模型和组合预测模型对土壤全氮含量预测的预测有效度分别为M_(1)=0.855,M_(2)=0.856,M_(3)=0.847,M_(4)=0.785,M_(5)=0.796,M_(CPM)=0.880;与单模型预测有效度最大值相比,组合预测模型预测有效度提高了2.924%;(3)对于所有数据,基于5种单预测模型和组合预测模型对土壤全氮含量预测的预测精度和标准差分别为E(A_(1))=0.924,σ(A_(1))=0.075,E(A_(2))=0.928,σ(A_(2))=0.077,E(A_(3))=0.923,σ(A_(3))=0.082,E(A_(4))=0.882,σ(A_(4))=0.109,E(A_(5))=0.889,σ(A_(5))=0.104,E(A_(CPM))=0.937,σ(A_(CPM))=0.066,与单模型预测精度最大值相比,组合预测模型预测精度提高了0.970%,模型稳定性提高了12.000%,且为优性组合预测。组合预测模型可用于可见光-近红外光谱数据的农田褐土土壤全氮含量的有效估测,可为农田土壤全氮含量的快速监测提供依据和参考。

关键词：可见光-近红外高光谱预测全氮含量组合预测模型

基于定量描述性分析法和GC-MS对低温发酵面包特征香味物质的分析

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食品与发酵工业 2024年

作者：杨永婧任静怡李政达蔡琳雅袁梓晰任鑫茹王震河北农业大学理工系

低温发酵由于可促进芳香物质的合成、增加和保留更多的挥发性香气成分这些特性被广泛应用于多种发酵产品。研究表明，低温发酵较常温可以显著降低醇、醛及挥发性酸类物质含量，影响氮吸收，产生丰富的芳香物质和铁锌类的乙酸酯类香气物... 详细信息

低温发酵由于可促进芳香物质的合成、增加和保留更多的挥发性香气成分这些特性被广泛应用于多种发酵产品。研究表明，低温发酵较常温可以显著降低醇、醛及挥发性酸类物质含量，影响氮吸收，产生丰富的芳香物质和铁锌类的乙酸酯类香气物质。该研究通过定量描述性分析法并结合气相色谱-质谱法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）对面包5种发酵方式的风味成分及特征香气物质进行分析，数据显示采用低温中种发酵法获得面包的感官品质要显著优于常温发酵，发现低温中种发酵较常温发酵产生种类更加丰富的芳香物质，包括苯乙醇、2-甲基己酸、乙酸苯乙酯、?-亚乙基-苯乙醛等，其中苯乙醇含量最高，因此苯乙醇可能为面包香气物质的重要组成部分。因此，低温发酵对面包等发酵食品获得更高感官品质有一定意义，同时也为低温酿酒酵母的应用和面包的低温生产奠定了理论基础。

关键词：酿酒酵母感官定量分析低温发酵面包气相色谱-质谱联用法(GC-MS) 芳香物质分析