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植物根系特征与根区土壤水分高通量监测管道机器人研制

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农业工程学报 2024年第6期40卷 192-202页

作者：颜小飞王韵博宋晓波向梓薇杜太生程强北京林业大学工学院北京100083 中国农业大学信息与电气工程学院北京100083 中国农业大学中国农业水问题研究中心北京100083

研究水分胁迫下的根系特征对于节水农业的发展具有重大意义。针对现有根系观测与土壤水分监测方法难以满足野外条件下根系和根区水分的同步、原位、高通量监测的不足,该研究研制了一种基于STM32芯片的管道机器人系统。系统由管道机器人... 详细信息

研究水分胁迫下的根系特征对于节水农业的发展具有重大意义。针对现有根系观测与土壤水分监测方法难以满足野外条件下根系和根区水分的同步、原位、高通量监测的不足,该研究研制了一种基于STM32芯片的管道机器人系统。系统由管道机器人、数据基站与PVC透明管道组成,通过在土壤中埋设管道机器人系统,控制机器人搭载的微距相机与土壤水分传感器在巡航时拍摄根系图像,并获取土壤水分数据。由根系图像识别分割与提取程序对图像进行畸变校正与根系识别,获取管道方向上植株的根系面积、长度与密度等特征参数。实验室条件下进行相机拍摄效果、图像畸变校正、识别与分割误差及里程轮测距误差测试,以及土壤水分传感器标定试验。测试结果表明:1)管道机器人能够清晰地拍摄到根系图像,图像畸变校正效果较好,单个像素点长度和面积分别为44μm和0.002 mm^(2),单张根系图像的拍摄范围为14.17 mm×10.60 mm;2)土壤水分传感器输出电压与土壤体积含水率之间呈现良好线性关系,决定系数R^(2)为0.990;3)自主巡航定位准确度较高,平均相对误差为1.47%。在田间条件下进行的根系生长动态监测、根系信息提取、土壤水分监测与电池续航试验表明:1)管道机器人系统能够在田间环境下高通量地拍摄根系图像,监测根系的生长动态,并进一步提取出根系长度、面积、根面积密度等特征参数;2)根区土壤水分监测较为准确,测量结果与烘干法结果平均相对误差为2.23%;3)在系统初始满电量状态下,管道机器人系统独立运行时长不少于7 d,最大巡航监测距离约为48 m。本文研制的管道机器人系统可在田间条件下实现根系特征以及根区土壤水分的原位、高通量测量,为节水灌溉与根系生长研究提供技术支持。

关键词：机器人土壤水分图像识别根系特征高通量

青藏高原未来气候变化预估的不确定性来源及其降低途径

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北京师范大学学报（自然科学版） 2024年第1期60卷 87-98页

作者：郭悦张文青刘浏周雪婷中国农业大学水利与土木工程学院中国农业大学中国农业水问题研究中心北京

在全球变暖加剧的背景下,准确预估未来时期气候变化至关重要.本文基于最新发布的CMIP6(coupled model intercomparison project 6)中的15个全球气候模式(global climate models,GCMs),在未来4种共享社会经济路径和典型浓度路径组合情景... 详细信息

在全球变暖加剧的背景下,准确预估未来时期气候变化至关重要.本文基于最新发布的CMIP6(coupled model intercomparison project 6)中的15个全球气候模式(global climate models,GCMs),在未来4种共享社会经济路径和典型浓度路径组合情景下,量化青藏高原地区气温和降水预估的不确定性.然后使用DT(daily translation)方法,对CMIP6模式输出数据进行偏差校正.通过对比DT方法前后不确定性的大小,讨论偏差校正方法在降低气温和降水预估不确定性方面的潜力.结果显示:DT方法校正结果与实测值更为接近;对于气候预估不确定性,从长期来看模式不确定性占据主导地位,而情景不确定性和内部变异性的贡献相对较低;DT方法对于降低降水预估不确定性的效果较好,其中模式不确定性降低最多,对情景不确定性的大小影响不大,但影响了不确定性的相对贡献大小.综合来看,利用DT方法进行偏差校正能在一定程度上降低预估不确定性.研究结果可为揭示气候变化对高寒区水循环的影响机制提供科学依据.

关键词：气候变化气温降水偏差校正不确定性青藏高原

西北地区主要粮食作物种植的水、碳足迹及布局优化

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中国农业科学 2024年第6期57卷 1137-1152页

作者：王楚凡牛俊农业水资源高效利用全国重点实验室中国农业大学中国农业水问题研究中心甘肃武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站

【目的】对西北地区主要粮食作物碳足迹和水足迹进行评估，并基于碳足迹和水足迹建立多目标种植结构优化模型，对各省(区)粮食作物进行空间布局调整，为减少碳排放量和强化水资源管理提供理论依据。【方法】以西北地区小麦、玉米和水稻... 详细信息

【目的】对西北地区主要粮食作物碳足迹和水足迹进行评估，并基于碳足迹和水足迹建立多目标种植结构优化模型，对各省(区)粮食作物进行空间布局调整，为减少碳排放量和强化水资源管理提供理论依据。【方法】以西北地区小麦、玉米和水稻种植面积、产量和农资投入量等为基础数据，利用生命周期法(LCA)对碳足迹进行评估；以蒸散量和有效降水量为基础数据，利用Penman-Monteith公式对水足迹进行评估；基于熵权法对西北五省(区)三大粮食作物布局进行多目标优化。【结果】1999—2020年西北地区小麦、玉米、水稻的碳足迹和水足迹在不同省(区)表现出明显的差异性。西北地区3种粮食作物小麦、玉米、水稻碳排放呈现出东西部较高，中部较低的分布特点，其单位产量碳足迹(PCF)的范围分别为：0.36—0.63、0.33—0.56、0.57—0.97 t CO2-eq·t-1，单位面积碳足迹(FCF)分别为：(2.46±0.77)、(3.21±0.49)、(5.57±0.91)t CO2-eq·hm-2。2010—2018年西北地区小麦、玉米绿水总量呈平稳上升趋势，水稻绿水总量变化不显著。平均绿水总量较高的地区分布在陕西、甘肃和宁夏。蓝水总量在2010—2015年呈上升趋势，2016—2018年呈现下降趋势，平均蓝水总量较高的地区分布在甘肃、宁夏和新疆。玉米是西北地区三大粮食作物中蓝水足迹最小的作物，平均蓝水足迹为0.45 m3·kg-1；水稻的蓝水足迹最大，平均蓝水足迹为0.77 m3·kg-1。基于碳足迹和水足迹进行粮食作物种植结构优化，以各省(区)不同作物种植面积为决策变量，并根据不同权重设置重点减少碳排放(生态效益)和重点增加绿水利用(水资源效益)的优化情景。情景1碳排放总量减少1.9%，绿水利用总量增加5.0%；情景2碳排放总量减少11.8%；情景3绿水利用总量增加6.7%。【结论】西北地区三大粮食作物碳排放和水总量时空差异显著。碳足迹方面，该地区三大粮食作物平均FCF呈现增加，PCF呈现降低的变化趋势。水足迹方面，该地区三大粮食作物绿水足迹高于全国均值，其中玉米绿水足迹最大，水稻绿水足迹最小。在粮食作物安全保障的前提下，小麦种植面积增加6.7%、玉米和水稻种植面积分别减少5.8%和8.0%，经济、资源和生态效益均有一定的改进。综上所述，多目标优化后可以提高绿水资源利用，减少碳排放量，缓解环境压力。

关键词：碳足迹水足迹种植结构优化粮食作物西北地区

作物茎秆膨胀收缩监测柔性可穿戴传感器研制与试验

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农业工程学报 2024年第10期40卷 222-227页

作者：颜小飞孙传京杜太生程强北京林业大学工学院北京100083 中国农业大学信息与电气工程学院北京100083 中国农业大学中国农业水问题研究中心北京100083 甘肃武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站武威733000

作物茎秆膨胀和收缩变化与其水分状态密切相关,实时监测茎秆的膨胀和收缩变化能够及时掌握作物水分状态,对指导灌溉、提高农业水资源利用率具有重要意义。目前,对于作物茎秆膨胀和收缩变化的监测主要采用基于线性微位移测量原理的传感器... 详细信息

作物茎秆膨胀和收缩变化与其水分状态密切相关,实时监测茎秆的膨胀和收缩变化能够及时掌握作物水分状态,对指导灌溉、提高农业水资源利用率具有重要意义。目前,对于作物茎秆膨胀和收缩变化的监测主要采用基于线性微位移测量原理的传感器,通过测量茎秆的膨胀和收缩引起的位移变化来反映水分状态,存在体积大、价格高、安装不便等问题。为此,该研究提出了一种基于压阻效应的柔性可穿戴传感器,采用柔性压力电极作为传感元件,贴附在作物茎秆表面,通过监测茎秆膨胀和收缩引起的压力变化来反映作物的水分状态,压力检测电路和数据采集电路将作物茎秆的压力信号转换成电信号进行输出和存储。首先在实验室环境下对传感器性能进行测试和标定,然后在温室环境下将传感器安装在番茄茎秆上观测番茄茎秆的压力变化,并与线性微位移传感器观测结果进行比较,最后在充分灌溉和水分亏缺2种条件下观测番茄茎秆的膨胀和收缩变化。结果表明,柔性压力传感器稳定性测试的平均相对变化率为0.109%;弯折前后引起的输出变化非常小,可以忽略不计;标定结果的决定系数大于0.99,最合适的工作压力范围为2~100 kPa;实验室环境下,柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值之间的决定系数为0.9551;温室环境下,充分灌溉组中柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值变化趋势一致,两者之间的决定系数为0.7672,亏缺灌溉组中两类传感器输出值均因水分亏缺而呈现下降趋势,输出值之间的决定系数为0.8519。本文所设计的柔性可穿戴压力传感器不仅能够实时监测番茄茎秆的膨胀和收缩变化,还可以对番茄亏水胁迫进行诊断,为实现高效节水灌溉提供重要的技术支撑。

关键词：传感器压力感知柔性可穿戴茎秆膨胀和收缩茎秆直径测量亏水诊断

滴头流量对土壤甲烷吸收扩散转化及马铃薯产量的影响

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农业工程学报 2024年

作者：赵健宇杨开静王凤新中国农业大学中国农业水问题研究中心甘肃武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站中国水利水电科学研究院

准确认识滴头流量对甲烷在土壤内部的扩散与氧化以及地表净吸收的调控作用，对于提高滴灌农田甲烷吸收潜力以减缓全球气候变化具有重要意义。该研究于2021年和2022年在甘肃武威开展田间试验，设置3个滴头流量（F1:1.3 L/h,F2:2.0 L/h,F3... 详细信息

准确认识滴头流量对甲烷在土壤内部的扩散与氧化以及地表净吸收的调控作用，对于提高滴灌农田甲烷吸收潜力以减缓全球气候变化具有重要意义。该研究于2021年和2022年在甘肃武威开展田间试验，设置3个滴头流量（F1:1.3 L/h,F2:2.0 L/h,F3:3.0 L/h），探究不同土层甲烷的扩散与吸收及地表净吸收特征及对土壤环境因素的响应。结果表明：在0～40 cm土层，F1处理甲烷平均扩散通量显著高于F2和F3，然而>40～60 cm土层与此规律正好相反。F1处理的地表累积甲烷吸收量比F2和F3增加5.9%～13.8%。甲烷吸收主要发生在0～20 cm表层土壤，占到总吸收量的72.1%～82.5%。与其他土壤环境因素相比，土壤孔隙含水率对土壤甲烷浓度影响最大，F1处理的表层土壤土壤孔隙含水率较低，有利于甲烷从大气进入土壤并向深层扩散，从而增加甲烷吸收量。此外，F1处理的马铃薯产量和灌溉水分利用效率较高。在滴灌管理中应考虑通过合理的滴头流量调控土壤湿润范围营造良好的土壤水分和通气性，以增加土壤甲烷汇的能力和马铃薯产量。研究结果可为滴灌农田土壤碳汇调控与马铃薯产量提升提供参考。

关键词：甲烷土壤水分碳滴头流量扩散

机器学习在微塑料识别与环境风险评估中的应用研究进展

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环境科学 2024年第2期45卷 1185-1195页

作者：白润昊范瑞琪刘琪刘勤严昌荣崔吉晓何文清中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 中国农业科学院西部农业研究中心昌吉831100

微塑料是一种新型污染物,可以在环境中长期存在并造成生态风险.目前,微塑料污染已成为全球性的重大环境问题.借助新的技术途径,提高微塑料识别的简便性和可靠性,并系统分析各类环境介质中微塑料的污染特征,明确微塑料的环境效应,对科学... 详细信息

微塑料是一种新型污染物,可以在环境中长期存在并造成生态风险.目前,微塑料污染已成为全球性的重大环境问题.借助新的技术途径,提高微塑料识别的简便性和可靠性,并系统分析各类环境介质中微塑料的污染特征,明确微塑料的环境效应,对科学准确评价微塑料污染的环境风险具有重要意义.机器学习技术通过学习和解析大量数据建立结果评估或预测模型,目前已广泛应用于微塑料领域的相关研究.机器学习的应用可以提高视觉和光谱识别微塑料的自动化程度和识别效率,为微塑料污染溯源提供方法支撑并有助于揭示微塑料的复杂环境效应机制.通过综述机器学习技术在微塑料识别与环境风险评估中的应用研究进展,概括了机器学习在上述方向的应用特点和局限性,为机器学习在相关方向的发展和应用提出建议与展望.

关键词：微塑料机器学习识别污染特征环境效应

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地膜对花生土壤水热环境和生长的影响

灌溉排水学报 2024年第1期43卷 17-27页

作者：唐永齐张友良王凤新窦允清李躲冯绍元扬州大学水利科学与工程学院江苏扬州225009 中国农业大学中国农业水土问题研究中心北京100083 山东省日照市岚山区农业局山东日照276800

【目的】研究不同可降解地膜与普通地膜对花生土壤水热环境和生长的影响。【方法】设置农用白色地膜(WM)、黑色地膜(BM)、白色全生物可降解膜(WDM)、黑色全生物可降解膜(BDM)及不覆膜(CK)共5个处理,开展大田试验探究不同颜色可降解膜和... 详细信息

【目的】研究不同可降解地膜与普通地膜对花生土壤水热环境和生长的影响。【方法】设置农用白色地膜(WM)、黑色地膜(BM)、白色全生物可降解膜(WDM)、黑色全生物可降解膜(BDM)及不覆膜(CK)共5个处理,开展大田试验探究不同颜色可降解膜和普通地膜覆盖对花生土壤水热环境及其生长的影响机制。【结果】(1)WDM处理与BDM处理较WM、BM处理增温保墒效果更好,苗期WDM处理0~25 cm土层平均土壤温度较WM处理高0.8℃,BDM处理较BM处理高0.6℃;苗期WDM处理夜间5 cm土层土壤平均温度较WM处理提高0.8℃,BDM处理较BM处理高0.6℃;苗期WDM处理夜间有效土壤积温较WM处理高88℃,BDM处理较BM处理高60℃;WDM处理全生育期土壤含水率较WM处理提高11.7%,BDM处理较BM处理提高7.2%。(2)WDM处理花生产量较WM、BM、BDM处理分别增加5.3%、6.6%、17.3%,WDM处理水分利用效率较WM、BM、BDM处理分别提高7.8%、11.7%、22.8%。(3)白色可降解膜较黑色可降解膜降解程度提高14.6%。【结论】综上可知,山东花生种植中适宜选用白色全生物可降解膜。

关键词：可降解膜普通地膜花生土壤水热产量

功能要素与农户宅基地退出——来自辽宁、重庆两地的样本证据

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农林经济管理学报 2024年第1期23卷 126-134页

作者：张勇超南京农业大学公共管理学院/中国土地问题研究中心江苏南京210095

基于辽宁省和重庆市两地686户小农户问卷调查数据,运用Probit模型和分组回归实证分析宅基地所承载的各项功能对农户宅基地退出决策的影响机制及其异质性。结果表明:宅基地的居住与社会保障功能、资产功能、文化功能对农户退出意愿产生... 详细信息

基于辽宁省和重庆市两地686户小农户问卷调查数据,运用Probit模型和分组回归实证分析宅基地所承载的各项功能对农户宅基地退出决策的影响机制及其异质性。结果表明:宅基地的居住与社会保障功能、资产功能、文化功能对农户退出意愿产生正向的影响;财产功能、生产与经济功能对农户退出意愿产生抑制作用。此外,不同非农化程度的农户因其对宅基地各项功能需求的差异性而对其退出意愿产生异质性影响。据此,建议政策部门通过关注闲置超标部分,建立完善合理的宅基地价格补偿机制,预留农户一部分生产经济空间;促进公共服务和基础设施的补给来鼓励农户宅基地退出;针对不同区位和功能差异的地区应该做好永久退出和暂时退出等差异化的管控政策政策。

关键词：宅基地功能非农异质性农户退出意愿 Probit模型

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农村宅基地制度改革研究的回顾与展望

中南民族大学学报（人文社会科学版） 2024年第4期44卷 143-151,222页

作者：毛铖曹迎新湖北省社会科学院中国三农问题研究中心湖北武汉430077

农村宅基地制度改革是农村“三块地”改革中的关键与难点,备受学界关注。纵观现有农村宅基地制度改革的研究,成果丰富,多重视角中的改革实践路径、多元维度中的改革影响因素、多样向度中的改革作用机制,是研究的热点关切。从小范围探索... 详细信息

农村宅基地制度改革是农村“三块地”改革中的关键与难点,备受学界关注。纵观现有农村宅基地制度改革的研究,成果丰富,多重视角中的改革实践路径、多元维度中的改革影响因素、多样向度中的改革作用机制,是研究的热点关切。从小范围探索到大范围试点,农村宅基地制度改革实践将会“由点到面”继续向前推进,并适时进入推开阶段。基于对研究现状的综合分析和对稳慎推进改革的基层实践需求的实证调查,未来有关农村宅基地制度改革的研究应当重点关注改革过程中的农民主体性参与、农村宅基地制度改革助推农业强国建设、农村宅基地制度改革助力新型农村集体经济发展与共同富裕实现,以及改革实践过程的评估与成效评价等方面的研究。

关键词：农村宅基地制度改革实践路径影响因素作用机制