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基于机器学习的农田土壤抗剪强度参数检测方法研究

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农机化研究 2025年第1期47卷 7-15页

作者：于艳艳朱龙图刘鹤吉林农业大学信息技术学院长春130118 云南农业大学机电工程学院昆明650201 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室武汉430070

土壤抗剪强度参数包括粘聚力和内摩擦角,是评价土壤侵蚀敏感性和反映耕层耕作性能的重要指标。为实现农田土壤抗剪切强度参数的快速检测,提出了一种基于机器学习的土壤抗剪切强度参数检测方法。以STM32单片机为核心处理器,采用圆锥杆、... 详细信息

土壤抗剪强度参数包括粘聚力和内摩擦角,是评价土壤侵蚀敏感性和反映耕层耕作性能的重要指标。为实现农田土壤抗剪切强度参数的快速检测,提出了一种基于机器学习的土壤抗剪切强度参数检测方法。以STM32单片机为核心处理器,采用圆锥杆、滚珠丝杆滑台、三角支架等构建土壤数据采集装置,利用DYMH-103柱式压力传感器和FlexiForce薄膜传感器分别检测圆锥杆贯入土壤的锥尖阻力和锥侧压力,采用CSF11土壤水分传感器获取土壤含水率信息,通过多传感器数据特征向量提取构建建模数据集。数据集相关性分析结果表明:土壤抗剪强度参数与锥尖阻力、锥侧压力和土壤含水率之间具有明显相关性。利用蒙特卡罗交叉验证(Monte Carlo Cross Validation,MCCV)剔除了数据集中的4个异常样本;同时,提出了一种ELM-PLSR组合建模算法,以决定系数R^(2)和RPD为评价指标,对比评估了ELM、PLSR和ELM-PLSR 3种不同机器学习模型,结果表明:ELM-PLSR模型预测性能优于ELM模型和PLSR模型;检测粘聚力时,对应的R^(2)、RPD分别为0.919和3.475;检测内摩擦角时,对应的R 2和RPD分别为0.910和3.304。研究结果可为土壤抗剪强度参数快速测量提供参考。

关键词：机器学习土壤抗剪强度多传感器特征向量预测模型

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不同侵蚀程度下地带性土壤的结构及渗透性能分析

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农业工程学报 2014年第22期30卷 137-146页

作者：陈芳王硕吴新亮蔡崇法华中农业大学农业部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070

为探讨侵蚀退化过程中地带性土壤结构的变化规律,选取湖北省不同侵蚀程度(微度、轻度、强度、剧烈)的3种典型地带性土壤(黄褐土、黄棕壤、红壤),比较分析了土壤结构稳定性和土壤渗透特性差异。结果表明:随侵蚀程度增加,3种地带性土壤团... 详细信息

为探讨侵蚀退化过程中地带性土壤结构的变化规律,选取湖北省不同侵蚀程度(微度、轻度、强度、剧烈)的3种典型地带性土壤(黄褐土、黄棕壤、红壤),比较分析了土壤结构稳定性和土壤渗透特性差异。结果表明:随侵蚀程度增加,3种地带性土壤团聚体水稳性逐渐降低,容重增加,饱和导水率呈现不同程度的下降,机械稳定性变化存在差异;在侵蚀程度相同时,3种地带性土壤团聚体机械稳定性、水稳性和饱和土壤导水率的高低顺序均为红壤>黄棕壤>黄褐土。相关分析表明,土壤团聚体机械稳定性和水稳性与游离氧化铝呈极显著正相关关系(相关系数=0.77和0.81,P<0.01),与游离氧化铁呈显著正相关关系(相关系数=0.73和0.76,P<0.05),说明游离态铁铝氧化物是影响土壤结构稳定性并形成地带性差异的关键因素,饱和导水率与团聚体水稳性指标和非毛管孔隙度、容重呈显著相关关系(P<0.05),其中与水稳性团聚体分形维数达到极显著水平(相关系数=0.76,P<0.01),表明水稳性团聚体分形维数可以作为预测和表征饱和导水率的指标。

关键词：土壤结构侵蚀饱和导水率地带性土壤

生物炭、蒙脱石及其混合添加对复合污染土壤中重金属形态的影响

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环境科学 2017年第1期38卷 361-367页

作者：高瑞丽唐茂付庆灵郭光光李晓胡红青华中农业大学资源与环境学院农业部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070

本文以采自湖南临湘某重金属复合污染的土壤为研究材料,采用室内培养方法,将生物炭(BC)和蒙脱石(MM)按1%、2%、5%单独添加,以及将二者混合添加(1%+1%),通过BCR连续提取法,研究不同钝化剂对复合污染土壤重金属形态变化的影响.结果表明,... 详细信息

本文以采自湖南临湘某重金属复合污染的土壤为研究材料,采用室内培养方法,将生物炭(BC)和蒙脱石(MM)按1%、2%、5%单独添加,以及将二者混合添加(1%+1%),通过BCR连续提取法,研究不同钝化剂对复合污染土壤重金属形态变化的影响.结果表明,生物炭处理显著降低了Cu、Pb和Cd的有效态含量.蒙脱石处理中,MM5%处理使Cu、Pb、Zn、Cd的弱酸提取态含量分别降低了27.6%、19.2%、25.6%、19.2%.混合钝化剂处理使Cu、Pb、Zn、Cd的弱酸提取态含量分别降低了15.8%、15.9%、13.1%、12.0%,残渣态含量分别增加了39.0%、110.1%、9.6%、62.5%,显著降低了4种元素的移动性.蒙脱石钝化效果整体优于生物炭,两者结合使用效果更佳.

关键词：重金属 BCR法钝化有效性

硼胁迫下不同柑橘砧木叶片物质组成及结构的FTIR表征

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光谱学与光谱分析 2017年第5期37卷 1380-1385页

作者：卢晓佩姜存仓董肖昌吴秀文闫磊华中农业大学微量元素研究中心/农业部长江中下游耕地保育重点实验室湖北武汉430070

硼作为高等植物必需的微量元素,从缺乏到过量的范围很窄,因此缺硼和硼毒害导致作物产量及品质下降等问题一直是国内外关注的重点。以不同柑橘砧木(枳橙和枳壳)为材料,利用傅里叶红外光谱(FTIR)探讨低硼及高硼胁迫对不同砧木叶片物质组... 详细信息

硼作为高等植物必需的微量元素,从缺乏到过量的范围很窄,因此缺硼和硼毒害导致作物产量及品质下降等问题一直是国内外关注的重点。以不同柑橘砧木(枳橙和枳壳)为材料,利用傅里叶红外光谱(FTIR)探讨低硼及高硼胁迫对不同砧木叶片物质组成和结构的影响及其差异。结果表明:(1)低硼及高硼胁迫均抑制了柑橘砧木地上部的生长,高硼时枳壳砧木叶片出现典型的硼中毒现象,而枳橙砧木叶片则无明显的硼毒症状,表明枳橙砧木比枳壳砧木更耐高硼胁迫;(2)低硼胁迫时,枳壳砧木叶片缺失1 153,1 053和1 028cm-1三个特征峰,而枳橙砧木叶片仅缺失1 055cm-1一个特征峰,且两种砧木叶片其他特征峰的相对吸光度较正常硼处理整体增加,表明缺硼导致枳壳砧木叶片纤维素糖苷及可溶性糖、核糖的结构发生变化且含量增加,仅改变枳橙砧木叶片可溶性糖的结构。因此,低硼胁迫对枳壳砧木影响大于枳橙砧木;(3)高硼胁迫时,枳壳砧木叶片1 153和1 053cm-1两个特征峰消失,增加1 622cm-1处特征峰;枳橙砧木叶片缺失1 024cm-1处特征峰,且其他特征峰的相对吸光度较正常处理整体降低,表明高硼改变枳壳砧木蛋白质、可溶性糖等碳水化合物的结构且含量减少,而枳橙砧木仅核糖的结构发生变化,说明高硼对枳壳砧木叶片多糖结构的影响大于枳橙砧木。因此,枳橙砧木比枳壳砧木更耐低硼和高硼胁迫,硼对不同砧木物质组成和结构的效应差异是其中一个关键因子。

关键词：硼胁迫柑橘砧木傅里叶红外光谱物质成分和结构

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颗粒尺寸对纳米氧化物环境行为的影响

环境科学 2018年第6期39卷 2982-2990页

作者：严玉鹏唐亚东万彪王小明刘凡冯雄汉华中农业大学资源与环境学院农业部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070

随着纳米技术迅猛发展,纳米颗粒的环境行为和生态效应越来越受到关注.纳米氧化物作为环境中的重要组成,广泛存在于水体、大气、土壤以及沉积物中,其大比表面积和高表面活性,控制和影响着环境中一些污染物和营养元素的形态、迁移、转化... 详细信息

随着纳米技术迅猛发展,纳米颗粒的环境行为和生态效应越来越受到关注.纳米氧化物作为环境中的重要组成,广泛存在于水体、大气、土壤以及沉积物中,其大比表面积和高表面活性,控制和影响着环境中一些污染物和营养元素的形态、迁移、转化和生物有效性.纳米尺寸是纳米颗粒特有属性,颗粒尺寸大小调控和决定纳米氧化物的结构及物理化学特性,从而在较大程度上影响其与相关元素的界面反应性和环境地球化学行为.综述了纳米氧化物的尺寸对吸附、(还原)溶解、(催化)氧化、聚集和迁移等环境行为的影响,讨论了尺寸效应的作用机制,最后展望了环境中纳米金属氧化物尺寸效应有关的研究热点和方向.

关键词：纳米颗粒金属氧化物尺寸效应吸附溶解催化聚集迁移环境行为

钠钾替代条件下不同基因型棉花叶片的FTIR光谱研究

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光谱学与光谱分析 2016年第6期36卷 1696-1699页

作者：雷晶郝艳淑吴秀文姜存仓华中农业大学资源与环境学院农业部长江中下游耕地保育重点实验室湖北武汉430070

钾缺乏是制约棉花生长的重要因子之一,而钠钾替代的研究一直是国内外关注的重点。以不同钾效率基因型棉花(钾高效HG103和钾低效LG122)为材料,利用傅里叶红外光谱(FTIR)对不同钾钠处理下棉花叶片的物质组成进行研究,分析不同钾钠条件下,... 详细信息

钾缺乏是制约棉花生长的重要因子之一,而钠钾替代的研究一直是国内外关注的重点。以不同钾效率基因型棉花(钾高效HG103和钾低效LG122)为材料,利用傅里叶红外光谱(FTIR)对不同钾钠处理下棉花叶片的物质组成进行研究,分析不同钾钠条件下,叶片红外光谱图谱的差异,探讨钠钾替代对其物质成分和结构的影响,以及基因型的差异。结果表明:(1)缺钾条件下施钠,2 960,2 855,2 926,1 103和1 078cm^(-1)这5个特征峰的相对吸光度均有所升高,其中HG103在2 960,2 855和2 926cm^(-1)处增加的量与LG122几乎一致,而在1 103和1 078cm^(-1)附近,HG103增加的量高于LG122;然而适钾的条件下施钠,这5个特征峰的相对吸光度都有所减少,且HG103减少的量都小于LG122,表明缺钾时施钠促进糖类、蛋白质和酯类的合成,其中对糖类的促进作用是HG103的大于LG122的,而对蛋白质和酯类的则没有差异;适钾时施钠则有抑制作用,对HG103的抑制作用小于LG122。(2)缺钾时,1 734和1 437cm^(-1)附近的特征峰缺失,而补充钠后这些缺失的峰也未出现,说明缺钾破坏了叶片中蛋白质酰胺Ⅰ带和纤维素的结构,而缺钾补充钠并不能缓解这种破坏,即对于钾的这些功能,钠不能完全代替钾。

关键词：棉花基因型钠钾替代傅里叶红外光谱(FTIR)

赣南崩岗的发育阶段及部位对土壤水力性质的影响

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农业工程学报 2019年第24期35卷 136-143页

作者：文慧倪世民冯舒悦王军光蔡崇法华中农业大学水土保持研究中心农业部长江中下游耕地保育重点实验室

为探究赣南典型崩岗侵蚀区不同发育阶段崩岗对土壤水力性质的影响,采用圆盘入渗仪对3种不同发育阶段崩岗(初期、活跃期和稳定期)以及3个部位(集水区、边坡和沟道)的土壤进行了4个压力水头(0、-3、-6和-9 cm)下的圆盘入渗试验。结果表明... 详细信息

为探究赣南典型崩岗侵蚀区不同发育阶段崩岗对土壤水力性质的影响,采用圆盘入渗仪对3种不同发育阶段崩岗(初期、活跃期和稳定期)以及3个部位(集水区、边坡和沟道)的土壤进行了4个压力水头(0、-3、-6和-9 cm)下的圆盘入渗试验。结果表明,崩岗发育阶段和部位显著影响着土壤的理化性质。随着压力水头的减小,3种不同发育阶段崩岗的土壤稳定入渗率逐渐减小,土壤砂粒含量显著影响土壤的入渗参数。3种不同发育阶段崩岗与土壤导水率和Gardner常数α之间差异不显著。除了-9 cm压力水头下的导水率以外,崩岗的部位显著影响土壤导水率和Gardner常数α值。不同发育阶段崩岗的大孔隙对水流贡献率随着崩岗受侵蚀程度的增加而增加,不同发育阶段崩岗各部位土壤大孔隙、中等孔隙2以及小孔隙对水流贡献率影响显著,其中活跃期崩岗沟通处大孔隙对水流的贡献率最高。研究结果可为南方不同发育阶段崩岗的土壤侵蚀过程提供一定的参考。

关键词：土壤崩岗土壤水力性质圆盘入渗仪

模拟环境条件下δ-MnO_2氧化As(Ⅲ)的搅拌流动动力学特征

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中国环境科学 2014年第4期34卷 966-975页

作者：王鹍夏平平刘凡谭文峰邱国红冯雄汉华中农业大学资源与环境学院农业部长江中下游耕地保育重点实验室湖北武汉 430070

采用搅拌流动法研究了酸性水钠锰矿及水羟锰矿2种δ-MnO2矿物氧化As(Ⅲ)的动力学过程,构建了可用于多相体系的搅拌-流动氧化还原反应动力学模型.经过As吸附量的校正后,该模型对酸性水钠锰矿及水羟锰矿氧化As(Ⅲ)动力学数据拟合度分别为0... 详细信息

采用搅拌流动法研究了酸性水钠锰矿及水羟锰矿2种δ-MnO2矿物氧化As(Ⅲ)的动力学过程,构建了可用于多相体系的搅拌-流动氧化还原反应动力学模型.经过As吸附量的校正后,该模型对酸性水钠锰矿及水羟锰矿氧化As(Ⅲ)动力学数据拟合度分别为0.980和0.951,模型拟合得到pH 7时2种矿物单位比表面上氧化As(Ⅲ)的初始反应速率常数k分别为0.131,0.014min-1·m-2.相比而言,该速率常数明显高于批量法得到的表观速率常数kobs,0.021,0.001min-1?m-2更接近真实的化学动力学参数.搅拌流动法与批量法得到的不同矿物的速率常数大小趋势一致,即尽管酸性水钠锰矿对As(Ⅲ)的氧化率低于水羟锰矿,单位比表面上酸性水钠锰矿氧化As(Ⅲ)初始反应速率却远高于水羟锰矿.反应过程分析表明,反应初始阶段,As(Ⅲ)的吸附为主要限速步骤;而随着反应的进行,矿物表面反应位点逐渐钝化或减少,反应位点数量成为限速步骤.

关键词： As(III) δ-MnO2 搅拌流动法动力学速率常数反应位点

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基于时空克里格的土壤重金属时空建模与预测

农业工程学报 2014年第21期30卷 249-255页

作者：杨勇梅杨张楚天张若兮廖祥森华中农业大学资源与环境学院武汉430070 农业部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070

土壤重金属或其他生态环境属性在时间和空间上均存在连续性和变异性,而目前的研究忽略了它们在时间维的变异。为了在预测时使用多时期采样数据,该文提出使用时空克里格方法对土壤重金属进行时空建模及预测,着重介绍了经验半方差值的计... 详细信息

土壤重金属或其他生态环境属性在时间和空间上均存在连续性和变异性,而目前的研究忽略了它们在时间维的变异。为了在预测时使用多时期采样数据,该文提出使用时空克里格方法对土壤重金属进行时空建模及预测,着重介绍了经验半方差值的计算、理论变异模型的形式及参数拟合、时空克里格估值算法、估值方差和精度随邻近点数量的变化及时空克里格制图。以武汉市青山区土壤重金属为例介绍了时空克里格建模及预测的流程。结果表明,时空克里格方法能够很好地描述土壤重金属在空间、时间和时空上3个部分的变异特征,能够利用其他时期的数据对预测时间点的属性进行插值,而多时期的属性空间分布图能够很好地反映土壤重金属的分布变化规律。该研究可为资源环境生态时空建模及预测研究提供参考。

关键词：土壤重金属监测时空克里格时空变异函数时空预测