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镉胁迫下外源壳聚糖对小麦幼苗生理特性、抗氧化能力及镉吸收的影响

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环境科学 2024年第6期45卷 3649-3660页

作者：张静静焦秋娟徐正阳范丽娜姜瑛宋佳化党领李鸽子林迪柳海涛河南农业大学资源与环境学院郑州450046 河南农业大学国家小麦工程研究中心郑州450046 河南农业大学林学院郑州450046

为探究壳聚糖(CTS)缓解小麦幼苗镉(Cd)毒害的机制,通过水培试验,以百农207小麦为试验材料,研究外源壳聚糖对Cd胁迫下小麦幼苗的生理特性、抗氧化能力和Cd积累的影响,并利用偏最小二乘(PLS)回归模型定量分析幼苗各理化指标与镉积累量间... 详细信息

为探究壳聚糖(CTS)缓解小麦幼苗镉(Cd)毒害的机制,通过水培试验,以百农207小麦为试验材料,研究外源壳聚糖对Cd胁迫下小麦幼苗的生理特性、抗氧化能力和Cd积累的影响,并利用偏最小二乘(PLS)回归模型定量分析幼苗各理化指标与镉积累量间的关系.结果表明,相较于CK,10μmol·L^(-1)和25μmol·L^(-1)Cd胁迫显著抑制了小麦幼苗的叶绿素含量(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素)、光合作用和生物量的积累,使得幼苗根系变短变粗且侧根减少,同时改变了超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性,增加了H_(2)O_(2)和丙二醛(MDA)的积累.镉胁迫下,外源壳聚糖使小麦幼苗茎叶和根系镉含量分别降低13.22%~21.63%和7.92%~28.32%,镉积累量分别降低5.37%~6.71%和1.91%~4.09%.不同镉水平下,外源壳聚糖使小麦根系和茎叶中H_(2)O_(2)含量显著降低了38.21%~47.46%和45.81%~55.73%,MDA含量显著降低了37.65%~48.12%和29.87%~32.51%;根系中SOD和POD含量分别提高2.78%~5.61%和13.81%~18.33%.外源壳聚糖可通过提高Cd胁迫下小麦幼苗的光合特征和抗氧化酶活性的方式,降低小麦地上部和根部的Cd含量与积累量,减轻细胞膜脂质的过氧化程度,进而缓解Cd胁迫对小麦幼苗生长的毒害作用.

关键词：壳聚糖(CTS) 镉(Cd)胁迫冬小麦生理特性抗氧化系统

冬小麦水分利用效率相关驱动因子及其预测模型构建

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中国农业科学 2024年第7期57卷 1281-1294页

作者：高晨凯刘水苗李煜铭赵志恒邵京于昊琳吴鹏年王艳丽关小康王同朝温鹏飞河南农业大学农学院河南农业大学资源与环境学院

【目的】水分利用效率能够综合反映冬小麦生长适宜度和能量转化效率，筛选并探究冬小麦各生育时期响应标准化水分利用效率(WP*)的驱动因子，构建相关驱动因子的WP*预测模型，对黄淮海平原冬小麦水分利用效率监测及水资源高效利用具有重... 详细信息

【目的】水分利用效率能够综合反映冬小麦生长适宜度和能量转化效率，筛选并探究冬小麦各生育时期响应标准化水分利用效率(WP*)的驱动因子，构建相关驱动因子的WP*预测模型，对黄淮海平原冬小麦水分利用效率监测及水资源高效利用具有重要意义。【方法】以冬小麦为研究对象，设置3个水分处理，包括水分亏缺处理(W1):35 mm和(W2):48 mm，对照处理(W3):68 mm，获取冬小麦拔节期、孕穗期和灌浆期的冠层温度参数、生理指标和标准化水分利用效率(WP*)。通过逐步回归和通径分析筛选各生育时期响应WP*变化的主要驱动因子，探究WP*与相关驱动因子间关系，最后采用偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)方法构建各生育时期基于驱动因子的WP*预测模型。【结果】较对照处理(常规灌溉)，水分亏缺处理下冬小麦冠层温度参数、生理指标和WP*均表现出显著差异。基于逐步回归方法筛选出了各生育时期响应WP*的主要驱动因子，并采用通径分析得到各驱动因子响应WP*敏感程度排序，即拔节期依次为冠层温度极差(MTD)、气孔导度(Gs)、叶片含水量(LWC)和POD；孕穗期依次为冠层相对温差(CRTD)、等效水厚度(EWT)、可溶性糖含量(SSC)和作物水分胁迫指数(CWSI)；灌浆期依次为SSC、冠层温度标准差(CTSD)、LWC和Gs。最后，采用偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)基于筛选后的驱动因子构建了各生育时期WP*预测模型，其中以SVM构建的孕穗期WP*预测模型精度最优，R2cal(R2val)、RMSEcal(RMSEval)和n RMSEcal(n RMSEval)分别为0.945(0.926)、0.533 g·m-2(0.580 g·m-2)和2.844%(3.075%)。【结论】通过筛选冬小麦各生育时期响应WP*的相关驱动因子信息及构建冬小麦水分利用效率预测模型，为黄淮海平原冬小麦水分精准监测与管理提供了理论基础。

关键词：冬小麦标准化水分利用效率(WP*) 驱动因子通径分析支持向量机

河南省氮素农业面源污染风险评价与关键管控区识别

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农业机械学报 2024年第3期55卷 311-320页

作者：高林林吴用杨书涵刘雪珂李玲李栋浩河南农业大学资源与环境学院郑州450002

农业面源污染是我国水环境保护面临的重要问题,风险评价对于农业面源污染防治具有重要意义。本研究以河南省为研究区域,采用层次分析法的分级赋值方法,基于熵值法和专家打分确定各影响因子权重,构建河南省氮素农业面源污染风险多因子综... 详细信息

农业面源污染是我国水环境保护面临的重要问题,风险评价对于农业面源污染防治具有重要意义。本研究以河南省为研究区域,采用层次分析法的分级赋值方法,基于熵值法和专家打分确定各影响因子权重,构建河南省氮素农业面源污染风险多因子综合评价模型,计算河南省氮素农业面源污染风险指数并在流域尺度上进行验证,划分氮素农业面源污染的风险等级并识别关键管控区。结果表明:种植源、养殖源和生活源分别贡献河南省31.52%、38.47%和30.01%的氮素流失负荷,流失负荷呈现为西低,中、东部高的特点。河南省有39 429 km^(2)的区域存在中风险,约占河南省总面积的23.61%,有17 318 km^(2)的区域存在高风险,约占总面积的10.37%;划定距河流2 km以内的中、高风险区为一般管控区和重点管控区,面积分别为10 982 km^(2)和9 285 km^(2)。通过与同期水质自动监测数据进行相关分析,决定系数为0.82,表明模型模拟结果具有较高的精准度。综合结果表明,建立的多因子综合评价模型具有科学性和准确性,可用于氮素农业面源污染风险的识别。

关键词：氮素农业面源污染多因子综合评价风险识别管控区河南省

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基于改进YOLOv8的轻量化小麦病害检测方法

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农业工程学报 2024年第5期40卷 187-195页

作者：马超伟张浩马新明王键霖张永爽张小艾河南农业大学信息与管理科学学院(软件学院) 郑州450046 河南农业大学农学院郑州450046

为提高小麦病害检测精度,实现将模型方便快速部署到移动端,该研究提出了一种基于改进YOLOv8的轻量化小麦病害检测方法。首先,使用PP-LCNet模型替换YOLOv8网络结构的骨干网络,并在骨干网络层引入深度可分离卷积(depthwise separable conv... 详细信息

为提高小麦病害检测精度,实现将模型方便快速部署到移动端,该研究提出了一种基于改进YOLOv8的轻量化小麦病害检测方法。首先,使用PP-LCNet模型替换YOLOv8网络结构的骨干网络,并在骨干网络层引入深度可分离卷积(depthwise separable convolution, DepthSepConv)结构,减少模型参数量,提升模型检测性能;其次,在颈部网络部分添加全局注意力机制(global attention mechanism, GAM)模块,强化特征中语义信息和位置信息,提高模型特征融合能力;然后,引入轻量级通用上采样内容感知重组(content-aware reassembly of features,CARAFE)模块,提高模型对重要特征的提取能力;最后,使用Wise-IoU(weighted interpolation of sequential evidence for intersection over union)边界损失函数代替原损失函数,提升网络边界框回归性能和对小目标病害的检测效果。试验结果表明,对于大田环境下所采集的小麦病害数据集,改进后模型的参数量及模型大小相比原YOLOv8n基线模型分别降低了12.5%和11.3%,同时精确度(precision)及平均精度均值(mean average precision,m AP)相较于原模型分别提高了4.5和1.9个百分点,优于其他对比目标检测算法,可为小麦病害检测无人机等移动端检测装备的部署和应用提供参考。

关键词：图像识别深度学习目标检测轻量化小麦病害 YOLOv8 PP-LCNet

稀土元素铈对锌胁迫下小麦幼苗生长的缓解效应

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环境科学 2024年第2期45卷 1141-1149页

作者：张静静徐正阳焦秋娟范丽娜刘芳赵颖宋佳化党领李鸽子柳海涛河南农业大学资源与环境学院郑州450046 河南农业大学国家小麦工程研究中心郑州450046

为探究稀土元素铈(Ce)对锌(Zn)胁迫下小麦幼苗生长的缓解效应,通过水培试验,以百农307为试验材料,研究外源Ce对500μmol·L^(-1)Zn胁迫下小麦幼苗生长、Zn积累和生理特性的影响.结果表明,500μmol·L^(-1)Zn胁迫显著抑制了小麦幼苗叶绿... 详细信息

为探究稀土元素铈(Ce)对锌(Zn)胁迫下小麦幼苗生长的缓解效应,通过水培试验,以百农307为试验材料,研究外源Ce对500μmol·L^(-1)Zn胁迫下小麦幼苗生长、Zn积累和生理特性的影响.结果表明,500μmol·L^(-1)Zn胁迫显著抑制了小麦幼苗叶绿素含量(叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素)、光合作用和生物量的积累,使得幼苗根系变短变粗、侧根减少,同时降低了超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性和可溶性蛋白含量,增加了丙二醛(MDA)的积累.外源Ce降低了根系对Zn的吸收和转运,缓解了Zn胁迫对小麦幼苗的毒害效应,具体表现为叶绿素含量和光合作用参数的升高;提高了抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量并降低MDA质量摩尔浓度;降低脂质过氧化对细胞膜的损伤,最终表现为小麦幼苗根系和茎叶干物质量的增加.外源Ce可通过提高Zn胁迫下小麦幼苗的光合特征、抗氧化酶活性和渗透调节物质的方式,降低细胞膜脂质的过氧化程度,缓解Zn胁迫对小麦幼苗生长的毒害作用.

关键词：铈(Ce) 锌(Zn)胁迫小麦幼苗生理特性缓解效应

施钾对夏花生产量、品质及光温生理特性的影响

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中国农业科学 2024年第7期57卷 1335-1349页

作者：杨启睿李岚涛张潇张倩张银杰张铎王宜伦河南农业大学资源与环境学院

【目的】探究不同施钾水平对夏花生产量、品质及生育期钾素积累动态、光温生理特性和根系形态的影响，为花生合理施钾提供科学依据。【方法】2021—2022年在河南省温县进行钾肥用量田间试验，供试品种为豫花22，设施钾量0(K0)、45 kg·h... 详细信息

【目的】探究不同施钾水平对夏花生产量、品质及生育期钾素积累动态、光温生理特性和根系形态的影响，为花生合理施钾提供科学依据。【方法】2021—2022年在河南省温县进行钾肥用量田间试验，供试品种为豫花22，设施钾量0(K0)、45 kg·hm-2(K45)、90 kg·hm-2(K90)、135 kg·hm-2(K135)和180 kg·hm-2(K180)5个处理，于成熟期测定夏花生荚果产量和品质，并分别于苗期、花针期、结荚期、饱果期测定叶片SPAD值、冠层光合有效辐射和冠层温度，分析植株钾积累量和根系形态。【结果】随施钾量增加，两年度花生荚果产量可分别用“线性+平台”和“一元二次方程”拟合，适宜施钾量分别为164和135 kg·hm-2，施钾处理平均增产17%。成熟期籽粒粗蛋白、含油量和氨基酸含量均随施钾量增加呈先升高后趋于稳定趋势。与不施钾相比，施钾处理籽粒粗蛋白、含油量和氨基酸含量两年度平均增幅分别为7.85%、3.98%和13.97%，效果显著。运用Logistic方程对夏花生钾素积累量进行非线性回归拟合，得出施钾主要提高了花生钾素最大积累速率(Vmax)和平均积累速率(Vmean)，推迟吸收峰值的出现(Tmax)，延长快速积累期(Δt)与活跃积累期(Taas)，促进夏花生持续快速生长发育。此外，各生育时期冠层最高温、最低温与平均温度均随施钾量的增加显著降低；施钾135 kg·hm-2可显著增加花生叶片SPAD值与冠层光合有效辐射量(APAR)和分量(FPAR)，并对根系形态具有积极影响。【结论】合理施钾可显著提高夏花生产量、改善品质、促进钾素积累利用并显著改善生育期光温生理性能。本试验条件下夏花生推荐施钾量为135—160 kg·hm-2。

关键词：夏花生施钾量产量品质冠层温度

镉与聚苯乙烯微塑料复合胁迫对小油菜生长发育、生理特征及冠层温度影响效应研究

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生态与农村环境学报 2024年第2期40卷 255-265页

作者：林迪丰晨晨陈悦郭冰林李岚涛河南农业大学林学院河南郑州450046 河南农业大学资源与环境学院河南郑州450046

为明晰镉(Cd)与聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)复合胁迫对小油菜生长发育、生理特征、冠层温度的影响效应及内在机制,采用室内水培实验,以小油菜(Brassica chinensis)为供试植物,系统研究Cd与2种粒径(100和1000 nm)PS-MPs复合胁迫对小油菜生长... 详细信息

为明晰镉(Cd)与聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)复合胁迫对小油菜生长发育、生理特征、冠层温度的影响效应及内在机制,采用室内水培实验,以小油菜(Brassica chinensis)为供试植物,系统研究Cd与2种粒径(100和1000 nm)PS-MPs复合胁迫对小油菜生长发育、光合色素、抗氧化酶活性、营养品质、解剖结构、冠层群体温度以及Cd吸收转运特性的影响。结果表明,单一Cd及PS-MPs胁迫均显著抑制小油菜生长发育和光合生理过程,其表型指标及光合色素等均随Cd与PS-MPs浓度增加而显著降低。Cd与PS-MPs胁迫显著增强了小油菜氧化应激反应能力,降低了小油菜叶片维生素、可溶性糖和可溶性蛋白含量等品质指标,缩小了小油菜叶片厚度、海绵组织厚度和栅栏组织厚度,显著提升了小油菜植株冠层群体温度。Cd与PS-MPs复合胁迫下低浓度PS-MPs(1 mg·L^(-1))可有效缓解其Cd胁迫抑制效应。随PS-MPs浓度升高(20 mg·L^(-1)),其对小油菜植株生理特征的影响则与Cd胁迫呈协同叠加抑制趋势变化。Cd与PS-MPs复合胁迫对小油菜生长发育及生理特征的影响总体上表现为“低促高抑”的变化趋势。研究结果可为农田土壤Cd及PS-MPs污染生态风险评价提供理论支撑与参考。

关键词：小油菜(Brassica chinensis) 镉(Cd) 聚苯乙烯微塑料(PS-MPs) 生理特征冠层温度

冬麦播前耕作方式对麦玉轮作体系中玉米季土壤水分、籽粒灌浆特征及产量的影响

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中国农业科学 2024年第18期 3568-3585页

作者：刘水苗关小康赵志恒王景辉刘世龙高培萌王艳丽吴鹏年高晨凯李煜铭邵京于昊琳王同朝温鹏飞河南农业大学农学院河南农业大学资源与环境学院

【目的】黄淮海平原是我国典型的冬小麦-夏玉米周年轮作区，研究小麦季播前耕作对夏玉米产量形成的影响，为麦玉轮作模式下优化耕作模式以促进夏玉米高产稳产提供理论依据。【方法】基于6年长期定位试验，设置3种冬小麦播前耕作模式，... 详细信息

【目的】黄淮海平原是我国典型的冬小麦-夏玉米周年轮作区，研究小麦季播前耕作对夏玉米产量形成的影响，为麦玉轮作模式下优化耕作模式以促进夏玉米高产稳产提供理论依据。【方法】基于6年长期定位试验，设置3种冬小麦播前耕作模式，连年深耕（deep tillage,DT）、连年免耕（no-tillage,NT）和一年深耕两年免耕的轮耕（rotation tillage,RT）。【结果】RT、DT处理较NT处理显著提高夏玉米灌浆期耕作扰动的0—40 cm土层贮水量，RT处理较DT处理高4.89%—11.02%(2022年)和4.43%—6.06%(2023年)，RT处理较NT处理高8.16%—16.69%(2022年)和6.78%—17.23%(2023年)。RT处理在玉米灌浆期仍能维持较高叶面积指数，灌浆期前中期RT处理叶面积指数较DT处理增加1.41%—14.28%(2022年)和9.03%—14.46%(2023年)，较NT处理增加14.80%—27.56%(2022年)和21.25%—29.39%(2023年)。RT处理花后干物质转移对籽粒贡献率较DT、NT处理提高3.77%、40.36%(2022年)和7.26%、19.91%(2023年)。Logistic方程模拟结果表明3个灌浆阶段的参数大体表现为速增期>渐增期>缓增期，其三粒位表现下部籽粒>中部籽粒>上部籽粒，3个处理各参数变化均表现为RT>DT>NT，其中RT处理提前达到最大灌浆速率，且平均灌浆速率较DT、NT分别增加6.35%、8.06%(2022年)和6.34%、9.84%(2023年)。RT、DT处理百粒重较NT处理显著提高2.71%、6.03%(2022年)和9.02%、12.56%(2023年)，RT处理产量较DT、NT处理显著提高8.92%、14.15%(2022年)和6.25%、19.45%(2023年)。分析产量形成结构方程模型可知，0—40 cm土层贮水量对产量的直接效应和间接效应分别为0.420和0.551,0—40 cm土层贮水量不仅能直接促进产量形成，还能通过地上部生物量以及平均灌浆速率影响产量。【结论】土壤贮水量是提高产量的重要驱动因子，RT能够提高夏玉米灌浆期土壤贮水量，从而增加叶面积指数，延缓叶片衰老时间，增加干物质积累，优化籽粒灌浆特性，促进干物质和籽粒灌浆速率的提高，最终提高夏玉米产量。

关键词：耕作方式夏玉米土壤贮水量干物质转运籽粒灌浆产量小麦

聚丙烯微塑料对冬小麦植株和土壤理化性质影响

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农业环境科学学报 2024年

作者：陈悦丰晨晨陈富鹏林迪李岚涛河南农业大学林学院河南农业大学资源与环境学院

探究不同粒径聚丙烯微塑料（Polypropylene microplastics， PP-MPs）对冬小麦植株-土壤系统生理生态影响效应及内在机制，确定关键影响因子，为农田土壤微塑料污染生态风险评估及防控治理提供理论参考与科学依据。采用土壤盆栽试验，... 详细信息

探究不同粒径聚丙烯微塑料（Polypropylene microplastics， PP-MPs）对冬小麦植株-土壤系统生理生态影响效应及内在机制，确定关键影响因子，为农田土壤微塑料污染生态风险评估及防控治理提供理论参考与科学依据。采用土壤盆栽试验，深入研究了不同粒径（10 μm和500 μm）和质量分数（0、0.1%、0.5%、1.0%和5.0%）PP-MPs对冬小麦植株生长发育、光合效应、叶绿素含量、冠层群体温度、叶片解剖结构、抗氧化酶活性以及土壤养分含量和酶活性影响。同时构建偏最小二乘（PLS）回归模型定量分析各理化参数与冬小麦基础生长指标间关系，确定关键主控因子。结果表明：不同粒径和质量分数PP-MPs对小麦基础生长指标（株高、叶面积、叶鲜质量和根鲜质量）具有一定负面作用，小尺寸PP-MPs抑制效应更为明显。随外源PP-MPs加入，1.0%～5.0%质量分数下小麦光合特性和叶绿素含量显著下降，冬小麦冠层温度和叶片厚度降低，叶片上、下表皮厚度增加。两种粒径PP-MPs均加剧了小麦叶片氧化损伤程度，与CK相比，叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性分别增加了3.26%～35.73%、10.20%～65.00%和9.62%～51.95%。此外，实验发现，小尺寸PP-MPs增加了土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾等养分含量，大尺寸则与此相反。相比于PP-MPs0，各生育期下土壤活性显著升高，土壤脲酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性增幅分别为6.22%～120.91%、33.94%～227.37%和31.52%～159.91%。PLS模型结果分析显示，10 μm PP-MPs胁迫下影响冬小麦表型指标变化关键因子为土壤有机质含量，500 μm PP-MPs胁迫下敏感因子为叶绿素b（Chlb）含量。外源PP-MPs对冬小麦生长发育和土壤理化特性均具有明显的毒性抑制效应。试验结果对掌握植株-土壤系统MPs响应机制，构建及时有效的风险评估和生态环境治理措施提供依据和支撑。

关键词：冬小麦聚丙烯微塑料土壤生理特性偏最小二乘回归模型