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基于环境变量筛选与机器学习的土壤养分含量空间插值研究

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农业机械学报 2024年第10期 379-391页

作者：咸阳宋江辉王金刚李维弟张文旭王海江石河子大学农学院新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室

为了提高农田土壤养分含量空间插值精度，准确掌握土壤养分的空间分布特征，以新疆玛纳斯河流域绿洲为研究区域，测定土壤有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、pH值和盐分含量，协同经度、纬度、地形、气象和植被指数因子作... 详细信息

为了提高农田土壤养分含量空间插值精度，准确掌握土壤养分的空间分布特征，以新疆玛纳斯河流域绿洲为研究区域，测定土壤有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、pH值和盐分含量，协同经度、纬度、地形、气象和植被指数因子作为环境变量，经过皮尔逊相关系数(Person correlation coefficient, PCC)、方差膨胀系数(Variance inflation factor, VIF)和极端梯度提升(Extreme gradient boosting, XGBoost)算法进行变量筛选，采用决策树(Decision tree, DT)、随机森林(Random forest, RF)、径向基函数神经网络(Radial basis function, RBF)和长短期记忆网络(Long short-term memory, LSTM)4种机器学习模型与普通克里格(Ordinary Kriging, OK)方法，对研究区农田土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量进行空间插值。结果表明：研究区土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量分别为0.226～32.275 g/kg、0.117～1.272 g/kg、3.159～53.884 mg/kg和81.510～488.422 mg/kg,变异系数为30.636%～43.648%,均属于中等程度变异。PCC、VIF和XGBoost变量筛选均表明，土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾间具有一定的关联性，可用于目标属性空间插值的环境变量，但不同变量筛选方法对经度、纬度、地形、气象和植被指数因子筛选结果具有一定的差异性。XGBoost方法可以更有效地筛选出对空间插值结果重要的环境变量，且基于此方法筛选变量后建立的模型精度明显优于PCC和VIF筛选变量后建立的模型精度，而且协同环境变量的机器学习模型精度普遍优于未加入环境变量的OK模型精度，同一土壤养分含量空间插值模型精度从大到小依次为RF、LSTM、RBF、DT、OK,其中基于XGBoost筛选出的变量对土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量构建的RF空间插值模型精度相较于未加入环境变量的OK模型有显著提高，决定系数分别提高43.02%、101.00%、86.04%和137.89%,均方根误差分别降低27.39%、42.78%、13.12%和28.39%,平均绝对误差分别降低29.01%、43.84%、11.20%和29.62%。利用RF模型对研究区农田土壤养分进行反演得到土壤有机质和全氮含量具有较强的空间分布一致性，含量较高的主要集中在研究区南部和东部区域，有效磷和速效钾含量具有一定的空间相似性，东南部、中北部区域含量较低。综上，XGBoost变量筛选方法结合RF模型可以更好地实现土壤养分空间插值，可作为土壤养分空间插值的有效方法。

关键词：土壤养分变量筛选机器学习空间分布空间插值模型

中性和碱性盐复合胁迫对2个小麦品种种子萌发和幼苗生长的影响

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干旱地区农业研究 2024年第4期42卷 29-41页

作者：李刚付凯勇王焱栋李超魏加练李春艳李诚石河子大学农学院新疆生产建设兵团绿洲生态农业兵团重点实验室新疆石河子832003

为了解不同浓度的中性盐及碱性盐复合胁迫对2个小麦品种‘新冬26号’和‘金石农1号’种子萌发及幼苗生长的影响,分别设置0、50、100、200、300 mmol·L^(-1)的中性盐(NaCl)及碱性盐复合(Na 2 CO 3+NaHCO 3,摩尔比1∶1)胁迫浓度,测定小... 详细信息

为了解不同浓度的中性盐及碱性盐复合胁迫对2个小麦品种‘新冬26号’和‘金石农1号’种子萌发及幼苗生长的影响,分别设置0、50、100、200、300 mmol·L^(-1)的中性盐(NaCl)及碱性盐复合(Na 2 CO 3+NaHCO 3,摩尔比1∶1)胁迫浓度,测定小麦种子萌发过程中淀粉粒形态变化、α-淀粉酶活性、可溶性糖含量、质膜相对透性、发芽及生长相关指标的变化。结果表明:(1)中性盐胁迫下,‘新冬26号’萌发3 d后淀粉粒降解程度高于‘金石农1号’,而碱性盐复合胁迫下则相反。(2)随盐胁迫浓度的增加,与对照相比,‘新冬26号’小麦在中性盐胁迫下发芽势、发芽率下降幅度分别为3.37%~78.65%、2.25%~42.70%,在碱性盐复合胁迫下相应下降幅度分别为19.10%~100.00%、17.98%~100.00%;‘金石农1号’在中性盐胁迫下发芽势、发芽率下降幅度分别为4.50%~96.63%、3.37%~95.51%,在碱性盐复合胁迫下两指标下降幅度均为2.62%~100.00%。(3)中性盐胁迫下,与‘新冬26号’相比,‘金石农1号’籽粒的α-淀粉酶活性和可溶性糖含量变化范围分别为-25.59%~3.69%和-69.00%~184.01%;在碱性盐复合胁迫下,与‘新冬26号’相比,‘金石农1号’籽粒的α-淀粉酶活性和可溶性糖含量变化范围分别为-21.54%~40.48%和-15.51%~134.67%。(4)‘新冬26号’耐盐等级在中性盐胁迫200 mmol·L^(-1)和300 mmol·L^(-1)时均高于‘金石农1号’,‘金石农1号’耐碱等级在碱性盐复合胁迫200 mmol·L^(-1)时高于‘新冬26号’。(5)盐敏感指标的回归方程表明中性盐胁迫下小麦种子的平均耐盐临界值和平均致死极限浓度分别为258.24 mmol·L^(-1)和514.62 mmol·L^(-1),碱性盐复合胁迫下分别为109.47 mmol·L^(-1)和280.05 mmol·L^(-1)。

关键词：小麦中性盐胁迫碱性盐复合胁迫种子萌发幼苗生长

长期咸水滴灌对棉田土壤磷循环微生物群落结构及功能基因的影响

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环境科学 2024年

作者：叶扬郭晓雯杨茂琪闵伟郭慧娟石河子大学农学院新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室

干旱地区淡水资源匮乏，合理利用咸水资源可以缓解当地淡水短缺的问题，但长期咸水滴灌会增加土壤盐渍化风险，继而影响土壤养分的转化和微生物多样性。土壤的磷素供应对作物的生长至关重要，然而长期咸水滴灌如何影响土壤磷转化的过程... 详细信息

干旱地区淡水资源匮乏，合理利用咸水资源可以缓解当地淡水短缺的问题，但长期咸水滴灌会增加土壤盐渍化风险，继而影响土壤养分的转化和微生物多样性。土壤的磷素供应对作物的生长至关重要，然而长期咸水滴灌如何影响土壤磷转化的过程还不清晰。因此，为探究长期咸水滴灌对棉田土壤磷转化微生物及其功能基因的影响，试验设置淡水(0.35 dS·m-1，FW)和咸水(8.04 dS·m-1，SW)两种灌溉水盐度。结果表明，长期咸水滴灌显著降低棉花干物质重、磷素吸收、产量以及土壤pH、Ca2-P和Ca10-P含量，但显著增加棉花含磷率和土壤含水量、电导率、速效磷、Ca8-P、Al-P、Fe-P和O-P含量。各处理在门水平上优势物种为变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门和绿弯菌门；在纲水平上优势物种为α-变形菌纲、放线菌纲、β-变形菌纲、嗜热油菌纲和γ‐变形菌纲。长期咸水滴灌显著降低放线菌门、酸杆菌门和硝化螺旋菌门的相对丰度，但显著增加变形菌门、芽单胞菌门和拟杆菌门的相对丰度；显著降低有机磷矿化基因phnA、转运基因pit以及多聚磷酸盐合成基因ppaC的表达量，但显著增加多聚磷酸盐降解基因HDDC3，有机磷矿化基因phnG、phoA、phnH、phnL、phnM、phnN、phnP和phnW，转运基因phnK、phnE、phnC和phnD以及调控基因phoB的表达量。相关性分析表明土壤磷循环微生物和功能基因与土壤理化性质以及土壤无机磷组分含量紧密相关。因此，长期咸水滴灌通过影响土壤理化性质和无机磷组分含量来改变土壤中磷循环微生物群落组成，进而驱动磷循环相关功能基因进行表达来调控和适应盐胁迫。

关键词：咸水滴灌宏基因组学棉田土壤磷循环微生物

盐渍土施用有机物料对作物生长及土壤盐碱指标的影响

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环境科学 2024年

作者：杨晓娟何浩程李洋常相杰李帅余梦梦王彬全李俊华石河子大学农学院新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室

为盐渍化土壤科学施用有机物料并促进土壤质量提升提供理论依据，并探究有机物料-盐渍土-植物系统的响应表型，以新疆地区盐渍化土壤为研究对象，以棉花、油菜和油葵为应试作物，设置对照组、微生物菌剂、腐植酸、有机肥、生物炭及秸秆... 详细信息

为盐渍化土壤科学施用有机物料并促进土壤质量提升提供理论依据，并探究有机物料-盐渍土-植物系统的响应表型，以新疆地区盐渍化土壤为研究对象，以棉花、油菜和油葵为应试作物，设置对照组、微生物菌剂、腐植酸、有机肥、生物炭及秸秆这6个处理进行室内培养试验，分析中度盐渍化土壤条件下不同有机物料对棉花、油葵和油菜这3种作物生长状况及土壤盐碱指标的影响，筛选出有一定改良效果的组合，为有机物料在新疆的应用和推广提供一定试验依据。结果表明，与对照处理相比，微生物菌剂、有机肥和生物炭施入对作物生长的促进效果显著，出苗60 d时，微生物菌剂、有机肥和生物炭施入后棉花干重分别增加了41%、43%和25%；油葵干重分别增加了5%、13%和27%；油菜干重分别增加了113%、104%和83%。有机肥和生物炭施入后棉花出苗率分别提升了14.3%和10.2%，油菜出苗率分别提升了26.50%和20.82%。综合3种作物，以出苗60 d时土壤盐碱指标分析结果为例，微生物菌剂和秸秆施入对土壤的水溶性盐总量无显著影响，腐植酸、有机肥和生物炭施入会使土壤水溶性盐总量升高；微生物菌剂、秸秆的施入可以降低土壤pH，腐植酸和生物炭施入会使土壤pH升高；各有机物料施入土壤电导率均有所升高，其中腐植酸处理升高最显著；微生物菌剂和秸秆处理土壤碱化度降低效果最好，其余处理差异不显著；秸秆可以降低土壤钠吸附比，腐植酸和有机肥的施入会使土壤钠吸附比升高。综合来看，以促进作物生长为目的的盐渍土推荐施入微生物菌剂、有机肥和生物炭；以培肥改善土壤质量为目的的盐渍土推荐施入微生物菌剂和秸秆。

关键词：有机物料微生物菌剂腐植酸有机肥生物炭秸秆

外源L-谷氨酸对花后干旱胁迫下小麦干物质积累分配、籽粒灌浆特性及品质形成的调控效应

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植物营养与肥料学报 2024年第5期30卷 848-862页

作者：李刚李超王焱栋付凯勇魏加练曾天云李诚李春艳石河子大学农学院/绿洲生态农业兵团重点实验室新疆石河子832003

【目的】谷氨酸(Glu)具有调节植物生长,提高作物抗逆能力的功效。研究外源L-谷氨酸(L-Glu)对灌浆期干旱胁迫下小麦干物质积累分配及转运、光合参数、灌浆特性、农艺性状及品质特性的影响,为进一步研究谷氨酸提高小麦耐旱性奠定理论基础... 详细信息

【目的】谷氨酸(Glu)具有调节植物生长,提高作物抗逆能力的功效。研究外源L-谷氨酸(L-Glu)对灌浆期干旱胁迫下小麦干物质积累分配及转运、光合参数、灌浆特性、农艺性状及品质特性的影响,为进一步研究谷氨酸提高小麦耐旱性奠定理论基础。【方法】以新疆主栽冬小麦品种新冬18号和新冬22号为试验材料,在抽穗期、开花期分别喷施0、2、4 mmol/L的L-Glu溶液,开花后进行大田干旱胁迫(DT)和适水处理(WT)。在开花初期和花后10、20、30天(即灌浆初期、中期、后期),测定了小麦干物质积累分配及转运、光合特性、灌浆特性、农艺性状及品质等相关指标。【结果】外源喷施L-Glu可以显著增加开花后干旱胁迫下地上部总干物质积累量,其中DT-G2、DT-G4处理显著高于DT-G0处理。与DT-G0处理相比,DT-G2和DT-G4处理有效提高了开花后干旱胁迫下干物质积累对籽粒干物质积累的贡献率,新冬18号小麦分别增加24.65%、24.28%,新冬22号小麦分别增加28.44%、16.03%;与DT-G0处理相比,DT-G2、DT-G4处理提高了灌浆期光合速率(P_(n))、气孔导度(G_(s))、蒸腾速率(T_(r))、叶肉瞬时羧化效率(P_(n)/C_(i))及籽粒灌浆平均速率,其中DT-G2、DT-G4处理下新冬18号小麦籽粒灌浆平均速率分别较DT-G0增加15.17%和3.59%,新冬22号小麦分别增加19.92%和14.70%;与DT-G0处理相比,DT-G2处理显著提高了2个小麦品种的千粒重,DT-G4处理显著降低了2个小麦品种的湿面筋含量。【结论】抽穗期、开花期喷施外源L-Glu可以显著增加开花后干旱胁迫下小麦地上部总干物质积累量,降低灌浆后期小麦干物质在营养器官的分配比例,同时提高开花后干旱胁迫下旗叶的光合速率及蒸腾速率,进而促进小麦穗部干物质的分配,提高小麦籽粒的灌浆速率,延长灌浆持续时间,最终在降低干旱胁迫下粒重损失的同时提高籽粒品质。

关键词：小麦花后干旱胁迫 L-谷氨酸干物质积累分配光合效率灌浆持续时间籽粒品质

棉秆生物质炭添加对棉田土壤理化性质及根际微生物群落结构的影响

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土壤 2024年第3期56卷 540-547页

作者：王振王文敏顾嘉诚王葳陈刚程志博石河子大学农学院新疆石河子832003 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室新疆石河子832003

以新疆滴灌棉田为研究对象,研究生物质炭施用对棉田土壤理化性质和棉花根际土壤微生物群落特征的影响。试验采集了不施生物质炭(CK)、施生物质炭3 t/hm^(2)(BC1)、施生物质炭6 t/hm^(2)(BC2)和施生物质炭9 t/hm^(2)(BC3)4种处理棉花根... 详细信息

以新疆滴灌棉田为研究对象,研究生物质炭施用对棉田土壤理化性质和棉花根际土壤微生物群落特征的影响。试验采集了不施生物质炭(CK)、施生物质炭3 t/hm^(2)(BC1)、施生物质炭6 t/hm^(2)(BC2)和施生物质炭9 t/hm^(2)(BC3)4种处理棉花根际土壤,分析土壤理化性质和根际土壤微生物群落结构和组成的变化。结果表明,生物质炭施用后土壤pH和电导率分别下降了5.58%~9.18%和5.38%~18.04%;与CK相比,生物质炭施用使土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量均显著增加,且BC3增加效果最好,但生物质炭施用导致土壤钾含量显著降低。生物质炭施用显著降低了浮霉菌门(Planctomycetota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)、厚壁菌门(Firmicutes)和被孢霉门(Mortierellomycota)相对丰度,但增加了子囊菌门(Ascomycota)、斯克尔曼氏菌属(Skermanella)、苔藓杆菌属(Bryobacter)、毛壳菌属(Chaetomium)、头束霉菌属(Cephalotrichum)、金孢属(Chrysosporium)和拟棘壳孢属(Pyrenochaetopsis)的相对丰度。另外,生物质炭施用降低了根际土壤微生物多样性和细菌丰富度,但根际土壤真菌的丰富度提高。生物质炭施用显著影响根际土壤微生物特别是真菌的群落结构,电导率、速效钾和pH是根际土壤微生物群落的主要影响因子。研究表明,生物质炭施用可以改善棉田土壤理化性质进而影响根际土壤微生物群落组成和结构,9 t/hm^(2)为本试验的推荐施用量。

关键词：棉花秸秆生物质炭土壤理化性质根际微生物高通量

基于Kmeans聚类对14个新疆陆地棉萌发期耐碱性评价

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种子 2024年第10期 54-63+73页

作者：马燕孙鲁鹏刘家洛于泽张凤华王卫超石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室

为了解新疆陆地棉品种萌发期的耐碱性差异，本研究采用沙培法对14个新疆陆地棉品种萌发期进行不同浓度(0（ck）、25 mmol/L、50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L)Na2CO3胁迫处理，测定了与棉花耐碱性相关的指标，并利用主成分分析、隶属... 详细信息

为了解新疆陆地棉品种萌发期的耐碱性差异，本研究采用沙培法对14个新疆陆地棉品种萌发期进行不同浓度(0（ck）、25 mmol/L、50 mmol/L、75 mmol/L、100 mmol/L)Na2CO3胁迫处理，测定了与棉花耐碱性相关的指标，并利用主成分分析、隶属函数综合评价和Kmeans聚类分析等方法对其萌发期耐碱性进行排序。结果表明，各品种棉花种子的发芽率、发芽势、发芽指数、株高、根长、干质量、鲜质量、相对含水量均随着碱浓度的增大而呈下降趋势。利用隶属函数和权重系数方法对14个新疆陆地棉花品种萌发期的耐碱性进行综合评价，基于D值进行Kmeans聚类分析，将14个棉花品种划分为四类：第Ⅰ类有2个棉花品种，D值为0.296,属于碱敏感型材料；第Ⅱ类有3个棉花品种，D值为0.535,属于弱耐碱型材料；第Ⅲ类有5个棉花品种，D值为0.684,属于中度耐碱型材料；第Ⅳ类有4个棉花品种，D值为0.788,属于强耐碱型材料。

关键词：陆地棉萌发期耐碱性综合评价 Kmeans聚类

小海子灌区“干播湿出”棉田土壤水盐动态特征

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石河子大学学报(自然科学版) 2024年

作者：刘恒宇周博涵杨宏龙刘欣羽侯振安石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室

本文通过对“干播湿出”棉田土壤水盐和浅层地下水的动态监测,明确土壤盐分的分布和积累特征,为“干播湿出”技术在南疆的推广应用提供依据。在兵团第三师图木舒克市小海子灌区,开展滴灌“干播湿出”棉田土壤盐渍化状况调查,并选取不同... 详细信息

本文通过对“干播湿出”棉田土壤水盐和浅层地下水的动态监测,明确土壤盐分的分布和积累特征,为“干播湿出”技术在南疆的推广应用提供依据。在兵团第三师图木舒克市小海子灌区,开展滴灌“干播湿出”棉田土壤盐渍化状况调查,并选取不同盐渍化程度(非盐渍化、轻度、中度、重度盐渍化)“干播湿出”棉田进行土壤水盐和地下水的动态监测。结果表明:(1)灌区“干播湿出”棉田盐渍化土壤占98.1%;其中轻度盐渍化占15.3%,中度盐渍化占40.5%,重度盐渍化占39.2%,盐土占3.1%。灌区81.6%的棉田地下水埋深小于3 m。(2)与播种前相比,轻度、中度和重度盐渍化“干播湿出”棉田收获后,0～20 cm土壤盐分分别降低38.4%、40.8%和51.1%,20～40 cm土壤盐分降低39.3%、36.4%和47.6%。非盐渍化和轻度盐渍化土壤盐分主要分布在60～80 cm土层,中度和重度盐渍化土壤盐分主要积累在20～40 cm。(3)不同深度土层(0～100 cm)的土壤含盐量均与地下水埋深存在显著的负相关关系。收获后,仅重度盐渍化棉田地下水埋深处于3 m以内。因此,棉田地下水埋深与土壤盐渍化程度密切相关,地下水埋深越浅土壤盐渍化越重;滴灌“干播湿出”显著降低盐渍化棉田耕层土壤含盐量,尤其是中度和重度盐渍化棉田。0～100 cm土壤盐分随地下水埋深的增加而降低。

关键词： “干播湿出” 土壤水盐分布地下水埋深土壤水盐运移

花后高温胁迫对小麦籽粒萌发及相关酶活性影响

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新疆农业科学 2024年第6期61卷 1345-1351页

作者：强立栋冯宽朱长安赵云李召锋李卫华石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室新疆石河子832003

【目的】研究小麦花后高温处理对其籽粒发芽和生长的影响,分析小麦响应花后高温逆境的生理机制。【方法】以新疆主栽小麦品种新春11号为材料,取小麦成熟后的籽粒,待小麦开花后5~8 d时进行高温处理,研究其萌发特性以及相关酶活性。【结... 详细信息

【目的】研究小麦花后高温处理对其籽粒发芽和生长的影响,分析小麦响应花后高温逆境的生理机制。【方法】以新疆主栽小麦品种新春11号为材料,取小麦成熟后的籽粒,待小麦开花后5~8 d时进行高温处理,研究其萌发特性以及相关酶活性。【结果】小麦籽粒在经过高温处理后,籽粒发芽率和发芽势与对照相比较显著降低(分别降低5.10%和3.22%),电导率指标极显著高于对照(高出22.78%)。经过花后高温处理,小麦籽粒萌发并且长成嫩芽的芽长以及芽鲜重,与对照相比较显著降低17.98%和12.84%;在小麦籽粒萌发中,发芽指数和活力指数均显著下降。种子活力(TTC还原强度)的变化虽然差异不显著,但降低程度达26.02%。【结论】小麦开花后遭受高温胁迫,导致籽粒中酶活性下降,最终造成种子活力降低,并且减缓了小麦幼苗时期的长势,小麦的产量亦受到影响。

关键词：小麦花后高温籽粒萌发淀粉酶过氧化物酶