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黄土高原典型小流域土壤侵蚀时空演变

地理学报 2024年第7期79卷 1787-1803页

作者：石学瑾张彪郭家龙冯浩吴淑芳西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水研究院杨凌712100

土壤侵蚀受土地利用、气候变化等多种因素的综合影响。王茂沟流域作为黄土高原丘陵沟壑区的典型治理小区,从20世纪开始实行了退耕还林等一系列水土保持措施。本文基于CSLE模型评估流域内2010年、2015年和2020年土壤侵蚀强度及时空演变特... 详细信息

土壤侵蚀受土地利用、气候变化等多种因素的综合影响。王茂沟流域作为黄土高原丘陵沟壑区的典型治理小区,从20世纪开始实行了退耕还林等一系列水土保持措施。本文基于CSLE模型评估流域内2010年、2015年和2020年土壤侵蚀强度及时空演变特征,并结合土地利用/覆被变化(LUCC)探究不同时段其土地利用空间分布格局与土壤侵蚀的响应规律,以此验证水土保持成效。结果表明:2010—2020年王茂沟流域年均土壤侵蚀模数下降0.11 t hm^(-2)a^(-1),整体土壤侵蚀状况略有改善,但微度侵蚀占比减少5.56%,极强烈侵蚀增加4.02%,侵蚀严重区域主要分布在流域北部、中部及西北部;由于降雨减少以及植被恢复,2015年流域土壤侵蚀状况较2010年得到极大缓解,而极端降雨的发生和植被覆盖质量下降又使得2020年土壤侵蚀模数出现回弹;2010—2020年间流域北部及东北部草地与耕地间转化极为明显,草地质量下降致使其土壤侵蚀模数均值较耕地更大,分别为13.69 t hm^(-2)a^(-1)与12.99 t hm^(-2)a^(-1)。研究成果有助于厘清黄土高原典型小流域土壤侵蚀与极端气候和土地利用变化间的响应关系,为未来提高水土保持效益与降低水土流失风险提供科学的数据支持。

关键词：土壤侵蚀 CSLE模型 LUCC 黄土高原

基于改进CNN的猕猴桃根区土壤含水率反演方法

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农业工程学报 2024年第11期40卷 85-91页

作者：潘时佳吴津乐程梅周敏姑牛子杰韩文霆西北农林科技大学机械与电子工程学院杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院杨凌712100

为解决无人机遥感领域根据冠层光谱信息对猕猴桃果树根系土壤含水率(root soil water content, RSWC)进行反演时,现有算法对冠层图像信息分析不足的问题,该研究对传统卷积神经网络模型进行改进,提出一种复合视觉卷积回归神经网络(compou... 详细信息

为解决无人机遥感领域根据冠层光谱信息对猕猴桃果树根系土壤含水率(root soil water content, RSWC)进行反演时,现有算法对冠层图像信息分析不足的问题,该研究对传统卷积神经网络模型进行改进,提出一种复合视觉卷积回归神经网络(compound visual convolutional regression network, CVCRNet),该网络复合两种不同尺寸卷积层对图像数据进行卷积特征提取,并使用全连接层对卷积特征值进行降维,从而直接以多光谱图像为分析对象对RSWC进行反演,充分利用多光谱图像内所有数据,提升反演精度。研究采集徐香猕猴桃果树果实膨大期(5-9月)冠层多光谱信息和深度40 cm处的RSWC,把基于图像的CVCRNet网络反演方法与基于植被指数的传统反演方法进行对比,CVCRNet训练结果在验证集R^(2)为0.827,RMSE为0.787%,相较于传统方法在验证集R^(2)为0.759,RMSE为0.983%,反演结果相关性有了明显提升,准确率也有得到一定提高。结果表明,改进后的CNN网络能够作为冠层信息反演的重要工具,在冠层复杂的场景下达成良好的土壤数据反演效果。

关键词：土壤含水率多光谱成像无人机遥感卷积神经网络果园管理

基于三维激光扫描技术的冻结黑土细沟发育模拟

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农业工程学报 2024年第10期40卷 117-127页

作者：毕鑫宇张哲源高航胡亚鲜张智韬栗现文西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学创新实验学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院杨凌712100

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异(digital surface mod... 详细信息

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异(digital surface model of difference,DoD)微地形变化监测方法与点云逆向工程,获取细沟网络发育过程的侵蚀面积、侵蚀体积、细沟长度和细沟密度等侵蚀参数。结果表明,冻结因素与温度变化对细沟网络发育过程与程度有重要影响:1)冻结处理的黑土坡面更容易发展出细沟网络,达到坡面侵蚀形态基本稳定后的侵蚀面积、侵蚀体积以及侵蚀细沟长度是非冻结处理黑土坡面的291%、557%和437%。2)冻结处理与非冻结处理沿坡面细沟截面形态变化差异明显。冻结坡面细沟交叉时宽深比RW/D快速减小,下切速度加快,随后宽度与深度呈比例稳定增加;非冻结坡面汇水处的R_(W/D)随冲刷次数增加而增大,侧蚀速度加快,其他截面R_(W/D)随着冲刷次数的增加而减小,下切速度加快。3)采用ArcGIS与点云逆向工程模型联合获取的冻结状态下细沟形态参数与发育过程DoD相对误差范围为-12.70%~4.42%,提取精度在95%以上。该联合方法在冻结土体条件下获取细沟参数具有较高精度,可作为土壤侵蚀参数高精度提取的一种手段。

关键词：黑土侵蚀冻融细沟网络融雪径流三维激光扫描

基于多光谱遥感和CNN的玉米地上生物量估算模型

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农业机械学报 2024年第9期55卷 238-248页

作者：周敏姑闫云才高文何景源李鑫帅牛子杰西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100 西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100

目前玉米地上生物量(Aboveground biomass,AGB)的预测方法集中在使用从无人机图像中提取光学植被指数,通过线性模型或机器学习算法与AGB建立关系,原始图像信息损失严重,玉米生长后期的饱和效应会严重降低模型精度。针对此问题,本文收集... 详细信息

目前玉米地上生物量(Aboveground biomass,AGB)的预测方法集中在使用从无人机图像中提取光学植被指数,通过线性模型或机器学习算法与AGB建立关系,原始图像信息损失严重,玉米生长后期的饱和效应会严重降低模型精度。针对此问题,本文收集了玉米拔节期、吐丝期和乳熟期的无人机图像和地面数据。分析了不同生育期玉米干地上生物量、鲜地上生物量与8个植被指数(Vegetation indexes,VIs)之间的相关性。分别以最优植被指数作为输入建立多层感知机(Multilayer perceptron,MLP)模型、以无人机多光谱图像作为输入建立卷积神经网络(Convolutional neural network,CNN)模型来估算玉米干地上生物量、鲜地上生物量。结果表明,基于MLP的玉米干地上生物量估算模型随着玉米生育期推进,模型的精度急剧下降,3个生长期MLP模型验证集R^(2)分别为0.65、0.23、0.32,RMSE分别为0.27、2.15、5.03 t/hm^(2)。CNN模型能够较好地克服光谱饱和问题,具有良好的精度和适用性,3个生育期验证集R^(2)分别提高27.69%、191.30%、171.88%,RMSE分别降低22.22%、38.14%、45.53%。基于MLP的玉米鲜地上生物量估算模型在玉米生长后期模型的精度同样较低,吐丝期、乳熟期验证集的R^(2)分别为0.27、0.37,RMSE分别为11.57、14.98 t/hm^(2)。CNN模型2个生育期验证集的R^(2)分别提高159.26%、129.73%,RMSE分别降低26.62%、54.01%。使用原始多光谱图像作为输入的CNN模型取得了最好的估计结果,可为玉米不同生育期的监测研究、精准管理提供指导。

关键词：玉米地上生物量多光谱无人机遥感卷积神经网络多生育期

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减施氮肥和接种根瘤菌对大豆生理生长与氮素利用效率及产量的影响

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农业机械学报 2024年第3期55卷 340-351页

作者：向友珍张威唐子竣付骏宇李志军张富仓西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区节水农业研究院陕西杨凌712100

在干旱、半干旱地区农业生产中,广泛采用接种根瘤菌、施用氮素等措施来促进大豆生长以提高产量,然而少有研究讨论接种根瘤菌与施用氮素的交互作用对大豆生长和产量的影响规律。本研究通过为期2年的田间试验,设置4个施氮水平(N0:0 kg/hm^... 详细信息

在干旱、半干旱地区农业生产中,广泛采用接种根瘤菌、施用氮素等措施来促进大豆生长以提高产量,然而少有研究讨论接种根瘤菌与施用氮素的交互作用对大豆生长和产量的影响规律。本研究通过为期2年的田间试验,设置4个施氮水平(N0:0 kg/hm^(2);N1:60 kg/hm^(2);N2:120 kg/hm^(2);N3:180 kg/hm^(2))和2种接种水平,即接种根瘤菌(R)和清水拌种。在大豆各生育期测量根瘤数、根瘤干质量、叶面积指数、干物质积累及根系特性等大豆生长指标和叶绿素含量、光合参数、荧光参数等生理指标,同时还测定氮素吸收量等指标并计算氮素利用效率。结果表明,RN2处理下的大豆生长状况最佳,2年平均最大根瘤数为241.47、最大根瘤干质量为1.30 g、最大根长密度为15.00 cm/cm^(3)、最大叶面积指数为5.44 cm^(2)/cm^(2)、最大干物质积累量为17 530.51 kg/hm^(2)、最大叶绿素含量为53.55、最大净光合速率为32.75μmol/(m^(2)·s)、最大种子产量为4 659.4 kg/hm^(2)。由此可见减少氮肥施用量(N2)的同时接种根瘤菌(R)对于促进关中平原大豆的生理生长、提升对氮素的利用效率、提高大豆产量具有重要意义。本研究可为提高干旱半干旱地区大豆生产水平提供理论支持和实践经验。

关键词：大豆施氮接种根瘤菌氮肥利用效率产量

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基于半经验半机理建模的冬小麦LAI反演及长势评估

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农业工程学报 2024年第1期40卷 162-170页

作者：刘昕哲武璐陈李金马宇帆李涛吴婷婷西北农林科技大学机械与电子工程学院杨凌712100 西北农林科技大学农学院杨凌712100

为了提高无人机遥感对冬小麦叶面积指数(leaf area index,LAI)反演模型的精度与泛化能力,该研究利用无人机搭载多光谱相机获取不同氮素处理和不同复种方式的冬小麦生长实测数据,结合PROSAIL辐射传输模型生成包含机理信息的模拟数据,基... 详细信息

为了提高无人机遥感对冬小麦叶面积指数(leaf area index,LAI)反演模型的精度与泛化能力,该研究利用无人机搭载多光谱相机获取不同氮素处理和不同复种方式的冬小麦生长实测数据,结合PROSAIL辐射传输模型生成包含机理信息的模拟数据,基于不同组合方式建立了5种LAI反演混合数据集,结合多种机器学习方法,以期构建经验与机理相结合的LAI高精度反演模型。由于LAI反演受近红外波段(near infrared,NIR)反射率影响大,该研究筛选7种与NIR波段相关的植被指数提取冬小麦光谱特征,构建与混合数据集LAI的相关系数矩阵,进一步探究不同光谱特征对冬小麦LAI的影响程度。在此基础上,采用具有代表性和普适性的4种机器学习方法,即贝叶斯岭回归模型、线性回归模型、弹性网络模型和支持向量回归模型,构建不同冬小麦LAI反演模型,用以评估基于半经验半机理数据反演冬小麦LAI的可行性,进一步探索其对不同氮素水平和复种方式的冬小麦长势评估能力。结果表明:1)筛选的与NIR波段相关的植被指数与冬小麦LAI之间存在较强的相关性,其中归一化差异植被指数、增强植被指数、归一化差异红边指数、比值植被指数、红边叶绿素植被指数、土壤调节植被指数与LAI呈正相关,结构不敏感色素植被指数与LAI呈负相关;2)辐射传输模型中体现了冬小麦LAI影响太阳光线传播的机理,结果表明,与实测数据混合建立的模型,具有较强的鲁棒性和泛化能力。相比于其他3种模型,支持向量回归模型在各种数据组合下均取得了较好的LAI预测性能,在C1、C2、C3、C4这4种训练-测试组合的训练集中R^(2)依次为0.86、0.87、0.88、0.91,RMSE依次为0.47、0.45、0.45、0.41;在测试集的R^(2)依次为0.85、0.19、0.89、0.87,RMSE依次为0.45、1.31、0.49、0.50;3)使用支持向量机生成试验区LAI反演图,对4种氮素水平和2种复种方式的冬小麦长势评估,结果表明,适当的施加氮素处理能提高冬小麦LAI值,麦-豆复种方式下的冬小麦LAI值普遍高于麦-玉复种的LAI值。该研究为冬小麦LAI的反演提供了一种有效的方法,并为高效评估冬小麦长势研究提供了参考。

关键词：无人机遥感辐射传输模型植被指数 LAI反演机器学习

基于UPLC-QE-MS对关中奶山羊泌乳盛期和泌乳末期生乳差异的分析

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食品科学 2024年第10期45卷 186-193页

作者：余梦琦袁宇欣陈璐沙日阿康任新阳屈颖新李广西北农林科技大学动物科技学院陕西杨凌712100

为探究山羊乳中代谢物以及代谢物在不同泌乳期的动态变化和阶段差异性,采用超高效液相色谱-四极杆静电场轨道阱质谱法比较关中奶山羊泌乳盛期和泌乳末期生乳中的差异代谢产物。对表征的代谢物以P1.00、差异倍数(foldchange,FC)>2或FC<0.... 详细信息

为探究山羊乳中代谢物以及代谢物在不同泌乳期的动态变化和阶段差异性,采用超高效液相色谱-四极杆静电场轨道阱质谱法比较关中奶山羊泌乳盛期和泌乳末期生乳中的差异代谢产物。对表征的代谢物以P1.00、差异倍数(foldchange,FC)>2或FC标准,共筛选出90种差异代谢物。与泌乳末期相比,泌乳盛期的山羊乳中有50种差异代谢物上调,40种下调。代谢途径分析表明,这些差异代谢物与次级胆汁酸生物合成显著相关。根据VIP值,尿苷二磷酸-N-乙酰基葡糖胺、磷脂酰乙醇胺(12:0/22:2(13Z,16Z))可考虑作为关中奶山羊两个时期差异变化的潜在生物标志物,但还待进一步的研究验证。

关键词：山羊乳泌乳盛期泌乳末期代谢组学

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基于地面高光谱遥感的大豆产量估算模型研究

农业机械学报 2024年第1期55卷 145-153,240页

作者：唐子竣张威黄向阳向友珍张富仓陈俊英西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100

为在田间管理中对作物产量进行估测,通过两年大田试验收集了大豆生殖生长期的高光谱数据及产量数据,基于各生育期一阶微分光谱反射率计算了7个光谱指数:比值指数(Ratio index, RI)、差值指数(Difference index, DI)、归一化光谱指数(Nor... 详细信息

为在田间管理中对作物产量进行估测,通过两年大田试验收集了大豆生殖生长期的高光谱数据及产量数据,基于各生育期一阶微分光谱反射率计算了7个光谱指数:比值指数(Ratio index, RI)、差值指数(Difference index, DI)、归一化光谱指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)、土壤调整光谱指数(Soil-adjusted iegetation index, SAVI)、三角光谱指数(Triangular vegetation index, TVI)、改进红边归一光谱指数(Modified normalized difference index, mNDI)和改进红边比值光谱指数(Modified simple ratio, mSR),使用相关矩阵法将光谱指数与大豆产量数据进行相关性分析并提取最佳波长组合,随后将计算结果作为与大豆产量相关的最佳光谱指数,最后将各生育期筛选出的与大豆产量相关系数最高的5个光谱指数作为模型输入变量,利用支持向量机(Support vector machine, SVM)、随机森林(Random forest, RF)和反向神经网络(Back propagation neural network, BPNN)构建大豆产量估算模型并进行验证。结果表明,各生育期(全花期(R2)、全荚期(R4)和鼓粒期(R6))计算的光谱指数与产量的相关系数均高于0.6,相关性较好,其中全荚期的光谱指数FDmSR与大豆产量的相关系数最高,达到0.717;大豆产量最优估算模型的方法是输入变量为全荚期构建的一阶微分光谱指数和RF组合的建模方法,模型验证集R2为0.85,RMSE和MRE分别为272.80 kg/hm^(2)和5.12%。本研究成果可为基于高光谱遥感技术的作物产量估测提供理论依据和应用参考。

关键词：大豆产量估算模型高光谱光谱指数机器学习

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近30 a陕西土壤有机碳的时空变化特征及影响因素

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环境科学 2024年第10期45卷 5994-6001页

作者：冯晓琳闫雨阳张欣然张楚天耿增超胡斐南许晨阳西北农林科技大学资源环境学院杨凌712100 西北农林科技大学农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所杨凌712100

土壤有机碳(SOC)动态变化对土壤质量演变和全球碳循环具有极其重要的指示意义,因此有必要对区域SOC库的时空分布变化和影响因素进行研究.分别收集陕西省1985~2015年近30 a共540个土壤剖面信息及其环境变量数据,使用单因素方差分析和路... 详细信息

土壤有机碳(SOC)动态变化对土壤质量演变和全球碳循环具有极其重要的指示意义,因此有必要对区域SOC库的时空分布变化和影响因素进行研究.分别收集陕西省1985~2015年近30 a共540个土壤剖面信息及其环境变量数据,使用单因素方差分析和路径分析法探究陕西省SOC含量的时间和空间分布特征以及SOC含量变化的影响因素.结果表明,1985年和2015年陕西省SOC含量在空间分布上表现为:关中最高,陕南次之,且都显著高于陕北.自1985~2015年,陕南SOC含量上升幅度最大,为21.28%,关中上升了15.33%,而陕北SOC含量小幅度下降,降幅为10.23%,主要发生在60~80 cm和80~100 cm的深层土壤.与1985年相比,2015年陕西省0~100 cm各土层SOC含量增幅的变化范围为3.21%~29.39%.1985年和2015年各土壤类型中SOC含量最高的土壤类型分别为暗棕壤和棕壤.与1985年相比,2015年SOC含量增幅最大的土壤类型为粗骨土,其次为新积土.相关分析及路径分析结果表明,SOC含量与海拔显著正相关,与年平均降水量、归一化植被指数和全氮含量极显著正相关;与曲率、容重和pH极显著负相关.全氮含量是影响SOC含量的主控因素.研究结果可为区域内未来的碳管理措施提供参考.

关键词：陕西省土壤有机碳(SOC) 时空分布路径分析影响因素