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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<0.5为筛选标准,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

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

秸秆还田、覆膜和施氮对旱地麦田土壤质量的影响

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环境科学 2024年第4期45卷 2292-2303页

作者：叶子壮王松燕陆潇史多鹏吕慎强李嘉杨泽宇王林权西北农林科技大学资源环境学院杨凌712100

通过5 a大田定位试验研究了秸秆还田、覆膜及氮肥对旱地土壤质量的影响.以双因素裂区设计,主处理为3种栽培模式:常规栽培(CT)、秸秆还田(SR)和覆膜栽培(FM);副处理为3种施氮水平:0、144和180 kg·hm^(-2).在第5季冬小麦收获后采集耕层0~... 详细信息

通过5 a大田定位试验研究了秸秆还田、覆膜及氮肥对旱地土壤质量的影响.以双因素裂区设计,主处理为3种栽培模式:常规栽培(CT)、秸秆还田(SR)和覆膜栽培(FM);副处理为3种施氮水平:0、144和180 kg·hm^(-2).在第5季冬小麦收获后采集耕层0~20 cm土壤样品,测定容重(BD)、孔隙度(SP)、田间持水量(FC)、有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、矿质氮(NO_(3)^(-)-N+NH_(4)^(+)-N)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、蔗糖酶(SA)、碱性磷酸酶(ALP)、脲酶(UA)和脱氢酶(DHA)等土壤理化性质及生物性质等指标,基于两个最小数据集(MDS),利用线性(LT)和非线性(NLT)评分模型计算土壤质量指数(SQI),通过与冬小麦产量拟合来寻找最优SQI,据此分析土壤质量对秸秆还田、覆膜及氮肥的响应.结果表明,SR处理的SP、FC、SOC、TK、SA、ALP、DHA、MBN和MBC分别较CT显著高10.1%、40.5%、28.3%、14.3%、22.0%、8.9%、48.3%、35.9%和62.5%.FM处理的SP、FC、NO_(3)^(-)-N、AP、AK、ALP和MBN分别较CT显著高3.1%、14.6%、729.0%、37.4%、28.2%、7.2%和17.7%.SR和FM处理冬小麦产量分别较CT显著高25.1%和18.6%.与N_(0)相比,施用氮肥土壤SP、TN、NO_(3)^(-)-N、NH_(4)^(+)-N、ALP和MBN显著增加3.4%~407.6%,BD、SOC和MBC/MBN显著下降3.0%~31.7%.在3种栽培模式下,施氮显著增加冬小麦产量,增幅为69.4%~79.1%,相同栽培模式两施氮水平间差异不显著.基于MDS2的非线性评分模型计算的SQI能够更准确地评价旱地麦田土壤质量.在NLT-SQI2中,SR、FM和氮肥均可增加土壤的SQI,在SR配施N_(180)水平下SQI达到最大,FM次之,CT最小.综上,秸秆还田和覆膜配施适量氮肥能维持和提高土壤质量,秸秆还田优于覆膜.

关键词：秸秆还田覆膜氮肥主成分分析(PCA) 最小数据集(MDS) 土壤质量指数(SQI)

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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

设施生菜光合和蒸腾速率影响因素分析与预测模型构建

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农业机械学报 2024年第1期55卷 339-349页

作者：张增林杨杰郭常江韩文霆杨振超西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学园艺学院陕西杨凌712100

光合速率及蒸腾速率是植物的2个重要生理指标。在全人工环境下,选取意大利生菜作为对象,设计并开展多环境变量对生菜光合速率及蒸腾速率影响的嵌套实验,得到环境因子对生菜光合速率及蒸腾速率的影响规律,应用神经网络构建生菜幼苗期光... 详细信息

光合速率及蒸腾速率是植物的2个重要生理指标。在全人工环境下,选取意大利生菜作为对象,设计并开展多环境变量对生菜光合速率及蒸腾速率影响的嵌套实验,得到环境因子对生菜光合速率及蒸腾速率的影响规律,应用神经网络构建生菜幼苗期光合速率及蒸腾速率预测模型。针对幼苗期生菜,选择温度、相对湿度、光子通量密度(Photosynthetic photon flux density, PPFD)及CO_(2)浓度共4个环境影响因素,采用随机森林方法对数据进行相关性分析。结果表明,与蒸腾速率相关性由大到小的因素依次为CO_(2)浓度、温度、相对湿度、PPFD,与光合速率相关性由大到小的因素依次为CO_(2)浓度、PPFD、温度、相对湿度;采用枚举法确定隐藏层节点数和训练函数,通过遗传算法优化BP神经网络的初始权值和阈值,构建GA-BP神经网络生理指标预测模型。应用测试数据对模型进行验证,光合速率及蒸腾速率预测值与实测值的决定系数分别为0.962 12、0.979 44,均方根误差(RMSE)分别为2.983 2μmol/(m^(2)·s)、0.001 435 8 mol/(m^(2)·s),表明GA-BP神经网络在模型精度和迭代次数方面性能显著提高。研究结果可为设施生菜生产环境调控提供有效依据。

关键词：设施生菜光合速率蒸腾速率预测模型相关性分析 GA-BP神经网络

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集雨种植模式下种植密度与行距配置对小麦茎秆糖积累及倒伏性能的影响

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中国农业科学 2024年第1期57卷 65-79页

作者：覃凤汪小飞吴臻胡一波王小琴张家伟蔡铁西北农林科技大学农学院

【目的】分析沟垄集雨种植模式下不同种植密度和行距配置对小麦茎秆碳水化合物积累和抗倒伏性能的影响，明确适应于小麦沟垄集雨种植合理的密度及行距，为进一步稳定和提升小麦产量提供理论依据。【方法】以北方旱区主栽小麦品种西农97... 详细信息

【目的】分析沟垄集雨种植模式下不同种植密度和行距配置对小麦茎秆碳水化合物积累和抗倒伏性能的影响，明确适应于小麦沟垄集雨种植合理的密度及行距，为进一步稳定和提升小麦产量提供理论依据。【方法】以北方旱区主栽小麦品种西农979为试验材料，于2019—2021年在集雨种植模式下设置两个密度(低密度：180万株/hm2；高密度：225万株/hm2)和两种行距处理(等行距：20 cm；非等行距：12.5 cm﹕35 cm﹕12.5 cm)，分析不同密度和行距对小麦植株中下部叶片的净光合速率、茎秆非结构性碳水化合物和结构性碳水化合物含量、茎秆折断弯矩和倒伏指数以及籽粒产量的影响。【结果】集雨种植模式下提高种植密度，小麦植株中下部叶片(倒三叶、倒四叶、倒五叶)的净光合速率(Pn)、茎秆基部第二节间非结构性碳水化合物(葡萄糖、果糖、蔗糖)和结构性碳水化合物(半纤维素、纤维素)含量、茎秆折断弯矩均明显降低，茎秆倒伏指数显著增高；而高密度种植条件下非等行距处理可改变植株各指标，其中，相较于高种植密度+等行距处理，植株倒三叶、倒四叶、倒五叶Pn明显提高，增幅分别为7.7%—16.5%、5.3%—37.7%、11.9%—24.9%，茎秆葡萄糖、果糖、蔗糖含量分别提高了9.8%—15.0%、8.8%—27.4%、8.2%—41.1%，半纤维素、纤维素含量分别增加4.5%—19.8%、5.9%—31.2%，茎秆折断弯矩提高4.8%—17.3%，茎秆倒伏指数降低10.9%—25.9%，小麦产量亦显著提高了13.5%—15.2%。相关分析表明，小麦茎秆基部节间葡萄糖、果糖、蔗糖含量与半纤维素、纤维素含量呈极显著正相关；小麦茎秆非结构性碳水化合物、结构性碳水化合物与小麦植株中下部叶片Pn及茎秆折断弯矩呈显著正相关，而与倒伏指数呈极显著负相关。【结论】集雨种植模式下，通过非等行距种植调节群体空间分布，可有效提升小麦植株中下部叶片光合速率，促进茎秆糖类物质合成积累，增强小麦茎秆抗倒伏性能，进而降低小麦倒伏发生率，提高籽粒产量。

关键词：小麦集雨种植种植密度行距配置倒伏光合速率产量

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

不同负载量对阳光玫瑰葡萄果实品质的综合影响

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食品工业科技 2024年第7期45卷 119-125页

作者：李嘉宁张予林马婷婷房玉林孙翔宇西北农林科技大学葡萄酒学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学食品学科与工程学院陕西杨凌712100

为探究不同负载量水平对阳光玫瑰葡萄果实综合品质的影响,本研究通过对葡萄果实进行果粒疏除来调控负载量水平,同时对果实中的糖、酸、酚类物质含量,抗氧化活性及经济效益进行了评估。结果表明,低负载量水平下的葡萄果实平均粒重显著增... 详细信息

为探究不同负载量水平对阳光玫瑰葡萄果实综合品质的影响,本研究通过对葡萄果实进行果粒疏除来调控负载量水平,同时对果实中的糖、酸、酚类物质含量,抗氧化活性及经济效益进行了评估。结果表明,低负载量水平下的葡萄果实平均粒重显著增加,葡萄糖和果糖含量显著增加,酒石酸和苹果酸含量显著下降,致使果实糖酸比显著增加(P<0.05)。同时酚类物质含量显著上升,果实的抗氧化能力也显著优于其它处理组(P<0.05)。由于低负载量水平下的葡萄果实综合品质优异,使其具有更高的经济收益。因此,通过精确控制葡萄产量可以获得更好的葡萄品质。

关键词：葡萄果粒疏除负载量酚类物质经济效益

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