• 2022年第38卷第16期文章目次
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    • >专题:耕地保护与粮食安全
    • 中国省际粮食贸易碳转移空间格局及其责任分担

      2022, 38(16):1-10. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.001

      摘要 (526) HTML (0) PDF 2.09 M (7159) 评论 (0) 收藏

      摘要:开展省域尺度粮食贸易碳转移空间格局及其责任分担研究,对于合理划分碳减排责任、探索面向粮食安全的省际协同碳减排策略具有重要现实意义。该研究采用2020年中国31个省级行政区截面数据,基于粮食贸易线性规划方法和粮食贸易碳排放量计算模型对省际粮食贸易及其碳排放进行了核算,并揭示了其空间转移格局;采用粮食贸易碳排放量责任分担计算方法探讨了各省份粮食贸易碳排放责任分布特征。结果表明:1)在省际粮食贸易与粮食贸易碳排放格局中,输出区主要为东北、华北、西北和华中地区,输入区主要为西南、华南和华东地区。2020年全国粮食贸易总量为1.53 亿t,输出区中东北地区累计向外输送7 126.54万t,占贸易总量的46.7%,华北地区累计向外输送2 617.38万t,占贸易总量的17.1%,西北地区累计向外输送455.51万t,占贸易总量的3.0%,华中地区累计向外输送5 069.71万t,占贸易总量的33.2%;2)粮食贸易碳排放在空间上呈现出"北碳南输、中碳西输"的流向格局,粮食贸易碳排放呈现"南-北"大、"东-西"小的流量特征。河北、山西、内蒙古、吉林、黑龙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南、甘肃、宁夏、新疆是全国粮食碳排放输出区,南北方向粮食贸易碳排放流量共计9 119.82万t,东西方向粮食贸易碳排放流量共计2 229.49万t;3)粮食贸易碳排放转移过程中输入区较输出区而言应承担的碳减排责任更大,经济发达省份的责任占比较大,而经济规模较小的省份责任也相对较小。输出区分担碳减排比例平均为29.5%,输入区分担比例平均为70.5%;4)共担原则下输出区中安徽、黑龙江、吉林、江西、内蒙古、山西和新疆的分担比例较低,甘肃、河北、河南、湖北、湖南和宁夏的分担比例较高,受帮扶效应影响,经济发达省份对经济欠发达省份的帮扶较多,会承担较多减排责任。总体而言,基于共同责任分担原则,不仅有利于控制输出区、输入区的碳排放,而且对于稳固粮食主产区产量有积极作用,为此该研究针对性地提出保障区域粮食安全、公平合理分配区域间碳减排责任优化策略,以实现农业领域"双碳"战略与粮食安全双赢目标。

    • 中国耕地景观细碎度时空变化特征及其影响因素

      2022, 38(16):11-20. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.002

      摘要 (396) HTML (0) PDF 1.69 M (620) 评论 (0) 收藏

      摘要:耕地细碎化是中国耕地利用效率提高和农业现代化转型的关键制约因素。2014年以来中央政府试图通过鼓励土地经营权流转以实现耕地细碎度降低和适度规模经营耕地的目标。然而,少有研究开展中国全域尺度的耕地细碎化趋势分析,土地经营权流转政策的相关实施效果也尚不明晰。该研究基于长时序土地利用数据,辅以景观格局指数、趋势分析和动态面板模型等方法,对1990-2020年中国耕地景观细碎度的时空变化特征进行了识别,并剖析了土地流转政策实施对耕地景观细碎化的影响。结果表明,1)中国耕地景观细碎度大致呈"平原、盆地低、山地、高原高"的分布格局,东北平原、黄淮海平原、长江中下游平原以及四川盆地、准噶尔和塔里木盆地等地区耕地景观细碎度低,而二三级地势阶梯过渡地带以及黄土高原、云贵高原和东南丘陵等地区耕地景观相对细碎;2)1990-2020年中国耕地景观细碎度大致呈"持续细碎化-细碎化改善-波动细碎化"变化特征,其中2004-2013年耕地景观整体呈细碎化趋势,超过70%的县域耕地斑块密度(Patch Density,PD)/形状指数(Landscape Shape Index,LSI)显著增加、聚集度指数(Aggregation Index,AI)显著减小,集中分布在黄淮海平原、长江中下游平原、四川盆地以及两广地区,但2014-2020年70%的省份耕地景观细碎度有所改善,以两广地区表现最为典型;3)土地流转政策显著降低了耕地景观细碎度,此外,区域土地利用变化、非粮化耕地利用、坡度以及灌溉条件等因素也是影响中国耕地景观细碎度变化的重要因素。该研究从全域尺度剖析了中国耕地景观细碎度的时空变化特征并揭示土地流转政策等因素对其的影响,研究结果可为区域耕地景观细碎度变化以及不同土地利用/生态系统类型变化分析提供新思路。

    • 浙江省耕地多功能时空格局变化、影响因素及空间溢出效应

      2022, 38(16):21-32. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.003

      摘要 (689) HTML (0) PDF 1.65 M (605) 评论 (0) 收藏

      摘要:探讨耕地多功能的时空变化规律、影响因素及其空间上的溢出效应或交互作用,对深化耕地多功能认知、提升耕地资源可持续利用能力具有重要意义。该研究选取浙江省为研究区域,基于耕地利用、气象、土壤、社会经济等数据,综合运用GIS制图、空间自相关分析和基于可拓展随机性环境影响评估(Stochastic Impacts by Regression on Population,Affluence and Technology,STIRPAT)的面板空间计量模型探讨了浙江省2000-2015年耕地多功能的时空变化特征、影响因素及空间溢出效应。结果表明:1)2000-2015年浙江省各区县耕地功能综合水平呈现"先减少,后增长"的变化趋势,耕地物质产出功能、净固碳功能和景观美学功能均呈上升趋势,水源涵养功能保持平稳,劳动力承载功能逐步降低;2)耕地多功能水平的提升对邻近地区有较强的辐射影响作用,本县域耕地多功能水平每增长1%将导致邻近县域耕地多功能水平增长0.224%。农业劳动力、农村居民可支配收入和农业机械水平对耕地多功能具有显著的正向效应,第二产业占比和城镇化水平对耕地多功能具有显著的负向效应;3)第二产业占比、农业现代化水平、农业劳动力投入对耕地多功能有直接效应,城乡居民收入、城镇化水平对耕地多功能水平有溢出效应。研究建议重视区县内部以及区县与邻近地区之间的空间交互作用,加强区域间土地整治、生态保护和农业技术升级等多方面合作。应充分考虑各县域资源禀赋的特殊性以及社会经济发展阶段的异质性,制定针对性的耕地保护和农业扶持适应策略。

    • 地块尺度下基于多源卫星遥感数据的粮食作物识别

      2022, 38(16):33-41. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.004

      摘要 (921) HTML (0) PDF 4.86 M (578) 评论 (0) 收藏

      摘要:开展粮食作物监测对于国家粮食安全具有重要意义。在传统像元尺度下,利用单一遥感数据进行粮食作物监测,识别精度往往较低,提取的作物地块破碎,难以满足应用需求。为此,该研究以山东省青岛市黄岛区为研究区,提出了一套地块尺度下综合多源卫星遥感数据(包括高分辨率数据、多时相数据、高光谱数据)与土地利用调查矢量数据的粮食作物信息识别方法。首先,对高分辨率数据进行分割获取耕地地块矢量数据;其次,基于多源卫星遥感数据提取地块级时空谱特征;再次,利用样本数据计算特征类间可分性,并进行特征优选;最后,构建基于二次多项式支持向量机的主要粮食作物(春玉米)识别方法。结果表明:1)该研究所提的方法可以有效进行粮食作物信息识别,基于地块数统计的识别精度为89.7%;2)利用光谱特征、植被指数、纹理特征组合得到的识别结果精度最优,基于像元数统计的精度为97.1%,与传统方法相比提高了24.2个百分点,且提取的地块信息更完整。该研究成果可支持粮食作物种植用地的调查与监测,也可为耕地非粮化时空演变与分析提供新的思路。

    • 三区三线统筹划定中永久基本农田布局优化方法与实证

      2022, 38(16):42-50. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.005

      摘要 (414) HTML (0) PDF 5.42 M (506) 评论 (0) 收藏

      摘要:科学统筹划定"三区三线",是落实主体功能区战略、构建国土空间开发保护新格局的重要举措。针对"三区三线"底版不统一、边界不一致、存在交叉冲突等问题,提出了基于"三区三线"统筹和第三次全国国土调查成果的永久基本农田布局优化技术路线及布局优化原则,构建了永久基本农田生产-生态-景观综合评价指标体系,并在吉林省梅河口市进行了验证。结果表明:1)梅河口市永久基本农田优化后面积为91 680.82 hm2,增加1 290.69 hm2;质量等别为10级的耕地面积增加3 523.99 hm2、12级耕地面积减少2 324.85 hm2;耕地连片度提高,平均图斑面积由1.91 hm2增至2.61 hm2。优化后永久基本农田面积增加、质量提升、布局相对稳定。2)生态保护红线内的20.74 hm2永久基本农田以"开天窗"形式保留,城镇开发边界内的永久基本农田划出1 388.47 hm2(主要为零星破碎、生态质量较差、不稳定的永久基本农田图斑),对仍在城镇开发边界内的优质永久基本农田,以"开天窗"的形式保留,使三条控制线无交叉无重叠。3) 构建的永久基本农田生产-生态-景观综合评价指标体系,将水环境风险指标作为生态功能评价二级指标,考虑了农业面源对水环境的污染风险,兼顾农田生态系统的生态调节和保护功能。该方法充分体现了保障粮食安全、保护生态环境、兼顾城市发展思路,农业、生态、城镇空间布局得到统筹优化,可为新形势下科学开展"三区三线"统筹划定及国土空间规划编制提供方法借鉴。

    • >农业装备工程与机械化
    • 基于EDEM-CFD的柴油机DPF孔道内积碳层堵塞特性研究

      2022, 38(16):51-60. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.006

      摘要 (369) HTML (0) PDF 4.47 M (405) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探究柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)内部积碳层运动引起的堵塞故障,该研究采用积碳层运动与分布可视化试验,并结合离散单元法(E-Discrete Element Method,EDEM)与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD),分别对对称、非对称(ACT)结构D型及O型3种DPF孔道内部的流场压降、积碳层运动及堵塞特性进行分析。结果表明:3种结构的DPF进气孔道中心流速相差较小,但排气孔道中心流速相差较大,ACT结构O型排气孔道的出口流速最快,比对称结构快47 m/s;ACT结构O型的静压差最大,是ACT结构D型静压差的1.4倍,是对称结构的3.3倍;在3种结构的DPF进气孔道中,90%以上的积碳层发生了运动,对称结构的堵塞最严重,在进气孔道前、中、后段均形成了堵塞;ACT结构D、O型DPF的堵塞程度较轻,在进气孔道中、后段形成堵塞,且O型堵塞情况好于D型;积碳层密度越大,堵塞位置越靠近进气孔道入口端,导致进气孔道的有效空间减少;积碳层密度越大,进气孔道内的最大堵塞密度反而减小,表明气体通过堵塞段的流通性能有所改善。相比之下,对称结构DPF的孔道堵塞虽严重,但未经碳加载时的静压差小于2.4 kPa,而ACT结构的孔道堵塞程度轻,静压差却极大,D型最高可达6.3 kPa、O型可达9.1 kPa。研究结果可为解决DPF孔道堵塞问题提供理论依据与工程指导。

    • 扩散段结构对非对称文丘里施肥器旋涡特征及吸肥性能的影响

      2022, 38(16):61-69. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.007

      摘要 (559) HTML (0) PDF 2.72 M (468) 评论 (0) 收藏

      摘要:为减小非对称文丘里施肥器扩散段旋涡区的能量耗散,提升非对称文丘里施肥器在低压灌溉系统中的吸肥性能,该研究通过物理试验与数值仿真,对比分析了直线扩散段与弧形扩散段的非对称文丘里施肥器的工作性能差异。结果表明:将非对称文丘里施肥器扩散段设置成弧形结构有利于减小旋涡区面积及强度,提升非对称文丘里施肥器吸肥性能。与直线扩散段结构相比,弧形扩散段的旋涡区面积减小28.41%~42.37%,旋涡强度减小6.64%~35.65%,吸肥效率提升48.15%~98.25%,提升幅度随进出口压差的增大逐渐减小。旋涡对非对称文丘里施肥器吸肥性能具有显著影响(P≤0.05),减小旋涡区面积或强度、增大旋涡区边界到喉部的距离等均能提升非对称文丘里施肥器吸肥性能。研究结果可为非对称文丘里施肥器的结构设计提供参考。

    • 采用改进U-Net网络的机收大豆质量在线检测

      2022, 38(16):70-80. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.008

      摘要 (687) HTML (0) PDF 3.30 M (523) 评论 (0) 收藏

      摘要:破碎率、含杂率是评价大豆联合收获机的重要作业性能指标,破碎率、含杂率实时数据是实现大豆联合收获机智能化调控的基础。为了实现大豆机械收获过程破碎率、含杂率的在线检测,该研究提出了基于改进U-Net网络的机收大豆破碎率、含杂率在线检测方法。以大豆联合收获机实时收获的大豆图像为对象,使用开源标注软件Labemel对数据集进行标注,构建基础数据集。针对大豆图像粘连、堆叠、语义信息复杂等问题,以U-Net为基础网络结构,结合VGG16网络并在各激活层(Rectified Linear Unit,ReLu)前引入批归一化层(Batch Normalization,BN)防止过拟合;在编码器中提取的特征图后面添加卷积块注意力模块(Convolutional Block Attention Module,CBAM)抑制无关区域的激活,减少冗余部分;采用最近邻插值法的上采样替换解码器中转置卷积,避免转置卷积引起的棋盘效应。试验结果表明:改进U-Net网络能有效地将图像中完整大豆籽粒、破碎籽粒和杂质进行识别分类,完整籽粒识别分类综合评价指标值为95.50%,破碎籽粒识别分类综合评价指标值为91.88%,杂质识别分类综合评价指标值为94.35%,平均交并比为86.83%。应用所设计的大豆籽粒破碎率和含杂率在线检测装置开展台架和田间试验。台架试验结果表明,本文方法的检测结果与人工检测结果的破碎率均值绝对误差为0.13个百分点,含杂率均值绝对误差为0.25个百分点;田间试验表明,本文方法检测结果与人工检测结果的破碎率均值绝对误差为0.18个百分点,含杂率均值绝对误差为0.10个百分点。所提检测方法能够准确在线估算机收大豆的破碎率和含杂率,可为大豆联合收获作业质量在线检测提供技术支持。

    • 基于LoRa技术的联合收获机群通信方法

      2022, 38(16):81-89. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.009

      摘要 (530) HTML (0) PDF 2.04 M (372) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着农业集约化、规模化及产业化的发展,联合收获机开始以机群形式进行多机联合作业,由此衍生出对于联合收获机群物联网及无线通信的需求。在无线通信技术中,LoRa技术在传输距离、部署方式等方面具有独特的优势。该研究提出了一种基于2.4 GHz LoRa技术的联合收获机群通信网络结构和工作模式。对LoRa相关参数使用NS-3网络仿真平台建立仿真模型,对扩频因子分配方案选择、可容纳节点数量和最小发送间隔进行分析,并在联合收获机群模拟通信场景进行仿真,同时开发了机载终端硬件和软件。仿真试验结果表明,在模拟通信场景下,选择特定比例分配扩频因子可改善网络通信性能;在保证90%以上接收成功率的前提下,静态场景下1 625 kHz带宽可支持25个节点以1 s的发送间隔进行通信,在动态场景下1 625 kHz带宽通信时延低于10 ms。田间试验结果表明,"报告(Report)"模式下通信总体成功率为99.3%;"请求(Request)"模式下通信总体成功率为92.5%,平均响应时间为123.07 ms。该研究将2.4 GHz LoRa技术应用于联合收获机之间的无线通信,可为联合收获机机群协同作业时通信提供可行方法。

    • 喷嘴直径对旋转折射式喷头水量分布特性的影响

      2022, 38(16):90-97. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.010

      摘要 (183) HTML (0) PDF 794.75 K (351) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了深入理解喷嘴直径对旋转折射式喷头水量分布特性的影响规律,以R3000型旋转折射式喷头为研究对象,配备6槽喷盘,选用36种不同直径(1.79~9.92 mm)的喷嘴,在室内无风环境下,采用雨量筒放射线布置法,开展了98、196和294 kPa 三种工作压力下的旋转折射式喷头水量分布特性试验。试验结果表明:在98 kPa工作压力下,喷嘴直径1.79~7.54 mm喷头的径向水量分布形式为双驼峰型曲线,喷嘴直径7.94~9.92 mm喷头的径向水量分布形式为单驼峰型曲线;在196和294 kPa工作压力下,喷嘴直径1.79~9.92 mm喷嘴的径向水量分布曲线均呈现单驼峰型曲线。旋转折射式喷头的水量分布均匀性随工作压力增加而下降;在98 kPa工作压力条件下,除个别喷嘴直径(1.79、1.98 mm)以外,喷头的水量分布均匀性均在60%以上。喷头的喷洒半径范围为4~9 m。喷头的喷洒半径随喷嘴直径增加并非呈单调递增趋势;当喷嘴直径超过7.54 mm(对应38#喷嘴),随喷嘴直径增加喷洒半径呈下降趋势。根据试验数据分析结果,确定了喷洒半径随喷嘴直径变化的抛物线模型。喷头的喷灌强度最大值和平均值随喷嘴直径增大而增大,曲线拟合结果表明,喷灌强度最大值和平均值均与喷嘴直径呈明显指数关系,决定系数R2均在0.95以上。研究结果可为低压旋转折射式喷头优化设计、工程应用及促进产品国产化等提供技术依据和参考。

    • 基于改进CYCBD的滚动轴承复合故障自适应诊断方法

      2022, 38(16):98-106. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.011

      摘要 (159) HTML (0) PDF 1.19 M (339) 评论 (0) 收藏

      摘要:为实现滚动轴承复合故障自适应诊断,该研究提出了基于循环含量比-归一化谐波比例(Ratio of Cyclic Content-Normalized Proportion of Harmonics,RCC-NPH)融合指标改进的最大二阶循环平稳盲解卷积(Maximum second order cyclostationary blind deconvolution,CYCBD)方法。首先,构建了RCC-NPH融合指标,解决了CYCBD算法循环频率确定依赖先验知识及遍历所有故障频率空间耗时的问题。其次,根据RCC-NPH融合指标图估计CYCBD的循环频率集,实现了CYCBD参数的自适应选择。再次,采用自适应参数CYCBD方法对输入信号进行解卷积运算,提取了不同循环频率对应的故障信号。最后,对提取的故障信号进行Hilbert包络解调分析,完成故障的辨识。利用该方法分别对仿真信号和轴承复合故障信号进行试验,均能有效检测信号中包含的故障成分,实现了复合故障的自适应诊断。与其他指标相比,该方法能够有效避免噪声和谐波的干扰,适用于复合故障诊断。

    • 低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响

      2022, 38(16):107-116. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.012

      摘要 (245) HTML (0) PDF 4.09 M (302) 评论 (0) 收藏

      摘要:为分析低空急流对风力机械结构载荷的影响,该研究采用谐波叠加法对低空急流谱模型进行计算以生成大气入流,并基于叶素动量理论和几何精确梁方法对一台高度为270 m的15 MW风力机进行载荷分析。结果表明,低空急流在风力机高度范围内的速度剖面呈现射流和强剪切的耦合特征;低空急流最大可使风轮功率增大约40%,风轮俯仰力矩增大50%,风轮偏航力矩增大1.5倍,塔基偏航力矩的波动强度增加60%;同时,还会造成风轮偏航和俯仰力矩功率谱特性呈双阶梯型分布特征;当急流高度低于轮毂高度时,风力机俯仰力矩促使风轮向下倾斜,会增加风力机叶片打塔风险。因此,在低空急流多发地区安装风力机等高耸结构物时,应充分考虑低空急流对风力机结构载荷特性的影响。研究可为风力机在内的大尺寸高耸结构物的载荷安全性分析提供参考。

    • >农业水土工程
    • 土壤含水率和含盐量对盐渍土甲烷吸收能力的影响

      2022, 38(16):117-123. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.013

      摘要 (298) HTML (0) PDF 589.33 K (391) 评论 (0) 收藏

      摘要:甲烷(CH4)是一种强效温室气体,准确认识特定类型土壤CH4源汇特征及影响因子调控作用,对于提升土壤CH4吸收潜力以减缓全球气候变化具有重要意义。该研究以盐渍土为研究对象,在土壤室内培养试验中,设置了3个土壤含水率处理,分别为田间持水率(Field Capacity,FC)的50%(50%FC),75% FC和100% FC,并在每个含水率下设置了6个含盐量处理,电导率分别为0.3、1.0、2.0、3.2、4.9和6.2 dS/m,研究不同土壤含水率和含盐量条件下盐渍土CH4吸收特征。在田间测坑试验中,观测了0.3、1.0和5.0 dS/m 3种含盐量土壤的CH4吸收特征及其对水分动态的响应。室内土壤培养试验结果表明,100%FC下6种盐分水平土壤CH4累积吸收量分别是75%FC下的1.08~1.39倍和50%FC的1.27~1.72倍,表明在田间持水率范围内,含水率升高促进了土壤CH4吸收;在3种含水率下,土壤CH4累积吸收量均随着处理含盐量升高而降低,6.2 dS/m最高含盐量处理的CH4累积吸收量相比0.3 dS/m最低含盐量处理显著降低了42.6%、52.3%和55.1%(P<0.05);相比50%FC,100%FC含水率下高含盐量对土壤CH4吸收具有更强的抑制作用,土壤含水率和含盐量对CH4吸收的影响存在显著的交互作用。田间测坑试验在野外田间条件下进一步验证了室内培养试验的结果,试验观测期内所有含盐量处理土壤CH4吸收速率均与土壤含水率呈显著正相关关系(P<0.01);1.0和5.0 dS/m含盐量处理的累积CH4吸收量分别为0.3 dS/m非盐渍土处理的82.6%和59.8%,高含盐量抑制了土壤对CH4的吸收。研究结果表明盐渍土是CH4的汇,并受到土壤含水率和含盐量显著影响,在盐渍土开发利用中应考虑通过合理的水盐调控以提高土壤CH4汇的能力。

    • 基于USLE模型的云南省坡耕地土壤侵蚀和养分流失评价

      2022, 38(16):124-134. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.014

      摘要 (309) HTML (0) PDF 2.77 M (463) 评论 (0) 收藏

      摘要:定量评估区域坡耕地土壤侵蚀分布规律,是科学制定坡耕地水土流失综合治理规划、开展坡耕地质量建设的基础,然而目前针对省域尺度坡耕地土壤侵蚀和养分流失规律的研究较少。该研究基于GIS空间分析技术和通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE),在模型参数率定与计算精度验证基础上,定量评价云南省坡耕地土壤侵蚀和养分流失特征。结果表明:1)云南省坡耕地土壤侵蚀面积为421.38万hm2,侵蚀总量为376.57×106 t/a,占全省土壤侵蚀总量的63.02%,坡耕地是区域侵蚀产沙的主要策源地;坡耕地平均侵蚀模数为7 986.31 t/(km2.a),总体处于强烈侵蚀等级,剧烈侵蚀、极强烈侵蚀和强烈侵蚀是坡耕地侵蚀产沙的主要来源;不同分区坡耕地侵蚀模数和侵蚀量差异显著,滇西南区侵蚀强度最大,滇东南区侵蚀强度最小。2)随着坡度增加,坡耕地侵蚀面积比例、侵蚀强度、侵蚀量均呈较快增加趋势,土壤侵蚀主要来源于15°~25°、>25°、>8°~15°3个坡度级坡耕地。3)坡耕地流失土层厚度集中分布在0~12 mm/a之间,平均流失土层厚度为7.31 mm/a;耕层更新周期集中分布在20~200 a之间,均值为175.6 a,耕层更新周期-面积分布曲线呈先快速递增,并在某一峰值之后出现快速递减趋势。4)坡耕地养分流失空间分布存在差异性,土壤有机碳、全氮、速效钾、有效磷流失模数分别为223.60、23.94、1.59、0.15 t/(km2·a),坡耕地养分流失是区域养分流失量的主要来源。研究可为区域坡耕地水土流失治理和坡耕地质量建设提供科学依据。

    • 灌区分布式多水源时空优化配置

      2022, 38(16):135-143. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.015

      摘要 (577) HTML (0) PDF 6.78 M (423) 评论 (0) 收藏

      摘要:为充分考虑灌区多水源供需水时空分布不均问题,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为例,通过遥感技术反演土壤含水率并计算不同生育期的土壤水分修正系数,进而计算各子单元的作物需水量;分别以水库配水缺水量最小、灌区效益最大作为配置目标建立灌区分布式多水源优化配置模型,计算并分析9种水文情景下(蓄水高值-降水丰值、蓄水高值-降水平值、蓄水高值-降水枯值、蓄水中值-降水丰值、蓄水中值-降水平值、蓄水中值-降水枯值、蓄水低值-降水丰值、蓄水低值-降水平值、蓄水低值-降水枯值)配水量的时空分布规律。结果表明:通过遥感反演并模拟得出的灌区土壤含水率空间分布符合灌区实际土壤情况;漳滏河灌区4-8月的累计需水量最大,占全年总需水量的76.8%;不同情景下,民有分区的配水量均高于滏阳河分区,且空间分布变化规律明显;为保证灌区的经济效益,应优先选择水价较低、单位面积配水量较高的引黄水作为主要外调水源。研究结果可为灌区水资源时空配置及水资源高效管理提供新思路。

    • 基于水氮管理与种植结构优化的作物丰产高效管理策略

      2022, 38(16):144-152. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.016

      摘要 (245) HTML (0) PDF 1.60 M (501) 评论 (0) 收藏

      摘要:河西走廊农业生产受到水资源短缺与农业资源利用效率低的限制,制约着该地区的种子、粮食生产与农业可持续发展战略。该研究构建了考虑作物水氮需求量、降雨量、土壤初始含氮量的水氮管理制度优化方法,并结合所构建的考虑空间尺度作物产量与水氮利用效率的多目标种植结构优化方法,为河西走廊制种玉米、大田玉米和小麦制定丰产高效的水氮管理与种植结构调整策略,从而实现作物产量和水氮利用效率的协同提升。结果显示:优化的水氮管理制度相比管理现状可减少单位面积灌水量9.1%~27.3%、施氮量26.6%~50.0%;以作物产量和水氮利用效率最大为目标,以种植面积、产量需求和水氮投入量为约束,调整制种玉米、大田玉米和小麦的种植面积与空间分布,优化后制种玉米和小麦种植面积减少、大田玉米种植面积增加,总种植面积减少4 874.8 hm2,且作物种植空间分布较优化前差异明显;水氮管理与种植结构优化协同作用可以在水氮用量分别减少0.29×109 m3和3.36×107 kg的情况下,作物总产量提升0.16×109 kg,区域灌溉水生产力和氮肥利用效率分别提升0.62 kg/m3和18.97 kg/kg。该研究可以为产粮区和缺水区的作物丰产高效和农业可持续发展提供科学指导与决策参考。

    • 新疆焉耆盆地地表温度空间分布特征及其"源-汇"效应

      2022, 38(16):153-161. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.017

      摘要 (520) HTML (0) PDF 5.95 M (364) 评论 (0) 收藏

      摘要:全球变暖和人类活动加剧会不断改变干旱区气候要素,进而影响绿洲的演化方向和宜居性。针对焉耆盆地当前观测条件不足、观测资料种类缺乏等问题,为探究干旱区局地气候变化规律及其影响因素,该研究利用单窗算法反演新疆焉耆盆地地表温度(Land Surface Temperature,LST),在分析地表温度空间分布特征和影响因素的基础上,结合"源-汇"理论定量探讨了焉耆盆地不同土地利用/覆被类型对地表温度的贡献。结果表明:1)土地利用/覆被类型决定地表温度的空间分布格局及其"源-汇"效应变化。未利用地热源效应最强,水体热汇效应最强。草地和建设用地对地表热环境影响不大,耕地的热汇效应大小取决于农业灌溉面积和作物生长状况;2)归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)与地表温度呈负相关关系,NDVI每增加0.1,地表温度下降约1.98~2.66 ℃,湿地中的植被对地表温度的影响较小;3)坡度对盆地内海拔较低且坡度<13°的缓坡区影响最为显著(P<0.01),随着坡度的增加,地表温度增加;4)冷岛效应形成绿洲近地表大气独特的热力结构。随着海拔升高,地表温度先快速升高,在距地面100~300 m高度形成一个高温中心,而后逐渐降低。6月末、7月初产生的大气逆温层厚度超过1 000 m。受逆温层影响,焉耆盆地绿洲距地表100~300 m高度范围内的坡向对太阳辐射的再分配作用消失。研究结果可为干旱区绿洲气候变化和可持续发展提供参考。

    • 基于叶绿素荧光成像的玉米苗期叶片光合特性垂直分布

      2022, 38(16):162-171. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.018

      摘要 (330) HTML (0) PDF 1.73 M (366) 评论 (0) 收藏

      摘要:作物的综合光合作用能力直接决定粮食产量,探明作物光合特性分布机制是开发新品种、研发新农艺的一个关键科学问题。为探究玉米植株光合特性的垂直分布规律,该研究利用荧光成像技术对不同品种和不同氮、水处理的5叶期样本进行图像采集,对植株不同叶片的荧光淬灭特性及荧光参数进行分析。荧光淬灭特性分析表明,叶片光量子产量随垂直高度的增加呈上升趋势;由非加权组平均法聚类产生的四类淬灭特性中,郑单958在不同环境中的荧光淬灭垂直分布异质性小于先玉335和浚单20。关键荧光参数分析结果表明,叶片最大光能转换效率、实际光能转换效率、光反应电子传递活性随垂直高度的增加呈上升趋势,除衰老叶片外的非光化学能量耗散差异性不显著。光合特性垂直分布分析表明,不同土壤氮含量下样本的最大光量子效率(Fv/Fm)有较为显著的二次函数分布特征,随着土壤氮含量的降低,垂直分布的异质性增大;不同品种间的稳态光适应光化学淬灭(qL_Lss)有较为显著的一次函数分布特征,郑单958表现出较强的抗逆性。基于机器学习方法,以荧光参数垂直分布数据分类植株组别的结果表明,郑单958样本的最大光量子效率(Fv/Fm)、微量土壤氮含量下样本的最大光量子效率(Fv/Fm)和干旱环境下样本的稳态非光化荧光淬灭(NPQ_Lss)判别准确率分别达0.82、0.94和0.88,与其他处理及荧光参数相比,垂直分布规律更显著;其他荧光参数的分布特征并不能有效判别样本组别。将叶片按植株形态学自下而上排序,由植株叶片光合垂直异质性关键叶片分析,第2片叶片可以作为垂直分布的"特征叶片"评估玉米品种和土壤氮含量,第1片叶片可以作为垂直分布的"特征叶片"评估植株土壤水含量。

    • 河岸缓冲带植被布局对氮流失的影响

      2022, 38(16):172-179. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.019

      摘要 (307) HTML (0) PDF 905.05 K (349) 评论 (0) 收藏

      摘要:河岸缓冲带(Rriver Buffer Strips,RBSs)已被证明能有效拦截水流并去除氮,该研究旨在揭示不同配置缓冲带对脱氮效果的影响。实地布置河岸植被缓冲带,开展地下径流试验。缓冲带设置3种不同植物种类(水曲柳,五叶枫,杨树),和不同宽度(0、5、10、20、30 m),河岸坡度为3%,树木密度为540株/hm2。在此条件下,研究各类河岸植被缓冲带对地下径流铵态氮、硝态氮和总氮的截留效果。结果表明:20 m宽度河岸植被缓冲带能很好地截留各形态氮素。30 m宽度下,河岸植被缓冲带径流水中的铵态氮、硝态氮和总氮的截留率最高,分别为70.4%、67.7%和69.1%。在不同植物种类缓冲带比较中,杨树可显著降低径流铵态氮和总氮浓度,水曲柳可显著降低径流硝态氮浓度。在宽度与不同植物种类的交互关系中,20 m宽度杨树缓冲带对铵态氮和硝态氮的截留率最高,30 m宽度杨树缓冲带对总氮的截留率最高,为62.1%。研究结果可为东北地区中小型河流河岸缓冲设计最大化截留径流氮污染物提供参考。

    • 三种影响条件下黄河源区高寒草地土壤物理及力学性质

      2022, 38(16):180-189. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.020

      摘要 (257) HTML (0) PDF 744.23 K (336) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探讨放牧和鼠害对黄河源区高寒退化草地土壤物理力学性质的影响,该研究选取位于黄河源区青海河南县高寒草地作为研究区,分别设置禁鼠、禁牧和自然3种影响条件,并将草地依次划分为未退化、轻度退化、中度退化、重度退化4种退化类型。通过测定3种影响条件下4种退化类型草地的土壤含水率、密度、含根量、黏聚力和内摩擦角,分析3种影响条件对不同退化类型草地土壤物理力学性质的影响;采用灰色关联分析法探讨不同退化类型草地土壤含水率、密度、含根量对土壤黏聚力的影响程度。结果表明:随着草地退化程度加剧,土壤含水率、含根量及黏聚力均呈逐渐降低的变化趋势,而土壤密度则呈逐渐增大的变化趋势。进一步研究表明,同一退化类型草地,土壤黏聚力由大至小依次为禁鼠、禁牧和自然条件,且禁鼠条件土壤黏聚力显著大于自然条件(P<0.05);未退化和轻度退化草地,土壤黏聚力与含根量间的关联度相对较高,关联度为0.706~0.778,而中度退化和重度退化草地,土壤黏聚力与密度和含水率间的关联度相对较大,关联度分别为0.586~0.785和0.622~0.779。研究结果对于科学有效防治黄河源区高寒草地退化及其所引起的水土流失、浅层滑坡等灾害现象的发生,具有实际指导意义。

    • >农业信息与电气技术
    • 面向高比例分布式光伏发电消纳的复合型需求侧响应控制

      2022, 38(16):190-197. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.021

      摘要 (290) HTML (0) PDF 679.70 K (326) 评论 (0) 收藏

      摘要:在大力推进分布式光伏发电的形势下,利用负荷侧灵活性资源提升光伏消纳水平并改善电网运行经济性已成为促进新能源发展的重要措施,如何高效进行需求侧响应控制是目前该领域研究的关键问题之一。传统的峰谷分时电价仅根据区域电网内的负荷变化的总体情况确定分时段电价实现削峰填谷,该方法未考虑区域内新增电源的发电特性,从而导致负荷调整的灵活性较差,无法有效解决区域内光伏消纳的问题。该研究针对光伏装机比例较高的区域配电网尤其是乡村配电网,提出一种基于优化调整分时电价时段的激励型需求侧响应和区域集中优化调控相结合的配电网复合型需求响应控制策略。该策略首先结合负荷需求和光伏出力曲线对分时电价峰谷时段进行因地制宜的自适应调整;其次,基于新的电价时段进行用户侧分布式最优出力计划建模,并给出用户侧可削减、可时移负荷的响应调整范围的计算方法;最后由区域调度中心实现负荷集中控制。通过算例对比验证该文方法在计及用户舒适度的基础上,弃光率和系统综合运行成本较优化前均有明显降低,解决了含高比例光伏配电网的光伏消纳及经济运行问题,为配电网精细化管理水平的提升提供了理论依据。

    • 基于Transformer的强泛化苹果叶片病害识别模型

      2022, 38(16):198-206. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.022

      摘要 (684) HTML (0) PDF 2.11 M (633) 评论 (0) 收藏

      摘要:模型泛化能力是病害识别模型多场景应用的关键,该研究针对不同环境下的苹果叶片病害数据,提出一种可以提取多类型特征的强泛化苹果叶片病害识别模型CaTNet。该模型采用双分支结构,首先设计了一种卷积神经网络分支,负责提取苹果叶片图像的局部特征,其次构建了具有挤压和扩充功能的视觉Transformer分支,该分支能够提取苹果叶片图像的全局特征,最后将两种特征进行融合,使Transformer分支可以学习局部特征,使卷积神经网络分支学习全局特征。与多种卷积神经网络模型和Transformer模型相比,该模型具有更好的泛化能力,仅需学习实验室环境叶片数据,即可在自然环境数据下达到80%的识别精度,相较卷积神经网络EfficientNetV2的72.14%精度和Transformer网络PVT的52.72%精度均有较大提升,能够有效提升对不同环境数据的识别精度,解决了深度学习模型训练成本高,泛化能力弱的问题。

    • 耦合全局与局部特征的苹果叶部病害识别模型

      2022, 38(16):207-214. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.023

      摘要 (290) HTML (0) PDF 2.98 M (727) 评论 (0) 收藏

      摘要:为充分利用苹果叶部病害图像类间差异小且类内差异大的特点,该研究基于全局与局部特征的交互式耦合对特征提取方法进行了优化,设计出一种苹果叶部病害识别模型。首先,在全局特征提取分支设计了一个注意力融合模块,以融合通道和空间上的信息而增强卷积提取到的特征图,并由增强后的特征图生成全局特征以及注意力激活图;然后,在局部特征提取分支,利用注意力激活图的引导,设计了一个裁剪模块对原图像进行裁剪,以得到可能包含病害信息的图像块且嵌入生成局部特征;最后,通过设计多头交叉注意力特征耦合模块,实现全局特征和局部特征的双向交叉耦合。基于苹果病害图像数据集的试验结果表明,将全局与局部特征进行交互耦合能有效提升模型对苹果叶部病害图像的特征提取能力,其识别准确率可达到98.23%,且较之单纯的局部或全局特征提取分支,准确率分别提高了3.39与4.61个百分点,所提模型可用于实现自然场景下的苹果叶部病害自动识别。

    • 基于Kinect V3的单株作物自动化三维重建与验证

      2022, 38(16):215-223. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.024

      摘要 (332) HTML (0) PDF 8.92 M (398) 评论 (0) 收藏

      摘要:为高效、精确地对单株作物进行三维重建,以点云方式无损测量作物表型信息,该研究提出一种基于Kinect V3深度相机的三维重建系统。使用步进电机搭建了一个旋转台,并将旋转台面设计成多颜色同心圆,利用同心圆计算平面法向量及圆心两特征信息,用于点云水平校准以及获取点云间的旋转平移矩阵;将Kinect V3采集的多视角点云变换到同一坐标系下,并结合裁剪迭代最近点(Trimmed Iterative Closest Point,TrICP)算法实现了多视角点云的粗配准与精配准,完成了作物三维重建。为检验该研究的三维重建效果,选取菜心、黄瓜苗为试验对象,与多视图立体视觉-运动恢复结构(Multi-View Stereo and Structure From Motion,MVS-SFM)算法重建点云进行对比,并提取叶面积参数与人工测量值进行比较。结果表明,两种方法下重建后的菜心点云间平均距离误差为0.59 cm,黄瓜苗点云间平均距离误差为0.67 cm,具有较高的相似度,而相较于MVS-SFM算法,该研究提出的方法的重建速度提高了约90%;该研究提出的方法所重建点云,菜心叶面积提取与标准参考值相对误差均值为5.88%,均方根误差为3.83 cm2,黄瓜苗叶面积提取与标准参考值相对误差均值别为6.50%,均方根误差为2.08 cm2,都显现出较高的准确性。该研究提出的方法能对单株作物进行快速三维重建,能有效提取叶面积参数,可为作物育种、栽培和农业生产提供高效技术手段和数据支持。

    • 边缘计算在智慧农业中的应用现状与展望

      2022, 38(16):224-234. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.025

      摘要 (709) HTML (0) PDF 2.06 M (570) 评论 (0) 收藏

      摘要:互联网技术快速发展使得数据量剧增,云计算的数据集中处理模式存在实时性不足、能耗过高以及数据安全等一系列问题。边缘计算是在靠近数据源端执行计算的分散处理模式,与云计算相比具有低延迟、低成本、安全性高、个性化设计等优势。随着智慧农业迅速发展,结合深度学习的农业应用屡见不鲜,如作物病害检测、生长环境监测、作物自动采摘、无人农场管理等,边缘计算可以为农业多场景、复杂任务提供高效、可靠的新型数据处理方案。该研究概述了边缘计算的发展,计算架构及主要优势;介绍了边缘计算在农业中的应用背景,结合文献量分析,归纳了边缘计算在农业上的主要应用场景及相关智能农业装备,调研了现有常用边缘计算设备及性能参数,总结了适合边缘计算的主流深度学习算法及模型压缩方法。研究表明边缘计算在智慧农业中的应用有效促进了农业的数字化、智能化,未来在多场景、多功能边缘计算智能农业装备开发等领域将面临重大挑战和机遇。

    • 改进YOLOv5测量田间小麦单位面积穗数

      2022, 38(16):235-242. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.026

      摘要 (678) HTML (0) PDF 3.91 M (1484) 评论 (0) 收藏

      摘要:单位面积穗数是决定小麦产量的主要因素之一。针对人工清点小麦穗数的方法容易受主观因素影响、效率低和图像处理方法鲜有进行系统部署等问题,提出一种注意力模块(Convolutional Block Attention Module,CBAM)与YOLOv5相结合的CBAM-YOLOv5网络结构,通过对特征图进行自适应特征细化,实现更准确的单位面积穗数测量。该研究以本地采集小麦图像数据和网络公开小麦图像数据为数据集,设置输入图像分辨率为1 280,得到CBAM-YOLOv5模型,可以达到0.904的F1分数和0.902的平均精度,测试集计数的平均相对误差为2.56%,平均每幅图像耗时0.045 s,综合对比,CBAM-YOLOv5模型具有显著优势。模型放置于服务器,结合手机端软件和辅助装置,形成单位面积穗数测量系统,实现育种小区麦穗图像实时采集、处理和计数,计数的平均相对误差为2.80%,抗环境干扰性强。该研究方法与装置可以实现田间小麦单位面积穗数的实时在线检测,降低主观误差,具有较高的准确率及较强的鲁棒性,为小麦单位面积穗数快速、准确估测提供一种新的技术和装备支撑。

    • 基于多视图几何的白菜薹分割与关键表型测量

      2022, 38(16):243-251. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.027

      摘要 (551) HTML (0) PDF 4.42 M (372) 评论 (0) 收藏

      摘要:植物表型调查是选育优良品种和基因功能研究的重要依据,为理解植物生长发育规律及环境的作用提供有力支持。针对传统叶菜类植物表型分析方法存在速度慢、误差大、维度限制等问题,该研究提出了一种基于高通量重建和茎叶自动分割的白菜薹关键表型参数提取方法。首先,基于多视图立体几何技术对白菜薹进行多视角RGB图像三维重建、尺度恢复、均匀简化、背景去除及点云去噪等预处理。之后,提出基于超体素的改进植物器官自动分割算法,将植株分为茎、叶片等不同语义类别。在此基础上,给出有效的表型参数计算方法,完成了株高、叶长、颜色等7个关键性状的无损、精确测量。试验结果表明,该研究实现了白菜薹关键表型自动分析,茎叶器官分割的精确率、召回率及F1分数的均值分别为0.961、0.940、0.943;株高、株幅、叶长、叶宽的均方根误差分别为0.261、0.313、0.174、0.100 cm,叶面积及叶片数的均方根误差分别为1.608 cm2和0.283,平均绝对百分比误差分别为1.659%、1.643%、1.417%、2.486%、8.258%、6.000%。与其他方法相比,该研究具有较低的综合误差,可适应叶片形状不规则的植物表型参数提取研究。同时,克服了当前植物冠层幼叶难以分割、表型性状提取效率低等困难,为精准农业领域叶菜表型高效分析提供有效的技术手段,可在进一步的基因型到表型研究中发挥重要作用。

    • >农业生物环境与能源工程
    • 曝气量与辅料粒径对餐厨废弃物辅热生物干化的影响

      2022, 38(16):252-259. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.028

      摘要 (184) HTML (0) PDF 1.56 M (328) 评论 (0) 收藏

      摘要:为解决餐厨废弃物生物干化处理周期长、脱水效率低的问题,该研究分别设置3个不同曝气量(0.4、0.6和0.8 L/(min·kg))和不同辅料粒径(粗粒径>15.0 mm、细粒径<5.0 mm和混合粒径5.0~15.0 mm)进行析因试验,探究其对餐厨废弃物生物干化效果的影响。研究结果表明,相较于粒径而言,曝气量对于辅热生物干化温度变化和除水影响更大。0.6 L/(min·kg)曝气下升温速度较快,高温期持续时间更长,有效积温更高。除0.4 L/(min·kg)和细粒径处理,其他处理辅热生物干化过程高温期均超过7 d;0.8 L/(min·kg)和细粒径处理的除水效果最好,生物干化指数最高为4.0,最终含水率为17.0%,水分去除率为95.8%。能量和水分平衡计算表明:辅热生物干化过程中,主要的除水方式为蒸发除水,占总除水量40%~80%;主要能量来源为生物产热(63.0%~76.0%),能量损失主要有蒸发潜热(26.0%~46.5%)和反应器热损失(28.3%~49.4%),0.8 L/(min·kg)和细粒径处理的能量利用效率最高为65.1%。经过16 d辅热生物干化,除0.4 L/(min·kg)和细粒径处理pH值与发芽指数不能满足腐熟标准,其他处理均能完全腐熟,可满足有机肥标准。

    • 中国农村厕所改造政策、技术与标准现状及展望

      2022, 38(16):260-269. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.029

      摘要 (505) HTML (0) PDF 514.56 K (362) 评论 (0) 收藏

      摘要:厕所革命关乎民生大计,农村厕所改造是实现乡村振兴的重要组成部分。针对农村厕所改造过程中存在厕所改造政策落实不到位、盲目选择厕所类型、粪污处理不当和厕所标准规范不完善等问题,对文献和相关材料进行查阅和梳理。从厕所改造政策发展历程、厕所改造关键技术和厕所改造标准体系及重要标准规范等3个方面对中国农村厕所改造的发展历程进行回顾和研究,提出要确保农村厕所改造的政策文件和资金落实到位、因地制宜选择农村厕所改造和粪污处理的技术与模式、修订完善现有标准规范和补充缺乏的标准内容并形成系统的农村户厕标准体系、基层政府和农村要推动常态化管理维护并形成一体化管理机制等建议,以期为中国农村厕所革命的推进提供参考。

    • 葡萄枝条资源化利用研究现状及进展

      2022, 38(16):270-283. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.030

      摘要 (638) HTML (0) PDF 565.75 K (369) 评论 (0) 收藏

      摘要:中国是葡萄生产大国,随着葡萄产业的发展,每年修剪产生大量葡萄残枝,因葡萄枝条资源化利用率低而引起资源浪费和环境污染等突出问题。因此,葡萄枝条作为可再生生物质资源,其开发利用既可以减轻环境污染,改善生态环境,创造新的经济增长点,推进美丽乡村建设,也符合"双碳"发展目标,是实现资源、环境和经济可持续发展的有效途径。该研究围绕葡萄枝条资源化开发利用总目标,从肥料化、燃料化、原料化3个方面对葡萄枝条资源化综合利用现状和研究进展做了系统分析,总结了现有发展存在的问题,并对未来前景进行了展望,以期为葡萄枝条高值高效资源化综合利用和农业绿色可持续发展提供参考。

    • >农产品加工工程
    • 不同机械伤处理对香蕉果皮活性氧代谢的影响

      2022, 38(16):284-292. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.031

      摘要 (320) HTML (0) PDF 1.52 M (378) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探究不同机械伤处理对香蕉果皮活性氧代谢的影响,该研究以"桂蕉6号"为材料,采用划伤、穿刺、坠落3种不同机械伤处理,以未处理组为对照,测定贮藏过程中香蕉果皮活性氧代谢的变化,并进行相关性分析和主成分分析。结果表明,3种不同机械损伤处理均加速了香蕉果实硬度和叶绿素含量的下降;引起O2-产生速率和H2O2含量的积累,其中划伤处理组的O2-产生速率在贮藏第8 天为对照组的2.0倍,H2O2含量为对照组的2.5倍,这可能与机械伤处理抑制了果皮组织中过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶及抗坏血酸过氧化物酶活性有关;同时,3种不同机械损伤处理加速细胞膜脂过氧化的进程,造成香蕉细胞膜透性及丙二醛含量的升高,其中对照、划伤、穿刺和坠落处理组的丙二醛含量在贮藏第8 天分别是贮藏初期的3.3、3.4、5.4和7.5倍;此外,划伤和穿刺处理均可显著提高香蕉果皮中多酚氧化酶(Polyphenol Oxidase,PPO)活性(P <0.01)。相关性聚类热图分析表明,H2O2含量与香蕉果实硬度、叶绿素含量和抗坏血酸过氧化物酶活性呈极显著负相关(P <0.01),与超氧化物歧化酶活性呈显著负相关(P <0.05);同时,多酚氧化酶活性与H2O2含量、丙二醛含量和细胞膜透性呈现极显著正相关(P <0.05)。结合主成分分析可知,不同机械伤处理均可加速香蕉果皮活性氧的积累进而导致香蕉果实的衰老腐败,其中划伤处理对香蕉果皮活性氧代谢影响最大,其次是穿刺处理,坠落处理对香蕉果皮活性氧代谢影响最小。该研究阐明了香蕉果实机械伤、活性氧和贮藏品质三者的关系,并为香蕉采后不同机械伤控制提供理论依据。

    • 苹果品质动态无损感知及分级机器手系统

      2022, 38(16):293-303. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.032

      摘要 (582) HTML (0) PDF 4.84 M (410) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了实现灵活高效的苹果多品质指标检测分级,基于机器视觉技术及可见/近红外光谱技术,开发了用于苹果内外部品质无损感知及分级的机器手系统。机器手系统采用六轴机械臂搭载自行研发的末端执行器,末端执行器上装载有光学传感器与抓取结构,可以抓取流水线上的苹果并同时采集苹果的光谱进行糖度检测。使用CMOS相机采集苹果图像,训练并使用PP-YOLO深度学习目标检测模型处理采集的苹果图像,计算苹果的坐标位置实现苹果的动态定位,并获取苹果的果径大小、着色度信息实现外部品质检测。采集苹果样本光谱,结合不同的光谱预处理方式,利用偏最小二乘(Partial Least-Square,PLS)方法进行建模分析。试验结果表明,使用PP-YOLO目标检测算法处理图像和计算苹果位置,其识别速度为38帧/s,极大地提高了检测速度。使用归一化光谱比值法(Normalized Spectral Ratio,NSR)作为预处理算法的糖度建模结果较佳。采用NSR+CARS(Competitive Adaptive Reweighted Sampling,竞争性自适应重加权算法)作为机器手的动态光谱模型效果较佳,该动态光谱模型相关系数Rv为0.958 9,验证均方根误差RMSEV(Root Mean Squared Error of Validation)为0.462 7%,与静态下建立的模型相比,机器手在动态状态下采集光谱对所建立的预测模型的预测效果影响较小。对整体机器手系统进行了试验验证,机器手在工作时能够无损伤地抓取苹果,给出果径大小、着色度、糖度3个检测指标并依据指标自动划分等级,然后依据等级信息分级。随后测定了3个指标的实测值与预测值进行分析,果径大小的预测相关系数为0.977 2,均方根误差为1.631 5 mm;着色度的预测相关系数为0.967 4,均方根误差为5.973 4%;糖度的预测相关系数为0.964 3,均方根误差为0.504 8%,预测结果与真实值均具有较强的线性关系和较低的预测误差,机器手系统分级正确率为95%,完成一颗苹果的定位、抓取、检测、分级和放置的时间约为5.2 s,具有较好的工作可靠性,研究结果可为苹果多品质指标的高效检测提供参考。

    • 基于TMU-Net网络的苹果果心分割方法

      2022, 38(16):304-312. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.033

      摘要 (264) HTML (0) PDF 2.99 M (349) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对苹果内在品质检测过程中传统测量果心大小方法效率低、准确性差等问题,该研究提出一种基于TMU-Net网络自动分割果心的方法,将Transformer编码器融入U-Net网络结构中,构建改进U型卷积网络TMU-Net模型。模型由特征提取模块、特征处理模块、解码器、特征拼接模块组成,以VGG-16前13层作为主干特征提取网络,在跳跃连接中叠加多重残差空洞卷积(Multiple Residual Dilated Convolution,MRDC)模块,增大感受野的同时增强了模型对底层特征提取能力。采用数据增强技术对果心数据集扩充后,利用迁移学习方法冻结特定的网络层,对TMU-Net模型进行训练。试验结果表明:引入迁移学习并使用最佳训练方式使模型分割精确率提高了22.48个百分点;TMU-Net网络模型在果心分割任务中实现了96.72%的精确率,与U-Net、PSPNet、DeeplabV3+网络对比,精确率分别提升了14.28、9.98、7.15个百分点。该方法能够精准、有效地实现果心分割,可为实现苹果内在品质智能检测提供参考。

    • 超声辅助酶解促进草鱼鳞胶原肽水解进程的内在机制解析

      2022, 38(16):313-321. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.034

      摘要 (257) HTML (0) PDF 842.36 K (313) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探究超声辅助酶解促进草鱼鳞胶原肽水解进程的内在原因,分别研究了超声对底物蛋白(草鱼鳞)的分子结构、表面疏水性、粒径等理化特性和蛋白酶酶解能力的影响机制,在此基础上,对超声酶解进程进行了动力学拟合,从酶解动力学角度进一步评估了促进草鱼鳞胶原肽水解进程的"超声-酶"耦合效应。结果表明,适当的超声强度(300 W、20 min)可以使底物蛋白的结构展开,此时其表面疏水性最大、粒径最小,使之更适合后续酶解,但当超声功率大于300 W时,底物蛋白会重新聚集,其中的部分疏水基团被掩埋,不利于酶解的进行。同时,当超声功率为300 W、时间为20 min时,单酶酶解组和分步酶解组的酶解能力从2.35×105、3.41×105 U/g分别提高至3.44×105、3.86×105 U/g,且表现出显著性差异(P<0.05)。通过动力学模型对超声辅助单酶酶解(r2=0.988 8)和分步酶解进程(r2=0.960 7)进行了动力学拟合,依据建立的反应动力学方程,证实了超声辅助分步酶解进程更快,研究结果为超声辅助酶解工艺制备胶原肽提供了一定理论基础。

    • 等离子体辅助玉米醇溶蛋白电诱导沉积成膜的工艺优化

      2022, 38(16):322-329. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.035

      摘要 (363) HTML (0) PDF 3.34 M (334) 评论 (0) 收藏

      摘要:天然玉米醇溶蛋白(Zein)具有良好成膜特性,但其在成膜过程中蛋白无序排列导致膜结构不稳定,限制了实际应用。该研究基于玉米醇溶蛋白的电荷特性,将玉米醇溶蛋白置于平行匀强电场下,诱导蛋白有序自组装排列并沉积成膜,且在诱导液中引入低温等离子体预处理以提高诱导效率。分别探究了玉米醇溶蛋白浓度、溶液pH值以及电流密度对蛋白沉积率的影响,并通过Box-Behnken优化试验获得了最佳沉积工艺为Zein浓度139.5 mg/mL,Zein溶液pH 值为8.17,电流密度14.3 A/m2,在优化条件下,玉米醇溶蛋白的沉积率可达1.120 mg/cm2,显著高于未经等离子体处理的沉积率0.483 mg/cm2,表明等离子体辅助可有效提高电诱导中玉米醇溶蛋白的沉积率。扫描电子显微镜图像显示采用等离子体辅助电诱导制备的沉积膜表面更平整、光滑。傅里叶红外光谱分析表明,电诱导可使玉米醇溶蛋白二级结构中β-转角和无规则卷曲结构向β-折叠及α-螺旋结构转化。研究结果为电诱导玉米醇溶蛋白成膜技术提供参考,有利于拓展低温等离子体在蛋白质领域的应用。

    • 基于机器视觉的肉鸡胴体淤血检测技术

      2022, 38(16):330-338. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.036

      摘要 (725) HTML (0) PDF 4.13 M (340) 评论 (0) 收藏

      摘要:肉鸡胴体淤血是一种品质异常现象,给屠宰企业带来较大的经济损失。建立胴体淤血的快速、准确识别技术是产业当前的迫切需求。该研究利用自行设计搭建的肉鸡胴体图像采集装置,研发了一种快速识别胴体淤血的技术方法。采用三方位视觉采集(搭载三光源)系统,实现视场对肉鸡胴体的全覆盖。采用基于全局RGB阈值分割提取出图像的14个特征参数,采用主成分分析降维后得到7个主成分,结合遗传算法训练支持向量机模型。然后基于滑动窗口分割胴体子图像,人工将子图像分为四类并提取出颜色矩信息,结合遗传算法训练支持向量机模型并采用相似性度量对模型分类结果进行修正。发现正视图和侧视图中基于7个主成分的支持向量机模型中,分类准确率分别为86.0%和89.8%,预测时间为0.006 s,RGB阈值分割淤血的效果不理想;基于局部颜色矩支持向量机模型中,分类准确率分别为98.3%和97.9%,预测时间为0.001 s。在测试样本上,结合欧氏距离进行相似性度量对模型分类结果修正后,淤血的识别召回率得到提升,误报率和漏报率降低。该研究提出的基于胴体子图像局部颜色矩信息训练支持向量机模型结合相似性度量方法,可以弥补全局RGB阈值分割淤血的不足,有效识别胴体淤血,为工厂进行胴体淤血的实时检测提供参考。

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