科研产出
P(AA-AM)/SiO2复合保水材料的制备及其在保水缓释肥中应用
《农业工程学报 》 2020 EI 北大核心 CSCD
摘要：开发具有保水缓释双重功能的新型肥料,对于提高水肥利用效率和保障农业可持续发展具有重要意义.该研究探索了纳米二氧化硅(SiO2)对提升保水材料吸水率及改善保水缓释肥性能的效果,采用丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)为原料,首先通过水溶液原位聚合法制备了P(AA-AM)/SiO2复合保水材料,然后采用双层包膜工艺制备了保水缓释肥,在合成保水材料时,丙烯酸和丙烯酰胺的质量比为3.5∶1,引发剂(过硫酸钾和亚硫酸钠)、交联剂(N,N-亚甲基双丙烯酰胺)、增塑剂(丙三醇)和纳米SiO2分别为单体质量的1%、0.04%、15%和2%.保水缓释肥采用转鼓包膜工艺制备,内包膜层为聚氨酯,占肥料核芯的3%,外包膜层为P(AA-AM)/SiO2复合保水材料,占肥料核芯的24%.保水材料的形貌结构和热稳定性用傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)和热重(Thermogravimetry,TG)表征,保水材料的吸水率用过滤法测定;采用土壤培养研究保水缓释肥的保水和持水性能,保水缓释肥的缓释性能用水浸泡法研究.结果发现:纳米SiO2能较好地分散于基体P(AA-AM)保水材料中,与P(AA-AM)保水材料相比,添加纳米SiO2的复合保水材料在去离子水和0.9%Na Cl水溶液中的吸水率分别提高152%和87%,而且热稳定性显著提高;SEM和FTIR结果表明,纳米SiO2能较好地分散于P(AA-AM)保水材料中,SiO2表面含有的硅羟基增加了保水材料的交联密度.相比没有保水层的缓释肥,复合保水缓释肥的土壤持水率和保水率(培养25 d后)分别提高了25.5%和47.2%,肥料释放期由60 d增加到72 d.综上所述,纳米SiO2显著提高了保水材料的吸水率,以此制备的复合保水缓释肥具有优异的保水和缓释能力,该研究为研发高效肥料、提高水肥利用效率提供了新思路.
关键词： 肥料 吸水率 保水材料 2','','VKw mmd2Bm785zEqtxA54JMLNlVfRBxdjG9mvc4UCcwKEY mmd2BLjbyjNGs8nYw==') >SiO2 保水缓释肥 释放期
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小麦种行肥行精准拟合变量施肥控制系统研究
《农业机械学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对黄淮海地区化肥施用过量和肥料利用率低的问题,基于GNSS拖拉机自动导航技术和液压控制技术,提出一种小麦种行、肥行精准拟合的新模式,设计了一种小麦种肥精准拟合变量施肥控制系统.通过安装在拖拉机上的自动导航系统进行施肥作业,记录导航线和施肥作业轨迹,根据机具幅宽和肥(种)管位置分布,对施肥导航线进行平移,从而完成导航播种作业,同时记录播种导航线和播种作业轨迹,实现种行、肥行精准对行作业.小麦种行、肥行精准拟合变量施肥控制系统可以根据用户设置的目标施肥量,实时计算液压电动机目标转速,同步将目标转速指令发送给施肥控制器,控制器根据光电编码器反馈的电动机转速信号,调节电液比例阀开度,进而驱动液压电动机带动排肥执行机构进行排肥,实现液压电动机转速的闭环控制,一次完成带施、旋耕、深层条施的同步变量施用.田间试验结果表明,种、肥精准对行误差最大为6 cm,误差在3 cm以内占90%以上,完全满足黄淮海地区宽窄行种植模式下的作业需求;浅层排肥量最大误差为2. 70%,变异系数最大为0. 05;深层排肥量最大误差为7. 95%,变异系数最大为0. 08,完全满足田间试验需要.田间试验设置常规施量、减量12%施肥二水平三重复,测产结果表明,与常规施肥3 900 kg/hm2的产量相比,减量12%施肥的产量达到3 945 kg/hm2.
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表征冬小麦倒伏强度敏感冠层结构参数筛选及光谱诊断模型
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：针对倒伏胁迫下冬小麦冠层结构变化规律不清、冠层光谱响应机理不明的问题,以灌浆期倒伏冬小麦为研究对象,分析不同倒伏强度下冬小麦冠层结构参数变化规律,通过光谱探测视场内的茎、叶、穗面积比率与倒伏角度的相关性分析,筛选出表征倒伏强度的敏感冠层结构参数,采用传统光谱变换方法与连续小波变换方法对倒伏冬小麦冠层高光谱数据进行处理分析,筛选冠层结构参数的敏感波段和小波系数,采用偏最小二乘法构建冠层结构参数与高光谱特征参量的响应模型,并利用野外实测样本验证模型精度(建模集样本28个,验证集样本13个)。研究结果表明:倒伏后的冬小麦茎叶比与倒伏角度的相关性最高(-0.687,P<0.01),能较好地表征冬小麦倒伏强度,且茎叶比随着倒伏角度的减小而增加;基于连续小波变换的冬小麦倒伏灾情诊断模型优于常规光谱变换方法,检验样本的决定系数为0.632(P<0.01);以冠层茎叶比预测结果进行倒伏灾情等级划分的精度可达84.6%。因此,不同倒伏强度的冠层茎叶比与冬小麦冠层光谱之间的响应规律可以有效区分倒伏灾情等级,有助于为区域尺度的冬小麦倒伏灾情遥感监测提供先验知识。
关键词： 作物 灾害 预测 倒伏 冬小麦 高光谱 茎叶比 连续小波变换
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无人机影像光谱和纹理融合信息估算马铃薯叶片叶绿素含量
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：利用无人机平台搭载多光谱传感器在农业监测上已经有一些应用,但是利用无人机多光谱影像估算作物叶绿素含量的研究较少,特别是融合无人机多光谱影像光谱信息和纹理信息估算马铃薯叶绿素含量的研究更是罕见.基于此,该文利用2018年北京小汤山基地马铃薯各个典型生育期的无人机多光谱影像及实测的叶绿素含量数据,首先提取多光谱影像植被指数和纹理特征等变量,然后分析其与叶绿素含量相关性,筛选出较优特征变量,并开展基于调整R2和K折交叉验证的全子集分析估算马铃薯叶绿素含量.最后将植被指数与纹理特征通过主成分融合构建一种新的综合指标估算叶绿素含量.研究发现:1)多光谱植被指数和纹理特征估算叶绿素含量模型,K折交叉验证均优于调整R2;2)整个生育期,综合指标模型决定系数比植被指数模型、纹理特征模型均有提升,且标准均方根误差均降低.综合指标估算模型较优,多光谱植被指数模型次之,纹理特征模型较差.该研究可为马铃薯生长营养监测提供一种可行的方法,对马铃薯的栽培种植管理具有指导意义.
关键词： 无人机 农作物 遥感 马铃薯 叶绿素含量 多光谱 纹理特征 最优子集分析
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基于无人机数码影像的冬小麦氮含量反演
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：准确、快速地获取关键生育期冬小麦氮素含量,对农业管理者进行田间氮素施肥有重要的决策作用.利用无人机(unmannedaerialvehicle,UAV)搭载数码相机,可以短时间内获取冬小麦长势信息,实现对冬小麦氮素含量动态监测.该研究利用2015年北京市小汤山冬小麦无人机数码影像,采用3种阈值分割方法,将田间植株作物与土壤背景分离.对比影像分割方法的时效性与准确性,最终确定可见光波段差异植被指数VDVI(visible-band difference vegetation index)提取植被信息.按照试验方案要求,在不同的氮肥与水分胁迫管理下,将冬小麦3次重复试验分成48个试验小区,依据小区边界提取小区的红、绿和蓝通道的平均DN(digitalnumber)值,选取25个植被指数,同时与各个试验小区冬小麦不同器官氮含量进行相关性分析,筛选数码影像变量.由于植被指数之间耦合度较高,因此采用主成分分析对原始数据进行成分提取,提取特征向量参与建模,最后利用多元线性回归分析建立氮素反演模型,通过决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和归一化的均方根误差(nRMSE)3个指标筛选出最佳模型,探究各器官氮素含量与数码变量的相关性.结果表明,实验室实测氮素含量与UAV数码影像氮素反演结果及基本一致.在反演模型构建精度方面,3种数据处理结果整体>部分>植被指数,反演效果叶氮>植株氮>茎氮.以冬小麦挑旗期为例,叶片氮含量整体信息提取验证模型的R2、RMSE和nRMSE分别为0.85、0.235和6.10%,比部分信息提取验证模型的R2高0.14,RMSE和nRMSE分别降低0.068和1.77个百分点;比植被指数信息提取验证模型的R2高0.43,RMSE和nRMSE分别降低0.141和3.67个百分点.研究表明,基于UAV数码影像利用多元线性回归构建冬小麦氮素含量反演模型,对试验小区整体提取作物信息的方式反演冬小麦叶氮含量效果最好,相比传统反演方法,模型稳定性更高,可为冬小麦田间水肥决策管理提供参考.
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SPXY算法的西瓜可溶性固形物近红外光谱检测
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI SCI 北大核心 CSCD
摘要：可溶性固形物(SSC)是一种综合参数,主要包括糖、酸、纤维素、矿物质等成分,对评价果实成熟度和品质具有重要意义,影响果实口感、风味及货架期。西瓜可溶性固形物含量的无损快速检测对西瓜成熟度的确定、贮藏及运输过程中西瓜内部品质监控具有十分重要的意义,有助于提高西瓜生产效益和市场竞争力。在西瓜可溶性固形物含量的快速无损近红外光谱检测中,近红外漫透射的方式所需光源的能量大,同时大功率透射会对水果的内部品质产生影响;采用近红外漫反射方式的研究较少,但漫反射采集所需的能量小,有助于实现仪器小型便携化,成本低,同时避免透射引起的水果品质变化。以小型西瓜为研究对象,利用JDSU便携式近红外光谱仪采集西瓜样品瓜梗、瓜脐、赤道部位的近红外反射光谱,在976, 1 186和1 453 nm附近有明显的吸收,利用偏最小二乘回归定量分析方法建立西瓜可溶性固形物的近红外光谱无损预测模型。首先,采用光谱-理化值共生距离(SPXY)算法对西瓜不同检测部位的样品集进行划分,以可溶性固形物含量为y变量,光谱为x变量,利用两种变量同时计算样品间距离,以保证最大程度表征样本分布,有效地覆盖多维向量空间,增加样本间的差异性和代表性,提高模型稳定性。将西瓜样品划分为51个校正集和15个预测集,校正集样本的SSC含量涵盖了预测集样本的SSC含量范围,且变异系数均小于9%,样品集划分合理,有助于建立稳健可靠的预测模型。其次,对比分析西瓜瓜梗、瓜脐、赤道检测部位的近红外反射光谱与可溶性固形物含量之间的定量模型的预测精度,结果得出西瓜赤道部位的反射光谱与可溶性固形物含量相关性较高,预测效果较好,预测集相关系数为0.629,预测集均方根误差为0.49%。对于不同检测部位获取的光谱信息所建立的近红外光谱SSC预测模型的精度问题,一方面与光谱的采集方式有关,另一方面与西瓜的产地、品种、成熟期等因素引起的其性状上的差异有关。在模型建立过程中根据实际情况确定西瓜的检测部位。最后,为提高西瓜赤道部位近红外反射光谱与可溶性固形物含量之间的预测模型精度,采用光谱预处理方法进行优化,结果得出经标准归一化预处理后,建立的偏最小二乘回归预测模型效果最佳,预测集相关系数为0.864,预测集均方根误差为0.33%,模型相关性较好,预测精度得到了很大提升。研究结果表明,近红外反射光谱检测小型西瓜赤道部位能很好预测其可溶性固形物含量,为实际生产中近红外光谱无损快速检测西瓜可溶性固形物含量及小型便携式仪器研发提供了技术储备。
关键词： 小型西瓜 近红外反射光谱 SPXY算法 检测部位 可溶性固形物
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风险矩阵和流程分析法挖掘小麦粉加工中质量安全追溯信息
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：小麦粉加工中原辅料来源多样、追溯信息复杂,已有追溯信息的确定或依靠经验判别或根据信息获取难易程度确定。该研究基于原国家食品药品监督管理总局公布的2014年1月1日-2018年3月31日的共15518批次小麦粉抽检数据,分析其不合格率状况,得到影响小麦粉质量安全的主要因素为脱氧雪腐镰刀菌烯醇、过氧化苯甲酰、铝、铅、镉、苯并芘、脱氢乙酸等7种物质;采用LD50值、致癌性等不同的危害程度指标,对7种风险进行了风险赋值;构建了以风险发生可能性和风险危害程度为核心的风险二维矩阵图,通过识别得到,脱氧雪腐镰刀菌烯醇风险最高,为四级;苯并芘风险为三级;过氧化苯甲酰、铝、铅、镉风险均为二级;脱氢乙酸风险最低,为一级。通过对小麦加工流程分析,对危害物质进行了定位,得到小麦粉追溯的关键节点是原料入库、原粮储藏、物质添加、检化验等4个动态环节以及设备状态、包装材料特性等2个静态特征;以此为基础,从批次编码关联和追溯关键点信息采集角度构建了小麦粉追溯系统;与已有系统相比,该研究在扩展追溯链、优化追溯信息采集内容方面具有优势;为追溯系统研究中质量安全信息的挖掘与分析提供了有益方法。
关键词： 农产品 风险评估 食品加工 追溯 小麦粉 风险矩阵 流程分析
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基于CFD的苹果隔板包装预冷温度场研究
《农业机械学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：温度调控失误和物理损伤是影响采后水果质量损失的关键因素。以单层隔板包装箱和单层普通包装箱为研究对象,采用计算流体力学(Computer fluent dynamic,CFD)非稳态剪切压力SST k-ω三维湍流模型,比较相同初始条件和边界条件下,隔板包装与普通包装内部的温度场分布、风速场分布、冷却时间、冷却速率和冷却均匀性。结果表明:隔板包装和普通包装的冷却时间和冷却速率基本一致,冷却温度差值不超过0. 67℃,冷却速率差值不超过0. 012℃/min,隔板包装温度变异系数略大于普通包装温度变异系数,两种包装具有相同预冷效果,满足冷链运输过程中的预冷需求。对比模拟结果与实验结果,两种结果的均方根误差为1. 13℃,平均相对误差为8. 2%,证明了模拟结果的合理性和准确性。
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纳米增强激光诱导击穿光谱的苹果表面农药残留检测
《光谱学与光谱分析 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：水果表面的农药残留严重危害身体健康,而常规检测方法需要采样处理,耗时、费力.激光诱导击穿光谱技术具有多元素分析和原位测量的能力,在水果表面农药残留检测方面潜力巨大.但是较差的检测灵敏度,限制了此技术在水果表面微量有害元素检测方面的应用.提高激光诱导击穿光谱系统的检测能力是目前的研究热点领域,研究了纳米粒子表面增强技术对苹果表面残留的毒死蜱农药的激光诱导击穿光谱信号的增强效果.通过在被测样品表面涂抹币族金属纳米粒子,然后利用激光诱导击穿光谱激发样品表面,对诱导出的原子发射光谱信号进行测量,实验结果表明,苹果表面涂抹金属纳米粒子后毒死蜱农药中磷元素的特征峰有4倍的增强.此方法的应用对提高果蔬表面微量有害元素的检测能力具有重要意义.然后我们对币族金属纳米粒子的增强效果进行了优化.研究了金纳米粒子和银纳米粒子的增强能力,同时对纳米粒子的粒径的增强效果进行了比较,通过对20 nm的金纳米粒子、20 nm的银纳米粒子和80 nm的银纳米粒子的增强效果比较,发现80 nm的银纳米粒子对苹果表面毒死蜱农药光谱的增强效果最好.研究了信号采集延时时间对光谱信噪比的影响,确定了0.2μs的延时时间可以获得较为理想的信噪比.在以上研究的基础上,采用最优的实验参数(80 nm银粒子增强、0.2μs的延时时间),以毒死蜱中磷元素在213.62,214.91,253.56和255.33 nm处的特征峰峰强作为依据,对苹果表面残留的毒死蜱农药进行了定量化分析.分别采集了毒死蜱残留浓度分别为30,20,15,12,10和6μg·cm-2的苹果表面的L IBS光谱,然后分别利用磷元素的四个特征峰峰强进行了定量化曲线拟合,结果发现LIBS对残留的毒死蜱具有很好的定量化预测能力,R2在0.89以上.根据定量化拟合曲线,探讨了纳米增强LIBS的检测限,计算得到,利用纳米增强LIBS技术测量苹果表面的毒死蜱农药最低可以做到1.61μg·cm-2的检测限.研究证明了金属纳米粒显著提高了LIBS对苹果表面农药残留的检测灵敏度.
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脉宽调制变量控制喷头雾化性能及风洞环境雾滴沉积特性
《农业工程学报 》 2019 EI 北大核心 CSCD
摘要：脉宽调制(pulse width modulation, PWM)技术是实现变量喷雾的重要手段,其工作参数与环境条件决定着施药的精准性。为探究PWM变量喷头雾化及风洞环境沉积特性,该文研制了脉宽调制变量喷雾系统,以农业施药常用空心圆锥雾化喷头喷雾的雾化、沉积特性为研究对象,在IEA-II型常规风速风洞内,通过点阵式放置电容式雾滴沉积传感器测定计算雾滴沉积与沉积评价指数(deposition evaluation index,DEIX),并利用Spraytec雾滴粒径仪测试其雾滴体积中径(volume median diameter,VMD)和雾滴相对分布跨度(relative span,RS)。试验结果表明:占空比在10%～40%间,随占空比增大,雾滴体积中径呈减小趋势,与占空比10%时相比,占空比40%时的雾滴体积中径下降了7.9%;PWM占空比60%时分布跨度最小,较占空比20%时雾滴分布跨度下降9.52%,雾滴谱最窄,获得的雾滴粒径分布最集中。雾滴沉积方面,风速1 m/s条件下,雾滴主要沉积在距喷头3.3 m内,此范围内沉积量占总沉积量的95.7%,当风速超过3 m/s时,在气流作用下,雾滴沉降距离增大,导致雾滴运动偏离施药靶标区域。PWM占空比增加,雾滴沉积评价指数DEIX值降低,雾滴的飘移率增大;相同工况下,风速及喷头高度越大,DEIX越小,施药雾滴越易飘移。该研究可为农业田间实际生产中脉宽调制变量施药技术应用及其工况参数的选择提供依据,为PWM变量调节装置的进一步优化提供研究基础。
关键词： 脉宽调制 喷雾 试验 体积中径 雾滴沉积评价指数 风洞
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