1 东华大学材料科学与工程学院，上海 201620
2 东华大学先进玻璃制造技术教育部工程研究中心，上海 201620
磷酸盐玻璃的主要成分对环境和人体无害，其基本结构决定了它的化学性质不稳定，但其缓释性能在生物医学、抗菌和玻璃肥料等领域具有很大的应用前景。在系统地介绍磷酸盐玻璃的概况及其在缓释领域的主要应用的基础上，详细阐述了它的缓释机理，以及缓释型磷酸盐玻璃在生物医学、玻璃肥料和抗菌材料等不同领域的研究及应用进展，并对其发展前景和发展方向进行了展望。
磷酸盐玻璃 缓释 抗菌 生物医学 玻璃肥料 phosphate glass sustained-release antibacterial biomedicine glass fertilizer
华北水利水电大学水利学院, 河南 郑州 450046
施用有机肥是改善土壤物理结构、 提升土壤肥力、 调控养分平衡的的有效手段之一, 但目前有机肥施用对农田有机质和氮素演化的影响尚不清楚。 研究了施入有机肥后土壤总有机碳(TOC)、 可溶性有机碳(DOC)、 无机氮含量的变化特征, 并利用三维荧光光谱分析了施加有机肥后土壤DOM光谱学特性的变化规律, 结合PARAFAC分析法分析了施加有机肥后不同时期土壤水溶性有机物(DOM)各组分相对含量的变化, 利用2D-COS技术分析各荧光组分随时间的变化顺序, 此外采用典型相关度分析法研究了DOM各组分相对含量与土壤氮素的响应关系, 以探究施入有机肥对土壤有机质和氮素演变的影响。 结果表明: ①施加有机肥提高了土壤总有机碳、 水溶性有机碳和硝态氮含量, 降低了铵态氮含量; ②土壤DOM三维荧光光谱图出现了A峰(UV类腐殖酸)、 M峰(UVA类腐殖酸)、 T峰(类色氨酸), PARAFAC分析结果显示试验土壤DOM主要由陆地源类腐殖酸(C1)、 典型类腐殖酸(C2)、 类色氨酸(C3)组成。 结果还显示, 施加有机肥能提高土壤C1, C2和C3组分的相对含量, 试验期间, 施加有机肥处理后土壤C1, C2和C3组分的相对含量均呈现先上升后下降的趋势, 第30 d达到最大值, 不同荧光组分随时间的变动顺序一般表现为C1和C2组分先增加, 然后C1和C2组合降解促进C3形成, 为简便起见, 可用C1(C2)↑→C3来描述。 类腐殖酸变动幅度较大, 施加有机肥对类腐殖酸促进作用更为显著; ③施加有机肥能提高土壤的生物可利用性, 降低土壤腐殖化程度。 试验期间, 施加有机肥后BIX值呈先上升后下降的趋势, 在第30 d达到最大值; HIX值呈先下降后上升的趋势, 在第30 d达到最小值。 BIX和HIX呈显著负相关(R2=0.732); ④C1, C2和C3相对含量与硝态氮呈正相关, 与铵态氮呈负相关, 且C1和C2组分的相对含量对硝态氮和铵态氮含量的影响较大。 综上所述, 合理施加有机肥可调控土壤有机质和氮素转化, 减少农田面源污染。
土壤有机肥 三维荧光光谱 二维相关光谱 水溶性有机物 氮素 Soil Organic fertilizer Three-dimensional fluorescence spectrum Two-dimensional correlation spectroscopy Dissolved organic matter Nitrogen 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3116
兰州石化职业技术大学应用化学工程学院, 兰州 730060
沸石基缓释肥料不仅显著提高了化学肥料的利用率, 而且具有改良土壤、保持土壤水分、保护生态环境等诸多优点, 在农业可持续发展中具有广阔的应用前景。本文综述了近年来沸石基缓释肥料的缓释机理和应用研究现状。总结缓释机理发现, 沸石对阳离子(NH+4、K+)养分的缓释主要是利用沸石对阳离子良好的吸附和离子交换性能, 而沸石对阴离子(NO-3、PO3-4、SO2-4)养分的缓释则需要对沸石表面进行阳离子改性。此外, 沸石与磷矿在土壤中的结合可以促进有效磷的溶解, 进而促进植物生长。应用研究表明, 影响沸石基缓释肥料性能的因素主要包括: 沸石的类型和粒径、沸石的施用剂量和方法、土壤质地和结构以及肥料的类型和来源等。结合目前的研究现状, 对沸石基缓释肥料进行经济性评价, 加强工艺开发及应用示范是未来重点研究的方向。
沸石 缓释肥料 缓释机理 养分利用率 土壤改良 土壤保水 zeolite slow release fertilizer slow release mechanism nutrient use efficiency soil amendment soil moisture retention
1 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
3 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所, 黑龙江 哈尔滨 150086
4 黑龙江省农业科学院克山分院, 黑龙江 齐齐哈尔 161000
5 沈阳农业大学土地与环境学院, 辽宁 沈阳 110866
富里酸(FA)是土壤腐殖质的重要组成成分, 是土壤腐殖化过程中的中间物质, 其结构特性对提高土壤有机质具有重要的指示作用。 有机无机肥配施是实现土壤培肥、 秸秆资源利用、 减少无机肥施用的有效措施。 为探讨黑龙江省黑土区秸秆有机肥替代无机肥对土壤FA的影响, 设置不施肥(CK)、 单施无机肥(NPK)、 有机肥替代无机氮肥25% (NPKM1)、 有机肥替代无机氮肥50% (NPKM2)、 有机肥替代无机氮肥75% (NPKM3)及有机肥替代无机氮肥100% (NPKM4)6个处理, 测定土壤有机碳(SOC)和FA含量。 利用荧光指数(FI)、 自生源指数(BIX)表征土壤FA的来源, 腐殖化指数(HIX)指示土壤的腐殖化程度。 采用三维荧光光谱-平行因子分析法, 分析土壤FA的荧光组分及最大荧光强度(Fmax), 并利用冗余分析(RDA)探讨荧光强度、 土壤有机碳和试验处理间的响应关系。 结果表明: 与NPK处理相比, 有机无机肥配施处理均显著提高了SOC和土壤FA含量, 其中对NPKM2处理影响最大, SOC含量提高8.06%, 土壤FA含量提高13.84%。 土壤FA受自生源和外生源共同作用的影响(FI>1.4, 0.8Fmax值先升高后降低, 类蛋白质Fmax值逐渐降低。 NPKM2处理类富里酸和类胡敏酸的Fmax值最高, 类富里酸的相对百分比最高。 RDA结果表明NPKM2处理对SOC、 土壤FA含量和Fmax值的影响最大。 因此, 基于土壤FA荧光光谱特性分析可知, 为提高土壤有机质含量、 增加秸秆利用率、 减施无机肥, 秸秆有机肥替代无机氮肥50%处理为最佳有机无机肥配比。
黑土 有机无机肥配施 富里酸 三维荧光光谱 Black soil Organic-inorganic fertilizer combined application Fulvic acid Three-dimensional fluorescence spectrum 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3518
1 北京理工大学物理学院, 北京 100081
2 宝瑞激光科技(常州)有限公司, 江苏 常州 213000
采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对复合肥样品中氮(N)、磷(P)和钾(K)等营养元素进行定量分析。实验中一共选取20个样品,由于样品量较少,为了提高预测精度,采取一种新的数据提取方式来建立训练集和预测集。利用PLS结合主成分分析(PCA)为训练集的光谱数据建立定标模型,定标过程中选取12个主成分。N、P、K三种元素定标模型的决定系数分别为0.99、0.98、0.99;20个样品中 N、P、K元素含量(质量分数,下同)预测的平均相对误差分别为2.33%、0.70%、3.00%。之后对定标模型的鲁棒性进行检验,其中N、P的平均相对误差大多维持在12%以下。采用基于统计学原理的数据抽取方式扩充样本光谱数据后,与未扩充时相比,被测元素含量的平均相对误差降幅均在10%以上。实验结果表明,当样本数量较少时,利用所提的数据提取方法结合PLS定量分析可以提高检测的准确度,实现复合肥样品中N、P、K等营养元素的快速检测。
光谱学 激光诱导击穿光谱 复合肥 偏最小二乘法 小样本量 中国激光
2021, 48(23): 2311003
1 沈阳农业大学植物保护学院, 沈阳 110866
2 保光科技发展有限公司, 天津 301700
硅是地壳中重要的元素, 且在水稻生长中发挥重要作用, 但叶面喷施硅肥对水稻增产和抗病虫的影响研究甚少。为探讨叶面硅肥的作用, 本文通过大田试验研究了叶面喷施硅肥对水稻的农艺性状、抗病和抗虫性的影响。田间试验结果表明, 与对照相比, 叶面喷施硅肥的水稻植株颜色更绿、茎秆更粗壮且抗倒伏, 分蘖数、穗数、每穗的实粒数、千粒重及产量均提高, 并且二化螟蛀虫数减少, 未发生纹枯病。叶片离体接种试验进一步证明, 叶面喷施硅肥可显著提高水稻对纹枯病的抗性。
水稻 叶面硅肥 农艺性状 抗病和抗虫性 纹枯病 rice foliar silicon fertilizer agronomic trait resistance to disease and insect rice sheath blight
响应“一控两减三基本”的要求, 在不减产的前提下减少化肥用量, 研究全程机械化大苗机插条件下不同增密减肥处理的水稻叶绿素相对含量(SPAD值)光谱估算模型。分析水稻叶片SPAD值与冠层一阶微分光谱的相关性, 建立基于敏感波长及一阶微分光谱参数的SPAD值估算模型, 用决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)、相对误差(RE)对模型精度进行评价。结果表明: 6个处理在634～652 nm、655～668 nm、497～552?nm及687～711?nm波段内达极显著相关, 相关系数均达到0.700以上; 以敏感波长为自变量估算SPAD值的模型中, 低密度减肥的多项式模型估测效果最佳, 其建模集R2、RMSE和RE分别为0.766、1.185和2.152%, 验证集R2、RMSE和RE分别为0.729、0.364和0.752%; 以光谱参数为自变量的估算模型中, 中等密度减肥模型的估测效果最好, 其建模集R2、RMSE和RE分别为0.703、1.314和2.359%, 验证集R2、RMSE和RE分别为0.763、0.620和1.198%。研究发现: 在同密度条件下, 减肥会导致SPAD值降低, 长势偏弱; 移栽密度越大, 光谱反射率相对越高; 移栽密度对水稻冠层光谱反射率的影响大于施肥水平。各处理均表现为差值光谱指数(DSI)的模型效果最优, 说明敏感波长及光谱参数的选择对模型的构建至关重要。
杂交稻 增密减肥 机插 SPAD值 光谱指数 hybrid rice increase density and reduce fertilizer machine-transplanted SPAD value spectral index
1 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
2 北京市农林科学院植物营养与资源研究所, 北京 100097
3 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所, 黑龙江 哈尔滨 150086
4 沈阳农业大学土地与环境学院, 辽宁 沈阳 110866
为探讨施用增效肥料后对土壤富里酸(FA)荧光特性及腐殖化程度的影响, 在黑龙江省黑河市嫩江县和爱辉区两个试验区采取相同施肥处理, 设置5个处理组: 平衡施肥(NE)、 平衡施肥减量25%(CK) 、 平衡施肥减量25%+纳米碳增效剂(T1)、 平衡施肥减量25%+沸石增效剂(T2)、 平衡施肥减量25%+生物炭增效剂(T3), 分析土壤中FA荧光光谱特性的变化情况。 三维荧光区域积分（FRI）方法不同肥料处理区域Fmax相对含量的变化表明, 施用增效肥料可以提高土壤腐殖化程度, 其中T2＞T1＞T3＞NE＞CK, 沸石增效处理对于提高土壤腐殖化程度、 提高土壤的供肥水平表现最为显著, 其在嫩江试验区的可见荧光FA区域Ⅴ与紫外荧光FA区域Ⅲ所对应的物质相对含量的比值（PⅤ, ｎ/PⅢ, ｎ）较CK处理提高了5.81%, 根据平行因子分析方法将土壤FA分为C1组分和C2组分, 其中C2组分与C1组分Fmax的比值（C2/C1）较CK处理提高了22.09%; 在爱辉试验区的PⅤ, ｎ/PⅢ, ｎ较CK处理提高了4.65%, C2/C1较CK处理提高了20.93%; 根据平行因子分析（PARAFAC）结果, 各处理土壤FA可分为C1和C2两个组分, C1组分为类富里酸(Ex/Em=230 nm, 320/410 nm), C2组分为类胡敏酸(Ex/Em=265/465 nm), 施用三种增效肥料均可以提高土壤的供肥能力, 其中NE＞T2＞T1＞T3＞CK。 与CK处理相比, T1, T2和T3三个增效处理中, T2增效处理的提升作用最为明显, 采用沸石作为肥料增效剂对于土壤FA的积极作用要优于纳米碳和生物炭, 因此长期施用沸石增效肥料可有效提高土壤供肥能力, 能够改善土壤生态环境。
增效肥料 富里酸 腐殖化 三维荧光光谱 平行因子分析 Synergistic fertilizer Fulvic acid Three-dimensional fluorescence spectrum Humification Parallel factor analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1360
东北农业大学电气与信息学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
为了通过植被指数（VI）准确、 可靠的获取不同施肥梯度、 不同品种的水稻叶面积指数（LAI）, 提出了一种基于改进的QGA-ELM算法应用于水稻LAI反演。 首先通过8折交叉验证确定极限学习机(ELM)最佳的隐含层神经元个数与隐含层激活函数类型, 再通过引入组合动态旋转角策略、 单点混沌交叉操作、 混沌变异操作、 确定性选择策略、 量子灾变操作对量子遗传算法（QGA）进行改进, 最后使用改进后的QGA算法优化ELM神经网络输入层到隐含层的连接权值和隐含层的阈值。 为了验证该模型普适性和有效性, 依次建立多元线性回归、 BP、 ELM、 QGA-ELM、 改进的QGA-ELM算法5种模型, 并在不同数据集上进行反演效果比较, 结果表明: （1）对比QGA-ELM算法和改进的QGA-ELM算法进化过程, 改进的算法能有效提升模型寻优能力, 避免算法早熟, 且能寻得更优结果。 （2）对比五种算法在不同数据集上的反演效果, 验证了NDVI, RVI与LAI之间主要为非线性关系, 且ELM神经网络模型反演效果要优于BP神经网络模型和多元线性回归模型。 （3）对比五种算法在不同数据集上的反演效果, 改进的QGA-ELM算法绝大部分情况下拥有最高的反演精度和最低的误差, 改进后的算法反演精度得到了明显提升, 泛化性能也得到了增强。 （4）改进的QGA-ELM算法在各种施肥梯度上均具有最高反演精度和最低误差, 且精度较高, 能为不同生长状况水稻LAI反演提供依据。 （5）五种模型对庆和香LAI反演精度均要高于龙稻18, 而改进的QGA-ELM算法在不同水稻品种上依然具有较高的反演精度, 且在不同水稻品种上反演精度相差极小, 远低于其他四种模型, 能很好适应不同水稻品种LAI反演要求, 极大提升模型的稳定性性, 为不同水稻品种反演提供参考意义。
改进的QGA-ELM算法 叶面积指数反演 施肥梯度 水稻品种 Improved QGA-ELM algorithm Leaf area index inversion Fertilizer gradient Rice varieties 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1227
湖南农业大学农学院/中国南方粮油作物协同创新中心, 湖南 长沙 410128
油菜是我国第一大国产植物油来源, 大田生产中需要施加适量的微肥以提高产量和品质。 筛选出一种可提高油菜产量的微肥配方需要经过复杂的大田统计和产量测定, 因此构建出能快速筛选微肥的模型十分重要。 以高油酸油菜“帆鸣1号”为试验材料, 使用地物波谱仪测定了不同微肥条件下全生育期的光谱反射率, 并用乙醇提取法准确测定叶绿素含量。 将光谱反射率、 叶绿素含量和最终产量性状两两间进行相关性分析。 产量测定表明, 施加微肥可以提高油菜产量和蕾薹期时叶绿素的含量, 使单株产量最高提高2%。 光谱参数与叶绿素相关性分析表明, 蕾薹期时叶绿素含量与光谱参数550和720 nm相关性较高, 表明蕾薹期光谱参数可用于预测产量进而筛选出能提高油菜产量的微肥。 叶绿素含量和产量相关性分析表明, 蕾薹期时, 叶绿素含量与产量相关性较高。 光谱参数与产量相关分析表明, 550和720 nm的光谱反射率与产量之间均呈显著负相关性。 光谱参数与产量相关分析表明, 550和720 nm的反射率与产量之间均呈显著负相关性。 综合分析施肥量、 光谱参数、 产量和叶绿素变化可知, 蕾薹时光谱参数550和720 nm与产量相关系数模拟的线性方程可用于微肥的筛选, 线性方程分别为y=-32.362x+33.097, y=4.069 5x+35.386, y=28.849x+23.735, y=-19.023x+31.005, y=12.447x+24.586, R2均大于0.6。 综合分析施肥量、 光谱参数、 产量和叶绿素变化, 油菜生长至蕾薹期时光谱参数550和720 nm与产量相关系数模拟的线性方程R2≥0.6时的微肥配比可以使产量提升。 本研究结果表明, 蕾薹期光谱参数可用于预测产量进而筛选出能提高油菜产量的微肥, 可增加样本量进一步检测相关性并开展后续验证。 鉴于地物波谱检测技术具有过程高效, 不使用化学试剂, 无需对样本进行破坏性取样, 成本低, 该模型的建立对开展大规模高油酸油菜微肥配方的快速筛选具有重要意义, 为筛选油菜微肥和促进油菜产量研究提供了理论基础。
微肥 油菜 光谱反射率 叶绿素含量 产量 Microelement fertilizer Rape Spectral reflectance Chlorophyll content Yield
