基于TDLAS-bLS方法的夏玉米农田氨挥发研究

采用开放光程可调谐二极管激光吸收光谱技术和反向拉格朗日随机扩散模型,通过田间试验,开展基于高时间分辨率数据的农田氨挥发研究,旨在为揭示农田氨挥发的动态变化规律提供新技术新方法。结果表明,TDLAS-bLS法能有效监测农田氨挥发动态,尤其是日内变化规律。豫北平原潮土农田夏玉米追肥后日内氨挥发有两个挥发峰值,分别在9:00和14:00左右,第一个高峰是由于夜晚溶解在露水中的氨气随露水蒸发而再次挥发,第二个高峰受地温和光照影响所致。追肥后氨挥发速率迅速升高,但挥发高峰期持续时间较短,集中于前四天,整个监测期内氨挥发损失约25.3%。TDLAS-bLS法与通气法相比,测定结果有一定差异。     

奶牛场氨排放特征的光谱检测

为实现奶牛场氨气减排,改善生态环境,需要在线监测氨挥发浓度并准确揭示氨排放特征。采用开放式可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术设计了开放式氨气在线监测系统,结合反演式气体扩散技术开展相关研究,于2013年秋季和冬季在保定市某奶牛厂进行了氨排放浓度在线监测和排放特征分析工作。监测结果表明,秋季氨气浓度峰值为6.11×10-6%,冬季氨气浓度峰值为6.56×10-6%,氨浓度具有日变化趋势,基本呈白天浓度低,夜晚浓度高的特点。由反演气体扩散模型得到秋冬季氨排放特征,氨排放峰值均出现在中午,秋季氨排放速率为1.48～130.6 kg/head/hr,冬季氨排放速率为0.004 5～43.32 kg/head/hr,秋季的排放速率高于冬季,说明奶牛场尺度下的氨排放存在一定的季节性差异。该方法可以有效获得大范围、高灵敏、免采样、快速气体排放特征结果,为奶牛厂的氨排放监测和科学养殖提供技术支持。     

FTIR光谱法测量不同化肥的氨挥发

氨挥发是化肥损失的重要途径,同时加剧了温室气体排放和水体富营养化。限于技术和资金条件,国内外氨挥发研究主要使用静态闭路箱法、半开放法、间歇通气法、质量平衡法及风洞法。文章利用FTIR光谱法,基于HITRAN数据库采用非线性最小二乘拟合气体浓度反演算法,测量对比了不同化肥的氨挥发,并简单分析了原因。试验表明,FTIR分析技术用于化肥的氨挥发测量,是一种操作简单,分析效率高,能满足实时、连续、准确要求的测量技术,可以满足野外田间作业的需要。     

北京地区草地蒸散影响因素分析方法的比较

草地蒸散直接影响近地层大气和下垫面间的能量和水分交换,从而影响大气边界层结构和气候。因此利用涡度相关技术测量北京市郊草地蒸散及气象因素数值,并利用相关分析、灰关联、BP神经网络方法定量地分析气象因素对蒸散的影响。分析结果表明,正确率由高到低依次为BP神经网络法、相关分析法、灰关联法;各因素对其影响权重由大至小排序为:太阳辐射、气温、大气相对湿度、水平风速、垂直风速;在植被生长季节,蒸散速率随有效光辐射、气温、水平风速、垂直风速的增加,大气相对湿度的下降而升高。     

基于多时相航空高光谱遥感影像的冬小麦长势空间变异研究

精准农业技术是基于农田信息在空间和时间上存在的差异而实施的变量管理技术,本研究以2001年～2002年度在国家精准农业研究示范基地开展的冬小麦变量施肥对比试验为基础,获取冬小麦拔节期、灌浆初期及乳熟期的推扫式成像光谱仪(pushbroom hyperspectral imager, PHI)航空高光谱影像数据,提取反映冬小麦长势光谱参数,进行变量施肥处理区与常规处理区冬小麦长势空间变异的对比。研究发现,变量区与对照区光谱反射率分散度最大的区域主要集中在红边及近红外反射平台的附近, 其中,乳熟期冬小麦光谱分散度最大,其次为拔节期和灌浆期。通过对比不同时相冬小麦长势信息,发现拔节期变量区作物长势空间变异程度要高于对照区,经过变量施肥处理后,灌浆期和乳熟期变量施肥区冬小麦长势空间变异程度低于对照区;对冬小麦产量的分析发现,变量区产量的总体空间变异小于对照区,但变量区总体产量略低于对照区。研究表明,利用遥感影像数据,可以及时获取作物长势的空间变异情况,为农业管理的生产、决策及时提供信息。     

基于无人机多光谱影像的冬小麦返青期变量施氮决策模型研究

氮素是影响冬小麦生长的重要元素,如何根据冬小麦需求适时变量施用氮肥是现代农业精准施肥研究需要解决的关键问题之一。无人机遥感技术在冬小麦生长情况监测中具有高分辨率、高时效性、低成本等优势,为解决施肥需求监测问题提供了重要数据源。因此研究无人机多光谱影像数据,构建其与冬小麦产量与施肥量之间的关系模型对于精准施肥研究十分重要。选择冬小麦典型生产区山东省桓台县为实验区,布置4种不同施氮水平的田间实验。利用无人机搭载Sequoia多光谱传感器,采集实验区不同氮素施肥水平的冬小麦返青初期多光谱影像,同时测得冬小麦冠层叶绿素含量（soil and plant analyzer development,SPAD）数据及产量数据。通过多光谱影像数据计算获得归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）、叶绿素吸收指数（modified chlorophyll absorption ratio index,MCARI2）等6种形式植被指数,建立无人机多光谱影像植被指数与小麦冠层SPAD值的线性、二阶多项式、对数、指数和幂函数模型,优选地面氮素状况最优植被指数模型,反演冬小麦不同施氮水平的状况,进而根据不同施氮水平与敏感植被指数和冬小麦产量的关系,构建了基于植被指数指标的氮肥变量施肥模型,并将模型应用于同时期小麦多光谱影像。结果如下：（1）地面实测的SPAD值能较好的反映冬小麦施氮水平及生长状况。无人机多光谱数据分区统计结果表明不同施氮水平冬小麦冠层反射率有较大差异性。（2）结构性植被指数与SPAD拟合效果优于其他类型指数。MCARI2的二阶多项式模型精度最优（R2=0.790,RMSE=0.22）,其能较好的移除冬小麦返青初期土壤背景等因素的影响,为氮肥敏感植被指数。（3）基于产量-施氮量模型和产量-敏感植被指数模型,构建敏感植被指数的氮肥变量施肥模型为N_r=10 707.63×MCARI22-5 992.36×MCARI2+715.27。通过模型应用生成了实验区冬小麦氮肥变量施肥图,与实际情况具有较高一致性。该研究提出了利用无人机多光谱数据进行冬小麦施氮决策的模型及方法,为冬小麦精准施肥的进一步研究提供了依据。     

基于无人机高光谱遥感的冬小麦全氮含量反演

氮素是作物生长发育必需的营养元素之一,作物的全氮含量是表征其氮素状况的主要指标。田块尺度的冬小麦全氮含量空间分布监测可以辅助其精准定量追肥,减少环境污染。无人机高光谱遥感具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物长势信息反演提供重要数据源。XGBoost（extreme gradient boosting）作为一种新兴集成学习算法,运行效率高,泛化能力强,可以有效的应用于构建冬小麦全氮含量遥感反演模型,预测田块尺度冬小麦全氮含量空间分布。以农业部蒙城砂姜黑土生态环境站内拔节期冬小麦为研究对象,开展以下工作: （1）以低空无人机搭载高光谱成像仪获取冬小麦拔节期冠层成像光谱影像,结合地面采样数据,获取126个样点全氮含量数据;（2）分析拔节期冬小麦冠层光谱特征,并根据Person相关系数分析176个波段的光谱反射率与全氮含量之间的相关性;（3）构建基于XGBoost算法的不同土壤肥力条件下拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱反演模型。结果表明: （1）176个波段（400~1 000 nm）的光谱反射率与冬小麦全氮含量之间具有较强的相关性,除了735.5 nm外其他波段光谱反射率与全氮含量之间的相关系数均大于0.5;（2）基于XGBoost算法构建的拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱遥感反演模型具有较高的反演精度（R2=0.76,RMSE=2.68）;（3）基于XGBoost算法的冬小麦全氮含量反演模型可以获取不同土壤肥力条件下田块尺度的全氮含量空间分布图,总体上呈现较为显著的空间差异。该研究可为冬小麦精准定量追肥提供一定的科学依据,也为发展无人机高光谱遥感的精准农业应用提供了参考。     

高光谱研究不同施肥条件对冬小麦冠层光谱的影响

高光谱定量研究土壤养分含量和冬小麦冠层光谱特征之间的关系,可为冬小麦养分丰缺监测和科学合理指导施肥方案提供理论依据和技术支持。基于35年长期定位试验,研究黄土高原渭北旱塬土壤不同施肥处理对冬小麦冠层不同生育期光谱特征的影响,结果表明:在单一施肥条件下,与不施肥(CK)相比,冬小麦从拔节期到抽穗期,单施P的CR_(500), CR_(670)和CR_(550)值均高于CK,而单施N和M的光谱反射率显著低于CK。拔节期单施P, N和M的CR_(500)值分别为CK的1.2倍、 74.9%和70.5%; CR_(670)值分别为CK的1.2倍、 66.8%和62.6%; CR_(550)值分别为CK的1.2倍、 76.2%和76.9%。冬小麦抽穗期各处理反射特征峰谷比拔节期明显增强,单施P, N和M的CR_(500)值分别为CK的1.2倍、 81.0%和53.5%; CR_(670)值分别为CK的1.3倍、 76.8%和40.6%; CR_(550)值分别为CK的1.2倍、 78.5%和63.4%。冬小麦至灌浆期,各处理反射特征峰谷均明显减弱;至成熟期,不同施肥处理下冬小麦光谱的"峰谷"差异不再明显。包络线去除后单一施肥条件下的红谷光谱特征表明,除成熟期外,单施P的冬小麦红谷面积(A)、红谷左面积(AL)和吸收峰对称度(S)均高于CK,单施N和M均低于CK。在组合施肥条件下,所有施氮组合NMP, NP和NM均表现出相似的规律,在可见光波段红、蓝光吸收谷深度和绿光反射峰值以及近红外波段的光谱反射率均显著低于CK; PM组合光谱反射特征值略低于CK。与CK相比,冬小麦从拔节期到抽穗期, PM组合处理光谱反射率特征值略低于CK; NM, NPM和NP处理光谱反射率特征值之间差异较小但显著低于CK。NM, NPM和NP处理的CR_(500)值分别为CK的25.85%, 27.99%和26.07%; CR_(670)值分别为CK的12.56%, 13.27%和13.98%; CR_(550)值分别为CK的33.39%, 35.38%和37.04%。而PM处理CR_(500), CR_(670)和CR_(550)值分别为CK的67.52%, 55.69%和79.40%。冬小麦至灌浆期,各组合处理反射特征峰谷较抽穗期均明显减弱;冬小麦至成熟期,不同施肥组合处理之间的光谱反射吸收特征差异不明显,但均显著低于CK。连续统去除后组合施肥条件下的红谷光谱特征表明,各生长期冬小麦红谷面积(A)CK最大, PM处理次之, NM处理最小。     

SOF-FTIR在化工厂区氨气排放通量测量中的应用

介绍了一种化工厂区污染气体排放通量实时监测的新方法,即太阳掩星法傅里叶变换红外光谱技术(SOF-FTIR),提出了复杂条件下的背景谱、测量谱和污染区域周边大气透过率谱获取模型。通过对欲监测的污染源区域周边做闭合环路连续测量以获得测量光谱,最终应用非线性最小二乘拟合算法对污染源区域污染气体的柱浓度信息进行反演,并结合实验时气象参数以及GPS信息得到该区域污染气体的排放通量。运用此方法实际遥测了某化工厂区氨气的排放情况,并对氨气气体浓度分布及排放通量进行了定量分析。相对于传统的FTIR监测方法,该方法操作简单、机动性强,在污染气体区域监测以及其他污染源污染排放应急监测等应用领域具有良好的应用前景。     

太阳能腔式吸热器启动过程性能的数值模拟

提出了由太阳能腔式吸热器所需净能量推算其开口所需太阳光功率的计算模型.通过给定吸热器温升速率,计算得到了腔式吸热器在启动过程所需的净能量.根据吸热器所需净能量,结合吸热器的实际结构和周围的风速条件,计算获得了吸热器启动过程开口所需功率随时间的变化规律,并得到了启动过程的效率曲线和热损失曲线,可为吸热器的高效和安全启动提...     

基于长光程的土壤氧化亚氮排放规律的FTIR光谱法研究

氧化亚氮（N₂O）的过量排放会对臭氧层造成破坏,合理施肥和采取减排措施对减缓温室效应具有重要的现实意义。本文利用FTIR光谱法研究了施肥和水分对白菜地土壤排放N₂O的影响。为了提高系统的灵敏度,我们利用多个反射镜加长了光程。通过比对施肥前后N₂O红外光谱和NIST谱库N₂O红外光谱,最终选取2 160～2 225 cm-1作为定量计算N₂O的特征波段。研究发现,施肥和水分能促进白菜地土壤N₂O气体排放,这为农田N₂O的减排和减缓温室效应提供了理论依据。最后,还研究了施肥后土壤N₂O的昼夜排放规律,结果表明,N₂O白天的排放量高于晚上,通过和前人研究结果对比,验证了此方法的可行性。本文研究证实,基于长光程的FTIR光谱法是一种测量土壤排放N₂O气体规律的快速有效方法,它可以对施肥后的白菜地土壤N₂O气体排放进行测量,相对其他传统测量方法具有高速、简便等优势。     

Effects of radiation heat loss on laminar premixed ammonia/air flames

Ammonia (NH₃) direct combustion is attracting attention for energy utilization without CO₂ emissions, but fundamental knowledge related to ammonia combustion is still insufficient. This study was designed to examine effects of radiation heat loss on laminar ammonia/air premixed flames because of their very low flame speeds. After numerical simulations for 1-D planar flames with and without radiation heat loss modeled by the optically thin model were conducted, effects of radiation heat loss on flame speeds, flame structure and emissions were investigated. Simulations were also conducted for methane/air mixtures as a reference. Effects of radiation heat loss on flame speeds were strong only near the flammability limits for methane, but were strong over widely diverse equivalence ratios for ammonia. The lower radiative flame temperature suppressed the thermal decomposition of unburned ammonia to hydrogen (H₂) at rich conditions. The equivalence ratio for a low emission window of ammonia and nitric oxide (NO) in the radiative condition shifted to a lower value than that in the adiabatic condition.     

Characterization of the high—voltage pulsed discharge plasma of ammonia by emission spectroscopy

We have used optical emission spectroscopy to characterize the high-voltage pulsed discharge of ammonia.Ammonia was highly dissociated in the discharge at low pressures.More atomic nitrogen was generated as compared to the discharge of nitrogen gas at the same pressure of 0.8kPa.We discuss the elimination of the oxygen impurity in the ammonia discharge,and we estimate the time-dependent atomic excitation temperature and the electron density from the measured spectra.     

Evaluating winter wheat (Triticum aestivum L.) nitrogen status using canopy spectrum reflectance and multiple statistical analysis

ABSTRACT

Reasonable adoption of nitrogen fertilizers is significant in increasing wheat production, improving wheat quality, and environmental protection. This research applies the multiple statistical analysis technique to extract sensitive spectral bands and establish a spectrum monitoring model in determining accumulation nitrogen deficit. The major bands of the spectrum monitoring model in different nitrogen models are 440 and 610?nm. The higher value of the coefficient of the determination in estimating the model indicates lower root mean squared error and relative error. Therefore, appropriate nitrogen fertilization can be achieved by observing the winter wheat spectrum before the flowering stage.     

Trennung von Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Stickstoff für die 15N-Analytik

Die beschriebene Methode besteht aus einer Kombination der Ionenaustauschchromatographie mit der klassischen Wasserdampfdestillation. Die Trennung von Nitrit und Nitrat erfolgt dabei durch selektive Reduktion mittels Eisen-II-hydroxid und eines geeigneten Katalysators zu Ammoniak. Am Ende der Trennung liegt der Stickstoff der N-Verbindungen jeweils als Ammoniumchlorid vor, das direkt für die emissionsspektrometrische ¹⁵N-Analyse einsetzbar ist. Die vorgestellte Methode ist vorzugsweise gecignet für die Untersuchung der mikrobiellen Ammoniumoxydation (Nitrifikation) mittels der ¹⁵N-Tracertechnik.

The method described consists of a combination of the ion exchange chromatography with the common steam distillation. Nitrite and nitrate are separated by the selective reduction to ammonia using ferrous hydroxide and an appropriate catalyst. Ammonia liberated is titrated with standard hydrochloric acid and directly used as ammonium chloride for ¹⁵N analysis by an emission spectrometer. The method is suitable for the investigation of the microbial ammonia oxidation (nitrification) by means of the ¹⁵N tracer technique.     

可见光波段无人机遥感图像的小麦茎蘖密度定量反演

在小麦分蘖期内,适时适量追施氮肥可显著改善小麦茎蘖群体结构、提高产量。但经验性的均一施肥往往导致氮肥过度施用及农学效率偏低等问题,而基于小麦茎蘖的实际发育状况进行变量施肥,有助于解决小麦茎蘖个体发育与群体结构之间的矛盾。通过变量追施氮肥作业调控小麦茎蘖群体、提高小麦产量的技术关键,在于准确获取田块尺度的小麦茎蘖密度（单位面积内的小麦茎蘖数量）信息。传统的通过人工田间调查获取小麦茎蘖密度信息的方法,时效性与精准度不足,工作量大、效率低,而且稀疏的点源统计数据无法精准反映田块内部的小麦茎蘖密度空间差异状况。因此,为满足变量追施氮肥作业对田块尺度的小麦茎蘖密度专题图的需求,使用大疆Mini 2航拍无人机,在小麦分蘖期获取试验田的可视光波段遥感图像。使用Matlab相机标定工具箱,完成无人机遥感图像校正,提取蓝、绿、红三个可视光波段的图像分量。基于植被与土壤在可见光波段的光谱响应特性,选取可以较好地突出植被特征、减轻光照强度对遥感图像质量造成影响的4种比值类型植被指数,即可见光波段差分植被指数（VDVI）、归一化绿红差分指数（NGRDI）、归一化绿蓝差分指数（NGBDI）、绿红比值指数（RGRI）。在此基础上,利用VDVI专题图,计算小麦试验田的植被覆盖度(FVC)。进一步以FVC,VDVI,NGRDI,NGBDI及RGRI平均值为5节点输入层,小麦茎蘖密度地面真值为单节点输出层,建立一个单隐含层、5输入、单输出的3层BP神经网络预测模型,用以定量反演小麦茎蘖密度指标。精度验证数据表明：该神经网络模型的预测结果与相应的小麦茎蘖密度地面真值之间的均方根误差(RMSE)及平均绝对百分比误差(MAPE)分别为19及3.62%,因此该模型具有较高的小麦茎蘖密度预测精度。田块尺度的小麦茎蘖密度反演专题图的统计数据显示：小麦茎蘖密度低于500株·m-2、介于501~800株·m-2之间、以及高于800株·m-2的地块面积分别占比6.67%,74.67%和18.66%,为变量追施氮肥提供数据支持。利用商业航拍无人机获取小麦的可视光波段遥感图像,代替价格昂贵、辐射标定复杂的多光谱遥感相机,在田块尺度上实现对小麦茎蘖密度的定量反演,是推进变量追施氮肥作业、精准农业大田信息获取及农业数字化建设的现实需求。研究成果为小麦长势的遥感检测提供理论依据与数据支持,具有重要的科学意义。