黑土区施加生物炭对土壤综合肥力与大豆生长的影响

为探明黑土区施加生物炭对土壤持水性能、土壤养分以及大豆生长的影响,以东北黑土区3°坡耕地田间径流小区为研究对象,进行为期4年的观测。按照生物炭施加量,2015年共设置C0(0 t/hm~2)、C25(25 t/hm~2)、C50(50 t/hm~2)、C75(75 t/hm~2)、C100(100 t/hm~2) 5个处理,2016—2018年分别连续施加等量的生物炭。结果表明:连续4年,0～60 cm土层土壤储水量随施炭量的增加呈先增大、后减小的趋势,而对60～100 cm土层土壤储水量影响不显著;连续4年,饱和含水率随施炭量的增加呈逐渐增大的趋势; 2015年田间持水率、凋萎系数随施炭量的增加呈逐渐增大趋势,2016—2018年呈先增加、后减小趋势;连续4年,施加生物炭提高了大豆各生育阶段的株高和叶面积,同期相对较优处理分别为C75、C50、C50、C25;连续4年,大豆冠层覆盖度与施炭量呈抛物线变化(R~2均在0. 89以上,P 0. 01),连续施加2年的C50处理各生育期提高量最大,与C0相比提高了81. 4%、36. 7%、31. 5%和39. 6%;连续4年,土壤pH值和有机质、速效钾含量随施炭量的增加呈逐渐升高趋势,碱解氮、有效磷含量呈先升高、后降低趋势,相对较优处理为C50、C50、C25、C25。采用改进的内梅罗指数模型计算的土壤综合肥力指数与产量呈正相关(R~2=0. 861 5,P=0. 001 2,RMSE为0. 75),土壤综合肥力水平最高的生物炭施用模式为连续2年施加50 t/hm~2的生物炭。     

黑土区坡耕地连年施加生物炭的最佳模式研究

为探讨东北黑土区连续多年施加生物炭的应用效果及其综合影响,寻找最佳的施碳量以及施加年限,于2015年在位于黑龙江省北安市的红星农场开展了生物炭最佳施用模式的研究。按照生物炭的施加量设置Y0(0 t/hm~2)、Y25(25 t/hm~2)、Y50(50 t/hm~2)、Y75(75 t/hm~2)、Y100(100 t/hm~2) 5个处理,每个处理重复两次,连续施加4年(2015—2018年),对土壤理化性质、水土保持效应以及节水增产效应等指标进行观测,建立基于优化遗传算法的投影模型,对指标进行了综合评价。结果表明:随着生物炭施加量、施加年限的增加,土壤容重呈现降低趋势,土壤p H值、土壤碳氮比则呈现上升趋势,且生物炭的累积施加量越大,这种趋势就越明显。Y25、Y50处理下的田间持水率随着施加年限的增加呈现逐年升高趋势,Y75处理则呈现出先升高、后降低的趋势,Y100处理则呈现逐年下降趋势,其中2018年Y25处理下的田间持水率为37. 33%。径流系数与土壤侵蚀量均与施炭量呈现先降低、后升高的趋势,连续施加两年50 t/hm~2生物炭的径流减少效果与抗侵蚀效果最优。连续施加4年25 t/hm2生物炭的玉米产量在所有处理中最高,为10 350 kg/hm~2。水分利用效率(WUE)的最优处理为2015年的Y50,为32. 85 kg/(mm·hm~2)。通过综合评价模型得出,连续3年施加32. 63 t/hm~2生物炭为东北黑土区最佳生物炭施用模式。该研究结果可为生物炭对黑土区土壤改良提供理论依据。     

生物炭施用模式生态效益与经济效益耦合协调度研究

为探究黑土区坡耕地不同生物炭施用模式的生态效益、经济效益以及二者的耦合协调度,以东北黑土区3°坡耕地径流小区为研究对象,设置不施加生物炭的常规处理（C0）和生物炭施加量分别为25t/hm2 (C25)、50t/hm2 (C50)、75t/hm2 (C75)、100t/hm2 (C100)5个处理,于2015—2018年开展试验研究,采用熵值法和耦合协调度模型测算不同生物炭施用模式的生态效益、经济效益以及二者的耦合协调度。结果表明：生物炭能够有效改善土壤结构、增强土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力,连续施用2年、施炭量为50t/hm2时,生物炭的生态效益最佳。同时,生物炭能够有效提升作物节水增产性能,提高生物炭的收益和利用效率,施炭1年、施炭量为75t/hm2时,生物炭的经济效益最佳。耦合协调度测算结果表明,施用生物炭能有效改善生态效益与经济效益的阻抑程度,黑土区最佳的生物炭施用模式为连续施用3年、施炭量为50t/hm2,此时生物炭的生态效益指数与经济效益指数均较高且二者的协调度达到最佳,分别为0.6849、0.6345、0.5741。研究结果可为黑土资源的高效利用以及黑土区实际生产提供理论依据。     

黑土区坡耕地生物炭应用模式综合效益研究

为探究黑土区坡耕地不同生物炭应用模式（不同生物炭施用量和施用年限）的综合效益,以东北黑土区坡度为3°耕地径流小区为研究对象,于2015—2018年,设置不加生物炭的常规处理（C0）和生物炭施加量分别为25 t/hm²（C25）、50 t/hm²（C50）、75 t/hm²（C75）、100 t/hm²（C100）共5个处理,分析不同施炭量以及施炭年限的综合效益,结果表明：在生态效益方面,生物炭能够有效改善土壤结构、增强土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力,在施炭量为50 t/hm²时,连续施用2年,土壤蓄水保土效果最佳;连续施用3年,土壤结构最为理想;施炭量为100 t/hm²时,连续施用4年,土壤肥力最佳。在经济效益方面,生物炭能够有效提高作物节水增产性能及其经济产值,施用1年、施炭量为75 t/hm²时,水分利用效率最大;连续施用2年、施炭量为25 t/hm²时,生物炭边际生产力最大,施炭量每增加1 t,产量增加1...     

黑土坡耕地连续施加生物炭的土壤改良和节水增产效应

东北黑土区土壤肥沃、性状优良、适宜作物生长,然而大面积坡耕地的水土流失问题严重威胁着区域生态环境和国家粮食安全。为探明施加生物炭对该区域坡耕地的节水增产效应,以及最优施加量与施加年限,基于田间径流小区进行为期两年的观测试验。2015年,试验根据生物炭施加量设置为C0(0 t/hm2)、C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)和C100(100 t/hm2)5个处理;2016年,各处理分别连续施加等量生物炭。试验结果表明:施加两年生物炭均降低了土壤容重、提高了孔隙度和有机碳密度,且随施加量的增加效果越显著;2015年实测田间持水量随生物炭施加量呈上升的趋势,2016年则呈先升后降的趋势,上升至C50处理达到最佳;2016年C50处理土壤三相比较合理,广义土壤结构指数(GSSI)高于其他处理;连续两年施加生物炭均减少了3°坡耕地的年径流量,各年份年径流系数降低最多的分别为C75(15.44%)和C50(17.27%)处理。适量生物炭也可增加单次降雨后雨水蓄积量和其随时间下降的速率和幅度;2015年和2016年大豆产量最高的处理分别是C75和C50,增产率分别为27.16%和28.17%。比较2015年和2016年试验结果,连续两年施加50 t/hm2生物炭时,大豆水分利用效率较对照处理增幅最高,为27.67%,节水增产效果最佳。     

黑土区坡耕地施加生物炭对土壤结构与大豆产量的影响

为探明黑土区施加生物炭对土壤结构、土壤肥力和作物产量及其可持续性的影响,以东北黑土区3°坡耕地田间径流小区为研究对象,进行了为期4年的观测。2015年按照生物炭的施加量共设置C0(0 t/hm2)、C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2) 5个处理,2016—2018年分别连续施加等量的生物炭。结果表明:连续4年随施炭量的增加土壤容重呈逐渐降低趋势、孔隙度呈逐渐升高趋势,且施用年限越长,作用越明显;连续4年广义土壤结构系数(GSSI)随施炭量的增加呈先增大后减小的变化趋势,土壤三相结构距离指数(STPSD)呈先减小后增大的变化趋势,均在第2年C50处理取得最大(小)值(98. 31、4. 87),同时土壤三相比最接近理想状态;连续4年大于0. 25 mm的土壤团聚体含量(R0. 25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)随施炭量的增加均呈先增大后减小的变化趋势,均在第2年C50处理取得最大值;连续4年土壤速效钾、有机质含量随施炭量的增加逐渐升高,土壤碱解氮和有效磷含量先增加后减小,各年份土壤碱解氮和有效磷含量提高最多的分别为C50(46. 1%、76. 6%)、C50(46. 4%、85. 4%)、C25 (33%、100. 7%)、C25 (23. 9%、103. 2%);连续4年施加生物炭均可提高大豆产量、单株荚数、单株粒数和百粒质量,在第2年C50处理增产最大,增产率为33. 3%,同时产量可持续性最强,产量可持续性特征指数(SYI)为0. 871。     

生物炭对草甸黑土物理性质及雨后水分动态变化的影响

为探明生物炭对草甸黑土物理性质及雨后水分动态变化的影响,在大豆全生育期生长条件下,研究了东北黑土区草甸黑土5种生物炭添加量(0、25、50、75、100 t/hm2)下土壤物理性质(包括:土壤水分特征曲线、土壤含水率常数、土壤水分扩散率)和单次降雨土壤含水率变化特征,分析了生物炭对黑土区草甸黑土耕层土壤持水能力及雨后水分动态变化的影响。结果表明,施用生物炭能降低土壤残余含水率,增加土壤饱和含水率和田间持水量,其中对残余含水率的影响最显著,100 t/hm~2生物炭处理使残余含水率最多降低27.6%;施用生物炭能明显降低土壤水分扩散率,随生物炭添加量的增加依次比对照组减少34.8%、37.5%、71.4%和58.9%;在单次降雨过程中,施用生物炭能减小土壤含水率的变化幅度,使土壤含水率在降雨之后更快地由迅速下降期进入缓慢下降期,并能明显提高缓慢下降期对应的土壤含水率;施用生物炭可以提高大豆产量,以75 t/hm~2生物炭处理最高。研究结果可为黑土区农业水土资源高效利用与保护提供理论依据。     

秸秆生物炭对黑土区坡耕地生产能力影响分析与评价

采用径流小区试验,选取不施用生物炭(CK)、生物炭施用量25 t/hm~2(T1)、50 t/hm~2(T2)、75 t/hm~2(T3)和100 t/hm~2(T4)5个处理,分析生物炭施用量对土壤理化性质、持水能力、水土保持效应、节水增产效应等能够反映土地生产能力的指标的影响,建立基于Gumbel Copula函数的不同生物炭施用量下黑土区坡耕地生产能力评价模型,结果表明:随着生物炭施用量的增加,土壤容重降低,孔隙度增大,养分分布更为均匀,土壤有效P、速效K、pH值和有机质含量呈线性递增趋势,土壤铵态N含量呈指数增长;土壤饱和含水率、田间持水量、凋萎系数和有效水最大含量均与生物炭施用量正相关,且高施炭量处理对于土壤水分的影响程度明显高于低施炭量处理;随着生物炭施用量的增加,年径流深和土壤侵蚀量均呈线性递减,减流率和减沙率均呈对数函数递增,而大豆产量和水分利用效率则先增后减,呈抛物线型变化。基于Gumbel Copula函数计算的土地生产能力评价结果较为理想,计算的土地生产能力指数随生物炭施用量的增加呈"S型"曲线递增,土壤理化性质、持水能力和水土保持效应指数均呈线性递增,而节水增产效应指数则呈抛物线型先增后减。     

生物炭对黑土区坡耕地土地生产力的可持续效应研究

为探究一次性施加生物炭后对黑土区坡耕地生产力的可持续效应,以东北黑土区3°坡耕地径流小区为研究对象,设置CK(不施用生物炭)和BC(2016年施用75 t/hm~2生物炭,2017、2018年不再施用生物炭)两个处理,于2016—2018年开展了试验研究。结果表明:一次性施入生物炭3年内,土壤容重显著降低(P0.05),第1年降低最明显,为3.87%,孔隙度和总有机碳、铵态N、有效P、速效K含量显著提高(P0.05),p H值则是施炭后前两年显著提高(P_(2016)=0.034、P_(2017)=0.038),分别提高了0.9、0.6,第3年与未施炭处理无显著差异(P_(2018)=0.067);施用生物炭显著提升了土壤的持水能力和保水保土性能,土壤饱和含水率、田间持水率、凋萎系数均显著提高(P0.05),最大增长率分别为5.58%、4.78%、7.29%,年径流深和土壤侵蚀量显著降低(P0.05),年径流深最大减少量为4.92 mm,土壤侵蚀量最大减小率为5.71%;大豆产量和水分利用效率显著提高(P0.05),最大增长率分别为29.01%、16.92%。但生物炭对土地生产力的持续效应逐年减弱,随着生物炭施用年限的延长,BC处理土壤容重线性递增,p H值和总有机碳含量呈幂函数递减,孔隙度和铵态N、有效P、速效K含量线性递减,饱和含水率、田间持水率、凋萎系数线性递减,年径流深和土壤侵蚀量线性递增,大豆产量和水分利用效率分别呈幂函数递减和线性递减。采用改进的TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)模型和GM(1,1)模型测算并预测土地生产力指数,结果显示,BC处理的土地生产力指数均高于CK处理,但其值逐年下降,预计到2021年与CK处理十分接近,表明一次性施用75 t/hm~2生物炭对土地生产力的影响可持续5～6年。研究结果可为东北黑土区生物炭应用提供理论依据。     

黑土区坡耕地施加生物炭对水土流失的影响

为了探索生物炭对黑土区坡耕地的水土保持作用效果,于2015年在东北黑土区典型黑土带上的黑龙江省北安市红星农场3°坡耕地上的径流小区内,开展了不同生物炭施用量(0、25、50、75、100 t/hm~2)对土壤结构、持水性能、径流泥沙控制等影响的试验研究。结果表明:生物炭可有效改善黑土区土壤结构,随着生物炭添加量的增加,土壤容重随之减小,而土壤孔隙度则会明显提高;土壤饱和含水率、田间持水量和土壤储水能力均随生物炭施用量的增加而增加;适当施加生物炭对黑土区坡耕地降雨径流及水土流失具有较好的控制作用,75 t/hm~2处理具有最好的径流泥沙控制效果,其中径流控制效果好于泥沙控制;施加生物炭还可以不同程度地减少黑土区坡耕地土壤养分流失,并可以改善养分的空间分布,4种生物炭用量处理的养分含量不仅在数量上高于对照处理,而且在均匀程度上有较大的改善,减缓了坡度对土壤养分造成的坡上与坡下的差异。研究结果为东北黑土区秸秆资源的高效、绿色、循环利用提供了一条新的途径,可为黑土区坡耕地水土流失防治提供理论依据和技术支撑,对该区农业可持续发展具有重要意义。     

喷雾模型的发展及其在内燃机CFD中的应用

喷雾模型是内燃机CFD软件中重要的组成部分,而喷雾模型是由多种子模型组成的。正确设定喷嘴出口的边界条件和选择恰当的喷雾子模型成为成功分析和优化柴油机和汽油机高压喷雾的先决条件。本文主要讨论了喷嘴流动模型、液膜雾化模型和喷雾碰壁模型在CFD软件中的应用现状。     

基于灰色理论及BP神经网络的尿素水解预测模型研究

研究根据室内尿素水解试验资料,建立了以温度、水分、时间为输入因子,尿素态氮含量为输出因子,拓扑结构为3-2-1的BP神经网络预测模型,以及Verhulst灰色预测模型和零级动力学模型,并分析比较了三种模型的预测效果。结果表明:3种预测模型均能满足模拟精度要求,所建立BP神经网络模型模拟值与实测值的平均相对误差、相关系数和决定系数分别为2.39%、0.992 4和0.984 5,具有较高的预测精度和良好的稳定性,并且模拟效果明显优于Verhulst灰色预测模型和零级动力学模型,可以较好地描述尿素水解动态变化过程,为尿素水解定量研究提供了精确的科学依据。     

陕西关中冬油菜生长发育不同模型模拟精度研究

在陕西关中地区进行了连续6年(2009年9月—2015年5月)的冬油菜非充分灌溉试验,利用STICS、DSSAT和APSIM 3种不同模型对冬油菜物候期和产量等进行模拟,比较了3种不同模型的模拟精度。结果表明,3种模型中STICS模拟精度最高,平均RARE为3. 24%,APSIM模型次之,平均RARE为8. 79%,DSSAT模型最差,平均RARE为11. 38%。其中STICS模型对物候期和产量的模拟精度均为最高,DSSAT模型对物候期的模拟精度高于APSIM模型,而APSIM模型对产量相关指标的模拟精度高于DSSAT模型。由于2012—2013年生育期内降水量较低,3种模型的模拟精度均较低,说明3个模型对干旱胁迫条件下的作物生长模拟均存在一定不足。综合比较,STICS模型的模拟精度高于DSSAT和APSIM模型,因此推荐STICS模型为关中地区冬油菜生长发育和产量形成模拟的适宜模型。     

农业模型发展分析及应用案例

农业模型、农业人工智能及数据分析等技术贯穿于智慧农业的信息感知、信息传输、信息处理与控制全过程,是智慧农业的核心技术。为进一步明晰农业模型的内涵和作用,促进农业模型进一步研究及应用,推动智慧农业健康、稳定和可持续发展,本研究采用系统分析、比较及关系框图等方法,分析了农业模型的内涵,阐述了农业模型和智慧农业要素与过程的关系,明确了农业模型的作用并附以应用案例,比较了农业模型的国内外重要发展动态与趋势。国内外农业模型研究与应用重要进展比较表明,农业模型研究应用需要考虑农业生物要素的4个水平、农业环境要素的6个尺度、农业技术与农业经济要素的6个层次并采用相应方法进行,农业模型环境要素空间多尺度研究应用有较大发展潜力;农业模型与分子遗传学、感知技术及人工智能技术结合,农业模型研究应用的公私有组织协作,粮食安全挑战将成为农业模型进一步发展的重要推动力,且需更注重将各种农业系统模拟、数据库、和谐性与开放数据及决策支持系统相连接。中国农业模型研究与应用已形成具有中国特色的作物模型系列,也融入农业模型的互比较与改进、智慧农业等世界潮流,需要抢抓机遇,加快发展。农业模型是农业系统要素内及要素间关系的定量化表达,是农业科学定量与综合的重要方法,具有认识论价值,它与感知技术的结合可以在智慧农业数据获取与处理中发挥不可或缺的作用,成为信息农业技术落地应用的重要桥梁和纽带。     

作物水分与产量关系的综合模型

对描述作物耗水量与产量关系的二次函数关系模型和詹森模型 ,通过水量的当量变换 ,把描述同一生产过程的二个模型统一到一个模型内 ,这个模型具有二者的优点。该模型可以把对水量的优化转化为对土壤含水率的优化 ,而土壤含水率是一个可以随时监测和控制的因素 ,所以在应用上具有现实指导意义。     

Shuttleworth-Wallace模型模拟陕北枣林蒸散适用性分析

在生态脆弱的陕北黄土丘陵区,林地耗水是生态学者长期关注的热点问题,准确测算植物耗水量是环境水分研究的关键。根据陕北山地枣林的立地条件和蒸散过程特点,结合2012年的实测资料,确定了相关模型参数,实现了Shuttleworth-Wallace(SW)和Penman-Monteith(PM)模型对枣林蒸散量的模拟,并利用2013年茎流计监测的蒸腾量和水量平衡原理推求的蒸散量,对这2个模型进行了比较和检验。结果表明:就整个枣树生育期10 d尺度蒸散量而言,SW模型模拟精度优于PM模型。此外,2模型精度随枣树生育期变化而变化,且萌芽展叶期精度均最低。SW模型日蒸腾量模拟精度满足要求,但易受到天气状况影响,晴天模型精度优于雨天。SW模型精度在陕北山地枣林里得到验证,是半干旱区山地枣林耗水规律研究的有效工具。     

基于格子玻尔兹曼法的TOPMODEL建模与应用

依据Freeze和Harlan的水文模型蓝图思想改进TOPMODEL,在模型构建过程中利用格子玻尔兹曼法(LBM)建立汇流过程的数值模型,采用达西公式数值模型求解饱和区土壤水运动方程,运用LBM法五速模型求解非饱和区理查兹运动方程,进而构建基于栅格的分布式LBMGTOPMODEL。模型的产流方法融合了蓄满产流理论和超渗产流理论,考虑了土壤水分剖面、土壤各向异性和地形坡度等对流域产流的影响;模型的汇流方法利用地貌水文学理论,寻求水文过程与流域地形地貌的相互作用及定量关系,此模型在汇流过程中将地貌因素与水动力扩散相结合以描述坡面水流运动,解决了坡面水流的流量分配问题。以中汤流域为对象进行水文模拟应用研究,验证得到确定性系数在0.547~0.883之间,平均值为0.725,结果良好,说明模型较为可靠。     

三种作物水分生产函数模型的适用性比较

通过幂级数展开等代数变换发现,3种作物水分生产函数Jensen模型、Rao模型和Stewart模型可以近似相互转化,其各自水分敏感指数近似等价。通过在各阶段均匀受旱的特殊情况下对模型模拟的相对产量随相对蒸散发量变化过程的对比,从理论上分析了3个模型的适用性。研究发现,当作物受旱较轻微时,Rao模型和Stewart模型与Jensen模型统一具有较好模拟效果,但是当作物受旱较严重时,Rao模型和Stewart模型的模拟效果不好。通过不同气候区域不同作物田间试验的数据进行了验证计算,由于水分亏缺不十分严重,参数优化后3个模型都具有较好模拟效果,而Jensen模型模拟效果更好一些,优化得到的3种模型水分敏感指数近似相同,而采用Jensen模型水分敏感指数后,Rao模型和Stewart模型的模拟效果稍有降低。     

物理模型构建在教学中的重要性探讨

物理是研究自然界物质的基本结构、基本运动形式及相互规律的学科.现在物理试题已结合生产实践活动,学生在解决这类题目时需要把一个复杂的实际问题转化为物理过程,即物理模型的构建.物理模型能使复杂问题得到简化处理,还可利用模型训练学生发散的逻辑思维、帮助学生建立正确的求解思路. 可见,教学过程中物理模型构建的重要性.     

Field installation of a model for transient simulation of canal flow

A computerized hydraulic model developed at Utah State University was installed at a large-scale irrigation project in Northeast Thailand with the objective of improving water management in the supply and distribution system. The model was calibrated for measured field conditions by determining discharge coefficients for flow control structures, measuring seepage loss rates, and calculating hydraulic roughness coefficients. The logistical and technical problems associated with the model installation, and the respective solutions, are presented in this paper.