猕猴桃果园不同采样密度下土壤含水率空间变异性研究

为揭示小区尺度乃至微尺度土壤含水率的空间变异性,在杨凌地区猕猴桃果园选取40 m×40 m区域,并在此基础上再以8、2 m为间距进行网格划分,基于经典统计学和地统计学理论,对不同采样密度条件下0~60 cm土层土壤含水率的空间分布特征及其空间变异性进行了研究。结果表明,对于40 m×40 m(L)、8 m×8 m(M)和2 m×2 m(S)3种尺度,0~60 cm深度各土层土壤含水率在水平方向上的变异强度表现为弱变异至中等(偏弱)变异,且随尺度减小和土层深度增加而减小,且所有取样点处0~60 cm深度内土壤含水率在垂直方向上的变异强度表现为弱变异至中等(偏弱)变异。在3种尺度中,土壤含水率存在强烈的空间相关性,表征土壤含水率空间分布形态的半方差函数因尺度不同存在较大差异,L尺度可采用球状和指数模型,M尺度可采用线性模型,S尺度可采用高斯、指数、线性模型。L尺度合理取样数较实际少,而M和S尺度合理取样数较实际多,对于3种尺度,基本表现出0~30 cm土层合理取样数较实际多、30~60 cm土层合理取样数较实际少,表明取样点的合理性分布有待进一步优化。由于地形原因导致当地果园内南北侧土壤含水率空间分布存在较大差异。     

基于GIS的流域土壤侵蚀和产沙量模型（摘选）

基于USLE模型利用地理信息系统（GIS）和遥感（RS）对Wadsa-Chincholi流域年土壤流失量空间分布进行调查。空间输入数据由Arc GIS 9.3和RS（ERDAS IMAGINE 9.3图像处理软件）提供,利用USLE对网格内年均输沙量的空间分布进行预测。USLE参数基本单元的网格单元尺寸（GCS）分别为50 m×50 m、100 m×100 m和200 m×200 m。根据流域出口对年均输沙量进行估算。此外,将利用通用土壤流失方程（USLE）估算的产沙量与观测值进行对比。利用USLE模型预测得到50 m×50 m、100 m×100 m和200 m×200 m的年均输沙量分别为在63.80、18.83和3.67 t（hm2·年）。200 m×200 m GCS预测值与观测得到的产沙量基本相符。因此,在200 m×200 m GCS情况下,利用USLE模型得到的预测结果能够用于对Wadsa-Chincholi流域产沙量空间分布的研究。从水土保持角度来看,研究区域涵盖了侵蚀非常严重、侵蚀严重、侵蚀非常高、高度侵蚀和中度侵蚀类,这都需要引起重视。      

基于土壤功能与胁迫的耕地土壤健康评价方法

基于功能性土壤管理理论,针对初级生产力、养分供给与循环、生物多样性供给、水净化与调节、碳封存与调节5种功能选取评价指标,通过识别水田、水浇地和旱地对不同土壤功能的供给和需求关系,构建土壤功能供需判别矩阵,并叠加重金属污染胁迫因素,评价耕地土壤的健康状况,从而实现了基于土壤功能与胁迫的耕地土壤健康评价。在河南省温县进行了评价方法的适用性研究,结果表明：温县5种土壤功能供需空间格局基本呈现由南向北逐渐递增的趋势,以青峰岭为界,中北部土壤功能的供需处于盈余状态,而南部区域处于失衡状态;土壤健康等级交错分布,亚健康面积占比最大,为44.4%,健康土壤零散分布在黄庄镇、番田镇、武德镇和祥云镇;土壤质地、土体构型、土壤养分、土壤生物活性和重金属污染胁迫是导致耕地土壤健康空间分异的主要因素。本研究可在理论上丰富土壤健康评价方法体系,在实践上促进耕地资源可持续利用与管理。     

基于NSGA-Ⅲ算法与TOPSIS决策下的区域水资源多目标优化配置

为缓解水资源供需紧张,指导区域用水管理,以社会、经济、生态综合发展为目标,供水量与需水量双向约束构建区域水资源优化配置模型.结合该模型特点,引入NSGA-Ⅲ算法对模型进行求解,以寻求Pareto前沿面与最优解集.同时,利用TOPSIS决策理论对众多Pareto可行解进行综合评价,选择权衡解作为最佳折衷方案.将该模型应用于南阳市鸭河口灌区进行验证,对灌区来水频率P=75%时下近期水平年与远期水平年进行水资源优化配置,并进行二次水资源供需平衡分析.结果表明,相对于基本方案,折衷方案在近期水平年余水量增长至11 497.60万m3,可节约水资源3 272.38万m3;远期水平年由缺水4 279.28万m3变为余水3 950.30万m3,可节约水资源8 229.58万m3,节水效果明显,符合鸭河口灌区整体规划与用水需求.     

基于评价的水资源优化模型适用性比较

为了比较不同目标的水资源优化配置模型在黑河中游的适用性,在充分考虑地表径流随机性的基础上,分别构建以灌区农业水生产力最大、农业灌溉损失最小、净经济效益最大为目标函数的灌区水资源优化配置模型,并引入多指标综合评价法以及熵权法对3个优化模型的配置结果进行综合效应评价．评价结果显示,基于黑河中游水资源利用现状,以灌区农业水生产力最大为目标函数的模型,更适合现阶段黑河中游灌区水资源配置要求．使用灌溉水生产力最大为目标函数的优化模型对有限水资源进行优化后的配水方案整体用水比现状水平年减少了334×108 m3,灌溉水生产力增加了0453 kg／m3,用水成本比实际减少了421×107元．评价结果验证了水资源优化配置模型方案评价的可行性．     

基于可持续发展的甘州区水资源合理配置研究

针对黑河流域甘州区水资源短缺问题,基于甘州区可利用水资源总量,综合考虑经济发展与水环境保护用水需求,以生活、牲畜、工业、农业和生态用水的经济效益最大和水资源消耗最小为优化目标,建立可持续发展的多目标水资源合理配置线性规划模型,旨在为甘州区可供水资源进行配置提出该区水资源合理利用的配置方案。     

引黄灌区灌溉效益优化计算模型

以引黄灌区为研究对象 ,在分析传统灌溉效益计算方法不足的基础上 ,按水资源合理配置的要求 ,基于作物的节水灌溉制度 ,提出引黄灌区灌溉效益优化计算的双层线性规划模型 ,开发了相应的计算软件。模型考虑了引黄水量在不同作物间和同种作物不同灌溉时段间的优化配置 ,使灌溉效益计算更趋合理     

半干旱草地土壤特性空间变异性与分形特征

为定量化土壤变量空间变异复杂程度,以半干旱区草地土壤为研究对象,应用分形与地质统计学理论,分析2个试验区(600 m×800 m、280 m×200 m)内的土壤含水量、电导率EC、有机质的空间变异性及其分形维数.结果显示,土壤变量的均值、标准差、变异系数,C0/(C0+C)值只能在一定程度上反映总体的变异.     

基于供需视角的河南省耕地多功能评价与优化

针对耕地多功能评价供需混淆的问题，提出了耕地多功能供需理论框架，从供给和需求两个角度构建耕地多功能评价体系，采用全排列多边形图示法计算耕地多功能指数，分析了河南省耕地多功能供给需求空间差异，参考国家战略需求并以平衡供需为目标提出了耕地优化路径。结果表明：耕地多功能供给表现为其输出的产品和服务能力，耕地多功能需求是指人类对耕地所提供的各项产品和服务的消耗量；供给和需求均可分为生产、经济、生态、社会保障和景观文化5种功能。2017年河南省耕地多功能供给（多功能指数为0.678）相较于需求（多功能指数为0.723）表现出滞后性，其中仅景观文化功能为供过于求，且生态功能和社会保障功能供需失衡的城市数量最多。耕地多功能供给和需求总体呈现西北低、东南高的空间格局，豫东南部耕地多功能供需相对平衡，半山区耕地多功能供需失衡明显。根据国家战略规划与耕地多功能供需差异，将耕地优化路径分为功能转化、供给提升、耕地储备3种类型。本研究因地制宜地划分了耕地利用优化类型，可为实现区域耕地“三位一体”发展提供支撑。     

基于生态服务价值的潮白河上游土地利用优化

生态环境安全和人类发展息息相关，以潮白河上游森林生态服务价值和生态服务总价值为目标，以约束函数和转化规则为条件，利用灰参数线性规划理论和CLUE-S模型对该区2008年土地利用现状进行了数量结构优化和空间格局配置。结果表明：优化配置后的林地面积和森林生态服务价值较2008年均有显著增加，且后者增加幅度大于前者，说明森林单位面积生态服务价值提高，林地结构得到改善；随着草地和未利用地向林地和居民工矿用地转化，生态服务总价值有所增加，重点表现在调节服务和支持服务两方面价值上。该区域近年来经济利益驱动的发展模式给首都可持续发展带来巨大压力，土地退化和环境破坏须通过资源优化得以控制和改善。     

保护性耕作条件下深松技术的国内外发展现状

近年来,土地过度开垦致使土地沙漠化、干旱等自然灾害问题越来越严重,因此提出了基于保护性耕作的深松技术。以深松技术代替铧式犁翻耕,是利用深松机具的部件在土壤不被翻转条件下疏松土壤、打破坚硬犁底层、加深耕作土层,以此来调节土壤3相(固、液、气态)比,改善土壤内部结构,降低土壤被侵蚀度,提高土壤蓄水保墒的能力,达到高产、少耕、环保的目的,促进农业的可持续发展。为此,主要介绍了基于保护性耕作深松技术在国内外发展现状,旨在为保护性耕作和深松机械的制造和发展提供一定的依据。     

玉米田耕层典型土壤离散元模型建立与参数标定

为获取玉米田耕层不同土壤的各项参数,本文将玉米田耕层典型土壤分为未与玉米根茬接触的普通土壤(PT)和与玉米根茬结合形成根土复合体的土壤(GT),采用物理试验与离散元仿真相结合的方法,分别对离散元参数进行标定。基于Hertz-Mindlin(no slip)接触模型,采用中心组合试验设计方法,以土壤堆积角为目标值,进行了四因素五水平仿真试验。基于Hertz-Mindlin with bonding接触模型,采用Design-Expert软件,应用Plackett-Burman设计敏感性分析试验、最陡爬坡试验、Box-Behnken试验,以土壤硬度为目标值,对显著性参数进行寻优,得到PT最优解组合为：粘结键法向刚度4.37×10⁷ N/m³、粘结键切向刚度1.46×10⁷ N/m³、切向极限应力3.24×10⁵ Pa; GT最优解组合为：粘结键法向刚度5.19×10⁷ N/m³、粘结键切向刚度4.25×10⁷ N/m...     

油菜直播机开沟犁体曲面优化与试验

为减小油菜直播机开畦沟系统牵引阻力并分析机组不同作业速度对牵引阻力影响的规律,开展了开畦沟犁体曲面参数与作业速度的试验研究。建立了EDEM离散元土壤仿真模型,以犁体牵引阻力为试验指标分别开展以铧刃起土角、导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角及作业速度为试验因素的试验;构建了犁体曲面优化模型,并开展了犁体曲面的3D打印及试制加工。仿真试验结果表明:在试验范围内,牵引阻力随铧刃起土角增大而减小,分别随导曲线开度、直元线起始角、直元线最大角增大而增大,随作业速度的增大而急剧增大,作业速度从1.0 m/s增加到2.0 m/s,牵引阻力及功耗分别为前者的1.98倍及3.97倍;仿真优化结果表明:当犁体在一定工作参数条件下,铧刃起土角为15°,导曲线开度为190 mm,直元线起始角为35°,直元线最大角为40°时,犁体牵引阻力最小为241.11 N,比优化前减少11.26%。为考察优化犁体实际田间作业效果,对犁体进行3D打印及试制加工并与原有犁体进行田间对比试验,结果表明优化犁体作业的畦沟沟底大块土垡少,残留土壤质量减少62.87%,沟底干净,T型沟明显。     

豫北潮土灌区土壤肥力特征与作物产量的关系研究

【目的】了解豫北潮土水浇地土壤肥力特征及其与作物产量的关系,为建立豫北潮土区水浇地合理耕层评价指标提供基础数据支撑。【方法】本研究对豫北潮土区62个样点进行了抽样调查,调查指标包括:耕层深度、犁底层厚度、土壤体积质量、紧实度、土壤p H值、土壤电导率、土壤有机质、速效磷、速效钾以及耕作方式、播种、灌水、施肥。【结果】豫北潮土区田整体耕层深度16.8 cm,犁底层厚度11.2 cm;低产田耕层深度在15.2 cm,犁底层厚度11.9 cm,高产田耕层深度20.0 cm,犁底层厚度9.8 cm;高、中、低3种产田耕层土壤的平均紧实度分别为1 725、1 449、1 831 kPa,土壤的平均土壤体积质量分别为1.46、1.51、1.53 g/cm~3,pH值分别为8.47、8.39、8.39,有机质量分别为12.34、11.81、10.67 g/kg,速效磷量分别为16.05、12.84、10.89 mg/kg,速效钾量分别为156.69、157.20、120.56 mg/kg,养分主要分布于0～40 cm土层土壤;产量与耕层深度及耕层土壤速效钾、有机质、速效磷均呈显著正相关关系,与犁底层厚度、土壤紧实度及耕层土壤体积质量均呈显著负相关关系;产量与深层土壤pH值显著负相关,与深层土壤速效钾、有机质显著正相关。【结论】豫北潮土区影响作物产量的主要因素为耕层深度、犁底层厚度以及耕层土壤速效钾、有机质量,对作物产量的贡献大小为耕层深度>犁底层厚度>速效钾>有机质。     

内蒙古河套灌区节水工程改造效果分析与评估

以内蒙古河套灌区1982—2012年长系列农业净引水量和年降水量资料为基础,运用均值分析、方差分析、相关分析、时间序列分析和生存分析等数理统计学方法,并结合内蒙古河套灌区农业种植发展进程,分析了河套灌区多年农业净引水量变化趋势与影响因素,得出年降水量(超过211.76 mm时,即丰水年)和节水工程改造分别独立地与农业净引水量呈明显负相关关系的结论。运用时间序列法预测了2013、2014和2015年河套灌区的农业净引水量分别为44.5、44.18和43.86亿m3;同时运用生存分析法预测了在灌区现有节水改造规模条件下,河套灌区农业净引水量区间为35~55亿m3,平均为45亿m3。     

基于水足迹理念的水资源短缺评价—以2022年冬奥会雪上项目举办地为例

2022年北京冬奥会雪上项目将在崇礼区举行,随着旅游业的发展使得当地面临一定的水资源压力和风险,这对崇礼区水资源及水环境的治理和改善提出了更高的要求.以冬奥会主要雪上项目举办地崇礼区为研究区,基于水足迹理论,核算了2006―2015年崇礼区水资源消耗情况,并结合水量、水质评价崇礼区水资源压力.结果表明,崇礼区2006―2015年平均水足迹为6232.2万m3;蓝水足迹为3389.7万m3,其中种植业消耗蓝水足迹最多;多年平均绿水足迹为2842.4万m3,全部来自种植业;平均灰水足迹为2686.3万m3,其中畜牧业灰水足迹为1524.9万m3,占比达到57％,为主要的污染来源.多年平均水量性缺水指标(Iblue)为2.19,属于重度缺水;水质性缺水指标(Igrey)均值小于1,不存在水质性缺水问题.月尺度的水短缺研究表明,崇礼区水量性水资源短缺集中在5―7月,其中5月份最大,Iblue达5.86.总体而言,崇礼区水环境状况较好,但仍存在水量性水资源短缺的情况,因此需要加强水资源管理,实现水资源的可持续利用.     

基于EDEM的凿式犁铲土壤扰动仿真分析与试验

为探究凿式犁铲（以下简称凿铲）的土壤扰动机理并构建适用于东北地区黏重黑土与耕作部件之间的仿真模型，结合EDEM仿真分析与土槽试验，与深松铲作业效果进行对比，研究凿铲对土壤的微观扰动机理和宏观扰动状态，并建立适宜东北地区土壤的耕作仿真模型。仿真与试验结果表明，深松铲对土壤进行剪切破坏，将耕作层和犁底层抬升、下落，对土壤松而不翻，不破坏原有的耕层土壤结构，土壤膨松度试验值为12.4%，土壤扰动系数试验值为59.4%，纵向截面扰动面积为52.586mm2，俯视视图扰动面积为116.779mm2；凿铲对土壤进行挤压破坏，将犁底层土壤翻耕到地表，破坏原有耕层土壤结构，土壤膨松度试验值为14.1%，土壤扰动系数试验值为64.1%，纵向截面扰动面积为54.128mm2，俯视视图扰动面积为233.061mm2，通过与深松铲作业后数据相比可知，凿铲可以实现更为明显的土壤扰动效果。同时，建立东北地区黏重黑土条件下的离散元土壤耕作模型，选用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion模型作为土壤接触模型，确定仿真模型的各项技术参数，仿真与试验得到的土壤扰动截面轮廓基本拟合，土壤膨松度、土壤扰动系数的仿真值与试验值的相对误差为17%、4.4%，模拟仿真的数据误差范围满足要求，研究可为东北地区的土壤耕作部件离散元模拟仿真分析提供基础数据。     

基于Visual MODFLOW模型的三湖灌域地下水资源评价

以内蒙古河套灌区下游的三湖灌域为研究背景,采用Visual MODFLOW模型对研究区未来15年的水资源利用及水资源变化趋势作了详细的预测研究。结果显示,到2010年研究区地下水总补给量为9940.76万m3,2015年为8184.34万m3,2020年为6808.72万m3。3个水平年地下水总补给量分别比现状年减少551.68、2308.1和3666.05万m3。3个水平年地下水位下降幅度分别为0.5～2.0 m、0.5～2.5 m之间和0.5～3.0 m之间。到2020年研究区地下水位下降最大达3 m,已接近生态要求最低水位。研究区引黄灌溉水量最少不能低于6000万m3,否则,将会出现地下水量减少、地下水位持续下降的趋势,危及生态环境的安全。     

圆盘独立驱动型圆盘犁的设计及试验

为了更好地保护土壤结构,对耕作机械结构进行优化,解决国内现有无驱动型圆盘犁入土困难、驱动型圆盘犁对土壤翻动大及耕层破坏严重等问题,设计了一种新型驱动圆盘犁,并详细介绍了其传动方案、碎土方案及圆盘相关参数等。为了新型驱动圆盘犁各零件能够安全工作,且使设计更加合理,通过SolidWorks完成圆盘犁关键零件的三维建模,运用有限元分析对犁腿和机架进行了静力学分析,并对机架进行了5阶模态分析。通过试验对圆盘犁的实际工作状态进行可行性验证,结果表明:圆盘犁整机符合静力学要求,正常的工作环境下,圆盘犁机架的固有频率避开了所有的外界激振频率,不会出现共振,不会出现影响正常工作的较大变形,在实际工作过程中,能够达到理想的工作效果。所设计的圆盘犁每个圆盘独立驱动,且具有一定的偏角和倾角,减少了土壤的侧向移动,更加符合保护性耕作的原则,可为耕整地机械提供一种适宜的选择。     

高速低阻防过载犁耕装备的设计与试验

针对翻转犁能耗高、易粘附、易遭冲击破坏等问题，研制了一种高速智能液压翻转犁，优化了整机结构与配置参数。以穿山甲体表的鳞片三角圆弧状结构和蜣螂体表的凸包结构相结合作为仿生原型设计了一种仿生犁体，并设计了一种双向犁耕装备的过载保护自动避障机构，得到平衡状态下对应所需的弹簧预紧力为9.75KN，取安全系数为1.3，设置初始状态预紧力为12.67KN。建立了犁体耕作过程离散元仿真模型。仿生减粘犁体相对传统犁体土壤减粘性能提升44.15%，减阻7.8%。耕深稳定性变异系数2.86%，土垡破碎率97.1%。研究结果可为高速智能液压翻转犁设计及改进提供参考。