机收麻山药离散元模型构建及其仿真参数标定

由于麻山药收获过程缺乏有效数值模拟,在很大程度上阻碍了麻山药收获机的设计与优化。该文测定了麻山药的密度、长度、径向尺寸、抗压、抗弯及抗剪强度,基于离散元法建立了麻山药双峰分布模型,并对黏结参数进行校核;以土壤堆积角为响应值,对沙壤土基质间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数和表面能4个参数进行标定,建立了土壤堆积角与4个参数之间的回归模型并进行验证,标定了麻山药与钢板、沙壤土间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数。试验结果表明,麻山药双峰分布模型能够表征麻山药的力学特性,参数校核得到法向刚度、切向刚度、临界法向应力、临界切向应力及黏结半径分别为9.3×105 N/m、3.0×106 N/m、0.58 MPa、0.14 MPa、3.5 mm;沙壤土基质间的碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数及表面能分别为0.42、0.20、0.30、0.40 J/m3,离散元仿真试验后得到的土壤堆积角与试验结果平均误差为1.48%;麻山药与钢板之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数及滚动摩擦因数分别为0.34、0.26、0.049,与沙壤土之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数及滚动摩擦因数分别为0.21、0.38、0.075。研究结果可为麻山药机械化收获及产后加工等仿真试验提供一定的理论参考。     

不同轻基质和施肥处理对白桦苗木养分承载的影响

通过不同轻基质及施肥处理对白桦苗木质量指数、苗木养分承载量,以及非结构性碳(NSC)质量进行研究与分析,目的是为培育优质白桦苗木提供理论依据。结果表明:①不同轻基质处理中随施肥量增加白桦苗木质量指数呈增加的趋势,但2.5、3.0kg·m^-3施肥处理间无显著差异;随施肥量增加,轻基质处理对白桦苗木质量指数的影响逐渐减弱。②红松腐殖质结合3.0kg·m^-3施肥处理,苗木N、P、K质量达到最大,分别为42.35、4.54、27.80mg·株^-1;红松腐殖质结合2.5kg·m^-3施肥处理,苗木可溶性糖、淀粉、NSC质量均达到最大,分别为89.32、85.11、174.43mg·株^-1;2.5kg·m^-3与3.0kg·m^-3施肥处理间无显著差异。③不同处理间苗木NSC、可溶性糖、淀粉质量与N、P、K质量具有极显著相关关系(P<0.01)。可溶性糖质量与N、P、K质量相关性系数较高,K质量与NSC、可溶性糖、淀粉质量相关性系数较高。综上所述,红松腐殖质轻基质材料培育白桦苗木更有利于苗木生长及养分承载量积累,且最适施肥量为2.5kg·m^-3。NSC中可溶性糖是促进养分吸收的主要能量来源,而苗木K质量积累更有利于NSC的合成。     

大兴安岭天然林不同林分溶解有机碳变化特征

为确定不同林分和季节变化对森林碳库影响。在内蒙古大兴安岭根河林业局境内选取具有代表性的林分,即白桦林、白桦落叶松混交林以及落叶松林为研究对象。收集并测定了树干径流、有机质层和0-30 cm土层中DOC浓度,并分析了DOC变化特征以及不同月份对DOC的影响。结果表明:不同林分中树干径流中DOC平均浓度分别为60.12,172.77,205.02 mg/L;有机质层中DOC平均浓度分别为35.32,39.64,34.45 mg/L;0-30 cm土层中DOC平均浓度分别为26.23,37.08,26.53 mg/L。结果表明:不同林分中DOC浓度表现为树干径流 > 有机质层 > 0-30 cm土层,落叶松林树干径流DOC浓度明显高于白桦林（p<0.05）,且落叶松树干比白桦树干淋溶DOC强;不同林分中有机质层和0-30 cm土层表现为白桦落叶松混交林>白桦林、落叶松林,但无明显的差异（p>0.05）,而且有机质层和土层对DOC有吸附固定作用;不同林分6-9月份树干径流中DOC浓度呈现先升高后降低的趋势,7月份达到最大,机质层和0-30 cm土层中DOC浓度6月份最高,7月、8月最低,而9月份又升高。不同林分和月份的变化,影响了天然林中DOC浓度分布。     

南方农牧交错带降水变化及旱涝多时间尺度特征

[目的]分析南方农牧交错带降水变化及旱涝多时间尺度特征,为该区旱涝灾害防治决策、牧区生态重建及保护提供科学参考。[方法]基于南方农牧交错带1960—2017年20个气象站点逐月降水量资料,采用标准化降水指数(SPI)、反距离权重插值、M-K突变检验等方法对南方农牧交错带近58 a的降水特征及旱涝灾害时空格局进行研究。[结果]①近58 a以来南方农牧交错带年平均降水量以3.98 mm/10 a的速率在增加,降水主要集中在夏季,用M-K方法检测出该区域年平均降水量在1990年发生突变;②受气候、大气环流、地形、海拔高差、下垫面等因素的影响,降水量在空间分布上以维西—理塘—若尔盖为界,西北部降水量少,东南部降水量多,降水量呈现出由东南向西北递减的趋势;③研究区年降水量的增减变化以松潘—马尔康—新龙—理塘—稻城一线为界线,该线以东地区的年降水量均呈显著增长趋势发展,以西地区的年降水量呈显著减少趋势;[结论]研究区20世纪60—70年代旱灾发生的频率略高,80—90年代涝灾发生的频率较高,2000年以来旱涝灾害呈明显的减弱趋势发展。     

植被恢复对黄土高原矿区重构土壤理化性质、酶活性以及真菌群落的影响

[目的]研究黄土高原矿区重构土壤植被恢复对土壤理化性质、酶活性以及真菌群落的影响,准确评价植被恢复对该地区的土壤生态恢复效果。[方法]在内蒙古自治区准格尔旗选择3种典型植被恢复类型(灌木、乔木、草地)和未复垦地采集0—20 cm土壤样品,采用扩增子测序技术分析了土壤真菌多样性和群落组成,同时结合土壤理化性质探讨了不同植被恢复类型影响真菌群落多样性的重要因素。[结果]①与未复垦地相比,3种典型植被恢复类型不仅对土壤理化性质和酶活性均有明显提升,还提高了土壤真菌可操作分类单元(OUTs)和多样性指数,且差异显著,以灌木的效果最好。②真菌主要菌门相对丰度在各样地变化趋势为子囊菌门(Ascomycota)担子菌门(Basidiomycota)球囊菌门(Glomeromycota),相对丰度之和已超过50%,土壤真菌群落结构在4个样地之间保持了一定的稳定性。③土壤含水量为影响真菌群落结构的最主要因素。[结论]植被恢复影响土壤理化性质、酶活性及真菌群落多样性,黄土高原矿区生态恢复是一个漫长的过程,在生态恢复过程中,宜种植灌木来改善重构土壤的生态环境。     

硒处理对薄壳山核桃幼苗生长的影响

为探究硒对薄壳山核桃幼苗生长的影响,利用不同浓度亚硒酸钠[0(CK)、0.5、5、10、20、40、80 μmol·L^-1]对薄壳山核桃幼苗进行处理,并测定相关生理指标。结果表明,低浓度硒对薄壳山核桃幼苗生长发育、生物量积累、酶活性均有促进作用,而高浓度硒抑制了幼苗生长、干物质的积累、酶活性、光合速率,且硒浓度越高,抑制作用越明显。80 μmol·L^-1 硒浓度处理后的根长较CK显著降低了55.36%(P<0.05),其他形态指标均无显著差异。硒处理显著提高了幼苗体内的硒含量,且根系>叶片。随着硒浓度的增加,叶、根内的硒含量呈先升高后降低的趋势,硒浓度≥0.5 μmol·L^-1时,其他处理均与CK存在显著差异。40 μmol·L^-1硒浓度处理下叶中的硒含量较CK显著增加了1 682倍,根中的硒含量提高了482倍。低硒浓度(≤10 μmol·L^-1)处理可以促进根中Mn²⁺、Mg²⁺含量和叶中的Zn²⁺含量的积累。当硒浓度≥5 μmol·L^-1时,会促进根中Zn²⁺含量的积累,硒浓度≥10 μmol·L^-1,促进茎中Mn²⁺含量的积累,其中在80 μmol·L^-1硒浓度处理下茎中Mn²⁺含量为CK的9.29倍。过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性随着硒浓度增加均呈先增后减的趋势,且在0.5 μmol·L^-1硒浓度处理下达到最高,明显高于CK,分别为1 698.63、1 912.28 U·mg prot^-1。综上,低浓度硒处理和施硒时间长短对幼苗光合作用影响不大,而高浓度硒处理会抑制光合作用。本研究结果为进一步揭示硒富集机理和硒的科学使用提供了理论依据。     

野生型水稻及其低硅突变体中植硅体和植硅体碳的含量与分布特征

【目的】水稻是典型的富硅植物,植硅体沉积在水稻体内可封存有机碳。本文分析不同吸硅能力基因型水稻植硅体含量、形态、分布及其固碳特征,探究水稻植硅体固碳机理。【方法】盆栽试验在浙江大学玻璃房内进行。供试材料为水稻低硅突变体Lsi1和Lsi2及其野生型,所有施肥和管理措施一致。于成熟期,取水稻地上部茎、叶、鞘样品,常规方法测定硅、植硅体、植硅体碳含量。【结果】1)不同基因型水稻体内硅含量、植硅体含量、生物量干物质植硅体碳含量存在显著差异,均表现为突变体显著低于其野生型,大小依次为Lsi1野生型> Lsi2野生型> Lsi2突变体> Lsi1突变体,Lsi1和Lsi2突变体水稻植硅体碳含量显著高于其野生型,大小依次为Lsi1突变体> Lsi2突变体> Lsi2野生型> Lsi1野生型。2)野生型水稻硅与植硅体含量为鞘>叶>茎,而突变体水稻硅与植硅体含量为叶>鞘>茎,水稻叶片中的植硅体碳与生物量干物质植硅体碳含量最高,植硅体碳含量整体分布趋势为叶>茎>鞘,生物量干物质植硅体碳含量整体变化趋势为叶>鞘>茎。3)水稻植硅体含量与硅含量之间呈极显著正相关(P <0.01),高吸硅的水稻植硅体含量高,且形成的植硅体比表面积小,表明植硅体含量及其形态受其遗传特性的影响。植硅体含量与生物量干物质植硅体碳含量之间呈极显著正相关(P <0.01),植硅体碳含量与生物量干物质植硅体碳含量之间呈极显著负相关(P <0.01),表明生物量干物质植硅体碳含量除了受植硅体含量影响,还受植硅体所包裹的有机碳浓度影响。4) Lsi1及Lsi2野生型水稻生物量、植硅体储量、植硅体碳储量显著高于其突变体。【结论】具有高吸硅能力的野生型水稻与其突变体相比,生物量、硅、植硅体、生物量干物质植硅体碳含量增加,分布不同,虽然植硅体碳含量降低,但植硅体碳储量增加。Lsi1及Lsi2野生型水稻比低硅突变体水稻具有更高的固碳潜力。     

基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验

针对深松作业阻力大、能耗高等问题,该文在深松铲铲尖顶部设计了一种能有效减阻降耗的凸圆刃。以安装凸圆刃的凸圆刃式深松铲为研究对象,建立了土壤模型。为提高土壤模型的准确性,选用非线性粘结弹性塑形接触模型(edinburgh elasto-plastic adhesion model,EEPA),对凸圆刃式深松铲进行耕作阻力虚拟仿真。利用插件将颗粒与深松铲接触作用力导出,分析凸圆刃式深松铲应力和形变,校验其结构强度;采用EDEM软件分析不同耕深和速度对深松耕作阻力的影响,并以国标深松铲为比较对象,分析了凸圆刃式深松铲的减阻效果;通过田间试验验证了土壤模型和凸圆刃式深松铲设计的准确性和可行性。田间试验结果表明,与国标深松铲相比,凸圆刃式深松铲耕作阻力平均降低了10.24%。仿真结果与实测值较为接近,数值误差在3%～10%,证明土壤模型基本符合土壤的力学特性,能近似代替真实的土壤环境。该研究证明了采用离散元法分析深松耕作阻力可行性,可为进一步优化深松铲结构提供参考。     

楔形减阻旋耕刀设计与试验

为解决旋耕整地作业阻力大、能耗高等问题,该文基于旋耕刀理论受力模型设计了一种楔形减阻旋耕刀。采用Inventor和HyperMesh软件分别创建国标旋耕刀及楔形减阻旋耕刀的三维模型和切削土壤模型,分析了楔形减阻旋耕刀的应力强度,对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的切削阻力。通过田间试验对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的扭矩、功耗与碎土率。结果表明:楔形减阻旋耕刀所受最大应力为29.49 MPa,远小于材料的屈服强度430 MPa,在保证刀身强度的前提下,与国标旋耕刀相比,楔形减阻旋耕刀质量减轻8.3%;平均切削阻力较国标旋耕刀下降10.65%。在相同工况条件下,楔形减阻旋耕刀的平均扭矩为648.916 N·m,较国标旋耕刀下降11.35%;楔形减阻旋耕刀的平均功耗为67.3kW,较国标旋耕刀下降9.29%,碎土率提高4%,耐磨性能与国标旋耕刀持平,能够达到在降低作业功耗的同时,提高耕作质量并保证刀具使用寿命。