稻茬麦根系构型可视化与三向分型维研究

提出一种根系可视化分析方法用于定量稻茬田环境的小麦根系构型。使用根系构型数字化仪测试稻茬麦苗期根系构型,将所测数据导入Pro/E平台进行根系构型的3-D重构,然后对可视化根系进行3向平面投影,计算小麦根系在不同平面的分形维数与分形丰度。结果表明,该方法可以真实反映出田间稻茬麦根系构型的动态变化状况,而根系分形维数与分形丰度随时间逐步递增,正视图面的分形维数和分形丰度总大于左视图面。从播后第98天开始,俯视图面的根系构型分形维数与分形丰度出现突增。在3个投影面上稻茬麦根系的分形维数与分形丰度都高度相关,二者与根总长也存在一定的相关关系。     

南方稻麦轮作系统下小麦根系的三维分形特征

【目的】根构型直接影响作物的水肥吸收,而定量根构型的相关指标多局限于二维分析,缺乏有效的3D分析指标。论文探讨计算分析根构型3D特征的指标与操作方法,用于定量稻麦轮作制不同耕作方式对小麦根构型的影响。【方法】使用自制的根构型数字化仪,测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,获得根系构型的空间坐标。然后运用Matlab编程实现小麦根构型拓扑数据的虚拟重构,令虚拟根系再现实体根系的空间拓扑。结合分形理论与软件的计算分析功能对虚拟根构型进行分形维计算,分别获取3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度和单株总根长5个特征指标,以此表达小麦根构型在不同年度、不同耕作方式处理下的时空动态。同时建立不同年度及耕作处理下单株总根长动态与根构型3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度间的相关关系。【结果】研究发现随着作物生长期的变化,不同年份及不同耕作处理下的小麦根构型指标都表现出稳定增长的趋势。不同之处在于2010—2011年度的小麦根构型指标平稳增长,而2011—2012年度的根系生长速率变化较为剧烈。对比两个年度间的小麦根构型指标发现,免耕和旋耕两种耕作方式对小麦根构型的影响效果相反,在2010—2011年度,旋耕处理方式下的根系指标优于免耕处理方式,而在2011—2012年度,免耕处理方式下的根构型指标表现更优。对于作物生长前期(0—98 d)而言,年度变化引起的根构型指标差异显著大于耕作处理引起的差异,在作物生长后期(98—112 d),年度变化和耕作处理方式对小麦根构型指标的影响较为相近。对比小麦根构型的3D分形维指标和平面分形维指标发现,3D分形维明显区别于平面分形维,这表明根系的三维分形是根构型的必要分析指标。在不同的年度与耕作措施下,单株小麦的总根长与3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D分形丰度都满足指数模型,且显著相关,说明年度因素和耕作措施仅是影响模型的常量参数项。【结论】由计算机软硬件结合分形理论构建的田间小麦根构型的可视化和定量化分析手段是实现小麦根构型精确分析的保证,该分析过程真实再现了田间小麦根构型的时空动态。3D分形指标可以准确定量作物根构型真实的时空动态,在进行根系生长策略的选择及根土关系优化时需要考虑到田间作物根系的实际生长条件和耕作制度。     

土壤压实对水稻根系发育及产量的影响

随着水稻生产机械化水平的不断提高,人们对于自走式水田田间管理机械的需求日益增加。研究机械压实对水稻根系发育及产量的影响,给改进和设计新型水田田间管理机械的行走装置提供理论依据,进行不同压强下的水田土壤压实试验,得到相应的水稻成根数量、主根长度、主根直径及单穴产量,利用SPSS软件对其进行单因素方差分析,计算回归方程并设计试验验证回归方程的准确性。方差分析结果表明,压实对水稻根系发育及产量有显著影响,且由验证试验可知,在误差小于5%范围内,可用Y_1=233.107-1.921X_1、Y_2=32.344-0.260X_2、Y_3=154.557+4.268X_3、Y_4=836.982-4.505X_4分别对该试验压实载荷范围内具体压强下的成根数量、主根长度、主根直径、单穴产量进行预测。试验得出,机械压实会对成根数量、主根长度、主根直径产生显著影响,随着压实程度的增加,成根数量减少,主根长度减小,主根直径增大,单穴产量下降。     

秸秆-土壤-旋耕机交互下秸秆位移与埋覆效果研究

分析秸秆-土壤-机具之间的交互关系,明确秸秆运动规律及分布效果,对秸秆管理及耕作机械优化设计具有重要的作用。为探究秸秆-土壤-旋耕机交互下的关键作业参数对秸秆位移和埋覆效果的影响,利用Design-Expert软件,根据Box-Behnken试验原理进行了室内土槽试验。以旋耕埋草作业中的秸秆长度、耕作深度、刀轴转速为影响因素,以秸秆位移和埋覆率为指标进行三因素三水平的二次回归正交试验。通过建立响应面数学模型,分析了各因素对旋耕埋草效果的影响。试验结果表明：影响秸秆埋覆率和位移的主次顺序为耕作深度、秸秆长度、刀轴转速;秸秆长度与耕作深度交互作用对秸秆埋覆率和位移影响显著,其余参数交互作用不显著。多目标优化结果表明：当秸秆长度为5 cm、耕作深度为14.99 cm、刀轴转速为320 r/min时,埋草效果最优,其对应指标秸秆埋覆率与位移分别为95.5%和27.6 cm。利用优化后的参数进行试验验证,秸秆埋覆率与位移分别为93.3%和28.1 cm。研究结果可为旋耕埋草作业参数调整提供参考,为秸秆-土壤-机具交互机理研究提供理论支撑。     

旋耕还田秸秆空间分布质量离散元分析

秸秆在土壤中的空间分布质量会对秸秆腐解速率、土壤养分分布等产生显著影响。为了探究不同旋耕作业参数对秸秆空间分布质量的影响,本文基于离散元法构建旋耕仿真模型,模拟秸秆旋耕还田作业过程,并结合田间试验对不同前进速度和刀辊转速下的秸秆空间分布质量进行对比验证。对仿真及田间试验区域进行垂直分层和水平划分的空间分割处理,计算各区域内秸秆数量并以秸秆占比变异系数为指标评价不同旋耕作业参数下的秸秆空间分布质量。结果表明,在垂直分层处理中,刀辊转速的增加会使得各层秸秆占比变异系数呈递增的趋势,其中240 r/min时最小,仿真值与试验值分别为60.09%和80.65%,而随着前进速度的增加,变异系数呈先减少后增加的规律,其中0.50 m/s时变异系数最小,仿真值与试验值分别为61.00%和79.90%;在水平划分处理中,刀辊转速的增加对各层秸秆占比变异系数无明显规律性影响,但前进速度的增加可以减小纵向划分区域内的变异系数,最小值为0.75 m/s时的11.36%和20.12%,仿真值与试验值变化趋势基本一致。垂直分布和水平分布秸秆占比变异系数仿真值与试验值间差值平均最大分别为22.13%和12.23%...     

旋耕还田秸秆空间分布质量离散元分析

秸秆在土壤中的空间分布质量会对秸秆腐解速率、土壤养分分布等产生显著影响。为了探究不同旋耕作业参数对秸秆空间分布质量的影响,本文基于离散元法构建旋耕仿真模型,模拟秸秆旋耕还田作业过程,并结合田间试验对不同前进速度和刀辊转速下的秸秆空间分布质量进行对比验证。对仿真及田间试验区域进行垂直分层和水平划分的空间分割处理,计算各区域内秸秆数量并以秸秆占比变异系数为指标评价不同旋耕作业参数下的秸秆空间分布质量。结果表明,在垂直分层处理中,刀辊转速的增加会使得各层秸秆占比变异系数呈递增的趋势,其中240r/min时最小,仿真值与试验值分别为60.09%和80.65%,而随着前进速度的增加,变异系数呈先减少后增加的规律,其中0.50m/s时变异系数最小,仿真值与试验值分别为61.00%和79.90%;在水平划分处理中,刀辊转速的增加对各层秸秆占比变异系数无明显规律性影响,但前进速度的增加可以减小纵向划分区域内的变异系数,最小值为0.75m/s时的11.36%和20.12%,仿真值与试验值变化趋势基本一致。垂直分布和水平分布秸秆占比变异系数仿真值与试验值间差值平均最大分别为22.13%和12.23%,误差在可接受范围内。离散元仿真能够模拟不同旋耕作业参数下的秸秆空间分布状态,可以为旋耕秸秆还田作业质量的快速预测评价研究提供支持,也可为旋耕机械的作业参数选择提供理论依据。     

基于虚拟植物技术的冬小麦根系3D构型测试与分析

【目的】构建一套由硬件和软件集成且完整而适用的虚拟植物根系技术,定量描述稻茬田冬小麦根系的三维几何构型特征。【方法】自主设计制作“根系构型数字化仪”,该数字化仪为纯机械结构,分别设有一个水平回转臂、一个横向滑动臂和一个竖向滑动臂,回转臂与滑动臂都配有标尺,且3者的组合运动能保证测头在3D范围测取任一点的空间坐标。测量时将置于工作台的根区土壤按3-5 mm厚度逐层清除并进行根系构型数字化,从而测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,实现小麦根系实体构型的数字化。将实测的小麦根系构型数据导入Pro-E软件平台,利用软件的3D造型技术完成小麦根系构型的虚拟重构,实现计算机虚拟根系与实体根系的一致性。利用软件的分析工具对虚拟重构的小麦根系构型进行计算分析,定量小麦不同时期根系的三维空间构型、根系的土体空间搜寻能力、根系总长以及根系平均增长率等指标的变化,通过不同的指标反映田间土壤环境下真实小麦根系构型的时空动态。【结果】植物根系构型数字化仪能够提供＜1 mm的测试分辨率,操作使用方便,耐污染、抗干扰能力强,对工作环境要求不高,可满足作物根系三维空间几何构型测试要求,而使用Pro-E的小麦根系三维空间几何构型重构技术也便于根系构型的深度计算与分析。冬小麦的根系构型分析结果表明,该虚拟根系技术能够直观展示小麦生长期不同时间节点的根系构型状态特征及土体空间搜寻动态,根系构型图可以反映各时期小麦根系在土体中的纵深拓展和周向扩展状态。同一时期植株个体的根系构型变异性较大,越冬期小麦根系很浅,在返青及分蘖旺期小麦的根系迅速向深层土层中伸展,拔节期根系爆发迅速。【结论】由软硬件单元组构的虚拟植物根系三维空间几何构型的测试与分析方法是准确定量根系动态、根-土关系、根系拓扑特征、根系动态空间行为指标等作物根际生理生态行为的技术保障,其不仅直观展示了水稻土条件下冬小麦根系空间几何构型在不同时期的空间拓展状况,也能够定量根系构型的动态,因此能够满足作物根系三维空间几何构型分析的实用要求。     

高时空分辨率及高通量的稻茬麦苗期表型指标动态特征研究

稻麦轮作系统周年土壤干湿交替决定着稻茬麦种植特有的生态特征,需要专门的耕种技术设计。为了用更高的时空分辫率表型方法描述稻茬麦的生长动态,使用扫描仪与图像处理软件Im-age Pro-Plus对自然平展态的冬小麦苗期表型指标进行侧量,分析冬小麦苗期表型指标动态变化特征。结果发现,在更加精细的时空观测尺度上,基于单株及器官水平的表型指标定量有利于区分不同耕作处理引起的稻茬麦植株表型的细微变化及动态。免耕与旋耕2种耕作处理对部分茎叶指标在稻茬麦部分生理期内引起显著性差异,但这些差异在年度间的表现并不稳定。使用平均变化率指标描述>84d后的茎叶指标发现,总叶长与单株叶面积的数值最大,总根长次之,而耕作处理对总根长平均变化率的影响显著,两个年度的动态图都反映出免耕处理的小麦在播后60d左右平均叶倾角突然下降。因此,运用软硬件结合的精细时空尺度大田作物表型技术能够鉴别田间复杂环境因子对稻茬麦苗期茎叶指标动态的影响。     

基于TracePro的LED光照鹅孵化机设计及试验

为改善鹅种蛋孵化性能,以辐照度均匀度、孵化机容蛋量和安全性为指标,基于TracePro Expert光学仿真软件对孵化机内LED灯带布置进行仿真和安装设计,同时选用不同LED光照进行种蛋孵化试验,以确定最佳孵化期光照方案。结果表明,在所设计的小型孵化机内,灯带条数为3条,水平间距为25 cm,安装高度距离蛋表面20 cm时为最佳布置方案,此时辐照度均匀度为0.692,满足建筑照明最低标准。与传统的黑暗条件孵化相比,辐照度为0.5~0.6 W/m2的LED红光和白光显著提高鹅种蛋孵化率,分别提高4.39和2.39个百分点,且缩短出雏窗口期约16 h;而单色绿光能促进胚胎发育,利于鹅胚体重的增加。该研究结果可为后续高性能鹅种蛋孵化机的设计和优化提供参考。