基于林分空间结构分析方法的土壤大孔隙空间结构研究

土壤大孔隙的形成和分布具有重要的生态学意义,但尚未有研究者利用生态学方法研究其空间结构。以三峡库区紫色砂岩区的3种典型土地利用类型下的土壤大孔隙为研究对象,将图像处理技术与林分空间结构分析方法相结合,从形态学和生态学角度量化分析土壤大孔隙的空间结构。结果表明:3种土地利用类型的土壤大孔隙形状、空间结构复杂程度高,空间分布格局随土壤深度的增加均呈聚集分布趋势,且深层土壤的大孔隙组成较表层单一,其中草地最明显,大孔隙发育程度均随土壤深度的增加而降低;3种土地利用类型的土壤优先流发育程度由大到小为:草地、果园、农地,同一土地利用类型不同孔径范围的大孔隙所形成的优先路径的连通性、导水性和发育程度由大到小依次为:草地孔径范围[5.0 mm,∞)、[2.5 mm,5.0 mm)、[1.0 mm,2.5 mm)、(0,1.0 mm),农地和果园孔径范围[1.0 mm,2.5 mm)、[2.5 mm,5.0 mm)、(0,1.0 mm)、[5.0 mm,∞);将林分空间结构分析方法与土壤大孔隙位置密度分布、大孔隙变异度和复杂度指标进行对比,并与以往研究土壤大孔隙空间结构的方法进行比较,所得结果相同,证明该方法可以用于土壤大孔隙空间结构的分析和研究。林分空间结构分析方法简单易行,从生态学的角度完善了大孔隙空间结构的分析,弥补了目前基于物理化学方法在大孔隙结构理论分析的不足,进一步揭示了土壤大孔隙空间结构形成和分布的原因。     

蓄水多坑灌施下尿素在土壤中的运移转化特性

为提高蓄水多坑灌施尿素条件下土壤氮素利用率和保护生态环境,通过室内蓄水多坑(土箱半径40 cm,高120 cm,蓄水坑半径16 cm,深度60 cm)物理模型试验,研究了蓄水多坑灌施下尿素在土壤中的运移转化特性。结果表明,土壤水分主要分布在地表以下20~80 cm,0~10 cm土层土壤含水率较小,同一土壤深度处蓄水坑壁附近土壤含水率大于0通量面处土壤含水率;同一土壤深度蓄水坑壁附近土壤尿素态氮量大于0通量面处的尿素态氮量,尿素的水解在9 d内基本完成,第7天水解最快,尿素水解与时间存在良好的对数函数关系;土壤铵态氮主要集中在40~60 cm土层土壤中,且r=20 cm处的量高于0通量面处的;而土壤硝态氮的分布趋势与铵态氮相反,随时间的延长,0通量面和r=20 cm处的土壤铵态氮质量分数均在40~60 cm和60~80 cm增幅较大,而土壤硝态氮质量分数表现出在90~100 cm湿润锋处增幅最大。     

生物炭施用对节水灌溉稻田土壤酶活性的影响

为探究生物炭施用对节水灌溉稻田土壤酶活性的影响,基于田间试验,分析了不同水碳调控情景下土壤酶随土层深度及水稻生长的变化规律。结果表明:节水灌溉条件下,施加生物炭对土壤酶活性有一定的提高作用,随着生物炭施用量的增加而增加,但在分蘖期的0~10cm土层出现了降低。同对照相比,中量(20t/hm^2)和高量(40t/hm^2)生物炭施用处理0~40cm土层的土壤过氧化氢酶活性分别增加了1.89%~4.64%和6.67%~8.75%,蔗糖酶活性分别增加了3.21%~23.38%和35.26%~73.43%;与常规灌溉相比,控制灌溉0~40cm土层土壤过氧化氢酶活性和土壤蔗糖酶活性均值分别提高了4.26%~12.44%和4.88%~20.98%。不同生物炭施加量处理的土壤蔗糖酶活性在分蘖期差异显著,在水稻生长的中后期逐渐减弱。稻田各生育阶段的土壤过氧化氢酶酶活性随土壤深度增加先增后减,土壤蔗糖酶活性基本上随土层加深逐渐降低。节水灌溉和生物炭施用的联合应用可以提高稻田土壤酶活性,且高量生物炭施用效果更加明显。     

环渤海微咸水区土壤盐分及盐渍化程度的空间格局

为了探求环渤海低平原区微咸水的农业利用潜力、缓解水资源危机,就需要掌握该区土壤盐分及其盐渍化程度的空间分布格局。本文通过对该平原微咸水区选取127个代表性样点,采集0～60 cm深度内的8层土样进行土壤全盐量测定,并对130个水井的水位埋深及128个地下水样的矿化度进行了测定。采用地质统计学和GIS相结合的方法研究了该区土壤全盐量及其盐渍化程度的空间分布格局。结果表明,除表层土层盐分含量属于强变异强度外,环渤海低平原区其余土层盐分含量均属于中等变异强度。土层盐分的空间自相关距离从表层（0～5 cm）的35.3 km 增加到深层（50～ 60 cm）的59.7 km。研究区各层土壤盐分含量自内陆平原向东部滨海平原逐渐增加,上下土层盐分含量呈相同的空间变化趋势。表层土层属于非盐化土、轻度盐化土和中度盐化土的比例基本相等,而重度盐化土面积较小,5～60 cm土层无重度盐化土分布。总体上,环渤海低平原以轻度盐化土和非盐化土为主,0～60 cm空间上盐分积聚不强,浅层微咸水灌溉存在很大利用空间。     

黄土高原南北样带不同土层土壤容重变异分析与模拟

为探明黄土高原南北样带土壤容重空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供水力参数,采用经典统计学方法,分析了样带不同土层深度(0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm)土壤容重的空间变异特征,并用多元逐步回归、传递函数方程和一阶自回归状态空间模型方法分别对土壤容重的空间分布进行了模拟。结果表明:样带0~20 cm深度土壤容重的变异为中等程度变异,20~40 cm为弱变异。状态空间方程转换系数表明,不同土层深度土壤容重的影响因素不同,0~10 cm主要为有机碳含量、黏粒和砂粒体积分数,10~20 cm为有机碳含量、黏粒和砂粒体积分数和降水量,20~40 cm为黏粒和砂粒体积分数、降水量和土地利用。状态空间模型的模拟效果均优于经典统计的多元逐步回归方程和传递函数方程,基于黏粒和砂粒体积分数、降水量和土地利用的状态空间模型可以解释样带20~40 cm容重92.3%的变异。一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下土壤容重分布特征的预测。     

基于应力传递系数的分析模型优化与土壤压实应力预测

针对目前基于有限尺度环刀的土壤应力传递系数（Stress transmission coefficient,STC）取值方法无法满足不同深度土壤条件下集中系数随加载环境变化研究的问题,将土壤剖面分割为有限尺度的土层,基于分析模型推导ΠSTC公式,以多层土壤应力传递系数连乘方式计算田间指定深度土壤应力传递系数。基于传感器技术进行田间原位土壤平板下陷试验,通过控制压板直径和土层厚度实测9种加载状态下土壤的应力传递系数;同时,通过有限尺度（Φ50×50mm环刀）取样于室内,结合土压力传感器进行非扰动土单轴压缩试验,测量各土层（0~50mm、50~100mm、100~150mm、150~200mm）应力传递系数。运用ΠSTC公式计算3种深度（100、150、200mm）土壤的应力传递系数分别为0.30、0.17、0.07,综合实测数据通过双因素方差分析研究应力传递系数随加载环境的变化规律,由此反算不同加载条件的集中系数。结果显示,随着压板尺度的改变,实测与计算所得相同深度土壤的应力传递系数间并无显著差异,表明土壤应力传递系数与压板-土壤接触面当量半径无关,利用ΠSTC公式计算田间土壤应力传递系数方法可行;随土层厚度的增加,应力传递系数显著减小,说明应力传递性能随土层厚度的增加而逐渐减弱;集中系数随压板直径和土层厚度的增加而逐渐减小。利用分析模型较为准确地预测了田间指定加载环境和土壤环境中因连续加载而变化的土壤应力,优化了土壤压实应力传递的研究方法。     

温室滴灌施肥条件下土壤硝态氮的运移及分布特征

为了揭示不同滴灌施肥方式对日光温室土壤硝态氮运移及分布的影响,以番茄为供试作物,选择漫灌为对照(CK),研究在3种施肥处理和4种灌水量条件下硝态氮的运移及在各土层的分布情况。结果表明,土壤硝态氮量随灌水量和施肥量的增加而增加,随土层深度的增加而逐渐减少。土壤硝态氮主要分布在0~40 cm土层,占试验土层总量的82%~92%。与大水高肥(W_1F_3)处理相比,节水节肥(W_4F_1)处理下土壤剖面硝态氮累积量减少了36.65%。与CK相比,节水节肥(W_4F_1)处理下40~60 cm土层硝态氮累积量减少了53.42%;与大水高肥(W_1F_3)处理相比,W_4F_1处理下40~60 cm土层硝态氮累积量减少了62.18%。在本试验条件下,较习惯施肥量减30%、灌水量减50%的处理是可行的,能够有效地提高氮肥利用率和产投比、降低土壤硝态氮的深层累积。     

长期免耕对不同土层土壤结构与有机碳分布的影响

为探明长期翻耕与免耕条件下不同土层深度土壤结构稳定性及其有机碳分布特征,在长期定位试验中分层(0~10 cm、10~20 cm、…、90~100 cm)采集免耕和常规耕作处理下混合土样和原状土样进行土壤结构与有机碳的测定,结果表明:(1)随着土层的加深,0.5~2.0 mm和大于2.0 mm粒级团聚体含量表现为逐渐降低的趋势,而其他粒级团聚体含量呈增加趋势。免耕更利于提高大粒级团聚体(0.5 mm)的含量,且土壤结构的稳定性显著提高,其作用深度在50 cm以上。(2)随着土层的加深,土壤总有机碳和活性有机碳均表现为先增加后降低再趋于稳定的趋势。免耕处理在0~80 cm土层的土壤总有机碳和活性有机碳均高于常规耕作处理。(3)随着土层的加深,不同粒级团聚体总有机碳含量呈降低趋势,大粒级团聚体中含有较高的有机碳。免耕更利于0~40 cm土层不同粒级团聚体总有机碳含量的提高。随着土壤团聚体粒级的降低,土壤活性有机碳含量呈降低趋势。与常规耕作相比,除0.053~0.250 mm粒级团聚体外,免耕提高了0~20 cm土层各粒级团聚体中活性有机碳含量。(4)随着土层的加深,各粒级团聚体中有机碳对土壤总有机碳的贡献率表现为先降低后增加再降低的趋势。不同粒级团聚体中,大于2.0 mm和小于0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率在0~100 cm土层均低于其他粒级团聚体。在0~20 cm、30~40 cm和90~100 cm土层,免耕处理各粒级团聚体有机碳累积贡献率均高于常规耕作。     

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CT扫描的微塑料对砂壤土孔隙结构的影响研究

【目的】探究微塑料对砂壤土孔隙结构的影响,为土壤新型污染物微塑料的防治提供科学依据,也对应用CT扫描进行土壤结构与土壤质量评估提供借鉴与指导。【方法】采用室内土柱模拟方法和计算机断层扫描技术,对CK（未赋存微塑料的空白组）和M（赋存2%浓度聚丙烯微塑料的试验组）处理进行了三维土壤孔隙结构的可视化分析和孔隙特征参数的测定。【结果】聚丙烯微塑料显著影响砂壤土孔隙结构。通过对三维孔隙结构可视化研究发现,CK中土壤孔隙分布较为均匀,出现明显下沉且纵向连续性强,而M处理中土壤孔隙破碎化程度高,连通性较差;且CK中土壤孔隙度为4.98%,M处理中土壤孔隙度只有3.79%。聚丙烯微塑料赋存条件下土壤孔隙数量与孔隙体积分布随土壤深度发生变化。在土柱0～4cm深度范围内,土壤孔隙总数量表现为CK>M处理,M处理中土壤孔隙总数较CK降低了73.02%,且二者的孔隙数量差异随土壤深度的增加而逐渐增大;土壤平均孔隙体积表现为CK(1 709mm3)>M处理（1235mm3）,且相较于CK,M处理的大体积土壤孔隙数量占比有不同程度的降低。聚丙烯微塑料对砂壤土孔隙形态特征产生了影响。随着土层深度的增加...     

作物长势信息空间分析系统设计

为了满足作物长势动态测量的要求,设计了作物长势信息空间分析系统,针对作物冠层信息获取手段及其数据特点设计相应的功能模块。系统主要由光谱文件管理、定点作物光谱分析、动态采集监测、空间数据分析等功能模块组成。系统能够兼容多种光谱文件格式,具有两种空间数据分析方法,配有专家数据库接口,具有较强的二次开发潜力。该系统配合车载作物长势检测平台,对玉米的长势空间分析进行了应用效果验证,结果证明：该系统能够实时读取和分析车载式作物长势检测平台的动态数据,通过不同的空间插值方法能够掌握冠层生物信息空间分布状况。该系统为车载动态测量提供了良好的技术支持,可为制定相应的精准管理决策提供理论依据。     

空间并联机构弹性动力学优化设计

研究了4-UPS-UPU 5自由度空间并联机构的弹性动力学优化设计。基于KED方法建立了并联机构的弹性动力学模型,以并联机构运动过程中5个驱动杆的最大变形能和最大动应力限制条件作为约束方程,将机构的总质量函数和基频函数整合成一个综合优化目标函数,分别采用fmincon函数和遗传算法进行优化设计,确定了并联机构动平台质量和5个驱动杆截面积的最佳参数值,验证了以上优化方法和优化结果的正确性与合理性。     

液态施肥机分配机构空间凸轮设计与试验

为满足液态施肥机转子式转换器空间凸轮机构运转平稳、防止液肥泄漏与施肥量精准的性能要求,建立了空间凸轮数学模型。应用Visual Basic 6.0开发空间凸轮优化软件,得到凸轮的平均圆柱半径为37 mm以及轮廓曲线图,应用Pro/E软件对空间凸轮机构进行三维建模与运动学仿真,验证了该空间凸轮机构设计的合理性。进行试验台试验,当液压泵压力0.4 MPa、输出轴转速69.75 r/min时,所测施肥量基本相同,且喷肥针只在空间凸轮的推程到回程阶段喷肥。结果表明:空间凸轮机构运转平稳,符合设计要求。     

黄淮海夏播玉米花期高温热害空间分布规律研究

黄淮海夏播玉米区是我国优势玉米种植区之一,近两年均遭受花期高温热害,严重影响了玉米产量和品质。通过调整玉米播种时间,可使玉米花期错过高温热害严重时期,从而减轻或规避热害风险,但需获知各地高温热害发生强度和频率的空间分布规律。因此,以该地区为研究区域,以日高温时长为玉米花期热害指标,计算得到黄淮海地区玉米花期高温热害强度,分析2013年热害的空间分布规律;利用63 a气象数据和日高温时长概率分布函数计算黄淮海各县区玉米花期出现高温热害风险的概率和空间分布规律。结果表明,2013年黄淮海地区夏播玉米散粉期高温热害胁迫较重的地区主要位于河南省平顶山市、信阳市等地,高温热害程度严重。如果这些热害重灾区提前7 d左右播种,将显著减少玉米花期与高温时期的耦合,降低因花期高温热害造成的产量损失。基于物候时期、县域环境这一更加精细的时空尺度研究玉米气象灾害风险分布规律,既可为气象灾害研究提供新视角,又可用于指导重灾区通过调整播期规避风险,具有重要的理论和现实意义。     

小流域土壤氮磷空间变异特征分析

应用经典统计学与地统计学相结合的方法,以长江下游地区岔河小流域为研究区域,分析了不同土地利用方式下土壤中氮磷含量在0~15 cm和15~30 cm两种深度中的空间分布特征。结果表明:流域内旱地、水田及撂荒地中氮磷含量分布特征差别很大,变异系数迥异;氮和磷的空间分布均为各向异性,长轴方向多为东北-西南;对于0~15 cm土壤层,长轴变程在750~950 m之间,变程从大到小依次为全磷、铵态氮、全氮、有效磷、硝态氮;小流域全氮高含量值主要集中在流域南部水田较为集中的地方,含量梯度与坡面径流方向一致;而全磷受农业耕作及土壤颗粒迁移的双重影响,在小流域南部及北部旱作区聚集的地方分别出现高值区;全氮、全磷在3种耕作方式下呈现出相似的结构性,且水田中正相关尺度均大于旱地,空间正相关尺度与变异系数表现出很好的一致性。     

塿土土壤水力特性空间变异的多重分形分析

为探讨塿土土壤水力特性的空间分布特征,对杨凌示范区大寨乡小麦与玉米轮作地进行直线分布土壤取样,室内测定了土壤水分特征曲线、饱和导水率、土壤含水率、容重等土壤水力特性,用Brooks - Corey模型对土壤水分特征曲线进行拟合,采用多重分形方法对Brooks- Corey模型参数(θs、α、n)、饱和导水率(Ks)、土壤含水率(θ)、容重(ρ)等进行空间变异性分析.结果表明:在全部采样方向上Ks、α及n的变异性较强,θsθ及ρ表现为弱变异;不同采样方向上土壤水力特性参数具有多重分形特征;不同采样方向上θ,、θ及p的多重分形结构较弱,空间变异性不强;不同采样方向上Ks、α及n的多重分形结构明显,广义分形维数分别为0.7 ～1.9、0.6～1.2、0.9～1.1,空间变异性较强,且Ks比α和n具有更为复杂的空间分布结构.     

麦弗逊悬架运动分析的空间解析法

麦弗逊悬架是汽车上最常采用的一种型式,其运动分析是解决整车布置设计问题和提高悬架特性的基础,本文以空间解析几何分析方法探讨了该结构的运动分析方法。     

土壤入渗特性和田面糙率的变异性对沟灌性能的影响

以杨凌区粘壤土和砂壤土区域进行的大田沟灌试验为基础,在假定各灌水沟内部土壤入渗特性和糙率均一的条件下,重点分析各灌水沟之间土壤入渗参数和田面糙率的不同组合对沟灌水流运动过程和灌水质量的影响,结果表明土壤入渗特性的变异性对沟灌水流推进过程和灌水质量指标影响较大,在模拟时必须充分考虑;而田面糙率的变异性对沟灌水流推进过程和灌水质量指标影响较小,可采用田块糙率均值代替各灌水沟的糙率。经实例验证,水流推进过程相对误差为7.28%,灌水效率、灌水均匀度和储水效率模拟值与实测值误差分别为5.74%、6.18%和4.07%,结果表明其模拟效果较好。     

空间机构学理论在断开式转向梯形分析及优化中的应用

转向梯形机构是使车辆转向时实现内,外轮理想转角关系的核心部件。而断开式转向梯形由于空间杆件较多且空间运动复杂,本文应用空间机构学的一些基本原理和方法对其进行了空间运动分析计算,找出影响内,外轮理想转角关系的主要因素,并开发出优化设计程序。     

地表水体空间分布多样性的实用性与科学性验证

选择传统的水体周长、水体总面积和河流密度以及最新的水体空间分布多样性4类地表水体分布特征评价参数,对河南省中部典型样区的地表水体信息进行深入分析。研究表明,当研究区内水体以河流等线状水体类型为主时,4者均能较好地描述区域地表水体的分布特征,且两两之间具有明显的一元线性正相关关系,判定系数平均达到0.89左右;当研究区由河流、湖泊、水库等复杂水体类型构成时,选择最新的水体空间分布多样性评价参数能够更好地描述区域地表水体的空间分布特征。