关中平原农田生态系统不同秸秆还田模式的能流分析

为探明小麦、玉米秸秆还田模式下农田生态系统的能流特征,以关中平原农田生态系统的不同秸秆还田模式为对象,运用生态学原理和系统分析方法,分析了各模式的人工辅助能投入、能量产出、投能结构以及能量转化率等能流特征,了解不同秸秆还田模式的生态效益。结果表明:小麦秸秆高留茬玉米秸秆粉碎还田模式的总投能、有机能投入、有机能/无机能、能流循环指数均最高,分别为7.12×1010J.hm 2、5.44×1010J.hm 2、3.25和0.76;光能利用率最高的模式是小麦秸秆粉碎玉米秸秆粉碎覆盖还田,为0.669%;能量转化率最高的是小麦秸秆不还田玉米秸秆不还田模式,为6.05。从能流特征角度来看,秸秆还田模式的功能效益优于不还田模式。从综合评判得分来看,小麦秸秆高留茬玉米秸秆粉碎还田模式得分最高,达到0.792,说明该模式的生态效益最佳,是该区种植业生产的最优模式,可以大力推广。     

稻鸭萍共作复合生态系统的物能特征分析

对稻鸭萍共作生态系统物能流特征的分析结果表明,通过在稻田生态位添加鸭子和绿萍,使原来的稻田食物链结构趋向复杂化,增加了稻田生态系统的稳定性.稻鸭萍共作生态系统光能利用率最高,比稻鸭共作生态系统和常规稻作系统分别提高18.52%和23.08%;能流循环指数为0.096,显著高于稻鸭共作系统和常规稻作系统.此外,稻鸭萍共作生态系统氮磷钾各养分循环通量也表现为最高,显示稻鸭萍共作生态系统农田养分循环强度较高,对施肥的依赖程度较低,对环境压力小.     

不同节水稻作模式对土壤微生物数量和微生物量碳氮的影响

针对南方丘陵区季节性干旱这一区域问题,以节水稻作模式为研究对象,以常规稻作模式为对照,通过田间定位试验,研究了稻基农田土壤微生物数量和土壤微生物量碳氮的变化规律.结果表明,与该区常规稻作模式相比,节水稻作模式的土壤微生物数量和土壤微生物量碳氮差异显著;节水稻作模式有利于土壤细菌和放线菌的增殖,但抑制了真菌的增殖;土壤微生物量碳和微生物量氮的显著增加,以水旱轮作双季稻模式最佳,说明采用节水稻作模式可有效提升土壤细菌数量、放线菌数量、微生物量碳和微生物量氮含量.因此,在南方丘陵季节性干旱区,采用节水稻作模式,可促进稻田生态系统健康持续发展.     

冬季作物-双季稻轮作模式资源利用效率及经济效益比较研究

湖南省是长江中游双季稻主产区,冬季作物-双季稻轮作模式是该区重要的三熟种植制度。为优化种植模式、促进资源高效利用及农民增收,开展了13年的长期冬季作物-双季稻轮作种植定位试验,分析比较冬闲-双季稻、马铃薯-双季稻、黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻5种轮作模式的光热资源利用效率、NPK养分资源利用效率及经济效益。结果表明:马铃薯-双季稻模式年总光能利用率显著高于其他模式;马铃薯-双季稻模式轮作周年光能生产效率比黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻模式分别显著提高了0.16、0.18、0.21 g·MJ-1(P0.05),轮作周年积温生产效率比黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻模式分别显著提高了1.24、1.36、1.52 kg·hm-2·℃-1·d-1(P0.05)。各模式轮作周年P养分干物质生产效率差异不显著(P0.05);各轮作模式周年N养分干物质生产效率大小依次为马铃薯-双季稻(73.23)冬闲-双季稻(69.84)油菜-双季稻(68.30)黑麦草-双季稻(65.47)紫云英-双季稻(60.99);各轮作模式周年K养分干物质生产效率大小依次为紫云英-双季稻(70.63)冬闲-双季稻(66.10)油菜-双季稻(57.58)黑麦草-双季稻(56.37)马铃薯-双季稻(47.91)。各轮作模式的早、晚稻NPK偏生产力差异不显著(P0.05),晚稻NPK收获指数差异显著(P0.05)。各轮作模式经济效益大小依次为马铃薯-双季稻油菜-双季稻黑麦草-双季稻紫云英-双季稻冬闲-双季稻。马铃薯-双季稻模式为高投入高产出型,黑麦草-双季稻和油菜-双季稻模式为低投入中产出型,紫云英-双季稻模式为低投入低产出型。综合来看,马铃薯-双季稻模式适合在湖南双季稻区推广应用。     

稻田复种轮作系统能流物流特征研究

稻田复种轮作是循环农业发展的重要措施,能量转化与物质循环是生态系统的基本功能之一,是农田生态系统最主要的研究内容之一。为探明稻田复种轮作这一耕作制度的优势,采用田间定位试验的方法,对稻田生态系统连作处理方式和轮作处理方式的能流与物流特征进行比较分析。研究结果表明:稻田复种轮作系统能提高农田生态系统的能量流动与物质循环。在能量流动方面,稻田轮作处理平均总初级生产力为74.37×1010 J-hm-2,比连作处理高31.35%;轮作系统能量总投入平均为9.42×1010 J-hm-2,比连作处理高4.90%;轮作系统的光能利用率平均为1.55%,比连作处理高31.36%;轮作处理辅助能量产投比平均为7.89,比连作处理高25.04%。在物质循环方面,轮作处理的N、P、K养分利用率明显高于连作处理,各个处理的N、P输出/输入均小于1,说明农田生态系统中N素、P素均有盈余,呈正平衡状态,有利于土壤N素、P素的良性循环;但是系统中K素的输入值小于系统内K素的输出,说明系统内存在严重的K素亏损。因此,在南方稻区,采用稻田复种轮作方式有利于提高系统的能流物流,从而使农田生态系统处于良性循环,对循环农业发展有良好的促进作用。     

不同节水稻作模式对土壤理化特性和土壤酶活性影响研究

针对南方丘陵区季节性干旱现状与目前稻田单一化的连作耕作制度对农田环境造成的不利影响因素,通过4a田间定位试验研究了节水稻作模式下土壤理化性状和土壤酶活性变化规律影响.结果表明,与该区常规稻作模式相比.在试验设计范围内,节水稻作模式下稻田的土壤理化性状明显改善,随着耕种年限增加,土壤容重下降,而孔隙度增加.土壤通透性增强,有效阻止土壤次生潜育化和土壤酸化.提高了土壤pH值;就土壤酶活性而言,节水稻作模式处理酶活性常规稻作模式相比.除转化酶外,其它酶活性均有不同程度的增加,尤其对磷酸酶与脲酶影响最大.     

稻田复种轮作系统能流物流特征研究

稻田复种轮作是循环农业发展的重要措施, 能量转化与物质循环是生态系统的基本功能之一, 是农田生态系统最主要的研究内容之一。为探明稻田复种轮作这一耕作制度的优势, 采用田间定位试验的方法, 对稻田生态系统连作处理方式和轮作处理方式的能流与物流特征进行比较分析。研究结果表明: 稻田复种轮作系统能提高农田生态系统的能量流动与物质循环。在能量流动方面, 稻田轮作处理平均总初级生产力为74.37×10¹⁰ J.hm^-2, 比连作处理高31.35%; 轮作系统能量总投入平均为9.42×10¹⁰ J.hm^-2, 比连作处理高4.90%; 轮作系统的光能利用率平均为1.55%, 比连作处理高31.36%; 轮作处理辅助能量产投比平均为7.89, 比连作处理高25.04%。在物质循环方面, 轮作处理的N、P、K养分利用率明显高于连作处理, 各个处理的N、P输出/输入均小于1, 说明农田生态系统中N素、P素均有盈余, 呈正平衡状态, 有利于土壤N素、P素的良性循环; 但是系统中K素的输入值小于系统内K素的输出, 说明系统内存在严重的K素亏损。因此, 在南方稻区, 采用稻田复种轮作方式有利于提高系统的能流物流, 从而使农田生态系统处于良性循环, 对循环农业发展有良好的促进作用。     

传统地区稻田生态补偿标准的确定-- 以云南哈尼梯田为例

生态补偿标准的确定是生态补偿机制构建的关键问题之一。本文基于农户的受偿意愿以及政府对补偿资金的投入产出分析构建了稻田生态补偿标准的测算框架。其次,以云南哈尼梯田稻鱼共作的稻田系统为例,计算了哈尼梯田地区农户放弃一定程度化肥、农药施用的受偿意愿,并评估了不同化肥、农药限制施用条件下稻田所能供给的生态系统价值,最后基于政策有效性目标构建了哈尼梯田地区稻田生态补偿的动态标准。结果表明:在化肥、农药施用的不同限制条件下,农户的受偿意愿与限制标准呈显著正相关关系,接受政府直接补贴形式的补偿意愿为每年3 727～8 732元.hm 2,接受市场调控下稻米价格上涨的幅度为1.25～2.45元.kg 1。因此,以稻田养鱼减半化肥用量并不施用农药为例,初始时稻米价格未能提高,政府需要补偿农户7 462元.hm 2,但生态环境收益仅为7 447元.hm 2;当稻米价格提高1元.kg 1时,政府只需要补偿农户7 112元.hm 2,此时政府的投入盈余335元.hm 2。     

伊犁河谷农田生态系统生产力水平对碳源汇的影响

[目的]分析伊犁河谷农田生态系统碳源汇的变化趋势及农田生态系统碳源汇的影响因素,为农业产业结构调整和农业生产固碳减排提供科学依据。[方法]以2004—2013年伊犁河谷农作物产量、播种面积、农业投入等相关统计数据为依据,采用碳转化系数的方法对伊犁河谷农田生态系统主要碳源汇进行测算。[结果](1)近10a来,伊犁河谷农田生态系统碳吸收总量由2004年的2.32×106 t升到2013年的4.48×106 t,平均增长率为7.57%,单位播种面积碳吸收量也由2004年的7.54t/hm2上升到2013年9.27t/hm2,提高了0.23倍。碳吸收量与水稻、小麦、玉米、蔬菜总产量呈极显著相关与胡麻总产量呈显著负相关。(2)碳排放总量由2004年的2.24×105 t增加到2013年的4.02×105t,10a间增加了0.80倍。对农田生态系统碳排放总量贡献最大的因素为柴油和化肥投入。(3)近10a间,净碳吸收总量由2004年的2.10×106 t增至2013年的4.07×106 t,单位播种面积净碳吸收量由2004年的6.81t/hm2上升至2013年的8.44t/hm2,年均增速2.41%。[结论]在伊犁河谷农业生产的高投入、高产出的模式下,其农田生态系统表现为碳汇系统。     

喀斯特森林随降水流动的主要元素动态研究

研究了喀斯特森林随降水流动的主要元素动态。结果表明:随降水流动的NO3-,NH4 ,K ,Ca2 ,Mg2 ,SO42-,Cl-,Na 浓度,在林隙、林内、树干茎流和溪流水中的月动态以夏季较低、冬季较高。沿着"大气→森林→集水区溪流水"的流动轨迹,部分离子浓度呈"富集"或"扩散"状态。按其空间分布式样可划分为:持续富集型,包括Ca2 和Mg2 ;地表富集型,包括K ,Na ,Cl-,NO3-和NH4 ;其它型,包括SO24-。黔中喀斯特山地每年随降水输入森林-土壤系统的N量为9.479~12.692 kg/(hm2.a),随地表径流和90 cm壤中流的流失量为0.452~0.727 kg/(hm2.a),净增量为9.027~11.965 kg/(hm2.a),占森林-土壤系统总量的0.08%~0.10%;K的相应量分别为12.749~19.557 kg/(hm2.a),1.701~4.670 kg/(hm2.a),8.071~17.856 kg/(hm2.a),0.01%;Ca的相应量分别为50.800~84.064 kg/(hm2.a),10.103~12.939 kg/(hm2.a),40.697~71.125kg/(hm2.a),0.39%~1.29%;Mg的相应量分别为9.712~16.287 kg/(hm2.a),1.590~3.439 kg/(hm2.a),8.122~12.848kg/(hm2.a),0~0.03%。     

基于仿真及物理模型试验构建圆形断面管道非满流流速函数

明渠断面流速分布是精确测量明渠断面流量的基础,也是明渠水流运动规律研究的基本问题。为探究圆形断面管道非满流的断面流速分布特性,采用经实测资料验证的三维紊流数学模型及数值求解方法,对不同底坡和充满度组合情况下的圆管非满流进行了数值模拟。结果表明:圆管非满流的断面流速分布对充满度非常敏感,充满度越大,垂线流速的非单调性越明显,当充满度低于0.5时,未出现最大流速点下潜(dip)现象;当充满度超过0.5时,dip现象越发明显,这是因为当充满度超过0.5后,内凹型侧壁对水面的约束作用增强,断面二次流更加明显。圆管非满流断面上各垂线的流速分布曲线具有很好的相似性,均接近于抛物线曲线特征,二次函数中的待定系数主要受垂线横向位置和充满度的影响。通过回归分析建立了圆管无压均匀流中沿垂线流速的抛物线分布公式,同时给出了各系数的确定方法,按上述流速分布律计算的流速值与实测值吻合良好,曲线拟合的决定系数均在0.92以上,表明给出的抛物型垂线流速分布规律是合理可靠的。     

降雨强度和单宽流量与地表粗糙度交互作用下坡面流阻力特征

为探明降雨和地表颗粒共同影响下的坡面流阻力变化特征及形成机理,在15?定床条件下,分别研究了4个粗糙度(0.009,0.18,0.25,0.425 mm)和4个降雨强度(0,60,90,120 mm/h)在9个单宽流量(0.397~2.049L/(m·s))冲刷下的坡面流流速、流态指数、阻力系数、雷诺数等水动力学参数间的关系及变化特征。结果表明:1)坡面流流速与粗糙度呈反比,与降雨强度呈正比。流态指数m的计算结果显示(m0.5),坡面水流能量主要转化为动能形式;2)试验条件下,雷诺数变化范围为300~2 300,达西阻力系数变化范围为0~3.0,颗粒阻力和降雨阻力皆随着雷诺数的增加而减少,随着水深的增加,降雨对坡面流施加的影响逐渐减小。坡面总阻力系数与粗糙度成正比,与雷诺数和雨强成反比,降雨具有"减阻"效果;3)计算降雨阻力与颗粒阻力线性叠加值与坡面流总阻力的差异,结果表明坡面流总阻力大于线性叠加的结果,t检验结果显示差异显著(sig.0.0030.05),表明将坡面流阻力分量线性叠加计算坡面流总阻力的方法具有一定局限性;进一步构建降雨及地表颗粒影响下的坡面流阻力通式,具有良好的模拟效果。研究成果为深入探明坡面流阻力形成机理和构建坡面侵蚀模型提供科学依据。     

Effects of Vegetation Stems on Hydraulics of Overland Flow Under Varying Water Discharges

Vegetation plays an important role in soil erosion control, but few studies have been performed to quantify the effects of vegetation stems on hydraulics of overland flow. Laboratory flume experiments were conducted to investigate the potential effects of vegetation stems on Reynolds number, Froude number, flow velocity and hydraulic resistance of silt‐laden overland flow. Cylinders with diameter D of 2·0, 3·2 and 4·0 × 10⁻² m were glued onto the flume bed to simulate the vegetation stems, and a bare slope was used as control. The flow discharge varied from 0·5 to 1·5 × 10⁻³ m³ s⁻¹ and slope gradient was 9°. Results showed that Reynolds number on vegetated slope was significantly higher than that on bare slope because of the effect of vegetation stems on effective flow width. All the flows were supercritical flow, but Froude number decreased as D increased, implying a decrease in runoff ability to carry sediment. The mean flow velocity also decreased with D, while the velocity profile became steeper, and no significant differences were found in surface flow velocities among longitudinal sections on all slopes. Darcy–Weisbach friction coefficient increased with D, implying that the energy consumption of overland flow on hydraulic resistance increased. Reynolds number was not a unique predictor of hydraulic roughness on vegetated slopes. The total resistance on vegetated slopes was partitioned into grain resistance and vegetation resistance, and vegetation resistance accounted for almost 80% of the total resistance and was the dominant roughness element. Further studies are needed to extend and apply the insights obtained under controlled conditions to actual overland flow conditions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

牟托沟流域高含沙水流与泥石流相互演化特征及其机理

震后环境下单沟高含沙水流与泥石流相互演化规律是泥石流工程防治的关键问题.以茂县牟托沟泥石流为例,探讨了牟托沟泥石流物源补给和微地貌在高含沙水流与泥石流相互演化过程中的重要性.首先分析了牟托沟地形地貌特点;其次利用容重分析了牟托沟高含沙水流与泥石流相互演化特征;最后采用一次泥石流固体物质总量的形态调查法和阶梯-深潭微地貌效应分析方法分析了高含沙水流与泥石流相互演化机理.研究表明:(1)牟托沟泥石流起动模式为冲蚀→冲沟→堵塞→溃决→泥石流的模式;(2)在弃渣和崩坡积物的影响下牟托沟易形成阶梯一深潭微地貌;(3)高含沙水流与泥石流的相互演化和一次泥石流固体物质总量关系密切.     

人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380 mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,水力关系可用流态指数综合反映;滚波流速随着流量增加逐渐增加,坡度对其影响较小;波长随着流量呈单驼峰形式变化,即先随流量的增加而增加,达到峰值后又减小,峰值对应的单宽流量为0.278 L/(s·m);滚波频率随流程的增加逐渐衰减,同时随着单宽流量的增加,平均衰减系数增大;试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0.64左右,紊流失稳临界弗劳德数在2.13左右。     

用于梯形渠道的仿翼形便携式量水槽水力性能

机翼形量水设施水力条件优、量水精度高,但翼形曲线的复杂性制约其推广,为此,该研究基于结构简单的仿翼形便携式量水槽,探究其在末级梯形渠道的适用性。模型试验设计5组收缩比、7组流量进行水力性能试验,在此基础上,基于FLOW-3D软件对比分析仿翼形与机翼形量水槽水力性能的差异,深入研究不同收缩比对仿翼形量水槽水力性能的影响。研究结果表明：数值模拟与试验结果的水深数据吻合,误差小于4.91%,数值模拟的方法准确可靠;简化后未改变机翼形过流顺畅、雍水高度小等特点;所有工况上游佛汝德数均小于0.5,雍水高度小于7.6 cm,满足测流精度和渠道安全的要求,收缩比在0.60～0.64范围时,量水槽水力性能最优;基于能量方程及临界流原理建立的流量公式精度较高,平均测流误差为2.75%。该研究表明仿翼形保持了原机翼形良好的水力性能,测流精度高且曲线形式简单,便于推广,对于促进灌区末级梯形渠道便携式量水槽的推广具有实用价值。     

浙江省泥石流类型及分布特征研究

2005—2008年浙江省对全省48个山区县市的泥石流进行了全面调查及评价,查明有42个山区县市共发育过486处泥石流,其中沟谷泥石流347条,坡面泥石流139处。并对泥石流的类型及分布特征进行了分析研究。结果表明,浙江泥石流主要有沟谷型泥石流(灾害规模小,危害程度大),滑坡、崩塌转化型泥石流,暴雨型泥石流等类型特征。在分布上主要受地形地貌、岩性构造及降水的控制,主要分布在火山岩区域,泥石流地质灾害发育的构造规律有沿深大断裂发育区域呈带状分布特点。在降水上受梅雨及台风交替控制,分布具有明显的"双峰"现象。     

坡面流流速计算的研究

有降雨影响下的坡面流,多为三维非均匀沿程变量水流,其流速的计算是一个比较复杂的问题,也是研究土壤侵蚀力学机理的关键。本文根据室内人工降雨水槽模拟实验对影响坡面流速诸因子的研究结果,首先从理论上将流速表示为含有达西—维斯巴赫(Darcy—Weisbach)阻力系数f的函数,再根据实验资料建立起不同流态的计算式,进而可计算坡面任一处不同流态的径流速度。     

考虑三偏差因素的滴灌系统流量总偏差率

中国微灌行业规范规定滴灌系统设计中的流量偏差率,只考虑水力偏差一个因素,导致设计偏离实际。随着生产发展与技术进步,为提高设计精度,有必要研究考虑再计入滴头制造偏差及滴头高程偏差的影响。鉴于已有文献［4］在推导过程中有诸多问题,结论不可信,再次研究了考虑三偏差因素的流量总偏差率。该文在已有高差流量偏差率的基础上,定义了滴头的制造流量偏差率、导出了3个流量偏差率最不利组合——流量总偏差率计算式,并提出了流量总偏差率允许值的建议。     

喇嘛溪沟泥石流运动特征及其对工程影响分析

喇嘛溪沟是流沙河的一条支流,历史上曾发生过不同规模的泥石流。沟内第四系松散堆积物丰富,在特大暴雨的诱发下,有暴发泥石流的可能。为确保桥梁的安全运营,在现场调查的基础上,根据国内外的研究成果,结合喇嘛溪沟流域的特征,分析研究了喇嘛溪沟沟谷发育特征和泥石流的运动特性。通过对不同设计概率下的泥石流流速、峰值流量、一次泥石流固体物质总量的计算,桥梁工程设施按100a使用寿命考虑,喇嘛溪沟流域内的松散物源在遭遇100a一遇特大暴雨的情况下有失稳启动的可能,并对桥梁安全运营有一定的影响,这一研究对保证桥梁工程的安全有着重要的现实意义。