作物根系对农田土壤干缩开裂影响的试验分析

为探究农田中作物根系对土壤干缩开裂行为的影响,对根系作用及无根系作用下的农田土壤进行了自然干缩开裂试验,讨论了根系作用及无根系作用下土壤干缩裂隙的发育规律,分析了根系对土壤干缩裂隙形态及其Minkowski密度的影响.结果表明:相比无根系影响的土壤,根系影响下的土壤干缩裂隙在根系附近裂隙发育程度较低,裂隙宽度、单个裂隙...     

农田干缩裂隙形态特征及其裂隙率预测模型研究

农田干燥收缩产生的裂隙影响土壤水力-物理结构特征,并为农田灌溉水或污染物运移产生优先通道。为揭示农田裂隙形态和基质收缩等演化特征,并对土壤裂隙率进行预测,基于室内土壤收缩及裂隙发育模拟试验,采用图像处理及形态学算法分析了裂隙几何特征,选取非侵入性局部收缩分析方法量化基质域收缩特性;根据脱湿过程中土壤孔隙由基质域向沉降域和裂隙域中的转换机理,结合收缩特征曲线VG-PENG模型、收缩几何因子Logistic函数2个子模型,提出土壤裂隙率预测模型,并对不同厚度土壤试样的裂隙率进行验证。结果表明,厚度在土壤开裂过程中对裂隙形态影响显著,表现为随着土壤厚度加大,土壤表面大裂隙宽度总体加大,且裂隙骨架密度减小,土壤收缩开裂进程放缓;土壤在干燥过程中,基质收缩呈现非均匀特征,并向块区型芯聚集,裂隙边壁区域呈现出局部集中变形区,且收缩量随土壤厚度增加而增大。裂隙率预测模型结合土壤收缩非均匀性特征,从土壤物理角度预测了裂隙率关于含水率的演化过程,有效模拟了裂隙率随含水率演化规律(模型决定系数R²>0.91)。模型弥补了以往裂隙模型未考虑收缩各向异性的不足,可为裂隙流模型构建及...     

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.     

黄土丘陵区土壤粒径分布单重分形和多重分形特征

利用单重分形和多重分形方法定量分析黄土丘陵区土壤粒径分布(PSD)特征,同时分析土地利用方式对PSD分形参数的影响。结果表明:研究区PSD呈现出非均匀分布,具有多重分形特征,PSD多重分形谱f(α)-α为不对称的上凸曲线。容量维数D0与土壤质地相关性不明显,信息维数D1、关联维数D2和多重分形谱宽Δα均与粘粒体积分数呈极显著正相关(P<0.01)。土地利用方式对粘粒、粉粒、砂粒体积分数和Dsilt值有显著影响(P<0.01)。多重分形分析为详细描述PSD提供了精确的方法和途径。     

基于联合多重分形的土壤水分特征曲线土壤传递函数

利用联合多重分形方法识别在不同尺度上对土壤水分特征曲线空间变异性都具有显著影响的因素,基于得出的结论建立考虑尺度效应的小尺度和大尺度van Genuchten模型参数的土壤传递函数,探讨了将小尺度上得出的联合多重分形结论进行尺度扩展,应用到大尺度上的可行性。结果表明:小尺度和大尺度上基于0～20 cm和20～40 cm土层van Genuchten模型参数土壤传递函数预测的土壤含水率均方根误差分别为0.038 6、0.047 3和0.027 0、0.030 4,可将小尺度上进行联合多重分形分析得出的结论进行尺度扩展,应用到大尺度上,且建立的土壤传递函数具有较强的理论基础和较高的预测精度。     

黑土区玉米地作物信息多重分形与多尺度相关特征研究

为揭示黑土区玉米地作物信息的时空变异机理,在东北农业大学香坊实验基地选取48 m×48 m区域,利用多重分形和联合多重分形理论,研究作物信息的多重分形特征、不同时间作物信息以及不同作物信息之间的多尺度相关特征。结果表明,黑土区玉米叶绿素含量的多重分形特征不明显,茎粗和株高的多重分形特征较明显。随时间变化,造成叶绿素含量、茎粗空间变异的局部信息有所差异,引起株高空间变异的局部信息一致,叶绿素含量、茎粗、株高的空间变异性分别先降后增、先降后增、逐渐减弱。单一尺度和多尺度上,不同时间叶绿素含量之间、茎粗之间、株高之间的相关程度均有明显差异;叶绿素含量之间、茎粗之间的相关程度排序均有所差异,株高之间的相关程度排序相同。随时间变化,单一尺度和多尺度上不同作物信息之间的相关程度均有明显差异,且相关程度均逐渐降低。与单一尺度相比,多尺度上,叶绿素含量之间、茎粗之间、不同作物信息之间的相关程度增大,株高之间的相关程度有增有降。     

长期再生水灌溉后土壤孔隙分布的多重分形特征

土壤结构是表征土壤质量的重要指标之一.为了定量表征长期再生水灌溉后土壤孔隙分布的非均匀性,以不同年限再生水灌溉后的土壤为研究对象,采用KYKY-2800B型扫描电子显微镜获取土壤数字图像,利用数字图像处理技术测定了土壤的孔隙分布特征,运用多重分形谱参数描述了土壤孔隙分布的非均质性,探讨了土壤孔隙分布多重分形曲线对称性的意义.结果表明:多重分形谱可以定量描述土壤孔隙分布的非均质性,土壤孔隙分布的多重分形奇异谱函数α-f(α)表现为非对称连续性分布,奇异谱宽度Δα表征了土壤孔隙分布的非均质特征,大兴区北野厂灌区农田土壤孔隙分布的多重分形谱宽度Δα普遍大于石景山衙门口灌区土壤,即具有30 a再生水灌溉历史的土壤其孔隙分布的非均匀性较50 a再生水灌溉历史的土壤孔隙分布的非均匀性大,且北野厂灌区土壤小孔隙的数目小于石景山衙门口灌区土壤小孔隙数目.多重分形参数可以作为定量表征土壤孔隙分布非均匀性的重要指标.     

基于多重分形的土壤粒径分布与土壤物理特性关系

为阐明粒径分布与土壤物理特性之间的关系,测定了土壤颗粒组成、土壤容积密度和饱和导水率等参数,运用多重分形谱参数描述了土壤粒径分布的非均匀性,探讨了土壤粒径分布多重分形参数与土壤容积密度、饱和导水率等参数之间的关系。结果表明：土壤粒径分布的多重分形谱参数D1/D0和Δα可以反映土壤粒径分布的非均匀程度,参数与土壤粘粒含量密切相关,当土壤非均质性较大时,土壤中粘粒含量较多,表现为土壤容积密度增大,而饱和导水率减小。因此,土壤粒径分布的多重分形参数可以作为反映土壤物理性质的指标。     

分形方法在根系模拟中的应用

简要介绍了分形方法及其特点。根据植物根系的几何特征,着重介绍了分形方法在实际应用中的实现过程。对于根系生长具有自相似性的植物,在Visual C++环境下,结合计算机图形学和OpenGL,利用该方法模拟其生长过程。     

柑橘成熟度多重分形无损检测

为无损检测柑橘成熟度,将柑橘主要色调分布范围30°～ 120°进行了等分,形成3幅色调图,分析每幅色调图标度不变域及多重分形谱,以多重分形谱高度和宽度表征柑橘果皮色泽特征,并以此作为BP神经网络的输入,可溶性总固形物含量为输出,建立柑橘成熟度模型,映射柑橘成熟度.试验的平均正确识别率为82％,表明通过柑橘果皮色调的多重分形谱能无损检测柑橘成熟度.     

免耕条件下轮胎压实对土壤物理特性和作物根系的影响

为研究免耕条件下轮胎压实对土壤物理特性及作物根系的影响,于2013—2016年在河北涿州免耕试验田设置免耕(NT)、免耕深松(STNT)、免耕压实(CNT)和免耕压实深松(CSNT)4种处理,分析4种处理对土壤水稳团聚体、土壤容重、土壤紧实度、作物根系生长的影响。试验结果表明,在3年的试验周期内,CNT处理对大团聚体含量的影响具有累积效应,随着耕作时间的增加,CNT处理各土层土壤大团聚体含量逐渐减小,在深度上CNT处理对大团聚体含量的影响深度逐渐增加,且CNT处理能够显著减小土壤团聚体平均质量直径(MWD);10~40 cm土层,CNT处理土壤容重明显高于NT、STNT、CSNT处理;0~30 cm土壤紧实度由大到小表现为:CNT、NT、CSNT、STNT,CNT处理平均土壤紧实度分别比NT、CSNT、STNT处理大38.2%、58.9%、59.4%;0~20 cm土层CNT处理玉米平均根系质量百分比分别比NT、STNT、CSNT处理大24.0%、24.9%、19.3%(P0.05),CNT处理20~40 cm土层平均根系质量百分比仅有11.6%;CNT、NT、STNT、CSNT处理小麦平均最大根长密度分别为0.63、0.83、0.84、0.83 cm/cm3。免耕条件下轮胎压实对土壤物理特性及作物根系生长影响显著,深松技术能够显著缓解压实,未受轮胎压实的免耕区域虽然能够增加土壤容重、紧实度,但影响不显著,短期内不需采取疏松措施。     

作物根系生长监测微根管装置设计与试验

为实现不同深度下作物根系的实时监测与图像采集,设计开发了作物根系生长监测微根管装置,图像采集后可以通过上位机软件进行实时显示与存储。装置由监测管与控制箱组成,监测管使用亚克力材料制作透明外壳,同时在管内通过丝杠和导杆架设滑动轨道,利用步进电机实现摄像头在导轨上的运动控制;控制箱以STM32单片机为核心控制板,并根据实际需求选取了相应外设模块。以番茄根系为研究对象进行持续98 d的图像采集,借助软件RhizoVision Explore对根系图像进行分析,试验结果表明,前70 d番茄根系整体生长速度较快,后28 d逐渐趋于稳定,在深度6～10 cm处分布较为密集,根长密度在深度10 cm处于第91天达到最大值(1.22 cm/cm³),分析结果与番茄根系生长规律一致,表明本根系生长监测微根管装置能在不影响根系持续生长的情况下完成对作物根系的长期在线监测,满足作物根系监测要求。     

根系生长与土壤物理性状之间的关系

根系生长在土壤之中,土壤物理条件的改变会对根系生长产生直接或间接的影响.为此,通过分析土壤主要物理条件,对土壤物理环境与作物生长之间的关系进行了评述,并对目前研究中存在的不足及今后需深入的研究领域提出了建议.     

黑土区玉米穗质量与影响因素的联合多重分形研究

为揭示黑土区玉米穗质量与影响因素相互关系的尺度效应,在分析玉米穗质量与影响因素空间变异的基础上,利用联合多重分形方法研究玉米穗质量与影响因素的多尺度相关性。结果表明:研究区玉米穗质量的变异程度为中等,茎粗的变异程度随时间变化由中等变为弱变异,其他影响因素的变异程度为弱变异;玉米穗质量与影响因素的空间相关范围介于7.15~66.51 m;玉米穗质量、叶绿素含量、土壤容重、土壤粒径分布体积分形维数具有强烈空间相关性,茎粗、土壤含水率、土壤饱和含水率具有中等空间相关性;单一尺度上茎粗和叶绿素含量对玉米穗质量的空间变异性有显著影响,多尺度上叶绿素含量、土壤粒径分布体积分形维数、茎粗、土壤含水率对玉米穗质量的空间变异性有显著影响;玉米穗质量与土壤特性、不同时期作物生长指标的多尺度相关程度绝大部分都大于单一尺度上的相关程度;随取样时间变化,玉米穗质量与茎粗在单一尺度和多尺度上的相关程度均先增后降,但开始降低的时间不同。     

植物根系若干力学问题研究

从力学特性、固土机理、水分运移三个方面概括了植物根系力学涉及的主要内容和研究现状,阐述了“土壤—根系”复合体稳定土体与抗侵蚀机理研究取得的主要成果,总结了植物根系水分运移和水分有效利用的主要力学模型和应用情况,进一步提出了植物根系力学今后研究的重点和方向。     

番茄盛果期根系层土壤水分变化规律研究

为了解温室番茄根系层土壤水分变化规律与根系之间的关系,采用TREME水分传感器测定了番茄盛果期根系层距植株不同水平距离不同土层的土壤含水率,同时测定了番茄盛果期不同阶段根的长度及数量,研究了土壤含水率在水平方向及竖直方向随时间的变化规律。同时根据番茄根系层土壤含水率等值线分布图及根系层土壤含水率低值区,分析了根系层土壤含水率变化规律与番茄根系分布间的关系。结果表明:番茄盛果期由于耗水量较大,根系得到较大发展,总根数及最长根长度均呈递增趋势,根系吸水范围扩大,主根系长度主要集中在5~20cm。盛果期0~30cm土层土壤含水率变化明显,地表以下15~25cm距植株0~10cm范围内最易出现土壤水分低值区,且随时间的推移,土壤水分低值区向外逐渐扩展。根系密集分布区易形成土壤水分低值区,根系的分布范围与土壤水分的明显变化区域具有较好的一致性,番茄根系附近的土壤水分状况可作为确定灌水量和灌水时间的依据。     

微咸水和再生水对盆栽棉花土壤理化性质和根系的影响

为缓解华北水资源短缺问题,寻求代替水源,进行了微咸水和再生水灌溉条件下不同灌水量对盆栽棉花土壤理化性质和棉花根系影响的试验。试验设置灌水水质和灌水量2个试验因素,灌水水质设计为低、中、高矿化度微咸水和再生水,清水作为对照;灌水量设计为田间持水量的95%、85%、70%、55%。试验结果表明:微咸水和再生水处理增加土壤含盐量,微咸水处理的土壤含盐量随着矿化度的升高而增加;再生水处理提高土壤有机质和硝态氮的含量;微咸水和再生水促进棉花根系的生长,在盐分累积严重的情况下根系生长最快。     

非充分灌溉对地下滴灌棉花根系生长分布影响的初步研究

灌溉定额的大小对棉花根系的生长发育和分布及棉花产量有着重要的影响,通过田间小区试验,研究了4种非充分灌溉处理对地下滴灌棉花根系分布的影响,结果表明:随着灌溉定额的减少,地下滴灌棉花根系数量不断减少,地下滴灌棉花的次根呈两层分布;同时地下滴灌棉花根冠比无论是长度之比还是干物质量之比,随着灌溉定额的减少呈上升趋势,且均高于膜下滴灌处理。