作物水分利用效率研究方法及尺度传递研究进展

提高作物水分利用效率（WUE）是缓解农业生产水资源匮乏压力的有效途径,而水分利用效率尺度传递是各尺度WUE相互表征、验证并应用于实际生产的基础。本文概述了作物叶片、植株、群体尺度WUE的主要观测技术,包括叶片气体交换测定、碳同位素判别、桶栽称重、涡度相关观测等,其中碳同位素判别法为研究作物水分利用的长期累积效应提供了新的思路,且适用于多个尺度;总结了各尺度WUE的影响因子及作物耗水的生理机制,阐明各尺度WUE均受气孔导度调控。讨论了叶片到植株、叶片/植株到群体的尺度传递的可行性,集中分析了尺度传递的主要限制因素,指出叶片到植株的传递研究难点集中于叶片分布和光分布的不确定性、植物夜间呼吸和蒸腾以及植物适应环境的生理调节机制等过程;而叶片/植株到群体的传递研究主要受冠层形态学差异、冠层阻力、土壤蒸发及植物同化物分配机制等限制。最后总结了尺度传递方法的现有研究成果。目前作物WUE尺度传递主要依靠模型的完善和观测手段的提高,叶片到单株的尺度传递需关注日间与夜间耗水的分离及作物各部分的光合特性;叶片/单株到群体的传递可先明确蒸散结构,了解耗水特征,再以气孔导度和冠层导度的关系为切入点,利用模型探究传递机制。     

马铃薯薄壁细胞组织一维等温干燥模型

为真实描述植物薄壁细胞物料干燥过程的水分传输机理,该文基于组织生理结构、微观参数测量技术和细胞结构变化,提出了适用于整个低温对流干燥过程的薄壁细胞组织模型。模型假设组织由细胞聚集而成,细胞由细胞壁、细胞膜和细胞腔模型溶液组成。细胞壁中的水分为纯水,干燥过程中细胞壁仅变形,不收缩;细胞膜为理想半透膜,集总了真实细胞内所有的跨膜渗透效应;模型溶液中的水分扩散则代表了真实细胞内部所有的扩散效应;干燥过程中,细胞膜始终紧贴细胞壁,细胞失去膨压后,塌陷收缩。基于组合参数传输模型建模方法构建了考虑细胞和收缩的一维传质模型。模型中细胞尺度的水分传输为局部水势平衡假设下的细胞腔到细胞腔、细胞壁网络和细胞气相间隙传输,宏观传递系数直接由细胞传输特性推演获得。模拟和试验表明:平均干基含水率不低于1.0 kg/kg时,模型可准确预测马铃薯组织的干燥过程,相对误差不超过20%。模型分析揭示:马铃薯组织干燥过程水分传输途径的优先级为细胞腔到细胞腔细胞壁网络细胞间隙。     

五连拱温室的结构计算

多连拱温室结构计算是需要研究的问题。应用结构力学知识，建立了五连拱温室受风雪载荷时的半结构计算模型，用有限元法进行了结构优化，求出了它的内力、应力和位移。对规范中没有说明的附加风载、风载高度变化系数和多连拱形屋面的风载体型系数等也作了分析。研究结果表明，该温室结构合理，具有优良的力学特性。     

多尺度蒸散发估测与时空尺度拓展方法研究进展

蒸散发时空尺度信息是作物高效用水调控与节水灌溉管理的基础,某一尺度下获得的蒸散发理论或参数具有高度的尺度依赖性,蒸散发多时空尺度耦合关系的缺乏常导致人们对农业用水效率与效益评价的片面性,因而多尺度蒸散发估测与时空尺度拓展方法研究对优化区域灌溉制度、实现区域农业水资源可持续利用有着非常重要的理论和实际意义。本文系统评述了多尺度蒸散发监测方法和估算模型,指出了其适用的尺度、适宜的应用条件及其优缺点,评述了现有蒸散发多时空尺度拓展方法,表明量化作物对多因子的协同耦合响应机制,研究多方法、多时空尺度下多源蒸散发监测数据融合技术,构建不同时空尺度间的蒸散发拓展模式,建立将时空尺度二维耦合、水-热-碳耦合纳入统一系统的蒸散发转换体系将成为未来的研究热点。     

植物单细胞内压的一种计算方法

根据多面体植物单细胞的结构特点,以二维问题为研究对象,建立了便于组装成宏观植物模型和多细胞模型的多面体植物单细胞力学模型。在该模型的基础上,推出了用细胞周长以及用细胞模型节点坐标和位移表示的细胞内压改变量的计算公式。提出了一种便于理论分析和数值计算的多面体植物单细胞内压计算方法。从而,为细胞层次分析植物组织和植物细胞的力学行为提供了一种细胞内压的计算方法。     

作物需水时空尺度特征研究进展

受气象、土壤和种植条件等客观条件的影响，作物需水时空尺度分布具有明显的时空异质性，致使作物需水的理论和模型具有高度的尺度依赖性。基于此，该文对作物需水时空尺度特征的计算方法及其运用情况作了详细的阐述，并建议在今后作物需水时空尺度特征的进一步研究中，应以试验数据为基础，运用分形、小波、信息熵等复杂性理论，研究作物需水的时空尺度特征，发展既有理论基础又便于应用的区域尺度的作物需水量估算新模式。     

大气沉降对土壤和作物中重金属富集的影响及其研究进展

以我国农田土壤-作物-大气系统为研究对象,综述了近年来大气沉降中重金属的来源及时空分布规律以及大气沉降对农田土壤和作物中重金属富集的影响及其研究进展。人为活动产生的重金属进入大气后,受多种自然和人为因素及环境保护政策等综合因素的影响,导致大气沉降中的重金属具有明显的时空分异特征:从时间分异来看,大气重金属含量呈现出冬季高于其他季节,供暖期高于非供暖期的特点;从空间分异来看,工业发达地区较高,燃煤为主的城市高于其他城市,城区高于郊区及远郊地区。大气沉降不仅会使土壤重金属含量上升,也会对农作物造成直接和间接的影响。大气中的重金属会通过气孔进入作物细胞,在细胞壁、液泡中积累,当含量过高时会影响作物正常生长或引起作物重金属超标风险,不利于农业安全生产。未来的研究应将传统分析方法与空间和地统计技术、多元同位素示踪技术、数学模型模拟等多种技术手段相结合,在区域尺度和田间自然条件下开展土壤-作物-大气系统重金属循环过程的研究,为区域农田重金属污染防控和环境管理提供科学依据和决策支撑。     

基于水资源合理利用的多目标农作物种植结构调整与评价

农业系统实质是社会-生态-经济复合系统，水资源约束条件下的作物种植结构应统筹经济、社会、生态三大目标进行优化调整。针对作物种植结构调整多目标决策过程中，在数据处理、模型构建、决策者偏好等方面存在的模糊性，该文将交互式模糊多目标优化算法应用于求解作物种植结构优化调整模型，实现与决策者之间的反复协商，直至得到决策者满意的调整方案；并应用耗散结构理论和模糊数学理论，建立基于相对有序度熵的种植结构调整合理性评价模型。经实例研究验证了本文模型与方法的可行性，为可持续发展种植业研究以及灌溉水资源的合理利用提供理论依据。     

石山棕营养器官的解剖结构特征

研究了石山棕营养器官的解剖结构,结果表明,石山棕营养器官具有发达的保护组织、输导组织、光合组织和机械组织。主要表现为:叶表皮角质膜发达,复表皮富含丹宁,栅栏组织发达(2.5层);根原生木质部束数多(31原),导管和筛管多,大量的薄壁细胞的细胞壁在根成熟后转化为机械组织;茎、叶柄和叶脉的木质部、韧皮部发达,维管束鞘细胞层次多并高度次生木化加厚,茎、叶柄具较多纤维;根、茎的栓化层发达。石山棕的营养器官具有良好的适应干旱、高温、瘦瘠的岩溶石山环境的生态结构,     

仓内稻谷干燥的多尺度多层结构热质传递模拟及试验

为研究仓内稻谷干燥的热质传递机理,确定稻谷颗粒内部不同组织结构特性对干燥过程的影响,以仓内稻谷堆为研究对象,针对谷粒的多层结构问题,运用多尺度理论、热质传递原理和孔道网络方法等知识,建立了仓内稻谷热风干燥的多尺度多层结构热质传递模型,并进行了稻谷堆热风干燥试验,模拟分析了仓内稻谷的干基含水率、温度分布以及孔隙汽相的温度分布等情况。结果表明:建立的热质传递模型可有效模拟仓内稻谷干燥过程,干燥器尺度下仓内稻谷的平均干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差为7.6%,颗粒尺度下单颗粒稻谷干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差约为6.8%;稻谷颗粒内部传热比传质速率快,颗粒内存在较大的水分梯度。稻谷胚扩散系数对干燥的影响较大,其次是稻谷壳扩散系数,稻谷衣扩散系数影响最小。研究结果为稻谷就仓干燥的品质及工艺分析提供了理论基础。     

Bran Size Distribution at Milling and Mechanical and Biochemical Characterization of Common Wheat Grain Outer Layers: A Relationship Assessment

Mechanical properties of wheat grain outer layers from common wheat (Triticum aestivum L.) cultivars known to display distinct milling behavior were analyzed using uniaxial tension tests. Tensile modulus and strain to rupture of the tissues distinguished between the wheat cultivars. Values of strain to rupture were related to coarse bran size generated by grain milling, a characteristic that distinguishes the two hardness classes. As content of an aleurone marker in total or first break flour was also related to coarse bran size, extensibility of wheat grain outer layers' could be a key parameter to explain the observed tissue mechanical behavior and thus distribution of the aleurone layer content in flours. As tissue mechanical properties are generally linked to the cell wall biochemical composition and structure, analysis of the main wheat outer layers' cell wall compounds was undertaken to establish relationships with the differences observed in mechanical properties. No clear correlation could be found with one of the wheat outer layers' component but involvement of the outer layers' cell wall structure in the tissues behavior at milling was confirmed.     

小麦麦穗几何模型构建与可视化

作物器官几何建模是虚拟作物研究的关键技术之一。通过对小麦穗形态结构的观测分析,提出基于形态特征参数的麦穗几何模型及可视化实现方法。在已有麦穗形态模拟模型的基础上,结合麦穗拓扑结构,构建麦穗形态结构几何模型,包括穗轴、小穗（外麸、麦芒、花药等）、麦穗穗形等子模型。其中,穗轴节片使用底面为椭圆的圆柱体进行模拟,节片交错叠加构成穗轴。基于外麸曲面半径变化曲线,以三角面片构造近似半椭球体来模拟外麸;基于麦芒曲线,以三角面片重构横截面近似为等边三角形的麦芒;用非统一有理B样条曲面模拟开花期小花顶端的花药;采用分层模型控制麦穗穗形。然后根据麦穗拓扑结构组合以上各器官,即可构建出麦穗几何模型。进一步结合颜色渲染、纹理映射、光照渲染等真实感显示技术,基于.Net平台,借助CSOpenGL,实现麦穗生长动态的可视化。结果表明,重构出的麦穗具有一定的真实感,能够用于不同品种、不同处理条件下麦穗生长动态的可视化表达。研究结果将有助于实现小麦植株生长动态的数字化、可视化。     

玉米三维重构及可视化系统的设计与实现

重构出植物的三维形态是数字植物研究的基础。介绍了玉米三维重构及可视化系统的整体结构、数学基础及实现过程。系统由器官几何造型模块、生长模型模块、可视化控制模块、数据库和人机交互界面组成。其中，玉米叶片、茎节、雄穗、雌穗和根系的三维形态是由基于器官形态结构主要特征而构建的参数化的几何模型来描述的。模型参数具有较明确的生物学意义，均可由品种特征或生长模型生成；系统运行时，根据玉米品种特征和玉米生长模型生成植株的拓扑结构参数和器官几何模型参数，通过人机交互操作来确定行株距等农艺措施参数，进而结合VC++和openGL在计算机上重构出玉米器官、个体和群体的三维形态，具有较好地真实感。系统界面友好、使用方便，易于交互，为农学研究者提供了新的手段。     

基于图像的作物病害状态表观三维模拟方法

为了解决病害表观信息难以获取导致的作物病害状态三维模拟困难的问题,该文提出一种基于图像的作物病害状态表观模拟方法。该方法首先利用单张图像提取病斑的形状、颜色以及位置特征,并对其变化过程进行自动推断;基于这些特征信息,对病害的病状以及病症表观进行建模。试验结果表明,该方法可以利用网络中已有的病斑图像对病害侵染导致的作物表观变化进行真实地三维模拟,一定程度上解决病害表观信息缺失的问题,为数字农业设计及农业科普培训动画的制作提供有力工具。     

基于CFD的日光温室墙体蓄热层厚度的确定

日光温室墙体蓄放热能力的优劣取决于墙体蓄放热特性与蓄热层厚度,确定日光温室蓄热层厚度,对于推进日光温室墙体改进意义重大。该研究以温室内太阳辐射与室外气温作为输入条件,按照试验温室实际尺寸和相关关系进行参数化建模并模拟计算不同月份墙体蓄热层厚度。选择乌鲁木齐地区2018年1月-4月典型晴天进行测试,以温室地面、墙体表面的太阳辐射为输入条件,室外空气温度为边界条件,利用AutodeskCFD软件对晴天9:00至次日9:00的温室砖墙内部温度场进行了模拟,并通过对比墙体内部0、10、20、30、40、50 cm处温度测点的实测值与模拟值验证模拟结果的准确性。结果表明,温室墙体模拟结果与测试结果吻合度较高,1月9日、2月9日、3月6日各层平均误差均在1.5℃以下,4月6日实际值与模拟值误差较大,模拟值较实际值滞后,趋势随着深度与墙体温度的升高而更加明显。在温室墙体材料、结构、室内外的光温环境的共同影响下,温室墙体传热是一个复杂的非稳态过程。砖墙温室与土墙温室类似,墙体可划分为"保温层、稳定层、蓄热层",各层的厚度与墙体蓄热材料、保温材料的热物性有关。对墙体温度场、各层的温度衰减因子以及延迟时间分析可知,墙体厚度在0～30 cm范围内,墙体温度波动较为明显,墙体厚度大于30 cm时,温室墙体一天内温度波动较为平缓,波幅较小。随着气温回升,温室墙体内部温度整体提高,各层温度波动相差不大。在温室结构、保温性能不变的情况下,温室蓄热层厚度及波动情况受外界光温环境的综合影响较小。综上所述,采用CFD模拟温室墙体温度场的变化,并根据温室墙体温度场变化确定温室墙体蓄热层厚度是可行的,可靠性较高。该研究可为其他区域优选温室墙体结构,推进日光温室墙体改进提供依据和参考。     

Individual contribution of grain outer layers and their cell wall structure to the mechanical properties of wheat bran

The mechanical properties of wheat bran and the contribution of each constitutive tissue on overall bran properties were determined on a hard wheat (cv. Baroudeur) and a soft wheat (cv. Scipion). Manual dissection allowed three different layers to be separated from wheat bran, according to radial and longitudinal grain orientations, which were identified by confocal laser scanning microscopy as outer pericarp, an intermediate strip (comprising inner pericarp, testa, and nucellar tissue), and aleurone layer, respectively. Tissue microstructure and cell wall composition were determined. Submitted to traction tests, whole bran, intermediate, and aleurone layers demonstrated elastoplastic behavior, whereas pericarp exhibited elastic behavior. By longitudinal orientation, pericarp governed 50% bran elasticity (elastic strength and rigidity), whereas, in the opposite orientation, bran elastic properties were mostly influenced by the other tissues. Regardless of test orientation, the linear force required to bran rupture corresponded to the sum of intermediate and aleurone layer strengths. According to radial orientation, the intermediate strip governed bran extensibility, but according to longitudinal orientation, all tissues contributed until bran disruption. Tissues from both wheat cultivars behaved similarly. A structural model of wheat bran layers illustrated the detachment of pericarp from intermediate layer within radial bran strips.     

基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验

为了实现作物株间区域精确机械除草,设计了一种利用除草爪齿余摆运动原理的株间机械除草装置,研究了装置的除草和避苗工作原理,建立了相应数学模型并分析了除草爪齿余摆运动的参数对除草效果的影响,获得了合理的工作参数。在试验平台上进行了基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置避苗试验研究,试验结果表明,基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置除草爪齿避苗和除草切换控制快速可靠,室内试验的伤苗率小于8%;能够满足株距20cm及以上栽种的作物株间除草要求,可以保证每个株间区域均有除草爪齿进入实施除草;除草装置的前进速度不影响进入株间区域的除草爪齿数量,但前进速度的增加会导致伤苗率增大;进入株间区域的除草爪齿数量与作物栽种株距均匀性无关,仅与作物栽种的株距有关。该文为爪齿余摆株间除草装置精准控制提供依据。     

基于多尺度几何感知Transformer的植物点云补全网络

对植物幼苗进行三维重建,常存在叶片间的遮挡、摄像头视野限制等因素导致植物幼苗点云出现缺失的情况,影响了植物表型分析的准确度.为了能获得完整的植物点云,提出了基于多尺度几何感知Transformer(Multi-Scale Geometry-Aware Point Transformer,MGA-PT)的植物点云补全网络...