改进AOA模式的大田农机无人驾驶导航参数检测系统设计

卫星导航、视觉导航和雷达导航的成本昂贵、系统构成复杂和适用作业场景有限,在生产特征呈现区域化、适度小规模和分布零散的国内南方水田难以实现便捷跨区域作业和无法适用多农业场景。针对上述问题,该研究以大田环境下无人驾驶农机的牛耕式往复作业路径模式为背景,提出了改进AOA(信号到达角度,Angle-of-Arrival)模式的农业机械无人驾驶导航参数检测系统。该系统采用UWB(超宽带通信,Ultra Wide Band)基站-标签作为检测传感器,设计了TBZ(田边双基站-车身纵向双标签)和TBH(田边双基站-车身横向双标签)2种传感器布置方式,实现农业机械无人驾驶过程中导航参数的快速精准检测。静态试验结果表明:对于2种传感器布置方式,在固定的基站间距和标签间距下,随着标签间距或基站间距的增大导航参数检测精度均有所提高,横向偏差检测误差≤8 cm,航向偏差趋近于0,但不大于1°,并通过正交组合试验方差分析明确了2种传感器布置方式的关键参数对横向偏差和航向偏差检测精度影响的显著性,确定了主次因素和较优参数组合。动态试验结果表明:随着车速增大,横向偏差和航向偏差的检测精度有所降低,横向偏差误差均不超过10 cm,航向偏差的检测误差均小于3°,变异系数均小于10%,说明动态环境下自主导航参数检测系统仍具有较高的检测精度,可满足农机大田自主导航作业需求。研究结果可为研制低成本、高精度和便捷的无人驾驶系统提供参考。     

辊刷式蓖麻收获机采摘机构优化设计与试验

针对蓖麻机械化采收时采净率低、破损率高等难题,结合蓖麻物理特性和种植模式,研究设计了辊刷式蓖麻收获机采摘机构。首先在分析采摘机构总体结构的基础上阐述了辊刷式采摘原理,阐明了辊刷、螺旋输送器、传动系统等关键部件的设计。进一步地,为探究采摘机构相关参数的最优组合,提高蓖麻采摘质量,采用Box-Benhnken响应面试验设计理论,以前进速度、辊刷转速、刷丝长度为影响因素,以采净率、籽粒破损率及含杂率为作业质量评价指标,进行参数优化试验。建立各影响因素与指标之间的回归数学模型,并分析各因素对响应值的交互影响,同时对模型进行了综合优化,获得最优参数组合为:前进速度0.72 m/s、辊刷转速371.69 r/min、刷丝长度56.60 mm,对应的采净率、籽粒破损率、含杂率分别为90.81%、0.17%、11.27%。对优化结果进行验证试验,试验结果表明在最优参数组合下,采净率为91.36%、籽粒破损率为0.18%、含杂率为11.67%,各评价指标与预测值均很接近。研究结果可为辊刷式蓖麻收获机进一步完善结构设计和工作参数优化提供参考。     

高镉累积水稻对镉污染农田的修复潜力

为探究高镉累积水稻品种扬稻6号和玉珍香对镉污染农田土壤的修复潜力,通过大田小区试验,测定6个不同生育期(返青、分蘖、孕穗、齐穗、蜡熟、完熟)5个部位(根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上和谷)稻草的镉含量,开展高镉累积水稻镉累积规律、移除时间和移除高度研究。结果表明,水稻扬稻6号和玉珍香各部位镉含量随生育期的延长而增加,孕穗期增幅最大,完熟期达到最大值,在同一时期不同部位镉含量分布随株高呈递减趋势;完熟期,水稻品种扬稻6号和玉珍香的根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上部分和谷中镉含量分别为19.3、11.8、9.4、8.1和3.9mg/kg与19.5、16.3、14.3、9.7和3.7 mg/kg,其对应的镉富集系数均大于1,对镉表现出高积累特性;稻草镉的移除含量在全育期均表现从大到小依次为整株收割、地上部全收割、离地10 cm收割、离地20 cm收割,完熟期整株移除情况下,扬稻6号稻草镉累积移除含量达1 652.11μg/株,玉珍香稻草镉累积移除含量达1 547.70μg/株;一年种植一季水稻扬稻6号和玉珍香,整株移除情况下土壤镉移除效率分别为9.1%和8.5%,地上部全移除情况下土壤镉移除效率分别为7.2%和7.1%。因此为兼顾水稻移除修复效果和可操作性,建议稻草在完熟后按地上部全收割的方式移除。研究结果可为镉污染稻田的植物修复治理提供新的思路。     

盐碱土入渗下修正Green-Ampt模型参数确定与验证

为进一步探究盐碱土的入渗机理,实现科学的盐碱土农业生产与灌溉,基于传统Green-Ampt模型,根据盐碱土的入渗特性引进扩散率D(θ),并结合对土壤剖面含水量分布的划分假定对模型进行修正。利用5种盐碱土进行一维积水入渗试验,采用入渗率、湿润锋数据验证该修正模型。结果显示：修正模型模拟值与实测值的一致性良好,进行相关分析得到5种盐碱土入渗率R2平均值为0.983,平均绝对误差均小于0.05;湿润锋R2平均值为0.868,平均绝对误差均小于3.50。将修正模型参数饱和导水率、湿润锋面基质吸力值与盐碱土盐分离子含量进行相关分析,结果显示基质吸力值随K++Na+含量的减少而减小,饱和导水率随K++Na+含量的减少而增大。该修正模型经验证可应用于不同盐渍化程度的盐碱土入渗过程模拟,从而为深入盐碱土水分入渗机制研究与加快盐碱土农业生产提供理论支持。     

侧风影响下喷头倾斜角度对雾滴飘移补偿

为研究植保喷雾作业中在不同风速和喷头倾斜角度下对水平喷雾的雾滴飘移的影响,设置3个风速水平（1、2、3 m/s）与4个喷头倾斜角度水平（0°、15°、30°、45°）进行喷雾试验,测定了不同水平的雾滴分布,以风速为0、喷头倾斜角度为0°的常规作业水平作为对照组,对垂直和水平两个方向的雾滴质量分布中心与变异系数进行分析。结果表明,垂直方向上,侧风风速与喷头倾斜角度对垂直雾滴质量分布中心的影响在±3 cm范围内整体影响较小,而侧风风速与喷头倾斜角度的增大都会使垂直方向变异系数减小,在1～3 m/s的风速下垂直方向变异系数减小的最大值分别为12.3、6.0、16.0个百分点,提高了雾滴在垂直方向上的均匀性。水平方向上,不同风速和喷头倾斜角度都会对雾滴飘移产生影响,随着喷头倾斜角度的增大,雾滴受风速的影响程度会减小,当喷头倾斜角的补偿量超过了当前风速下对雾滴的飘移量,会使雾滴飘移产生过补偿,在高风速时喷头倾斜角度的改变会带来更大的雾滴飘移改变。侧风风速与喷头倾斜角度对水平方向上变异系数会产生较大影响：随着喷头倾斜角度的增大,水平变异系数也随之增大,而风速的变化使水平变异系数呈现先增大后减小的趋势。拟合了喷头倾斜角度与风速对雾滴飘移的影响模型,并计算出在1、2、3 m/s风速条件下,最佳补偿的喷头倾斜角度分别为3°、7°、11°。该研究为植保作业中雾滴飘移改善技术提供参考。     

不同施肥措施及复垦年限下土壤团聚体的大小分布及其稳定性

土壤团聚体的数量和质量直接影响着土壤性质和有机碳固存。研究长期不同施肥措施及复垦年限对采煤塌陷区土壤团聚体的重量分布比例及其稳定性的影响,为该区域的农业生产和土壤质量提升提供科学依据。采集复垦6年和11年定位试验不同施肥处理耕层土样,选取不施肥(CK)、平衡施氮磷钾肥(NPK)、单施有机肥(M)、有机无机肥配施(MNPK)4个处理,利用干筛法和湿筛法获得4种粒径的团聚体/粉黏粒组分(> 2 mm、0.25-2 mm、0.053-0.25 mm和< 0.053 mm),用> 0.25 mm团聚体含量(R_0.25)、平均重量直径(MWD)、团聚体破坏率(PAD)和土壤不稳定团粒指数(E_LT)表示团聚体的稳定性,并测定了土壤有机碳含量。结果表明：复垦年限对土壤团聚体的含量及稳定性影响产生了显著影响。干筛条件下,复垦6年和11年均显著降低了各处理0.053-0.25 mm团聚体和< 0.053 mm组分的含量,降幅分别为68.39%-87.37%、69.63%-78.32%(6年)和90.01%-93.68%、78.29%-83.93%(11年);湿筛条件下,复垦11年显著提高了各处理> 2 mm团聚体的含量,增幅达473.35%-645.16%,但是显著降低了0.053-0.25 mm团聚体的含量,降幅为43.67%-57.54%。土壤团聚体的稳定性也随着复垦年限的增加而逐渐增强,表现为DR_0.25、WR_0.25和MWD值呈增加趋势,而PAD和E_LT值呈降低趋势。土壤有机碳含量与DR_0.25、WR_0.25、MWD_水稳性呈极显著正相关关系,而它与PAD和E_LT呈极显著负相关关系。本研究表明,该区域连续复垦11年提高了土壤大团聚体的含量而伴随着微团聚体含量的显著减少,导致土壤结构越来越稳定。它对提高采煤塌陷区复垦土壤肥力、改善土壤结构效果最佳。     

基于遥感生态指数的焦作市生态环境动态监测与评价

[目的] 探究河南省焦作市其近20 a来生态环境质量演化特征，可为该市及其他资源枯竭型城市生态建设提供科学参考。[方法] 选取2000，2006，2009，2014和2019年5期Landsat影像数据，耦合绿度、湿度、温度及干度4个指标，通过主成分分析法建立遥感生态指数（RSEI）评价模型，对焦作市生态环境质量进行定量评价。[结果] ①2000-2014年，焦作市生态环境质量为倒"U"形曲线，2014-2019年生态环境质量好转；②城镇人口占比增幅变缓及产业结构由第二产业向第三产业转变改善了焦作市生态环境质量；③回归分析中所选4个指标中对焦作市生态环境变化影响的重要程度表现为：干度 > 湿度 > 绿度 > 热度。[结论] 遥感生态指数对资源枯竭型城市生态环境质量可进行有效监测与评价。     

基于双闭环PID模糊算法的玉米精量排种控制系统设计

黄淮海麦玉轮作区秸秆全量还田模式下,小麦秸秆韧性好、粉碎还田效果差以及土壤较为黏重,传统被动式地轮驱动易秸秆缠绕、拥堵及黏土量较大,播种作业易断条。为有效解决这些问题,该文以勺轮式玉米排种器为研究对象,设计一种主动式玉米电控精量排种系统。该系统作业时,通过USART HMI四线制触控串口屏人机界面向控制器输入理论期望株距,由GPS测速传感器采集机具作业速度,结合旋转编码器实时采集排种器作业转速,基于双闭环模糊算法对PID参数进行自整定,得到排种器目标转速,通过控制器调节相应PWM占空比,以实现通过机具作业速度实时控制电机转速,实现精密排种。台架试验结果表明:理论排种转速6~54 r/min时,实际转速的变异系数均小于10.0%,实际转速在理论转速附近波动范围小,符合控制要求;在设定株距值下,车速为3~5 km/h时,株距合格指数94.0%,漏播指数3.0%;车速为6~8 km/h时,株距合格指数≥90.0%,漏播指数≤4.5%。田间验证结果表明该玉米排种控制系统作业时,株距合格指数≥87.75%,平均值为90.89%,漏播指数均小于4%,平均值为2.54%,与市场上常见的勺轮式玉米排种器相比合格指数提高2.12个百分点、漏播指数降低4.32个百分点,播种性能良好,满足玉米农艺种植要求。该文研究的玉米电控精量排种系统可有效提高排种质量并可为研制高速精量主动排种控制系统提供参考。     

Environmentally friendly slow-release nitrogen fertilizer

To sustain the further world population, more fertilizers are required, which may become an environmental hazard, unless adequate technical and socioeconomic impacts are addressed. In the current study, slow-release formulations of nitrogen fertilizer were developed on the basis of natural attapulgite (APT) clay, ethylcellulose (EC) film, and sodium carboxymethylcellulose/hydroxyethylcellulose (CMC/HEC) hydrogel. The structural and chemical characteristics of the product were examined. The release profiles of urea, ammonium sulfate, and ammonium chloride as nitrogen fertilizer substrates were determined in soil. To further compare the release profiles of nitrogen from different fertilizer substrates, a mathematical model for nutrient release from the coated fertilizer was applied to calculate the diffusion coefficient D. The influence of the product on water-holding and water-retention capacities of soil was determined. The experimental data indicated that the product can effectively reduce nutrient loss, improve use efficiency of water, and prolong irrigation cycles in drought-prone environments.     

70多年来纸坊沟小流域土壤侵蚀演变过程

为了系统研究黄土高原丘陵沟壑区土壤侵蚀演变过程及其规律,以黄土高原纸坊沟流域为例,在GIS的支持下,运用RUSLE估算了该流域1938-2010年间18个年份的年侵蚀量和侵蚀强度,分析了70多年来流域土壤侵蚀时空演变过程.结果表明:1)纸坊沟流域的土壤侵蚀随时间呈四次抛物线变化,侵蚀模数由1938年的7 584.39t/(km2·a)猛增到1958年的4万6 392.56 t/( km2 ·a),随后总体呈递减趋势,到2010年侵蚀模数降至5 150.80t/( km2·a).2)1938年中度以下侵蚀面积占流域总面积的52.99％;1958-1978年以剧烈侵蚀为主,占流域总面积的67.05％,其中1958年高达78.61％;1978-1998年侵蚀强度有所下降,微度侵蚀面积占流域总面积比例达到29.27％;1999年以来,微度侵蚀面积达到3.85 km2,剧烈侵蚀面积仅占流域总面积的8.96％.经过30多年的综合治理,该流域生态环境明显改善,但沟谷陡荒坡侵蚀依然严重,是今后水土流失治理的重点区域.