农作物空间格局变化模拟模型的MATLAB实现及应用

Agent模型是研究农业土地系统复杂性与动态性的有效工具。在农作物空间格局变化模拟模型(CroPaDy,an agent-based model for simulating crop pattern dynamics)概念化设计的基础上,借助MATLAB平台开放性、矩阵运算能力强等特点,实现CroPaDy模型的数值模拟,并以黑龙江省宾县调查数据为依据,完成模型的区域实证研究。基于MATLAB的模型实现过程充分考虑了CroPaDy模型的多层次性(土地流转行为与作物选择行为)成功实现了3个子模块的动态嵌套模拟:1)Agent生成模块。基于已有的多源GIS数据、统计数据、典型调查数据、以及个体的通用规则,利用蒙特卡洛方法生成每一个个体Agent的属性信息;2)Agent分类模块。基于调查数据对受访农户进行态度聚类分析,然后借助人工神经网络方法确定所有生成的Agent所在的类型;3)Agent决策模块。利用概率方法,计算特定周期内每个Agent的决策行为。区域实证研究中,直接将空间耕地网格作为个体Agent,实现区域全覆盖(网格大小设置为114 m×114 m,约等于户均耕地面积),模拟结果表明,研究区2010年玉米、大豆、水稻、烤烟的模拟结果分别为2 6055.9、5 192.2、3 506.8、3 983.9 hm2,利用宾县统计年鉴(2010)进行验证,模型总体模拟精度达90%以上。CroPaDy模型的设计与实现科学合理,具有较强的理论性与可操作性,能够用以表达特定区域内的农作物空间格局及其动态变化过程。     

基于窗口观测的电控柴油机判缸控制的优化分析

柴油机起动初期控制时序的建立过程(判缸控制)直接决定其起动过程的长短,判缸控制是电控柴油机管理系统中最核心的部分。为了缩短判缸时间,提高控制系统的可靠性,该文根据目标柴油机的发火顺序设计了电控系统的转速信号与相位,采用了2套转速计算装置;基于有限状态机,提出了窗口观测联合判缸方法,并开发了电子控制单元(electronic control unit,ECU)复杂驱动层的联合判缸驱动控制软件。试验结果表明该策略是有效可行的,发动机的起动成功率提升10%,达到100%,正常起动成功的时间由1.5 s缩短到1 s以内,改善了电控柴油机的起动性能。该控制策略的实现完善了电控柴油机的时序控制功能,提高了柴油机的电控水平。     

炭肥比和膨润土粘结剂对炭基肥颗粒理化及缓释特性的影响

为探究炭肥比和膨润土粘结剂对生物炭基肥理化及缓释特性的影响,以生物炭为基底,分别制备了炭肥比1:4,膨润土粘结剂质量分数为20%、15%、10%、5%和粘结剂质量分数10%,炭肥比为1:6、1:5、1:4、1:3的柱状尿素和氯化钾生物炭基肥颗粒,分析了生物炭基肥颗粒的理化及缓释特性。结果表明,在炭肥比为1:4条件下,膨润土粘结剂质量分数越高,生物炭基肥微观结构越紧密,力学和缓释特性越好,质量分数为20%时,氯化钾和尿素生物炭基肥平均抗压强度分别为286.78和281.27 N,前3天养分淋出率分别为45.53%和36.87%。在膨润土粘结剂质量分数为10%条件下,炭肥比越高,生物炭基肥缓释性能越好,炭肥比为1:3时,氯化钾和尿素生物炭基肥前3天养分淋出率分别为42.06%和40.32%。同时,氯化钾生物炭基肥表面孔隙先增后减,炭肥比为1:6和1:3的平均抗压强度分别为271.25和282.42 N。尿素生物炭基肥内部结构中孔隙变多,炭肥比为1:6时,平均抗压强度为最大值267.84 N。综合考虑,满足中等肥料浓度要求时,膨润土粘结剂质量分数为20%、炭肥比为1:4或膨润土粘结剂质量分数为10%、炭肥比为1:3的生物炭基肥成型配方较优。     

基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计

微生物燃料电池(microbial full cell,MFC)是利用微生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置。针对MFC输出电压低、功率小、内阻大的特点,该文研制了一种具有最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)功能的能量收集电路和两级升压电路;基于MSP430和CC2500芯片设计了环境温度传感系统。测试结果表明,MFC的输出电压维持在316～390 mV范围内,实现了最大输出功率的跟踪,MPPT电路和升压电路分别输出1.1和3.5 V电压;无线温度传感器以每13ms的周期将环境温度无线传输到远程终端,验证了环境温度传感系统在最大功率点处对无线传感器网络节点供电工作的可行性,可为实现MFC主动式能量收集提供参考。     

分析技术在土壤微塑料研究中的应用现状

微塑料污染已成为环境领域研究的热点问题。受采样、前处理和分析技术的限制,现有研究中检测到的微塑料尺寸普遍较大。定量分析技术不够成熟,文献数据之间的可比性较差。复杂组分和表面附着物导致土壤微塑料的分析检测存在更大的挑战。为更好地掌握研究现状与发展趋势,本文从光谱分析、热分析、显微分析等角度分类,对土壤微塑料研究中的分析技术进行了解析、对比和总结。光谱分析对微塑料进行定性和数量统计,常见的有傅里叶变换红外光谱法和拉曼光谱法。热分析用于组分鉴定和质量分析,具体分为裂解气质联用和热重波谱联用。显微分析则对形貌和尺寸进行表征,包括光学显微镜和电子显微镜两种。提出微塑料分析技术越来越丰富,但是针对土壤微塑料的分析是一项复杂的工作。分析技术的标准化是评价和治理微塑料污染的关键;现有的土壤微塑料检测方法各有利弊。组合或联用技术的使用有望更高效、精准地实现对土壤微塑料定性定量分析;应从需要解决的科学问题出发,根据研究目的合理选择分析技术;部分分析技术在土壤微塑料的实际测定有待于进一步的探索与验证。     

微塑料对典型污染物吸附解吸的研究进展

近些年来,环境中的微塑料污染引起了全世界的广泛关注。微塑料具有比表面积大、吸附力强等特点,其易与环境中的典型污染物(如有机污染物和重金属)相互作用,改变这些污染物的环境行为。明确微塑料对有机污染物和重金属的吸附解吸作用过程和机制,对于明确有机污染物和重金属的环境行为及毒性效应的相应变化具有重要的意义。本文系统综述了微塑料对有机污染物和重金属吸附解吸作用的研究进展,着重从微塑料性质(类型、形貌特征、表面官能团、极性、吸附位点、结晶度、老化程度)、污染物性质(表面官能团、疏水性、极性、浓度、形态等)以及环境因素(温度、pH、盐度、离子强度、表面活性剂、微生物膜)3个方面,系统分析了微塑料对典型污染物吸附解吸的作用过程和机理。微塑料对有机污染物和重金属的吸附解吸主要受表面吸附、孔隙填充、络合作用以及疏水作用等的影响。微塑料对污染物的吸附动力学绝大部分符合动力学(准)二级模型,部分符合一级动力学;吸附等温线基本符合Frendlich模型、Langmuir模型和Henry模型,部分符合线性模型和复合模型。未来应加强微塑料对一些新型污染物吸附解吸方面的研究工作,进一步明确微塑料与典型污染物之间相互作用的过程和机理,并建立相关的数据库和模型。希望为后续的微塑料吸附解吸典型污染物的相关研究提供借鉴与参考,也为科学地认识微塑料的环境行为提供依据。     

基于Landsat TM影像的半干旱牧区天然打草场面积的遥感监测

天然打草场是中国草地畜牧业的物质基础,也是中国内陆的生态屏障。目前中国打草场分布状况、分布面积、产量高低等信息十分缺乏,严重制约饲草储备和救灾应急功能发挥。为解决这些问题,该文基于2009－2011年的Landsat TM5影像数据,并借助野外调查点和目视解译方法对中国半干旱牧区天然打草场状况进行监测分析。结果表明,中国半干旱牧区天然打草场面积达800.35万hm2,目视解译结果的平均解译精度达到76.78%。其中,内蒙古天然打草场面积居首位,面积为688.04万hm2,其次是松嫩平原草原区,打草场面积为91.80万hm2,河北半干旱农牧交错区的打草场面积最小,为20.51万hm2。在内蒙古,呼伦贝尔草甸草原天然打草场约为180.89万hm2,科尔沁沙化草原天然打草场约为96.44万hm2,锡林郭勒典型草原天然打草场面积约为395.40万hm2。研究区天然打草场的植被类型以温性草原类、温性草甸类、低地草甸类为主,少量分布在山地草甸类和温性荒漠草原类。该研究结果可为进一步分析全国半干旱区域打草场变化提供数据支撑。     

基于多光谱与高光谱遥感数据的冬小麦叶面积指数反演比较

近年来,高光谱遥感数据广泛应用于农作物叶面积指数(LAI)反演。与常用的多光谱遥感数据相比,高光谱数据能否提高农作物LAI反演的精度和稳定性还存在争议。针对这一问题,该研究利用实测冬小麦冠层高光谱反射率数据,构造了不同光谱分辨率和波段组合的5种光谱数据。基于ACRM(a two-layer canopy reflectance model)模型、2套参数化方案及上述5种光谱数据,对冬小麦LAI进行反演,分析光谱分辨率、高光谱数据波段选择、模型参数不确定性3方面因素对LAI反演精度与稳定性的影响。研究结果表明:当波段选择适宜、模型参数不确定性较小且光谱数据分辨率较高时,LAI反演精度与稳定性更高,提高光谱分辨率对LAI反演精度的改进作用随光谱分辨率的升高而降低;反之,当高光谱数据波段选择不当或者模型参数不确定性较大时,提高光谱数据的分辨率并未提高LAI反演精度。该研究解释了"高光谱遥感数据能否提高植被参数反演精度"问题,为进一步发挥高光谱数据在农作物LAI反演中的潜力提供了科学参考。     

基于高频探地雷达的土壤表层含水量测定

高精度快速探测土壤表层水分状况,对于精准农业生产、水资源精确管理及防治坡耕地水土流失具有重要意义。现有探地雷达(ground penetrating radar,GPR)低频探测技术不能满足表层土壤含水量高精度要求,需要发展和应用高精度探测技术。本研究采集江宁某蔬菜地水稻土表层(0~20cm)土壤(粉砂质黏壤土),通过室内模拟试验,利用高频(1 GHz和2 GHz)探地雷达在不同土壤含水量状况下进行探测,获取GPR数据图像信息,提取电磁波谱特征参数,分析其与土壤含水量之间的定量关系。结果表明:1 GHz和2 GHz频率GPR探测的土壤介电常数ε与实测土壤含水量θ拟合的ε~θ模型决定系数R2分别为0.94与0.97,高频探地雷达技术预测粉砂质黏壤土表层土壤含水量是可行的;与低频探地雷达技术相比,高频探地雷达技术能够高精度探测表层土壤含水量。     

酸解羽毛粉研制生物有机肥及其促生效果研究

为提升生物有机肥料中功能微生物的数量,腐熟堆肥中添加外源氨基酸固态发酵功能菌是研制生物有机肥的主要手段。目前主要外源添加氨基酸菜粕的高成本严重阻碍了生物有机肥产业的发展。本试验通过研究酸解羽毛粉作为外源添加蛋白对固态发酵功能菌的影响及其所研制生物有机肥的促生效果,以开发生物有机肥新的原料配方。研究结果表明,腐熟堆肥中,随着酸解羽毛粉添加量的增加,所研制生物有机肥中功能菌的数量呈现先增加后下降趋势,为促进功能菌的增殖,酸解羽毛粉最优添加量为50 g/kg;盆栽试验结果表明,酸解羽毛粉作为外源蛋白添加制成的生物有机肥能够显著增加茄子和番茄株高、茎粗和SPAD值,移栽20天时,相比于对照,茄子分别增加19.02%、29.02%和4.80%;移栽50天时,番茄分别增加14.74%、18.70%和4.74%。研究结果表明,酸解羽毛粉作为外源蛋白添加剂能够有效增殖固体发酵过程中的功能菌,研制的低成本生物有机肥具有优异的促生效果,研究结果能够为生物有机肥产业的发展提供理论依据。