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。     

基于生态系统服务价值和生态安全格局的土地利用格局模拟

河北省沿海经济的快速发展导致滨海土地利用格局快速转变,威胁土地生态安全。针对性核算区域生态系统服务价值,探寻生态安全格局进而优化土地利用格局可为土地利用规划与整治提供决策支持,是保障区域生态安全的必然选择。该文以河北省黄骅市为研究区,利用遥感、气象数据和外业调查数据,采用植被净第一生产力核算生态系统服务价值,借助该价值构建生态安全格局,以生态安全格局为影响因素利用元胞自动机和马尔科夫模型进行不同情境土地利用格局模拟。结果表明:2011年单位面积生态系统服务价值湿地最大,为14.95元/(m2·a),建设用地最小,为2.44元/(m2·a);养分循环功能贡献率最大,为26.89%,净化环境功能贡献率最小,为0.22%;研究区分为生态核心保护区、生态缓冲区、生态恢复区和人类活动核心区,生态核心保护区面积最小,为168.58 km2,生态缓冲区面积最大,为1 400.33 km2;无生态保护情景与生态安全格局保护情景相比较,生态系统服务价值由94.11亿元上升到95.70亿元,生态核心保护区在生态安全格局保护情景下得到完全保护,新增建设用地为0。该研究方法和结果可为区域土地利用总体规划、城市规划和生态环境保护提供技术支撑和决策参考。     

基于离散元法的牛肉咀嚼破碎模型构建

为了实现准确、便捷、客观地牛肉嫩度分级检测。该文利用离散单元法构建牛肉块在口腔中咀嚼破碎模型,并进行仿真模拟。研究中选取50头牛的眼肉作为试验样品,30头牛用于构建模型,20头牛用于验证仿真模型的准确性。试验牛样品在75~80℃的恒温水浴中加热至样品内部温度达到70℃时取出,冷却至室温(20℃)。利用质构仪测得牛肉样品的剪切模量、法向刚度等参数,同时测得密度、碰撞恢复系数、摩擦系数等构建离散元模型需要的相关参数。利用测得的参数构建牛肉咀嚼破碎的离散元仿真模型。将咀嚼破碎的牛肉微颗粒作为离散单元模拟仿真中的最小单位,利用Hertz-Mindlin with bonding模型中的颗粒体积力将牛肉块替换为微颗粒黏结的颗粒簇。在咀嚼作用下,当任意2个微颗粒之间的法向应力和切向应力超过最大极限值时,颗粒簇就开始破碎,仿真牛肉的咀嚼破碎过程。研究中利用离散元模拟仿真4个咀嚼周期并记录力和牛肉颗粒的变化。采用感官评定法和剪切力测定分别验证仿真的准确性,准确率都达到90%。研究表明,利用离散元模拟仿真能有效地实现牛肉嫩度等级的预测评定,为牛肉嫩度品质检测提供新方法。     

黄土高原肥水坑施技术下苹果树根系及土壤水分布

为了解黄土丘陵区雨养条件下山地老果园布设肥水坑(water-wertilizer pit,WFP)技术对红富士老果树(Malus pumila Mill)根系及土壤水分空间分布特征的影响,以无肥水坑处理为对照(CK),利用管式TDR系统监测0~300 cm土层土壤含水率,利用根钻法获得21a生旱地果园0~300 cm土层的根系干质量密度。结果表明:WFP能够显著增加果园含水率低值区间(≥40~80 cm土层)土壤含水率,WFP60(60 cm坑深)处理土壤平均含水率增量(145.4%)最显著。WFP40(40 cm坑深)根际土壤湿润区主要集中在≥40~100cm土层,WFP60在≥20~140 cm土层,WFP80(80 cm坑深)主要集中在深层土壤≥140 cm土层。在0~200cm试验土层,WFP60处理土壤多次平均含水率值都最高,为11.02%,依次为WFP40(10.67%)和WFP80(9.80%)。总根系质量密度WFP60处理最大(594.76 g/m3),WFP40(579.08 g/m3)和WFP80(491.82 g/m3)次之,CK最小(372.12 g/m3)。根系在0~100、≥100~200和≥200~300 cm土层中的分配比例为:CK(69.88%、13.74%和16.38)、WFP40(66.04%、14.26%和19.70%)、WFP60(70.35%、24.08%和5.58%)和WFP80(46.54%、15.04%和38.42%),其根系分布与水分分布正相关。该研究表明WFP能够显著改变土壤水分在不同土层深度的分布,坑深越大向下湿润的土体范围也越深;从而显著促进果树根系的生长和根系在不同湿润土层的分配比例关系。总体而言,WFP60处理效果显著好于WFP40和WFP80处理。研究结果将对黄土高原旱地果园集雨和灌溉制度的制定和肥水坑技术的推广提供参考。     

用低场核磁共振检测水稻浸种过程中种子水分的相态及分布特征

为研究水稻浸种过程中种子的水分相态及其分布特征,利用低场核磁共振快速、无损、准确的检测技术,通过硬脉冲回波序列CPMG(carr-purcell-meiboom-gill sequence)测量水稻种子横向弛豫时间T2,根据横向弛豫时间T2的差异区分种子内部的水分相态及其变化规律。试验结果表明:通过T2反演谱横向弛豫时间T2长短的差异,发现水稻浸种过程中种子内部水分存在结合水、自由水2种水分状态,同时可区分出内层水、中层水、外层水3种水分分层;二者均能通过回归方程合理的估测水稻在浸种过程中种子的吸水率情况;通过T2反演谱信号幅值大小的差异,发现水稻浸种过程中的种子总水含量不断上升,但由于判定依据及划分方式的不同,二者在水分的流动方式上略显差异。低场核磁共振技术对水稻浸种过程中种子内部的水分变化进行了直观的揭示,提供了一种高效的种子水分检测方法。     

湖区小麦-玉米轮作模式下不同施肥措施调控氮磷养分流失研究

针对我国南水北调东线过水区南四湖富营养化问题,利用沿湖流域典型种植模式——小麦-玉米轮作体系,选择材料易获取的几种施肥措施,采用田间原位安装淋溶水采集器和地表水径流池收集水样,室内分析不同处理防控氮磷养分流失的效果。结果表明:各施肥措施在作物不同茬口均能降低氮磷养分的随水流失,不同模式防控养分流失效果有差异;氮径流损失中,硝态氮占主要比例,玉米季和小麦季分别为82.7%~86.4%和94.2%~96.5%,而淋溶途径中硝态氮比例略有下降;径流为氮损失的主要途径,玉米茬口氮损失比例占轮作周年的67.0%~71.4%;磷径流损失中可溶性磷和颗粒磷比例相当,而淋溶磷以可溶性磷为主;淋溶途径损失的磷养分比例稍高,仍以玉米茬口总磷损失为主,占54.4%~63.1%;防控氮磷流失结合周年作物产量,玉米上使用减量控释氮肥或优化施肥配合秸秆还田、小麦上优化施肥或使用减量控释氮肥是相对理想的养分运筹搭配模式。     

不同仓型的粮堆温度场重现及对比分析

为了揭示不同仓型粮堆内温度场和水气分压场随季节的变化规律及其对储粮安全的影响,该文以天津地区的钢板浅圆仓和平房仓为研究对象,以小麦为储粮目标,采用阵列式分布的温度传感器监测粮堆温度,利用温度拟合算法和WU模型构建粮堆温度场模型,重现粮堆在冬末春初之际和夏季的温度场和水气分压场分布;根据温湿度场耦合理论分析其云图特征,并在此基础上比较2种仓储粮状态的差异。结果表明:夏季,浅圆仓和平房仓的小麦粮堆中均存在大体积的冷芯,使整个粮堆可以安全度夏;冬春交替之际,2种仓的粮堆中均存在多区域分层现象,但由于浅圆仓的表层粮堆水分吸收速率大于平房仓,致使次年春季浅圆仓的粮堆表层更易发生结露;根据平房仓小麦粮堆的等温曲线变化方向可推测有邻仓存在,且由2个毗邻的平房仓温度场融汇度可判定邻仓有储粮。研究结果将为粮堆结露研究提供新思路,为结露预测提供理论依据。     

羧甲基纤维素钠对土壤团粒结构及水分运动特性的影响

土壤改良剂的应用研究对改善土壤环境,促进作物生长有着重要意义。该文通过向土壤中添加不同质量的羧甲基纤维素钠(sodium carboxyl methyl cellulose,简称CMC),研究了不同含量的CMC对土壤团粒结构及水分运动的影响。结果表明:随着CMC含量的增大,土壤水稳性团聚体含量增大,土壤分形维数减小,土壤黏粒和粉粒比例减少,砂粒比例增多,黏粒和粉粒均与土壤分形维数呈正相关关系,砂粒与分形维数呈负相关关系,黏粒含量对土壤分形维数影响最为显著,土壤中0.1 mm的颗粒含量减少,而≥0.1 mm的颗粒含量均有不同程度的增加;随CMC含量的增大,土壤的入渗能力减弱,稳定入渗率显著减小,Philip公式中吸渗率减小,Kostiakov公式中的经验系数减小,经验指数增大;随着CMC含量的增大,土壤的持水能力增强,van Genuchten公式中土壤滞留含水率、饱和含水率及与进气值相关的系数均有所增大,形状系数逐渐减小。该研究对可为CMC的田间土壤改良应用提供理论依据。     

用傅里叶数与优化法分析污泥过热蒸汽干燥有效扩散系数

为进一步研究污泥薄层在过热蒸汽干燥中湿分扩散机理与有效扩散系数,根据干燥法测定有效扩散系数计算时往往忽略物料湿含量变化对有效扩散系影响,该文采用傅里叶数法和优化法分别计算2、4、6和10 mm厚度污泥薄层,在120~280℃过热蒸汽温度下的有效扩散系数,分析有效扩散系数与过热蒸汽温度、薄层厚度之间的关系。计算分析结果表明:采用傅里叶数法和优化法得出的有效扩散系数数值基本一致,能更为精确反应污泥薄层过热蒸汽干燥有效扩散系数值及变化特性;傅里叶数法和优化法算得4 mm厚度污泥在120~280℃过热蒸汽干燥有效扩散系数分别为2.52×10-10~2.93×10-9 m2/s与2.75×10-10~3.32×10-9 m2/s;2、4、6和10 mm厚度污泥在160℃过热蒸汽干燥时2种方法计算的有效扩散系数分别为3.84×10-10~2.28×10-9 m2/s与4.40×10-10~2.72×10-9 m2/s;有效扩散系数随着过热蒸汽温度、薄层厚度增大而逐渐增大,并成线性关系。通过多元线性回归得到2种方法计算的有效扩散系数与干燥温度、薄层厚度简化的表达式,决定系数分别为0.9982、0.9956。计算结果可为污泥薄层过热蒸汽干燥湿分扩散过程与有效扩散系数的变化分析提供参考。     

不同年限毛竹林土壤固氮菌群落结构和丰度的演变

应用变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)和荧光定量PCR(real time fluorescent quantitative PCR,q PCR)方法研究了不同年限毛竹林土壤固氮菌群落结构和丰度的变化。结果表明:土壤p H、有机质、有效磷、速效钾和铵态氮含量在马尾松林改造成毛竹林5 a后明显提高,而后逐渐降低,并趋于稳定;土壤固氮菌多样性和nif H基因丰度也呈现相似的趋势。条带测序分析表明,毛竹林土壤固氮菌均为不可培养的固氮菌,与慢生根瘤菌(Bradyrhizobium sp.)具有较高的相似度。冗余分析结果表明,不同栽培年限毛竹林地土壤固氮菌群落组成发生了明显变化,长期栽培毛竹林引起的土壤养分变化对土壤固氮菌多样性具有重要影响。