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。     

苜蓿压捆过程中压缩与恢复应力传递规律

探索苜蓿在压捆过程中,由松散状态压缩成草片时在压捆室不同位置的轴向应力变化规律及传递模型。以草片为研究对象,选喂入量为4 kg/次,在草物料压捆试验台上进行了5种截面的压捆试验。每种截面布设2套压力传感装置和3个位移传感器,由基于虚拟仪器的草物料压缩测试系统采集各传感器的信号,记录了每次压缩时草片的压缩与恢复应力和位置、草片的压缩量及回弹量等数据。结果表明苜蓿在不同截面下压缩与恢复应力具有相同的传递规律,但截面尺寸影响草片的最大压缩应力和最小恢复应力的数值且为非线性关系。指出了由松散苜蓿压缩成草片所需要的压缩应力最大,是压捆机设计中的基本参数。揭示了草片最大压缩应力随位移的变化呈指数下降,在压缩室内草片(4~5个草片)的压缩应力较高,在捆草室内草片的压缩应力较低,建议压缩室长度为900~1 000 mm。草片最小恢复应力表现为随位移增加而增加,达到一定位置时随位移的增加而下降。通过回归分析,获得了苜蓿在压捆过程中压缩与恢复应力传递规律和相应的数学模型,其复相关系数均大于0.9091,说明压缩与恢复应力和草片的位置密切相关,模型回归效果较好。试验结果可为草物料压捆机的动力选择和优化设计提供基础数据和理论依据。     

基于电阻抗成像的植物单根断层图像重建

为了实现植物根系结构形态的原位检测,植物根系单根的断层图像重建研究非常必要。该文应用动态电阻抗成像技术对土壤-树根模拟系统进行了图像重建,对重建图像进行二值化处理并求出树根在该系统中的位置坐标、面积和形状,并以树根的位置坐标、面积及形状的相对偏差为指标,分析了图像重建算法、土壤含水率2个因素对成像质量的影响。结果表明：电阻抗成像技术能够实现树木单根断层图像重建;将重建图像进行二值化处理,所得图像更加直观,便于定量评价成像质量;基于Newton单步残差正则化的一步牛顿误差重构（Newton's one-step error reconsruction,NOSER）算法,比基于全变差正则化的主双-内点模式（primal dual-interior point method,PD-IPM）算法的成像质量好;土壤含水率越高成像质量越好。该研究为基于电阻抗成像技术的植物根系结构形态的图像重建提供参考。     

快速脱水抑制葡萄干制过程中膜脂过氧化及褐变

为探索脱水速度对无核白葡萄干制过程中膜脂过氧化作用及褐变的影响,以新疆无核白葡萄为试验材料,经过葡萄促干剂处理后,采用快速脱水和缓慢脱水2种处理,质量每减轻10%进行取样,测定脱水过程中果实干基含水率、干燥速率、褐变度、细胞膜透性、丙二醛(malonaldehyde,MDA)含量、脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、过氧化物酶(peroxidase,POD)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性以及总酚含量的变化。结果表明:与缓慢脱水相比,快速脱水处理显著(P0.05)降低了无核白葡萄褐变度的上升,减少MDA生成量以及膜透性的增加,抑制LOX活性的升高,保持较高的活性氧清除酶SOD、CAT及POD活性及较高的总酚含量,且使PPO活性保持在一个较低的水平。因此认为,快速脱水可以有效地抑制无核白葡萄的膜脂过氧化作用对细胞膜的破坏,保持细胞的完整性,且PPO活性较低,从而减少无核白葡萄脱水褐变的发生。研究结果为快速脱水在无核白葡萄干制中的应用提供参考。     

山地果园牵引式双轨运输机断绳制动装置设计与试验

针对山地果园牵引式双轨运输机存在钢丝绳松脱或断裂可能引发溜车事故等问题,研制了一种断绳制动装置,描述了载物滑车的总体结构及制动装置关键结构尺寸关系,分析了制动装置制动过程的运动规律。应用SolidWorks建立制动装置简化模型,然后倒入ADAMS/View中建立了制动装置和轨道横梁虚拟样机,虚拟制动试验确定了制动过程的动力学变化规律。动力学仿真与台架试验结果表明,该断绳制动装置的制动成功率为100%,随着装载质量的增大,制动杆与轨道横梁碰撞后的明显回弹次数逐渐减少;碰撞点的应力以及制动杆的回弹距离均随着回弹次数的增大而逐渐减小;仿真结果与试验结果相差极小,验证了仿真过程是正确的。该研究可为山地果园轨道运输机械的安全制动装置设计及后续优化提供参考。     

山西土石山区3种草本植物根拉拨特性

为了解山西省土石山区固土护坡草本植物根系拉拔特性,筛选拉拔力优势草本植物物种进行水土流失防治,通过开展根系原位拉拔力学试验,研究了3种典型草本植物香根草（Vetiveria zizanioides L.）、百喜草（Paspalum notatum Flugge）、黑麦草（Lolium perenne L.）根系拉拔力随根径和土层深度的变化规律。结果显示:3种草本植物根系拉拔力随着根径的增大而增加,且拉拔力与根径之间满足幂函数关系;整体上,根系拉拔力从大到小顺序表现为香根草 > 黑麦草 > 百喜草,而且三者之间差异显著;但在D≤0.4 mm和D>0.4 mm两个根径组下,黑麦草均表现出较好的拉拔力性能。在0—10 cm,10—20 cm两个土层间,香根草和百喜草两种植物根系拉拔力性能相似,而黑麦草单根拉拔力在表层土壤发挥效果优于下层土壤。从单根拉拔力方面出发,黑麦草在3种植物中可优先考虑用于固持浅表层土壤。试验探究了草本植物单根在不同根径组下和土层深度下的抗拔性能,研究结果可为山西省土石山区水土保持植物措施草本植物物种选择提供理论依据。     

基于微波反射法的谷物含水率在线检测装置研制

针对稻麦联合收割机在收获作业时难以对小麦、水稻等谷物的含水率进行准确在线测量的问题,该文基于微波反射法研究了谷物含水率在线检测方法,建立了稻麦含水率检测模型,研发了一种稻麦联合收割机谷物含水率在线检测装置。该装置采用微波测量模块对稻麦含水率进行非接触式测量,设计了电压转换电路将微波参数转换成电压信号,采用滑动平均滤波算法进行信号滤波,最后通过标定试验所建立的含水率检测模型进行稻麦含水率计算,计算结果经CAN总线通讯在显示器上实时显示。基于上述理论研究、技术开发和结构设计对所研制的谷物含水率在线检测装置分别进行了室内静态试验和田间收割试验研究,试验结果表明:检测装置的对稻麦含水率的测量范围为14%～34%,在室内静态试验和田间收割试验中的性能标准差分别为0.458 3%和1.078 0%,相对误差分别在2.5%和5%左右,具有良好的准确性与实用性。     

内蒙古河套灌区农田土壤中微塑料的赋存特征

为阐明内蒙古河套灌区农田土壤中微塑料的赋存特征及其与覆膜年限、灌溉类型等的响应关系,该文采用田间取样与室内试验相结合的方法进行了系统研究,分析了研究区地膜覆膜现状,并考虑覆膜年限(覆膜5、10、20 a)及灌水方式(滴灌和畦灌)2个因子,探索了河套灌区农田土壤中微塑料的丰度、类型、颜色、粒径等赋存特征,并通过扫描电镜、能谱仪等对微塑料表面特征及表面附着物进行观察与分析。结果表明:内蒙古河套灌区不同覆膜年限下(5、10、20 a)土壤中微塑料平均丰度分别为2526.00、4352.80、6070.00个/kg,单层土的微塑料含量最大值(2133.50 ind/kg)出现在覆膜20 a的0~10 cm土层,最小值(678.00个/kg)出现在覆膜5 a的>20~30 cm土层;不同覆膜年限和灌溉类型影响土壤微塑料丰度,滴灌农田微塑料丰度值略大于畦灌农田,在不同土层深度上微塑料丰度值随土层深度增加逐渐减小;微塑料类型主要有纤维类(23.34%)、碎片类(26.31%)、薄膜类(38.57%)和颗粒类(11.78%)等4种,且薄膜类在不同土层占比都较高,微塑料颜色包括黑色、透明、绿色、红色、蓝色等,比例分别为24.56%、23.83%、19.34%、16.52%和15.75%,其中0~10 cm土层中微塑料以黑色为主,占比30.25%,在>10~20、>20~30 cm土层中微塑料以透明为主,占比30.15%和29.23%,粒径则随覆膜年限增加而呈逐渐减少趋势,粒径小于1 mm的微塑料居多,随着覆膜年限的增加,微塑料粒径在0~10、>10~20、>20~30 cm土层间的差异逐渐减小,且粒径大小与灌溉类型无显著关系(P>0.05);微塑料样品表面特征粗糙,呈现不规则孔隙,纤维类、薄膜类和碎片类微塑料均具有较多规则微小孔隙,而颗粒类微塑料表面孔隙则不规则且呈凹凸状,土壤中微塑料的多孔特性造成微塑料比表面积增大,进而增加对土壤中其他污染物和微生物的吸附;微塑料的表面孔隙附着有机体和污染物,表面存在稳定的铁氧化物、稀土元素等,并容易形成有机-无机复合污染效应。研究对于明晰微塑料在河套灌区土壤中的分布现状及危害具有重要意义。     

不同有机肥对采煤塌陷区土壤氮素矿化动态特征研究

为揭示不同有机肥对煤矿复垦土壤氮素矿化特性的影响,以山西省孝义市水峪煤矿采煤塌陷复垦土壤为研究对象,采用室内好气培养法,研究在40%含水量和30℃培养条件下,施用3种有机肥(鸡粪、猪粪、牛粪)后在0~161天的氮素矿化动态特征,以明确不同有机肥对该矿区复垦土壤氮素矿化特征,从而预估不同有机肥的供氮特性,为合理施用有机肥进行低产农田的培肥改造提供科学依据。结果表明:(1)各处理0~14天铵态氮含量均随培养时间的延长迅速下降,与培养时间呈极显著负相关关系(P<0.01),14~161天土壤铵态氮含量维持在较低水平,培养结束时,各处理铵态氮含量均低于1.31mg/kg。(2)各处理土壤硝态氮含量、累积量及矿质氮累积量变化均呈近似的“S”形曲线递增,表现为0~56天缓慢增加,56~84天迅速增加,84天至培养结束(161天)其含量基本不变。培养结束时不同处理间硝态氮含量、累积量及矿质氮累积量整体上均表现为鸡粪>猪粪>牛粪>空白,且鸡粪较猪粪和牛粪处理间存在显著差异,猪粪和牛粪较空白处理间存在显著差异(P<0.05)。(3)不同施肥处理出现氮素净矿化的时间点不同,其中鸡粪处理在第14天时最早出现净矿化现象,而猪粪和牛粪在培养28天后才出现明显的氮素净矿化。(4)不同施肥处理在培养的不同阶段硝态氮和矿质氮累积速率不同,但整体趋势一致,表现为培养0~84天各处理土壤累积矿化波动较大,56~84天达到峰值,培养84~161天各处理矿化速率平稳下降。总体来看,有机肥的施入能有效促进煤矿复垦土壤氮素矿化,从而提高土壤氮素有效性。其中,施鸡粪较猪粪和牛粪对提高矿区复垦土壤有效氮效果更好。4种处理的氮素矿化效果总体表现为鸡粪>猪粪>牛粪>空白。     

泛第三极典型地区土地利用和水保措施解译精度分析

[目的]进行泛第三极典型地区抽样单元土地利用和水土保持措施遥感解译精度评价,提高高分辨率影像的解译正确率,分析解译结果的区域代表性。[方法]于2018—2019年在中国西藏、泰国清莱和巴基斯坦地区分别选取9个、18个、15个抽样单元进行野外调查。以野外调查的土地利用结果作为参照,通过混淆矩阵、土地利用变化转移矩阵分析基于Google Earth影像进行土地利用和水保措施判读的精度;通过与参考数据集土地利用结构的对比,分析解译结果的区域代表性。[结果]①3个典型样区土地利用解译精度较理想,总体分类精度在80%以上,平均kappa系数分别为0.74,0.75和0.82;②与野外调查结果相比,3个典型样区水土保持措施解译结果比较理想;③遥感抽样解译的结果与GLC 30 m,GLC 10 m数据集的土地利用结构相似度较高。[结论]基于高分影像解译土地利用类型和水土保持措施的结果与野外调查的结果一致性较好,且符合参考数据集的土地利用结构,抽样单元遥感解译结果对于土地利用的宏观特征结构有较好的区域代表性表达。