林果机械化采收技术与装备研究进展

机械化采收技术是制约林果产业发展的重要瓶颈。实现林果机械化采收是林果产业转变发展方式、节本增效、增强国际市场竞争力的重要途径之一,也是林果产业全程机械化和规模化的研究重点和难点。林果机械化采收的技术重点是高效低损采摘,最终目标是实现林果自动化、智能化、无人化采收。该文总结了中国林果种植分布情况现状,将现有林果机械化采收技术与装备系统地划分为一次性联合摘果采收和振动采收后集果捡拾,并对其研究现状和发展动态进行了阐述和剖析。在此基础上,结合林果产业发展要求和应用场景,归纳了国内林果机械化采收技术面临的机会和挑战,并提出兼顾不同需求发展高性能、高效率、高可靠的林果机械化采收装备建议,以期为促进林果业的现代化和高新技术推广提供参考。     

我国农田氮肥施用现状、问题及趋势

氮素在作物产量和品质形成中起着关键作用。本文综述了什么是合理施氮,包括施氮量、施氮方法和时期,也包括与有机肥和秸秆还田措施的配合等。指出我国农田氮肥施用的主要问题是施肥过程和施肥后的严重损失。依据农户调查所获得的田块尺度施氮量,与田间试验合理施氮量对比分析表明,过量施氮田块占总调查田块的大约33%。依据区域尺度单位播种面积平均施氮量,与作物平均推荐施氮量对比分析表明,全国过量施氮面积占播种面积20%、合理面积占70%、不足面积占10%。总体而言,过量施氮现象还相当普遍,特别是在蔬菜和果树等经济作物上。本文提出了一种估算国家尺度氮肥需求量的方法,可估算出全国合理需氮量范围,称之为氮肥需求量估算法。用三种不同方法估算的我国1980~2010年间的氮肥需求量与实际氮肥使用量比较表明,如仍然依照现在的粗放施肥习惯,应该为现在的实际氮肥使用量,5年平均为N 27.9×106t左右,正好处于合理需氮量范围的中线。在改善施肥技术基础上,我国2006~2010年间5年氮肥平均使用量应该在N 19.6×106t左右;用五种方法预测的我国未来氮肥需求量表明,如果改善施肥技术,我国2020、2030、2050年合理氮肥需求量分别为N 21.0×106t、21.7×106t、23.1×106t;如施肥技术得不到实质性改善,依然粗放施氮,则氮肥需求量应处于合理使用量范围的中线,分别为N 30.4×106t、31.4×106t、33.4×106t。进一步分析了我国粮食产量和氮肥施用量与美国和西欧的差异,我国农田有机肥和碳投入对增加土壤有机碳氮库的重要性。     

旋耕机耕作对紫色土碳氮垂直分布过程的影响

利用在土壤表面人为添加钛铁矿粉以示踪表层土壤垂直和顺坡再分配过程,通过对比耕作前与模拟耕作20次、40次土壤有机碳和全氮垂直分布特征,研究紫色土旋耕机等高耕作所产生的土壤顺坡和垂直搬运耦合作用对有机碳、全氮垂直分布过程的影响机制。结果显示:强烈耕作后坡顶侵蚀深度超过原土壤剖面厚度,但土壤剖面厚度依然与耕作深度相当,这是由于耕作对坡顶土壤起着顺坡搬运(耕作侵蚀)和垂直搬运(破碎母岩)的双重作用。磁性示踪剂的深度分布显示出耕作引起表层土壤垂直向下迁移,但不同坡位垂直分布机制不同。坡顶土壤有机碳和全氮浓度明显减小,这是由于强烈的耕作侵蚀向下坡搬运耕层土壤,同时耕作垂直搬运引起母岩碎屑向耕层混入产生稀释作用;坡趾表层0—5 cm土壤有机碳和全氮浓度减小,但是5—20 cm明显增加,表明耕作侵蚀引起来自上坡的低浓度土壤在坡趾堆积。这些结果表明旋耕机等高耕作下土壤同时发生顺坡传输与垂直迁移,两者相互作用导致耕作侵蚀区和耕作沉积区呈现出明显不同的有机碳、全氮垂直分布模式。     

黄土高原人工林深层土壤水分利用研究

探讨黄土高原人工林的深层土壤水分利用状况,对该区植被恢复的可持续发展具有重要意义。以黄土高原半干旱偏旱区、半干旱区、半湿润区的刺槐林和柠条林为研究对象,通过野外实地调查,分析了不同气候区人工林0—800 cm土层土壤水分含量、深层(200—800 cm)土壤水分消耗量及土壤耗水速率,探究了不同气候区人工林对深层土壤水分的影响。结果表明:(1) 3个气候区农地土壤含水量显著高于刺槐林和柠条林。刺槐林、柠条林在2个气候区0—800 cm土层的土壤水分含量变化范围分别为6.64%～11.01%,6.38%～11.41%,均在半干旱偏旱区平均土壤含水量最低。(2)刺槐林和柠条林的深层土壤耗水量、深层土壤耗水速率均以半干旱偏旱区最高,分别为:808 mm,698 mm,32.33 mm/a,31.76 mm/a。(3)人工林在半干旱偏旱区和半干旱区的植物根系较半湿润区活跃,特别是在0—300 cm土层,对土壤水分影响较大。(4)土壤质地是人工林深层土壤水分变化的重要因素之一。黏粒含量与土壤水分呈正相关,砂粒含量与土壤水分呈负相关。半干旱偏旱区、半干旱区、半湿润区的黏粒含量依次增加,砂粒含量则相反。不同气候区人工林对深层土壤水分影响不同,同时受根系和土壤质地影响较大,因此选择合理的人工植被配置模式对深层土壤水的保护和持续利用非常重要。     

乙醇浸渍对切片茄子干燥特性和品质的影响

为了提高切片茄子的干制品质、缩短干燥时间,对热风干燥前的切片茄子进行了乙醇浸渍处理。以不同干燥温度(45、55、65℃)、预处理乙醇体积分数(0、5%、15%)和茄子切片厚度(1.0、1.5、2.0 cm)为试验因素,以干燥时间及干燥后产品的干燥速率、色泽、复水比和微观结构为评价指标进行正交试验。试验结果表明:干燥温度、乙醇体积分数和切片厚度对干燥时间均有显著影响(P0.05);综合评价的影响顺序由大到小依次为:切片厚度干燥温度乙醇体积分数;切片茄子的干燥过程属于降速干燥,通过费克第二定律得到切片茄子的水分有效扩散系数在2.74×10-9~7.75×10-9 m2/s;切片厚度对干燥后茄子片的复水比有显著影响(P0.05),复水比随着切片厚度的增加而减少;乙醇体积分数对干燥后茄子片的色泽具有显著影响(P0.05),而且可以改变干燥后茄子的微观结构改善物料外观品质。当乙醇体积分数为15%、干燥温度为65℃、切片厚度为1.0 cm时,干燥时间为225 min,复水比为4.93,明亮度为88.24,既有较快的干燥速率又能够得到比较好的色泽。研究表明适宜体积分数的乙醇浸渍预处理能够提高切片茄子的干燥速率、改善色泽,为高品质切片茄子快速干燥提供了理论依据。     

水稻土和菜田添加碳氮后的气态产物排放动态

【目的】动态连续监测添加碳氮底物后各气体产物—O2、 NO、 N2O、 CH4和N2的排放,对土壤碳氮转化过程和气体产生过程做更深入的理解,揭示不同土地利用方式典型红壤的温室气体产生机制。【方法】采集长江中游金井小流域不同土地利用方式稻田和菜地土壤为研究对象,利用全自动连续在线培养检测体系(Robot系统),通过两组试验分别研究土壤碳氮转化过程中各气体产物的动态变化。试验1采用菜地和稻田土壤进行好气培养,设置不施氮对照、 添加40 mg/kg铵态氮、 添加40 mg/kg铵态氮+1%硝化抑制剂、 添加40 mg/kg硝态氮、 添加40 mg/kg硝态氮+1%葡萄糖、 缺氧条件下添加40 mg/kg硝态氮+1%葡萄糖6个处理。试验2采用稻田土壤进行淹水培养,设不施氮对照、 添加40 mg/kg铵态氮、 添加40 mg/kg铵态氮+1%硝化抑制剂、 添加40 mg/kg铵态氮+1%秸秆、 缺氧条件下添加40 mg/kg铵态氮+1%的葡萄糖、 添加40 mg/kg硝态氮、 添加40 mg/kg硝态氮+1%葡萄糖、 缺氧条件下添加40 mg/kg硝态氮+1%葡萄糖8个处理。培养温度均为20℃,土壤水分含量为70% WFPS (土壤孔隙含水量),培养周期为15天。【结果】从菜地和稻田土壤不同碳氮添加处理气态产物及无机氮的动态变化可看出: 1)菜地土壤好气培养初期硝化作用产生了大量N2O; 受低碳和低含水量的限制,反硝化作用较弱。当提供充足碳源和厌氧条件,出现N2O和NO的大量排放。2)在好气稻田和淹水稻田培养过程中,反硝化作用是N2O产生的主要途径。3)稻田土壤中,提供充足碳源和厌氧条件,各气态产物出现的顺序依次是NO、 N2O和N2,与三种气体在反硝化链式反应过程中的生成顺序一致。淹水稻田加铵态氮和碳源处理N2为主要产物,添加硝态氮处理后,N2O成为主要气态产物。当土壤碳源充足时,反硝化过程进行彻底,反硝化产物以终产物(N2)为主。4)在稻田土壤出现厌氧或添加碳源条件下,均检测到大量CH4产生; 且在甲烷产生的同时,NO-3几乎消耗殆尽。【结论】金井小流域典型红壤菜地N2O主要来自于硝化作用,好气和淹水稻田N2O主要来源于反硝化作用; 当碳源充足和厌氧时,菜地及稻田反硝化作用增强; 反硝化产物组成、 产物累积量及出峰顺序与碳源和氧气浓度有关。     

硝态氮源及碳源有效性对土壤N_2O和CO_2排放的影响

以华北平原农田土壤为对象,通过室内静态培养系统研究NO_3~--N与不同碳源组合对土壤N_2O和CO_2排放的影响。结果表明,NO_3~--N作为氮源和不同碳源施入土壤,除NO_3~-+纤维素,其余土壤N_2O排放通量均高于对照组和只添加氮源土壤;NO_3~--N和不同碳源组合的CO_2累积排放量均高于对照和只添加氮源土壤。NO_3~-+果胶的N_2O排放量在第1 d达到最大值1 383.42μg N·kg~(-1)·d~(-1);NO_3~-+葡萄糖的CO_2排放量在第1 d达到最大值370.13 mg C·kg~(-1)·d~(-1),CO_2累积排放量顺序为:葡萄糖果胶秸秆纤维素淀粉木质素。土壤NO_3~--N含量与N_2O排放呈极显著正相关。总之,添加纤维素可以抑制N_2O的排放,促进CO_2排放,并增加土壤中NO_3~--N含量,添加其余碳源均会促进土壤N_2O和CO_2排放。     

联合收割机稻麦收获边界激光在线识别系统设计与试验

针对联合收割机收获边界在线识别问题,利用激光无损探测技术,开发了联合收割机收获边界在线识别系统。首先介绍了系统组成、激光传感器选型及工作原理,将传感器输出数据极坐标转换为直角坐标,建立稻麦轮廓特征数学模型。由于收获过程会产生大量的灰尘,会对激光探测距离及信号反射产生影响。通过与作物特征阈值比较,对受灰尘影响的错误数据进行有效识别与剔除。采用移动平均数字滤波算法,消除系统测量噪声。通过信号阶跃变化模式识别算法,实现了收获边界的在线检测,准确推算出联合收割机作业割幅,并进行了田间试验研究。试验结果表明,该系统可实现在线监测,收获边界测量误差不大于12 cm,可为联合收割机智能监控系统的实际应用提供参考。     

干燥介质相对湿度对胡萝卜片热风干燥特性的影响

为了探究相对湿度和阶段降湿对热风干燥过程的影响,该文在干燥温度60℃、风速3.0 m/s条件下,研究了相对湿度(20%、30%、40%、50%)及第一阶段相对湿度50%保持不同时间(10、30、60、90 min),第二阶段相对湿度20%下,胡萝卜片的干燥特性和温度变化规律;利用Weibull分布函数对干燥曲线进行拟合并分析干燥过程,结合尺度参数估算水分有效扩散系数;基于复水比、色泽、干燥时间和能耗对不同相对湿度条件下的干燥过程进行评价。研究结果表明:相对湿度保持恒定条件下,干燥速率先上升后下降,且相对湿度越低干燥速率越大。降低相对湿度有利于缩短干燥时间,热风相对湿度20%比50%条件下干燥时间缩短了27.6%;分段降湿干燥条件下,热风相对湿度50%保持30min后降低为20%,其干燥时间比相对湿度恒定为20%条件下缩短了18.5%,干燥过程出现2个升速阶段;Weibull分布函数可以很好地描述胡萝卜恒定湿度和阶段降湿干燥过程。尺度参数α范围在1.864~3.635 h之间,形状参数β值在1.296~1.713之间,水分有效扩散系数在1.17×10-9~2.92×10-9 m2/s之间。对绿红值、复水率、能耗和干燥时间进行综合评价显示,热风相对湿度50%保持30 min干燥条件下绿红值最高为41.4,能耗相比于恒定相对湿度20%条件下减少了6.0%,复水比较高为3.81,综合评分较高为0.91。该文揭示了干燥介质相对湿度对胡萝卜片干燥特性的影响规律,对于优化干燥介质湿度控制策略以提高干燥速率和品质,降低干燥能耗提供了科学依据和技术支持。     

基于水化学及D、18O的柳江盆地东宫河流域地下水循环特征解析

运用水化学成分和环境同位素作为水循环研究的示踪剂,揭示柳江盆地东宫河流域地下水循环特征。通过现场调查,设计和布置水样的采样点,采集和测试大气降水、地表水及地下水样品,对比不同时期水样的水化学特征,结合氢氧同位素组成,最终确定不同类型地下水的补给、径流及排泄条件。研究表明:最具供水意义的地下水主要来自东宫河流域厚层的府君山组灰岩裂隙含水层,岩溶水自北向南流,与柳江盆地区域岩溶水流动方向一致。接受北部山区大气降水入渗补给,丰水期经由第四系弱透水层在东部落村以泉水形式排泄,在盆地北缘至东部落以西河段以地下径流的形式向东宫河排泄。基岩裂隙水次之,其分布具有强烈的非均质各向异性的特点,与盆地西北部山区的馒毛组泥页岩相比,盆地东北部花岗岩山区的裂隙水,水质好,补给水头最高,补给源稳定、补给路径较短,在李庄及其附近存在自流区。研究成果为当地的水资源开发与利用提供了科学依据。