蝼蛄前足爪趾三维几何构形的减阻机理

触土部件的阻力直接影响耕作机械和工程机械的作业效率,该研究利用工程仿生设计方法,基于蝼蛄前足爪趾优异的地下掘进能力,提取前足爪趾的三维几何构形特征用于仿生试件设计,通过土槽切削阻力试验和有限元模拟,分析蝼蛄前足爪趾几何构形的减阻性能和机理。研究结果表明,前足爪趾的构形特征对切削阻力有显著影响（P<0.05）,仿生试件的切削阻力较楔状体试件最高可降低56.96%,三维仿生构形的减阻性能优于一维和二维构形。蝼蛄前足爪趾构形能使被切削土壤沿挖掘面顺畅移动,避免了土壤在仿生试件尖部的堆积和对中后部的挤压,实现切削阻力的减小。该基于蝼蛄前足爪趾的工程仿生研究可为耕作和工程机械触土部件的减阻设计提供理论基础。     

基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律

东北垄作区玉米秸秆还田条件下,针对垄台播种带秸秆残茬易导致深松铲以及后续机具缠草堵塞和阻力增加等问题,建立深松铲-土壤-秸秆-根茬的离散元模型,分析仿真因素秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角、根茬状态（根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起和无根茬）和秸秆之间相互影响对深松作业过程中秸秆拨离垄台的影响。进一步探究深松铲作用下垄上秸秆运动规律并分析其扰动比阻（秸秆扰动力矩与深松铲阻力之比）。仿真结果表明：秸秆距垄台中心距离对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大;秸秆水平侧向位移随着秸秆与机具前进方向夹角增大呈减小趋势;根茬状态影响秸秆位移的主次顺序依次为：根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割;当秸秆距垄台中心距离为60 mm时,秸秆之间相互影响对秸秆位移中的前进方向运动的影响最大;当秸秆距垄台中心距离大于60 mm,秸秆前进方向位移呈增大趋势。秸秆运动的力矩变化趋势为平稳变化,后产生峰值,最后又趋于平稳;影响秸秆力矩的主次顺序依次为：根茬状态、秸秆之间相互影响、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。深松过程中,秸秆扰动比阻在切割根茬一侧时达到最大值0.152 mm。田间对比试验结果表明,仿真模型得到的秸秆总位移、水平侧向、前进方向和垂直方向位移与田间试验值的误差分别为0.36%～9.67%、0.16%～12.31%、0.56%～10.11%和0.43%～4.63%,秸秆力矩的误差为0.16%～11.06%。研究结果可为深松铲设计以及优化提供一定的理论依据。     

循环水养殖大口黑鲈摄食颗粒饲料的声学特征

为突破智能投饲系统的技术瓶颈,近年来采用被动声学技术开展鱼虾摄食行为研究成为热点之一。该研究主要采用被动声学技术获取单体大口黑鲈（Micropterus salmoides）摄食声信号,从混合信号中提取完善的摄食信号,筛选可作为衡量大口黑鲈摄食活跃度的声学特征参数,以期对摄食活跃度进行量化。根据大口黑鲈喂食期间的同步音频与视频记录,确定信号类别并进行标记,主要提取每次吞食饲料的时域与频域特征,对比各参数与吞食次序之间的相关度。研究结果表明,摄食声信号能量主要集中于4～7 kHz,且大口黑鲈吞食间隔与吞食次序呈正相关,稳定性较强;而时域特征中的波形振幅极差与频域特征的功率积分值均与吞食次序呈负相关。吞食间隔、振幅极差及功率积分值均可以作为衡量摄食活跃度的量化指标,而共振峰与平均梅尔倒谱系数可作为摄食声识别参数,研究结果可为今后养殖鱼类被动声学智能投饲系统研发提供理论基础。     

控制高径比条件下崩岗土体的收缩开裂特性

崩岗土体的收缩开裂受到多种因素的影响。该研究为研究高径比对其影响,共设计10组高径比,通过定点拍照记录脱湿前与脱湿结束时的土体形态变化,结合数字图像处理技术进行定量分析,探讨在控制高径比条件下崩岗土体的收缩开裂规律。结果表明：1）崩岗4层土中,过渡层的裂隙性、径向收缩性能最强,砂土层最弱,两者之间的较大差异会严重破坏崩岗土体的稳定性与承载力,促使崩壁崩塌;2）高径比较小的试样裂隙发育显著,径向收缩不明显;高径比较大的试样无裂隙发育,径向收缩显著。其中,4层土由干缩开裂土样过渡至径向收缩土样的高径比具体临界值分别位于：0.147～0.160、0.160～0.183、0.160～0.183、0.134～0.147;3）当高径比相同时,即使高度、直径不一致,但其各裂隙参数、径向收缩率具备相似性,轴向收缩率随厚度的增加而增加;4)随高径比的增加,收缩含水率逐渐增大,开裂含水率逐渐减小,两者之间的差值可以表示脱湿过程中土体产生抗拉强度的大小。收缩开裂裂隙度、宽径比、径向收缩率随高径比的增加整体呈现增大的趋势,其余参数均呈现减小的趋势。其中,4层土中,过渡层的收缩开裂特性受高径比影响最显著,砂土层受影响程度最小。研究结果可为揭示崩岗崩塌机理提供科学依据。     

复垦土壤细菌群落结构及其与土壤肥力的关系

为了解两淮煤矿区复垦状况及其对土壤微生物的影响机制,合理人工干预,快速有效提高复垦土壤生产力,本研究以煤矸石充填复垦土壤为研究对象,通过野外调查与采样分析,采用Illumina MiSeq 高通量测序分析土壤细菌特定基因片段V4 区域,基于非度量多维尺度分析、冗余分析、方差分析、肥力指数、回归模型方法,对矸石充填土壤不同复垦方向的土壤细菌优势群落和生物多样性进行了探索,明晰土壤细菌群落及其与土壤肥力的响应作用。研究结果表明：细菌群落组成上,不同复垦方向对细菌优势群落分布并无显著性影响,变形菌门、酸杆菌门和放线菌门菌群为主要优势菌群。土壤微生物多样性层面上,表层土壤微生物有较高的丰富度和多样性,均匀度并无显著性差异。微生物多样性在不同复垦方向不存在显著性差异,Shannon_Wiener指数介于5.23～6.91之间,Chao1指数为867.1～5436,Pielou指数介于0.79～0.84之间,表中层同深层土壤的细菌群落结构具有差异性。TN、SOM、AP和AK是影响土壤细菌群落的主要肥力因子,土壤肥力质量指数与奇古菌门相对丰度呈显著正相关（P＜0.01）,同链霉菌属呈显著负相关（P＜0.05）,在一定程度上可将二者的相对丰度作为评价复垦土壤肥力状况的重要生物指标。研究成果可为两淮矿区矸石充填复垦土壤在微生物层面提高肥力质量提供理论支持。     

功率输入模式对浆果微波加热均匀性的影响

提高干燥均匀性是微波技术在食品、农产品热加工研究的重要问题。为分析微波功率输入模式对浆状食品物料的温度及水分均匀性影响,以浆果果浆为高水分、高黏度、富含热敏性成分代表性物料,引入温度离散值（VT）、水分离散值（VM）、热区分布值（HTD）、温度对比值（CON）指标表征加热均匀性,解析连续和间歇变功率输入模式对浆果微波加热均匀性影响的原因。结果表明：在微波输入功率为800 W的微波加热过程中,果浆中依次出现缓慢升温（I）、温度稳定（II）和快速升温（III）3个阶段,其中温度离散值与热区分布值在升温区增加、在温度稳定区降低;水分离散值持续上升,温度对比值增大至温度稳定区、在快速升温区减小;在浆果微波干燥后期,果浆料层内冷、热点间温度差引起不均匀性减弱。微波在浆果物料边角产生过热效应是引起加热不均匀性主要原因。间歇变功率微波加热工艺可以改善均匀性,随功率转换点的减小,果浆温度离散值、水分离散值、和热区分布值的均匀度改善率增大;微波功率比的减小可提高加热均匀度,但当微波功率比低于0.5时会导致加热效率低;间歇时间的增大可以进一步提高果浆均匀度改善率,但间歇时间超过8 min后对果浆均匀度的改善程度减缓;选用微波功率转换点为第Ⅱ、Ⅲ阶段交界、微波功率比0.5、间歇时间8 min更利于提高加热均匀性与加热效率。研究结果为浆果类物料微波加热均匀性的评价提供数学模型,优化得到的变功率输入参数为提高浆果果浆的微波干燥均匀性提供技术参考。     

生物炭添加对矿区压实土壤水力特性的影响

中国黄土高原大型露天煤矿开采导致土壤质量下降,生物炭作为环境友好型土壤改良剂,在改善农田土壤质量中应用广泛,但在有关矿区压实土壤改良的研究中不够深入。为此,该研究通过室内试验分析不同粒径的生物炭在不同添加量下对矿区排土场压实土壤水力特性的影响。试验采用4种粒径（>1～2、>0.25～1、0.10～0.25、<0.10 mm）与4种添加量（0、4、8、16 g/kg）的生物炭,设计5种压实条件（容重分别为1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3）,并利用van Genuchten模型（VG模型）拟合土壤水分特征曲线。结果表明,添加生物炭后土壤水分特征曲线的相关系数均在0.960以上,标准差均小于0.015,说明VG模型适用于拟合添加生物炭后的土壤水分特征曲线。随着生物炭添加量的增加,土壤孔隙分布明显改变,形成了大量大孔隙和中孔隙,土壤的持水能力提高。在低容重（1.3、1.4 g/cm3）条件下,生物炭粒径越大（0.25～2 mm）添加量越高（8、16 g/kg）,土壤持水、保水效果越明显;在高容重（1.5、1.6、1.7 g/cm3）条件下,小粒径（<0.25 mm）和较低的生物炭添加量（4、8 g/kg）则表现出较好的持水能力。对于不同压实条件的排土场土壤,有针对性地施用生物炭,将有效提高土壤持水保水能力,提高土壤中植物的有效利用水分。     

基于无人机遥感影像的玉米冠层温度提取及作物水分胁迫监测

针对当前无人机热红外遥感提取冠层温度不准确、监测作物水分胁迫状况精度不高的问题,该研究以不同水分处理的拔节期夏玉米为研究对象,利用无人机获取试验区域热红外和可见光图像资料,分别采用Otsu算法、EXG-Kmeans算法和Otsu-EXG-Kmeans算法获取冠层区域图像,并对提取结果进行精度评价,而后采用最优算法求得对应作物水分胁迫指数（Crop Water Stress Index,CWSI）,通过分析CWSI同土壤含水率相关关系以及CWSI日平均变化趋势来监测玉米水分亏缺状况。结果表明：1）相比于其他方法,Otsu-EXG-Kmeans算法对冠层温度提取精度更高（用户精度为95.9%）,提取的冠层温度更接近实测温度（r=0.788）,可以准确获取图像冠层温度。2）相比于冠层温度,CWSI与土壤含水率的相关性更高（r= -0.738）,CWSI日平均变化趋势更符合实际情况,可更加精确地监测玉米缺水状况。该研究为无人机遥感精准监测作物水分胁迫状况提供参考。     

污泥连续水热炭化工程系统研究

水热炭化可以显著改善污泥的脱水性能,促进污泥的无害化、减量化、资源化利用,但目前污泥水热炭化技术的工业化应用鲜有报道。该研究基于工程规模的污泥水热炭化系统开展研究,重点研究了系统工程设计和控制逻辑,开展了系统参数测试,分析了污泥炭、气相和水相的理化性质和组分分布,并在此基础上进行了系统能量平衡分析。结果表明,系统污泥年处理量达1.4×104 t,水热炭化后的三相产物分别为污泥炭28.57%,水相70.00%,气相1.43%,污泥脱水率达75%,综合整个生产系统,系统加热能为454.22 MJ/t,动力耗能为64.80 MJ/t,连续水热炭化工程系统能耗比为83.83%,能量回收率为66.68%,系统具有较高的能耗比。该研究可为生物废弃物连续水热炭化技术的研发和推广应用提供重要的工程依据。     

粮食安全与生态安全双约束下江苏省耕地休耕规模探讨

实施耕地休耕是巩固提升粮食产能和促进农业可持续发展的重要举措,亟需科学合理地确定我国可休耕耕地规模,为深入实施"藏粮于地"战略和扩大耕地休耕制度试点提供理论依据。该研究基于粮食安全与生态安全双重约束构建粮食主产区耕地休耕最大规模测算仿真模型,同时提出休耕规模弹性边界的确定方法并以江苏省为实证区域进行仿真预测。结果表明：当前江苏省在兼顾粮食主产区的粮食调配任务且考虑区域耕地资源可持续利用状况的基础上,仍能保有10.16%的耕地资源来支撑耕地休耕制度的实施;仿真期内区域耕地资源面积可能会由于城市快速扩张和耕地保护不力出现大幅减少,并对区域耕地休耕条件环境产生影响;同时耕地资源可持续利用状况和休耕规模适宜程度的恶化导致江苏省休耕规模弹性边界从2017年的9.93%缩减至2036年的4.81%,区域粮食安全稳定状态终将被打破。建议充分利用粮食主产区的耕地资源基础积极有序推广开展耕地休耕工作,深入部署"藏粮于地"战略以巩固提升粮食产能;建立休耕规模与生态安全挂钩的指标预警体系以实现对休耕实施方案的宏观动态调节;统筹休耕与其他耕地保护政策的正向联动,创造耕地保护政策体系内部的正向溢出效应。