紫色土坡耕地氮素淋失通量的实测与模拟

氮淋失是氮素循环研究中最重要的环节之一,获得准确的氮淋失通量是当今农田氮循环研究中必不可少而又较为困难的工作之一。紫色土土层薄,土壤氮素难以蓄存,加之降水丰富,下伏透水性较弱的母岩,淋溶水达到母岩后难以垂直下渗而沿土壤岩石界面出流、汇流形成壤中流,紫色土氮素淋失主要表现为氮素随壤中流迁移流失。DNDC模型是基于过程的一种土壤碳氮循环模型,常用于农田温室气体排放模拟,但其应用于氮素淋溶的验证与测试不足。本文利用大型坡地排水采集器(lysimeter),测定紫色土坡耕地淋溶水量(壤中流流量)和氮素淋失通量,并利用观测数据对DNDC模型进行验证。结果表明,紫色土坡耕地小麦玉米季累积淋溶水通量为323.6 mm,径流系数33.3%,氮素淋失量为36.93 kg.hm 2,占全年氮素施用量的13.2%。壤中流流量与氮素淋失量实测值和模拟值的Pearson相关系数分别为0.944(P<0.05)和0.972(P<0.05),Theil不等系数分别为0.07和0.1,降雨量、土壤孔隙率和施氮水平是氮流失模拟的高敏感性参数。DNDC模型应用于紫色土坡耕地氮素淋失通量的模拟具有较高的可靠性,同时DNDC基于过程模型的优势可以描述持续降雨条件下的氮淋失过程,未来可通过进一步的验证,测试DNDC模型应用于氮淋失过程及区域氮淋失评估的可行性。     

基于改进湍流模型和偏振成像技术的水下退化图像复原方法

为了满足工厂化水产养殖中过程控制的信息化要求,该文提出一种基于改进湍流模型结合偏振成像技术,具有较强鲁棒性的水下退化图像复原方法。考虑内外尺度对波结构函数影响,结合折射率谱,改进水下湍流退化模型以提高复原算法先验知识的完备性;基于改进的退化模型和水下前向散射光的偏振特性,利用偏振成像技术提取退化图像中的噪声特征;基于退化图像噪声特征,采用约束最小二乘滤波法进行退化图像复原;最后,对复原效果进行相应比较,结果表明在强湍流条件下本算法具有更为理想的复原效果。该研究可为复杂水流条件下水下退化图像复原方法研究提供参考。     

Validation of the DNDC-Rice model by using CH4 and N2O flux data from rice cultivated in pots under alternate wetting and drying irrigation management

The DNDC (DeNitrification-DeComposition)-Rice model, one of the most advanced process-based models for the estimation of greenhouse gas emissions from paddy fields, has been discussed mostly in terms of the reproducibility of observed methane (CH₄) emissions from Japanese rice paddies, but the model has not yet been validated for tropical rice paddies under alternate wetting and drying (AWD) irrigation management, a water-saving technique. We validated the model by using CH₄ and nitrous oxide (N₂O) flux data from rice in pots cultivated under AWD irrigation management in a screen-house at the International Rice Research Institute (Los Baños, the Philippines). After minor modification and adjustment of the model to the experimental irrigation conditions, we calculated grain yield and straw production. The observed mean daily CH₄ fluxes from the continuous flooding (CF) and AWD pots were 4.49 and 1.22?kg?C?ha^?1?day^?1, respectively, and the observed mean daily N₂O fluxes from the pots were 0.105 and 34.1?g?N?ha^?1?day^?1, respectively. The root-mean-square errors, indicators of simulation error, of daily CH₄ fluxes from CF and AWD pots were calculated as 1.76 and 1.86?kg?C?ha^?1?day^?1, respectively, and those of daily N₂O fluxes were 2.23 and 124?g?N?ha^?1?day^?1, respectively. The simulated gross CH₄ emissions for CF and AWD from the puddling stage (2 days before transplanting) to harvest (97 days after transplanting) were 417 and 126?kg?C?ha^?1, respectively; these values were 9.8% lower and 0.76% higher, respectively, than the observed values. The simulated gross N₂O emissions during the same period were 0.0279 and 1.45?kg?N?ha^?1 for CF and AWD, respectively; these values were respectively 87% and 29% lower than the observed values. The observed total global warming potential (GWP) of AWD resulting from the CH₄ and N₂O emissions was approximately one-third of that in the CF treatment. The simulated GWPs of both CF and AWD were close to the observed values despite the discrepancy in N₂O emissions, because N₂O emissions contributed much less than CH₄ emissions to the total GWP. These results suggest that the DNDC-Rice model can be used to estimate CH₄ emission and total GWP from tropical paddy fields under both CF and AWD conditions.     

分选加工中稻米垩白自动检测算法

林地利用变化会对森林固碳总量产生一定的影响,林地利用过程碳汇效率可以从投入产出解释不同林地利用类型的固碳效应,以帮助实现林地利用结构最优时碳汇产出水平的最大化。该文基于区域的视角,通过选用数据包络分析方法（data envelopment analysis,DEA）的C2R-I模型,将不同类型的林地利用数量作为投入,将森林固碳总量作为最终产出,结合全面的历史统计资料查证与实地校验,对杭州市域林地利用过程碳汇效率进行了测度与实证研究。研究结果表明：杭州市域林地利用过程碳汇效率发展不平衡,各县市区之间差距较大,并且碳汇效率的空间分布与各县市区经济发展水平之间存在一定的反向关联性。而根据"土地利用、土地利用变化及林业（land use, land-use change and forestry,LULUCF）"指南和"复杂系统数据包络分析（complex system data envelopment analysis,CSDEA）"转化法则,提高不同林地利用类型的单位面积蓄积量,充分考虑本地区的城市化水平与森林自然度状况,将是影响区域林地利用过程碳汇效率优化的3个重要因素。文章最后给出了包含这3个影响因素的投入产出优化计量模型。模型计算结果表明,杭州市域"造林再造林"投入优化可增加蓄积量3 279.68 m3/a,"森林管理"投入优化可增加蓄积量2 9871.23 m3/a,"森林采伐"投入优化可增加蓄积量111 959.19 m3/a,"森林固碳"产出优化可增加固碳总量7.61 Tg/a。文章结论不仅对区域林地利用过程的碳汇效率研究具有理论贡献,而且可以从碳循环调控的角度为区域低碳经济发展的模式选择与发展战略提供参考。     

基于修正简易模型的陕北黄土丘陵沟壑区降雨侵蚀力分布特征

降雨侵蚀力经典模型计算结果准确,但计算过程繁琐、数据量大且难获取;简易模型计算便捷,但结果不够准确.本文分析了8种黄土丘陵沟壑区降雨侵蚀力模型的差异,并对简易模型进行修正.以经典模型为基准值,对与经典模型结果最为接近的简易模型进行修正,基于修正后的简易模型分析黄土丘陵沟壑区降雨侵蚀力的时空分布特征.在此过程中用到的方法主要是数理统计法和模型差异分析方法.经典模型更能准确估算陕北黄土丘陵沟壑区降雨侵蚀力;拟合模型y=0.849x-29.651可以提高章文波降雨侵蚀力简易模型的模拟精度(拟合优度0.734);陕北黄土丘陵沟壑区2006-2012年间降雨侵蚀力总体呈现上升趋势;汾川河流域、清涧河流域上游降雨侵蚀力较高,下游次之;延河流域、大理河流域下游降雨侵蚀力较高,上游次之.降雨侵蚀力简易算法经修正后可以较好的估算黄土丘陵沟壑区的降雨侵蚀力的时空分布特征,陕北黄土丘陵沟壑区2006-2012年间降雨侵蚀力时空分布不均,降雨侵蚀力整体较高.     

基于离散元的西北旱区农田土壤颗粒接触模型和参数标定

为了解决利用离散元法模拟土壤作业过程在预测农具阻力和土壤动态运动时存在失真等问题,整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性内聚力模型(liner cohesion model,LCM)优势建立西北旱区农田土壤模型,以不同参数(静摩擦系数、动摩擦系数和内聚强度)组合下仿真得到的土壤仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken试验法建立回归模型,并根据该回归模型进行了参数预测并验证,对17组土壤仿真堆积角方差分析表明:静摩擦系数、动摩擦系数、动摩擦系数和抗剪强度的交互项、动摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响极显著;静摩擦系数和动摩擦系数的交互项、静摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响显著。使用预测的参数进行6种不同含水率土壤直接剪切仿真和试验对比可知,当含水率为1%~20%时,仿真与试验间的抗剪强度相对误差为1.18%~9.31%,仿真与试验间的内摩擦角相对误差为0.55%~4.07%。对仿真和试验鸭嘴插入阻力数据进行分析可知,仿真与试验曲线在入土距离处于0~50 mm期间时,但仿真入土阻力曲线波动较大,仿真和试验阻力走势基本一致,玉米直插穴播最深处50 mm处的仿真和试验入土阻力相对误差为0.928%,可利用此时的入土阻力分析直插鸭嘴结构对强度的影响。     

行间耕播机弹性可覆土镇压轮性能有限元仿真分析及试验

为提高播种机的播种及镇压性能,解决播种作业中覆土后即时镇压的难题,结合橡胶类材料的变形理论与轮胎力学的研究基础,建立基于种沟沟型的理论模型,并设计出一种具有覆土功能的弹性镇压轮,镇压轮横截面由顶端连通的两个腔室组成,通过镇压轮侧缘与种沟接触产生的挤压力以同时实现覆土和镇压作业。利用ABAQUS软件对镇压轮进行有限元仿真分析,考察其覆土及镇压性能,通过有限元仿真分析证实该模型可行有效。通过与双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮的田间对比试验测得,该文所设计的弹性可覆土镇压轮作业后种子平均覆土深度为34 mm,变异系数为15.68%,镇压后种子上方距离地表5 cm的土壤紧实度为33.5 k Pa,变异系数为13.97%,应用双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮作业后种子平均覆土深度为35.3 mm,变异系数为17.51%,镇压后种子上方距离地表5 cm的土壤紧实度为26.5 k Pa,变异系数为15.32%,田间对比试验证实弹性可覆土镇压轮和双圆盘覆土器均可满足玉米播种作业对覆土深度的要求,但弹性可覆土镇压轮对土壤的镇压强度大于传统橡胶镇压轮,同时由覆土深度变异系数和镇压强度变异系数可以看出,弹性可覆土镇压轮在作业过程中的覆土深度稳定性和镇压强度稳定性均优于双圆盘覆土器和传统橡胶镇压轮。     

T-M水量平衡模型在流域产流计算中的应用

[目的]旨在通过研究流域各月度产水量,对水资源管理和农业灌溉用水调度进行指导。[方法]以锦阳川流域为研究对象,运用遥感(remote sensing,RS)和地理信息系统(geographic information system,GIS)提取和处理空间土地利用、土壤及数字高程模型数据,结合降雨、气温及不同植物的根深数据,采用Thornthwaite and Mather(T—M)模型计算了水分亏缺与剩余,土壤水分补给与利用的周期及月度产流量。[结果]研究区2011年平水年全年总径流量为281.0mm,在1,3—4,6和10月,存在水分亏缺及土壤水分利用,面积加权的水分亏缺值为5.8mm;2月,11—12月降水对土壤水分进行补给;5和7—9月,存在水分剩余,面积加权的剩余值为286.2mm。丰水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)多年平均产水量分别为8.3×107,4.8×107及2.2×107 m3。[结论]研究区在丰水年(25%)的2,7—11月,平水年(50%)的2—3,7—9月和枯水年(75%)的12—2,7—9月存在水分剩余。     

模拟自然降雨条件下植物根系增强边坡土体抗剪强度特征

该研究以位于青藏高原东北部黄土区的西宁盆地作为试验区,采用柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon(Bunge)Maxim.)、垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum(Linn.)Gaertn.)的单播种植,以及柠条锦鸡儿分别与细茎冰草、垂穗披碱草混播种植等2种方式,开展了原位模拟降雨试验并采用直接剪切试验,系统分析了模拟降雨试验前后试验区边坡表层以下3个不同位置处复合体抗剪强度大小及其随深度变化规律。结果表明:模拟降雨试验前,由柠条锦鸡儿与细茎冰草、垂穗披碱草混播的边坡a层(0~20 cm)根-土复合体黏聚力分别为19.5、18.9 k Pa,均较相同条件下单播边坡a层复合体黏聚力大;混播种植边坡各层根-土复合体黏聚力均较模拟降雨试验后裸坡a层土体黏聚力大,其中柠条锦鸡儿与细茎冰草混播边坡、垂穗披碱草混播边坡模拟降雨试验后,a层复合体黏聚力分别较裸坡a层黏聚力的增幅为30.65%~56.45%;柠条锦鸡儿、霸王、垂穗披碱草、细茎冰草单播边坡b层复合体黏聚力增幅为4.17%~38.89%;柠条锦鸡儿分别与细茎冰草、垂穗披碱草混播边坡b层黏聚力增幅为29.17%~34.72%;边坡c层土体黏聚力增幅相对不及a层、b层显著,反映了草本起到浅层加筋作用,灌木则起到深部锚固作用。     

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。