鞠学良 , 吴普特 , Weckler R. Paul , 朱德兰 , 张林
2016, 32(5):14-20. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.002
摘要:满足灌水均匀度设计标准与额定流量的滴灌毛管管径优化设计是滴灌毛管水力设计的重要内容。该文以流量偏差率为灌水均匀度设计标准,提出一种简易的滴灌毛管管径水力设计方法。通过改变单向和双向滴灌毛管流量偏差率解析公式的形式,提出一个新的管径设计参数。基于能坡线法,建立参数与坡降比参数的关系,并绘制和构建相关图形和计算公式。结果表明:当流量指数分别取值为1.75、1.69和1.00时,单向毛管管径的设计参数取值分别为−1~≤2.801,−1~≤2.859和−1~≤4;双向毛管管径的设计参数取值分别为0~≤3.143,0~≤3.183和0~≤4。满足流量偏差率设计标准和灌水器额定流量时,单向毛管管径将有1或2个设计值,双向毛管管径将有1、2或多个设计值。根据参数的取值范围,以坡降比参数为设计变量,推导了均匀坡下单向和双向毛管管径的计算公式。此外,进一步简化了滴灌毛管进口工作水头的计算公式。当已知设计流量,流量偏差率设计标准,毛管管长等参数时,可以按照设计步骤直接计算滴灌毛管管径和进口工作水头,无需进行任何复杂的试算。设计案例1表明在多数地形条件下,利用该文方法设计单向毛管的结果与传统方法设计结果的相对误差不超过4%;设计案例2表明该文方法设计双向毛管的结果与其他2种常用方法设计结果的最大相对误差为4%。因此,从工程实践角度,利用该方法设计的滴灌毛管管径和进口工作水头与其他传统方法设计结果非常接近。相比于传统设计方法,该方法简便实用,可以直接应用于滴灌工程设计。该研究可为改进滴灌毛管优化设计提供理论依据。
2016, 32(5):21-28. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.003
摘要:为改善甘蔗收割机物流系统的堵塞问题,以切割器螺旋提升机构为主要研究对象,通过仿真模拟分析与试验研究手段,探讨了摩擦系数等因素对甘蔗物流堵塞的影响,通过UG和ADAMS建立虚拟样机仿真模型,仿真结果表明,增大螺旋的摩擦系数可以提高甘蔗的输送速度,减少甘蔗平均滞留时间。高速摄影试验表明,螺旋选用摩擦系数大的轮胎胶作为覆盖层时、当切割器转速在750 r/min左右时,甘蔗的滞留时间较原钢筋螺旋缩短了17%左右,可以改进切割器物流系统堵塞问题。基于上述机理,设计了平面螺旋结构,其与甘蔗的接触方式由原来的点接触变为线接触,仿真分析表明,面宽为20 mm的螺旋与原圆柱型螺旋相比,甘蔗滞留时间缩短了32%,说明平面螺旋可以有效地抑制前端输送系统的堵塞现象;适当加宽螺旋提升机构的面宽有利于减少甘蔗滞留时间,单位时间内甘蔗输送更快、更稳定。该研究为后续试验研究及物理样机的改进设计提供了参考。
耿爱军 , 张兆磊 , 宋占华 , 杨建宁 , 李汝莘 , 侯加林 , 刘世琦
2016, 32(5):29-35. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.004
摘要:针对种盒式大蒜播种方案,为检验倾斜输送带式蒜种盒投放方式的可行性,设计了预植蒜种的可降解蒜种盒和输送带式种盒投放试验台。对蒜种盒投放过程进行了运动学分析,建立了蒜种盒运动速度、输送带倾角与投放后相邻蒜种盒间隙等相关参数间的数学模型,明确了蒜种盒投放间隙的影响因素及变化规律。通过蒜种盒投放过程的受力分析,确定了蒜种盒触地后不与地面产生滑动的条件和方法。为了验证理论分析结果和大蒜播种方案的可行性,进行了输送带倾角、行驶速度等单因素试验和正交试验,结果显示,输送带倾角为30°、试验台运动速度为0.75 km/h,投放效果较好。输送带倾角对前后蒜种盒投放后的间隙影响显著,通过优化蒜种盒长度两端尺寸,可有效消除投放后蒜种盒衔接间隙,保持播种株距稳定。
2016, 32(5):36-42. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.005
摘要:为研究液压驱动多足机器人动态步态下足端与地面高速接触对机器人系统的影响及实现稳定控制,该文设计了液压驱动多足机器人单腿并进行了动态跳跃试验。根据生物学家对大型犬后腿结构仿生和运动仿生的研究成果设计多足机器人单腿机械结构参数和执行器参数:确定大小腿长度为0.35 m、髋关节角度范围为[?50°,70°],膝关节角度范围为[?140°,?20°];液压缸活塞直径为0.02 m、活塞杆直径为0.01 m,活塞杆行程为0.1 m。根据单腿竖直跳跃动态仿真试验,确定了在液压系统压力16 MPa下系统平均流量为5.6×10-5 m3/s,最后完成了机器人单腿样机机械加工并进行了动态跳跃试验,验证了机器人单腿机械结构和液压缸参数设计的合理性。该研究可为液压驱动仿生多足机器人单腿设计提供参考。
2016, 32(5):43-49. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.006
摘要:为了解决自动化机械手移栽过程中穴盘放置偏斜和底部局部"凸起"而引起的移栽效果不理想的问题,为机械手提供穴盘精准坐标,对穴盘准确定位方法进行研究。首先,根据机械手移栽特点提出穴盘定位总体方法及图像获取手段。其次,利用单目相机获取的图像采用像素标记法和Radon变换法计算穴盘中心坐标和角度,完成穴盘平面定位。再次,对双目相机获取的图像采用SIFT(scale invariant feature transform)特征匹配的算法获得匹配点对坐标,并提出区域整合匹配点的方法。最后,利用整合的区域双目匹配点坐标配合相机标定结果重建匹配点的三维世界坐标,并且与穴盘平面定位结果相结合完成穴盘空间位置重构。试验结果表明,提出的穴盘定位方法能够真实地恢复穴盘空间姿态,中心像素横纵坐标相对误差分别在(?7,+7)和(?6,+7)像素内,角度检测值与实测值相对误差值在(?0.51°,+0.53°)内,利用SIFT特征匹配算法匹配双目图像,在2×4区域内对8对整合匹配点进行三维世界坐标重建,其中7个坐标的三个维度与测量值相对误差在2 mm内,1个坐标与测量值相对误差为4.6 mm内。该方法所应用的算法成熟,可以满足机械手移栽实际应用处理要求。
叶敏 , 邹湘军 , 罗陆锋 , 刘念 , 莫宇达 , 陈明猷 , 王成琳
2016, 32(5):50-56. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.007
摘要:扰动引起的随机误差成为采摘机器人视觉定位的难题。为了探索荔枝采摘机器人视觉定位误差,首先用双目视觉系统和模拟扰动的震动平台对荔枝结果母枝采摘点的三维坐标进行定位试验,检测其实际位置,获得误差数据;然后,提出了一种动态定位误差分析方法,根据误差变化规律将动态定位误差划分为系统误差和随机误差;最后,用统计方法对2类误差分别进行定量分析和评价。结果表明,定位距离为600~1 000 mm时,系统误差与动态定位误差的变化趋势基本一致,视觉深度方向、水平方向最大动态定位误差分别为58.8和17.3 mm。系统误差置信区间较窄,视觉深度方向系统误差与定位距离呈较强的线性相关性,水平方向则表现为非线性。扰动下的随机定位误差服从正态分布,视觉深度方向、水平方向间的随机误差相关性较弱。视觉深度方向受扰动的影响较大,随机误差远大于水平方向,且不确定度较高。研究结果为荔枝采摘机器人视觉定位系统校准和动态定位方案设计提供依据,为机构容错纠错提供理论依据和实践指导。
2016, 32(5):57-63. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.008
摘要:由于甘蔗种芽的好坏直接影响来年新植甘蔗的出芽率,针对目前甘蔗机械化种植过程中无法实现种芽完好性检测的难题,该文提出一种基于Bayes决策的甘蔗种芽完好性分类方法,将甘蔗种芽分为完好与破损2类。首先利用计算机视觉技术,采集甘蔗种芽图像,在截取有效的种芽区域图像并提取出包括灰度最大值在内的5个分类特征的基础上,统计种芽区域图像特征值的分布情况;然后分析特征值的曲线分布图,利用这些特征的均匀分布区间占整个分布区间的百分比以及完好和破损2类种芽相应百分比的差值,确定能够简化为均匀分布的特征,并将其作为最终的分类特征;再结合全概率公式和贝叶斯公式,将确定的分类特征的类条件概率和先验概率转换为后验概率,通过比较后验概率的大小进行分类;最后选择常见的3个甘蔗品种作为研究对象,利用Matlab对样本进行种芽完好性分类处理。试验结果显示,3个品种的种芽完好性分类准确率分别为92.09%、93.49%和93.02%,破损种芽的分类准确率分别达到98%、97%和96%,该分类方法能够实现甘蔗种芽完好性的分类功能。
2016, 32(5):64-69. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.009
摘要:为研究电磁阀响应时间对脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)变量喷施系统液压冲击的影响,该文构建PWM变量喷施系统流道的三维仿真模型,设定不同的电磁阀开启和闭合时间,利用Fluent软件模拟分析了电磁阀启闭时系统管路内液压冲击的变化。模拟结果表明:电磁阀启闭时所产生的液压冲击随电磁阀响应时间的增加而减小。利用PWM变量喷施系统对电磁阀启闭过程中的管路压力变化进行了试验测试,试验结果与模拟结果吻合,最大水击压强之间的相对误差小于10%。对电磁阀闭合所引起的液压冲击进行理论分析,间接最大水击压强公式适用于PWM变量喷施系统中电磁阀高速闭合时所引起的液压冲击的计算,并且电磁阀开启与闭合所引起的液压冲击呈线性关系,比例系数为1.91。研究可为系统中其他液压元件动态特性的研究提供理论支持。
任文涛 , 王岳 , 孔爱菊 , 辛明金 , 宋玉秋 , 邬立岩 , 刘翠红 , 崔红光
2016, 32(5):70-76. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.010
摘要:为了解决鸭稻共作过程中依靠人工饲养鸭子费时费力的问题,加速推广具有良好经济效益和社会效益的水稻生态农业模式,该文设计了一种以单片机为控制核心,在无人值守情况下在稻田中自动化养鸭设备。该设备放置在稻田的输水渠上不占农田,由太阳能电池板产生的能量驱动,能够按照昼夜变化规律运行,早晨05:30后自动开门,傍晚18:00奏音乐唤鸭回笼并能自动补料、给水和关门。由于料斗放置在田间,饲料容易受潮而结拱影响补料量控制的精准度,设计了振动式料斗破拱装置,试验确定了破拱装置的振动偏心距为30 mm、转速为1 200 r/min。田间试验结果表明,在自动门延迟关门1 min和声音响度100 dB时,鸭群回笼率达到97.5%以上;自动化养鸭设备饲养鸭群体质量增长与人工喂养无显著性差异(P>0.05)。该研究成果对鸭稻共作技术的推广应用具有重要意义。
2016, 32(5):77-81. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.011
摘要:现有研究以及关注的过滤设备多集中于低含砂水水源,对于缺水地区以高含砂水为水源进行微灌的研究较少,该文提出一种新型微灌用网式一体化水砂分离器,并与常规水砂分离器进行试验对比分析,旨在解决以高含沙水为水源进行微灌的堵塞问题。该文在试验对比的基础上,分别计算网式一体化水砂分离器和常规水砂分离器的主要性能参数,包括溢流参数(溢流流量和溢流浓度)、底流参数(底流流量、底流浓度、底流分流比)以及分级分离参数(分离效率和分级效率)。结果表明,网式一体化水砂分离器和常规水砂分离器的溢流流量和底流流量均与进口压力呈正相关关系,而底流分流比与进口压力呈负相关关系;在进口压力为0.26~0.34 MPa时,网式一体化水砂分离器的分割粒度为20.0~25.0 μm,分离极限为83.5~89.0 μm,分离精度为0.40~0.43;而常规水砂分离器的分割粒度为24.5~27.5 μm,分离极限为86.0~95.0 μm,分离精度为0.27~0.42。如果以分离效率80%为评价指标,在进口压力为0.26~0.34 MPa时,常规水砂分离器的平均分离粒径为65 μm,而网式一体化水砂分离器的平均分离粒径为45 μm。研究可为高含砂水微灌用新型过滤器提供了试验方法、试验参数和理论依据。
2016, 32(5):82-87. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.012
摘要:添加分散剂可改善聚丙烯酰胺(poly acrylamide,PAM)/蒙脱土(montmorillonite,MMT)复合导水涂层材料制备过程中悬浮液浓度比例不均衡问题。该文研究添加分散剂聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)、十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)对导水涂层材料性能的影响。通过扫描电镜对流挂纤维束的成膜性、涂层的微观形貌结构进行分析;采用热分析仪及质量法分析材料的吸脱附水特征;利用红外光谱仪对材料的化学成分进行分析。结果表明:对于PAM与MMT质量比为1:10的复合导水涂层材料,加入与PAM质量比为1:0.20的分散剂PVA后其成膜性最好;3种分散剂均改善了MMT的分散性;该材料吸脱附水能力为PAM/MMT/SDS>PAM/MMT>PAM/MMT/PVP>PAM/MMT/PVA复合材料,在约110 min时PAM/MMT/SDS材料的吸水率可达14 g/g,在100 min时其放湿量可达2.08 g/g;由复合材料的红外光谱分析可知并无新的物质生成,蒙脱土颗粒粘附在PAM和分散剂复合物内部网络结构支架上。该研究可为后续复合导水涂层材料成分比例精确选择提供参考。
张英华 , 张琪 , 徐学欣 , 李金鹏 , 王彬 , 周顺利 , 刘立均 , 王志敏
2016, 32(5):88-95. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.013
摘要:为明确微喷水肥一体化条件下灌溉次数和氮肥用量对冬小麦产量形成和水分利用的影响,该试验在灌水定额1 500 m3/hm2下设置微喷2次(拔节期750 m3/hm2+开花期750 m3/hm2)、3次(拔节期450 m3/hm2+开花期750 m3/hm2 +灌浆期300 m3/hm2)、4次(拔节期450 m3/hm2+孕穗期300 m3/hm2+开花期450 m3/hm2+灌浆期300 m3/hm2)和氮肥追施45、90、135 kg/hm2处理,N肥随灌水等量分次施入,考察群体光合特性、物质生产和水分利用特征。结果表明:微喷3次和4次相比于微喷2次,产量提高了5.3%~18.9%,水分利用效率提高了5.3%~27.8%,但微喷3次与4次之间差异不显著。适当增加微喷次数提高了开花期和灌浆期群体绿色叶面积指数,延缓了叶片衰老,提高了生育后期干物质积累,增加了千粒质量,进而提高了籽粒产量;多次微喷(3次或4次)降低了总耗水量和开花前耗水比例,提高了开花后耗水比例;适当增施氮肥能进一步提高花后物质积累和花后耗水比例。综合来看,1 500 m3/hm2灌溉定额下微喷4次,追施氮肥90 kg/hm2产量和水分利用效率较高。
李磊 , 张强 , 冯悦晨 , 聂督 , 孙捷 , 闫敏 , 王斌 , 黄高鉴
2016, 32(5):96-103. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.014
摘要:为探明全膜双垄沟播技术在内陆干旱冷凉地区盐渍土的水盐调控机制,在山西省大同市,采用大田试验的方法,以半膜覆盖垄播(LB)、半膜平铺穴播(CK)为对照,研究全膜双垄沟播(QM)技术对盐渍土水盐时空动态变化及其对玉米生长发育的影响。结果表明:在苗期QM处理0~30 cm土壤含水率比LB和CK高3.6%和2.9%,在大喇叭口期比LB和CK高27.8%和7.0%,能大幅优化耕层土壤水盐环境,提高玉米的出苗率和成苗率;QM处理各层土壤含盐量均显著降低(P<0.05),在大喇叭口期比LB和CK低28.3%、36.3%,在收获前期比LB和CK低31.2%、30.5%;对比1 m土体脱盐率,QM处理脱盐作用最强,比LB和CK高16.9%、30.7%,能大幅降低耕层土壤含盐量;QM处理比LB、CK玉米提早成熟4 d,增产69.7%和125.3%。总之,采用QM处理可以优化土壤耕层水盐分布,提高出苗率,缩短玉米生育进程,大幅提高产量。研究可为内陆干旱冷凉地区盐碱地的高效利用提供最佳的技术模式。
2016, 32(5):104-111. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.015
摘要:针对渭北旱塬降水少、季节性差异大及长期采用单一土壤耕作制度等制约作物增产增收的因素,该研究探索有利于提高旱作农田土壤质量及作物生产能力的轮耕模式。2007-2012年在陕西合阳实施了渭北旱塬春玉米连作田6种不同轮耕模式的长期定位试验,设置以免耕(NT,no-tillage)、深松(ST,sub-soiling)和翻耕(CT,continuous tillage)3种耕作处理组合集成的6种轮耕模式(NT?ST、ST?CT、CT?NT、NT?NT、ST?ST和CT?CT),测定各轮耕模式下春玉米田土壤容重和有机碳储量,分析各轮耕模式下春玉米籽粒产量、水分利用效率和经济效益的变化规律。结果表明:1)在疏松土壤、减少耕作机械碾压次数,改善土壤结构和降低容重等方面,6种轮耕模式以NT?ST表现最佳,ST?ST次之,差异显著(P< 0.05)。2)6种轮耕模式在0~60cm土层土壤有机碳平均储量较试验前均增加幅度6.6%~17.4%。NT?NT轮耕模式对增加表层土壤有机碳储量具有优势,且与各处理间差异显著(P<0.05)。NT?ST轮耕模式可改变耕层土壤有机碳储量分布特征,进而使土壤营养均匀分布。3)6种轮耕模式5年春玉米籽粒产量、水分利用效率和经济效益综合评价分析,NT?ST轮耕模式最高,分别为9 338.8 kg/hm2、22.6 kg/(hm2·mm)和7 600.5元/hm2;其次是ST?CT,其中NT?ST轮耕模式下春玉米籽粒产量、水分利用效率和经济效益较其他处理增加幅度分别为3.7%~15.7%、17.6%~45.8%和10.1%~40.4%,差异显著(P<0.05);且5种轮耕模式下作物籽粒产量、水分利用利用效率和经济效益均高于传统CT?CT模式。综上所述,在6种轮耕模式下,以NT?ST(免耕与深松逐年轮换)轮耕模式下土壤容重和有机碳储量最佳,生产能力最强,水分利用率最高,是渭北旱塬地区春玉米连作田最佳适宜轮耕模式,其次是ST?CT(深松与翻耕逐年轮换)轮耕模式。
2016, 32(5):112-119. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.016
摘要:为解决设施砂田甜瓜生产中的水肥瓶颈问题,该文通过大田试验,研究西北旱区设施砂田甜瓜传统水肥管理与滴灌施肥处理对不同生育时期甜瓜生长、产量、品质及水氮利用率的影响,从而确定甜瓜高效的灌溉方式及适宜的氮肥用量。试验设置了2个对照处理:大水漫灌不施氮肥(CK0)和大水漫灌传统施氮(CK),并在灌水量减少40%的滴灌条件下设置了4个氮肥水平:不施氮(T1)、传统施氮量N 180 kg/hm2(T2)、减氮40%即N 108 kg/hm2(T3)、增氮40%即N 252 kg/hm2(T4),共6个处理。结果表明:滴灌施肥处理较对照在甜瓜生长后期光合、植株干物质及氮素积累量等生理、生长指标均显著提高,甜瓜增产7.40%~14.35%,水、氮利用率分别提高28.81%~40.65%和22.78%~77.22%,果实品质中可溶性固形物及Vc含量也显著提高,硝酸盐含量显著降低,且滴灌可减少砂层含土量,从而延长砂田的使用年限。相同滴灌条件不同氮水平处理间,甜瓜植株干物质及氮素积累量随施氮量的增加而增加,而光合指标、产量、品质及水氮利用率则表现出先增加后降低的趋势,其中以T2和T3处理的甜瓜产量、品质和水氮利用率最高。综合分析表明,滴灌施肥是西北旱区设施砂田甜瓜栽培优质高产、高效和节水节肥的水肥管理模式,适宜的氮肥施用量为108~180 kg/hm2。
赵江涛 , 周金龙 , 高业新 , 曾妍妍 , 李巧 , 杜明亮
2016, 32(5):120-125. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.017
摘要:为研究新疆焉耆盆地平原区地下水污染现状,2014年在焉耆盆地平原区设置42个采样点,采集42组地下水样本,测定样本中溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)及阴阳离子含量,并利用SPSS软件及MAPGIS地理信息系统分析其时空动态。结果表明,1999年与2014年地下水TDS总体存在显著差异性;对地下水中TDS与宏量阴、阳离子组分及pH值之间的关系进行分析,地下水TDS与SO42-、Cl-、K++Na+、Mg2+、Ca2+具有显著相关,相关系数在0.717~0.964之间,与宏量阴离子SO42-、Cl-相关性明显大于阳离子,相关系数分别为0.963及0.964。在时间尺度上,1983-2014年地下水TDS均值整体呈现先升高再有所降低而后又升高再降低的趋势,均值由1983年305.0 mg/L上升至1999年1773.1 mg/L后又降低至2014年589.44 mg/L;在空间尺度上,1999-2014年地下水TDS<1 g/L区域面积变化呈增加的趋势,面积由1999年2 011.7 km2增加至2014年2 229.3 km2,与1999-2014年地下水TDS均值呈下降趋势相对应。研究区地下水TDS变化主要原因有2方面:一是地下水水位由2000年4.98 m下降至2014年7.34 m,地下水水位下降促使土壤及其下层沉积物中的钙、镁易溶盐、难溶盐及交换性钙镁由固相向水中转移使更多的钙镁离子进入地下水中,使地下水TDS增高,同时地下水位下降导致水中溶质浓缩也会造成TDS增高;二是生活及工业污水的排放导致大量Cl-、SO42-和部分Mg2+、Ca2+进入地下水中,造成TDS升高,这与TDS中Cl-和SO42-占主导地位相吻合。
2016, 32(5):126-136. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.018
摘要:为研究西北旱区冬小麦蒸散和土壤蒸发规律,以及土壤蒸发比例与其影响因子的关系,利用2 a冬小麦小区控水试验实测数据,对SIMDualKc模型进行了参数校正和验证,对比大型称重式蒸渗仪的实测蒸散量值(或水量平衡法计算值)与模型模拟值。用建立的模型模拟精度评价标准对模拟值和实测值的误差进行评价。用经参数校验的模型模拟冬小麦农田土壤蒸发,并与微型蒸渗仪的实测值进行对比。基于通径分析方法研究气象因子(最低气温、最高气温、平均相对湿度、2 m处风速、太阳辐射量)和作物因子(地面覆盖度)与土壤蒸发比例的关系。结果表明,该研究建立的模型模拟精度评价标准能够较为全面地评价模型精度;SIMDualKc模型可以较好地模拟西北旱区不同灌溉制度下冬小麦蒸散量和土壤蒸发量的变化过程,且在模拟长时段累积值时具有较高精度;拔节-灌浆期是冬小麦的需水关键期,冬小麦全生育期土壤蒸发比例呈现出生长中期<生长后期<快速生长后期<生长初期的规律;灌水仅在短时间内影响土壤蒸发,地面覆盖度是影响土壤蒸发的最主要因子;在实测数据不充足的情况下,可以将地面覆盖度和蒸散量作为输入变量,用该研究确定的土壤蒸发比例与地面覆盖度的回归模型计算土壤蒸发量,该模型在计算不同水分条件下冬小麦农田土壤蒸发量时表现出较高的计算精度,决定系数在0.721~0.902之间,可以作为计算土壤蒸发量的简便方法。研究可为西北旱区冬小麦农田节水和灌溉决策提供理论依据。
2016, 32(5):137-141. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.019
摘要:探明反射光谱估算土壤黏粒含量的成因是实现黏粒含量测定、提高估算精度的基础。该文以江苏省滨海平原的150个土壤样品为研究对象,将测得的原始光谱数据进行平滑、一阶导数、连续统去除和倒数等数据变换,采用逐步多元线性回归(stepwise multiple linear regression,SMLR)和偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)方法估算黏粒含量,并在此基础上分析建模的影响波段,探讨反射光谱估算土壤黏粒含量的成因。结果表明,连续统去除光谱数据的SMLR分析估算精度最高,建模集和验证集决定系数分别为0.941和0.750。360~900、1 800~2 490 nm是黏粒含量的重要建模影响波段,该建模影响波段主要包括铁离子(410 nm附近)、土壤有机质(500~800 nm)、层状硅酸盐中的结晶水(1 900 nm附近)、绿泥石和蛭石等黏土矿物(2 325 nm)的吸收特征波段;PLSR分析表明,1 400 nm附近回归系数出现的双峰特征源于高岭石的双峰吸收。黏粒中的黏土矿物、黏粒对铁离子的吸附特性以及黏粒与有机质的高度相关性是实现反射光谱估算滨海土壤黏粒含量的原因。
2016, 32(5):142-148. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.020
摘要:银川平原湿地属于典型的绿洲湿地,不仅是生物多样性的载体,还有具有重要的环境调节功能及较高的生产力,但由于其地处于易发生盐分累积的区域,因此,找出银川平原草甸湿地土壤盐分的空间累积特征,对了解银川平原水盐迁移过程对湿地生态系统的影响十分重要。该文采用野外调查、室内分析的方法,研究了银川平原草甸湿地植被的分布特征,草甸湿地土壤盐化等级的划分,盐分累积状况,该研究共设置样地57个,样方123个,根据传统的分类方法将研究区植物群落划分为3个植被型,8个植被亚型,27个群系。根据土壤表层全盐含量0~20 cm,把研究区土壤划分为5个等级:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,它们对应的含盐量分别为≥10、4~<10、2~<4、1~<2和<1 g/kg。银川平原草甸湿地土壤盐分呈自南向北逐渐增加的空间变化;不同草甸植被类型的含盐量大小为盐生草甸>典型草甸>湿生草甸;不同地形部位草甸的盐分含量表现为干湖滩>洪泛平原>堤外湖滩>湿湖滩>渠边沙滩,地下水埋深和水盐循环过程是盐分分布特征的决定性因素。
刘军 , 张宇清 , 秦树高 , 冯薇 , 孙延菲 , 王莉 , 白宇轩
2016, 32(5):149-155. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.021
摘要:为了探究沙蒿胶的固沙效果,采用不同质量分数(0、0.02%、0.05%、0.10%、0.20%和0.50%)的沙蒿胶喷洒试验,对固沙试样的固结层厚度、抗压强度、抗风蚀能力、团聚体水稳定性、渗透性、保水性和沙蒿胶对植物种子萌发及幼苗生长的影响进行测定。结果表明:1)喷洒沙蒿胶后,固沙试样的固结层厚度和抗压强度显著增加,抗风蚀能力明显增强,质量分数>0.10%的沙蒿胶处理,其起沙风速均在20 m/s以上;2)沙粒在沙蒿胶的作用下相互胶结,微团聚体质量百分数显著降低,大团聚体百分数显著增加;3)团聚体平均质量直径显著增加,表明沙蒿胶提高了沙样的水稳定性;4)沙面形成的固结层具有良好的渗透性,利于水分的入渗,沙蒿胶良好的吸水性和保水性,能够促进虫实(Corispermum puberulum)和沙蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch.)2种固沙先锋植物种子的萌发及幼苗的生长。可见,沙蒿胶具有良好的固沙效果,且固沙成本低,可以作为一种环境友好型固沙剂,与生物固沙结合用于治沙,沙蒿胶喷洒质量分数以0.20%为宜。研究可为沙蒿胶的固沙应用提供理论依据。
2016, 32(5):156-162. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.022
摘要:为客观分析延安市农业水土资源空间匹配状况,根据耕地、水资源量等数据,在分析延安市水土资源空间分布格局的基础上,通过构建洛伦兹曲线以及农业水土资源匹配计算模型,对延安市及其13个区县农业水土资源的匹配程度进行评价。结果表明:延安市农业水土资源匹配系数0.26×104 m3/hm2,匹配程度较差,低于全国同期平均水平0.54×104 m3/hm2,并且空间匹配程度存在明显的差异,总体上呈现出南优北差的匹配格局。在全面分析影响农业水土资源承载力多种因素的基础上,建立延安市农业水土资源承载力评价体系,将粒子群优化算法与投影寻踪模型结合在一起,对延安市各区县农业水土资源承载力进行了评价。结果表明,子长县和延长县农业水土资源承载力最低,承载力IV级;黄龙县农业水土资源承载力最高(II级),其他大部分区县农业水土资源承载力处于中等偏低水平(III级),研究可为提高粮食生产效益及区域农业水土资源可持续利用提供依据。
2016, 32(5):163-171. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.023
摘要:亚像元定位技术对地表遥感信息提取及农业遥感定量化发展具有重要意义。针对当前国内外亚像元定位研究多集中于亚像元定位模型而缺少模型定位精度影响因素分析的现状,该文开展了定位尺度因素(如重建尺度、影像空间分辨率)和像元空间关系等对农业区域多光谱遥感影像亚像元定位模型精度影响的定量分析。以中国吉林省白城地区洮南市和内蒙古自治区兴安盟突泉县交界农业区为研究区域,以典型的空间引力模型为核心模型,以具有相同光谱分辨率的高分一号(GF-1)卫星8、16 m空间分辨率多光谱遥感影像为基础数据,对重建尺度、影像空间分辨率和像元空间关系等因素对遥感亚像元定位精度的影响进行了探讨。结果表明,对于8 m空间分辨率GF-1遥感影像,当重建尺度为5时,在邻接空间关系下的亚像元定位可达到最佳效果,即由40 m空间分辨率遥感影像重建8 m空间分辨率遥感影像的总体精度为74.67%,Kappa系数为0.604;对于16 m空间分辨率GF-1遥感影像,当重建尺度为4时在象限空间关系下的亚像元定位可达到最佳效果,即由64 m空间分辨率重建16 m空间分辨率遥感影像的总体精度为74.65%,Kappa系数为0.623。此外,重建尺度、影像空间分辨率和像元空间关系对亚像元定位精度具有波动影响,3个因素对应的亚像元定位总体精度最大变幅分别为18.08%、4.39%和0.08%,对应Kappa系数变化最大幅度分别为0.268、0.049和0.006。因此,在不同精度影响因素下,基于空间引力模型的GF-1亚像元定位精度影响因素轻重等级依次为重建尺度>影像空间分辨率>像元空间关系,这可为遥感亚像元定位模型选取、模型参数设置以及适宜的遥感数据选择提供一定参考。
杜加强 , 赵晨曦 , 贾尔恒·阿哈提 , 房世峰 , 香宝 , 阴俊齐 , 何萍 , 袁新杰 , 方广玲 , 舒俭民
2016, 32(5):172-181. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.024
摘要:不同生长阶段的植被对水热条件的需求、对气候变化的敏感性可能不同。监测不同月份植被动态变化及其对气候变化的响应,对于深入理解植被与气候的关系具有重要意义。基于MODIS NDVI数据集拓展的AVHRR GIMMS NDVI时间序列,该文研究了近30 a新疆生长季各月植被生长的动态变化,分析了气候变化和人类活动的可能影响。结果表明,已有研究指出的1982-2006年的植被生长显著增加(P<0.05)在后续几个时段仍然持续,但5-10月区域平均NDVI增加量随时段长度的延长而显著减少(P<0.05),除11月外,其他月份多存在1998年或1997年前后,NDVI由增加到减少的逆转现象。但在像元尺度,显著增加和显著减少的区域多随时段延长呈极显著增加趋势(P<0.01),尤其是显著减少区域在各月中均快速增加,导致区域尺度NDVI增加趋势的放缓。各月份NDVI对气候变化的响应不同:生长季开始的3-6月和生长季结束的9-11月NDVI对气温、蒸散发等与热量有关的因子变化更敏感,而7-8月则与降水量、湿润指数等水分因子的相关性更强。3-5月农田NDVI的显著减少除气候因素外,种植结构和灌溉方式的改变也是重要原因。时段长度不同得出的结果有所差异,延长时段长度、注重变化过程分析是未来植被动态监测的重要研究内容。
2016, 32(5):182-187. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.025
摘要:归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)时间序列曲线能提供作物生长动态变化信息,将其应用于农作物种植面积提取具有一定优势。该文以江苏省为研究区域,采用2013年1月1日-2014年12月19日46景250 m空间分辨率的MODIS-NDVI时间序列数据、2014年4月23日的MOD09A1反射率影像及Landsat数据,开展冬小麦种植面积的遥感识别,首先利用MODIS数据建立作物的归一化植被指数时间序列曲线,再采用Savitzky-Golay滤波方法对NDVI时间序列数据进行重构,并基于农作物物候历、种植结构和种植模式等信息,提取研究区域典型地物物候生长期的关键值,在分析冬小麦、林地、水稻物候期(生长期开始时间、生长期结束时间、生长期幅度、生长期长度及生长期的NDVI最大值)变化趋势的基础上,综合比较分析不同地物平滑重构后的NDVI时间序列曲线特征,界定作物种类,确定训练规则,利用快速、高效的决策树方法,通过多阈值限定进行分类,初步提取冬小麦的空间分布范围;但是由于存在混合像元,阈值范围的设定会影响冬小麦种植面积的提取精度,针对此类问题,运用地表反射率影像数据提取冬小麦端元波谱曲线,结合线性光谱混合模型进行混合像元分解,进而根据冬小麦丰度比例精确提取冬小麦种植面积;最后利用统计数据和空间分辨率较高的Landsat TM 8影像数据对提取结果进行县域级验证。精度评价结果表明,研究区域的冬小麦种植面积提取精度达到90%,能够较准确地反映研究区域冬小麦的分布情况,表明运用中高分辨率遥感时间序列影像数据可以准确提取作物种植面积,为农作物种植面积信息提取提供参考。
2016, 32(5):188-193. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.026
摘要:时间序列LAI对模拟大气与植被边界上的碳水交换过程至关重要,其已经成为众多区域尺度的碳水循环机理模型研究中重要的驱动数据。针对低空间分辨率MODIS LAI产品在中小区域尺度应用时表达LAI的空间异质性精度差问题,该研究提出了一种中小区域尺度时间序列林地LAI快速估测方法。该方法首先提取了林地MODIS LAI的归一化生长曲线,利用三次样条插值函数进行归一化LAI曲线的拟合,以此曲线模拟LAI的全年变化情况;其次基于传统遥感统计模型和TM遥感数据估测展叶完全时期的LAI,作为研究区域LAI的最大值并以此控制LAI生长曲线;最后将归一化LAI拟合函数与最大LAI相乘得到时间序列LAI数据集。试验结果表明:MODIS LAI产品对中小区域尺度较高空间分辨率LAI值的估测不够准确,但MODIS LAI归一化生长曲线与归一化的实际LAI生长变化情况保持较高的一致性,可以用来模拟LAI的全年变化情况;该研究提出的方法可简单、高效地为中小区域尺度的其他研究提供有效的时间序列林地LAI 数据。
秦宏宇 , 李建新 , 高翔 , 王欢 , 肖建华 , 王洪斌
2016, 32(5):194-199. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.027
摘要:为解决中国马产业发展过程中马病兽医专家严重缺乏的问题,该文在系统地挖掘马病专家临床经验与诊断思维的基础上,全面改进了传统的专家系统推理机制与知识表示方法,采用对象-属性-值三元组法(object-attribute-value,O-A-V三元组法)对马病知识进行表示,应用置信系数多值逻辑对知识模糊性进行评价,并在系统中集成模糊规则提升理论(fuzzy rule promotion theory),利用该机制不断调整提升置信系数(promote confidence factor,PCF),进而实现规则置信度的动态、实时调整与优化。最终采用Microsoft.Net操作平台,SQL Server 2008数据库管理工具,研制开发了基于B/S结构的马病辅助诊断专家系统。结果应用临床上已经确诊的大量病例对系统的规则置信度进行动态调整,通过13次样本病例测试,系统诊断符合率由原来的56.47%提高并维持在92.28%。结果表明,该文采用的置信系数多值逻辑知识评价方法与模糊规则提升理论可显著提高系统诊断准确率,为马病辅助诊断专家系统的临床应用奠定了基础,同时也为开发其他动物疾病的诊断专家系统提供了新的思路。
2016, 32(5):200-205. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.028
摘要:为了探讨不同因素对桩基螺旋型地埋管换热性能的影响,建立了桩基螺旋型地埋管换热器的传热数学模型,分析了桩基直径、桩基深度、螺旋管组数、土壤类型对桩基螺旋型地埋管换热量及土壤温度分布的影响,结果表明:增加桩基直径有利于改善桩基的蓄热能力、提高螺旋型埋管的换热性能,但是单位管长换热量会减小,因此,桩基直径不可无限制增加;桩基深度的增加有利于提高桩基螺旋型埋管换热器的换热量,而且对单位长度桩基的换热量影响很小,因此,可以通过增加桩基深度来提高换热量;同样条件下,黏土、砂土、砂岩中砂岩最有利于桩基换热器换热,土壤温度上升速率和幅度最低,而黏土换热效果最差,土壤温度上升速率最快;此外,螺旋管组数越多,换热器换热量越大,但是单位管长换热量会大幅下降。试验验证表明:所建桩基螺旋埋管模型预测出的换热量与土壤温度值与对应试验值吻合较好,其最大相对误差分别在9.7%与9.2%以内。
2016, 32(5):206-212. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.029
摘要:以可再生能源总能系统为研究背景,通过搭建太阳能辅助燃料电池试验平台,逐步完成不同涂层材料、内置导流板太阳能集热器自然对流试验研究;在试验验证基础上,分别建立太阳能集热器自然对流和强迫对流三维数学模型,应用场协同和火积理论分析流动和传热数据。自然对流研究表明,吸收率在0.95~1.0、发射率在0.06~0.16时,随吸收率升高,发射率降低,热效率升高1.71%,火积增量逐渐增大;加装导流板后,真空管内部混流消失,底部流动得到强化,实验热效率提高2.17%;确定全玻璃真空管热水器导流板合理板厚为2 mm,合理板长为距离真空管底部60~100 mm,合理位置为中心线以上16~20 mm;强迫对流研究表明,横双排集热器雷诺和努赛尔数、火积增量均高于竖单排集热器,火积耗散低于竖单排集热器。确定太阳能辅助燃料电池集热场在中低温条件下,自然对流采用内置导流板集热器,强迫对流采用横双排集热器。
王子臣 , 梁永红 , 盛婧 , 管永祥 , 吴昊 , 陈留根 , 郑建初
2016, 32(5):213-220. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.030
摘要:为研究稻田消解沼液的能力及消解沼液过程中潜在的水体环境污染风险,该文通过田间定位试验,采取工程措施,监测并分析了稻田主要生育期消解沼液过程中田面水及不同深度下渗水总氮、铵态氮和硝态氮质量浓度变化情况。结果表明:1)稻田消解沼液的关键时期是施灌后的前3 d,总氮降解幅度达46.67%~78.36%,铵态氮降解幅度达47.52%~85.27%,且穗肥期消解速率大于基蘖期。施灌后3 d内若产生径流造成周边水体富营养化的环境风险较大,可采取封闭大田排水口或增加小区田埂高度5~10 cm等田间工程措施,控制地表径流产生量和产生时间,确保安全消解,实现农业面源污染源头减量减排。2)沼液消解量在200%BS处理(沼液氮量为常规施肥氮量的2倍,即沼液量705.88 t/hm2)以上,基蘖期和穂肥期对周边水体潜在的污染风险均高于常规施肥处理,100%BS处理(沼液氮量为常规施肥氮量的1倍,即沼液量352.94 t/hm2)与常规施肥处理相比潜在的环境污染风险稍低。因此,稻田工程措施消解沼液应采取少量多次的消解方式。3)稻田工程措施消解沼液对下渗水的污染风险主要集中在基蘖期,以铵态氮污染风险为主,硝态氮污染风险较小,污染程度因下渗水深度不同而有所差异。研究表明基蘖期稻田每次沼液消解量应控制在211.76 t/hm2以内,穗肥期稻田消解沼液能力较强,污染风险较小,单次消解量低于423.53 t/hm2在该试验的一个稻米生长周期内可视为安全的。该研究结果可为稻田沼液安全消解技术及农业面源污染源头减量减排技术提供理论支撑。
2016, 32(5):221-227. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.031
摘要:内分泌系统在调节大西洋鲑(Salmo salar L.)的银化过程中,除了要尽快建立更高效的渗透调节机制外,鱼体自身的生理反应变化还要更好地适应降海后的生活。试验研究了平均体质量(30.25±2.12)g(SW1)、(24.27±1.59)g(SW2)和(18.05±2.46)g(SW3)大西洋鲑,1~42 d光照周期为12L:12D;43~84 d为全光照下(24L:0D)的生长及生理响应机理。试验结果表明,SW2组大西洋鲑的肥满度、日增质量、饲料转化率、净增质量最高,与其他组差异显著(P<0.05)。SW2组体质量、体长特定生长率均显著高于其他处理组(P<0.05),各组间体质量、体长变异系数差异显著(P<0.05)。试验前6周不同处理组大西洋鲑体长变异系数差异不显著(P>0.05)。后6周全光照时,SW1、SW2组体长变异系数显著增加,且SW1组显著高于其他组(P<0.05)。SW3组的大西洋鲑体质量变异系数变化较大。前6周光照期为12L:12D时,SW1、SW2两组体质量变异系数差异不显著(P>0.05),后6周改为全光照时,3个处理组间体质量变异系数差异减小。但在84 d时,SW3组体质量变异系数显著高于其他组(P<0.05)。随着养殖规格的增大,血红蛋白浓度升高,红细胞数目增加,说明鱼体需氧量增加。SW3组白细胞数目、淋巴细胞数目和中性粒细胞数目最高,表明鱼体抗病能力强。红细胞数目在SW1和SW2组间无显著差异(P>0.05),但均显著高于SW3组(P<0.05)。血栓细胞数目随着放养规格的增加而下降,且在3个规格组之间差异显著(P<0.05)。中性粒细胞数目在3个规格组之间并没有显著性差异(P>0.05)。SW2组总蛋白、白蛋白含量最高,且各组间差异显著(P<0.05)。总胆固醇、甘油三酯浓度随鱼体规格增大而增加(P<0.05),表明大西洋鲑血液和体内对能量的利用增强。SW2组代谢产物尿酸、尿素浓度最高,且SW1、SW2组的浓度值均显著高于SW3组(P<0.05)。SW3组大西洋鲑血清中总胆红素显著高于其他两组(P<0.05)。各组间大西洋鲑血清中葡萄糖浓度没有显著性差异(P>0.05)。SW3组肌酸激酶浓度最高,但各组间没有显著性差异(P>0.05)。该研究结果建议选择体质量(24.27±1.59)g的大西洋鲑开始银化,利于优化养殖条件、以较低成本增加单位水体养殖产量和苗种规模化生产。
刘雯 , 张建桃 , 周遗品 , 陈平 , 雷泽湘 , 刘晖 , 吴启堂
2016, 32(5):228-232. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.032
摘要:针对传统氧化沟投资建造成本高,脱氮除磷效率较差的问题,在污染现场建设植物-生物膜氧化沟,通过室内曝气模拟试验和室外小试试验,研究了总磷(total phosphorus,TP)的去除与铁和曝气时间的关系以及美人蕉、茭白根表铁氧化物胶膜对污水中磷的吸附去除情况,了解不同形态铁和植物根表铁膜与除磷的关系。研究结果表明:不同形态铁及植物根表铁膜与污水中磷的去除密切相关。随着曝气时间的延长,污水中铁减少量呈现出逐级递增的趋势,当曝气时间为12 h时,铁减少量达到0.45 mg/L以上,铁减少量与曝气时间之间的相关性达到极显著水平(P<0.01),而TP的减少量与铁减少量之间也呈现极显著的相关性(P<0.01)。小试试验中,3个系统出水磷含量及全Fe、Fe2+含量均有所降低,降低量表现出茭白系统>美人蕉系统>对照系统的规律;同时,美人蕉、茭白根表铁氧化物的沉积量随运行时间的延长而增加,且茭白根表铁膜数量及其吸附磷的数量均要高于美人蕉。该研究为植物-生物膜氧化沟工艺的改进及应用和推广提供了理论和实践依据。
张全国 , 孙堂磊 , 荆艳艳 , 王毅 , 张洋 , 胡建军
2016, 32(5):233-238. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.033
摘要:该文主要以粒度小于0.088 mm秸秆粉的酶解上清液为底物与热预处理后的活性污泥进行厌氧发酵产氢试验,以累积产氢量为考察指标,基于响应面Box-Behnken模型研究不同影响因素对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢的影响,对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢工艺进行优化。结果表明:温度、初始pH值和还原糖浓度三因素中,温度和还原糖浓度对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢的影响最大。采用Box-Behnken模型获得的最佳产氢条件为:温度38.32℃,初始pH值4.93,还原糖浓度20.70 mg/mL,最大产氢量685.59 mL,此时最大产氢率为57.13 mL/g(玉米秸秆)。通过试验验证,实际最大产氢量为659.24 mL,产氢率为54.94 mL/g(玉米秸秆),与模型预测值相比,相对误差为3.84%,说明该模型具有较好的拟合性。该优化工艺可为后期连续流状态下的生物制氢系统提供参考。
2016, 32(5):239-244. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.034
摘要:为了提高水葫芦颗粒燃料的成型品质,该文对水葫芦颗粒燃料的致密成型工艺进行了试验研究,分析了加工压力、温度、原料含水率和粉碎粒度与水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力的关系。单因素和多因素正交试验研究结果表明:影响水葫芦颗粒燃料的颗粒密度的主次工艺参数排序为:压力>粒度>温度>含水率;工艺参数温度、压力和粒度的对水葫芦颗粒燃料的径向抗压力的影响差别不大,而原料含水率的影响最小。水葫芦颗粒燃料的最佳工艺参数条件为:压力6 kN、温度100℃、含水率12%、粒度0.58 mm,在此最佳工艺参数条件下,水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力可分别达到1 362.21 kg/m3和1.44 kN。研究结果为工业化生产高质量的水葫芦颗粒燃料提供理论依据。
王成显 , 沈建国 , 张小梅 , 潘月庆 , 林童 , 张艺臻 , 辛言君
2016, 32(5):245-250. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.035
摘要:为了降低牛粪等农业固体废弃物的污染,并获取新能源,该文以牛粪和小麦秸秆为原料构建了双室型农业固体废弃物发酵产电装置,研究了碳氮比(20、30)和含固率(1%、5%、10%)对牛粪发酵产电和发酵固态剩余物性能的影响,分析了牛粪发酵过程中电压、电流和功率密度的变化规律以及发酵后挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)和pH值的变化。研究结果表明:当含固率为1%,C/N比为20时,产生的电流最大,峰值达到1.12 mA,最大功率密度达464 mW/m2;当含固率为1%,C/N比为30时,产生的电压最大,峰值达到0.80 V,最大功率密度为422 mW/m2;在不同的C/N比和含固率条件下,发酵产电前后VFA浓度和pH值变化明显,与发酵原液相比,VFA浓度增加了2~4倍,pH值下降了0.4~1.2。产电结束后,发酵固态剩余物中有机质、总养分含量和酸碱度符合农业行业《有机肥料》(NY525- 2012)标准,可以作为有机肥料或有机肥原料使用,为开发高效、环保的农业固体废弃物资源化利用方式提供参考。
2016, 32(5):251-256. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.036
摘要:糖蜜酒精废水中高浓度的硫酸盐会抑制生化处理产甲烷性能。该文采用活性炭、BaCl2?2H2O、Ca(OH)2及铁碳微电池法对糖蜜酒精废水中的硫酸盐进行预处理,并分析了预处理前后硫酸根及化学需氧量COD的变化,同时,也分析评价了几种方法对产气性能的影响。结果表明:在500.0 g糖蜜酒精废水中加入8.0 g活性炭,硫酸根去除率达80.0%以上,且产气性能相对最好,累计产气率可达437.3 mL/g。在500.0 g糖蜜酒精废水中,根据S元素含量和BaSO4的分子组成比例,添加70%的化学试剂BaCl2?2H2O,能全部去除硫酸根,累计产气率可达483.2 mL/g,产气效果相对最好,同等条件下,添加70%的Ca(OH)2,硫酸根也能全部去除,累计产气率可达436.6 mL/g。铁碳微电池处理的糖蜜酒精废水,能有效抑制硫酸根的影响,并且可以提高废水的可生化性,累计产气率为451.0 mL/g,是对照处理293.1 mL/g的1.5倍。各处理效果的产气性能排序为70% BaCl2?2H2O>铁碳微电池>8.0 g活性炭吸附>70% Ca(OH)2>对照组。
2016, 32(5):257-262. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.037
摘要:为探究以玉米芯为原料生产燃料丁醇的最佳工艺技术,该研究对蒸汽爆破玉米芯水解液的脱毒方式及脱毒后的水解液的丙酮丁醇发酵进行了研究。结果表明:D301树脂对玉米芯水解液进行脱毒的综合效果最好,甲酸、乙酸和总酚的脱除率分别达到60%、46.04%和56.31%,香草醛脱除率为100%,对糠醛和5-HMF的脱除率分别达到了82.95%和87.52%;同时总糖的损失率为4.38%。D301树脂脱毒后的水解液经C. acetobutylicum CICC 8016发酵丁醇和总溶剂产量分别为5.2和7.5 g/L,葡萄糖和总糖的利用率分别达到100%和73.67%。当D301树脂脱毒的玉米芯水解液初始糖的质量浓度为50 g/L时,丁醇和总溶剂(丙酮、丁醇和乙醇)的质量浓度分别达到最大9.7和14.6 g/L。该研究为利用玉米芯工业化生产燃料丁醇提供了可靠的技术支持。
常佳敏 , 徐莹 , 马隆龙 , 王铁军 , 张琦 , 陈冠益
2016, 32(5):263-267. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.038
摘要:作为清洁可再生的化石燃料取代燃料,生物油的酸性及不稳定性是阻碍其规模化应用的主要障碍之一。该文基于生物油高酮、醛及酸类含量,研究了生物油轻质组分分步酯化加氢(SHE,separated esterification and hydrogenation)、一步酯化加氢(OEH,one step esterification-hydrogenation)及一步酯化加氢后二次加氢(OEH plus,one step esterification-hydrogenation plus second hydrogenation process)的提质过程,考察了钼改性雷尼镍催化剂(Mo-RN,Mo-Raney Ni)及Ru/C催化剂催化生物油制备醇类燃料的重复使用性能,并研究了酯化-加氢反应过程及反应路径。结果表明,生物油经不同酯化-加氢方法处理后,饱和醇酯含量均显著提高,生物油品质得到改善。其中以OEH plus提质处理后的生物油产物中,饱和醇、酯含量最高,分别达74.21%和9.96%。此外,提质后的生物油pH值及酸量下降最为显著,生物油的pH值由反应前的3.67提高到5.88,酸量由111.52 mg/g降至11.75 mg/g。Mo-RN及Ru/C催化剂在酯化-加氢路径下的重复使用性能良好,催化活性均无明显降低。试验证明利用酯化-加氢提质生物油为生物油精制制备含氧燃料提供有效途径。
邹惠 , 张文毓 , 姜林 , 姚珏君 , 梁竞 , 汪群慧
2016, 32(5):268-273. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.039
摘要:为降低苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)生物农药的生产成本,该研究采用餐厨垃圾为原料半固态发酵生产Bt生物农药,并对其产物稳定性的影响因素进行了考察。结果表明,发酵48 h后半固态发酵样品中的伴孢晶体产率较相同体积的固态发酵样品和液态发酵样品分别提高了54%和162%。体系含盐量、pH值、温度及紫外线4种常见因素中,体系含盐量的变化对伴孢晶体稳定性的影响并不显著;温度对伴孢晶体稳定性的影响显著,但当体系温度在0~60℃间变化时,各组数据差异并不显著。pH值对伴孢晶体稳定性的影响显著,且各数据间存在显著性差异;紫外线对伴孢晶体稳定性影响极显著,试验表明,当伴孢晶体在紫外线(36 W,距离40 cm)下暴露3 h后,其毒力效价即下降50%。为进一步提高伴孢晶体的抗紫外能力,采用聚乳酸为载体包覆伴孢晶体制备缓释剂,结果表明该缓释农药可有效延缓晶体在紫外线照射下的失活速度,使其在紫外线照射72 h后仍然能保持85%的活性,较相同照射条件下的伴孢晶体原粉提高了10倍左右,并能在30 d的作用周期内稳定的释放伴孢晶体,该成果对Bt生物农药产品优化具有重要的应用价值。
2016, 32(5):274-279. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.040
摘要:城市污泥生物干化期间,微生物降解有机质产生水分,影响最终的干化效率。该研究采用自动控制技术进行城市污泥生物干化,测定了干化过程不同阶段的有机质组分转化,并通过水分平衡方程计算了污泥干化过程中堆体的产水量,研究了干化过程的产水规律。结果表明,第1次高温期是有机质降解最快的时期,日均降幅达6.68 kg/(t·d);生物干化完成时,有机质中的易降解有机质(易水解物和脂类)比例由49.91%降至37.94%,腐殖酸的比例由39.34%升至54.14%;堆体总产水量为61.80 kg/t,产水速率排序为:第1次高温期>升温期>第2次高温期>降温期,其中第1次高温期日均产水速率达6.51 kg/(t·d),该时期也是有机质降解速率最大的时期。整个生物干化过程中,堆体产水量与蒸发量的比值为1:6.7,产水量远低于蒸发量,各阶段的产水量变化可为优化生物干化工艺提供参考。
2016, 32(5):280-288. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.041
摘要:探讨农村居民点时空演变过程特征及其内在驱动机制,引导农村居民点空间格局演变是当前中国农村居民点用地整治与重构的核心内容。该文以古泥村2012年实测地形图为现状底图,运用参与式村域居民点用地制图方法绘制复原了古泥村1980年以来4个时点农村居民点利用图谱,从村域农村居民点用地规模、空间形态、结构体系等方面对比分析村域农村居民点用地时空演变特征,构建了村域农村居民点演变的自然-经济-区位驱动力模型。研究结果表明,古泥村农村居民点用地面积年均增长率达到1.21%,农村居民点斑块表现出集中趋势,农村居民点扩展速度经历了从单纯扩张向扩张与紧缩共存的过程。农村居民点斑块二维空间形态趋向于偏离圆形和方形,为不规则形态;村域主要聚居点空间结构体系演变较为剧烈且等级不合理,表现为村社一般型聚居点所占比例较大,村社优势型聚居点所占比例严重偏小,尚未形成具有村域优势的聚居点。在村域总人口增长放缓背景下,农户数量增加是促进农村居民点用地规模增长的主导因素,村域微观尺度农村居民点用地增长驱动因素在时间尺度上经历了由人口要素驱动→经济要素驱动→环境经济政策多重要素驱动转变。
2016, 32(5):289-296. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.042
摘要:在开发建设项目日益扩大增长的今天,剥离被非农建设占用的耕地,是缓解人地矛盾,保护耕地资源的有效措施。该文在ArcGIS的技术支持下,以重庆市江津区为例,从耕层土壤质量与耕地质量2个角度,提供了一种定量评价了非农建设占用耕地可剥离的耕层土壤剥离潜力的方法。将研究区耕层土壤质量等级图层与非农建设占用的耕地质量等级图层叠加,得出江津区非农建设占用耕地可剥离耕层土壤资源潜力,可剥离的耕层土壤总面积达到了30.18 km2,占非农建设占用耕地总面积的76.39%,主要集中在江津区经济发达、非农建设发展迅速,地势低平、集中连片、交通便利、增值潜力巨大的中北部地区。根据江津区耕层土壤质量等级以及江津区非农建设占用的耕地质量等级,将可剥离的耕层土壤划分为3个等级,以便确定非农建设占用的耕层土壤剥离的优先秩序以及后备土壤资源;可剥离的优质耕层土壤资源稀缺,一级可剥离耕层土壤面积仅为0.32 km2,占可剥离耕层土壤总量的1.03%,二级可剥离耕层土壤面积为4.64 km2,占可剥离耕层土壤总量的15.37%。因此在丘陵山地开发建设的过程中耕地保护任务重大,更需对被占用优质的耕地进行耕层土壤剥离。该文为区域开发建设、耕地资源保护提供了科学依据,对后续的耕层土壤利用规划乃至西南丘陵山地区的非农建设规划布局具有一定借鉴意义。
胡静 , 胡佳佳 , 沈雯 , Bryan A. Chin
2016, 32(5):297-301. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.043
摘要:为探索2个磁弹性生物传感器进行串联是否会存在耦合干扰,继而影响各自的检测精度,该文以磁致伸缩带材(2 826 MB MetglasTM)为传感器膜片,不同种类噬菌体为生物识别元件,制备了可同时检测沙门氏菌和炭疽杆菌2种病菌的磁致伸缩生物传感器系统。采用物理吸附法在部分磁致伸缩传感器表面固定了对沙门氏菌具有检测专一性的E2噬菌体,用于检测沙门氏菌;部分磁致伸缩传感器表面固定了对炭疽杆菌具有检测专一性的JRB7噬菌体,用于检测炭疽杆菌。在磁致伸缩传感器表面固定噬菌体后,采用牛血清蛋白作为阻滞剂覆盖没有固定噬菌体的局部区域,防止检测中非专一性细菌吸附导致的检测误差。同时,制备了一种没有固定任何噬菌体只覆盖牛血清蛋白阻滞剂的参考传感器,目的是探索牛血清蛋对被检病菌吸附到传感器表面的阻滞效果。在检测过程中,传感器由磁场定位,将传感器浸入到病原体溶液中,吸附细菌后传感器质量增加,导致其共振频率降低。研究发现:所研制的生物传感器系统不存在相互耦合干扰,每种生物传感器能专一性地吸附与表面噬菌体对应的被测病菌。对浓度范围为5×10~5×108 CFU/mL菌液检测还发现,该系统具有良好的检测灵敏度,本研究所采用尺寸规格的传感器灵敏度同单个传感器检测灵敏度一样,为103 CFU/mL。同时,参考传感器浸入到病原体溶液中频率无变化证明了牛血清蛋白阻滞剂可有效消除没有固定噬菌体的局部表面对细菌的非专一性结合。扫描电镜对传感器样品表面进行观察,直观地证明了生物传感器与其目标被测物之间的吸附情况,观察结果为生物传感器对细菌的检测提供了可靠的参考证据。
朱瑶迪 , 邹小波 , 申婷婷 , 胡雪桃 , 赵杰文 , 石吉勇
2016, 32(5):302-306. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.044
摘要:以油炸藕片为研究对象,首先利用高光谱图像技术(hyperspectral imaging technology,HSIT)结合联合区间偏最小二乘(synergy interval partial least squares,siPLS)和净分析物法(net analyze signal,NAS)提取油炸藕片的光谱信息,建立快速预测模型,并计算每个像素点的油含量值,将其表面油分布可视化;然后利用激光共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscopy,CLSM)观察油在细胞中的分布,并扫描藕片Z轴方向序列图片进行微观结构的三维重建。结果显示,优选4个子区间,依据NAS法挖掘同油相关的NAS信号NAsk,建模后其预测集相关系数和均方根误差分别为0.819和0.682 mg/g,表明HSIT可快速预测油炸藕片含油量并可视化表面油分布。经CLSM扫描并图像三维重建后观察,油主要分布在细胞表面、边缘、细胞间隙以及破碎细胞内,且细胞的形状、大小均发生了很大的变化,可观察其内部油分布。结果表明,该研究可为油分布提供有效手段,并依据微观结构的变化为减少含油量提供科学的理论依据。
2016, 32(5):307-314. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.045
摘要:为了研究超高压处理对带鱼微生物菌群组成的影响,该文通过形态学特征、生理生化鉴定、16S rRNA序列分析鉴定及系统发育树的建立,分别分析290 MPa、6 min超高压处理前后于4℃冷藏12 d内的带鱼菌相变化,最终分离筛选到24株不同特征的纯化菌株。结果显示,带鱼初始菌相中出现的布式假单胞菌(Pseudomonas brenneri)、黄褐假单胞菌(Pseudomonas fulva)、粪嗜冷杆菌(Psychrobacter faecalis)菌株,经超高压处理后的样品中未能筛选到;波罗的海希瓦氏菌(Shewanella baltica)、隆德假单胞菌(Pseudomonas lundensis)、嗜根寡养单胞菌(Stenotrophomonas rhizophila)、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)、氧化微杆菌(Microbacterium oxydans)等微生物在超高压处理后的贮藏期间数量逐渐减少至消失;另有一些微生物在贮藏期间逐渐恢复生长,如Rhizobium larrymoorei、Microbacterium halimionae、溶酪大球菌(Macrococcus caseolyticus),而奥斯陆莫拉菌(Moraxella osloensis)、藤黄微球菌(Kocuria rhizophila)、产乳酸菌素的肉杆菌(Carnobacterium maltaromaticum)、西宫皮肤球菌(Dermacoccus nishinomiyaensis)等受超高压的影响较小,尤其是产乳酸菌素的肉杆菌(Carnobacterium maltaromaticum)占好氧菌和厌氧菌菌落总数的比例均较高;Leucobacter aerolatus、成团泛菌(Pantoea agglomerans)、结肠炎耶尔森杆菌palearctica亚种(Yersinia enterocolitica subsp. palearctica)、Chryseobacterium vrystaatense、鼠李糖短杆菌(Brachybacterium rhamnosum)在贮藏末期出现。从带鱼冷藏过程中细菌的组成与变化分析可见,超高压处理对革兰氏阴性菌的抑菌效果较好,而革兰氏阳性菌对超高压处理的耐受性较强。在超高压技术的影响下,致腐败能力较强的微生物被抑制,腐败能力稍弱的微生物成为优势菌,这可能是超高压技术能够有效延长带鱼货架期的因素之一。