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干热河谷区橙子树蒸腾耗水环境响应与生理调节研究

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农业机械学报 2024年第4期55卷 262-271页

作者：侯盼盼朱厚霖陈滇豫胡笑涛张晶莹孙骏西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为探究西南干热河谷地区典型经济林木橙子树的蒸腾耗水机制,利用热扩散式探针TDP、冠层分析仪、土壤水分传感器TDR、全自动气象站等设备获取橙子树蒸腾量、叶面积指数、土壤含水率和气象因子(气温、辐射、饱和水汽压差、降雨量等)的长... 详细信息

为探究西南干热河谷地区典型经济林木橙子树的蒸腾耗水机制,利用热扩散式探针TDP、冠层分析仪、土壤水分传感器TDR、全自动气象站等设备获取橙子树蒸腾量、叶面积指数、土壤含水率和气象因子(气温、辐射、饱和水汽压差、降雨量等)的长期数据。对橙子树蒸腾规律的环境控制和生理调节特征进行系统研究,结果表明:相比于干季和雨季,干热季橙子树表现出较为保守的水分利用机制,日蒸腾量、冠层导度和退耦系数都显著低于其他两个季节。干季和雨季,橙子树蒸腾活动受太阳辐射和饱和水汽压差的交替控制,而干热季蒸腾活动主要受饱和水汽压差的驱动。冠层导度与气象因子日内动态变化特征之间存在时滞效应,且这种效应在不同天气不同季节具有差异。受叶面积指数影响,饱和水汽压差与冠层导度在整个年份呈负对数相关关系,其他环境因子与冠层导度在叶面积指数小于4 m^(2)/m^(2)时呈负对数相关关系,大于等于4 m^(2)/m^(2)时呈二次函数相关关系。不同环境条件下虽然冠层导度对饱和水汽压差的敏感性不同,但蒸腾耗水在大多数环境条件下基本遵循等水势调节策略,但个别环境条件下存在环境胁迫应对失衡风险。研究结果可为干热河谷区橙子园环境胁迫诊断提供直接依据,有利于灌溉制度的科学优化和节水调控技术体系的高效制定。

关键词：橙子树蒸腾耗水冠层导度干热河谷

基于涡识别技术的微结构壁面湍流减阻机理研究

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工程科学与技术 2024年第3期56卷 197-207页

作者：刘春烨王文娥周士越胡明宇凌刚胡笑涛西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为探究微结构壁面湍流减阻机理,采用粒子图像测速技术(PIV)观测微结构壁面的水流特性,分别对超疏水壁面和微沟槽壁面的流速发展、雷诺切应力变化及涡的分布规律进行分析。引入流速的概念,对Omega(Ω)涡识别方法进行改进,建立新的Ω_(M)... 详细信息

为探究微结构壁面湍流减阻机理,采用粒子图像测速技术(PIV)观测微结构壁面的水流特性,分别对超疏水壁面和微沟槽壁面的流速发展、雷诺切应力变化及涡的分布规律进行分析。引入流速的概念,对Omega(Ω)涡识别方法进行改进,建立新的Ω_(M)涡识别方法,并采用该方法对近壁面涡结构进行识别,提出液流涡密度定义,定量分析近壁处不同强度涡的分布,为研究微结构壁面减阻机理奠定基础。研究结果表明:在相同雷诺数下,边界层内流速由大到小分别为超疏水壁面、微沟槽壁面和光滑壁面,两种微结构壁面对数律层流速分布与光滑壁面相比明显外移,说明微结构壁面具有减阻效果;雷诺切应力随法向无量纲距离y+的增大而先增大后减小,其中,超疏水壁面雷诺切应力的最大值与其他壁面相比最小;采用Ω_(M)方法对近壁处涡进行识别,发现近壁0.1倍水深内,两种微结构壁面上水流中涡结构以弱涡为主,在0.2倍水深内开始出现强涡;与光滑壁面相比,微结构壁面近壁处水流弱涡的涡密度增加,强涡的涡密度减小,说明微结构壁面抑制了水流中强涡的发展;在3种壁面中,微沟槽壁面的减阻率大于7.60%;超疏水壁面的弱涡涡密度大,强涡涡密度小,减阻效果最好,减阻率大于9.48%。微结构壁面可有效降低水流输运能耗、提高其输运效率。

关键词：超疏水壁面沟槽壁面 Ω_(M)方法涡密度减阻

缓释尿素减施对冬小麦产量和氮素利用效率的影响

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干旱地区农业研究 2024年第1期42卷 65-75页

作者：白东萍卢识宇谷晓博杜娅丹宋慧蔡文璟李援农西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为优化旱地小麦高效施氮管理,实现高效生产目标,通过2 a(2019—2020年度和2020—2021年度)田间试验,设不施肥(CK)、不施氮(T1)、300 kg·hm^(-2)尿素N(T2,常规施氮处理)、300 kg·hm^(-2)缓释尿素N(T3)、195 kg·hm^(-2)缓释尿素N(T4)和... 详细信息

为优化旱地小麦高效施氮管理,实现高效生产目标,通过2 a(2019—2020年度和2020—2021年度)田间试验,设不施肥(CK)、不施氮(T1)、300 kg·hm^(-2)尿素N(T2,常规施氮处理)、300 kg·hm^(-2)缓释尿素N(T3)、195 kg·hm^(-2)缓释尿素N(T4)和90 kg·hm^(-2)缓释尿素N(T5)6个处理,分析不同缓释尿素减施量对农田土壤硝态氮分布及累积、氮素吸收与转运、冬小麦产量和氮素利用效率的影响。结果表明,缓释尿素减施处理(T4和T5)显著降低收获期0~200 cm土层的土壤NO-3-N累积量,同时提高0~40 cm土层NO-3-N占比。施用缓释尿素显著提高冬小麦氮素转运量和花后氮素吸收量,T3处理较当地常规施氮处理分别提高12.9%和13.6%。氮素转运对籽粒的贡献率随缓释尿素减施比例的增加呈先增后降的变化趋势,T4处理最大,较其他施氮处理提高0.2%~50.0%。施用缓释尿素可不同程度地改善冬小麦产量构成因素和提高产量;T4处理两年产量分别为8 434、9 060 kg·hm^(-2),2019—2020年度较T2和T3处理分别提高19.7%和13.9%,2020—2021年度分别提高17.3%和10.4%,其经济效益2019—2020年度较T2和T3处理分别提高33.3%和34.0%,2020—2021年度分别提高26.8%和23.2%。缓释尿素减施显著降低氮素表观损失,提高了氮素利用效率和氮肥偏生产力。通过拟合分析发现,缓释尿素施用量为208.7 kg·hm^(-2)时,两年产量分别为8 054、8 806 kg·hm^(-2),净效益分别为6 890、8 475 CNY·hm^(-2),NHI分别为78.2%和78.9%,可实现西北旱区冬小麦高产高效。

关键词：缓释尿素土壤硝态氮氮素转运氮素利用效率冬小麦产量

不同深蓄储水灌溉量对冬小麦磷素利用和磷素下渗流失风险的影响

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植物营养与肥料学报 2024年第3期30卷 493-504页

作者：庞耀悦胡笑涛王芳查晴范晓懂王文娥西北农林科技大学/旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

[目的]汛前储水灌溉是陕西关中地区雨洪资源高效利用的重要方式。研究不同深蓄储水灌溉量对农田土壤磷素利用、累积与流失状况的影响,以实现农田的“高”磷吸收和“低”磷淋溶。[方法]在陕西宝鸡峡灌区进行小麦田间试验,供试小麦品种为... 详细信息

[目的]汛前储水灌溉是陕西关中地区雨洪资源高效利用的重要方式。研究不同深蓄储水灌溉量对农田土壤磷素利用、累积与流失状况的影响,以实现农田的“高”磷吸收和“低”磷淋溶。[方法]在陕西宝鸡峡灌区进行小麦田间试验,供试小麦品种为‘小偃22’。设置储水灌溉量分别为0、80、120、140、160和180 cm,分别记为CK、D80、D120、D140、D160、D180,共6个处理。在小麦拔节期、开花期和成熟期,测定冬小麦植株各营养器官生物量、磷素含量及农田0—200 cm土层土壤速效磷含量,计算冬小麦吸磷量、磷肥利用效率和磷素盈亏。[结果]与CK处理相比,D80、D120、D140、D160、D180处理冬小麦产量分别提高了8.85%、24.71%、30.99%、17.91%、9.90%,成熟期籽粒磷素累积量分别提高了37.55%、46.34%、38.09%、28.23%、22.11%,小麦植株磷素吸收效率分别增加10.10%、12.47%、10.25%、7.59%、5.95%,有效磷表观盈余量分别降低了13.82%、17.05%、14.02%、10.39%、8.13%。随着储水灌溉量的增加,成熟期小麦植株磷素累积量呈先增加后降低的趋势,以D120处理磷素累积量最高,显著高于D160和D180处理,因此其磷素表观盈余量最低(78.83 kg/hm^(2)),显著低于D160、D180处理。D120处理相较D160和D180有助于小麦花前磷素转运和花后磷素累积;D80处理相较D120处理小麦花前磷素转运有所降低,但在花后磷素累积上表现出补偿作用;D140处理虽然降低了花后的磷素累积,但通过提高花前磷素转运实现了平衡。值得注意的是,D80、D120和D140处理之间的成熟期植株磷素累积量与籽粒磷素累积量差异不显著。另外,由于土壤中20-100 cm土层速效磷含量远低于该地磷素淋溶的环境阈值(39.9 mg/kg),尽管存在高水平的磷盈余,在适宜储水灌溉量下也不会引发磷淋失。然而,当储水深度大于160 cm时,对深层土壤中速效磷产生了明显的影响,导致土壤磷素发生淋失。[结论]在西北地区,适宜的储水灌溉量为80~140 cm,既可以提高小麦磷素吸收,又可以控制土壤中速效磷含量处于适宜范围,降低土壤磷素盈余,进而获得较低的土壤磷素环境风险。

关键词：储水灌溉深度磷素利用效率磷素淋失磷素盈余

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黄土高原典型小流域土壤侵蚀时空演变

地理学报 2024年第7期79卷 1787-1803页

作者：石学瑾张彪郭家龙冯浩吴淑芳西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水研究院杨凌712100

土壤侵蚀受土地利用、气候变化等多种因素的综合影响。王茂沟流域作为黄土高原丘陵沟壑区的典型治理小区,从20世纪开始实行了退耕还林等一系列水土保持措施。本文基于CSLE模型评估流域内2010年、2015年和2020年土壤侵蚀强度及时空演变特... 详细信息

土壤侵蚀受土地利用、气候变化等多种因素的综合影响。王茂沟流域作为黄土高原丘陵沟壑区的典型治理小区,从20世纪开始实行了退耕还林等一系列水土保持措施。本文基于CSLE模型评估流域内2010年、2015年和2020年土壤侵蚀强度及时空演变特征,并结合土地利用/覆被变化(LUCC)探究不同时段其土地利用空间分布格局与土壤侵蚀的响应规律,以此验证水土保持成效。结果表明:2010—2020年王茂沟流域年均土壤侵蚀模数下降0.11 t hm^(-2)a^(-1),整体土壤侵蚀状况略有改善,但微度侵蚀占比减少5.56%,极强烈侵蚀增加4.02%,侵蚀严重区域主要分布在流域北部、中部及西北部;由于降雨减少以及植被恢复,2015年流域土壤侵蚀状况较2010年得到极大缓解,而极端降雨的发生和植被覆盖质量下降又使得2020年土壤侵蚀模数出现回弹;2010—2020年间流域北部及东北部草地与耕地间转化极为明显,草地质量下降致使其土壤侵蚀模数均值较耕地更大,分别为13.69 t hm^(-2)a^(-1)与12.99 t hm^(-2)a^(-1)。研究成果有助于厘清黄土高原典型小流域土壤侵蚀与极端气候和土地利用变化间的响应关系,为未来提高水土保持效益与降低水土流失风险提供科学的数据支持。

关键词：土壤侵蚀 CSLE模型 LUCC 黄土高原

干热河谷区橙子林露水形成规律及环境驱动机制

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生态学杂志 2024年

作者：薛雄伟邱鹭诚张晶莹朱宣融王书剑陈滇豫西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室

揭示干热河谷区橙子林露水事件发生规律，解析露水形成的主控环境因子，通过与降雨事件的量化对比，为科学评估干热河谷区农业生产中露水资源对旱情的缓解作用提供依据。本研究以元江干热河谷地区橙子林为研究对象，对2020年7月8日—202... 详细信息

揭示干热河谷区橙子林露水事件发生规律，解析露水形成的主控环境因子，通过与降雨事件的量化对比，为科学评估干热河谷区农业生产中露水资源对旱情的缓解作用提供依据。本研究以元江干热河谷地区橙子林为研究对象，对2020年7月8日—2022年11月13日期间的露水、土壤含水量及气象数据进行综合分析。结果表明：日露水量在0.2～0.4 mm·d-1的露水事件发生频率最高，露水持续时间集中在0～2 h和2～4 h时长范围内；季节尺度上，露水事件主要集中在7—11月发生，不同季节露水量变异系数均显著小于降雨量变异系数；在风速处于0～1 m·s-1、相对湿度大于80%、饱和水汽压差集中在0～0.4 kPa以及温度露点差在1～2 ℃的环境中露水发生频率最大；风向在150°～310°的露水事件发生次数最多；相对湿度和温度露点差对露水形成的影响最大，为不同季节共同的主控环境因子；露水相比于降雨更加稳定，是干热河谷区橙子林重要的水分来源，尤其在降雨量有限的干季，露水发生频率最高，对橙子林旱情缓解具有潜在的重要作用，雨季可观的露水量也能为橙子林短暂的间歇性干旱时段提供额外水量补充。

关键词：干热河谷区露水持续时间气象因子露水量

基于植被指数特征优选的冬小麦叶片含水量估算

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麦类作物学报 2024年

作者：马宇欣胡笑涛王亚昆范晓懂彭雪莲孙骏陈洪西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室

为进一步提升利用高光谱数据快速监测叶片含水量的能力,以关中地区冬小麦为研究对象,分别获取2022和2023年孕穗期、抽穗期及灌浆期冬小麦叶片含水量,并同步监测叶片高光谱信息。通过波段组合的形式构建植被指数,并利用相关性分析进行初... 详细信息

为进一步提升利用高光谱数据快速监测叶片含水量的能力,以关中地区冬小麦为研究对象,分别获取2022和2023年孕穗期、抽穗期及灌浆期冬小麦叶片含水量,并同步监测叶片高光谱信息。通过波段组合的形式构建植被指数,并利用相关性分析进行初步筛选,再以ReliefF算法优选得到输入特征变量,然后分别利用随机森林(random forest,RF)、长短期记忆(long short-term memory,LSTM)网络和基于粒子群(particle swarm optimization,PSO)优化的反向传播神经网络(back propagation neural net work,BPNN)构建冬小麦叶片含水量估算模型,并进行精度评价。结果表明,通过相关性分析与ReliefF算法结合优选变量,能够较单独通过相关分析明显提升LSTM和PSO-BPNN模型的建模精度,但对RF模型则无法优化变量。相关性分析与ReliefF结合后PSO-BPNN模型在各生育时期均取得最佳预测结果,其中孕穗期、抽穗期和灌浆期验证集r2分别为0.816、0.736和0.806,RMSE分别为0.546%、0.899%和1.531%,NRMSE分别为0.681%、1.195%和2.185%。由此可见,在相关分析的基础上,通过ReliefF算法优选特征变量能够提升特定模型对冬小麦叶片含水量的估算精度,其中对PSO-BPNN模型的效果最好。

关键词：冬小麦叶片含水量机器学习变量筛选植被指数

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连续式咸淡水混合搅拌反应器混合性能研究

农业机械学报 2024年

作者：李杰陈滇豫胡笑涛何名淞西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室

为合理开发利用咸水资源，优化农田灌溉设施前端连续式咸淡水混合搅拌反应器的结构和运行参数，探究了搅拌转速和桨叶宽度对不同类型搅拌器咸淡水混合性能的影响。以直径为290 mm的双层桨叶搅拌器为研究对象，采用Realizable k-ε模型... 详细信息

为合理开发利用咸水资源，优化农田灌溉设施前端连续式咸淡水混合搅拌反应器的结构和运行参数，探究了搅拌转速和桨叶宽度对不同类型搅拌器咸淡水混合性能的影响。以直径为290 mm的双层桨叶搅拌器为研究对象，采用Realizable k-ε模型和欧拉多相流模型进行数值模拟并利用试验结果对其进行验证。通过系统分析不同搅拌器结构在不同搅拌转速和桨叶宽度下的湍动能、速度流场、咸水体积分数分布、混合均匀所需时间及搅拌器功耗，发现随着搅拌转速和桨叶宽度增加，三叶开启式搅拌器与组合锚式搅拌器的湍动能和液体流速均增加，反应釜内咸水体积分数也随之发生显著变化，到达混合均匀状态所需时间缩短，出口处咸水均匀度和搅拌器功率均呈上升趋势。整体来说，转速对上述指标的影响较桨叶宽度更为显著，另外，两种搅拌器类型中相关指标受转速和桨叶宽度变化的影响差异明显。与三叶开启式搅拌器相比，组合锚式搅拌器达到完全混合均匀状态所需的时间最小值虽然低6.8%，但其搅拌功耗却高10%左右。综合考虑灌溉作物水量需求、混合效率和设备能耗等因素，推荐采用较低转速（90 r/min）、宽桨叶(50 mm)的三叶开启式搅拌器，该配置在咸淡水混合过程中能够有效确保混合效率，并在连续混合设备中有效控制能耗的同时满足实际应用需求。研究结果可为连续式咸淡水混合搅拌反应器设计优化提供参考。

关键词：连续式搅拌反应器数值模拟转速搅拌器混合性能

基于光谱和纹理信息空间尺度优化的夏玉米EWT反演模型研究

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农业机械学报 2024年

作者：陈洪王亚昆姚一飞代秦陈子强刘畅李高良胡笑涛西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室

针对空间异质性导致的冠层等效水厚度（The equivalent water thickness， EWT）反演误差较大的问题，以4块长势差异较大的玉米田为研究对象，分别采集6个关键生育节点的EWT数据，同时利用无人机多光谱遥感技术获取田间的正射影像。以... 详细信息

针对空间异质性导致的冠层等效水厚度（The equivalent water thickness， EWT）反演误差较大的问题，以4块长势差异较大的玉米田为研究对象，分别采集6个关键生育节点的EWT数据，同时利用无人机多光谱遥感技术获取田间的正射影像。以滑动窗口的方式提取遥感影像不同窗口空间尺寸（0.1 m × 0.1 m ～ 2.0 m × 2.0 m）的光谱和纹理信息，经多重共线性检验后，用主成分分析法（principal component analysis，PCA）分别对光谱参数（Spectral parameters，S）、纹理参数（Texture parameters，T）及光谱与纹理组合参数（Spectral and texture parameters，S + T）进行降维，进而分别利用偏最小二乘法（Partial least squares，PLS）、随机森林（Random forest，RF）以及支持向量机（Support vector machines，SVM）构建EWT反演模型，而后利用Kruskal-Wallis检验模型的精度，并根据多重检验结果探讨最佳窗口尺寸的选择。结果表明：随着窗口空间尺度的逐渐增大，EWT反演模型的精度呈先增大后减小趋势；以S + T作为输入参数构建的模型精度显著优于S和T，引入纹理特征后，基于PLS、RF及SVM建立的模型最优窗口尺寸的校正决定系数(Adjusted R-Square，R2adj)分别增加0.16、0.05和0.12，相对均方根误差（Relative root mean square error，RRMSE）分别减少4.95%、1.17%和3.80%，表明纹理特征可以提高EWT模型的反演精度；综合比较不同建模方法构建的9组模型，确定最优采样窗口空间尺寸为0.7 m × 0.7 m(R2adj最高可达0.82，对应的RRMSE为16.57%)。该研究可为基于无人机多光谱影像分析的信息挖掘和EWT监测提供参考。

关键词：玉米等效水厚度空间尺度机器学习多光谱遥感纹理特征