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减施氮肥和接种根瘤菌对大豆生理生长与氮素利用效率及产量的影响

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农业机械学报 2024年第3期55卷 340-351页

作者：向友珍张威唐子竣付骏宇李志军张富仓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 西北农林科技大学旱区节水农业研究院陕西杨凌712100

在干旱、半干旱地区农业生产中,广泛采用接种根瘤菌、施用氮素等措施来促进大豆生长以提高产量,然而少有研究讨论接种根瘤菌与施用氮素的交互作用对大豆生长和产量的影响规律。本研究通过为期2年的田间试验,设置4个施氮水平(N0:0 kg/hm^... 详细信息

在干旱、半干旱地区农业生产中,广泛采用接种根瘤菌、施用氮素等措施来促进大豆生长以提高产量,然而少有研究讨论接种根瘤菌与施用氮素的交互作用对大豆生长和产量的影响规律。本研究通过为期2年的田间试验,设置4个施氮水平(N0:0 kg/hm^(2);N1:60 kg/hm^(2);N2:120 kg/hm^(2);N3:180 kg/hm^(2))和2种接种水平,即接种根瘤菌(R)和清水拌种。在大豆各生育期测量根瘤数、根瘤干质量、叶面积指数、干物质积累及根系特性等大豆生长指标和叶绿素含量、光合参数、荧光参数等生理指标,同时还测定氮素吸收量等指标并计算氮素利用效率。结果表明,RN2处理下的大豆生长状况最佳,2年平均最大根瘤数为241.47、最大根瘤干质量为1.30 g、最大根长密度为15.00 cm/cm^(3)、最大叶面积指数为5.44 cm^(2)/cm^(2)、最大干物质积累量为17 530.51 kg/hm^(2)、最大叶绿素含量为53.55、最大净光合速率为32.75μmol/(m^(2)·s)、最大种子产量为4 659.4 kg/hm^(2)。由此可见减少氮肥施用量(N2)的同时接种根瘤菌(R)对于促进关中平原大豆的生理生长、提升对氮素的利用效率、提高大豆产量具有重要意义。本研究可为提高干旱半干旱地区大豆生产水平提供理论支持和实践经验。

关键词：大豆施氮接种根瘤菌氮肥利用效率产量

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U型渠道移动式流线型量水槽扩散段水力特性及结构优化方法

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农业工程学报 2024年第11期40卷 128-138页

作者：王玉宝周仁宇张晨昊李鑫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 西北农林科技大中国旱区节水农业研究院杨凌712100

移动式量水槽较固定式具有不易淤积、可移动多处重复使用等优点,流线型外形的量水槽水力性能好,量水槽的扩散段对水力性能影响大,然而当前还缺乏扩散段的设计原理与方法方面的研究。为了研究量水槽结构型式对水力特性的影响,为流线型量... 详细信息

移动式量水槽较固定式具有不易淤积、可移动多处重复使用等优点,流线型外形的量水槽水力性能好,量水槽的扩散段对水力性能影响大,然而当前还缺乏扩散段的设计原理与方法方面的研究。为了研究量水槽结构型式对水力特性的影响,为流线型量水槽结构设计提供理论指导,该研究建立D40U型渠道模拟模型,其后用FLOW-3D对35、45和55 L/s流量下的半椭圆+半椭圆、半椭圆+抛物线、半椭圆+圆弧、半椭圆+Myring曲线和鱼形量水槽进行模拟,结合原型试验验证数值模拟效果,探讨扩散段设计原则与方法。最后基于isight平台对水力性能较好的半椭圆+Myring曲线和鱼形量水槽进行结构优化。结果表明,45 L/s流量下不同进水口距离下水深数值模拟与试验值相对误差为0.1%~1.3%,上游、喉口和下游断面流速相对误差分别为0.19%~6.63%、0.06%~6.15%和0.02%~6.22%,模拟结果精度高。5种量水槽上游佛汝德数均小于0.5,最大壅水高度为5.71 cm,均满足测流精度和渠道安全要求。其中,半椭圆+Myring曲线量水槽水头损失和壅水高度最低,半椭圆+半椭圆量水槽临界淹没度最高,佛汝德数最小。量水槽扩散段设计原则为:在略微减少临界淹没度的条件下,扩散段前半段设计为曲率较大的曲线,以降低上游壅水高度;后半段设计为曲率相反且曲率较小的曲线,以改善过流流态,平顺水流,降低水头损失。优化后的半椭圆+Myring曲线和鱼形前半段曲率增大,后半段曲率减小,壅水高度和佛汝德数均有所降低,水头损失分别降低5.5%和6.3%,优化后曲线线型满足扩散段设计原则。研究可为流线型量水槽结构设计与优化提供理论指导。

关键词：渠道优化设计数值模拟水力性能扩散段

基于无人机遥感植被指数优选的覆膜冬小麦估产研究

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农业机械学报 2024年第4期55卷 146-154,175页

作者：韦春宇杜娅丹程智楷周智辉谷晓博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

为进一步提高无人机遥感估产的精度,本研究以2021—2022年的覆膜冬小麦为研究对象,对返青期、拔节期、抽穗期和灌浆期的多光谱影像进行覆膜背景剔除,并优选最佳遥感窗口期,基于最优植被指数构建覆膜冬小麦估产模型。结果表明,利用支持... 详细信息

为进一步提高无人机遥感估产的精度,本研究以2021—2022年的覆膜冬小麦为研究对象,对返青期、拔节期、抽穗期和灌浆期的多光谱影像进行覆膜背景剔除,并优选最佳遥感窗口期,基于最优植被指数构建覆膜冬小麦估产模型。结果表明,利用支持向量机监督分类法剔除覆膜背景后冠层反射率更接近真实值,抽穗期和灌浆期的估产精度更高。将不同生育期的植被指数与产量进行相关性分析发现,最佳遥感窗口期为抽穗期。基于逐步回归和全子集回归法优选最优植被指数时发现,基于逐步回归法筛选变量为MCARI、MSR、EVI2、NDRE、VARI、NDGI、NGBDI、ExG时产量反演模型精度最高。此外,利用偏最小二乘法、人工神经网络和随机森林3种机器学习法构建的产量反演模型中,基于逐步回归法的随机森林模型的反演精度最高,R^(2)为0.82,RMSE为0.84 t/hm^(2)。该研究可为提高遥感估产精度、实现农业生产精细化管理提供技术支持。

关键词：覆膜冬小麦植被指数产量估计无人机遥感特征选择机器学习

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

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

考虑水转化过程的干旱区内陆河流域适宜灌溉规模

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农业工程学报 2024年第6期40卷 228-236页

作者：胡雪雪粟晓玲朱兴宇褚江东张特吴海江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 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

农业适水发展是保障干旱区水土资源高效利用和生态健康的关键,其核心在于如何科学确定灌溉规模,进而控制农业灌溉用水量。该研究以石羊河流域为研究区,在明确非灌溉需水量的基础上,基于水均衡模型计算考虑水转化过程的不同水文年农业灌... 详细信息

农业适水发展是保障干旱区水土资源高效利用和生态健康的关键,其核心在于如何科学确定灌溉规模,进而控制农业灌溉用水量。该研究以石羊河流域为研究区,在明确非灌溉需水量的基础上,基于水均衡模型计算考虑水转化过程的不同水文年农业灌溉可用水量,并构建多目标种植结构优化模型对作物种植结构进行调整,最后改进水热平衡模型构建考虑水转化过程的旱区适宜灌溉规模计算模型,分析流域不同情景下的适宜灌溉规模。结果表明:地表水地下水联合调控下,石羊河流域丰、平、枯水年的灌溉可用水量分别为18.97亿~21.57亿、14.75亿~17.51亿、12.31亿~14.95亿m^(3);优化作物种植结构后能够以减少2.94%的经济效益实现14.13%的灌溉节水;构建的适宜灌溉规模计算模型在干旱区内陆河流域具有较好的适用性,采用该方法得到现状条件下石羊河流域丰、平、枯水年的适宜灌溉规模分别为27.73万~31.66万、21.55万~25.76万、18.01万~22.03万hm^(2),提高节水水平、调整种植结构后,流域的适宜灌溉规模有所增加。现状2020年(平水年)的实际灌溉面积高于当地水资源能够承载的临界适宜灌溉规模,需压减2.13万~6.34万hm^(2)。研究结果可在宏观层面上为决策者制定适水农业发展方案提供理论依据。

关键词：水资源灌溉模型水转化适宜规模种植结构优化石羊河流域

基于生态系统恢复力的干旱区植被生态需水阈值计算方法与应用

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湖泊科学 2024年第2期36卷 645-656页

作者：雷逸甦粟晓玲褚江东张特刘雨翰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 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

本文以石羊河流域中下游为研究区,采用考虑生态系统恢复力(latitude of ecosystem resilience,LER)的月尺度生态需水评估方法计算19822020年植被月适宜生态需水量、最小生态需水量以及相应的生态缺水量,并与土壤水分特征值法(characteri... 详细信息

本文以石羊河流域中下游为研究区,采用考虑生态系统恢复力(latitude of ecosystem resilience,LER)的月尺度生态需水评估方法计算19822020年植被月适宜生态需水量、最小生态需水量以及相应的生态缺水量,并与土壤水分特征值法(characteristic value of soil water,CVSW)进行比较,分析不同类型植被生长期的水分盈亏关系。结果表明:LER法和CVSW法计算结果相近,但LER法具有更大的生态需水阈值区间;天然降水基本可以满足植被的基本生存,但无法满足正常生长需求;LER法的适宜需水条件下,各植被生长期总体处于缺水状态,缺水严重程度排序为灌木林>其他林地>疏林地>高覆盖度草地>中覆盖度草地>有林地,全部植被生长期总适宜生态需水量为3.7×10^(8)m^(3),亏缺水量为1.2×10^(8)m^(3),同一植被亏缺水量基本符合春秋多、夏季少的规律;最小需水条件下,只有其他林地存在生长期缺水情况,全部植被生长期总最小生态需水量为0.8×10^(8)m^(3);在缺乏土壤水分数据的干旱地区,LER法具有良好的适用性。研究结果可为石羊河流域水资源高效利用和干旱区生态系统的恢复与重建提供理论参考。

关键词：生态需水生态系统恢复力干旱区植被石羊河流域 Penman-Monteith公式

大气环流因子对黄河流域长预见期农业干旱预测性能的影响

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农业工程学报 2024年第11期40卷 100-108页

作者：肖悦粟晓玲吴海江西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 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

准确的干旱预测对于减轻或规避干旱对区域粮食生产和水资源配置的不利影响至关重要。大气环流因子可能会通过遥相关影响农业干旱的发生、发展和传递过程,在干旱预测模型中引入大气环流因子是否会改善农业干旱的预测性能尚不明晰。该研... 详细信息

准确的干旱预测对于减轻或规避干旱对区域粮食生产和水资源配置的不利影响至关重要。大气环流因子可能会通过遥相关影响农业干旱的发生、发展和传递过程,在干旱预测模型中引入大气环流因子是否会改善农业干旱的预测性能尚不明晰。该研究以农业干旱、高温和大气环流因子为预测因子,在不同预见期(1、12、24、36、48个月)下采用Meta-Gaussian(MG)模型预测黄河流域典型年份的农业干旱事件,通过纳什效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSE)和均方根误差(root mean square error,RMSE)探究在MG模型中引入大气环流因子对农业干旱预测性能的影响。结果表明:大气环流因子中12个月时间尺度的标准化西太平洋副高强度指数(standardized western Pacific subtropical high intensity index,SWPSHI)与农业干旱相关性最为显著;以典型年2014年8月份为例发现MG模型预测值受预见期长度、预测因子影响较大;相比于单因子预测,引入大气环流因子的MG模型的评价指标NSE和RMSE改善网格占比最高达46%,空间上在内蒙古、宁夏、甘肃、陕西等省区1 a以上预见期明显改善,而考虑大气环流因子和高温的MG模型进一步提升了模型的预测性能,扩大了网格占比。因此在上述省区干旱预测时需考虑大气环流因子的影响。

关键词：农业干旱模型预测大气环流因子 Meta-Gaussian 黄河流域

基于无人机图像纹理和表型参数的夏玉米水分胁迫诊断

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农业工程学报 2024年第10期40卷 136-146页

作者：谢坪良张智韬巴亚岚董宁左西宇杨宁陈俊英程智楷张蓓杨晓飞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 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

农田水分胁迫是影响作物生长发育和产量品质的重要原因。及时准确地诊断作物水分胁迫状况,对于实现精准灌溉、提高作物抗逆性和产量等具有重要意义。为优化夏玉米水分胁迫诊断方法和提高诊断精度,该研究以夏玉米为对象,利用无人机搭载... 详细信息

农田水分胁迫是影响作物生长发育和产量品质的重要原因。及时准确地诊断作物水分胁迫状况,对于实现精准灌溉、提高作物抗逆性和产量等具有重要意义。为优化夏玉米水分胁迫诊断方法和提高诊断精度,该研究以夏玉米为对象,利用无人机搭载六通道多光谱传感器获取2022年夏玉米拔节期和抽雄期的遥感影像数据,且同步采集夏玉米气孔导度和表型参数数据,监督分类剔除冗余背景后使用灰度共生矩阵计算得到冠层植被指数和图像纹理信息,通过贝叶斯信息准则和全子集筛选法筛选出敏感的植被指数、图像纹理和表型参数及其组合,结合极限学习机、随机森林和反向传播神经网络3种机器学习方法构建夏玉米气孔导度预估模型,并基于最优气孔导度预估模型绘制夏玉米水分胁迫状况反演图。结果表明,多光谱图像的夏玉米冠层反射率与气孔导度呈弱负相关,植被指数和表型参数与气孔导度呈显著正相关,不同波段的图像纹理均与气孔导度有较高的相关性。植被指数用于评估植被整体健康和水分状况,图像纹理用于捕捉作物空间分布、纹理和结构特征,表型参数用于立体反映作物生理和形态信息,它们在诊断作物水分胁迫的机理上具有互补性。基于植被指数、图像纹理和表型参数构建的反向传播神经网络模型是夏玉米水分胁迫诊断的最佳模型(决定系数为0.841,均方根误差为0.043 mol/(m^(2)·s),平均绝对误差为0.034 mol/(m^(2)·s)),并显著改善了对气孔导度较低值的低估情况。绘制的夏玉米水分胁迫状况反演图呈现出广泛的应用潜力,能够便捷准确地诊断作物水分胁迫状况,以优化灌溉策略,调整资源分配。研究结果可为夏玉米的水分胁迫诊断提供一种可行而准确的方法。

关键词：无人机水分胁迫气孔导度植被指数图像纹理表型参数