生物质炭改良盐渍土CT孔隙图像的多重分形与相对熵特征

定量化分析土壤结构对于了解土壤的物理、化学和生物过程有至关重要的作用。结合尺度分析理论和图像处理技术可从微观角度阐明土壤结构演变过程,解决生物质炭添加对土壤结构影响的争议问题。本研究以江苏滨海盐渍土为研究对象,设置0%、2%、5%(占0~20 cm表层土壤质量比)3个生物质炭添加水平改良盐渍土。每年在水稻收割后,采用塑料环刀取表层(0~20 cm)原状土,进行Micro-CT扫描获取土壤CT孔隙结构,采用不同的理论方法(多重分形分析和相对熵分析)分析生物质炭改良土壤CT孔隙的复杂尺度行为。结果表明,多重分形分析适合于灰度图像,而相对熵分析适合于二值图像。所有处理的孔隙复杂度逐年增加,生物质炭添加能够加快土壤孔隙结构的发育,孔隙复杂度增加速率更快。在不同生物质炭处理中,2%生物质炭处理的孔隙结构复杂程度最高(△α=0.061,Range△E=0.436),土壤的孔隙结构改善效果最好。高生物质炭的添加量(5%生物质炭处理)减少孔隙结构的复杂度(△α=0.045,Range△E=0.531),降低生物质炭的改良效果。本研究从孔隙微观角度为生物质炭改良孔隙结构提供理论依据。

基于CT扫描的滨海土壤孔隙空间网络表征与渗流模拟

以江苏省沿海地区不同围垦区剖面土层原状土样为研究对象,基于CT扫描技术,通过构建孔隙网络模型,对土壤孔隙分布及其拓扑关系进行定量表征,统计分析了土壤孔喉参数,包括孔径分布、配位数、喉道半径及喉道长度;运用提取的孔隙网络实现土壤中单相水的渗流模拟,分析土壤的绝对渗透系数(饱和导水率)及其主要影响因素。结果表明,围垦活动对改良土壤孔隙活动起到积极作用,随围垦年限的增加,连通孔隙的半径范围、平均配位数、喉道半径趋于增大,喉道长度趋于减小;浅层土壤的孔隙结构较为良好。单相水模拟中,模拟计算的土壤绝对渗透系数和试验测定的饱和导水率结果吻合度较好,呈现出一致的变化规律。灰色关联度显示喉道半径对土壤渗透性能的影响最大。

生物炭添加对盐渍土CT孔隙序列分形特征来源的影响

为了揭示生物炭改良土壤孔隙的复杂结构及其影响因素,以江苏滨海盐渍土为研究对象,采用添加生物炭改良盐渍土,设置0,2%,5%(占表层0—20 cm土重比)3个生物炭添加水平。每年10月在水稻收割后,采用塑料环刀取表层(0—20 cm)原状土,进行Micro-CT扫描获取土壤CT孔隙序列。基于多重分形去趋势波动分析理论,并结合数据重排,分析施加生物炭对CT孔隙序列多重分形特征及其来源的影响。结果表明,所有处理的CT孔隙序列的复杂度均随着年份增长;2%生物炭处理的CT孔隙序列的复杂程度较0和5%生物炭处理分别提高7.54%和5.28%;概率密度函数与长程相关性均影响CT孔隙序列的多重分形特征;孔隙和空间的长程相关性是主要影响因素;生物炭的添加促使孔隙分形特征更易受到土壤中生物微生物活动的影响。研究结果为定量化分析生物炭改良盐渍土孔隙结构提供了理论支持。

沿海地区农业水土资源承载力评价及其障碍因子分析

【目的】水土资源是维持农业可持续发展的关键因素。针对沿海地区水土资源面临日益严峻的质与量的问题,深入了解沿海地区水土资源的承载能力,评估影响沿海地区水土资源承载力的障碍因素,指导水土资源优化配置。【方法】以南通沿海地区4个县市为研究对象,构建农业水土资源承载力评价指标体系,利用变异性筛选评价指标,运用熵权TOPSIS模型对南通沿海地区的农业水土资源承载力进行评价。基于障碍度模型,对农业水土资源承载力的主要障碍因子进行分析。【结果】(1)南通市各沿海地区农业水土资源承载力水平较佳,南通市区、如东县、海安县、海门市综合指数在0.45~0.60区间,资源开发利用程度合理;而启东市综合指数在0.30~0.45区间,农业水土资源承载力水平处于平衡状态。(2)各子系统对南通市沿海地区农业水土资源承载力的影响差异显著,其中农业水土资源对南通市沿海地区农业水土资源承载力均有较大程度的影响效果(33.30%~56.62%)。(3)农田灌溉水资源效益是制约海安县、如东县和南通市区农业水土资源承载力提升的关键因子,耕地生产力是海门市和启东市农业水土资源承载力提升的关键因子。【结论】本研究成果可为指导江苏乃至全国沿海地区水土资源高效利用提供技术支持。

施加生物质炭对盐渍土土壤结构和水力特性的影响

以江苏省沿海围垦区盐渍土为研究对象,基于Micro-CT图像扫描技术,分析施加生物质炭后改良盐渍土土壤孔隙度、土壤水分特征曲线以及非饱和导水率等土壤特性的变化,并建立分形模型预测土壤水力性质,以此揭示施用生物质炭对于海涂围垦区盐渍土土壤结构和水力特性的影响。试验设置0、2%、5%(与表层0～20 cm土壤质量比) 3个生物质炭添加水平,重复3次。结果表明:施加5%生物质炭显著降低盐渍土土壤容重,增加土壤总孔隙度和大孔隙度;大于0. 25 mm水稳性团聚体质量分数显著增加,增加土壤孔隙分形维数;提高土壤饱和含水率和饱和导水率;结合Micro-CT图像扫描技术和孔隙分形理论预测改良盐渍土土壤水分特征曲线和非饱和导水率,预测效果精度高,能够用于实际问题的研究。

农田输水渠(管)道组合设计研究——基于Python遗传算法

针对我国灌溉水利用效率低,农业基础设施占地率高的问题,构建农田灌溉渠(管)道优化设计模型,为灌溉渠(管)道的设计及组合优化提供新的方法。基于PYTHON遗传算法,以现浇混凝土梯形渠道、现浇混凝土U形渠道和PE暗管3种渠(管)道为研究对象,建立以年需投资费用最低和年净效益最大为目标的优化模型,以江苏省临海农场渠道规划整治工程为例,探究模型的可行性与农田最优输水渠(管)道组合方式。结果表明:①基于遗传算法模型优化灌溉渠(管)道设计,均在100次遗传代数内得到最优结果,计算时间为1.30 s,速度快,优化结果好。遗传算法可应用于灌溉渠(管)道的设计。②采用梯形斗渠和U形斗渠能显著减少约40年需投资费用,保障正年净效益(P<0.05);采用农管能显著增加10以上新增耕地。③采用梯形斗渠与农管组合和U形斗渠与农管组合年净效益较大,均超过6万元/a,较其他组合新增耕地增加10以上。实际工程中可采用此方式作为田间灌溉渠系最优组合方式。

基于层次分析法的新疆节水型社会建设综合评价

【目的】节水型社会建设是解决新疆水资源短缺最根本的战略举措。为科学指导节水型社会建设,稳步推进节水工作提供科学参考。【方法】筛选了包括工业节水、农业节水和城镇生活节水3个方面共13个节水指标,基于层次分析法构建了新疆节水型社会建设综合评价模型,并对新疆节水型社会建设历程进行了综合分析。【结果】根据新疆节水型社会建设现状,采用层次分析法对评价体系确定指标权重,农业节水权重最高,工业节水权重次之,城镇生活节水权重最小。新疆在节水型社会建设中工业节水、农业节水和城镇生活节水方面均取得了显著成效,农业节水上仍有巨大潜力。【结论】新疆节水型社会建设综合评价结果表明,随着节水工作持续推进,新疆节水型社会建设水平正稳步提升。