土壤表面灰度值与表层土壤含水量关系研究

快速准确获取表层土壤水分是土壤学、生态学及相关学科研究的基础。该研究在室内条件下,研究了5种不同土壤表面灰度值与含水量之间的关系,以期为利用土壤表面灰度值反演表层土壤含水量建立试验基础。研究结果表明:土壤在烘干过程中,含水量的变化受孔隙结构的影响;对于不同类型的土壤,土壤表面灰度值受矿物质组成和有机质含量的影响,随着土壤有机质含量的增加,同一含水量下的土壤表面灰度值降低;土壤表面灰度值与表层土壤含水量呈指数负相关关系。

青藏高原多年冻土区不同草地类型生态系统呼吸季节差异性

研究多年冻土区不同草地类型及季节生态系统呼吸,对理解青藏高原碳源汇关系及其对气候变化响应具有重要意义。在青藏高原风火山选取高寒草甸和沼泽草甸对生长季和非生长季生态系统呼吸进行观测。结果表明:生态系统呼吸呈明显的日变化和季节变化,高寒草甸日变异系数(0. 30～0. 92)高于沼泽草甸(0. 12～0. 29),高寒草甸非生长季生态系统呼吸白天/晚上比高于生长季,而沼泽草甸季节变化较小;季节变化与5 cm地温变化一致。高寒草甸和沼泽草甸非生长季生态系统呼吸平均速率分别为0. 31和0. 36μmol·m^(-2)·s^(-1),生长季分别为1. 99和2. 85μmol·m^(-2)·s^(-1)。沼泽草甸生态系统呼吸年排放总量为1 419. 01 gCO_2·m^(-2),显著高于高寒草甸(1 042. 99 gCO_2·m^(-2)),其中非生长季高27%,生长季高39%。高寒草甸和沼泽草甸非生长季生态系统呼吸总量分别为268. 13和340. 40 gCO_2·m^(-2),分别占全年的25. 71%和23. 99%。两种草地类型生态系统呼吸与气温、5 cm和20 cm地温均显著相关,可解释37%～73%的季节变异,除生长季沼泽草甸外,生态系统呼吸与5 cm地温相关性最高。非生长季5 cm地温对应Q_(10)为4. 34～5. 02,高于生长季(2. 35～2. 75),且沼泽草甸高于高寒草甸。生长季生态系统呼吸与土壤水分无显著关系,而非生长季生态系统呼吸受土壤水分显著影响(R^2:0. 21～0. 40),随土壤水分增加而增加。

模拟降雨下坡度对含砾石土壤径流和产沙过程的影响

对含砾石土壤径流和产沙过程的研究不仅有助于深入理解该类型土壤中的水土过程,也可以为基于过程的土壤侵蚀模型模拟提供重要的土壤参数。通过室内模拟降雨试验,分析了3个坡度下含砾石土壤中的径流和产沙过程,研究结果表明,不同砾石含量的土壤在不同坡度下的产流在0~20 min内有明显增加的趋势,之后径流趋于平稳。随着砾石含量的增加,坡度对径流的影响减弱。坡面产沙高峰期出现在0~20 min内,且高峰期产沙量占总产沙量比例相对较大;当坡度为15°时,砾石含量（质量含量百分比）为20%,30%,40%的土壤在30 min后产沙量又增加,与其他坡度相比,土壤总产沙量也明显增加。实验中坡度是决定土壤产沙量的主要因素。

长江黄河源区湿地分布的时空变化及成因

通过整理解译1969年航片、1986年、2000年、2007年以及2013年TM影像数据,对长江黄河源区的高寒湿地分布的时空变化特征进行分析,并结合气象观测数据和人类活动状况,运用主成分分析和灰色关联度法定量分析造成高寒湿地退化的气候因素和人为因素的贡献,并揭示了高寒湿地退化与各环境因子之间的关联性。结果表明:1969年—2013年间,江河源区的高寒湿地面积减少了19.16%,各湿地类型的斑块分离度不断增大;空间上,高寒湿地的退化区主要分布在长江源区的东北部以及黄河源区的北部地区,与该区域冻土的退化有显著的一致性;1969年以来,江河源区的气候呈气温显著上升、相对湿度降低以及降水量微弱增加的暖干化趋势,湿地的退化与气候变化在时间上有明显的同步性,其中气温升高是形成湿地退化格局的主要原因,降水量和相对湿度的变化会对湿地的变化产生重要影响,尤其是对河流和湖泊的影响更为显著;此外,载畜量的变化是影响湿地变化最重要的人为因素。

水热互作对多年冻土区高寒沼泽草甸土壤温室气体排放的影响

为了探究温度和水分变化对多年冻土区高寒沼泽草甸土壤温室气体排放的影响,设置温度5,10和15℃(记作T5,T10和T15)和水分梯度75%,100%,130%土壤持水力(Water holding capacity,WHC,记作W75,W100和W130)室内交互培养实验。结果表明:各水分处理CO_(2)累积排放量随温度增加而增加,W75T5处理最低(818.59 mg·kg^(-1)),W100T15处理最高(3420.50 mg·kg^(-1));W75和W100处理CH_(4)累积排放量无明显规律,W130处理CH_(4)累计排放量随温度增加而增加;W75处理N_(2)O累计排放量随温度增加而降低,W100和W130处理随温度增加先增加后降低。CO_(2)累积排放量与微生物量碳显著负相关,与pH和过氧化氢酶显著正相关;CH_(4)累积排放量与电导率、脲酶显著负相关。温度、水分及其交互作用对全球增温潜势(GWP)影响显著;水热因素和土壤性质共同解释了GWP变异的61.16%,表明水热互作及其驱动的土壤理化性质变化共同影响多年冻土区高寒沼泽草甸温室气体排放。

典型喀斯特高原湖泊气候变化特征分析——以贵州草海为例

威宁草海是贵州省内最大的天然淡水湖泊,是喀斯特高原湖泊的典型代表。本研究基于威宁县1951—2016年逐月气温和降水资料,采用累积距平法、Mann—Kendall非参数检验、Sen’s斜率估计及Morlet小波分析等方法分析了草海地区气候变化特征。结果表明:1951—2016年草海地区气候向气温显著上升、降水明显下降的暖干化趋势发展;气温上升率为0.14℃/10 a,不同季节增温速率表现为秋季>冬季>夏季>春季,年降水量下降倾向率为21.46 mm/10 a,不同季节降水量下降速率表现为秋季>夏季>春季>冬季;从年代际变化来看,草海地区气温在20世纪50到70年代呈下降趋势,之后持续升高,不同季节表现为夏冬季开始变暖的时间要比春秋季开始变暖的时间早;年均气温在2002—2003年间发生突变,不同季节突变年份不一致,年降水量和不同季节降水量突变大多发生在1983年左右;Morlet小波分析表明,草海地区气温存在29、14、6年的尺度变化周期,年降水量存在30、20、9、4年的尺度变化周期。研究结果可为草海湿地生态环境保护和可持续发展提供科学依据,同时也为喀斯特高原湖泊区制定应对全球变暖策略提供数据支撑。

增温和氮添加对长江源区高寒沼泽草甸生态系统呼吸的影响

为探究高寒湿地生态系统对气候变化的响应,本研究对模拟增温(2.64℃)、氮添加(40 kg N·ha-2·yr-1)及其交互处理下的高寒沼泽草甸生态系统呼吸进行了2个生长季的监测。结果表明:增温显著提高了高寒沼泽草甸生态系统呼吸(约25%),而氮添加对高寒沼泽草甸生态系统呼吸无显著影响;增温降低了高寒沼泽草甸生态系统呼吸对土壤温度变化的敏感性。在相对温暖的2015年生长季,增温和氮添加对生态系统呼吸起到协同促进作用。分析发现高寒沼泽草甸生态系统呼吸主要受表层土壤温度、植物生物量和土壤可溶性有机碳的影响;增温显著提高了植物地上和地下生物量,增强了自养呼吸,是增温提高生态系统呼吸的主要原因。本研究结果表明相比于大气氮沉降增加,高寒沼泽草甸生态系统呼吸对气候变暖的响应更加敏感。

长江源区草地覆盖变化对土壤团聚体分布及稳定性的影响

为了明确长江源区草地覆盖变化对土壤结构的影响,本研究以高寒草甸和沼泽草甸2种草地为研究对象,分析了不同植被覆盖度下土壤团聚体分布和稳定性特征。结果显示:高寒草甸土壤团聚体主要分布在2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒径范围内,沼泽草甸土壤团聚体在不同粒径范围内分布相对均匀;高寒草甸土壤大于0.25 mm团聚体含量(WR0.25)表现为高覆盖度草地高于中覆盖度草地,随土层加深,低覆盖度草地WR0.25显著高于高覆盖度草地和中覆盖度草地,除表层0~10 cm土壤外,高覆盖度沼泽草甸土壤WR0.25显著高于中覆盖度和低覆盖度土壤;不同植被覆盖度下高寒草甸表层0~10 cm土壤团聚体平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)和几何平均直径(Geometric mean diameter,GMD)无显著差异,在10~20 cm和20~40 cm土层差异显著,表现为低覆盖度>高覆盖度>中覆盖度,沼泽草甸土壤团聚体MWD和GMD则随草地植被覆盖度降低和土层加深而逐渐减小;中覆盖度草地土壤团聚体破坏率(Aggregate destruction rate,PAD)最大,其稳定性最差;高覆盖度草地土壤团聚体稳定性最好;在不同土层深度上,高寒草甸土壤团聚体稳定性无显著差异,沼泽草甸土壤随土层加深团聚体稳定性变差。本研究结果表明WR0.25和PAD能够更好地评价土壤团聚体稳定性,而沼泽草甸土壤团聚体对植被覆盖变化的响应更为敏感。本研究结果有利于加强植被覆盖变化背景下对长江源区土壤保护机制的认识。

添加生物质炭对喀斯特地区黄壤饱和导水率的影响

为探究添加生物质炭对喀斯特坡耕地黄壤饱和导水率的影响,在室内条件下测定了不同添加量(质量分数为0,1%,2%,3%)、不同粒径(粒径大小为<0.25 mm, 0.25~1 mm和>1 mm)的玉米秸秆生物质炭(CSB)和稻壳生物质炭(RHB)添加后的土壤容重、孔隙度、持水量和饱和导水率。结果显示:添加生物质炭显著降低了土壤容重,与对照(CK)相比,添加相同含量的CSB和RHB后土壤容重分别降低了5.13%和4.85%,随着添加量增加,土壤容重呈减小趋势,而土壤总孔隙度和毛管孔隙度呈增大趋势。添加CSB和RHB后土壤的田间持水量(FMC)提高了5.30%和4.72%,毛管持水量(CWC)提高了4.75%和6.60%,随着添加量增加、粒径增大,土壤的FMC和CWC呈增大趋势。土壤饱和导水率的变化与生物质炭的粒径有关,添加<0.25 mm粒径CSB和RHB,土壤饱和导水率减小了11.74%和21.74%,添加>1 mm粒径CSB和RHB,土壤饱和导水率增加了66.67%和33.33%,添加0.25~1 mm粒径的生物质炭,土壤饱和导水率无明显的变化规律。本研究得出,添加生物质炭可以显著降低土壤容重,提高土壤田间持水量和毛管持水量,改善土壤的导水性能,研究结果可为生物质炭在喀斯特地区坡耕地黄壤结构改良的应用中提供理论依据。

关节式上下料机器人设计

通过对机器人未知的工作环境以及不确定性因素的研究与分析,设计了一种基于关节式机器人的六自由度运动方案。首先采用整体结构设计的方法针对关节式机器人在运行过程中的执行机构进行分析,通过对作业内容进行规划,再结合实际需求,完成对机器人的基本设计;其次,通过建立关节式机器人运动的雅可比矩阵,设计了一个具有自主执行能力的机器人;最后,通过对机器人进行速度分析与验证,基本实现了其执行与运动能力。

模拟降雨条件下含砾石土壤的坡面产流和入渗特征

模拟降雨条件下研究了含砾石土壤的入渗过程,分析了砾石含量和坡度对土壤坡面产流时间和入渗的影响。研究结果表明：含砾石土壤的坡面产流时间与砾石含量和坡度密切相关,当坡度〉5°时,产流时间与砾石含量呈线性负相关。当坡度〈5°时,不同砾石含量的土壤入渗能力表现出明显差异;砾石含量为20%~30%时,土壤入渗相对增加;当坡度〉10°时,砾石含量对入渗能力的影响不明显。利用Kostiakov入渗经验模型可以很好地模拟含砾石土壤的降雨入渗过程,模型中的经验系数K能够反映出降雨开始1 min内坡度和砾石含量对入渗的影响。

基于逐月退水系数的三江源枯季径流特征分析

利用1960~2009年三江源区枯季月径流数据,分析了退水过程中月径流和退水系数的变化趋势,并利用逐月退水系数重建了枯季径流过程。结果表明：（1）黄河源区和澜沧江源区枯季月径流呈减少的趋势,长江源区呈微弱的增加趋势,枯季径流受控于夏季径流,二者保持一致的变化趋势;（2）黄河和长江源区逐月退水系数的变化趋势在整个退水期是增加的,意味着地下水退水过程减缓,这可能是长期的气候变暖导致江河源区地下水库容增加的结果,在澜沧江源区退水系数的变化没有明显的趋势;（3）可以利用多年平均退水系数和10月径流来重建冬季（11月到来年2月）月径流量,计算值与实测值误差控制在8%以内,拟合精度较高。该研究对认识气候变化背景下三江源区枯季径流特征和水文预报方面具有一定参考价值。

青藏高原连续多年冻土区的冻结层上水季节动态及其对活动层土壤冻融过程的响应特征

多年冻土地区的地下水系统中的冻结层上水不仅是寒区能水循环中的一个关键组成部分,而且与寒区生态环境变化关系密切,在寒区水文学和寒区陆面过程研究中具有十分重要的作用,但因其动态过程的复杂性和观测研究的诸多困难,尚缺乏对其运动规律、驱动因素与机制的系统认知.在青藏高原连续多年冻土区风火山左冒西孔曲,选择典型高寒草甸坡面,通过2年坡上和坡下不同观测孔地下水动态连续观测,分析了冻结层上水的季节动态变化及其在坡面上的空间分异规律以及活动层的冻融作用对冻结层上水动态变化的影响作用.结果表明,冻结层上水位的季节动态变化具有与活动层土壤温度和水分相似的冻融过程,活动层土壤温度控制了冻结层上水季节动态格局,深层(60 cm以下)土壤水分和不同地带地下水补给来源决定了冻结层上水水位动态变化的位相和幅度.地温与水位动态之间具有显著的Boltzmann函数关系,但在不同活动层深度与不同坡面位置,土壤温度对地下水位动态影响的阈值范围不同,坡面上冻结层上水位动态具有显著的空间变异性.地表覆盖变化和气候变暖将必然引起冻结层上水动态、地下水与河水间水力关系的变化,从而引起流域整体水文过程的改变.

生物质炭添加对喀斯特地区坡耕地黄壤水分入渗过程的影响

为探究生物质炭添加对喀斯特地区土壤水分入渗特性的影响,本研究以坡耕地黄壤为对象,采用室内土柱模拟的方法,研究不同添加量(质量分数为0、1%和2%)和不同粒径(粒径大小为<0.25、0.25~1和>1 mm)生物质炭添加下土壤水分累计入渗量、入渗速率及湿润锋进程的变化特征,并对入渗过程进行模拟。结果表明:在定容重条件下,添加生物质炭后土壤的入渗过程明显受到抑制,添加生物质炭土壤的累计入渗量和入渗速率显著低于未添加生物质炭土壤,生物质炭添加量为1%和2%土壤的累计入渗量和入渗速率无显著差异。不同粒径生物质炭添加下,土壤累计入渗量从大到小依次表现为<0.25、0.25~1和>1 mm。与CK相比,当添加量为1%时,土壤300 min累计入渗量分别下降20.9%、35.2%和45.0%;当添加量为2%时,分别下降21.5%、37.5%和44.2%,说明大粒径生物质炭对土壤入渗的抑制作用显著强于小粒径生物质炭。土壤湿润锋进程对不同含量和不同粒径生物质炭添加的响应趋势与累计入渗量的变化趋势基本一致。Horton和Kostiakov模型能够用于模拟本研究中的土壤水分入渗过程,Horton模型拟合精度高,R^2最大(0.91~0.98),均方根误差(RMSE)最小(0.14~0.21),而Kostiakov模型拟合得到的初始入渗速率更接近实测结果。研究结果可为生物质炭的合理施用提供科学依据,也可为喀斯特坡耕地土壤改良和水土保持提供有益参考。