黄土高原半干旱区集雨补灌生态农业研究进展

黄土高原半干旱地区在中国旱作农业生产中占有重要地位。干旱缺水与水土流失并存是制约该区域经济发展的两大瓶颈因素。水保农业和径流农业两种旱作农业生产方式已趋于成熟,但对天然降水调控利用能力低下,难于实现农业生产的优质高产高效。集雨补灌生态农业是在继承水保农业和径流农业成功技术基础上,对降雨调控利用方式的进一步发展,它能在时间和空间两个方面实现降雨径流的富集叠加,能充分发挥环境资源与水肥光热因子的协同增效作用,大幅度提高农业生产力,实现同步缓解干旱缺水与水土流失双重目标。集雨补灌是黄土高原半干旱区农业可持续发展的一种综合模式和战略性措施,对黄土高原半干旱区生态型现代农业发展具有重要推动作用。

两种土壤水分特征曲线间接推求方法对黄土的适应性评价

土壤水分特征曲线(SWCC)是模拟土壤水分运动和溶质运移的一个重要参数,利用土壤的基本物理性质来间接推求SWCC的方法已经成为当今土壤物理学领域的研究热点。为了比较两种SWCC间接推求方法——Arya-Paris物理经验方法(简称AP方法)和Tyler-Wheatcraft分形几何方法(简称TW方法)对黄土的适应性,该文分析了黄土高原296组土壤颗粒分布、容重和水分特征曲线等资料,利用简化的Fredlund(Fred3P)模型模拟得到连续的土壤颗粒分布曲线,然后应用AP和TW方法预测出相应吸力下的土壤含水量。研究结果表明,对于黄土性土壤,AP和TW两种方法的预测结果均达到了一定的精度,相比较而言AP方法的预测效果明显优于TW方法,且受质地影响小。

森林流域单元水文模型的构建与应用

目前全球缺水、水污染、洪涝灾害以及水土流失仍然非常严重，尤其在我国北方地区。流域水文模型可用来进行不同需水管理的情景分析，为解决我国水问题提供科学依据。分布式水文模型是流域水文模型的发展方向，具有显著特点：1）应用前景广泛，不仅可以模拟流域水文过程，还可以协助模拟泥沙或污染物的运移过程，为水利工程设计、水土保持、环境保护等领域提供技术支持；2）能够预测流域土地利用或气候变化下的流域水文响应过程变化，为管理部门提供决策支持；3）模型所需要的参数全部具有物理意义，可通过实际测量确定，适合模拟实测系列较短或是无观测流域的水文过程；4）对于目前国际水文界的前沿问题—水文尺度转换提供了一种有效的解决途径。 然而分布式水文模型还不完善，如1)真实性问题。对一些水文过程和边界条件还不确定。2)尺度转换问题。目前很少考虑尺度对参数有效性的影响。3)检验问题。还无法判断对有些难以测量的水文状态变量的模拟正确与否。4)计算时间和数据存储的问题。有些分布式水文模型虽然具有很强的水文物理基础和完善的模型结构，但是计算时间过长和(或)数据存储过大，难以应用。上述问题的核心就是对分布式水文模型的核心—单元水文模型的研究不够，需要为进一步完善单元水文模型进行研究。 本文采用饱和入渗理论、Saint-Venant方程、Richards方程、Penman-Monteith方程等等构建了以有限差分法求解的适用于森林流域的单元水文模型，并通过实验室模拟试验和坡地径流场资料进行了验证，主要结论为： 通过不同坡度和不同雨强下的室内坡面产汇流实验模拟，表明：该模型模拟的坡面流和壤中流过程与实测过程基本一致，峰现时间、径流历时、峰值流量、出流总量模拟值与实测值的相对误差均较小，基本小于10%。模型的模拟精度较高，实用性较强，为深入研究壤中流机制和改进流域降雨-径流模型提供了理论依据。 通过坡地径流观测场实测资料的验证，表明：该模型模拟的坡面流过程精度较高，累计流量的精度更高于小时过程的精度，离差系数、效率系数、确定系数均较理想，具有应用价值，有助于改善分布式水文模型在森林流域的模拟效果。

长白山阔叶红松林与大气间CO2及H2O交换的过程与模拟

在全球变化背景下，森林生态系统CO2和H2O交换过程已经成为国际研究的前沿问题。本研究以长白山阔叶红松林为研究对象，利用基于生理生态学过程的多层模型，考虑了混交林中不同树种的生物量、冠层高度和厚度，对冠层及生态系统尺度的碳水通量进行了详细模拟及分析，同时用涡动相关实测数据对模拟结果进行检验，并模拟和预测了阔叶红松林生态系统碳水收支对气候变化的响应，以期为我国研究区域甚至更大尺度碳水平衡的时间和空间格局特征提供模型储备。本文的主要结论如下： 1）长白山阔叶红松林主要优势树种红松、紫椴、水曲柳、色木槭和蒙古栎的生理生态学参数（初始量子效率α、光饱和时的最大净光合作用速率Pmax、最大Rubisco催化反应速率Vcmax、CO2饱和时的最大净光合作用速率Jmax）有着明显且不同的季节变化。6、8月的α值较大，Pmax、Vcmax和Jmax的最大值也出现在6—8月，而5、9月的各项参数值均较小。 2）对阔叶红松林冠层结构的观测，发现各树种在冠层中所处位置有明显差异。假设各树种水平分布均匀，以各树种的冠高、冠厚和叶片生物量为依据，将冠层垂直分为20层，模拟出各层各树种的CO2和H2O通量。这与传统的假设各树种垂直均匀分布相比，更加符合阔叶红松林的实际群落结构。 3）长白山阔叶红松林的能量平衡比EBR为0.800，居于国际同类观测的中上水平，涡相关观测数据较为可靠。CO2和H2O通量有明显日变化，夜间值较小且变化平缓，白天值呈单峰形的日变化。对2003—2007年生长季的模拟结果分析表明，CO2和H2O通量模拟值与涡相关实测值的回归线斜率分别为0.935和0.875，截距为-0.0136 mg•m-2•s-1和13.7 W•m-2，相关系数为0.655和0.622（n=30107）；CO2通量模拟和实测的平均值分别为-0.138和-0.134 mg•m-2•s-1，模型高估了2.99%；H2O通量模拟和实测的平均值分别为88.5和85.4 W•m-2，模型高估了3.63%，模拟效果较好。从季节变化来看，生长季初、末期（5月和9月）CO2和H2O通量较小，生长旺盛期（6—8月）通量值较高。CO2和H2O通量受环境因子的综合影响，其中，辐射和气温是主要限制因子。 4）对模型的主要参数和环境因子的敏感性分析表明，CO2通量对a1 (气孔导度的参数)、Vcmax、Ca (大气CO2浓度)变化的响应较强，而H2O通量对a1、LAI (叶面积指数)、Ta (气温)变化的响应较强。CO2通量对Ca的变化最为敏感，而H2O通量对其它环境因子的响应程度均高于CO2通量。与将冠层分为20层的方法相比，5层方法（Gaussion五点积分法）得到的碳吸收量和蒸发散量分别低估了25.3%和11.1%。这两种分层方法产生的差异，主要来自于不同层的辐射吸收和权重分配。

略论延安市降水资源的潜力与高效利用模式

根据在甘肃子午岭 ,安塞墩滩和延安燕儿沟的试验观测资料 ,研究了梢林区植被对降水的拦蓄和消耗情况 ;分析了农区基本农田上和退耕还林 (草 )坡地上作物和植物对降水的拦蓄和土壤水分季节动态 ;计算了本区主要农作物和几种有代表性的乔、灌、草植物的全生育期内需水量和降水资源补给的盈亏状况 ;并提出了几种利用降水资源和河川径流的模式

雨水资源集蓄利用研究综述

由于干旱、人口增长、地表水地下水污染等问题 ,人们对雨水资源的开发利用产生了极大的兴趣并进行了广泛的研究 ,而且已初步显示出雨水资源开发利用的巨大潜力。文中对雨水的汇集、蓄存、利用技术,雨水利用对区域环境的影响,雨水资源的评价,雨水利用的效益评估等方面的最新研究进行了全面的分析总结 ,同时 ,提出了目前研究中亟待解决的问题。

土壤水库和森林植被对水资源的调节作用

以湖南省土地、森林利用状况等有关资料为基础，从土壤和森林对降水形成径流的影响，调节水资源的数量和方式，防洪抗旱减灾方面的作用3个层次，详细地剖析了土壤水库和森林植被对水资源的调节作用。结果指出，土壤水库和森林植被能够调节水资源，其潜力非常大。合理利用土壤水库和森林植被可以蓄水保土减蚀，削减洪峰，减少自然灾害。 关键词：土壤水库；森林植被；水资源

不同时间尺度径流对植被变化的响应

植被覆盖对陆地生态系统的水分循环起着重要作用。径流对植被变化在不同时间尺度的响应研究,对区域生态环境建设及水资源管理具有重要的参考价值。该文介绍基于对比流域法,在多年平均、年际、季节等不同时间尺度径流对植被变化响应的研究结果。多年平均尺度上,由植被类型更替引起的径流绝对变化量,湿润区较干旱区大,其相对变化量在干旱区严重;年际尺度上,因植被变化,径流从一种平衡状态到另一种平衡状态的响应时间因抚育措施和地区不同而不同,造林情况下,湿润地区一般需要15~20 a,干旱地区约需25 a甚至更长,森林自然恢复情况下则需要上百年;季节尺度上,径流对植被变化的响应在季风影响区较四季湿润地区强烈。流量历时曲线研究表明,干旱地区造林,其基流无论在量或发生概率的变化上均较湿润区强烈。

坡面土壤养分与降雨、径流的相互作用机理及模型

坡地土壤养分流失过程实际上是表层土壤养分与降雨、径流相互作用的过程 ,土壤养分流失的多少主要受相互作用的限制。从分析土壤与降雨、径流相互作用入手 ,分析了土壤养分与降雨、径流相互作用过程及机理 ,并对相互作用模型进行了探讨。

氮磷配合对土壤氮素径流流失的影响

大田试验研究结果表明 :增施N、P均能增加作物的产量和减少水土流失 ;当N、P用量分别达到 5 5 .2kgN/hm2 和 90kgP2 O5/hm2 时 ,泥沙有机质和全氮流失最少 ,流失量分别为 2 0 89和 1 75kg/km2 ;当N、P用量分别为 5 5 .2kgN/hm2 和 4 5kgP2 O5/hm2 时 ,土壤矿质氮流失最小 ,其流失量仅为 2 7.9kg/km2 ;作物对土壤氮素的吸收 ,可减少土壤氮素的流失 .

黄土区坡地降雨入渗产流过程中的滞后效应

利用黄土高原沟壑区典型小流域坡地天然降雨入渗 -产流的实测资料分别对考虑滞后效应与不考虑滞后效应的情况进行了模拟研究 ,结果表明 :在降雨入渗 -产流过程中 ,滞后效应加快入渗速率 ,减少径流量 ;滞后模型使土壤含水量、产流过程更加接近实测值。由此可见 ,土壤水滞后效应对土壤含水量、入渗速率、产流过程及产流量都有相当大的影响 ,因此在水量转化研究工作中考虑滞后效应的影响是必要的

黄土高原森林植被水土保持机理研究

土壤侵蚀是造成环境退化的一个主要因素。长期以来因不合理的利用自然资源 ,日积月累的结果使得植被生存的环境受到极大的破坏 ,导致植被衰退 ,引发了严重的水土流失 ;水土流失的不断加剧 ,破坏了土地的生产力 ,土壤肥力降低 ,土壤蓄水能力减弱 ,植被生存的环境进一步恶化 ,如此以往使生态环境陷入恶性循环状态。黄土高原严重的水土流失与该区植被覆被率低有密切的关系。据“七五”统计 ,主要水土流失区现有森林面积约 2 5× 1 0 6ｈｍ2 ,其中人工林占 40 %左右 ,有林地森林覆盖率仅为 9 3% ,而且能发挥水土保持功能的森林覆被率仅为 7 0 % ,这些覆被率高的地区 ,地处六盘山、乔山、黄龙山等地 ,该区域人口密度较低 ,人为活动轻微 ,水土流失小 ;在黄土高原水土流失严重的地区 ,森林覆被率更低 ,仅 5 9% ,即使发挥水土保持功能 ,在宏观范围内仍然难以体现出保持水土的效益 (中共陕西省委研究室等 ,1 999;吴钦孝等 ,1 998)。森林植被有强大的水土保持功能 ,体现在下列几个方面 :植被冠层及地被物的截留作用 ,使大气降水的损失量较大 ,减小了产生径流的净雨量 ;地被物层对汇流的延长作用 ...

Improvement of different source function expressions in SWAN model for the Bohai Sea

The simulating wave nearshore (SWAN) wave model has been widely used in coastal areas, lakes and estuaries. However, we found a poor agreement between modeling results and measurements in analyzing the chosen four typical cases when we used the default parameters of the source function formulas of the SWAN to make wave simulation for the Bohai Sea. Also, it was found that at the same wind process the simulated results of two wind generation expressions (Komen, Janssen) demonstrated a large difference. Further study showed that the proportionality coefficient alpha in linear growth term of wave growth source function plays an unperceived role in the process of wave development. Based on experiments and analysis, we thought that the coefficient alpha should change rather than be a constant. Therefore, the coefficient alpha changing with the variation of friction velocity U (*) was introduced into the linear growth term of wave growth source function. Four weather processes were adopted to validate the improvement in the linear growth term. The results from the improved coefficient alpha agree much better with the measurements than those from the default constant coefficient alpha. Furthermore, the large differences of results between Komen wind generation expression and Janssen wind generation expression were eliminated. We also experimented with the four weather processes to test the new white-capping mechanisms based on the cumulative steepness method. It was found that the parameters of the new white-capping mechanisms are not suitable for the Bohai Sea, but Alkyon's white-capping mechanisms can be applicable to the Bohai Sea after amendments, demonstrating that this improvement of parameter alpha can improve the simulated results of the Bohai Sea.

宜人化双臂操作型服务机器人建模、控制和协调

为宜人化双臂操作型服务机器人建立了动力学模型,该模型的特点是独立的机理建模技术结合黑箱技术共同描述出完整的模型;结合建立的模型,提出一种基于NN的自适应鲁棒控制器,并证明了其渐近稳定性.最后,在分析宜人化双臂操作型服务机器人运动特征的基础上,提出一种基于事件的在线协调的策略.

空间柔性双臂机器人系统建模、控制与仿真研究

空间柔性多臂机器人系统是高度非线性,强耦合的动力学系统,其动力学的研究是比较复杂和困难的问题.本文针对极为复杂的空间柔性双臂机器人系统,建立了其系统动力学模型,利用逆动力学控制算法对该动力学模型实现了轨迹跟踪控制,仿真结果表明该方法具有较好的控制效果,分析了在仿真过程中出现的有关数值算法的问题.