南疆地区棉花幼苗风沙作用下的损伤机制及控制策略研究

针对南疆地区春季沙尘暴频发，造成棉花幼苗大量死亡的现实问题，以阿拉尔垦区棉花幼苗为对象，建立棉花幼苗受风沙荷载作用的力学模型，利用弹性体受迫振动理论，建立苗的弯曲变形微分方程；通过棉花幼苗的受迫振动试验，建立苗的寿命（以茎秆产生明显的塑性变形前的振动次数表示）与载荷的回归关系方程；依据当地气象资料，获取该地区风沙流体特征参数，运用流体动力学方程，进行风沙流体对棉花幼苗的作用力分析，建立棉花幼苗寿命与风沙流体特征参数的关系模型；利用高速摄影技术获取风沙流体与棉花幼苗相互作用过程的图像资料；通过风洞试验，结合高速摄影图像的处理与分析，对上述关系模型进行验证与重构；提出降低风沙危害的技术措施，包括农机作业措施、农艺栽培措施和育苗育种措施等。

项目进行了棉花幼苗的直径、株高、径高、不同方向的叶面面积等几何特征参数的测量，得出了棉花幼苗几何参数变化的基本规律和变动范围；对棉花幼苗的受风面积进行了测量，测量结果表明，棉花幼苗垂直面的受风面积最大，当风沙垂直吹向棉花幼苗时会产生最大的作用力。这一受风面积随苗龄按照指数规律变化；对阿拉尔地区的风速进行了测量，该年度没有出现大风与沙尘天气，因而没有测量到极端天气条件下的风速值。结合后续试验结果表明，在正常天气年份，棉花幼苗生长不会受到风沙作用的影响；采用TMS-PRO质构仪进行了棉花幼苗的剪切试验和弯曲试验，分析了典型剪切过程和弯曲过程中作用力随位移变化的特性。测定了不同苗龄棉花幼苗的最大剪切力和最大弯折力，结果表明，棉花幼苗能够承受的最大剪切力和弯折力随着苗龄增加呈指数关系增长，苗龄小于5周幼苗抵抗外力破坏能力较弱，能够承受的最大剪切力为101.93N，最大弯折力为1.98N，6周后棉苗抵抗外力破坏的能力明显增强；通过自制的振动试验装置模拟风沙天气条件造成的幼苗受迫振动的物理现象，研究了振动的频率、幅度对幼苗生长的影响。结果表明，振动的频率和幅度及其交互作用都对棉花幼苗的寿命有非常显著的影响，振幅与振动频率与棉花幼苗寿命之间呈现线性关系。振幅和振动频率都取较小水平时棉花幼苗折损较慢，都取较高水平时棉花幼苗折损较快。通过自制的试验装置模拟风沙天气条件对棉花幼苗的物理作用，研究了风速和沙含量对幼苗的破坏作用。结果显示，风速和含沙量及其交互作用对于棉花幼苗寿命都有非常显著的影响。棉花幼苗寿命和作用风速之间存在指数关系，棉花幼苗寿命和含沙量之间呈现幂函数关系。试验还发现，方向与速度变化的风力作用对于棉花幼苗的折损作用较大。