土壤-植物系统水分运移过程的阻容电模拟

把土壤-植物系统水分运移作为一维水流运动由阻容电路进行模拟,在于将D arcy-R ichards方程从对单点的描述扩展到对一段流路的描述。由此出发,考虑到水流的非稳态性,某一流路的水阻定义为其水势差与平均流量之比,水容为其贮水量对平均水势的导数。与D arcy-R ichards方程相对应,水阻、时间常数分别为导水度、水分扩散度的倒数,相应地单位化的水阻率、比时间常数分别为导水率、水分扩散率的倒数。把SP系统沿水流通道分为若干部分,每一局部的水阻与其水容相并联,各局部间相串联。在此基础上,文章给出了土壤-植物系统水流模拟通式、总水容与分水容间的关系式、总水阻与分水阻间的关系式及特定条件下叶水势随时间变化的关系式。     

以CT图像为基础的冠状动脉狭窄处血流动力学研究

目的:冠状动脉粥样硬化好发于具有特殊几何构型的血管部位,提示血流动力学参数在粥样硬化形成方面起到重要作用.以往研究多局限于理想的血管模型,本文旨在探索以CT图像为基础构建个体化冠状动脉血流动力学模型的技术方法,对人体左冠状动脉前降支粥样硬化病变狭窄处进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,探讨冠状动脉粥样硬化病变形成和发展的血流动力学机制.方法:用MIMICS软件读取CTA数据,以CT图像为基础进行冠状动脉三维几何建模,假设动脉血流为层流、不可压缩、牛顿流体,入口血液流速随时间周期性变化,应用有限体积法FLUENT软件进行血流数值模拟,分析与动脉粥样硬化形成、发展相关的血流动力学参数.结果:获得个体化左冠状动脉前降支狭窄处血管模型及血流动力学参数,数值模拟结果包括冠状动脉的血液流场、壁面压力(wall pressure WP)及壁面切应力(wall shear stress WSS)分布,可见狭窄段血管血液流速加快,WP降低、WSS增高,且在狭窄邻近区域出现低WSS区、较高的WP及血液湍流区域.结论:以CT图像为基础的CFD技术是在体评价人狭窄冠状动脉内血流动力学状况与冠状动脉粥样硬化病变之间关系的有效方法,能够更为真实的建立人体血管几何模型,为分析血流动力学参数与冠状动脉粥样硬化形成与发展的关系提供研究手段.     

喀斯特裸坡产流产沙过程试验研究

运用可调坡度、地下孔(裂)隙度试验钢槽装填土石模拟喀斯特裸坡,采用人工模拟降雨的方法探索了喀斯特裸坡产流产沙过程。结果表明:降雨强度、坡度和地下孔(裂)隙度对喀斯特裸坡产流产沙均有明显的影响。(1)在30、50、80mm/h降雨强度下地表产流产沙存在临界降雨强度,临界降雨强度在50—80mm/h之间,地下孔(裂)隙产流量和产沙量均随降雨强度增大呈现先增大后减小的变化趋势,产流量随降雨强度变化顺序为503080mm/h,产沙量随降雨强度大小变化顺序为508030mm/h。(2)随着坡度增大,地下输沙模数减小,其大小随坡度变化的顺序为10°15°20°25°;同一降雨历程内,坡度越小,单位时间内的地下输沙模数减小量越大,其大小随坡度变化的顺序为10°15°20°25°。(3)地下孔(裂)隙度对地下产流产沙影响显著,地下孔(裂)隙度的增大使地下流失量增大。地下产流比重、产沙比重均随地下孔(裂)隙度的增大而增大,大小顺序均为1%3%5%。研究有助于深入了解喀斯特坡地土壤侵蚀机理,为喀斯特石漠化治理和生态修复提供理论依据。     

动脉硬化仿真模拟分析

目的：通过对血管中血液流动对血管的影响及血液内低密度脂蛋白（sLDL）微粒行为的模拟分析,研究动脉粥样硬化产生的血流动力学原因。方法：第一步,使用流体力学软件CFD,建立动脉血管弯曲分叉仿真模型;第二步,分析血液流动特性,跟踪血液中15—25纳米尺度范围类的sLDL粒子在动脉分叉模型中的流体力学行为,研究sLDL在血液流速稳定下在血管中的空间分布及流场特征分布。结果：血管起始段出现压强很高的区域。在动脉血管弯曲内侧处及分岔处的分支外侧血液流动较慢,并且在这些部位出现压强较高的区域。在血管弯曲外侧处及分岔点处,sLDL与血管壁发生碰撞的几率较其它位置较高,粒子在血管上沉积高发区域在这些部位呈斑块状分布。讨论及结论：在血管起始段的高压,可能是导致这一部分血管损伤,并进而引起动脉硬化形成的主要原因;在动脉血管弯曲外侧处及分岔点处出现的高压低速血流分布,一方面增大了血液中包括sLDL粒子在内的致病因子与血管壁的接触时间,另一方面则引起这些部位血清的侧漏加强,出现所谓的’浓度极化’现象,从而导致这些部位出现高浓度的sLDL分布,增大sLDL粒子与血管壁的接触几率;粒子在血管上沉积高发区域往往存在于动脉血管分岔点处,而在血管弯曲外侧处也有较高几率沉淀,呈斑状分布;长期性轻微性振动的剪切压力的作用使多数血管内皮细胞性质改变,促进动脉硬化形成。在动脉血管起始段、弯曲处及分岔点处血液的高压低速分布、sLDL粒子的高沉积率及低剪切应力等是动脉硬化产生及演化的重要因素.     

基于Penman-Monteith方程模拟青海云杉生长季日蒸腾过程

青海云杉（Picea crassifolia）作为我国黄土高原与青藏高原地区的主要造林树种,对其林分蒸腾耗水特征的研究,能够更合理的指导该地区植被重建与林分调控,以加强林分的稳定性,提高水分利用效率。为了揭示青海云杉在生长季内的冠层蒸腾规律以及冠层整体气孔阻力与环境因子的响应,评价Penman-Monteith方程在青海云杉冠层尺度上的适用性,采用探针式热扩散茎流计（TDP）进行测定,同步长期监测了环境数据,利用反推法建立冠层整体气孔阻力（r_sT）与环境因子之间的回归模型,结合Penman-Monteith方程模拟出青海云杉生长季的日蒸腾量,采用均方根误差、平均绝对误差和平均相对误差对蒸腾量的实测值与模拟值进行误差分析,以验证模型的准确性。得出的主要结论有：（1）生长季内青海云杉日蒸腾量随月份变化呈先增高后降低的趋势;各月蒸腾量占潜在蒸散量的比例为7月（79.68%） > 8月（72.71%） > 6月（72.53%） > 5月（67.08%） > 9月（66.48%） > 10月（64.29%）;（2）树干液流对气象因子的滞后时间为0.5 h;（3）不同月份云杉冠层整体气孔阻力（r_sT）与空气相对湿度（RH）呈正相关关系,与大气温度（T）、饱和水汽压差（VPD）呈负相关关系;（4）应用所建立的多因素回归模型结合Penman-Monteith方程对青海云杉蒸腾量进行模拟验证,累计平均相对误差为14.381%,平均绝对误差为0.160 mm,均方根误差为0.2。综上所述,Penman-Monteith方程在林分冠层尺度上有较好适用性根据所建立的多因素回归模型并结合Penman-Monteith方程,可以利用饱和水汽压差、温度和空气相对湿度三个气象因子较好地模拟日蒸腾过程。     

厚环黑蝇生长发育规律及其对于死亡时间推断的意义

厚环黑蝇Hydrotaea spinigera是在尸体腐败时全程在尸体上及尸体周围的泥土中出现的昆虫种类, 对于死亡时间的推断有着比较重要的意义。迄今尚未见该种类生长发育系统研究的报道。为了明确其生长发育规律, 以对相关的死亡时间推断提供基础数据, 本研究通过放置幼猪尸体于野外环境诱集该种类, 在室内饲养建立试验种群, 分别于20, 24, 28和32 （±1）℃恒温下饲养该昆虫, 对其生长发育历期、 体长随时间的变化及在尸体演替中出现的时间进行了研究。结果表明： 厚环黑蝇在20, 24, 28和32 （±1）℃下完成幼期生长发育所需最短平均发育历期分别为869.6±21.6, 673±18.5, 410±16.4和379±17.2 h, 平均发育历期分别为966±74.0, 808±80.2, 570±40.7和470±30.5 h; 其体长随发育时间的增加逐渐增长, 到达最大体长后在12~14 mm内波动, 体长与发育时间的关系可用方程y=（a+bx）/［1+exp（c+dx）］模拟。本研究为较为系统的厚环黑蝇发育生物学研究, 其结果对于高度腐败尸体的死亡时间推断及卫生害虫控制有较重要价值。     

运动细胞自适应性过程中双相性现象的分子机制及动态数值模拟

盘基网柄菌细胞(Dictyostelium)和白细胞(leukocyte)等真核运动细胞受到外界信号刺激时,在最初的1～2 min内,胞内信号转导的首要成员PI(3,4,5)P3的浓度随时间变化呈现"双相性"(biphasic adaptation),即先后出现一大一小两个峰值,然后平息。为解释这一现象,特别是第二个峰值产生的原因,根据已有实验资料,分析了有关分子机制,建立了相应的数学模型。其中,PI(3,4,5)P3及其激活酶和抑制酶的浓度变化由一组耦合的非稳态反应-扩散方程描述,外界刺激及效应因子(如Rac和Scar/WAVE)的相互激励包含在源项中,并由蒙特-卡诺(Monte-Carlo)法处理,数值模拟结果与已有实验一致。研究发现,质膜上处于激活态的效应因子Scar/WAVE是影响PI(3,4,5)P3第二个峰值的关键,起正反馈作用。在受到胞外信号刺激后的前期,Scar/WAVE的激活态浓度受到小G蛋白Rac活性的抑制,后期反过来受到PI(3,4,5)P3的抑制,从而始终处于较低水平,这使得第二个峰值较小;当Scar/WAVE的总浓度低于0.005μmol/L后,PI(3,4,5)P3不会出现第二个峰值。由于Scar/WAVE是肌动蛋白结合蛋白,可以推测:许多经肌动蛋白合成抑制剂处理过的盘基网柄菌细胞在实验中仍然出现"双相性",应与此时的细胞骨架活性未被完全抑制有关。     

陕北长城沿线植被恢复与生态系统防风固沙服务模拟分析

为探究风沙边缘地区植被恢复与生态系统防风固沙服务能力之间的作用机制以及如何保证防风固沙服务的可持续发展,选择毛乌素沙漠边缘地区--陕北长城沿线为研究区。利用Theil-Sen斜率估算、M-K显著性检验、修正风蚀方程（Revised Wind Erosion Equation,RWEQ）和情景分析法,评估分析2000-2018年该地风沙治理工程效果和生态系统防风固沙服务的时空变化,并着重分析在风蚀因子改变的条件下,植被恢复对土壤风蚀和生态系统防风固沙服务能力的影响。结果表明：（1）在2000-2018年风沙治理工程中陕北长城沿线地区植被恢复状况显著改善,表明多年来在风蚀治理工作中取得显著的效果。（2）在实际情景中,随着植被不断的恢复,风蚀发生的危险程度总体在减小,而风蚀因子是导致实际风蚀量显著改变的主要原因。从生态系统防风固沙服务角度出发,在不同年份防风固沙总量变化显著,2005年和2010年防风固沙量达到最小、最大值,分别为4569.18万t和64164.44万t,差异明显,致使2005和2010年防风固沙服务能力也达到历史最低和最高值。（3）通过最小风蚀因子情景模拟间接表明：植被恢复能够遏制风蚀现象的发生。但在最大风蚀因子情景下,风蚀现象依旧明显,而植被所发挥的生态系统防风固沙服务能力越显著。（4）综合上述3种情景,每年潜在风蚀量 > 防风固沙量 > 实际风蚀量,说明在最大危害程度内生态系统防风固沙服务具有明显的效果。通过研究不仅证实植被是实现防风固沙服务功能可持续发展的必要条件,同时恢复植被对风沙区域进一步发展状况与趋势有着至关重要的作用。     

动脉硬化仿真模拟分析

目的:通过对血管中血液流动对血管的影响及血液内低密度脂蛋白(sLDL)微粒行为的模拟分析,研究动脉粥样硬化产生的血流动力学原因.方法:第一步,使用流体力学软件CFD,建立动脉血管弯曲分叉仿真模型;第二步,分析血液流动特性,跟踪血液中15.25纳米尺度范围类的sLDL粒子在动脉分又模型中的流体力学行为,研究sLDL在血液流速稳定下在血管中的空间分布及流场特征分布.结果:血管起始段出现压强很高的区域.在动脉血管弯曲内侧处及分岔处的分支外侧血液流动较慢,并且在这些部位出现压强较高的区域.在血管弯曲外侧处及分岔点处,sLDL与血管壁发生碰撞的几率较其它位置较高,粒子在血管上沉积高发区域在这些部位呈癍块状分布.讨论及结论:在血管起始段的高压,可能是导致这一部分血管损伤,并进而引起动脉硬化形成的主要原因;在动脉血管弯曲外侧处及分岔点处出现的高压低速血流分布,一方面增大了血液中包括sLDL粒子在内的致病因子与血管壁的接触时间,另一方面则引起这些部位血清的侧漏加强,出现所谓的'浓度极化'现象,从而导致这些部位出现高浓度的sLDL分布,增大sLDL粒子与血管壁的接触几率;粒子在血管上沉积高发区域往往存在于动脉血管分岔点处,而在血管弯曲外侧处也有较高几率沉淀,呈斑状分布;长期性轻微性振动的剪切压力的作用使多数血管内皮细胞性质改变.促进动脉硬化形成.在动脉血管起始段、弯曲处及分岔点处血液的高压低速分布、sLDL粒子的高沉积率及低剪切应力等是动脉硬化产生及演化的重要因素.     

Effects of pulse precipitation on soil organic matter mineralization in forests: spatial variation and controlling factors

脉冲降水对森林中土壤有机物矿化的影响：空间变化和控制因素 降水脉冲效应使土壤有机物在短时间内迅速分解并释放大量CO₂到大气中。降水脉冲效应对生态系统的碳循环和土壤碳平衡的研究具有十分重要的意义,但它在森林土壤中的空间变化和基本机制仍不清楚。我们采集中国东部22个典型森林生态系统的土壤样品(0–10cm),研究模拟脉冲降水对土壤微生物呼吸速率的影响。模拟降水脉冲使土壤样品达到65%饱和含水量,以分钟为单位测量R_s,持续48 小时。研究结果显示,降水脉冲可以使微生物呼吸速率迅速增加1.70–38.12倍。微生物最大呼吸速率 (R_s-soil-max)、碳释放总量R_s (A_Rs-soil)和达到呼吸峰值的时间(T_Rs-soil-max)在不同的土壤中存在显著差异。此外,不同 气候区的脉冲效应也有明显不同。中温带的R_s-soil-max (11.701 µg C g⁻¹ soil h⁻¹)和A_Rs-soil (300.712 µg C g⁻¹ soil)最高。土壤化学特性(总碳和总氮、pH值和氧化还原电位)和土壤粒径与森林土壤的脉冲效应密切相关,但土壤微生物的贡献较小。我们的研究结果表明,在大尺度范围内,脉冲变化短期内增加森林土壤中CO₂的排放,并揭示了对这种变化影响最大的因素。这些发现为未来对森林生态系统的碳循环和调节全球生态系统碳循环的研究提供科学数据支持。     

微创经椎间孔入路与传统后路手术治疗单节段腰椎结核的疗效比较

目的：对比微创经椎间孔入路与传统后路手术治疗腰椎结核的临床疗效,评价微创经椎间孔入路治疗腰椎结核的安全性及 有效性。方法：回顾性分析本院2012 年10 月-2013 年3 月收治的单节段腰椎结核患者73 例,所有患者均为单节段病变,以腰痛 为主,无神经压迫症状,死骨和脓肿范围不大。其中43 例采用传统开放手术,30 例采用微创手术,于围术期分别记录两组患者的 手术时间、术中出血量及术后引流量,术后1、3、6 和12 月时采用疼痛视觉模拟评分(VAS)和Oswestry 功能障碍指数(ODI)进行疗 效评估,末次随访时记录并比较两组患者的融合率。结果：所有患者术后腰痛明显减轻,发热患者体温在2 周内恢复正常。微创手 术组的手术时间、术中出血量及术后引流量分别为240± 30 min、520± 50 mL 和630± 110 mL,均明显少于传统手术组的180± 35 min、350± 50 mL和320± 80 mL (P<0.05)。在术前、术后1 月、3 月、6 月、12 月和末次随访时,微创手术组腰痛VAS评分分别 为8.7± 1.2 分、4.5± 1.1 分、3.5± 1.1 分、2.0± 1.4 分、1.3± 0.5 分和1.2± 0.5 分,ODI 评分分别为（77± 6）%、（31± 5）%、（23± 8）%、（14± 6）%、（8± 4）%和（7± 3）%;传统手术组VAS评分分别为8.5± 1.1 分、2.7± 0.7 分、2.1± 0.6 分、1.9± 0.7 分、1.1± 0.4 分 和1.1± 0.4 分,ODI 评分分别为（78± 5）%、（23± 6）%、（14± 7）%、（12± 5）%、（7± 2）%和（7± 2）%。其中,术后1 个月和3个月, 微创组腰痛VAS 评分和ODI评分均明显低于开放组(P<0.05)。术后6 个月、12 个月和末次随访时,两组患者腰痛VAS 评分和 ODI评分差异无统计学意义(P>0.05)。末次随访时所有病例均获得骨性融合。结论：微创经椎间孔入路手术治疗单节段腰骶椎结 核,可获得与传统后路手术相同的临床疗效,且手术时间短,术中出血量及术后引流量较少,具有较高的安全性。