DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 材料与方法 2.1. 材料 藜麦麸皮由青海格尔木藜麦种植基地提供，样品粉碎后过60目筛，备用。 2.2. 仪器与设备 DHG-9070型恒温干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)、SX2-8-10N型箱式电阻炉(上海一恒科学仪器有限公司)、Kjeltec 8400型全自动凯氏定氮仪(芬兰FOSS公司)、SZC-D脂肪测定仪(上海纤检仪器有限公司)、SLQ-6A纤维测定仪(上海纤检仪器有限公司)、Cary300紫外分光光度计(美国Varin公司)、S-433D氨基酸自动分析仪(德国SYKAM公司)、TSQ8000Evo气相色谱质谱联用仪(美国Thermo Fisher公司)、NexION 350D电感耦合等离子体质谱仪(美国Perkin Elmer公司)、MS104TS型电子天平(瑞士METTLER TOLEDO公司)。 2.3. 测定方法 水分含量测定参照GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》直接干燥法；总灰分含量测定参照GB 5009.4-2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》高温灼烧法；蛋白质含量测定参照GB 5009.5-2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》凯氏定氮法；粗脂肪含量测定参照GB 5009.6-2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》索氏抽提法；粗纤维含量测定参照GB/T 5009.10-2003《植物类食品中粗纤维的测定》；膳食纤维含量测定参照GB 5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》酶重量法；淀粉含量测定参照GB 5009.9-2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》酶水解法；还原糖含量测定参照GB 5009.7-2016《食品安全国家标准食品中还原糖的测定》直接滴定法；总黄酮含量测定参照SN/T 4592-2016 《出口食品中总黄酮的测定》；总糖含量测定参考GB/T 15672-2009《食用菌中总糖含量的测定》；氨基酸含量测定参照GB 5009.124-2016《食品安全国家标准食品中氨基酸的测定》；色氨酸含量测定参照GB/T 15400-2018《饲料中色氨酸的测定》高效液相色谱法；脂肪酸含量测定参照GB 5009.168-2016《食品安全国家标准食品中脂肪酸的测定》归一化法；微量元素含量测定参照GB 5009.268-2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》电感耦合等离子体质谱法。
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user: 4. 讨论 柴达木盆地位于青海省西北部，青藏高原东北部，主要在海西蒙古族藏族自治州，面积约24万平方公，里是中国三大内陆盆地之一。柴达木盆地属高原大陆性气候，以干旱为主要特点，年降水量自东南部的200毫米递减到西北部的15毫米。柴达木盆地年均温均在5℃以下，气温变化剧烈，绝对年温差可达60℃以上，日温差也常在30℃左右，夏季夜间可降至0℃以下。柴达木盆地以盐渍化的土地为主，区域内积温较多、热量条件较好，咸水、微咸水资源及动植物资源丰富，有大量宜农土地未被开发 [ 11 ]。柴达木盆地地理、气候以及土壤条件非常适合种植藜麦，目前藜麦种植面积在柴达木地区日趋扩大，成为农民增收的重要途经。如何高效利用藜麦生产的副产品的藜麦麸皮值得深入研究。因此本研究针对藜麦麸皮中的营养成分进行了分析与评价。 蛋白质是藜麦麸皮中最主要的营养成分。藜麦麸皮中蛋白含量(22.8%)高于小麦、青稞、燕麦和红米麸皮，其氨基酸组成合理，含有人体必需的8种氨基酸，是理想的蛋白来源。植物蛋白，来源于植物，营养全面，与动物蛋白相仿，易被人体消化吸收，具有降低胆固醇、抗氧化、降血压等多种生理保健功能 [ 12 ]。必需氨基酸必须从食物中直接获得，否则就不能维持机体的氮平衡并影响健康。苏氨酸(Thr)可以促进机体的生长，提升消化系统和免疫系统的功能，提高人体的抗氧化能力；缬氨酸(Val)促进身体正常生长，修复组织，调节血糖；甲硫氨酸(Met)具有保护肝脏、抗抑郁、降血压等功效；赖氨酸(Lys)可以调节人体代谢平衡，提高胃液分泌，提高钙的吸收，加速骨骼生长等功能；异亮氨酸(Ile)能促进人体的蛋白质代谢；亮氨酸(Leu)可用于蛋白质的合成，提高人体的免疫力；苯丙氨酸(Phe)参与合成重要的神经递质和激素，参与机体糖代谢和脂肪代谢；色氨酸(Trp)参与体内血浆蛋白质的更新，并可促使核黄素发挥作用，还有助于烟酸及血红素的合成 [ 13 ]。本研究中8种必需氨基酸占总氨基酸的35.4%，其中含量最高的为赖氨酸(1.19%)，其次为苯丙氨酸(1.06%)、亮氨酸(1.04%)、缬氨酸(0.69%)、异亮氨酸(0.63%)、苏氨酸(0.62%)和色氨酸(0.32%)，甲硫氨酸含量最低仅0.08%。 藜麦麸皮中的膳食纤维含量达到22.2%，是优良的膳食纤维来源。膳食纤维是一种不能被人体消化的碳水化合物，分为非水溶性和水溶性纤维两大类。膳食纤维具有重要的生理作用，是维持人体健康必不可少的一类营养素。膳食纤维有利于刺激胃肠道的蠕动，改善肠道菌群，保持肠道清洁，减少和预防胃肠道疾病；能够抑制胆固醇的吸收，预防高血脂症和高血压；能够延缓和减少重金属等有害物质的吸收，减少和预防有害化学物质对人体的毒害；延缓葡萄糖的吸收，推迟可消化性糖类如淀粉等的消化，避免进餐后血糖急剧上升，增强胰岛素敏感性，提高人体耐糖的程度，有利于糖尿病的治疗和康复 [ 7 ]。 藜麦麸皮中脂肪酸含量达7.1%，且不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸含量占比为96.669%，其中亚油酸含量最高。亚油酸作为人体必需脂肪酸，在体内发挥着重要的生理功能。有研究表明，亚油酸能够与血液中的胆固醇结合生成低熔点的脂质，易于乳化、输送和代谢；能降低血液中的胆固醇含量，预防动脉硬化和血脂异常等 [ 14 ]。藜麦麸皮中丰富的不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸，可以作为潜在的健康植物油脂来源。 微量元素在人体内含量虽然极微小，但具有强大的生物学作用，它们参与酶、激素维生素和核酸的代谢过程。磷在所有生物的组织生长和修复、酸碱平衡调节、脂肪和淀粉的代谢以及能量转移等方面起着重要的作用；钾对人类神经系统、肌肉功能、体液平衡以及心脏、肾脏和肾上腺功能都很重要；钙在骨骼和牙齿的形成、血液凝结、肌肉收缩、神经传递和酶活性中都是必不可少的；镁是一种重要的电解质，维持正常的神经和肌肉功能 [ 15 ]。藜麦麸皮中富含磷、钾、钙、镁等微量元素，可为机体提供优良的微量元素。
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user: 5. 结论 综上所述，藜麦麸皮中富含蛋白质、膳食纤维、淀粉、脂肪、还原糖、总黄酮、微量元素等营养成分，其中含有8中必需氨基酸，脂肪主要为不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸。藜麦麸皮具有重要的开发利用价值，可以开发优良的植食性蛋白、膳食纤维以及油脂等，具有广阔的利用前景。此研究为藜麦麸皮的开发利用奠定了坚实的基础。
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user: 摘 要 近年来农业生态环境问题、尤其是农田残膜污染及其治理成为国内外关注和研究的重点。地膜及其覆盖技术给人们带来巨大经济效益的同时，农田中大量累积的残膜破坏了土壤结构、危害了作物正常生长、造成了农作物减产，从而影响到农民脱贫增收和农田生态环境。针对农田“白色污染”的现状，国内外开展了大量的研究，其中利用昆虫等生物降解农田残膜的方法，成为了一种趋势。本文综述了国内外利用大蜡螟的生物学特性降解农田残膜的相关研究，并对大蜡螟在室内养殖技术以及各领域的深度开发利用进行了展望，旨在为农田土壤可持续利用和农田生态环境保护提供新思路。 关键词 :大蜡螟，生物降解，农田残膜 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 地膜覆盖种植技术带动了农业的增产增效，但应用最为普遍的聚乙烯地膜在自然界几乎不能被降解 [ 1 ]，在土壤中可稳定存在200~400年 [ 2 ]。针对农田地膜残留问题，日本、美国等发达国家已研制出各种具有降解性能的薄膜来替代聚乙烯塑料地膜，但是国内广泛推广使用仍然有限 [ 3 ] [ 4 ]，主要原因是：一是技术不成熟，其会影响作物质量等，二是经济投入成本较大，限制了其推广。这些难以降解的“白色污染”，已成为全球性的农业环境问题 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]。 大蜡螟(Galleria mellonella)属于鳞翅目(Lepidoptera)、螟蛾科(Pyralidae)昆虫 [ 9 ]，富含丰富的蛋白质，具有生长周期短、食料来源丰富、易于大量繁殖等优点，可以食用和饲用，也可以作为试验昆虫用于昆虫病原线虫、寄生蜂、新型隐球菌、抗菌肽、抗菌免疫机制等方面的研究 [ 10 ] [ 11 ]。研究显示 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]，一些有害昆虫能够咀嚼和取食塑料包装，包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)制造的塑料包装袋。有研究者发现 [ 15 ] [ 16 ]，印度谷螟幼虫可以降解PE塑料薄膜，并且从其肠道内分离出2株可以降解PE的菌株：阿氏肠杆菌YT1 (Enterobacter asburiae YT1)和芽孢杆菌YP1 (Bacillus sp. YP1)。螟类昆虫在一定程度上减小农田残膜对农业生产的影响和对农田环境的污染，本文综述了国内外利用大蜡螟的生物学特性降解农田残膜的相关研究，并对大蜡螟在室内养殖技术以及各领域的深度开发利用进行了展望。
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user: 2. 大蜡螟生物学特性 2.1. 大蜡螟的地理分布 大蜡螟的发生与纬度、海拔等温度因素有很大关系，地理分布与蜜蜂的分布大致相同，在低温地区，大蜡螟危害往往较轻或没有危害，而在东南亚热带与亚热带低纬地区危害相当严重 [ 17 ] [ 18 ]。 2.2. 大蜡螟的发育阶段与特性 大蜡螟的发育分为卵、幼虫、蛹和成虫四个连续的阶段。食物和温度的差异使其发育程度不同，因此其发育过程可持续6个星期至6个月 [ 19 ]。 卵一般发生在不易被蜜蜂破坏的蜂箱箱底或缝隙的蜡屑处，卵期一般为8~23 d [ 17 ]。正常卵单层紧密粘连成片，呈扁平的不规则六边形或短椭圆形。卵初产时表面光滑，由乳白色逐渐变为灰白色，随孵化时间增长，逐渐出现褐色阴影。 大蜡螟危害以幼虫期为主，幼虫容易在长时间不清扫的蜂群和长时间存放不加以处理的巢脾上滋生 [ 18 ]。幼虫共8龄，每龄期4~7 d，初孵幼虫呈白色，1~2龄幼虫喜食液体饲料，幼虫自2龄开始外形会发生很大变化，在隧道壁上吐丝，虫体保藏在丝织物中，成熟幼虫体增长，重量增加。大蜡螟幼虫发育至5~6龄后，食量猛增，对巢房破坏加剧，最后聚集或潜入蜂箱缝隙中结茧、化蛹、羽化 [ 20 ]。 蛹期6~55 d，蛹呈纺锤形，长12~14 mm，黄褐色，背面有两个排成一排、大而扁平的齿状突起 [ 10 ]。大蜡螟成虫口器退化，在成虫期不取食，雌蛾下唇须向前延伸，头部成钩状。颜色和大小在个体间有相当大的差别，这主要取决于幼虫期的食物组成和不同发育阶段持续时间的长短。雌蛾体长18~20 mm，前翅呈长方形。雄蛾较小，体长14~16 mm，前翅近扇形，外缘有凹陷 [ 20 ]。 2.3. 大蜡螟的室内培养条件 由于大蜡螟在蜂业上重要的经济地位以及作为试验昆虫的广泛应用，其大规模饲养显得尤为重要。要得到大量生长发育良好、生理标准一致的大蜡螟，只有通过人工大量饲养才能实现。而人工大量饲养的关键问题是要有合适的饲料和适宜的环境条件 [ 21 ]。大蜡螟的养殖一般在30℃，60%~70% RH，全黑暗条件下。取食蜜蜂巢，易于群体人工饲养 [ 10 ]，在大蜡螟饲料配方的研究过程中 [ 22 ]，Warren等 [ 23 ] 和Boldt等 [ 24 ] 研究出的2种配方成分较多，成本昂贵，因此未能广泛应用；熊延坤 [ 22 ]、刘长明等 [ 21 ] 和张刚应等 [ 25 ] 分别对以面粉、酵母粉和奶粉等为主要原料的配方进行了研究，得到其成本较低，来源广泛，饲养效果好，可大规模饲养的常规饲料。 2.4. 大蜡螟的研究现状 大蜡螟在昆虫生理生化、杀虫剂筛选、昆虫毒理学和作为繁殖天敌的食物等研究领域应用广泛 [ 26 ] [ 27 ]；在生理生化和分子生物学领域中，研究主要集中在蜕皮激素、保幼激素和丝腺等方面 [ 28 ]；其幼虫体细胞也可作为生物工程中基因的表达载体 [ 22 ]；在线虫学领域中，它是重要的供试昆虫 [ 29 ] [ 30 ]；在昆虫病原线虫研究领域，大蜡螟是重要的供试昆虫，常用于线虫诱集、线虫活体繁殖、线虫回收及线虫产品质量的检测。也可作为细菌、真菌和病毒的活体寄主 [ 31 ]；另外，可作为农药学上的生测昆虫。 前人曾对自然变温条件下大蜡螟的发育历期作了报道。由于不同的环境条件(如温度、湿度、饲料等)对发育有较大的影响，故所得结果也各不相同。另一些研究者对恒温条件下的大蜡螟生物学特性也作过一些报道，结果也各不相同 [ 32 ]。Beck [ 33 ] 报道过26℃时产卵最多，30℃以上产卵时量迅速下降。Jyothi [ 34 ] 报道33℃时产卵量最高。笔者认为在恒温条件，对大蜡螟的生长发育及产卵等生物学特性进行研究，以了解其基本生物学特性，将为生物测定打下良好的基础。
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user: 3. 大蜡螟与农田残膜降解 3.1. 农田残膜的危害 地膜覆盖技术在农业领域的应用于20世纪50年代，日本首次在草莓种植中采用覆膜技术，随后推广至其他作物 [ 35 ]。1978年该技术引入我国，覆膜具有促进作物早熟、增温保墒、抑制杂草和防治病虫害等诸多优点 [ 36 ] - [ 41 ]，应用规模逐年扩大 [ 42 ]，在农业生产和水土资源高效利用方面发挥了重要作用 [ 43 ]。 目前我国农用塑料地膜产量和用量均居世界首位，是其他所有国家总和的1.6倍。我国农田平均地膜残留量50~260kg/hm 2 [ 44 ]，新疆农田平均地膜残留量已经达到253.2 kg/hm 2 ，是我国平均水平的4-5倍，经过30多年的“累积”，曾经被称为农业发展“助推器”的农用地膜已经带来了新忧患，目前新疆已成为我国乃至世界上残膜污染最严重的区域之一 [ 45 ]。研究发现 [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]，随着覆膜年限的增加，残留在农田里的地膜逐年增加，破坏了农田生态环境和土壤结构，对作物生长发育造成了不良影响，已经成为严重的污染问题 [ 49 ] [ 50 ]。据调查，因地膜残留物造成棉花等农作物根系坏死，导致缺苗断垅影响出苗率平均达14%以上，烂种烂芽率平均达7.8%以上，使棉花、小麦、玉米等十多种作物减产达11%以上 [ 51 ]。总体而言，地膜残留量越多对农作物产量影响就越大。因此，解决农田残膜污染，是农业可持续发展，完成美丽乡村建设任务的重要前提。 新疆9个重点使用地膜的地州农田残膜密度差异较大。其中，昌吉、喀什和博尔塔拉等地州农田残膜密度最大；塔城、阿克苏、巴音郭勒和吐鲁番等地州次之，阿勒泰地区和伊犁州最小。昌吉州农田残膜密度已达263.3 kg/hm 2 ，伊犁州农田残膜密度只有20.1 kg/hm 2 ，昌吉州农田残膜密度是伊犁州的13倍。综上所述，新疆农田残膜分布各地区差异明显，表现为北疆与南疆最高，东疆次之。新疆12个主要使用地膜的作物，农田残膜密度差异较大。其中，棉花、玉米和辣椒作物的农田残膜密度较高，马铃薯、制种玉米的农田残膜密度较低。棉田残膜量达到197 km/hm 2 ，而马铃薯田只有38 km/hm 2 ，棉田是马铃薯田残膜密度的5.2倍。综上所述，新疆不同作物农田间残膜分布差异明显。综合残膜密度和作物种植面积看，棉田的残膜问题最为突出 [ 52 ]。 为了减缓残膜对农作物的不良影响，在耕作季结束后，需要对农田中的残膜进行回收处理。目前新疆地区主要采用人工捡拾、机械回收或两者组合方式。由于当前使用地膜厚度普遍在0.008 mm~0.010 mm之间，机械强度不大，人工和机械回收率仅能达到60%和80%左右。除了回收地膜外，能够自然降解的生物基塑料制品成了地膜领域研究的热门。可是这些被普遍看好的绿色可降解制品，在市场上却面临“推而不广”的局面。原因在于市面上大部分可降解地膜价格都比普通PE地膜贵1.5~3倍，而且实际使用效果并非全部优于聚乙烯PE地膜。2015年，我国农业部颁发的《关于打好农业面源污染防治攻坚战实施意见》中明确了未来5年的农田残膜污染治理目标，即力争到2020年将农田残膜回收率提升至80%以上，实现农田残膜的资源化利用 [ 53 ]。国家相关部门对农田残膜污染问题的重视程度的加强，将会促进农田土壤的可持续利用。 3.2. 农田残膜处理的研究现状 目前关于农田残膜对作物生长影响的研究逐渐增多，以新疆为代表的西部地区农田残膜污染尤为严重，农田中的残膜量已经达到300 kg/hm 2 甚至更高。随着农田中残膜量的逐年增加，给多种作物已经带来了负面效应，有的甚至能减产10% [ 3 ]。随着覆膜年限的增加，地膜带来的增产效应将会被残膜的减产效应所抵消，残膜污染已经成为我国尤其是西部地区不可忽视的问题。虽然使用可降解地膜是未来的发展趋势，但在很长时间内仍然面临成本和使用效果的双重考验。过去及现在使用的地膜基本上都是聚乙烯材料，它的化学惰性极强，在材料学领域，被认为是几乎不能被自然降解的。 3.3. 大蜡螟在农田残膜生物降解中的作用 全世界每年累积约4000万吨的塑料废物，带来严重的“白色污染”。国外从上世纪八十年代就开展了聚乙烯的生物降解研究。研究结果表明聚乙烯的生物降解是微生物或酶切断聚合物分子链，在分子链水平上利用生化过程降解塑料的方法 [ 54 ]。生物对塑料降解的过程初步可以分为4个阶段：生物黏附侵蚀塑料；塑料经过生物氧化作用或酶水解成低聚物片段；塑料聚合键断裂，形成脂肪酸；脂肪酸的生物代谢利用，最终分解成为二氧化碳和水 [ 55 ] [ 56 ]。国外在多种塑料的生物降解领域有了较快的进展 [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]。如日本科学家从环境中筛选到一株艾德昂菌，其在30℃下六周左右时间几乎完全降解了一块PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯，常见于饮料包装瓶)薄片，最终产生二氧化碳和水。西班牙的科学家发现大蜡螟幼虫喜欢咬食聚乙烯塑料袋，且证明聚乙烯在昆虫肠道内降解为小分子物质，降解过程由肠道微生物主导，但具体代谢途径和降解产物仍未探明 [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]。 国内研究人员发现某些微生物和昆虫能够降解聚乙烯。随着研究逐步深入，发现通过生物制剂(微生物和酶)无害化降解农田中的聚乙烯地膜残留物在理论上成为可能，生物制剂降解策略极有可能成为减少农田“白色污染”的有效途径 [ 64 ]。目前研究发现降解聚乙烯地膜的生物主要是真菌和细菌等微生物，真菌菌丝比孢子降解聚乙烯效果更好。青霉(Penicillium simplicissimum YK)能降解M w (分子量)为4000~28000的聚乙烯，并能使硝酸预处理氧化产生的-CC-键断裂；有些链霉菌(Streptomyces sp.)也能产生胞外水解酶在3周内降解经氧化预处理的聚乙烯淀粉。麦芽糖假丝酵母(Candida maltosa)、细菌中的奈瑟氏球菌科(Neisseriaceae)等细胞色素P450氧化还原酶能催化与聚乙烯结构类似的分子量较低的烷烃和聚乙烯蜡的降解 [ 57 ]。北京航空航天大学的研究人员 [ 65 ] 发现面包虫和大蜡螟的肠道微生物(Geobacillus菌、Pseudomonas菌和Serratia菌)能够降解聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)塑料。面包虫仅靠啮食聚苯乙烯泡沫塑料能存活一个月以上，进食泡沫塑料16天后，将聚苯乙烯转化为二氧化碳和虫体组织的比例分别达到47.7%和0.5% [ 66 ]。
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user: 4. 总结与展望 近些年来，随着对大蜡螟开发利用研究的不断深入，关于大蜡螟的经济利用价值受关注程度越来越高，大蜡螟在线虫学、细菌学、真菌学和病毒学的科学研究上是重要的实验昆虫 [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]，在农药学上可作为生测试虫，在分子生物学研究中是优良的生物反应器载体 [ 27 ]，也还是淡水鱼类、鸟类、爬行类和两栖类动物的一种优良饵料 [ 32 ] [ 67 ]。大蜡螟富含丰富的蛋白质，具有生长周期短、食料来源丰富、易于大量繁殖等优点，近几年研究重点逐步由对大蜡螟的防治转向农业应用和商品化生产上。 利用大蜡螟的生物学特性以及室内培养方法，在农田残膜污染治理方面进行深入探究，有望为农田土壤可持续提供一条新思路。在推动新疆农用地膜发展、残膜污染治理、农业生产水平提高、农民增收致富以及发展环境友好型农业产业方面都具有十分重要的影响。同时相关技术成果也可扩展到大众生活消费领域的塑料袋等白色垃圾的生物降解，综合农业与非农业技术辐射到全国将产生重大的生态效益和社会效益。
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user: 摘 要 以三峡库区香溪河流域为研究区，利用现场观测实验及查阅文献等方法确定不同污染源负荷模型输出系数，估算得出香溪河小流域土地利用、畜牧养殖及居民生活三种污染源负荷。结果表明，林地和旱地是土地利用污染源负荷中贡献率最大的，香溪河小流域总氮负荷量(TN)由高到低依次为畜牧养殖污染 > 土地利用污染 > 居民生活污染，而总磷负荷量(TP)由高到低依次为土地利用污染 > 畜牧养殖污染 > 居民生活污染。因此，选择合理的农田管理措施，有效控制林地、旱地施肥量及畜牧养殖污水排放，是防控三峡库区香溪河流域非点源污染的关键。 关键词 :输出系数模型，现场观测，数值模拟，非点源污染，总氮总磷 Copyright © 2020 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 三峡库区是我国重要的淡水水源地，是我国南水北调中线工程的重要补给水源。由于库区次级河流氮磷浓度较高，自三峡水库蓄水以来，受水位壅升和回水顶托的影响，“水华”频发。随着库区点源污染逐步控制，非点源污染(又称面源污染)逐渐成为库区水环境污染的主要原因，因此开展对三峡库区非点源氮磷负荷的估算和预测研究，对库区的水环境安全和水污染的治理具有重要的理论和实践意义。 随着国家重大水专项的进展，水污染治理进入新阶段，开展对非点源污染的控制和治理成为重要的课题，而输出系数模型在非点源污染年负荷模拟和分析中发挥着重要的作用。目前，很多研究者利用输出系数模型，对国内外相关流域的非点源污染负荷进行了模拟分析研究，结果均表明输出系数模型在资料缺测地区进行非点源污染负荷模拟研究优势明显 [ 1 ] - [ 12 ]。同时，总体上可以看出，目前的研究多基于输出系数模型采用定性分析等方法对面源污染负荷进行估算，模型的相关计算参数主要通过理论计算或者查阅相关文献来确定，未在研究区开展相关观测实验。 本文拟针对三峡库区的香溪河典型小流域，结合研究区径流小区实验结果及相关文献，基于输出系数模型估算研究区非点源污染负荷，主要包括总氮(Total nitrogen， TN)负荷、总磷(Total phosphorus， TP)负荷，分析不同污染源对研究区非点源污染负荷的贡献，以期为香溪河流域乃至整个三峡库区非点源污染防控提供决策依据。
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user: 2. 研究区概况 香溪河是三峡库首的第一大支流，位于湖北省兴山县境内，流域总面积约为3150 km 2 ，拥有南阳河、古夫河、高岚河3条主要支流(图1)。香溪河流域属亚热带大陆型季风气候，多年平均气温17.1℃，多年平均降雨量为900~1200 mm，年均降雨日为130 d，降雨主要集中在5~9月。土壤类型繁多，有黄壤，黄棕壤，石灰土，紫色土，水稻土，潮土等。香溪河流是三峡库区典型的农林复合小流域，土地利用类型主要分为水田、旱地、林地、果园、草地、水域和城镇用地。土地利用类型及面积见表1。 Table 1 The land use of the Xiangxi River basi 序号 土地利用类型 面积(km 2 ) 占流域面积比例(%) 1 水田 54.81 1.74 2 旱地 120.02 3.81 3 林地 2774.70 88.08 4 果园 15.12 0.48 5 草地 164.13 5.21 6 水域 16.07 0.51 7 城镇用地 5.36 0.17 8 合计 3150.21 100 表1. 香溪河流域土地利用情况表 随着三峡水库的建设，库区内的人口进行了大规模的迁移，区域内人口快速的增长，库区的畜牧养殖业主要以养殖牛、猪、羊和家禽为主，根据查阅《兴山县统计年鉴》及香溪河流域相关区县2010年政府工作报告等相关资料，得出2010年香溪河流域农业人口为13.1251万人，香溪河流域畜牧养殖规模为：牛2624头，猪312，519头，羊107，249头，家禽378，200只。 因库区人多地少，实践“高投入，高产出”传统的经营模式，在降雨条件下水土流失、化肥流失及养殖污水排放引起的非点源污染是香溪河水体富营养化的重要原因。 图1. 香溪河流域意图
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user: 4. 结果分析 4.1. 不同土地利用总氮、总磷负荷特征分析 根据香溪河流域土地利用类型情况及本文所得的土地利用输出系数，所得的不同土地利用类型非点源TN、TP负荷估算值见表7。不同土地利用利用总氮、总磷贡献率见图2。 Table 7 Estimated TN and TP load of land use source in the Xiangxi River basi 土地利用类型 土地利用面积(km 2 ) TN (t) TP (t) 城镇用地 5.36 3.84 2.12 水田 54.81 29.60 10.14 旱地 120.02 75.37 37.09 林地 2774.7 288.57 94.34 草地 164.13 46.28 6.07 水域 16.07 9.32 2.64 果园 15.12 6.80 1.32 总量 3150.21 459.79 153.71 表7. 香溪河流域土地利用污染源总氮、总磷负荷估算表 从图中可以看出，从总量上看，林地的总氮、总磷排放量最大，其次是旱地、草地和水田。分析其中原因可知，因林地面积占整个流域面积的比例高达88.08%，所以林地的总氮排放量占流域总排放量的63%，总磷排放量占流域总排放量的61%。旱地的总氮、总磷排放量在整个流域所占比例也较大，分别为16%和24%。因此，在香溪河小流域，林地、旱地氮、林流失的控制应为基于土地利用类型的面源污染防控的重点。 图2. 香溪河流域不同土地利用总氮、总磷负荷贡献率示意图 4.2. 不同污染源总氮、总磷负荷特征分析 香溪河流域不同污染源总氮、总磷负荷示意图见图3。 从图中可以看出，香溪河流域总氮负荷量由高到低依次为畜牧养殖污染 > 土地利用污染 > 居民生活污染，而总磷负荷量由高到低依次为土地利用污染 > 畜牧养殖污染 > 居民生活污染。因此，控制总氮污染负荷的关键在于控制畜牧养殖污水排放，而控制总磷污染负荷的关键在于合理优化农业种植模式，减少农田施肥量。 图3. 香溪河流域不同污染源总氮、总磷负荷
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user: 5. 结论 本文基于输出系数模型，利用试验观测数据计算和考参考文献查阅的方法，确定了土地利用、畜牧养殖及农村居民生活污染源的输出系数，估算了三峡库区香溪河小流域2010年各污染源的总氮、总磷负荷量，并进行了相关分析，结果表明不同土地利用类型非点源氮、磷排放负荷总量最大的为林地和旱地，合理管理林地及旱地化肥施用是防控土地利用污染的关键。对于不同污染源的总氮、总磷负荷排放量，畜牧养殖污染源排放的总氮负荷最高，而土地利用排放的总磷负荷最高。因此，选择合理的农田管理措施，有效控制林地、旱地施肥量及畜牧养殖污水排放是防控三峡库区香溪河小流域非点源污染的关键。
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user: 摘 要 本研究利用不同空间频率与对比度的正弦光栅视标，量测眼睛视觉系统的分辨力与生理功能，建立成人对比敏感度(Contrast Sensitivity Function)量测技术。一般视力检查采用较高对比度视标对受测者黄斑部做视力检查，无法客观获得受测者对物体的渐层黑白与微细部分的对比敏感度真实反应。正常视力对比敏感度函数完整曲线分布为倒“U”型，高于倒“U”型表示优，低于倒“U”型为不佳。本实验选用视力1.0的16位老年人进行测试，发现受测者对比敏感度测试值在倒“U”带区的低、中及高频区域都偏低。分析原因系老年人随着年龄增长，眼睛屈光介质光学特性下降、视网膜解析能力减弱及感光细胞逐渐凋零，致使无法获得正常倒“U”形反应。 关键词 :对比敏感度，空间频率，视力检查 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 简介 人类眼睛获得讯息过程中有80%以上是靠视觉处理取得 [ 1 ]，良好视觉功能不仅是中心视力达1.0，应还包括对不同空间频率的对比敏感度是否正常，一般正常视觉检查中对比敏感度常常被忽略。有些特殊职业工作上更需要做对比敏感度检测，例如飞行员、航海员 [ 2 ] [ 3 ]。人们对事与物的察觉除了清晰外，只以视力表检查视觉功能是不够完备，还需包括不一样对比水平。随着科技进步人类寿命增长，良好视觉功能质量对老年人更是迫切需要，加上社会型态结构改变，生育率下降，未来多数老人即将面临独居生活，视觉功能质量差将影响生活起居上的不方便，如因视觉不良引起碰撞跌倒等因素，进而造成家庭及社会医疗负担。透过视觉功能评估提早预防视觉引起的疾病，提升身体与生活质量是未来急需目标，个人觉得视觉质量比视力1.0重要。视觉功能其实是很复杂的，近年来对比敏感度检查已被广泛用于评价视觉系统疾病上，在视觉检查中是属形觉功能检查的一种，它能快速地发现疾病引起的功能障碍，具有早期诊断的意义。老年人在空间频率相比较之下，中频率区域空间频率反应优于低频率区域与高频率区域，表示视觉对比度及视敏锐度下降。证明对比敏感度随年龄的增长，眼睛屈光介质功能减退，造成老年人对比敏感度下降。
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user: 3. 系统架构 本研究受测者系在视力完全矫正下做对比敏感度检测，一般人在中频率区域对比敏感度较高，低频区域尚可，高频区域敏锐度会因受测者近视度数以及散光度数高低不同有所差异性。老年人的空间频率相较之下，中频区域空间频率比低频区域跟高频区域好，印证随着年龄的增长，眼睛屈光功能逐渐下降，进而使对比敏感度跟着下降。 系统架构包括综合验光仪TAKAGI型号VT-5、计算机自动验光机TOPCOM型号RM-8800及液晶视力表机钧丰光学型号C-901A。受测者在视力完全矫正下做对比敏感度检测。本液晶视力表机C-901A对比度变化范围Contrast：20%~0.3%，五种空间频率(SF)分别为1.5、3、6、12、18 c/d (周/度)，每一个空间频率的测试图上有三个线形正弦光栅选项，记录受测者测试结果如图10所示。在量测当中将所有相关数据全部输入计算机。 图10. 系统架构 3.1. 综合验光仪 综合验光仪用于屈光不正检查，所有的镜片皆内建在转轮系统中，综合的镜片收集系统，使验光师能有效轻松的替换各种镜片，让操作更方便。综合验光仪不仅可以用于屈光不正检查，还具有检查眼外肌的屈光不正检查，还具有检查眼外肌的功能，作为眼科视觉工作者的基本检查工具，其作用无可替代。将普通镜片箱内几乎所有的镜片都装入了它的转轮系统中，所以在临床操作上提供了比使用试镜架验光更有效、更快捷的镜片转换可能，通过简单的旋钮，很快转换需要的镜片，特别适合于进行复杂的主观验光。 3.2. 液晶视力表 由于显示器技术的迅速发展，以液晶屏幕为测试界面的视力表一出现，立刻被广泛应用。不仅计算机液晶屏的亮度、对比度和色彩可以根据需要进行调整，更重要的是视目标尺寸、类型、灰度和视标间距可以随心所欲地变化，甚至可以根据需要设置动态的视标。 本研究使用液晶视力表机型号C-901A，图11所示液晶视力表机系钧丰光学公司生产型号为C-901A，对比度变化范围在20%~0.3%，线条密度变化范围18 c/d~1.5 c/d (周/度)。液晶视力表机特性检述如下： a) 液晶屏幕上可显示各种检查用视标及图形，具有对比度测试在内的16项测试功能。 b) 实时的随机更换视标功能。 c) 视力检测值增加十进制的0.7和0.9两种。 d) 视力检测具有低视力表功能。 e) 视力检查仪适用于视力检查以及其他视觉功能的检。 图11. 液晶视力表机 [ 13 ] 液晶视力表机规格简述如下： a) 屏幕可视面积为17吋LED液晶显示屏幕。 b) 使用距离正常视力表：2 M~7 M。 c) 照度175 ± 5 lux。 d) 视标类型E、C、字母、数字、图形、Allen Pics图标对比度测试交叉双住图Cross cylinder。 e) 视力单位五分制5-Grade、十进制Decimal、Log MAR、Snellen (f t)、Snellen (M)。 f) 其他功能有对比度调节。
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user: 5. 结论 在一般生活环境中高对比度的物体不多，使用视力表检查很难完全反应受检者的视觉功能。本研究利用不同空间频率与对比度的正弦光栅视标，建立成人对比敏感度(Contrast Sensitivity Function)量测技术。参与对比敏感度检测实验人数有34位，成人组18位，老年人组16位。类似人耳对声音倒“U”反应，正常状况人眼的对比敏感度在中频区域辨识能力最敏感，高与低频区域辨识能力较差。测试结果成人组16位呈现倒“U”形带状。随着年龄的增长，角膜透明度逐渐降低，水晶体调节能力及透光度下降，玻璃体内的混浊物对光线的散射作用增强，视网膜解析能力减弱，感光细胞逐渐凋亡，整体视觉功能减退。所以老年人组检测出结果没呈现倒“U”形。因测试样本数不足，未来做此量测研究者，用小样本统计作分析。
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user: 摘 要 本文利用目标圆心和相邻四旋翼的位置信息，将感知受限的四旋翼编队系统，在空间中进行姿态一致的编队运动，形成期望的圆形编队队形。通过设计一种基于极限环的解耦控制方法，将问题解耦为高度控制、圆形收敛盘旋及个体间距调整，从而设计一种由高度控制、圆形汇聚控制和间距布局控制组成的分布式控制器，驱动四旋翼编队，形成空间圆形分布飞行。该控制器考虑了四旋翼之间的避碰问题，能在有限时间内达到指定高度，形成期望的圆形相对位置分布，并保持队形，围绕目标盘旋飞行。最后，由仿真和实验验证了该设计方法的有效性。 关键词 :空间圆形编队，有限时间控制，极限环，分布式控制律，编队避碰 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 四旋翼编队在环境勘测、任务侦查等实际应用中的巨大潜力 [ 1 ]，编队作业相较于单架次在高效性、鲁棒性和覆盖能力等方面更具有优越性 [ 2 ]，近年来，涌现出大量四旋翼编队的协同控制研究成果，如行为控制法 [ 3 ]、领航跟随法 [ 4 ] 和基于虚拟结构 [ 5 ] 的编队方法。四旋翼编队之间一般采用集中式控制 [ 6 ]，分散式控制 [ 7 ] 和分布式控制 [ 8 ] 进行信息交互。在分布式编队控制中，由于四旋翼编队间相互作用的拓扑结构，各四旋翼只能获取部分的相对信息，这需要控制方式容错率和扩展性都非常强。 圆形编队是编队控制中的常见队形之一。近年来，其算法引起了国内外众多学者的关注 [ 9 ]。随着半同步模型的发展 [ 10 ]，大量的研究成果 [ 11 ] 为分布式控制圆形编队奠定了基础。Flocchini [ 12 ] 提出了在圆形上部署均匀分布的编队控制方法。王晨 [ 13 ] 考虑了在圆形上形成期望的相对位置分布，利用变增益技术给出了在有限时间内的编队控制。文 [ 14 ] 进一步考虑了受约束的机器人运动，提出了时变、离散的闭环控制。然而，这些研究结果始终限制在圆的一维空间中移动。 对于二维平面中的圆形编队控制，X Défago和A Konagaya [ 11 ] 提出将圆形编队问题分解成收敛和均匀分布两个子问题并分别求解的解耦控制算法。在此基础上，文 [ 15 ] 提出了一种基于极限环的解耦设计方法，能够将平面上的圆形编队问题解耦为目标盘旋和间距调整，并分别设计了汇聚和布局组成的分布式控制器。 然而，该控制器控制平面上的一组多机器人渐近地形成圆形编队的过程需要耗费较多时间。如何加快圆形分布的速度，使其能够在有限时间内完成，文 [ 16 ] 将Lyapunov函数的规律性与整定时间联系起来，设计了一种用于系统有限时间编队控制律，为本文四旋翼空间圆形编队控制器的设计提供了改进思路。本文还充分考虑四旋翼在空间中占据体积，设计避碰控制器，保证多四旋翼在形成编队的过程中不会相互碰撞。 本文的内容安排如下。第二节对空间四旋翼系统进行建模，分别介绍了四旋翼数学模型、系统感知拓扑结构及队形。第三节进行四旋翼空间圆形编队控制器设计。第四节对所设计的控制器进行数值仿真和实验验证，最终证明了所设计空间圆形编队控制器的有效性、有限时间形成圆形分布和避免碰撞的特性。
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user: 3. 控制器设计 图6. 四旋翼空间圆形编队控制器控制结构图 在本节中，四旋翼空间圆形编队问题的控制器控制结构图如图6所示。空间圆形编队问题被解耦为垂直方向的高度控制和水平方向的圆形编队控制问题，其中各四旋翼在水平面上的运动可由四旋翼通过俯仰和横滚运动完成。将三维圆形编队位置控制器解析来看，高度控制能够使四旋翼控制在设定的飞行高度、圆形汇聚控制使各四旋翼进行水平方向的圆形汇聚盘旋、间距布局控制使各四旋翼的个体进行间距调整，使其能在有限时间内形成设定的圆形相对位置分布。同时，还需要考虑四旋翼的实际大小，进行避免碰撞控制。 3.1. 高度控制 本节考虑四旋翼系统需要在期望高度的水平面上进行编队飞行，由于四旋翼的高度控制与水平面控制解耦合，故可采用基于偏差控制的PID控制律，则设计的控制器高度控制如下式12： u i height = K P ( e z i + 1 K I ∫ e z i d t + K D d e z i d t ) ， i ∈ I n (12) 其中， K P ， K I ， K D 分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数， e z i 为各四旋翼实际的高度与期望的高度偏差。该高度控制控制器能够控制四旋翼在设定的空间圆形编队高度上飞行。 3.2. 圆形汇聚控制 在汇聚圆形的控制上利用具有稳定极限环的振荡器，其特性为极限周期附近的轨迹将随着时间的推移最终趋于极限环，能够很好地满足本文所要设计的圆形汇聚的要求。由此，将采用一个二阶非线性振荡器，并且该极限环以目标点为圆心，具有期望的圆形半径。设计的极限环振荡器作为圆形汇聚控制 u i converge 如下式13： u i converge = λ [ γ ( r 2 − ‖ p ¯ i ‖ 2 ) − 1 1 γ ( r 2 − ‖ p ¯ i ‖ 2 ) ] [ x ¯ e i y ¯ e i ] ， i ∈ I n (13) 其中 λ > 0 ， γ > 0 为常数， u i converge ∈ R 2 。需要注意的是，圆形汇聚控制 u i converge 仅使用四旋翼i和目标圆心之间的相对位置信息，用于处理圆形收敛盘旋问题，即每个四旋翼围绕目标 p 0 以半径r逆时针旋转。 3.3. 间距布局控制 为了形成期望的圆形分布，四旋翼i还需要和相邻的四旋翼利用相对位置信息来协调控制。因此在设计控制器的分布控制时，个体间距调整需要聚焦于四旋翼两两之间的角距离 α ^ i ，设计的圆形相对位置分布控制律如下式14： u i distribution = ( d i − 1 d i + d i − 1 α ^ i − d i d i + d i − 1 α ^ i − 1 ) α ， i ∈ I n (14) 其中， α 为且 0 < α < 1 ， u i distribution ∈ R ，可在有限时间内形成四旋翼圆形相对位置分布；当 α = 1 时，形成四旋翼圆形相对位置分布的过程是渐近的。接着，设计的间距布局控制器 u i layout 为下式15： u i layout = c 1 + c 2 2 π u i distribution ， i ∈ I n (15) 其中， c 1 ≥ c 2 > 0 为常数， u i layout ∈ R 。该间距布局控制器可用于处理个体间距调整这一目标，即多四旋翼需要形成期望的圆形相对位置分布d。 3.4. 避免碰撞控制 本节考虑四旋翼的实际大小，考虑各四旋翼与相邻四旋翼在空间中的外形垂直圆柱体之间需要避免碰撞。故采用人工势场法来保证避免碰撞，当相邻四旋翼之间的水平距离小于一定距离时，势场作用力便使相邻四旋翼向相反的方向移动。考虑文 [ 18 ] 中采用的方法，定义相邻四旋翼之间的势场函数如下式16： P i j ( p i ， p j ) = ( min { 0 ， ‖ p i − p j ‖ 2 − R 2 2 ‖ p i − p j ‖ 2 − R 1 2 } ) 2 ， i ， j ∈ I n (16) 其中， R 2 > R 1 > 0 ，如第二节介绍， R 2 表示避碰距离， R 1 表示最小安全距离，当两个四旋翼的距离处于最小安全距离和避碰距离之中时， P i j ( p i ， p j ) 才为非零值。对于整个多四旋翼系统拓扑结构而言，保证每个四旋翼和相邻四旋翼之间的避免碰撞，就可以保证整个多四旋翼系统避免碰撞，从而上述的 P i j ( p i ， p j ) 中的j只需要考虑的是 i − 1 和 i − 1 。然后 P i j ( p i ， p j ) 对 p i 求偏导，得到下式17： ∂ P i j ∂ p i = { 0 ， ‖ p i − p j ‖ ≥ R 2 4 ( R 2 2 − R 1 2 ) ( ‖ p i − p j ‖ 2 − R 2 2 ) ( p i − p j ) ( ‖ p i − p j ‖ 2 − R 1 2 ) 3 ， R 1 < ‖ p i − p j ‖ < R 2 (17) 接着定义函数 P i 如下式18： P i = P i ， i − 1 + P i ， i + 1 ， i ∈ I n (18) 其中， P i 的值越大，说明第i个四旋翼与相邻四旋翼的一个或两个间的距离越接近最小安全距离，因此采用梯度下降法来使得 P i 取得最小值便可保证避免碰撞。本文将避免碰撞控制器设计如下19： u i collisionavoidance = − ( ∂ P i ， i − 1 ∂ p i + ∂ P i ， i + 1 ∂ p i ) ， i ∈ I n (19) 其中， u i collisionavoidance ∈ R 2 ，避免碰撞控制器的控制输入为 x ， y 轴的速度信号。 3.5. 空间圆形编队控制器融合 如前文所述，四旋翼空间圆形编队问题包括机组高度控制、圆形收敛盘旋和个体间距调整三个子问题，由文 [ 15 ] 中解耦设计的思想，本文设计一个由高度控制 u i height 、圆形汇聚控制 u i converge 和间距布局控制 u i layout 组成的分布式控制器，再结合避免碰撞控制器 u i collisionavoidance ，形成空间圆形编队整体控制器如下式20： p ¯ ˙ i = [ u x i u y i u z i ] = [ u i converge × u i layout + β u i collisionavoidance ( 2 × 1 ) u i height ] ， i ∈ I n (20) 其中 β 为避碰控制器的系数，用于调节避免碰撞的灵敏度。 为使 u i converge 与间距布局控制结合仍适用于圆形编队控制器，文 [ 15 ] 已讨论和证明需要限制 u i layout 为正且有界的条件，而本文的间距布局控制可满足该条件。 式20中，所求的控制量 p ¯ ˙ i = [ u i x ， u i y ， u i z ] T 即四旋翼相对于目标圆心的目标速度，而水平面上的运动控制量还需按下式21转换为大地坐标系下的目标加速度。 [ x ¨ e y ¨ e ] = [ u ˙ x i u ˙ y i ] ， i ∈ I n (21) 其中 [ x ¨ e ， y ¨ e ] T 再带入式4进行姿态解算，进而得到设定的欧拉角。
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user: 4. 仿真与实验 前文已详细阐述了四旋翼的运动学模型以及空间圆形编队控制器的控制原理，接下来将在MATLAB中进行仿真实验，以及在VICON系统作为大地坐标系下的位置传感器环境中实现3个四旋翼的空间圆形编队控制。 由前2.2节空间圆形编队问题的定义中，设定以下参数为如表2所示： Table 2 Space circular formation parameter 参数 数值 单位 目标圆心 p 0 [ 0 ， 0 ， 0 ] T mm 四旋翼的初始位置 p i [ − 200 ， − 1600 ， 0 ; − 100 ， − 800 ， 0 ; − 1000 ， − 1000 ， 0 ] T mm 设定圆形编队半径r 1000 mm 设定圆形编队高度h 1200 mm 初始四旋翼间角距离 α ^ [ 0 ， 0.6610 ， 5.6221 ] T rad 期望的圆形分布d [ 2.094 ， 2.094 ， 2.094 ] T rad 四旋翼最小安全距离 R 1 400 mm 四旋翼避免碰撞距离 R 2 800 mm 表2. 空间圆形编队参数 为了体现四旋翼空间圆形编队控制器的有效性、避免碰撞控制器的效果以及圆形相对位置分布有限时间内形成的效果，进行下列实验。 4.1. 仿真结果 本文四旋翼空间圆形编队控制器可以通过参数 λ ， γ ， c 1 ， c 2 调整，其中， λ γ 可以改变圆形收敛速度，而 λ 可以改变旋转速度。通过多次调参，选取参数 λ = 1 ， γ = 0.0000025 ， c 1 = c 2 = 2 ， t = 7 ， K P = 8 ， T I = + ∞ ， T D = 0.525 ，设置无避免碰撞和圆形相对位置分布渐近形成的圆形编队控制器参数为 α = 1 ， β = 0 ，仿真效果图如图7，可以发现各四旋翼相对距离曾低于 R 1 。保持参数 λ ， γ ， c 1 ， c 2 大小不变，在 R 1 和 R 2 之间进行避免碰撞控制，设置圆形编队控制器参数为 α = 1 ， β = 200 ，如图8所示，可以发现各四旋翼相对距离不曾低于 R 1 。进一步对避免碰撞和圆形相对位置分布有限时间内形成的圆形编队控制器参数为 α = 0.1 ， β = 200 ，如图9所示，可以发现有限时间内形成期望的圆形分布。 图7. 参数 α = 1 ， β = 0 时无避免碰撞、圆形相对位置分布渐近形成仿真图 图8. 参数 α = 1 ， β = 200 时避免碰撞、圆形相对位置分布渐近形成仿真图 图9. 参数 α = 0.1 ， β = 200 时避免碰撞、圆形相对位置分布有限时间内形成仿真图 4.2. 实验验证 接下来进行实物验证，各四旋翼由初始位置上升至设定高度，同时进行水平方向的圆形编队盘旋，实际飞行的效果如图10所示。选取上述有避免碰撞、圆形相对位置分布渐近形成和圆形相对位置分布有限时间内形成的两组仿真实验参数，进行飞行实验，得到实际飞行数据记录图如图11和图12所示。 如实际飞行轨迹图11和图12所示，与仿真轨迹有着较高的拟合度，故可验证该四旋翼空间圆形编队控制器的有效性，同时可以看出避免碰撞控制器的特性，以及本文改进的圆形相对位置分布有限时间内形成的效果。 图10. 实际飞行效果图 图11. 圆形相对位置分布渐近形成的实际飞行数据记录图 图12. 圆形相对位置分布有限时间内形成的实际飞行数据记录图
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user: 5. 总结与展望 本文研究了四旋翼空间圆形编队问题，考虑了各四旋翼之间的避免碰撞，控制四旋翼在一定高度进行圆形收敛，围绕圆心在圆形上旋转，并在有限时间内形成期望的圆形相对位置分布。设计了基于极限环的解耦设计方法，利用四旋翼与目标圆心以及相邻四旋翼的位置信息，设计一个高度控制、圆形汇聚控制和间距布局控制组成的分布式控制器，其中高度控制用PID控制四旋翼组维持在一定高度，圆形汇聚用极限环振荡器驱动四旋翼进行圆形收敛并旋转，而间距布局利用避免碰撞条件，控制四旋翼之间的角距离，在有限时间内形成期望的空间圆形编队。最后，给出了仿真和实验，验证了空间圆形编队有限时间控制器的有效性。
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user: 摘 要 以造纸污泥为主要原料，利用烧结法制备多孔陶粒(TL530)，然后用NaOH对TL530进行改性，得到对重金属具有良好吸附性能的功能陶粒(GTL)，并分析GTL对模拟废水中Cu 2+ 的吸附效果与影响因素。以SEM、红外光谱等方式阐明GTL吸附Cu 2+ 的机理。发现造纸污泥制备TL530适宜条件是：造纸污泥与膨润土、碳酸钙、硅酸钠的配比是5:3:1:1，陶粒预热温度是450℃、预热时间是25 min、陶粒烧结温度是1000℃、烧结时间为25 min；TL530改性制备GTL的适宜技术条件为：1 g TL530添加浓度为2.5 mol/L的NaOH 30 mL反应6 h，获得吸附重金属性能可靠的GTL；GTL对Cu 2+ 具有良好的吸附作用，当GTL投加量是0.0025 g/mL模拟废水时，Cu 2+ 去除率可达98.13%；GTL吸附铜离子的机理主要表现为化学吸附。 关键词 :造纸污泥，陶粒，重金属吸附 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 造纸污泥是造纸废水处理产生的固态/半固态产物，其最主要特征为含有大量机物，占比处在40%~60%之间，含水量高，基本不含重金属，是亟待开发利用的生物质资源 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]。在中国境内，造纸行业平均每年会产出高达1.25亿t的污泥 [ 5 ]。然而，大部分均是以目直接填埋、随意堆放的形式来处置 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]，不但要占据大量的土地，还会导致严重的二次污染问题，引起生态环境的破坏 [ 9 ]。因此，如何实现造纸污泥的资源化利用，保护生态环境，引起了业内专家、学者的特别关注。 针对目前的污泥资源利用技术，主要是：土地利用、制堆肥、厌氧消化、建筑材料以及能源转换等 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]。笔者所在课题组针对污泥转换利用展开相关研究过程中，意识到造纸污泥经过热解反应之后所产生的生物炭，有着活性位点数量多、孔隙良好、高位热值等优势。它不但能够用于调理污泥脱水，促使经脱水后的泥饼含水率从80%减少到40%，获得生物质燃料，快速达到污泥利用目标 [ 13 ] [ 14 ]，还能够利用污泥中的有机和无机成分，高温烧结制备功能材料。高温烧结能够分解有机污染物，杀死病菌以及寄生虫，有效固化重金属，防止产生不必要的二次污染问题 [ 15 ]。本文以造纸污泥为主要原料，制备造纸污泥功能陶粒，意在探讨功能陶粒对Cu 2+ 的吸附程度，为造纸污泥的有效利用以及相关技术提升，提供新思路与方法。
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user: 2. 实验部分 2.1. 实验原料及仪器 造纸污泥：选自广东省某造纸厂，测算发现含水率是33.92%，其具体数据见下表1所示： Table 1 Industry analysis of sludg 样品 工业分析/% Q net，ad / M ad V ad A ad FC ad (MJ·kg −1 ) 污泥泥饼 0.99 46.49 47.28 5.24 4.04 表1. 污泥工业分析 试剂：硅酸钠、碳酸钙、氢氧化钠、OP乳化剂、铜试剂、氨水等，均为分析纯 [ 14 ]。 仪器：101型电热鼓风干燥箱；尤尼柯2100型分光光度计；SHA-B恒温振荡器；STM-3-14高温箱式电阻炉 [ 14 ]；Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪；JSM-6380LV型扫描电子显微镜；Thermo escalab 250Xi型X−射线光电子能谱仪。 2.2. 造纸污泥制备功能陶粒(GTL)的方法 首先，将造纸污泥干燥并破碎至粒度小于200目，与膨润土、碳酸钙、硅酸钠按一定的比例混合均匀，人工造粒成粒径为50 ± 5 mm的球粒；然后将造粒球体送入恒温鼓风干燥箱中干燥至水分小于5%；把经干燥处理之后的球粒置于马弗炉内进行预热，高温烧结得到多孔陶粒(TL530)；最后用氢氧化钠对陶粒改性，获得对重金属有较好吸附效果的GTL。 2.3. 含Cu 2+ 模拟废水的配制及Cu 2+ 浓度的测定方法 模拟废水中需要一定量的Cu 2+ ，Cu 2+ 质量浓度是100 mg/L，试验过程中依据需要进行稀释，采用可见分光光度方法来测算Cu 2+ 的实际浓度，并求出陶粒对于Cu 2+ 的去除率以及吸附容量值的大小，采用GTL对Cu 2+ 的去除率以及吸附容量的大小评价其实际吸附水平 [ 14 ]。 Cu 2+ 标准溶液的配制：事先称取出约0.3765 g CuNO 3 ∙3H 2 O固体放置烧杯内实现溶解，而后放置于1000 mL容量瓶内实现定容，振荡摇匀，可获得100 mg/LCu 2+ 标准溶液，其pH值 = 5.23，放置于安全地方等待使用。 Cu 2+ 浓度的测定：事先将一定量的测溶液放置在25 mL比色管内，而后分别添加5 mL pH = 9的铵—氯化铵缓冲液、1 mL 2% OP乳化剂、13 mL 1 g/L铜试剂。在每一次添加结束之后，都要进行适度振荡操作。添加适量去离子水物质，使其与刻度线视线相平行，摇匀之后，置于一旁(时间控制在18 min)。采用分光光度计于443 nm波长，以去离子水作为参照物体，测算该溶液的吸光度，按照Cu 2+ 标准曲线来测算浓度水平 [ 14 ]。 图1. Cu 2+ 标准曲线 Cu 2+ 标准曲线绘制：配制20 mg/L的Cu 2+ 标准溶液，分别取0.5、1、1.5、2、2.5 mL于25 mL比色管内，参考Cu 2+ 浓度测算公式，得到Cu 2+ 标准曲线，其纵坐标是吸光度，横坐标是Cu 2+ 浓度。见图1。
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user: 4. 结论 1) 用粒径小于200目的造纸污泥(干基) 50 g与膨润土30 g、碳酸钠10 g、硅酸钠10 g混合均匀，加入一定量的水，手动制成粒径为50 ± 5 mm的球粒，然后将球粒在450℃下恒温预热25 min，随后，在1000℃条件下进行恒温烧结，时间控制在20min。而后，借助于炉使其降低到室温，获得多孔陶粒TL530；用50 g TL530，加入摩尔浓度为2.5 mol/L的NaOH溶液1500 mL，置于30℃恒温摇床内进行振荡，时间控制在6 h，而后将其降低到室温，以去离子水将其转变为中性，放置105℃烘箱内进行干燥，可得到吸附性能良好的GTL 41.3 g。 2) GTL对于Cu 2+ 具备较强的吸附作用，如果将GTL添加量控制在0.0025 g/mL模拟废水，则Cu 2+ 去除率接近98.13%。 3) GTL对于Cu 2+ 的吸附表现，与Langmuir吸附等温模型相类似，提升GTL对于Cu 2+ 的吸附。 4) GTL吸附铜离子的机理是化学吸附，也就是GTL里富含羟基官能团，Cu 2+ 可以和羟基共同作用转化为络合物，基于化学键固定于GTL的表面或是孔内，进而实现祛除模拟废水内铜离子的目标。