探究不同结构特征的防护林带的风速流场及空气动力学特征,对合理配置防护林带、减轻风沙灾害具有重要意义.本研究将树冠假设为多孔介质,以总高度(H)为7 m、冠层高度为5.8 m、冠层底部宽度为2 m的日本"築地松"林带为例,考虑5种林带断面形状(矩形、迎风直角三角形、背风直角三角形、等腰三角形和抛物线形)和4种布置形式(单条林带、L型林网、U型林网和矩型林网),采用大涡模拟(LES)湍流模型进行计算流体力学(CFD)数值模拟,揭示不同结构特征的防护林带的平均风速流场及湍流结构,研究林带断面形状和布置形式对防护林带防护距离及防护面积等防风效应指标的影响.结果表明:数值模拟与野外实测得到的不同高度处的平均风速和湍动能的平均相对误差较小,分别为5.5％和12％,多孔介质冠层模型可成功再现林带背风区的平均风速和湍动能.矩形断面林带冠层体积最大,对气流的阻碍作用最显著,在靠近林带附近的背风区中上部(z≥0.5H,z表示高度)区域,平均风速和湍动能显著降低,防护范围最大;抛物线形断面林带的防护范围其次;断面形状呈迎风直角、背风直角和等腰三角形的林带再次.在林带下游水平距离(x)≥10H的区域,不同断面形状林带的平均风速和湍动能趋于相同.对比单条林带、L型、U型和矩型林网的流场结构特征发现,与来流风速垂直方向的林带越多,林带冠层后的风速衰减越明显,气流需要更长的距离方可恢复至来流风速,而与来流风速方向平行的防护林带的防风效应极为有限,因而,U型和矩型林网比单条林带和L型林网的防风效应更显著.研究结果可为防护林带的结构配置与优化布局提供参考.

森林的垂直结构是地上植被要素在垂直方向上的排列,它影响动植物多样性和生态系统功能,是许多植物生态学家关注的重点.背包激光雷达技术的发展为大面积、高精度扫描三维森林结构提供了基础.直观反映生物量的冠层高度(canopy height,CH)、代表植物光合能力的叶面积指数(leaf area index,LAI)和单木尺度上的特征是森林垂直结构最重要的参数.本研究旨在探索鸡足山半湿润常绿阔叶林样地尺度和单木尺度上的垂直结构特征.本研究基于背包激光雷达,对滇中高原20.16ha半湿润常绿阔叶林样地群落的CH和LAI进行了精细扫描和点云定量分析,在进行地形校正和群落分类的基础上,精细提取和分析了森林群落的叶面积指数的垂直变化和水平格局,并定量提取了群落常见乔木种的单木形态和垂直结构参数.结果显示:(1)以20 m × 20 m标准样方为统计单位的CH和LAI的分布接近正态分布;(2)根据LAI的垂直分布,森林动态监测样地群落冠层由上至下可划分为林冠上层、林冠中层、林冠下层与灌木层4个层次;(3)元江栲(Castanopsis orthacantha)和高山栲(C.delavayi)群落的LAI垂直变化呈单峰格局,峰值高度分别为15 m和13 m,云南松(Pinus yunnanensis)群落为双峰格局,峰值高度为5 m和10 m;(4)不同树种的各单木参数表现出较大的差异性,但冠幅面积/胸径比表现出相对的稳定性.本研究在国内首次基于激光雷达技术定量分析具有复杂结构的半湿润常绿阔叶林的叶面积指数的三维格局,或可对以后该类型森林生物多样性的研究和不同森林类型之间的比较研究提供数据基础.

目的:通过医学三维有限元数字化建模,探讨当龋洞内有不同大小的倒凹时,采用传统外展预备和留有倒凹的微创预备两种预备方式对嵌体修复的力学影响,以期为临床工作提供理论指导.方法:采用 CBCT 扫描生成下颌第一磨牙根管治疗 O 缺损且颊侧壁有半球形倒凹的有限元模型,3 种倒凹直径(1、2、3 mm),3 种倒凹充填材料(流体树脂、玻璃离子、粘接剂).采用两种不同的嵌体预备方式(A组为留有倒凹的微创预备,B组为传统外展预备).比较两组中各结构应力大小和分布情况.结果:(1)两种倒凹的处理对牙齿应力水平有一定影响.在倒凹充填材料和倒凹直径均一致的情况下,垂直加载时 A、B两组,牙釉质的应力值基本相同,牙本质的应力值 A 组略大于B组,修复体应力值B组明显大于 A 组;斜向加载时 B组牙釉质、牙本质和修复体的应力值均大于 A 组.(2)A组中不同材料充填倒凹后,各结构应力值略有差异,就倒凹层的应力及应变峰值分析,流体树脂应力相对较小且均匀.结论:从生物力学角度看,留有倒凹的微创预备方式有利于保护牙釉质和改善修复体应力,尤其是受到侧向力的情况,但是要保证倒凹冠方有足够的牙本质;倒凹充填材料的选择对整体影响较小,综合来说,流体树脂是比较优良的选择.

目的 通过定量计算机断层扫描(QCT)方法 对老年尸体股骨头内的骨密度分布进行矢量性定量分析,探讨老年转子间骨折使用髓内固定系统时头钉的合理位置,为临床治疗此类疾病提供理论依据.方法以8具16侧高龄尸体髋部为研究对象,行髋关节离断,行QCT扫描.以股骨头几何中心点为原点,沿股骨颈长轴并经原点为X轴,经股骨头原点且在冠状位上垂直于X轴的为Y轴,经股骨头原点且垂直于冠状面的为Z轴,三轴互相垂直通过原点,构建三维立体空间结构.分别依X、Y、Z轴方向进行QCT扫描,扫描厚度为3 mm,依扫描骨密度值,经统计学分析后描绘股骨头内部骨密度的分布曲线.结果 离体高龄尸体股骨头内骨密度在X、Y、Z轴矢量方向上均呈单峰样连续曲线变化,样本骨密度分布表现一致,差异无统计学意义(P>0.05).沿X轴骨密度峰值区域出现在股骨头中心点近端约0.9～1.5 cm范围内;沿Y轴骨密度峰值区域出现在以Y轴为轴心线两侧0.9 cm区域内;沿Z轴骨密度峰值区域出现在以Z轴为轴心线两侧0.6 cm区域内(P<0.05).三个轴线的高骨密度区域围成的三维空间区域,提示为股骨头内头钉最佳放置区域.结论 经定量CT测定,股骨头内骨密度呈现沿矢量方向规律曲线变化,并存在相对骨密度高值区域,提示临床在使用髓内固定系统治疗老年转子间骨折时应将头钉置于合理的骨密度较高区域,以获得良好的内固定效果.

林冠光能截取(LI)与叶片光合生理特性的关联性反映了植物功能性状对光环境变化的响应及适应,是冠层结构和环境条件综合作用的结果.在张掖市黑河干流边缘的洪泛平原湿地随机选择10个样地,按等分原则将样地内的旱柳(Salix matsudana)冠层分为上、中、下3个层次,研究了旱柳冠层各层次LI与叶片蒸腾速率(Tr)、净光合速率(Pn)的相互关系.结果表明:随着旱柳冠层下降,叶面积指数(LAI)、平均叶倾角(MLA)、叶厚度、光合有效辐射(PAR)、LI、Tr和Pn均呈逐渐减小趋势,叶面积呈逐渐增加趋势,叶片含水量呈先增大后减小的趋势,叶片聚集类型由聚集为主转向分散为主;在树冠上层和下层,LI与Tr、Pn均呈显著正相关(P＜0.05),中层呈极显著正相关(P＜0.01).在旱柳冠层内部,上层倾向于减小LI、Tr与Pn的保守性生存模式,中层和下层选择增大LI、Tr与Pn的开拓性模式,反映了湿地植物在异质性生境中根据其功能需求在自身性状之间进行的资源优化配置.

利用涡动相关系统测定黄河小浪底森林生态系统定位研究站人工林在萌芽期(2015年3月15日至4月15日,春季)和叶片成型期(2015年7月15日至8月15日,夏季)的微气象数据,分析了冠层湍流微气象特征、湍流强度、湍流风速标准差和总体输送系数,旨在深入了解森林生态系统的微气象特征,为进一步研究能量平衡与物质交换提供工作基础.结果表明:冠层湍流谱在低频部分具有峰值频率,惯性副区具有明显的耗散趋势,基本符合-5/3规律.冠层结构对湍流强度影响明显,春季湍流旺盛时,风速小于3m·s-1,而夏季时风速小于2m·s-1.湍流风速标准差符合1/3次幂相似规律,且水平方向比垂直方向的拟合效果好.冠层风速在u、v、w3个方向分量的风速标准差与摩擦风速比值在春季为2.55、2.06和1.30,在夏季为2.61、2.45和1.21.总体输送系数随稳定度的增加而逐渐减小,在不稳定层结和稳定层结条件下可相差1～2个量级,冠层结构对各方向的湍流风速具有直接影响,从而改变物质能量在冠层的扩散方向.

目的 分析内芯致密外层不同孔隙率结构的钛种植体周围骨组织应力分布情况,评估多孔结构钛种植体的生物力学性能.方法 建立5组直径为4.1 mm的种植体三维有限元模型:实心(A组)、外层孔隙率为30％中央实心支柱直径分别为1.5和3.1 mm(B和C组)、外层孔隙率为40％中央实心支柱直径分别为1.5和3.1 mm(D和E组);同时建立4类骨组织、上颌第一前磨牙牙冠、基台模型.将5组种植体装配于Ⅲ类骨组织中,分别施加150 N垂直和50 N侧向载荷;将5组种植体分别装配于4类骨组织中,加载极限(牙合)力载荷;分析种植体及周围骨组织von Mises应力分布.结果 各种载荷条件下B～E组多孔结构钛种植体骨界面最大von Mises应力均大于A组.极限(牙合)力载荷下,随着种植体多孔层厚度和孔隙率的增加,以及骨组织质量的降低,骨组织的最大von Mises应力增加.在Ⅲ类骨中垂直加载时A组最大von Mises应力为17.56 MPa,B、C组种植体最大von Mises应力较A组大,D、E组进一步增大,可达69.24 MPa;侧向载荷、极限(牙合)力载荷下结果相似.同组种植体周围骨应力随骨组织质量降低而增加,D组种植体周围骨组织最大von Mises应力可达134.95 MPa.结论 种植体的多孔结构有利于应力向周围骨组织传导,可增加骨组织受到的力学刺激,但若(牙合)力大小、方向不当,或骨组织质量不佳,则多孔结构种植体可能产生病理性应力.

林下灌草层物种种群内竞争是森林生态系统发育和演替研究的重要组成部分.通过模拟去除边缘效应,对3种赤竹属灌木竹种——铺地竹(Sasa argenteastriatus)、菲黄竹(S.auricoma)、菲白竹(S.fortunei)3种植物对地上竞争的可塑性响应研究.研究发现:(1)3种赤竹属竹种的垂直结构和器官(根、茎和叶)表征了在进化尺度上3种植物内源的相似性和表型可塑性差异;(2)根冠比表明在高密度条件下菲黄竹投入到地上部生物量大于低密度条件,菲白竹类似,铺地竹则相反,3物种在向最大生长速率进化的过程中,遇到生理(光合)和分配之间的交换关系而产生的矛盾选择;(3)菲黄竹与菲白竹较慢的光合速率,表明在生理上已经对高密度处理产生可塑性变化,并且这种可塑性是以缩短叶寿命为代价的.

分析了濒危植物树枫杜鹃种群结构及伴生群落物种组成、乔灌层物种多样性、垂直成层及个体径级结构等特征,并通过冗余分析(RDA)、典范对应分析(CCA)方法检验了树枫杜鹃种群及群落乔灌层物种组成与环境因子间的关系.结果 表明:(1)树枫杜鹃种群径级结构呈单峰型,更新不连续,缺乏幼苗,幼株时期为又一死亡高峰期,种群呈衰退趋势;(2)4个伴生群落中共有木本植物56种,隶属于23科40属,优势科为壳斗科、蔷薇科、槭树科、杜鹃花科,林下多箭竹(Fargesia spathacea);伴生群落的乔灌层多样性指数均较低,草本层不发达;群落1与群落2为高度1～1.5 m的灌丛,群落3为高度3～4m的常绿阔叶-苔藓矮林,群落4为高度8～10m的常绿落叶阔叶混交林;树枫杜鹃均位于群落下层,相比于乔木林群落,其在灌丛群落中生长较占优势;群落中耐阴种的小径级个体比例大,均呈增长趋势,林下竞争将持续增强;(3)前向选择及蒙特卡罗(Monte Carlo)检验表明,坡位对乔木层物种组成影响极显著,郁闭度与坡向对灌木层物种组成影响极显著(P＜0.01);而枯落物厚度与空气相对湿度是影响树枫杜鹃幼苗的主要环境因子,林冠郁闭度、坡向则是影响幼株与成株的主要环境因子;同时,幼株与成株也分别受到林下物种密度与林下竹类覆盖度的影响(P＜0.01).因此,疏伐上层林木,人为干预林下幼树及箭竹的生长,并清理地表枯落物,对缓解树枫杜鹃濒危的现状及维持其种群的发展具有重要意义.

群落结构在森林生态系统中具有重要作用,其构建机制一直是森林生态学的研究核心.群落结构不仅包括水平方向上的物种分布格局,还包括垂直方向上的物种分层结构.本文基于鼎湖山南亚热带常绿阔叶林塔吊样地,利用林冠塔吊和测高杆精准测量样地内每个个体(胸径大于1 cm)的树高,并划分群落的垂直层次,研究了每层的群落多样性特征(α多样性)和林层间的群落多样性变化特征(β多样性).结果 表明:(1)样地群落垂直层次由下至上分为5层:灌木层、亚冠层、林冠下层、林冠中层和林冠上层.(2)随林层向上,物种丰富度、多度和Shannon-Wiener指数均下降,Pielou均匀度指数在林冠下层最大.(3)利用POD法计算并分解β多样性,发现随林层向上,β多样性在灌木层与其他各层间呈递增趋势,在相邻林层间呈单峰型,不同林层间的物种组成差异主要由丰富度差异造成.但在林冠下层与林冠中层间丰富度差异较小,物种替换组分增大,可能与林冠下层所处特殊位置有关.(4)各林层内微环境从灌木层向上,趋于高温、强光照和低空气相对湿度,但林冠下层平均日光强最低.综上,鼎湖山南亚热带常绿阔叶林林冠下层可能存在强烈的环境筛选作用,且光照可能是影响群落垂直结构形成的限制因子.