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类型温室中的绿色生态臭氧病虫害防治234.doc

  • 上传人:HR专家
  • 文档编号:5843534
  • 上传时间:2019-03-19
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    温室中的绿色生态臭氧病虫害防治234.doc
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    1、温室中的绿色生态臭氧病虫害防治数学建模论文队员 1: 吴 悠 班级:08040802队员 2: 黄海舰 班级:11090801队员 3: 沈 谋 班级:10010704目录:摘要: - 2 -关键词: - 2 -1 问题的重述 - 3 -2 问题的分析 - 3 -2.1 问题一分析 - 4 -2.2 问题二分析 - 4 -2.3 问题三分析 - 4 -2.4 问题四分析 - 5 -3 模型的建立与求解 - 5 -3.1 问题一: - 5 -3.1.1 相关假设 - 5 -3.1.2 符号的定义和说明 - 5 -3.1.3 模型的建立与求解 - 5 -3.2 问题二 - 5 -3.2.1 相关假

    2、设 - 5 -3.2.2 符号的定义和说明 - 5 -3.2.3 模型的建立与求解 - 5 -3.2. 4 农药锐劲特使用方案: - 5 -3.3 问题三 - 5 -3.3.1 相关假设 - 5 -3.3.2 符号的定义和说明 - 5 -3.3.3 模型的建立与求解 - 5 -3.4 问题四 - 5 -3.4.1 相关假设 - 5 -3.4.2 符号的定义和说明 - 5 -3.4.3 模型的建立与求解 - 5 -3.4.4 模型的评价 - 5 -3.5 问题五 - 5 -4 模型的评价与改进 - 5 -参考文献 - 5 -摘 要 :臭氧杀菌技术是一项绿色环保的新型杀菌技术。在农业生产使用中,臭

    3、氧与杀虫剂各有利弊。本文所建立的模型是为了分析病虫害对农作物的影响,以及使用杀虫剂后和温室中使用臭氧后农作物的生长情况,研究如何有效地利用臭氧和温室效应造福人类,减少其对人类的负面影响。在这个题目中,我们充分利用数学知识联系实际,做出了相应的解答和处理。问题一中,对题目给定的数据通过数据拟合,在自然条件下,建立病虫害与生长作物之间相互影响的数学模型。中华稻蝗对水稻的减产率用一元四次多项式拟合较好,稻纵卷叶螟对水稻减产率用最小二乘法拟合误差较小,而且也符合实际情况,综合两种虫害对水稻的影响,即为其对水稻影响的综合作用。问题二中,运用振动模型求解出生长作物、病虫害和杀虫剂之间的作用,求出水稻的产量

    4、与锐劲特使用量的关系,再根据利润=产量 单价-肥料投入-种子投入- 农药投入,求出利润与锐劲特使用量的关系,分析数据,取适当的锐劲特使用量使利润达到最大,再根据实际情况,合理安排农药的使用方法。问题三中,在温室中引入 O3型杀虫剂,运用数学建模知识和软件 MATLAB从题中所给数据求得虫害剩余量与时间和浓度的函数关系,继续分析获得效应评价函数,结合查阅资料,和建模中做出的结果作对比,得出臭氧的最佳的使用方式。问题四中,把温室简化为长方体并选择带孔管道铺设,分析得到温室臭氧浓度与通入时间的模型表达式,运用 CorelDRAW12 软件画出臭氧扩散的动态分布图。问题五,查阅资料并结合以上各题分析给

    5、出水稻中杀虫剂使用策略和温室中臭氧应用于病虫害防治的可行性分析报告。关 键 词 :生长作物 杀虫剂 臭氧 数据拟合 阻滞增长模型 振动模型 MATLAB 可行性分析 1 问 题 的 重 述2009 年 12 月,哥本哈根国际气候大会在丹麦举行之后,温室效应再次成为国际社会的热点。如何有效地利用温室效应来造福人类,减少其对人类的负面影响成为全社会的聚焦点。臭氧对植物生长具有保护与破坏双重影响,其中臭氧浓度与作用时间是关键因素,臭氧在温室中的利用属于摸索探究阶段。假设农药锐劲特的价格为 10 万元/吨,锐劲特使用量 10mg/kg-1水稻;肥料100 元/亩;水稻种子的购买价格为 5.60 元/公

    6、斤,每亩土地需要水稻种子为 2公斤;水稻自然产量为 800 公斤/亩,水稻生长自然周期为 5 个月;水稻出售价格为 2.28 元/公斤。根据背景材料和数据,回答以下问题:(1)在自然条件下,建立病虫害与生长作物之间相互影响的数学模型;以中华稻蝗和稻纵卷叶螟两种病虫为例,分析其对水稻影响的综合作用并进行模型求解和分析。(2)在杀虫剂作用下,建立生长作物、病虫害和杀虫剂之间作用的数学模型;以水稻为例,给出分别以水稻的产量和水稻利润为目标的模型和农药锐劲特使用方案。(3)受绿色食品与生态种植理念的影响,在温室中引入 O3型杀虫剂。建立 O3对温室植物与病虫害作用的数学模型,并建立效用评价函数。需要考

    7、虑 O3浓度、合适的使用时间与频率。(4)通过分析臭氧在温室里扩散速度与扩散规律,设计 O3在温室中的扩散方案。可以考虑利用压力风扇、管道等辅助设备。假设温室长 50 m、宽 11 m、高 3.5 m,通过数值模拟给出臭氧的动态分布图,建立评价模型说明扩散方案的优劣。(5)请分别给出在农业生产特别是水稻中杀虫剂使用策略、在温室中臭氧应用于病虫害防治的可行性分析报告,字数 800-1000 字。2 问 题 的 分 析此题主要是通过研究在农业生产中,自然条件、杀虫剂防治虫害、温室中臭氧防治虫害的三种不同方案所得的经济效益,并设定合理的农药使用方案,和温室中臭氧扩散方案,以达到将效益提高到最大,并对

    8、自己提出的方案作出优劣分析。最后分析在农业生产中特别是水稻中杀虫剂使用策略、在温室中臭氧应用于病虫害防治的可行性,并写出可行性分析报告。2.1 问题一分析本题要求在自然条件下,以中华稻蝗和稻纵卷叶螟两种病虫为例,建立病虫害与生长作物之间相互影响的数学模型,并分析其对水稻影响的综合作用并进行模型求解和分析。首先我们将害虫分为两类:1、害虫之间不存在内部竞争关系。即生长作物资源丰富,能够满足一定范围内一定数量害虫的生存需要。2、害虫内部存在竞争关系。即生长作物资源不能完全满足害虫的生存需要。害虫内部存在竞争关系,导致害虫数量增长速率下降,出现阻滞增长的现象。分析题目中的数据得出两种病虫害生长作物之

    9、间相互影响。在分析题中所给数据的特点,判断中华稻蝗和稻纵卷叶螟两种病虫与生长作物之间的关系,并求解各自的影响。忽略两种不同虫害之间的影响,则其对水稻影响的综合作用即为两种虫害对水稻的分别作用之和。2.2 问题二分析本题在问题一自然条件的基础上,加上杀虫剂作用,要求建立生长作物、病虫害和杀虫剂之间作用的数学模型,并以水稻为例,给出分别以水稻的产量和水稻利润为目标的模型和农药锐劲特使用方案。首先运用振动模型求解出生长作物、病虫害和杀虫剂之间的作用,求出水稻的产量与锐劲特使用次数的关系,再根据利润= 产量 单价-肥料投入-种子投入-农药投入,求出利润与锐劲特使用次数的关系。分析数据,取适当的锐劲特使

    10、用次数使利润达到最大,再根据实际情况,合理安排农药的使用方法。2.3 问题三分析本题与问题二相似,根据抽样浓度与真菌作用之间的实验数据,用 MATLAB将数据拟合,得到合适的方程表示 O3对温室植物与病虫害作用。再根据臭氧分解速率与温度的关系,结合不同浓度的臭氧和作用时间,得出不同时间内不同浓度的臭氧对作物的促进作用和对病虫害的防治作用。两者相加,即可得到效用评价函数。2.4 问题四分析本题属于设计性试验,要求我们自己设计出合理的温室中臭氧扩散方案,并根据我们的方案,通过数值模拟给出臭氧的动态分布图。并建立评价模型根据实际情况随我们的设计的扩散方案的优劣势评价,并加以改进。3 模 型 的 建

    11、立 与 求 解3.1 问题一:3.1.1 相 关 假 设1.假设水稻生长过程中仅受这两种虫的影响。2.在实验中, 除施肥量, 其它影响因子如环境条件、种植密度、土壤肥力等, 均处于同等水平,且忽略在实际问题中产量受作物种类、植株密度、气候条件以及害虫对杀虫剂的抵抗等各种因素的影响。3.忽略病虫的繁殖周期以及各阶段的生长情况,将它以为是不变的生长速率。3.1.2 符 号 的 定 义 和 说 明Y 代表水稻作物的减产量 x 代表害虫的数量D 为生长作物的面积 x为害虫的密度m 害虫数量的增长率 Z 为水稻的总减产率为中华稻蝗的密度 为稻纵卷叶螟的密度3.1.3 模 型 的 建 立 与 求 解3.1

    12、.3.1 自 然 条 件 下 病 虫 害 与 生 长 作 物 之 间 相 互 影 响 的 数 学 模 型在此,我们将害虫分为两类:1、害虫之间不存在内部竞争关系。即生长作物资源丰富,能够满足一定范围内一定数量害虫的生存需要。2、害虫内部存在竞争关系。即生长作物资源不能完全满足害虫的生存需要。害虫内部存在竞争关系,导致害虫数量增长速率下降,出现阻滞增长的现象。对于第一种情况,由于害虫内部之间不存在竞争关系,因此其数量的增长在一定范围内成近似线性的关系,从而可推得其对作物的减产的影响也应大致符合线性关系。由此可得:Y=ax+b (1)其中,Y 代表水稻作物的减产量,X 代表害虫的数量。 a,b 为

    13、参数。由 x=x/D (2)可得:Y=aDx+b (3)其中 X为害虫的密度,D 为生长作物的面积。可见水稻的减产量与害虫的密度依然符合线性关系。对于第二种情况,根据对其的分析,我们可以看出其大致符合阻滞增长模型。也就是随着害虫数量 x 的增加,其数量的增长率 m 其实是在下降的。在此设 m 关于 x 的函数为 m(x),我们显然可得出其应为减函数。且 Y 与 m(x)之间存在如下关系:(3)由于 m(x)是关于 x 的减函数,在此我们假设 m(x)与 x 存在线性关系。则有:M(x)=m-nx (4)m 表示固有增长率。有 n=m/xm,其中 xm表示该生长作物所能承受的最大害虫数。所以可得

    14、:m(x)=m(1-x/x m) (5)将其带入(2)式得出:= mx(1- x/x m) (6)其中 x(0)=x 0解方程得出:x(t)=x m/(1+(x m/ x0-1)e -mt) (7)由方程可得害虫数与水稻产量是相互制约的关系。害虫数增加,则水稻减产,从而反过来制约害虫数的增加,导致害虫数的增长率不断下降。3.1.3.2 中华稻蝗和稻纵卷叶螟水稻影响的综合作用1、中华稻蝗对水稻减产的影响分析:表 1 中华稻蝗和水稻作用的数据:密度(头/m2)穗花被害率(%)结实率(%) 千粒重( g) 减产率(%)0 94.4 21.37 3 0.273 93.2 20.60 2.410 2.2

    15、60 92.1 20.60 12.920 2.550 91.5 20.50 16.330 2.920 89.9 20.60 20.140 3.950 87.9 20.13 26.8由其数据我们可得出下图:由图我们可看出水稻减产率与害虫密度的关系近似符合线性关系,与我们建立的病虫害与生长作物之间相互影响的数学模型中的第一种情形相吻合。因其符合线性关系,因此在此我们运用一元多项式来拟合。运用 Matlab 软件求解最后得出:Y= -0.0001x4 + 0.0063x3 - 0.2297x2 +3.6906x- 6.7706 (8)Y 代表水稻减产率。x 代表害虫密度。(代码如下:x=3 10 2

    16、0 30 40;y=2.4 12.9 16.3 20.1 26.8;A=polyfit(x,y,4)得出该一元四次式,即减产率与单位面积中华稻蝗数量关系如下:Y= -0.0001x4+0.0063x3-0.2297x2+3.6906x-6.7706Matlab 实现如下:x=3 10 20 30 40;y=2.4 12.9 16.3 20.1 26.8;p,S=polyfit(x,y,4);Y=polyconf(p,x,S);plot(x,y,x,Y,r+)legend(蓝色:原始数据,红色:拟合数据);xlabel(中华稻蝗密度 头 /平方米);ylabel(减产率%);grid ontit

    17、le(中华稻蝗密度与减产率的关系)结果:由以上程序运行结果得知标准偏差为 normr: 2.4304e-013,故回归性较好。)2、稻纵卷叶螟对水稻减产的影响分析:表 2 稻纵卷叶螟与水稻作用的数据:密度(头/m 2) 产量损失率(% ) 卷叶率( %) 空壳率( %)3.75 0.73 0.76 14.227.50 1.11 1.11 14.4311.25 2.2 2.22 15.3415.00 3.37 3.54 15.9518.75 5.05 4.72 16.8730.00 6.78 6.73 17.1037.50 7.16 7.63 17.2156.25 9.39 14.82 20.5

    18、975.00 14.11 14.93 23.19112.50 20.09 20.40 25.16由其数据我们可得出下图:由图我们可看出水稻减产率与害虫密度应该存在对数关系。与我们建立的病虫害与生长作物之间相互影响的数学模型中的第二种情形相吻合。我们运用Matlab 软件利用最小二乘法进行拟合。得出:Y= (9)求解方法:根据给定的数据(X i,Yi)(i=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)描图后可以确定拟合曲线方程为近似为 y=ae bx,它不是线性的,对此公式进行处理lny=lna +bx,若令 A=lna,则得 lny=A+bx, =1,x.为了确定 A,b,我们要做的是将表中减产率

    19、的数据进行处理,并以此运用最小二乘法处理即可。从稻纵卷叶螟与水稻作用的数据表中取出密度,产量损失率这两个数据建立(x,lny)这一坐标得各点坐标为:(3.75,-0.314710),(7.5, 0.1043600),(11.25,0.788457),(15.00, 1.2149127),(18.75, 1.61938824),(30,1.91397710),(37.5,1.9685099),(56.25, 2.23964593),(75,2.64688376),(112.5,3.00022217);根据最小二乘法,取 0(x)=3.75, 1(x)=x,W(x)=1,得( 0 , 0)=5,(

    20、 0 , 1)= =367.5 (i=0,1,9),( 1 , 1)= =24525 (i=0,1,9),( 0 ,lny)= =15.170310384 (i=0,1,9),( 1 ,lny)= =850.32796512 (i=0,1,9),故有法方程:从而解出:从而得出最小二乘法拟合曲线为:Y= 3、中华稻蝗和稻纵卷叶螟两种病虫对水稻减产影响的综合作用分析:在该模型中,我们已假设中华稻蝗和稻纵卷叶螟两种病虫之间无竞争关系,中华稻蝗和稻纵卷叶螟两种病虫对水稻的减产影响假设为是“合作”关系。因此在求解中华稻蝗和稻纵卷叶螟两种病虫对水稻减产影响的综合作用中,我们认为其具有加和性。因此可得:Z=

    21、 -0.0001x24 + 0.0063x23 - 0.2297x22 +3.6906x2- 6.7706 (10)其中 Z 为水稻的总减产率,x 1为中华稻蝗的密度,x 2为稻纵卷叶螟的密度。3.2 问题二3.2.1 相 关 假 设1.忽略水稻生长受农药的影响;2.在一亩地里,害虫密度不同的地方,相应使用不同量的锐劲特,可以使害虫的量减少到一个固定的值,则产量也会是一个定值,故其条件类似于问题一的模型;3.在实验中, 除施肥量, 其它影响因子如环境条件、种植密度、土壤肥力等, 均处于同等水平;4.忽略农药喷洒的损失量,即使用量就是所需量农药量;5.假设使用农药可使虫害密度减少到一固定值;6.

    22、忽略病虫的繁殖周期以及各阶段的生长情况,将它以为是不变的生长速率;7.假设植物各阶段的对杀虫剂的敏感程度不变,水稻不会因为不断长大对杀虫剂的需求量增加。8.忽略由于生物进化而引起害虫的抗药性。3.2.2 符 号 的 定 义 和 说 明x(t)和 y(t)分别表示 t 时刻该害虫的密度和农药浓度 k 是积分常数y(n)表示一亩水稻的减产量 n 表示在小麦自然周期内实验农药次数 p 表示减产率 Y(n)为一亩水稻的产量 x 表示害虫密度 d 表示失效后的天数3.2.3 模 型 的 建 立 与 求 解3.2.3.1 生 产 作 物 农 药 害 虫 作 用 的 振 动 模 型 :在此我们设 x(t)和

    23、 y(t)分别表示 t 时刻该害虫的密度和农药浓度。建立模型:其中,a、b 、c、d 均是正数。方程有两个平衡解(与时间无关的常数解)O(0,0)以及 R(x*,y* ),其中: x*=c/d ,y*=a/b另外,它的轨迹满足方程:对此方程求解,得方程 2-1 得首次积分为:其中 k 是积分常数是第一象限的正定义函数,且当 k0 时, =k 是包围点R(x* ,y*)的闭曲线。在任意时刻 x(t),y(t) 满足方程 = 将此曲线绘制在 x-y 坐标面内,如下图所示:在 p4 点农药浓度最大,所以害虫开始减少,农药残留浓度也在不断减少,当到达 p1 点时害虫数又开始回升,药物浓度继续降低。在

    24、p1 点药物浓度由于农作物的受损加重而相对于农作物浓度上升到达 p3 点,随即害虫数量又开始减少,药物浓度会相对上升。这就是农药-害虫的振动模型。由题目可知: 锐劲特价格 10 万元/ 吨; 锐劲特使用量 10 mg/kg;肥料价格 100 元/亩; 水稻种子 5.6 元/公斤; 产量 800 公斤/亩; 水稻出售价格 2.28 元。3.2.3.2 水 稻 产 量 模 型 :假设中华稻蝗的繁殖周期大于水稻,所以当农药使用一次后,稻蝗引起的减产基本为零。那么减产的主要因素在于稻纵卷叶螟,其繁殖周期为 2.4 月,当农药施用第一次后害虫密度将为 3.73 只/m 2,一只雌性稻纵卷叶螟可以产出10

    25、0 到 200 枚卵,假设成活率为 10%,假设锐劲特的有效时间为 20 天。用 y(n)表示一亩水稻的减产量,n 表示在小麦自然周期内实验农药次数, p 表示减产率。则有: 其中减产率:p=0.672e0.348x其中 x 表示害虫密度:x=3.75 (d/365) 15+3.75d 表示失效后的天数。d 与 n 的关系为:d=(150-20n)/n则水稻减产量: 用 Y(n)表示一亩水稻的产量,则: Y(n)=800-y(n)锐劲特使用次数 n 的取值范围 0,73.2.3.3 水 稻 利 润 模 型有题目和实际情况得:利润=产量 单价-肥料投入-种子投入- 农药投入有题目得:肥料投入每亩

    26、 100 元种子投入:单价 每亩播种量,即 5.6 2=11.2 元农药投入:理想亩产量 锐劲特使用量 单价,即:800kg 10-5kg/kg 100/kg则,水稻利润为:L(n)使用 n 次农药锐劲特是的水稻利润。3.2. 4 农 药 锐 劲 特 使 用 方 案 :经数据处理可知至少得使用 5 次,如低于 5 次,减产率将趋近最大值。根据前面的计算结果,得出水稻利润与农药使用次数的关系如下表:n/次 5 6 7利润/元 9877 12214 1111.5由上表可以看出最好施用 6 次。再联系实际,稻纵卷叶虫主要心叶为食(心 叶 是 植 物 顶 端 长 出 的 幼 嫩 小 叶 ,害 虫 喜

    27、欢 取 食 , 以 后 逐 渐 长 成 真 叶 , 即 植 物 真 正 意 义 上 的 叶 子 )。当水稻抽穗以后可以减少农药的施用。水稻从出穗到成熟的过程叫结实期。这一过程约3055 天,所以我们可以适当的减少农药使用次数 1 到 2 次。因此锐劲特的使用方案:在水稻长出心叶第一次施用锐劲特,其喷洒量为10mg/kg 水稻,间隔 25 天喷洒第二次,一次喷洒四次,当第五次时,水稻已生长 105 天左右,农药使用量可以适当减少,例如减半。3.3 问题三3.3.1 相 关 假 设1.在杀虫的过程中温室内温度是恒定不变且在同一浓度下臭氧的杀虫效率是不变的;2.忽略病虫的繁殖周期以及各阶段的生长情况

    28、,将它以为是不变的生长速率;3.假设同一植物品种,在不同生育期内,在一天的不同时间内,其对臭氧的敏感程度都保持不变;4.假设臭氧浓度在理想范围内对温室植物的危害很少,可以忽略不考虑;5.假设温室内同压保持不变,臭氧的分解速率仅与温度有关,与其他因素无关;6.假设真菌对臭氧不产生抗体,不发生对臭氧的基因突变3.3.2 符 号 的 定 义 和 说 明t 为臭氧持续作用时间 为病虫害经臭氧处理时的剩余数量比例c 为臭氧喷嘴出口处检测到的臭氧浓度 x1,x2 分别表示 t、c,z 表示 Sd 为平均每只害虫对温室植物的破坏程度为 N 为病虫的初始数量cmax为臭氧浓度对温室植物构成危害的值 tmax为

    29、臭氧对温室植物构成危害的时间 z1 为 对植物的促进作用效用记为, 3.3.3 模 型 的 建 立 与 求 解3.3.3.1 O3对 温 室 植 物 与 病 虫 害 作 用 的 数 学 模 型臭氧浓度与真菌作用之间的实验数据如下表:t(小时) 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5( %) 93 89 64 35 30 25 18 10 0 0 0(mg/m 3)0.15 0.40 0.75 1.00 1.25 1.50 1.80 2.10 2.25 2.65 2.85注:t 为臭氧持续作用时间, 为病虫害经臭氧处理时的剩余数量比例,为臭氧喷嘴

    30、出口处检测到的臭氧浓度。我们利用 Matlab 软件对实验数据中的数据进行拟合。设 , 分别表示 t、c,z 表示 S。设变量 , 的回归模型为其中 a,b,c,d,g,是未知参数, 服从正态分布 N(0,2)则,z 与 , 满足关系式:计算得出剩余标准差为 6.6758,说明次回归模型的显著性较好。将得到的多项式系数带入多项式后,画出它们关系的图像如下图:用二维表示则为:由图中可以看出,红色和蓝色代表回归方程画出的图形,另外两条代表原始数据拟合出的图像,回归方程得到的数据时在置信区间内与原始数据时基本上吻合的,因此,回归方程显著性较好。因此我们可以得出病虫害经臭氧处理时的剩余数量比例 s 与

    31、臭氧喷嘴出口处检测到的臭氧浓度 c、臭氧持续作用时间 t 之间的关系的模型,如下:s=110.7722+21.3256t-156.8966c-1.8169t2+38.3039c23.3.3.2 臭 氧 分 解 实 验 速 率 常 数 与 温 度 关 系表 4 臭氧分解实验速率常数与温度关系温度 T( oC) 20 30 40 50 60 70 80臭氧分解速度(mg/min -1)0.0081 0.0111 0.0145 0.0222 0.02950.04140.0603由图可以推测其具有指数增长规律:设模型为: 求出 b,c 的值为:0.0038 0.0344所以最终拟合的关于温度和分解速率

    32、的函数为 附:x=20 30 40 50 60 70 80;y=0.0081 0.0111 0.0145 0.0222 0.0295 0.0414 0.0603;myfun=inline(a(1)*exp(a(2)*x),a,x) ;a=nlinfit(x,y,myfun,0 0);z=log(y);p=polyfit(x,z,1);z1=polyval(p,x); y1=exp(z1);figure;plot(x,y,x,y1,r);xlabel(温度 /摄氏度);ylabel(臭氧分解速度(mg/min-1);title(臭氧分解实验速率常数与温度关系);grid on3.3.3.3 效

    33、用 评 价 函 数 :在此,我们将臭氧对植物的作用分为两部分:对植物的促进作用和对害虫的杀害作用。1. 对植物的促进作用:根据附件一中背景材料提供的信息,我们得到臭氧浓度 c 与时间 t 对温室植物的作用见下表:t1c80 有危害c50 无危害,无保护ctmax且 cCmax时 a=-1,即对温室植物具有抑制作用;其他情况 a=1,即对温室植物具有促进作用:z1=akct2. 对害虫的杀害作用:在此我们定义对害虫的杀害作用表示病虫害经过臭氧处理掉的比例,设对害虫的杀害作用效用我们定义为 z2, 则有:z2=1-s%即: z2=1-(110.7722+21.3256t-156.8966c-1.8

    34、169t2+38.3039c2)%3. 效用评价函数:我们可以由(1)、(2 )即可得出效用评价函数:Z= z1+z2= akct+1-(110.7722+21.3256t-156.8966s-1.8169t2+38.3039s2)%其中当给出臭氧持续作用时间 t 和臭氧喷嘴出口处检测到的臭氧浓度 c 时,即可根据效用评价函数对其效果进行评价。3.4 问题四3.4.1 相 关 假 设1.假设在温室内任何时刻风扇风速恒定,由于气体自身扩散速度相对风速很小,可忽略不计,臭氧气体受风扇作用后的速度不变,为 V0 。2.假设通气过程中温室内某一时刻浓度可测。3.不考虑 重力影响,即在使用风扇时臭氧无向

    35、下的运动速度。4.假设温室里温度、压强均恒定不变,风速不受它们的影响。5.设所选用的管道为一种表面多孔可通气的管道,臭氧从管道两端通入,从表面的孔进入温室开始扩散。 6.假设臭氧的浓度扩散不受管道和风扇的分布影响。3.4.2 符 号 的 定 义 和 说 明L-大棚蔬菜长度 V 1-气体臭氧从管道口通入的速度 H-大棚高度 V 0-气体臭氧受风扇作用后的速度k-比例系数(常数) T 1-风扇在 X 轴方向吹风的时间D-大棚宽度 T 2-风扇在 Z 轴方向吹风的时间t1-通气中某一时刻 c 1-t1时刻温室内臭氧浓度t0-臭氧从管道口通入到管道中间所需的时间 L-风扇和管道之间的距离 3.4.3

    36、模 型 的 建 立 与 求 解把温室假设成一个长方体,管道安装在长方体的其中两边缘,压力风扇安装在温室边缘与管道之间,如下图所示: 设从 t0时刻管道已充满 O3 , 其中 t0等于 L/2V1。 再如下图:当 t=t0时打开压力风扇并将风向调与 X 轴平行,经历 T1时刻后,将压力风扇的风向调至与 Z 轴平行。经历 T2时刻后再将压力风扇的风向调至与X 轴平行。随后再调至与 Z 轴平行(时间间隔分别为 T1、 T2),而通过控制时间来使 O3在温室内的浓度均匀分布。通气前装置图:通气中压力风扇的风速方向图:下面来计算 T1和 T2 T1V0=k(D-L)T2V0=k(H-L)则: 所以 因为

    37、 L 相对于 D、H 较小,则可近似认为 为 ,故可认为温室内臭氧浓度增加随时间变化是均匀的,通气直到温室中臭氧浓度达到植物生长最适宜的浓度大小时才停止并关闭压力风扇。即 (其中 a 为一常数)所以: c=at由假设可得 c 1=at1可求得 a=c 1/t1带入得 c=c 1t/t1臭氧的动态分布图为:可以根据时间 t 和 c1、t 1 可以计算出臭氧的浓度。也可以根据所需要的浓度设定通气时间。3.4.4 模 型 的 评 价在此方案中,由于忽略了许多因素,例如:把 想得太理想化,忽略的重力,以及他的浓度不受风扇的任何影响,由物理化学理论可知, 在温室里的扩散速度和扩散规律与温度和 在空间的高

    38、度有关,当不施加压力风扇时, 随温度升高扩散速率增大, 在高的地方比较稀疏,在低的地方比较稠密。而蔬菜生长在地面上,所以利用压力风扇,管道等辅助设备来使 在地面上分布更加密集,及地面上 浓度更大,所以把压力风扇安装在上侧面和下底面是合理的,可以达到所需要的效果。3.5 问题五水稻中杀虫剂使用策略以及在温室中臭氧应用于病虫害防治的可行性分析:1.在水稻种植中杀虫剂的使用策略:众多学者认为“化学农药是高效的,但使用手段却是低效的”。据Metcalf 估算,采用普通方法喷施农药,只有 25%-50%的农药沉积在植物叶片上,直接降落在目标害虫上的药量仅在 1%以内,只有不足 0.03%的药剂能起到杀虫

    39、作用,其余的 50%-70%的农药,则以挥发、漂移等形式而散失。下图所示的是传统方法喷施农药的分布状况:从题一的结论以及查阅资料可知杀虫剂对农作物的杀虫效果是高效的,但使用手段却是低效率的。故我们需要寻找杀虫剂的精确使用技术,意在抵制农作物病虫害的同时又能兼顾生态环境建设,满足农作物生产建设和保护生态环境的双重要求。以最少的杀虫剂量,合理精确的喷射于害虫,减少非害虫的杀虫剂流失与漂移,科学、经济、高效的利用农药,已达到最佳的防治效果。如图给出均匀全面喷雾和杀虫剂精确使用可变量控制喷雾的效果对比情况。图一为不管田间作物、树木、或杂草等目标与非目标植物的分布状况,采用均匀恒定的施药量,这时对左边高

    40、病虫草危害分布的区域,病虫害得不到有效控制,而对右边低病虫草危害分布区域,所施用的农药可能会引起潜在的作物或者非目标损伤及环境,最终导致低水平的农林产生。对于图二中同样的病虫草危害分布曲线,如果根据危害分布特征,采用可变量控制喷雾技术,即在高危害分布区域加大施药量,而在低危害分布区域减小施药量,如图二所示,即根据可变量施药曲线,重新调整农药的使用策略。相比较均匀恒定施药,可变量控制喷雾精确使用农药,根据病虫草害发生状况采用农药标签规定的施药量,可以有效控制病虫草危害、节约农药使用量、杜绝潜在的作物或非目标损伤,从而减轻环境污染和提高农林产出水平。改进措施如:(1)主治一种虫害,兼治其它虫害这种

    41、方法可以做到重点突出,主次分明,减少施药次数,从而减少农药用量,减轻对环境和稻谷的污染。例如秧田主治稻蓟马,可兼治秧田期的二化螟、稻飞虱等,应当注意的是:对于混合发生的二化螟白穗和稻飞虱,适时用药很重要。(2)替代菊酯类农药,防治次要害虫多年来由于缺乏相应的防治稻蝽蟓等次要害虫的农药,菊酯类农药、尤其是菊酯类农药的复配剂在水稻上用得比较多,对水域的鱼类和稻田有益生物影响较大,而且使害虫对菊酯类农药很快地产生了抗药性,其实对于有些次要害虫可使用锐劲特。(3)合适地混用混配杀虫剂杀虫剂的适当混用可以达到增效和扩大防治范围的目的,但必须以不相互发生化学反应为原则,并要现配现用。按药液量的 0.05%

    42、添加洗衣粉可使杀虫双等药液在水稻叶面的展布性提高 3 倍,大大提高喷药防治效果。(4)调控好施药时间稻纵卷叶螟对锐劲特十分敏感,但是,由于稻纵卷叶螟有趋嫩性,喜欢到新叶上产卵,而锐劲特以稻株内吸向新叶传导的药量低,故在施药后新长出的稻叶往往不能得到保护。因此,用其防治稻纵卷叶螟,须在卵孵高峰到低龄幼虫高峰期施药。在峰次多、迁入量大时,锐劲特宜用于主迁入峰,并视虫量隔10 天左右再施 1 次药。在抽穗后,水稻不再有新生叶长出,只须用 1 次药,就可取得很好的效果。2. 在温室中臭氧应用于病虫害防治:科 学 家 发 现 , 当 臭 氧 存 在 于 土 壤 中 时 却 是 一 种 严 重 的 污 染

    43、 。 光 照 越 强 的地 方 , 土 壤 中 臭 氧 造 成 的 损 失 , 尤 其 是 对 于 农 作 物 造 成 的 损 失 越 大 。 而 且超 标 的 臭 氧 则 是 个 无 形 杀 手 ,它 强 烈 刺 激 人 的 呼 吸 道 , 造 成 咽 喉 肿 痛 、 胸 闷咳 嗽 、 引 发 支 气 管 炎 和 肺 气 肿 , 还 会 造 成 人 的 神 经 中 毒 , 头 晕 头 痛 、 视 力下 降 、 记 忆 力 衰 退 。 臭 氧 还 会 对 人 体 皮 肤 中 的 维 生 素 E 起 到 破 坏 作 用 , 致使 人 的 皮 肤 起 皱 、 出 现 黑 斑 。 但 这 些 问 题

    44、 都 可 以 通 过 合 理 正 确 的 使 用 方 法解 决 。影响臭氧防治病虫害效果的因素有两个,即要求有一定的浓度和作用时间。用于温室植物病害害防治且又不危害植物生长的臭氧质量分数为 0.12 mg/m3,使用时间应小于 20 min。环境中的温度、湿度、光照等因素对臭氧的杀虫效果有显著影响。温度愈高,臭氧的杀虫效果愈差。棚温在 30 以上的白天,臭氧灭虫几乎无效。高湿有光照环境下的防治效果较高湿无光照的差, 由此可见,臭氧在夜晚及阴天的杀虫效果好。当夜间臭氧质量分数维持在 0.060.12 mg/m3 且持续 1530 min 时,植物全生育期内不会患病。在植物全生育期内每天使用质量分

    45、数为 0.2 mg/m3 的臭氧作用 10 min, 能有效预防病害的大面积发生。温室夜间臭氧质量分数保持在 0.060.08 mg/m3 时,可有效防治黄瓜的各种病虫害。改善臭氧的扩散方式可显著提高其对作物病害的防治效果, 这与臭氧的比重及扩散方式有直接关系。实践证明,铺设在 1.52.5 m 高处的臭氧扩散管对茄子、青椒等低矮蔬菜病害的防治效果明显好于黄瓜、甜瓜、豆角等高秧作物。在使用臭氧时,人不要随意靠近,一定要等到浓度将为安全浓度以下时再进入温室查看。要定期检查输气管道是否损坏,防止漏气。相比杀虫剂防治虫害,臭氧防治将更有前景:(1)臭氧的获得途经广泛臭氧可通过高压放电、电晕放电、电化

    46、学、光化学、原子辐射等方法得到,原理是利用高压电力或化学反应,使空气中的部分氧气分解后聚合为臭氧,是氧的同素异形转变的一种过程。(2)臭氧灭虫效果好臭氧灭虫为溶菌级方法,杀虫彻底,无残留,杀虫广谱,可杀灭害虫繁殖体和芽孢、病毒、真菌等,并可破坏肉毒杆菌毒素。另外,臭氧对霉菌也有极强的杀灭作用。臭氧为气体,能迅速弥漫到整个灭菌空间,灭菌无死角。而传统的灭菌消毒方法,无论是紫外线,还是化学熏蒸法,都有不彻底、有死角、工作量大、有残留污染或有异味等缺点,并有可能损害人体健康。如用紫外线消毒,在光线照射不到的地方没有效果,有衰退、穿透力弱、使用寿命不长等缺点。化学熏蒸法也存在不足之处,如对抗药性很强的

    47、细菌和病毒,则杀菌效果不明显。所以臭氧在除菌效率这一方面有很大的优势。(3)臭氧的使用比杀虫剂要环保臭氧由于稳定性差,很快会自行分解为氧气或单个氧原子,而单个氧原子能自行结合成氧分子,不存在任何有毒残留物,所以,臭氧是一种无污染的消毒剂。一个绿色环保的病虫害防治技术,更符合当今人类保护环境、提倡环保、创建和谐社会的美好愿望。用臭氧作为新一代的杀虫剂与当前环保节约型社会不谋而合。4 模 型 的 评 价 与 改 进针对上述 4 个问题,我们对所建的模型运用软件进行处理,得到了拟合后的函数曲线,从理论上较好的解决了问题。在问题一和问题二中,模型给出了合理的农药使用方案,参考一些资料后发现它们具有很好

    48、的可行性。但在实际生活中,尤其是近年来农药与绿色食品的矛盾日益加剧,需要考虑到农药在农作物中的残留量,这样所建的模型就显得不够精确了。在问题三和问题四中,由于臭氧杀虫这一课题仍属于探索阶段,可参考的资料有限,从而我们建立的模型假设条件相对理想。在这些假设条件下问题三所建的模型是合理的,问题四模型的实际操作性同时具有较好的经济效益和使用价值。关于上述四个模型的改进方案,都可以通过放宽或改变假设条件等方式来进行。比如在问题二中,如考察农药对农作物的伤害性程度,可以收集水稻售价与水稻内农药残留量等相关数据,进而改进水稻利润与农药使用量之间的模型关系。类似地,在问题三中,可通过查阅资料来更合理的建立臭氧对蔬菜的伤害程度 Q 与浓度 c 及时间 t 的函数关系式 Q=Q(c,t),运用效用评价函数可以表示为 L=(1-S/100)/Q,此方程可更好的表示出臭氧杀虫剂和温室植物及病虫害作用三者之间的关系。对于问题四,通过分析臭氧在温室中的扩散速度和扩散规律,我们运用

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