緩控釋肥料中氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的特性及模擬研究.pdf

1、緩控釋肥料因其高效、環(huán)保的特性正受到越來越多的關(guān)注，已成為目前肥料行業(yè)研發(fā)的重要領(lǐng)域。
　　為了系統(tǒng)地研究緩控釋肥料中氮素轉(zhuǎn)運(yùn)的特性，并對(duì)其進(jìn)行模擬，本文以無機(jī)包裹肥料和聚合物包膜肥料為樣本，系統(tǒng)地研究了溫度、蒸汽壓和土壤含水量三個(gè)因素對(duì)其氮素釋放特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，聚合物包膜肥料包膜層內(nèi)外的蒸汽壓差是其核心養(yǎng)分釋放的主要原因，溫度和土壤含水量影響肥料氮素釋放特性的本質(zhì)是其對(duì)肥料顆粒包膜層內(nèi)外蒸汽壓差的影響，包膜層內(nèi)外蒸汽壓差的

2、溫度依存性決定了其養(yǎng)分釋放速率的溫度依存性。根據(jù)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，引入氮素釋放速率常數(shù)k和氮素釋放的活化能Ea，建立了肥料氮素釋放的動(dòng)力學(xué)模型。研究表明，環(huán)境溫度越高，k越大，則氮素釋放速率越大;Ea越大，肥料的氮素釋放速率對(duì)溫度越敏感。以2＃緩溶肥料和6＃聚合物包膜尿素為例，研究了肥料在不同含水量的土壤中的氮素累計(jì)釋放率，研究結(jié)果顯示，兩種肥料中的氮素累計(jì)釋放率均隨著土壤含水量的增大而增大，其中，2＃肥料在土壤中的氮素累計(jì)釋放率與時(shí)

3、間的關(guān)系符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程N(yùn)t=N0+A(1-e-kt)，6＃肥料中的氮素在土壤中的釋放過程分為滯后期和線性期兩個(gè)階段，其間氮素的累計(jì)釋放率與時(shí)間的關(guān)系分別符合方程:Nt=0，Nt=N0+A1t+A2t2。另外，根據(jù)供試肥料中的氮素在土壤中的累計(jì)釋放率與其在靜水浸提實(shí)驗(yàn)中的累計(jì)釋放率之間的關(guān)系，建立了靜水中和土壤中的氮素釋放特性的關(guān)聯(lián)方程，為快速測(cè)定大田中肥料氮素的累計(jì)釋放特性提供了一種快捷方法。
　　以多孔介質(zhì)中的Fick型

4、擴(kuò)散原理為理論基礎(chǔ)，建立了無機(jī)包裹肥料中氮素釋放的分段數(shù)學(xué)模型其中，0＜t＜t'為氮素釋放的線性期，t≥t'為氮素釋放的衰退期。該模型很好地實(shí)現(xiàn)了無機(jī)包裹肥料中氮素釋放過程的精確計(jì)算;通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定了該數(shù)學(xué)模型的適用條件，結(jié)果表明，該數(shù)學(xué)模型的理想模擬環(huán)境為25～35℃，養(yǎng)分釋放時(shí)間越長(zhǎng)，數(shù)學(xué)模擬結(jié)果誤差越小。所以，該模型對(duì)無機(jī)包裹類肥料的研制和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用。
　　以Fick第二擴(kuò)散定律為理論基礎(chǔ)，利用數(shù)理方程建立了聚

5、合物包膜肥料氮素釋放的分段數(shù)學(xué)模型
　　其中，t≤t'為滯后期，t'＜t≤t"為線性期，t＞t"為衰減期。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型適用于低溫下且肥料氮素釋放時(shí)間較短階段的模擬研究。溫度越高，釋放時(shí)間越長(zhǎng)，該模型的準(zhǔn)確性越差。所以該數(shù)學(xué)模型能夠較好地估算聚合物包膜肥料養(yǎng)分釋放的細(xì)節(jié)，對(duì)聚合物類包膜肥料的開發(fā)、生產(chǎn)和施用具有重要的指導(dǎo)作用。
　　建立數(shù)學(xué)模型做了一系列的連續(xù)性理想假設(shè)，這使得肥料氮素的實(shí)際釋放過程與數(shù)學(xué)模擬結(jié)果總有一定

6、的誤差。為了更真實(shí)地模擬肥料的養(yǎng)分釋放過程，本文引入了元胞自動(dòng)機(jī)，元胞自動(dòng)機(jī)是一個(gè)時(shí)間、空間均離散的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。以矩陣作為元胞自動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)形式，以矩陣元素的演化模擬肥料養(yǎng)分的釋放，以matlab程序作為輔助研究的手段，完成了對(duì)無機(jī)包裹肥料和聚合物包膜肥料中氮素的釋放過程的模擬研究。其中，用矩陣元素表示緩控釋肥料的結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)，用簡(jiǎn)單的元胞自動(dòng)機(jī)演化規(guī)則研究緩控釋肥料中氮素的釋放過程。模型采用諾依曼鄰居條件，定值型邊界，以概率論的二次分布

7、定理確定演化概率。肥料顆粒中氮素的累計(jì)釋放率可以用元胞自動(dòng)機(jī)中累計(jì)演化的元胞百分?jǐn)?shù)來描述。本文不但給出了整個(gè)元胞自動(dòng)機(jī)的演化過程，還繪出了肥料氮素釋放過程中累計(jì)演化元胞百分?jǐn)?shù)與演化時(shí)間的關(guān)系曲線，該曲線間接反映了肥料氮素的累計(jì)釋放率與釋放時(shí)間的關(guān)系。成功地實(shí)現(xiàn)了利用二維元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)肥料養(yǎng)分釋放過程的動(dòng)態(tài)可視化模擬。同時(shí)，通過比較元胞自動(dòng)機(jī)中累計(jì)演化的元胞百分率m％-演化次數(shù)k之間的關(guān)系曲線與各函數(shù)擬合曲線，驗(yàn)證了元胞自動(dòng)機(jī)模型的可靠