緩控釋肥料中氮素轉運的特性及模擬研究.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注，已成為目前肥料行業(yè)研發(fā)的重要領域。
　　為了系統(tǒng)地研究緩控釋肥料中氮素轉運的特性，并對其進行模擬，本文以無機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因素對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是其對肥料顆粒包膜層內外蒸汽壓差的影響，包膜層內外蒸汽壓差的

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)一級反應動力學方程，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力學模型。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釋放率，研究結果顯示，兩種肥料中的氮素累計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釋放率與時

3、間的關系符合一級反應動力學方程Nt=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階段，其間氮素的累計釋放率與時間的關系分別符合方程: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釋放率與其在靜水浸提實驗中的累計釋放率之間的關系，建立了靜水中和土壤中的氮素釋放特性的關聯(lián)方程，為快速測定大田中肥料氮素的累計釋放特性提供了一種快捷方法。
　　以多孔介質中的Fick型

4、擴散原理為理論基礎，建立了無機包裹肥料中氮素釋放的分段數(shù)學模型其中，0＜t＜t'為氮素釋放的線性期，t≥t'為氮素釋放的衰退期。該模型很好地實現(xiàn)了無機包裹肥料中氮素釋放過程的精確計算;通過實驗數(shù)據(jù)測定了該數(shù)學模型的適用條件，結果表明，該數(shù)學模型的理想模擬環(huán)境為25～35℃，養(yǎng)分釋放時間越長，數(shù)學模擬結果誤差越小。所以，該模型對無機包裹類肥料的研制和應用具有重要的指導作用。
　　以Fick第二擴散定律為理論基礎，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)實驗驗證，該模型適用于低溫下且肥料氮素釋放時間較短階段的模擬研究。溫度越高，釋放時間越長，該模型的準確性越差。所以該數(shù)學模型能夠較好地估算聚合物包膜肥料養(yǎng)分釋放的細節(jié)，對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作用。
　　建立數(shù)學模型做了一系列的連續(xù)性理想假設，這使得肥料氮素的實際釋放過程與數(shù)學模擬結果總有一定

6、的誤差。為了更真實地模擬肥料的養(yǎng)分釋放過程，本文引入了元胞自動機，元胞自動機是一個時間、空間均離散的動力學系統(tǒng)。以矩陣作為元胞自動機的表現(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，完成了對無機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構組成物質，用簡單的元胞自動機演化規(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釋放率可以用元胞自動機中累計演化的元胞百分數(shù)來描述。本文不但給出了整個元胞自動機的演化過程，還繪出了肥料氮素釋放過程中累計演化元胞百分數(shù)與演化時間的關系曲線，該曲線間接反映了肥料氮素的累計釋放率與釋放時間的關系。成功地實現(xiàn)了利用二維元胞自動機模型對肥料養(yǎng)分釋放過程的動態(tài)可視化模擬。同時，通過比較元胞自動機中累計演化的元胞百分率m％-演化次數(shù)k之間的關系曲線與各函數(shù)擬合曲線，驗證了元胞自動機模型的可靠