CN105528508B - 预测抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法。该方法包括：1)确定氮素瞬时释放率、释放时间与释放量；2)确定氮素释放速率常数q与最大释放量C₀等；3)确定氮素释放潜能Q，构建氮素释放预测模型；4)，采集设施土壤温度对其转换；5)计算得到所述抛物线型树脂包膜控释尿素肥料在设施土壤中的累积氮素释放量。本发明仅通过采集田间温度可较准确预测抛物线型树脂包膜控释肥料在田间设施土壤中氮素释放的速率，不失为一种简单、实用型的预测方法，对控释肥料的推广应用具有重要的指导和推荐意义。

Description

预测抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的 方法

技术领域

本发明属于肥料领域，具体涉及一种预测抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法。

背景技术

缓控释肥料自生产应用以来在农业生产中发挥了巨大的作用，鉴于对经济发展和环境保护的双重考虑，国家将其列为今后农业生产发展的重要支撑技术之一。但目前 缓控释肥料在应用方面还存在着一定程度的不足，阻碍其推广应用。经过我们初步的 研究发现，抛物线型树脂包膜控释肥料在低温时氮素释放速率可能变慢，溶出相同养 分量所需时间延长、高温时则相反。对于这一点国内外缺乏在室内与田间条件下对群 体包膜控释肥料氮素释放动力学特征差异的系统研究，导致目前室内常规测试方法(25℃ 恒温水浸泡法)较难反映树脂包膜控释肥料在田间的实际释放过程；而其它预测模型 方法的构建不仅缺乏与大田实际条件的结合(预测效果无法真实说明)，且参数复杂、 预测包膜控释肥料在田间土壤中的释放量误差较大，难以实际推广应用。经过本发明 人多次试验总结认为，问题主要是(一)有关文献采用盆栽埋袋法试验来建立或验证 预测模型，实际上准确度、重复性非常差；(二)已有预测模型参数较多。

发明内容

本发明的目的是提供一种预测抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法。

本发明提供的预测抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法，包括如下步骤：

1)采用室内梯度恒温培养试验，计算得到所述抛物线型树脂包膜控释尿素在温度t₁时氮素的累积释放时间m₁与在所述累积释放时间m₁时氮素的累积释放量C₁；

2)将公式I转换为y＝a+b×m，设定y＝ln^(100-C)，a＝lnC₀，b＝－q；

C＝100-C₀×e^(-q)×m 公式I

所述公式I中，C为氮素的累积释放量，单位为％；C₀为肥料氮素最大累积释放 量，单位为％；

m为氮素的累积释放时间；

q为释放速率常数；

将步骤1)所得m₁和C₁代入公式II和公式III，得到a、b；

公式II

公式III

再将所得a值代入a＝lnC₀得到拟合后的肥料氮素最大累积释放量C₀；

将所得b值代入b＝－q得到拟合后的氮素释放速率常数q；

将步骤1)所得m₁、步骤2)所得q₁与C₀₁代入所述公式I中，得到温度t₁时氮 素的累积释放量C₁的拟合值，用C_a表示；

所述C_a与步骤1)所得C₁差异不显著；

3)按照步骤1)的方法，将所述温度t₁替换为温度t_i，所述t_i中，i为大于2的整 数，得到温度t_i时氮素的累积释放时间m_i与在所述累积释放时间m_i时氮素的累积释 放量C_i；

再按照步骤2)的方法，得到温度t_i时的q_i、C_0i；

将步骤2)所得q₁和步骤3)所得q_i利用ANOVA方差分析方法进行分析，若所 述q₁、q_i之间的差异显著，则所述抛物线型树脂包膜控释尿素为温度依赖型包膜控释 肥料，则继续按照步骤4)和5)进行；

若所述q₁、q_i之间的差异不显著，则所述抛物线型树脂包膜控释尿素不是温度依赖型包膜控释肥料，则终止计算；

4)将步骤3)所得q_i代入公式IV中，得到所述抛物线型树脂包膜控释尿素中氮 素释放潜能Q，单位为J·mol^-1：

公式IV

所述公式IV中，E＝8.31J·mol^-1；n为大于3的整数；D_j为ti+275；t_i为q_i对应的 温度；

5)如果所述设施土壤在每天的最高温度和最低温度之差大于2.7℃，则将步骤4)所得Q值代入公式V1中，得到焓化时数F：

公式V1

所述公式V1中，F为焓化时数，单位为天数；

θ₁表示每天10:00到20:00设施土壤的平均温度，单位为℃；

θ₂表示每天20:00至次日10:00设施土壤的平均温度，单位为℃；

W₁＝0.42；W₂＝0.58；p＝25；E＝8.31J·mol^-1；r为所述抛物线型树脂包膜控释尿素 在设施土壤中的实际释放天数；

如果所述设施土壤在每天的最高温度和最低温度之差不大于2.7℃，则将步骤4)所得Q值代入公式V2中，得到焓化时数F：

公式V2

所述公式V2中，F为焓化时数，单位为天数；θ为设施土壤温度的平均值，单 位为℃；p＝25；W＝1.06；E＝8.31J·mol^-1；r为所述抛物线型树脂包膜控释尿素在设施 土壤中的实际释放天数；

6)将步骤5)所得F、C_0(25℃)、q_25℃代入公式VI，得到所述抛物线型树脂包膜控 释尿素在设施土壤中的实际累积氮素释放量C：

公式VI

所述公式VI中，C_0(25℃)、q_25℃为按照步骤2)所述方法拟合得到的t₁＝25℃时的 C₀、q；r为所述抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

B为修正参数，取值如下：

所述抛物线型树脂包膜控释尿素的包衣率≤7％，理论释放周期与室内培养检测释 放周期之差小于理论释放周期的三分之一，B＝1；

所述抛物线型树脂包膜控释尿素的包衣率≤7％，理论释放周期与室内培养检测释 放周期之差等于大于理论释放周期的三分之一，B＝1.2；

所述抛物线型树脂包膜控释尿素的包衣率＞7％，理论释放周期与室内培养检测释 放周期之差小于理论释放周期的三分之一，B＝1.25；

所述抛物线型树脂包膜控释尿素的包衣率＞7％，理论释放周期与室内培养检测释 放周期之差等于大于理论释放周期的三分之一，B＝1.8。

上述方法的步骤1)中，采用室内梯度恒温培养试验时所用群体颗粒肥料的用量不小于10.0g。

所述室内梯度恒温培养试验包括如下步骤：将所述群体颗粒肥料和水在室内进行恒温培养，并设置至少4个温度梯度；

步骤2)中，所述C_a与步骤1)所得C₁差异不显著具体可为步骤1)所得C₁与步 骤2)所得C_a进行适合性x²测验以验证公式I的有效性，如有效，进行步骤3)至6)；

步骤3)中，ANOVA方差分析方法为在SPSS中分析软件中进行；

根据步骤1)～6)所得，当氮素累积释放量的预测值与实测值之间误差小于15％～25％时预测方法认为有效。

来预测树脂包膜控释肥料在设施土壤中的氮素释放量，则预测的准确性会显著提高。

树脂包膜控释肥料在水分充足的条件下养分释放主要受温度影响，鉴于此，本发明提供了一种主要通过温度来较准确预测抛物线型树脂包膜控释尿素在田间设施土壤 条件下氮素释放的简单实用型预测方法。本方法主要在田间设施土壤水分条件充足情 况下实施。针对定量群体控释肥料，采用室内梯度恒温培养方法确定包膜控释肥料氮 素释放天数与释放量；采用SPSS统计软件回归分析方法、线性最小二乘法以及方差 分析方法确定氮素释放速率常数q与相关参数m、h等；在此基础上构建氮素释放预 测模型并修正；最后采集田间设施土壤温度或气温，将其转换后利用预测模型预测控 释肥料氮素释放量。该方法仅通过采集田间温度可较准确预测抛物线型树脂包膜控释 肥料在田间设施土壤中氮素释放的速率，不失为一种简单、实用型的预测方法，对控 释肥料的推广应用具有重要的指导和推荐意义。

附图说明

图1为设施土壤温度。

图2为设施土壤日平均温度。

图3为设施土壤日分段平均温度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获 得。

实施例1、

1)称取5～15g树脂包衣控释尿素放入250ml塑料瓶中，然后倒入150～250ml蒸 馏水，将塑料瓶放入生化培养箱中室内恒温培养，在5～55℃之间设置4个温度梯度： 10℃、15℃、25℃、35℃，在每个梯度下定期取出塑料瓶中的溶液摇匀后测定肥料氮 素溶出率，之后重新加入150～250ml蒸馏水继续恒温培养，计算得到在不同温度下氮 素累积释放时间m与累积释放量C；

按照与上相同的步骤，共计得到9个样本。所得9个样本的25℃室内恒温培养试 验氮素释放量及步骤2)所得拟合值均见表1。

表1、 25℃室内恒温培养试验氮素释放量及步骤2)所得拟合值

2)将公式I转换为y＝a+b×m，设定y＝ln^(100-C)，a＝lnC₀，b＝－q；

C＝100-C₀×e^(-q)×m 公式I

所述公式I中，C为氮素的累积释放量；C₀为肥料氮素最大累积释放量；

m为氮素的累积释放时间；

q为释放速率常数；

将步骤1)所得m₁和C₁代入公式II和公式III，得到a、b；

公式 II

公式III

再将所得a值代入a＝lnC₀得到拟合后的肥料氮素最大累积释放量C₀＝99；

将所得b值代入b＝－q得到拟合后的氮素释放速率常数q＝0.0322；

将步骤1)所得m₁、步骤2)所得q与C₀代入所述公式I中，得到温度t₁时氮素 的累积释放量C₁的拟合值，用C_a表示；

对拟合值C_a与实测值C₁进行适合性x²测验：

查表得实际说明步骤2)所得C_a与步骤1)所 得C₁差异不显著，公式拟合得好，可以用于预测，获得的相关参数有效。

3)按照步骤1)的方法，分别得到10℃、15℃、35℃下氮素的累积释放时间m_i与在该累积释放时间m_i时氮素的累积释放量C_i；

再按照步骤2)的方法，分别得到10℃、15℃、35℃下氮素释放速率常数q_i和最 大释放量C_0i；

所得结果如下：

q_i：0.0118±0.0008、0.0141±0.0015、0.0512±0.0019；

C_0i：90.85±0.45、92.03±0.82、86.35±0.32。

通过SPSS中ANOVA方差分析表明，四种温度下的q值达到显著差异水平(p ＜0.05)，表明所用肥料属于温度依赖型包膜控释肥料，可进行后续步骤。

4)树脂包膜控释肥料氮素释放潜能Q的确定。

将步骤2)所得温度t₁、q₁与步骤3)所得温度t_i、q_i代入公式IV中，得到所述 抛物线型树脂包膜控释尿素中氮素释放潜能Q，单位为J·mol^-1：

公式IV

公式IV中，E＝8.31J·mol^-1；n为4；D_j为t_i+275；t_i为q_i对应的温度；

计算得到，该树脂包膜控释肥料氮素释放的潜能Q＝44884J·mol^-1

5)将包膜控释肥埋入田间土层15cm处，采用Logtag温度记录仪连续监测此处 温度(间隔2h测定一次温度)，并不定期取样测定包膜控释肥氮素释放量。所得温度 如图1和图2所示。

由图1和图2可知，从第一天至第52天，每天的最高温度和最低温度之差大于 2.7℃，因此，需要将每天的温度分成两段：每天10:00到20:00田间土层的平均温度 为一段；每天20:00至次日10:00田间土层的平均温度为一段；

取值后的结果见图3。

利用图3的温度数据，计算如下：

从53天至65天，每天的温度不用分段处理，

6)将步骤5)所得F值、步骤2)所得C_0(25℃)、q_25℃代入公式VI，得到该抛物线 型树脂包膜控释尿素在设施土壤中实际累积氮素释放量C：

C(％)＝[100－99×e^{(-0.0322×57.05)}]×1.0 公式VI

由于选用的树脂包膜控释肥料包衣率≤7％，但理论释放周期(48天)与室内培 养检测释放周期(52天)之差小于理论释放周期的三分之一，因此B值取1.0。

计算所得C值见表2。方差分析表明，氮素累积释放量的预测值与实测值之间误 差小于15％～25％。证实了本发明提供的方法能够较准确的预测自然条件下树脂包膜 控释肥料氮素释放量。

表2、氮素释放量预测值与实测值的比较

Claims (2)

1.一种预测抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中氮素释放量的方法，包括如下步骤：

1)采用室内梯度恒温培养试验，计算得到所述抛物线型树脂包膜控释尿素在温度t₁时氮素的累积释放时间m₁与在所述累积释放时间m₁时氮素的累积释放量C₁；

2)将公式I转换为y＝a+b×m，设定y＝ln^(100-C)，a＝lnC₀，b＝－q；

C＝100-C₀×e^(-q)×m 公式I

所述公式I中，C为氮素的累积释放量，单位为％；C₀为肥料氮素最大累积释放量，单位为％；

m为氮素的累积释放时间；

q为释放速率常数；

将步骤1)所得m₁和C₁代入公式II和公式III，得到b、a；

再将所得a值代入a＝lnC₀得到拟合后的肥料氮素最大累积释放量C₀₁；

将所得b值代入b＝－q得到拟合后的氮素释放速率常数q₁；

将步骤1)所得m₁、步骤2)所得q₁与C₀₁代入所述公式I中，得到温度t₁时氮素的累积释放量C₁的拟合值，用C_a表示；

所述C_a与步骤1)所得C₁差异不显著；

3)按照步骤1)的方法，将所述温度t₁替换为温度t_i，所述t_i中，i为大于2的整数，得到温度t_i时氮素的累积释放时间m_i与在所述累积释放时间m_i时氮素的累积释放量C_i；

再按照步骤2)的方法，得到温度t_i时的q_i、C_0i；

将步骤2)所得q₁和步骤3)所得q_i利用ANOVA方差分析方法进行分析，若所述q₁、q_i之间的差异显著，则所述抛物线型树脂包膜控释尿素为温度依赖型包膜控释肥料，则继续按照步骤4)和5)进行；

若所述q₁、q_i之间的差异不显著，则所述抛物线型树脂包膜控释尿素不是温度依赖型包膜控释肥料，则终止计算；

4)将步骤3)所得q_i代入公式IV中，得到所述抛物线型树脂包膜控释尿素中氮素释放潜能Q，单位为J·mol^-1：

所述公式IV中，E＝8.31J·mol^-1；n为大于3的整数；D_j为t_i+275；t_i为q_i对应的温度；

5)如果所述设施土壤在每天的最高温度和最低温度之差大于2.7℃，则将步骤4)所得Q值代入公式V1中，得到焓化时数F：

所述公式V1中，F为焓化时数，单位为天数；

θ_1r表示每天10:00到20:00设施土壤的平均温度，单位为℃；

θ_2r表示每天20:00至次日10:00设施土壤的平均温度，单位为℃；

W₁＝0.42；W₂＝0.58；p＝25；E＝8.31J·mol^-1；r为所述抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

如果所述设施土壤在每天的最高温度和最低温度之差不大于2.7℃，则将步骤4)所得Q值代入公式V2中，得到焓化时数F：

所述公式V2中，F为焓化时数，单位为天数；θ_r为设施土壤温度的平均值，单位为℃；p＝25；W＝1.06；E＝8.31J·mol^-1；r为所述抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

6)将步骤5)所得F、C_0(25℃)、q_25℃代入公式VI，得到所述抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际累积氮素释放量C：

C＝[100-C₀×e^(-q×F)]×B 公式VI

所述公式VI中，C_0(25℃)、q_25℃为按照步骤2)所述方法拟合得到的t₁＝25℃时的C₀、q；r为所述抛物线型树脂包膜控释尿素在设施土壤中的实际释放天数；

B为修正参数，取值如下：

所述抛物线型树脂包膜控释尿素的包衣率≤7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差小于理论释放周期的三分之一，B＝1；

所述抛物线型树脂包膜控释尿素的包衣率≤7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差等于大于理论释放周期的三分之一，B＝1.2；

所述抛物线型树脂包膜控释尿素的包衣率＞7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差小于理论释放周期的三分之一，B＝1.25；

所述抛物线型树脂包膜控释尿素的包衣率＞7％，理论释放周期与室内培养检测释放周期之差等于大于理论释放周期的三分之一，B＝1.8。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用室内梯度恒温培养试验所用群体颗粒肥料的用量不小于10.0g。