缓控释肥料中氮素转运的特性及模拟研究

【摘要】缓控释肥料因其高效、环保的特性正受到越来越多的关注,已成为目前肥料行业研发的重要领域。为了系统地研究缓控释肥料中氮素转运的特性,并对其进行模拟,本文以无机包裹肥料和聚合物包膜肥料为样本,系统地研究了温度、蒸汽压和土壤含水量三个因素对其氮素释放特性的影响。研究发现,聚合物包膜肥料包膜层内外的蒸汽压差是其核心养分释放的主要原因,温度和土壤含水量影响肥料氮素释放特性的本质是其对肥料颗粒包膜层内外蒸汽压差的影响,包膜层内外蒸汽压差的温度依存性决定了其养分释放速率的温度依存性。根据一级反应动力学方程,引入氮素释放速率常数k和氮素释放的活化能Eα,建立了肥料氮素释放的动力学模型。研究表明,环境温度越高,k越大,则氮素释放速率越大；Eα越大,肥料的氮素释放速率对温度越敏感。以2#缓溶肥料和6“聚合物包膜尿素为例,研究了肥料在不同含水量的土壤中的氮素累计释放率,研究结果显示,两种肥料中的氮素累计释放率均随着土壤含水量的增大而增大,其中,2“肥料在土壤中的氮素累计释放率与时间的关系符合一级反应动力学方程N=N0+A(1-e-kt),6#肥料中的氮素在土壤中的释放过程分为滞后期和线性期两个阶段,其间氮素的累计释放率与时间的关系分别符合方程：Nt=0,Nt=N0+A1t+A2t2另外,根据供试肥料中的氮素在土壤中的累计释放率与其在静水浸提实验中的累计释放率之间的关系,建立了静水中和土壤中的氮素释放特性的关联方程,为快速测定大田中肥料氮素的累计释放特性提供了一种快捷方法。以多孔介质中的Fick型扩散原理为理论基础,建立了无机包裹肥料中氮素释放的分段数学模型其中,0<t<t’为氮素释放的线性期,t≥t’为氮素释放的衰退期。该模型很好地实现了无机包裹肥料中氮素释放过程的精确计算；通过实验数据测定了该数学模型的适用条件,结果表明,该数学模型的理想模拟环境为25-35℃,养分释放时间越长,数学模拟结果误差越小。所以,该模型对无机包裹类肥料的研制和应用具有重要的指导作用。以Fick第二扩散定律为理论基础,利用数理方程建立了聚合物包膜肥料氮素释放的分段数学模型其中,t≤t’为滞后期,t’<t≤t”线性期,t>t”为衰减期。经实验验证,该模型适用于低温下且肥料氮素释放时间较短阶段的模拟研究。温度越高,释放时间越长,该模型的准确性越差。所以该数学模型能够较好地估算聚合物包膜肥料养分释放的细节,对聚合物类包膜肥料的开发、生产和施用具有重要的指导作用。建立数学模型做了一系列的连续性理想假设,这使得肥料氮素的实际释放过程与数学模拟结果总有一定的误差。为了更真实地模拟肥料的养分释放过程,本文引入了元胞自动机,元胞自动机是一个时间、空间均离散的动力学系统。以矩阵作为元胞自动机的表现形式,以矩阵元素的演化模拟肥料养分的释放,以matlab程序作为辅助研究的手段,完成了对无机包裹肥料和聚合物包膜肥料中氮素的释放过程的模拟研究。其中,用矩阵元素表示缓控释肥料的结构组成物质,用简单的元胞自动机演化规则研究缓控释肥料中氮素的释放过程。模型采用诺依曼邻居条件,定值型边界,以概率论的二次分布定理确定演化概率。肥料颗粒中氮素的累计释放率可以用元胞自动机中累计演化的元胞百分数来描述。本文不但给出了整个元胞自动机的演化过程,还绘出了肥料氮素释放过程中累计演化元胞百分数与演化时间的关系曲线,该曲线间接反映了肥料氮素的累计释放率与释放时间的关系。成功地实现了利用二维元胞自动机模型对肥料养分释放过程的动态可视化模拟。同时,通过比较元胞自动机中累计演化的元胞百分率m%-演化次数k之间的关系曲线与各函数拟合曲线,验证了元胞自动机模型的可靠性。另外,为了科学合理地应用数学模拟方法和元胞自动机模拟方法,本文从理论基础和适用范围两个方面对两类模拟方法进行了综合评价。以土壤中溶质运移理论为基础,将氮素在土壤溶液中的运移过程简化为溶质在多孔介质中的扩散传递过程。利用元胞自动机对该运移过程进行了模拟研究,并由实测数据验证了元胞自动机模型的可靠性。研究表明,元胞自动机模型能够很好地模拟氮素在土壤中的运移过程,为土壤中的溶质运移研究提供了一种新手段。
【作者】陈可可；
【导师】张保林；
【作者基本信息】郑州大学，化学工艺，2012，博士
【关键词】缓控释肥料；养分释放；扩散；溶质运移；模拟；元胞自动机；

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