温室中绿色生态臭氧病虫害防治论文.doc

温室中的绿色生态臭氧病虫害防治摘要 本文针对温室中的绿色生态臭氧病虫害防治问题，通过合理的建模，一次解答了提出的问题。对于问题一，首先提取表1、表2中关键因素画图得到病虫害密度与水稻损失率的关系曲线，发现其线性关系良好，因此我们利用多项式拟合函数来求得这一模型，较好的将其相互影响的关系反映出来。对于问题二，同样分析农药的残留量与时间的关系曲线，通过二次多项式拟合得出其函数关系，再通过对5个月内使用的周期进行积分计算得出农药的需求总量。其次分析题中各个经费，得出水稻产量与其利润的模型。最后通过农药残留量函数分析而得出农药的使用周期为15天左右，进而概括出其使用方案。对于问题三，利用回归分析将表5中病虫害经臭氧处理时的剩余数与臭氧持续作用时间和臭氧浓度数据进行编程，得出其关系函数，由此得出效用评价函数，即经臭氧处理掉的病虫害比例。对于问题四，综合问题三模型，考虑臭氧扩散速度与规律，在温室中安装两根通道，并在通道口分别安装两台电压力风扇，并且都要安装在温室高度中上的位置，使其能更快的扩散到地面，并且设定好通入臭氧的周期和持续时间，选择在温度较低的夜间工作，从而得出该问题的扩散方案。最后，结合前面四个问题的模型分析，提出了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。关键词：多项式拟合 回归分析 臭氧杀虫剂 绿色生态 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、 问题分析与符号说明2.1问题分析由题意可知，目的就是为了建立一种模型，解决杀虫剂的量的多少，使用时间，频率，从而使成本与产量达到所需要的目的。问题一中，首先建立病虫害与生长作物之间的关系。在这个问题中，利用多项式拟合函数。而问题二，数据拟合的方法进行求解，以问题一的中华稻蝗对生长作物的危害为条件，求解出锐劲特的最佳使用量。问题三，采用线性回归的方法，求解出生长作物的产量与的浓度和使用时间的综合效应。从而求解出对农作物生长的最佳浓度和时间，进而求解出使用的频率。问题四中，采用气体的扩散规律和速度，将其假设为一个箱式模型，从而布置管道，是一个房间里的各个地方都能充分利用到杀毒。最后，根据网上提供的知识，再结合自己的亲身体验，写出杀虫剂的可行性方案。2.2符号说明：中华稻蝗密度；：中华稻蝗使得水稻的减产率；：中华稻蝗影响下的产量；：中华稻蝗影响下的减产量；：稻纵卷叶螟影响下的产量；：水稻实际产量；：农药锐劲特在植株上残留的时间；：每株植物在时间残留的量；：每株植物在下一次使用农药锐劲特的量；：农药锐劲特的需求量；：水稻的利润；：农药劲锐特使用的周期；：臭氧持续作用时间；：臭氧喷嘴出口处检测到的臭氧浓度；：病虫害经臭氧处理时的剩余数量比例；：效用评价函数；：臭氧分解速度；3、 模型假设1. 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；同时也存在一个定值，故其条件类似于问题一的模型；2.应该考虑到中华稻蝗在模型中的存在价值，假设稻纵卷叶螟的影响因子为零；3.忽略其他害虫等对水稻产量的影响；4.忽略病虫的繁殖情况，假定它以不变的速度生长；5.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；6.忽略植物各阶段的生长特点对杀虫剂的各种需求量；7.假设真菌对臭氧不产生抗体，不发生对臭氧的基因突变；8.假设臭氧在室内均匀分布；9.在臭氧扩散到一定程度时，压力风扇并不影响臭氧的扩散，室内空气没有较大的 对流。4、模型的建立和求解问题一:通过观察表1，已知中华稻蝗和水稻作用的数据，分析得知中华稻蝗的密度大小主要影响穗花的被害率，而最终决定水稻的减产率，则稻蝗密度与减产率有着必然的联系，因而提取表1中密度和减产率两组数据进行作图（程序一、图1.1）： 图1.1 图1.2通过观察图1中两者的关系曲线，得知图像具有良好的线性关系，故我们考虑使用一元多项式来进行拟合，得到函数关系，通过在Matlab中多次运行，发现4次多项式拟合最接近该函数曲线。先将表中数据标准化，则密度列应同乘，将其单位转化为头/亩，而题中已知水稻的自然产量为800公斤/亩，则可将减产率转化为在中华稻蝗影响下的具体产量，即则将，进行阶数为4的多项式拟合（程序二、图1.2），得到中华稻蝗密度与水稻产量的函数同样对比表2中稻宗卷叶螟与水稻作用的数据观察分析，提取其密度和产量损失率中数据利用Matlab作图得（程序三、图1.3）： 图1.3 图1.4观察图形发现其也具有良好的线性关系，故同样考虑使用一元多项式进行拟合，通过Matlab多项式得到5次拟合效果最好，同样标准化数据：将，进行5阶多项式拟合（程序四，图1.4），得稻纵卷叶螟与水稻产量的函数则其综合、的影响得到问题一的模型问题二：将表3中数据进行作图分析，发现一元二次多项式拟合效果最佳，则将其进行二阶多项式拟合并作图（程序五、图2）如下：图2得到农药锐劲特在水稻中的残留量随时间的变化函数为：则每次需要的药量为 对其在五个月内使用农药次数求定积分即为总的锐劲特的需求量， 综合题目中的已知条件得到水稻的利润函数由利润表达式可知，影响利润的因素有两个，一个是产量，另一个是周期。当产量固定时，越大，利润越大；当周期固定时，越大，利润越大；而影响产量大小的因素为密度，影响密度大小的因素是水稻上残留的农药量。观察图2可知，撒农药锐劲特的第1天后，水稻上残留的农药量最大，此时的害虫最少，即密度最小，则产量最大；撒农药锐劲特的第15-25天后，水稻上残留的农药量趋于0，此时的害虫也趋于最大，即密度趋于最大极限，则产量趋于最小；综合考虑，周期为15天左右时，利润最大。问题三：观察表5中数据的变化，分别作出病虫害经臭氧处理时的剩余数量比例分别与臭氧持续作用时间与臭氧喷嘴处的臭氧浓度的关系图（程序七，图3.1）如下：图3.1发现和都与大概成反比例关系，其线性关系也很好，则分别对其进行拟合，发现二阶多项式拟合效果与实际数据较接近，得分别与、的函数关系：其中为臭氧持续作用的时间，为臭氧浓度。则综合这三者考虑编写Matlab程序（程序八）得其函数为下面对该线性回归方程同实际数据拟合效果进行检验，通过Matlab编程（程序）得到下面的检验程序的图形（程序九，图3.2）：图3.2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。因为表示病虫害经过臭氧处理后的剩余量，因此设，即表示病虫害经过臭氧处理掉的比例，即为效用评价函数，所以其函数表达为将表4中的温度与臭氧分解速度的关系数据进行拟合并作图（程序六、图3.3）， 图3.3得到一个二阶多项式拟合函数，即为臭氧分解速度与温度的关系函数，为臭氧的分解速率直接受温室温度的影响，而由图（3.3）知道温度越高臭氧分解速度越大，为了能使臭氧的使用时间延长使得其效率更高，我们应尽量选择在夜间温度较低的时刻通入适当浓度的臭氧，而由表五中的数据分析，臭氧持续的时间越长且浓度越高剩余病虫数量就越少，但是题目中的背景材料又告诉我们，温室中臭氧浓度太高、持续时间越长对温室中的植株会产生破坏，所以我们要综合各个影响因素考虑在浓度和时间允许的范围内来得到最优的方案。问题四：已知臭氧发生器可以把臭氧的浓度控制在5 mg/ m3-10 mg/m3的浓度范围内，通过实验，将浓度为10 mg/m3带入效用函数可知，作用时间只需1.52小时左右就可以将细菌全部杀死，10 mg/m3的浓度并不会将植物烧灼，而且该浓度可以使细菌快速死亡。通过常识可知，植物白天会进行光合作用，但是臭氧的浓度会使光合作用减慢，因此，臭氧的通入尽量选在在晚上，而且在保证杀菌剩余量为0的情况下，通入的时间越长，开始通入的浓度也就越小，对植物的影响也就越小，这样，既能保证杀菌完全，又能尽量不影响植物生长。扩散方案由此我们选择在晚上利用两根管道周期性的通入固定浓度的臭氧，并在通入口附近安装两个压力风扇，使臭氧能尽快的充满整个温室从而提高了杀虫效率。首先我们把两个压力风扇安装到高度大概居中的位子，使其更接近地面有助于臭氧更快的扩散到植株中；其次在两根管道中开设多个小孔，使气体能更准确的分散到不同的位置；最后均匀的控制风速和臭氧通入的浓度，尽量避免高浓度的臭氧集中在一起而产生的破坏作用。模型如图4.1， （图4.1） 问题五：科学技术的发展必然带动农业的发展，随着科技的进步农业经济增长也日益增强，我国各级政府都十分重视农业科学技术的研究和推广，“科技兴农”已被确立为一项基本国策。通过对科技进步的理论分析和量化研究，应用于农业提高劳动生产率和资源利用率,同时提高农业的集约度和劳动者的素质，对实施科教兴农战略是有必要的。因此，提出可行性高的策略方案，就是落实可持续发展，就是学习和实践科学发展观。农业生产过程中，水稻杀虫剂和温室臭氧病虫害防治的运用越来越广泛，而专家学者们热衷于探讨的问题就是：该策略可行吗？其实，问题的核心可转化为：“使用杀虫剂的利弊大小比较”。显然，使用杀虫剂有利也有弊，到底是利大于弊还是弊大于利，这决定了使用杀虫剂的可行性与否。 尽管，使用杀虫剂可能会造成土地和空气的污染，也可能会对人的健康构成威胁，但可以通过科学合理的方案和方法来尽可能减小使用杀虫剂所到来的弊。科学数据表明：在没有使用杀虫剂之前，中华稻蝗和稲纵卷叶螟对水稻的摧残是相当强烈的，造成水稻严重减产，同样，温室大棚蔬菜在没有应用臭氧病虫害防治之前，蔬菜不仅收成差，而且外表不美观。而在农业生产过程中使用该类策略的农作物产量大幅度提高，外表美观、质良味美，受到大众的热情欢迎，因此，合理使用杀虫剂是可行的。下面针对杀虫剂的弊端，提出合理的解决方案：杀虫剂在农作物残留会威胁人的健康？由表3可知，农药锐劲特虽然会在水稻中残留，但它的残留量会随时间的增加而减少，几乎使用一个月后，农药的残留量几乎已趋于零，所以只要统计农药的使用频率，把握好农药的消褪周期，使得农作物正好在农药的数个周期内后收成，这样就可以最大限度的降低杀虫剂对人的威胁。杀虫剂浓度过大会伤害农作物？根据生物学原理可知，任何试剂对作物的作用受其浓度的限制。当杀虫剂浓度在某一值内，可起杀虫作用却也不能抑制作物的生长，而当杀虫剂的浓度大于该值时，虽可杀虫，但却也会抑制作物的生长。所以，可找出一个合适的浓度范围来使用杀虫剂。综上所述，只要在使用杀虫剂和应用臭氧时严格遵守使用范围和用量、明确掌握安全间隔期，在合理、适度等具备科学精神的前提下，采用水稻中使用杀虫剂策略，温室中应用臭氧用于病虫害防治是有巨大可行性的。5、结果分析及评价问题一：由中华稻蝗和稻纵卷叶螟两种病虫为例而得出病害对水稻产量影响的综合作用模型，即由图（3.2）可知，该模型与实际值还是有一定的偏差，我们考虑是随着病虫害种群密度的上升，个体间由于有限的空间、食物和其他生活条件而引起的种内斗争必将加剧，以该种群生物为食的捕食者的数量也会增加，这就会使这个种群的出生率降低，死亡率增高，从而使种群数量的增长率下降，而我们在建立模型的过程忽略这一因素对结果的影响，因此，这其中存在一定的偏差是可理解的。模型最大优点在于对原始数据拟合时, 采用多种方法进行，使之愈加完善，具有很高的拟合精度和适度性。在此基础上，对模型作进一步讨论便可得到一系列可靠而实用的信息并且所得结论与客观事实很好地吻合，从而进一步说明模型是合理的。问题二：针对问题一中病虫对于水稻产量的严重影响而建立，在合理使用农药劲锐特的作用下，以水稻产量和利润为目标的模型，即在该模型中，水稻的产量是利润的直接来源，而病虫的影响是决定水稻产量的重要因素，所以利用农药来消灭病虫害成了解问题的关键，由此而得出的水稻利润模型是合理的，并且在分析农药的残留量与时间的关系而得出的使用方案也是可行的。同样的我们在确定农药锐劲特的使用周期时也并没有对病虫害的生长繁殖的周期进行具体的建模分析，因为种群之间的斗争对产量的影响一直存在，但我们在综合问题一中病虫害的影响中也考虑到要在避免在病虫害数量达到最大时用农药，并且要尽可能的在其残留量不影响植株的情况下周期性的使用农药杀虫而保证其产量。问题三：受到绿色食品与生态种植理念的影响，而在温室中引入型杀虫剂及因此得出的效用评