温室中绿色生态臭氧病虫害防治

温室中的绿色生态臭氧病虫害防治摘要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。本文根据课题要求给出相应模型。问题一中根据中华稻蝗与稻纵卷叶螟对水稻参量的影响，首先分别通过SPSS拟合的方法建立两种害虫对水稻产量影响的单种模型，再通过二者的综合作用利用Matlab确定其综合影响模型；问题二中分别以产量最大化和利润最大化确定农药的使用方案，利用LINGO软件求解线性规划问题，给出具体的方案；问题三首先根据SPSS曲线拟合确定臭氧分解速率与温度的关系式，建立其效用函数，再根据已知数据对s、t、c做相关性分析后，用线性回归拟合出三者之间的关系，通过Matlab进行计算、分析，求解时间与病虫害经臭氧处理时的剩余数量比例的关系式；问题四设计出合理的温室中臭氧扩散方案，据此通过CAD工程制图模拟出臭氧动态分布图，采用气体扩散规律和速度，将其假设为一个箱式模型，通过管道通入3O使房间里的各个地方都能充分利用3O杀虫。关键词：MatlabSPSS曲线拟合线性规划线性回归CAD工程制图一、问题的重述1.1背景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。1.2需要解决的问题（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50m、宽11m、高3.5m，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。二、问题分析此题主要是通过研究在农业生产中，自然条件、杀虫剂防治害虫、温室中臭氧防治虫害的三种不同方案所得的经济效益，并设定合理的农药使用方案，和温室中臭氧扩散方案，以达到将效益提高到最大，并对自己提出的方案作出优劣分析。2.1问题一根据中华稻蝗与稻纵卷叶螟对水稻参量的影响，首先分别通过SPSS拟合的方法建立两种害虫对水稻产量影响的单种模型。在这个问题中可以发现中华稻蝗与稻纵卷叶螟均会造成水稻的减产，而对它们的多种因素分析中发现这是一个复杂的过程，要综合考虑到数量、密度等关系，因此我们联系两种害虫的综合影响并考虑其影响的先后顺序用SPSS进行曲线拟合，画图，并进行模型的求解、分析。2.2问题二2.3问题三与问题二相似，首先根据SPSS拟合的确定臭氧分解速率与温度的关系式。确定其效用评价函数。再根据臭氧浓度真菌作用的实验数据通过对s、t、c做相关性分析，确定s、t、c三者之间是否有关系。再根据线性回归的方法，确定具体的关系式，通过Matlab进行计算，分析，求解时间与病虫害经臭氧处理时的剩余数量比例的关系式。2.4问题四本题属于设计性试验，要求我们自己设计出合理的温室中臭氧扩散方案，并根据我们的方案，通过数值模拟出臭氧动态分布图。采用气体的扩散规律和速度，将其假设为一个箱式模型，通过管道通入3O使房间里的各个地方都能充分利用到3O杀毒。三、模型假设与符号系统3.1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2.在实际问题中,产量受作物种类、植株密度、气候条件以及害虫对杀虫剂的抵抗等各种因素的作用，而忽略以上各种因素的影响，仅仅考虑杀虫剂的种类和量的多少对生长作物的影响。3.忽略植物各阶段的生长特点对杀虫剂的各种需求量。4.农药是没有过期的，有效的。5.忽略病虫的繁殖周期以及各阶段的生长情况，将它以为是不变的生长速率。3.2符号系统符号意义单位1y中华稻蝗影响的水稻减产率%1x中华稻蝗密度2y稻纵卷叶螟影响的水稻减产率%2x稻纵卷叶螟密度12y中华稻蝗先影响时水稻减产率%21y稻纵卷叶螟先影响时水稻减产率%1z两种害虫同时影响的水稻减产率%2z两种害虫先后影响的水稻减产率%T温度CV臭氧分解速率1T将风扇调至Z轴平行时间间隔2T将风扇调至X轴平行时间间隔四、模型的建立与求解4.1问题一模型1.由题设知在自然条件下，建立病虫害与生长作物之间相互影响的数学模型，并以中华稻蝗和稻纵卷叶螟为例，进行对模型的求解和分析。那么我们可以建立单个害虫的模型，即（1）建立中华稻螟的单种模型经过SPSS的曲线拟合图可以看出它是一个接近三次函数的一种关系，通过SPSS可以计算出869.0824.1066.0001.0123111xxxy(4.1)其中1y代表水稻减产率，1x中华稻蝗密度。又得2R=0.990.95，说明这样的回归分析具有统计意义。图1：中华稻螟密度与减产率的关系图图2：稻纵卷叶螟密度与减产率的关系图（2）建立稻纵卷叶螟的单种模型经过SPSS的曲线图可以看出还害虫和水稻减产率也是一个接近三次函数的一种关系，通过SPSS计算可以得出317.0270.0002.000001075.0223222xxxy（4.2）式中2y代表水稻减产率，2x表示稻纵卷叶螟密度。又得2R=0.990.95，说明这样的回归分析具有统计意义。图3：中华稻蝗密度与水稻减产率关系曲线拟合图图4：稻纵卷叶螟密度与水稻减产率关系曲线拟合图通过曲线的拟合，我们可以作出拟合曲线图，可以看出这两种害虫对农作物的综合影响。2.联合模型我们建立的农作物与病虫害模型是回归模型，又通过对单物种害虫的验证，以及曲线的拟合情况综合考虑，模拟的建立是比较符合实际的，是可行的，由建立的单物种害虫的回归模型，可以得出两种害虫在农作物中密度对作物的减产率的影响不一样，怎样合并这两种害虫的影响才是关键。建立一个两种害虫的相关模型，就是他们对水稻减产率的综合影响。1）首先作假设两种害虫之间对水稻破坏没有影响。2）由中华稻蝗导致减产率为1y，稻纵卷叶螟导致减产率为2y，定义他们对水稻的综合影响为y。3）分两种情况讨论A.如果两种害虫对水稻作用分时间先后，是同时进行的，那么他们对水稻减产率的影响只需要将1y与2y直接相加即可，即211yyz（4.3）B.如果认为两种虫子对水稻减产率影响存在时间先后情况，那么可以定义：中华稻蝗先影响时水稻减产率记为12y；稻纵卷叶螟先影响水稻减产率纪为21y那么21112)1(yyyy，12221)1(yyyy这样我们可以将模型进一步说明，既然假设两害虫对水稻减产率有先后顺序，我们可以假设212121ykyky，其中1k，2k为两种害虫对水稻减产率的影响先后顺序，可知1k，2k的和为1，从而我们可以得到212212112))1(()1(kyyykyyyz）（（4.4）既然说121kk，那么时间的先后不会影响害虫对稻子减产率影响时一样的，都是2121yyyyy，即31222322)001317.000027.0005.08075.1(xxxxEz2122232)086922.001782.033.07095.7(xxxxE122232]402208.249248.052.11)59608.1[(xxxxE461473.150463.0345.95E00918.222232xxx（4.5）通过模型的建立，我们对害虫对水稻的减产率的影响进行了完整的求解，两种害虫对水稻减产率的影响是符合高元多项式的一种关系，又由于高次项系数较小，说明他们对水稻减产率的影响在由于虫子密度增大时水稻减产率增大的幅度只有一微小的变化，总体来说是随着害虫密度的增大，水稻减产率是呈上升趋势，也就是说，害虫密度越大，相应的水稻减产率也越大。4.2问题二模型4.2.1曲线拟合根据附录表四，同问题一、问题二方法一样经过SPSS散点分析的方法绘制图形：图5：臭氧分解速率与温度的关系图图6：臭氧分解速率与温度关系拟合图根据拟合曲线的2R可知，温度T与速率V模型符合三次关系式：327917.15432.1001.0002.0tEtEtv（4.6）4.2.1线性回归根据附表4,5通过相关性分析找出病虫害经臭氧处理时的剩余数量比例、时间以及臭氧浓度三者之间的关系，通过SPSS进行分析处理找出最符合的函数关系式，具体流程图如下：S、T、CS（T、C）函数关系式T、CT、C等式（1）T（C）（2）线性回归S=0SPSS曲线拟合联立（1）(2)解出T、CMatlab图7：解出T、C流程图根据SPSS线性相关性分析，确定ｓ、ｔ、ｃ三者之间的关系有：表一：ｓｔｃ相关性表根据图表可知ｔ、ｃ均与ｓ有相关性，并且ｔ、ｃ的交互作用也对ｓ有一定的影响。利用ＳＰＳＳ软件通过线性回归绘制图形,根据975.0R2，如下：相?性tcstPearson相?性1.999-.944?著性（??）.000.000N111111cPearson相?性.9991-.946?著性（??）.000.000N111111sPearson相?性-.944-.9461?著性（??）.000.000N111111在.01水平（??）上?著相?。图8：线性回归图图9：残差分析图可得s(ｔ、ｃ)的关系式：tccts887.3987.35698.1109.109（4.7）令s=0，则09.109887.3987.35698.11tcct（4.8）又通过SPSS拟合，999.02R，得出：ct69.3103.0（4.9）联立（4.8）（4.9）可得，756087.2t，7748.0c。4.2.3效用评价函数由附表5可知随着时间的增加臭氧浓度不断增加，而病虫害经臭氧处理时剩余数量不断减少,直至为零。从题目所给的背景资料可知：臭氧浓度低于0.05×10-6g/cm3时对作物生长具有保护作用，当臭氧浓度高于0.08×10-6g/cm3且作用时间超过一小时对作物具有危害。由附表4臭氧分解实验速率常数与温度关系可求得臭氧分解速率与温度的关系：327917.15432.1001.0002.0tEtEtv。要评价臭氧杀虫的效率通过此关系可解出在温度为T时刻的臭氧杀虫效率即为v.4.4问题四模型4.4.1模型的建立把温室假设成一个长方体，管道安装在长方体的其中两边缘，压力风扇安装在温室边缘与管道之间，用CAD工程制图做出模拟图，如下图所示：图10：温室模型图设从0t时刻管道已充满3O，其中0t等于12/VL。当0tt时打开压力风扇并将风向调与X轴平行，经历1T时刻后，将压力风扇的风向调至与Z轴平行（时间间隔分别为1T、2T），而通过控制时间来使3O在温室内的浓度均匀分布。图11：通气前装置图图12：通气后装置图)(01LDkVT（4.10）)(02LHkVT（4.11）则：LHLDTT21（4.12）因为L相对于D、H较小，则可近似认为21TT为HD，认为温室内臭氧浓度增加随时间变化时均匀的，通气直到温室中臭氧浓度达到植物生长最适宜的浓度大小时才停止并关闭压力风扇。4.5问题五模型4.5.1关于水稻生产杀虫剂的使用策略农业科技的发展，作物生产过程中杀虫剂的使用越来越广泛。然而，作为农民消灭害虫，提高产量的主要途径，杀虫剂的使用往往并不规范科学，很多农户使用杀虫剂存在很多问题，这些问题已经抑制了农业增。杀虫剂对农作物的杀虫效果固然高效，但使用手段是低效的。我们应该根据实际按病虫害发生情况采用农药标签规定的施药量，以达到有