麻风树配方施肥试验的研究.docx
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麻风树配方施肥试验的研究
基于定量数据分析研究麻风树配方施肥试验
黄海燕曹东明李自创
摘要:
为了缓解当今世界能源和环境带来的压力,本文就开发一种新生能源的原料,麻风树的配方施肥试验展开研究,以达到高产、稳产。
针对不同问题,我们运用不同的数学知识求解,并给出了定量的数据结果。
最后,还对结果进行了分析和评价。
针对问题
(1):
我们就施肥和未施肥两种情况,首先,初步分析枝径和枝长的调查数据,对比两者的平均值,可发现施肥抑制枝径的生长,从而促进果实的成熟。
再以植株的生殖次数作为第二个判断依据,可知施肥样地植株生殖次数较未施肥样地生殖次数多86次。
最后,我们对比植株的萌生率,施肥样地植株的萌生率比未施肥的低3%。
三次对比后,我们初步判断对样地的施肥的效果有明显的改善。
判断依据表
萌发率
生殖总次数
总枝径平均值
总枝长平均值
施肥样地
0.421053
285
1.5040977
47.108642
未施肥样地
0.449612
199
1.7853101
55.510307
基于以上对比,我们再利用SPSS,对平均枝径、平均枝长和生殖次数作方差分析,发现施肥对枝径有特别显著的影响,对枝长的影响较小,对生殖次数有较显著的影响。
最后,求得平均枝茎增长值、平均枝长增长值、生殖次数增长值和萌发枝数增长值,作相关分析,可知平均枝茎增长值和平均枝长增长值,生殖次数增长值和萌发枝数增长值的相关系数较大,通过回归分析,得到拟合曲线:
由方差分析知,施肥对枝长的影响较小,但是枝径与枝长间存在着联系。
因此,施肥对枝长的影响也不能忽视。
从而,我们判断施肥对样地有明显的改善效果。
表(5—5)给出的定量数据结果。
针对问题
(2):
首先求得施肥和未施肥情况时植株的总果数和前5株的生果率,比较可知施肥时总果数多163个,生果率提高0.55115/a(a为理想状态下一朵雌花的结果数量)。
再以各个植株的施肥和未施肥的总果量为对象作直方图(见图(6-1)),由图象可以看出有80%的植株施肥后增产。
最后,通过比较施肥和未施肥时各个时期果实的比例,可发现施肥对果实在各个时期的死亡率有影响。
综上说明,施肥对麻风树果实产量有明显影响。
最后给出死亡率的预测模型与方法。
关键词:
麻风树施肥方差分析相关分析回归分析
1问题的重述
1.1背景重现
能源是经济社会发展的重要物质基础。
环境问题在一定程度上是由于能源消费所引起的,能源与环境问题归根结底是发展问题。
工业革命以来,煤炭、石油、天然气等化石能源快速发展,成为经济社会发展的主导能源。
能源的开发利用,在创造出巨大物质财富的同时,也带来空气污染、生态破坏等一系列严重环境问题,直接威胁着经济社会的可持续发展。
中国的能源环境问题异常复杂,解决起来比许多国家要艰难得多,付出的努力要艰辛得多。
随着全面建设小康社会进程的加快,能源开发利用将给环境带来更严峻的挑战。
解决能源和环境问题有两个最为主要的方法,一是大力发展可再生能源,第二个就是节约。
相比较发展可再生能源的高成本投入,能源节约的执行更为直接,所带来的经济回报和环境回报更加明显。
中国人口众多,能源消耗量巨大,因此也有相当大的节能潜力。
当然,节能是一个相当全面的概念,会覆盖到我们工作和生活的方方面面,所以也就需要全社会所有的参与者都具备节能意识,了解节能的经济意义和环保意义。
在我们工作生活中,有很多节能的措施是举手之劳,考虑到中国14亿的人口数量,节能的数量也是十分的可观。
比如用完电器拔电源,减少待机能耗;夏天空调控制在26度以上;适当调节电视、电脑亮度;生活中节约合理的用水;购买使用节能灯、节能冰箱、节能空调、节能洗衣机等家用电器;合理使用私家车,多乘坐公共交通工具等。
这些节能技巧简单易用,每个人都能轻易做到,如果普通大众都能有节能意识,不仅为自己节约了电费水费油费,也为减少二氧化碳排放,阻止气候变暖做出了贡献。
1.2基本信息
1.2.1麻风树简介
麻风树:
麻风树为喜光阳性植物,根系粗壮发达,具有较强的耐干旱瘠薄能力,枝、干、根近肉质,组织松软,含水分、浆汁多、有毒性而又不易燃烧,抗病虫害。
原产美洲,现广泛分布于亚热带及干热河谷地区,我国引种有300多年的历史。
野生麻风树分布于两广、琼、云、贵、川等省,以及非洲的莫桑比克、赞比亚等国,澳大利亚的昆士兰及北澳地区,美国佛罗里达的奥兰多地区、夏威夷群岛地区等均有分布。
干热河谷野生状态下的种子,一般一年一熟,少有一年两熟,枝、干具再生能力,种子发芽率在90%以上。
麻疯树生长迅速,生命力强,在部份地方可以形成连片的森林群落。
由于该树种植可用杆插法繁殖,而且成活率高,生长速度快,头年就有收成,产量逐年增加,果实采摘可达50年。
近年来,由于退耕还林的推动,各地大量种植。
目前仅四川一地的麻疯树资源量即在26万亩以上,可产种籽17万吨,可提炼麻疯树油6万吨。
显示了一定的资源潜力。
未来全国麻疯树种植面积至少可达3000万亩以上,预计可产柴油580多万吨(按每亩每年产干果650公斤,每公斤果可榨取0.3公斤柴油计),显示了良好的资源开发利用前景。
它不但人工造林容易,天然更新能力强,还耐火烧,可以在干旱、贫瘠、退化的土壤上生长。
适宜在热带、亚热带以及雨量稀少、条件恶劣的干热河谷地区种植,是保水固土、防沙化、改良土壤的主要选择树种。
麻疯树具有极强的生育繁殖能力,枝叶浓密,林地郁闭快,落叶易腐不易燃,改良土壤能力强。
生长在陡坡上的麻疯树林成为良好的生物防火隔离带。
1.2.2生物油技术简介
生物油技术:
是一种传统技术,但以麻疯树为原料制取生物柴油还是近年出现的事。
1995年在洛克菲勒基金和德国政府支持下,巴西、尼泊尔、津巴布韦开始了对麻疯树油用做燃料的开发。
印度计划委员会于2002年7月成立了生物燃料领导小组,起草了生物柴油国家发展规划,计划到2011~2012年间,实现生物柴油替代20%石油柴油的目标,届时,麻风树的种植面积将达到500万公顷。
2003~2007年是示范项目阶段,在此期间,政府作为首要推动者,负责所有环节的规划和运作。
该阶段的主要工作是探讨种植、脱粒、提炼、转化、调和、市场开发、产品质量和制度安排等环节存在的问题和解决办法。
麻疯树提取生物柴油项目已被国家列入“十五”科技攻关项目,由四川长江科技公司承担。
目前,该公司已与红河哈尼族彝族自治州政府签署协议,在种植推广取得成效的基础上,将在红河工业园区内建设10万吨生物柴油加工厂。
值得一提的是,由于上述原料种植不占用良田,不用更多的劳动力成本,将对边疆民族地区农民的脱贫致富起到很大的推动作用。
四川省攀枝花市、四川大学生命科学学院、四川省长江造林局和长江科技有限公司加大合作力度,利用麻风树开发生物柴油取得成效。
目前,已掌握了加工麻风树原油制取生物柴油的相关技术。
同时,经四川省农机产品及车辆配件质量监督检测站、汽车产品试验站试验检测,被证明可以替代0号商用柴油,作为柴油机燃料用油。
四川攀枝花独特的气候条件十分适宜麻风树生长。
目前,四川省长江造林局已经在攀枝花建起200亩麻风树种苗基地,4000亩麻风树基因库。
同化石柴油相比,麻疯树油是一种绿色柴油,它对环境友好(麻疯树油硫含量低,SO2和硫化物排放量比0#柴油低10倍),低温启动性能好(无添加剂冷凝点达-20℃),润滑功能强(喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低,使用寿命长),安全性能高(闪点高,不属于危险品,运输、储存方便),燃料性能佳(十六烷值高,燃烧性能好于柴油,燃烧残留物呈微酸性,使催化剂和发动机机油的使用寿命加长),而且具有可再生性。
1.3数据说明
①麻风树林分个体特征调查;
②马店河喷施叶面肥样地调查。
1.4问题说明
问题
(1):
利用个体构件调查表的数据,通过对施肥样地和未施肥样地的数据的对比分析,判断对样地的施肥的效果有无明显的改善。
若有改善,请给出施肥对枝长或者枝径增长值的定量数据结果。
问题
(2):
利用开花座果调查表的数据,分析施肥对麻疯树果实产量有无明显的影响?
若有,试建立相应的数学模型并给出定量的数据结果。
2问题的分析
2.1名词解释
硼(B):
是作物所必需的微量营养元素,硼对作物生理过程有三大作用:
一是促进作用,硼能促进碳水化合物的运转,植物体内含硼量适宜,能改善作物各器官的有机物供应,使作物生长正常,提高结实率和坐果率。
二是特殊作用,硼对受精过程有特殊作用。
它在花粉中的量,以柱头和子房含量最多,能刺激花粉的萌发和花粉管的伸长,使授粉能顺利进行。
物候:
指植物在一年的生长中,随着气候的季节性变化而发生萌芽、抽枝、展叶、开花、结实及落叶、休眠等规律性变化的现象,称之为物候或物候现象;与之相适应的树木器官的动态时期称为生物气候学时期,简称物候期。
萌发枝:
萌发新枝的树枝。
生殖次数:
植株开花结果的次数。
增长量(平均枝径、枝长,萌发枝、生殖次数):
施肥样地植株的个体特征调查数据与未施肥样地个体特征调查数据之差。
死亡率:
不能从前一个时期生长到后一个时期的果实所占总果实的比例。
2.2问题分析
本文所要求的问题
(1)
(2)均需要通过数据分析,判断施肥对植株的影响。
那么,我们就从题给定的数据入手,得到最后的判断结论并给出定量数据结果。
对于问题
(1),我们第一步:
利用Excel工具表求得施肥样地与未施肥样地的总枝径、总枝长的平均值,对比分析两类平均值,根据硼肥的作用,判断施肥对样地有无改善效果;第二步:
由于硼肥能够提高植株的结实率和坐果率,那么,我们再以两类样地植株的生殖次数作为对比对象,得到第二次判断结论;第三步:
施肥后,对植株施肥后,能刺激花粉的萌发和花粉管的伸长,从而抑制枝、茎的生长,比较施肥和未施肥时萌发枝的萌发率。
若施肥后萌发率更低,则说明施肥有改善效果,反之,则无改善效果。
通过三次数据对比分析后,初步得到判断结论。
以上是以数据分析得到浅显地判断,为了使判断结果更有说服力,我们利用SPSS,对平均枝径、平均枝长和生殖次数作方差分析,观察施肥对枝径、枝长、生殖次数的影响大小。
从而,确定最终的判断结论。
最后,求得平均枝茎增长值、平均枝长增长值、生殖次数增长值和萌发枝数增长值,作相关分析后,观察各增长值之间的相关系数,并通过回归分析,得到存在相关关系的增长值的拟合曲线,也可发现各变量间的联系。
对于问题
(2),首先求得施肥和未施肥情况时植株的总果数和前5株的生果率,比较两种情况下的总果数和生果率,判断施肥对麻风树的果实产量有无影响。
再以施肥和未施肥的总果量为对象作直方图(见图(6-1)),由图象的分布可以很明显地看出施肥的影响。
由于各个时期的果实与生物油的产量有关,因此,我们通过比较施肥和未施肥时各个时期果实的比例,判断施肥对果实死亡率由影响。
最后给出死亡率的预测模型与方法。
上述四个步骤后,我们可以确定最后的判断结论。
3模型的假设
1、假设施肥的剂量完全相同;
2、假设每朵雌花在理想状态下能结a个果实;
3、假设每一株树的枝径平均值和枝长平均值相等;
4、假设果实死亡也可利用;
5、假设所有植株在同一适宜的环境下生长,不受外界自然灾害的影响。
4符号系统的说明
:
平均枝径增长值
:
平均枝长增长值
:
萌发枝数增长值
:
增长次数增长值
:
皱果出油率;
:
圆果出油率;
:
黄果出油率;
:
干果出油率;
:
皱果期果数;
:
圆果期果数;
:
黄果期果数;
:
干果期果数;
:
皱果期最终收获数量;
:
圆果期最终收获数量;
:
黄果期最终收获数量;
:
干果期最终收获数量;
:
皱果期死亡率;
:
圆果期死亡率:
:
黄果期死亡率:
:
总出油量;
5问题
(1)的求解
对于问题
(1),我们首先利用Excel计算工具对数据进行整理,得到以下表格:
施肥样地总枝径
未施肥样地总枝径
施肥样地总枝长
未施肥样地总枝长
平均值
1.5040977
1.7853101
47.108642
55.510307
表(5—1)
由以上表格可知,施肥样地总枝径与总枝长平均值均小于未施肥样地的平均值。
由于硼肥促进植株的生殖发育,那么植株吸收的营养应当供给生殖器官。
所以,施肥对枝的生长并没有促进作用。
得到第一次对比结论:
施肥对样地有影响。
第二步:
由于硼肥能够提高植株的结实率和坐果率,那么,我们再以两类样地植株的生殖次数作为对比对象,得到整理后的数据表格,如下表所示:
生殖总次数
施肥样地
285
未施肥样地
199
表(5—2)
观察生殖次数数据,反映了施肥样地生殖次数多于未施肥样地,符合硼肥使作物生长正常,提高结实率和坐果率这一原理。
从而,得到第二次对比结论:
施肥提高样地植株生殖次数。
第三步:
由于对植株施肥后,能刺激花粉的萌发和花粉管的伸长,从而抑制枝的生长。
所以,我们再比较施肥和未施肥时萌发枝的萌发率。
萌发率
施肥样地
0.421053
未施肥样地
0.449612
表(5—3)
可见施肥样地植株萌发枝萌发率比未施肥地低大约3%。
从而,有第三次数据分析可得结论:
施肥抑制枝的生长。
综合以上三次数据对比分析后,我们初步得到判断结论:
施肥对样地植株的生长有明显的影响。
但是,以上只是以数据分析得到浅显地判断,为了使判断结果更准确,我们利用SPSS,对平均枝径、平均枝长和生殖次数作方差分析,观察施肥对枝径、枝长、生殖次数的影响大小。
方差分析表如下所示:
表(5—4)
通过方差分析,可知:
施肥对样地植株的枝径有特别显著的影响,对植株的生殖次数影响也较显著,对植株的枝长影响较小,但是并不能否认施肥对植株的生长有影响。
接着,利用Excel工具表求得平均枝茎增长值、平均枝长增长值、生殖次数增长值和萌发枝数增长值,通过相关分析,寻找各变量间的内在联系。
Excel工具表处理的数据结果如下表所示:
编号
平均枝茎增长值
平均枝长增长值
生殖次数增长值
萌发枝数增长值
1
-0.257143
-5.37321
26
12
2
-0.427446
-11.26902
13
7
3
-0.718984
-25.9377
13
5
4
0.099736
9.56985
13
13
5
-0.415032
-22.19837
-9
-1
6
-0.335375
-5.48755
7
-1
7
-0.140865
-2.38221
-8
-10
8
-0.032972
5.53189
22
11
9
-0.172407
-7.88778
26
7
10
-0.411636
-18.58255
-17
-14
表(5—5)
我们再利用SPSS对以上四个增量进行相关分析,通过比较增量间相关系数大小,确定有联系的增量。
相关分析表如下:
表(5—6)
以上表格反映:
平均枝茎增长值和平均枝长增长值,生殖次数增长值和萌发枝数增长值的相关系数较大,说明它们相互间存在着联系。
那么,再通过回归分析得到反映两个联系的拟合曲线,拟合过程如下:
表(5—7)
平均枝长增长值
图(5—1)
结合表(5—7)和图(5—1)可知平均枝径增长值和平均枝长增长值的拟合曲线,为:
同样地,我们再对生殖次数增长值和萌发枝数增长值进行回归分析,得到两者的拟合曲线,分析过程如下:
表(5—8)
图(5—2)
由以上分析,得到萌发枝数增长值和生殖次数增长值的拟合曲线:
由所求的两个拟合曲线可知,各变量之间是存在联系的,硼肥的喷洒对萌发枝和已生枝的生长均有抑制作用,对植株的生殖次数有促进作用,符合硼肥喷洒的效果。
因此,我们确定施肥对样地有明显的改善。
表(5—5)为给出的施肥对枝长或者枝径增长值的定量数据结果。
6问题
(2)的求解
要分析施肥对麻疯树果实产量有无明显的影响,我们首先解得施肥和未施肥情况下前5株麻风树的生果率和总果数。
其中:
第一步:
计算得到以下表格:
总果数
前5株生果率
施肥
696
2.12183/a
未施肥
533
1.57068/a
表(6—1)
由上表可知,施肥时麻风树的总果数比未施肥时的总果数多163个,施肥时的生果率提高0.55115/a,假设a是理想状态时一朵雌花所能结的果实数量。
从而,初步认为施肥对麻风树的果实产量有影响。
第二步:
再以总果量为分析对象,作出两种情况下总果量的直方图,图如下所示:
图(6—1)
由图象可以看出有80%的植株施肥后增产。
说明施肥对果实的产量有影响。
第三步:
根据四个时期的果实数量所占总果实的比例,得到以下圆柄图:
图(6—2)
由上图可以发现,施肥对麻风树果实在各个时期的分布有影响,进而,我们判断施肥对果实的各个时期之间的死亡率有一定的影响。
第四步;从实际经济效益考虑,我们给出了各个时期死亡率与生物材油产量之间的数学模型。
通过下表可知
<=
<=
<=
。
表(6-2)(详见参考文献【2】)
因此我们可以看出当
、
、
越小,产油量将会越高。
从题目给出的数据,我们只能分析出施肥对死亡率由一定的影响,但并不能推断出对它的影响是促进还是抑制。
这个通过以上给出的死亡率与生物材油产量之间的数学模型是可以预测到的。
只要得到施肥与未施肥样地各个植株的生物材油产量或终期收获结果,便可以对死亡率进行预测,这在实际生活中是完全可以做到的。
7模型的评价
模型的优点:
1、问题一在判断施肥对麻风树影响中,利用了SPSS统计分析软件进行了方差分析,使结论的严密性更强。
2、问题二在合理分析施肥对果实各个方面的影响的同时,还从实际经济效益出发,给出了实际出油量与各个时期死亡率的数学模型。
使模型更贴近实际,通用性、推广性较强。
3、模型中运用了许多的图表,使数据结果更加直观。
模型的缺点:
1、基于处理数据的学要,模型做了一些必要的假设,使模型具有一定的局限性。
2、在一些数据拟合时,我们只能使其拟合优度尽量的高,但还是这带来一定的误差。
3、对问题中某些的概念的理解带有主观因素。
8参考文献
[1]《中国社会科学院院报》,黄永光;
[2]《麻风树生物柴油研究和开发进展》,陈放,徐莺,唐琳,王胜华,吴军;
[3]《麻疯树果实发育阶段划分与性状变化动态》,何亚平,费世民,蔡小虎;
[4]《能源和环境协调发展/中国新材料产业发展报告》,刑利宇;
[5]《中国的能源与环境:
问题及对策》,王庆一,煤炭信息研究院,北京100029;
[6]《生物柴油技术工艺及流程》,郭庆祥,中国科技大学。
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