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      噻嗪酮在水稻中的消解動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型研究

      2012-04-29 10:32:10李賢波陳浩沈菁
      湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年18期
      關(guān)鍵詞:消解數(shù)學(xué)模型水稻

      李賢波 陳浩 沈菁

      摘要:采用GC-ECD法測(cè)定噻嗪酮在水稻(Oryza sativa L.)中的殘留水平,建立Rayleigh動(dòng)態(tài)模型、雙室降解模型、阻滯動(dòng)力學(xué)模型、指數(shù)負(fù)增長(zhǎng)函數(shù)模型和灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型等不同類型的數(shù)學(xué)模型,然后對(duì)其進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)。結(jié)果表明,Rayleigh動(dòng)態(tài)模型的擬合度最高,噻嗪酮在生態(tài)環(huán)境中的降解過(guò)程典型地受農(nóng)藥本身的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)、環(huán)境、施藥次數(shù)和施藥濃度等諸多因素的共同影響,應(yīng)用Rayleigh 動(dòng)態(tài)模型可以很好地模擬噻嗪酮在水稻中的殘留消解動(dòng)態(tài)。

      關(guān)鍵詞:噻嗪酮;水稻(Oryza sativa L.);消解;數(shù)學(xué)模型

      中圖分類號(hào):S482.3+9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2012)18-4101-03

      Study on the Mathematical Models of Dispelling Dynamic of Buprofezin in Rice

      LI Xian-bo1,2,CHEN Hao2,SHEN Jing1

      (1. Agricultural Quality Standards and Inspection Technology Research Institute, Hubei Academy of Agricultural Science,Wuhan 430064,China;2. College of Science, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

      Abstract: Different types of mathematical model, such as Rayleigh dynamic model, two-compartmental degradation model, kinetic model, the exponential negative growth function model and grey predictive GM (1,1) model was established on the basis of the buprofezin residual content in rice determined by GC-ECD; and the fitness to model was tested. The results showed that the fitness of Rayleigh dynamic model was the best. The dispelling process of buprofezin in ecological environment was typically affected by the molecular structure of the pesticide, environment, times of spray and spray concentration. The Rayleigh dynamic model could better simulate the dispelling dynamic of buprofezin in rice.

      Key words: buprofezin; rice(Oryza sativa L.); dispelling; mathematical model

      在研究農(nóng)藥的降解規(guī)律中,選用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型模擬農(nóng)藥殘留的動(dòng)態(tài)過(guò)程,對(duì)分析和預(yù)測(cè)農(nóng)藥殘留量有著重要意義[1]。目前,國(guó)際上普遍認(rèn)為農(nóng)藥在土壤中和植物上的消解猶如放射性物質(zhì)衰變,在某一時(shí)刻農(nóng)藥殘留量只與施藥后的時(shí)間有關(guān)。在二嗪類昆蟲生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑中,噻嗪酮以其高活性、高選擇性、長(zhǎng)殘效期等特點(diǎn)在農(nóng)業(yè)有害生物的控制中發(fā)揮了重要作用[2,3]。目前,關(guān)于模擬噻嗪酮?dú)埩舻哪P瓦€未見報(bào)道,為了明確噻嗪酮在生態(tài)環(huán)境中的消解動(dòng)態(tài)規(guī)律,可采用GC-ECD測(cè)定噻嗪酮在水稻(Oryza sativa L.)中的殘留量,利用數(shù)學(xué)模型模擬噻嗪酮的動(dòng)態(tài)消解過(guò)程。本研究將經(jīng)典的指數(shù)負(fù)增長(zhǎng)函數(shù)模型、Rayleigh動(dòng)態(tài)模型、雙室降解模型、灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)消解模型以及阻滯動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于水稻中噻嗪酮的消解動(dòng)態(tài)分析,以期為噻嗪酮的分析和預(yù)測(cè)提供理論支持。

      1材料與方法

      1.1材料

      水稻樣品來(lái)源于水稻農(nóng)殘?jiān)囼?yàn)田,噻嗪酮購(gòu)于德國(guó)Dr. Ehrenstorfer試劑公司。

      1.2方法

      1.2.1提取稱?。保埃?g樣品于250 mL具塞三角瓶中,加入25 mL去離子水和50 mL乙腈,于搖床上高速振蕩1 h,溶液過(guò)濾后加入已盛有10 g氯化鈉的100 mL具塞量筒中,劇烈振蕩2 min,靜置30 min待凈化。

      1.2.2凈化與檢測(cè)準(zhǔn)確吸取上層溶液10 mL于100 mL小燒杯中,70 ℃水浴蒸至近干。PC/NH2柱經(jīng)4 mL乙腈+甲苯(3+1體積比,下同)活化,用2 mL乙腈+甲苯(3+1)3次洗滌小燒杯,并將洗滌液移入柱中。用25 mL乙腈+甲苯(3+1)洗滌PC/NH2柱,收集所有流出物于雞心瓶中,50 ℃水浴中旋轉(zhuǎn)濃縮至約0.5 mL,每次加入5 mL正己烷進(jìn)行溶劑交換兩次,濃縮至干。2 mL正己烷定容,旋渦1 min,過(guò)0.2 μm濾膜后,采用GC-ECD法分析。

      1.3降解動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立

      把噻嗪酮在水稻中的殘留量看作只與變量時(shí)間有關(guān),即殘留量(C)是施藥后時(shí)間(t)的函數(shù),設(shè)噻嗪酮在水稻中的殘留降解函數(shù)為C=f(t),選擇不同類型的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算有關(guān)參數(shù),建立相應(yīng)的噻嗪酮?dú)埩艚到鈩?dòng)態(tài)模型。

      2結(jié)果與分析

      在未施用噻嗪酮的水稻上采集空白水稻樣品,分別添加0.01、0.05、0.50 mg/kg 3個(gè)水平,每個(gè)水平5次重復(fù),添加樣品中噻嗪酮加標(biāo)回收率為 97.6%~104.0%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在7.0%~16.0%范圍。噻嗪酮在水稻中的最小檢測(cè)濃度為0.01 mg/kg?;厥章?、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和最小檢測(cè)濃度均能滿足農(nóng)藥登記殘留試驗(yàn)的要求。在田間分別采集施藥后2 h、1 d、3 d、7 d、14 d、21 d的實(shí)際樣品進(jìn)行GC-ECD分析, 每個(gè)實(shí)際樣品重復(fù)3次并取其平均值,可得噻嗪酮在水稻中的殘留降解數(shù)據(jù),見表1。

      2.1噻嗪酮消解動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立

      2.1.1經(jīng)典指數(shù)負(fù)增長(zhǎng)函數(shù)模型[4,5]在農(nóng)藥的降解規(guī)律研究中,一般認(rèn)為,農(nóng)藥在土壤中、植物上的消解猶如放射性物質(zhì)衰變一樣,大致可用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式來(lái)表示。在不考慮其他因素的情況下,認(rèn)為噻嗪酮的消失速度僅取決于當(dāng)時(shí)噻嗪酮在水稻中的濃度,即滿足微分方程:

      dy/dt=-k·C(k>0),y(0)=a(1)

      式中,C為農(nóng)藥在t時(shí)刻的濃度;t為施藥后時(shí)間;k為農(nóng)藥降解速度常數(shù);a為農(nóng)藥在t=0時(shí)刻的濃度(初始濃度)。

      解微分方程(1)可得:

      C=a·exp(-k·t) (2)

      對(duì)式(2)中的參數(shù)a與k的估計(jì)方法,一般是先對(duì)式(2)兩端取自然對(duì)數(shù),得:

      ln C=lna-k·t

      令上式中Y=lnC,A=lna,B=-k,X=t,將式(2)轉(zhuǎn)化為線性模型:

      Y=A+BX(3)

      然后應(yīng)用最小二乘法估計(jì)式(3)中的A與B。

      最后由A=lna,B=-k可求出a=exp(A),k=-B,這種方法稱為最小二乘法。通過(guò)計(jì)算得到噻嗪酮在水稻中的指數(shù)負(fù)增長(zhǎng)函數(shù)模型為:

      Ct=0.760 52·exp(-0.290 78·t)

      2.1.2Rayleigh 動(dòng)態(tài)模型[6]設(shè)農(nóng)藥降解方程為:

      C=a·xα·exp(b·x2) (4)

      式中,C=f(x)為x時(shí)刻農(nóng)藥的濃度,a,α和b為待定系數(shù),將式(4)兩邊取對(duì)數(shù),得:

      lnc=lna+αlnx+b·x2(5)

      作變量代換,令y=lnC,x1=lnx,x2=x2,則式(5)可化為二元線性回歸方程:

      y=a0+a1x1+a2x2 (6)

      其中a0=lna,a1=α,a2=b。

      通過(guò)計(jì)算得到噻嗪酮在水稻中的Rayleigh動(dòng)態(tài)模型為:

      Ct=0.476 62·t-0.212 15·exp(-0.015 42·t2)

      2.1.3灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)消解模型[7-11]20世紀(jì) 80年代,鄧聚龍?zhí)岢龌疑到y(tǒng)理論,把“數(shù)據(jù)不足”、“信息部分明確,部分不明確”的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。農(nóng)藥降解與施藥外部環(huán)境關(guān)系很大,由于目前對(duì)施藥的生態(tài)環(huán)境中的諸要素(如:溫度、濕度、pH值等)對(duì)農(nóng)藥降解的影響并不完全清楚,因此施藥的生態(tài)環(huán)境實(shí)質(zhì)是一個(gè)灰色系統(tǒng)。

      設(shè)農(nóng)藥殘留序列為x(0)(k)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)),滿足k=1,2,…,n-1,對(duì)原始數(shù)據(jù)列作一次累加,得新的數(shù)據(jù)列:

      x(1)(k)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n))(7)

      由數(shù)學(xué)推理可得灰色預(yù)測(cè)GM(1,1)模型為:

      X(0)(k+1)=X(1)(k+1)-X(1)(k)

      通過(guò)計(jì)算得到噻嗪酮在水稻中的灰色GM(1,1)消解模型為:

      X(1)(k+1)=0.045 58+0.731 54·exp(-0.354 08·t)

      2.1.4阻滯動(dòng)力學(xué)模型[12-14]

      設(shè)dC(t)/dt=r·C(t)·1/t·[(C(t)/C0)-1]=r/t·C(t)·[C(t)-C0)/C0] (t>0,r>0) (8)

      通過(guò)解微分方程(8)得:

      C(t)=C0/(1+a·tr)(a>0) (9)

      通過(guò)計(jì)算得到噻嗪酮在水稻中的阻滯動(dòng)力學(xué)消解模型為:

      Ct=0.849 04/(1+0.703 65·t 0.990 01)

      2.1.5雙室降解模型[15]在歷時(shí)長(zhǎng)、測(cè)定次數(shù)多的農(nóng)藥殘留試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),殘留量在前期減少快,后期慢。這時(shí)如果用其他模型,R值可達(dá)極顯著,但標(biāo)準(zhǔn)偏差較大,不能精確反映農(nóng)藥降解的實(shí)際情況。對(duì)該類降解就可用C(t)=A·exp(-a·t)+B·exp(-b·t)(a>b)雙室降解模型表示。計(jì)算得到噻嗪酮在水稻中的雙室降解模型為Ct=1.171 84·exp(-18.232 33·t)+0.560 42·exp(-0.182 9·t)。

      2.2不同模型理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的擬合程度分析

      應(yīng)用經(jīng)典指數(shù)負(fù)增長(zhǎng)函數(shù)模型、Rayleigh動(dòng)態(tài)模型、灰色GM (1,1)消解模型、阻滯動(dòng)力學(xué)模型和雙室降解模型分別計(jì)算t時(shí)刻的殘留量,結(jié)果見表1。5種模型的相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.937 16、0.980 89、0.929 03、0.955 55、0.980 64,殘差平方和(S)分別為0.013 04、0.005 26、0.019 52、0.012 23、0.005 55,卡平方(X2)分別0.005 76、0.001 75、0.006 51、0.004 08、0.001 77。

      一般情況下,應(yīng)用相關(guān)系數(shù)(R2)和殘差平方和(S)來(lái)衡量模型的精度。當(dāng)0≤R2≤1時(shí),R2越接近1,表明曲線擬合越好;S越小,也是表明曲線擬合越好[16]。

      從表1知,相關(guān)系數(shù)(R2)從高到低的順序依次為Rayleigh法>雙室模型法>阻滯動(dòng)力學(xué)模型>指數(shù)負(fù)增長(zhǎng)函數(shù)模型>GM(1,1)法。S的高低順序正好與R2相反。同時(shí),用卡平方(X2)檢驗(yàn),X2的高低順序與殘差平方和S一致,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于X20.01,6=16.81。

      比較5種方法,其中Rayleigh法的精度最好,擬合程度最高;雙室模型法次之;GM(1,1)法精度最差,擬合程度最低,見圖1。

      3小結(jié)與討論

      農(nóng)藥在植物體或者土壤中的殘留降解與施藥的外部環(huán)境關(guān)系很大,目前還不清楚施藥生態(tài)環(huán)境中的土壤類型、pH值、溫度、濕度、光照時(shí)間和降水量等因素對(duì)農(nóng)藥降解過(guò)程的影響。農(nóng)藥殘留降解是一個(gè)非常復(fù)雜的物理和生化過(guò)程,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究和探索,建立了各種不同類型的動(dòng)態(tài)模型,這些模型大都適合于部分農(nóng)藥品種的殘留降解過(guò)程,但都不具備通用性。隨著數(shù)字模擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及分子生物技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)藥殘留降解過(guò)程的研究將會(huì)不斷得到發(fā)展。本研究通過(guò)5種數(shù)學(xué)模型對(duì)噻嗪酮在水稻中動(dòng)態(tài)消解的擬合,用相關(guān)系數(shù)R2、殘差平方和(S)和卡平方(X2)3個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)其擬合精度,結(jié)果表明雙室降解模型的擬合精度最好,擬合程度最高,雙室降解模型可用于環(huán)境中噻嗪酮的消解動(dòng)態(tài)研究模型,為噻嗪酮在環(huán)境中的分析及預(yù)測(cè)提供了理論支持。

      參考文獻(xiàn):

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      收稿日期:2012-07-02

      作者簡(jiǎn)介:李賢波(1986-),男,重慶人,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)藥殘留分析,(電話)18971170373(電子信箱)lixianbo860902@163.com;

      通訊作者,沈菁(1968-),女,副研究員,主要從事食品中農(nóng)藥殘留分析與研究,(電話)027-87389808(電子信箱)myshengjing@126.com。

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