主要農(nóng)作物推薦施肥智能手機(jī)專家系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用

陳小虎，蔣佐升2，黃鐵平3，王磊4，蔡冬華

（1耒陽(yáng)市農(nóng)業(yè)局，湖南耒陽(yáng)421800；2湖南省農(nóng)業(yè)信息中心，長(zhǎng)沙410005；3湖南省農(nóng)業(yè)廳土壤肥料工作站，長(zhǎng)沙410005；4西安田間道軟件有限公司，陜西西安710000）

主要農(nóng)作物推薦施肥智能手機(jī)專家系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用

陳小虎1，蔣佐升2，黃鐵平3，王磊4，蔡冬華1

（1耒陽(yáng)市農(nóng)業(yè)局，湖南耒陽(yáng)421800；2湖南省農(nóng)業(yè)信息中心，長(zhǎng)沙410005；3湖南省農(nóng)業(yè)廳土壤肥料工作站，長(zhǎng)沙410005；4西安田間道軟件有限公司，陜西西安710000）

匯總湖南省主要農(nóng)作物“3414”肥效試驗(yàn)結(jié)果，分析建立作物施肥量與土壤養(yǎng)分含量以及作物產(chǎn)量之間的數(shù)學(xué)模型，將數(shù)學(xué)模型置于Excel或智能手機(jī)之中，開發(fā)了湖南省主要農(nóng)作物推薦施肥智能手機(jī)專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了施肥數(shù)學(xué)模型與測(cè)土數(shù)據(jù)的無縫對(duì)接。利用智能手機(jī)的GPS定位和上網(wǎng)功能，通過手機(jī)定位后從服務(wù)器自動(dòng)獲取和查詢地塊采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算出所在地主要農(nóng)作物的最佳施肥量、單質(zhì)肥和配方肥的施肥方案、配方肥配方比例，直接應(yīng)用到農(nóng)戶，或自動(dòng)生成施肥方案短信，發(fā)送給農(nóng)戶指導(dǎo)施肥。該系統(tǒng)是測(cè)土配方施肥成果應(yīng)用最便捷的方法和手段之一，其操作簡(jiǎn)便，使科學(xué)配方、指導(dǎo)農(nóng)民合理施肥技術(shù)掌握在方寸之間。

農(nóng)作物；施肥；專家系統(tǒng)；手機(jī)軟件；數(shù)學(xué)模型；GPS定位

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為移動(dòng)通信終端的手機(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ髦胁豢扇鄙俚耐ㄐ殴ぞ?。特別是智能手機(jī)的出現(xiàn)，除了具備普通手機(jī)的全部功能外，還具備開放性的操作系統(tǒng)，可以根據(jù)個(gè)人需要安裝各類應(yīng)用程序，使功能得到無限擴(kuò)展，成為一款名副其實(shí)的移動(dòng)PC?；谥悄苁謾C(jī)開發(fā)農(nóng)業(yè)應(yīng)用軟件也在不斷興起。如運(yùn)用智能手機(jī)通過Web Service提供數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤信息和施肥決策的在線和本地查詢［2］；利用J2ME與J2EE技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信，可使農(nóng)戶通過手機(jī)上網(wǎng)訪問服務(wù)器端的玉米施肥專家系統(tǒng)，查詢農(nóng)田的精準(zhǔn)施肥量［3］；王斌等［4］通過多年多點(diǎn)的大田玉米缺素試驗(yàn)、耕層土壤網(wǎng)格取樣的養(yǎng)分測(cè)試和推薦施肥知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，建立了基于GIS的推薦施肥智能決策模型。他們都是利用智能手機(jī)的上網(wǎng)功能查詢土壤信息，采用土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法制定施肥決策，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)土配方施肥技術(shù)在手機(jī)上的應(yīng)用。湖南省實(shí)施測(cè)土配方施肥項(xiàng)目已經(jīng)10年。為了充分利用測(cè)土配方施肥項(xiàng)目獲得的土壤技術(shù)數(shù)據(jù)，筆者采用大量的農(nóng)作物“3414”肥效試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立施肥數(shù)學(xué)模型，通過開發(fā)出基于Excel和安卓智能手機(jī)的推薦施肥專家系統(tǒng)，利用手機(jī)GPS定位和Web服務(wù)器提供數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的自動(dòng)獲取、推薦施肥方案、制定配方肥最佳配方，使科學(xué)的推薦施肥更加簡(jiǎn)便可行，以利于測(cè)土配方施肥技術(shù)成果的大面積推廣應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用2 000多個(gè)湖南省主要農(nóng)作物“3414”肥效試驗(yàn)結(jié)果，其中早稻608個(gè)、中稻789個(gè)、晚稻565個(gè)、玉米209個(gè)、油菜125個(gè)、棉花111個(gè)、烤煙30個(gè)、紅薯22個(gè)，通過匯總分析分別獲得8個(gè)作物的肥料利用率、土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)、農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)土壤依存率、百公斤經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量吸收量、最佳經(jīng)濟(jì)施肥量等施肥技術(shù)參數(shù)，并應(yīng)用“DPS”、“Excel”等統(tǒng)計(jì)分析工具分別建立各個(gè)技術(shù)參數(shù)與土壤速效養(yǎng)分的最佳數(shù)學(xué)模型。

1.2 系統(tǒng)建立原理及方法

依據(jù)“斯坦福”的目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分平衡法計(jì)算施肥量原理［1］，通過建立作物目標(biāo)產(chǎn)量、土壤速效養(yǎng)分和施肥量三者的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)在不同的作物目標(biāo)產(chǎn)量和不同的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分含量下，計(jì)算出最佳氮磷鉀推薦施肥量。斯坦福施肥量計(jì)算公式如下：

養(yǎng)分施用純量W（kg／hm2）＝（U-Ns）／R

式中：U——每季作物需要吸收的總養(yǎng)分（kg／hm2）；

Ns——土壤供肥量（kg／hm2）；

R——氮、磷、鉀肥料當(dāng)季利用率（%）。

2 建立施肥量數(shù)學(xué)模型

2.1 作物需肥量計(jì)算

每季作物需要吸收的總養(yǎng)分U（kg／hm2）＝目標(biāo)產(chǎn)量×作物形成單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量所需的養(yǎng)分量（養(yǎng)分系數(shù)）。

2.2 土壤供肥量分析與計(jì)算

在斯坦福公式中，土壤養(yǎng)分供應(yīng)量Ns（kg／hm2）＝土壤測(cè)試值×2.25×有效養(yǎng)分校正系數(shù)C（%），是用耕層土壤的養(yǎng)分含量絕對(duì)值乘以土壤養(yǎng)分利用系數(shù)來估算的。由于土壤具有緩沖性能，土壤有效養(yǎng)分是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化值，需要通過田間試驗(yàn)來獲得土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)加以換算。而土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)變化范圍較大，穩(wěn)定性差，它隨土壤養(yǎng)分測(cè)試值的不同而變化，因此，在估算施肥量時(shí)，首先要確定土壤養(yǎng)分校正系數(shù)的取值。

土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)C（%）＝（缺素區(qū)作物地上部分吸收該元素量（kg／hm2）／土壤養(yǎng)分供應(yīng)量（kg／hm2）×100%

對(duì)全省的“3414”試驗(yàn)結(jié)果分析表明，土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)與對(duì)應(yīng)的堿解氮、有效磷、速效鉀的含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)（表1）。設(shè)土壤堿解氮、有效磷、速效鉀為自變量x，對(duì)應(yīng)的土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)為依變量y，進(jìn)行回歸分析篩選出最佳數(shù)學(xué)模型多數(shù)為雙曲線模型［6］，部分為負(fù)指數(shù)數(shù)學(xué)模型，且均達(dá)到極顯著水平［7］，說明對(duì)土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)的擬合程度較高，可用以計(jì)算土壤速效養(yǎng)分含量所對(duì)應(yīng)的有效養(yǎng)分校正系數(shù)。

表1 主要農(nóng)作物土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)相關(guān)性分析匯總表

2.3 建立施肥量數(shù)學(xué)模型

2.3.1 建立作物養(yǎng)分吸收量數(shù)組

根據(jù)作物實(shí)際產(chǎn)量情況，目標(biāo)產(chǎn)量從低到高，每150 kg／hm2一個(gè)等級(jí)，共設(shè)置11個(gè)不同目標(biāo)產(chǎn)量等級(jí)，按照作物的養(yǎng)分系數(shù)分別計(jì)算出每個(gè)產(chǎn)量等級(jí)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收量（表2）。

表2 早稻N施用量計(jì)算及建模數(shù)據(jù)組表

2.3.2 建立土壤供肥量數(shù)組

根據(jù)湖南省土壤養(yǎng)分檢測(cè)結(jié)果，堿解氮選擇50～390mg／kg范圍，每隔10mg／kg為一個(gè)等級(jí)，有效磷選擇3～37 mg／kg范圍，每隔1 mg／kg為一個(gè)等級(jí)，速效鉀選擇20～360 mg／kg范圍，每隔10 mg／kg為一個(gè)等級(jí)，每個(gè)養(yǎng)分都有35個(gè)不同的肥力等級(jí)。應(yīng)用土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算出每個(gè)土樣養(yǎng)分等級(jí)所對(duì)應(yīng)的有效養(yǎng)分校正系數(shù)，依據(jù)土壤供肥量公式計(jì)算出土壤實(shí)際供肥量。

2.3.3 計(jì)算不同目標(biāo)產(chǎn)量、不同土壤養(yǎng)分水平下的施肥量數(shù)組

按照斯坦福施肥公式施肥量W＝（U-Ns）／R，分別計(jì)算出11個(gè)目標(biāo)產(chǎn)量下的35個(gè)土壤養(yǎng)分等級(jí)的施肥量。

2.3.4 建立不同目標(biāo)產(chǎn)量、不同土壤養(yǎng)分水平下的施肥量數(shù)學(xué)模型

取目標(biāo)產(chǎn)量（X1）、土壤養(yǎng)分測(cè)試值（X2）為自變量，施肥純量W為依變量（Y），建立推薦施肥的二元一次回歸模型。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與使用

3.1 用Excel表格建立推薦施肥專家系統(tǒng)

將推薦施肥的二元一次回歸模型置入Excel表格中，在Excel表格內(nèi)分別建立數(shù)據(jù)錄入?yún)^(qū)、施肥純量輸出區(qū)和施肥方案區(qū)三個(gè)部分。

（1）數(shù)據(jù)錄入?yún)^(qū)。用于錄入目標(biāo)產(chǎn)量，錄入土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的測(cè)試值（mg／kg），配方肥氮、磷、鉀配比值等。

（2）計(jì)算結(jié)果輸出區(qū)。施肥純量估算區(qū)：在此區(qū)格內(nèi)分別置入推薦施肥的二元一次回歸模型，并與錄入的目標(biāo)產(chǎn)量和速效氮磷鉀測(cè)試值進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，輸出氮磷鉀施用純量值，以及施用的氮磷鉀比例。

（3）施肥方案輸出區(qū)。為肥料實(shí)物施用量輸出區(qū)，給出兩個(gè)推薦施肥方案。一是單質(zhì)化肥施用量方案。按照作物氮磷鉀基追比分別計(jì)算基肥和追肥的施用量，基肥主要為碳銨、過磷酸鈣、氯化鉀（或硫酸鉀），追肥為尿素和氯化鉀；二是配方肥施用量方案。依據(jù)施肥總量和配方肥的氮磷鉀比，計(jì)算出配方肥的施用量，再由單質(zhì)的氮磷鉀肥調(diào)劑施用量，確保氮磷鉀的施肥總量和基追肥的施用量。

（4）鎖定非錄入?yún)^(qū)單元格。建立好以上三個(gè)區(qū)域后，對(duì)非錄入?yún)^(qū)進(jìn)行加密鎖定，使其不能被修改和刪除操作，以免破壞該施肥配方系統(tǒng)。至此，用Excel表格建立的測(cè)土配方施肥自動(dòng)計(jì)算施肥配方專家系統(tǒng)建成。

圖1 在Excel上建立推薦施肥專家系統(tǒng)技術(shù)流程圖

3.2 在智能手機(jī)上建立推薦施肥專家系統(tǒng)

現(xiàn)在智能手機(jī)已得到了較大范圍的普及，而且大部分智能手機(jī)采用的是開放性的安卓操作系統(tǒng)，并且?guī)в蠫PS定位裝置以及隨時(shí)上網(wǎng)的功能。將以上施肥專家系統(tǒng)做成安卓系統(tǒng)的應(yīng)用程序，安裝在智能手機(jī)上，利用GPS定位和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、自動(dòng)調(diào)取互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上所定位地點(diǎn)的土壤養(yǎng)分測(cè)試數(shù)據(jù)，即時(shí)計(jì)算施肥配方，便可隨時(shí)隨地根據(jù)各地土壤測(cè)試結(jié)果以及作物目標(biāo)產(chǎn)量制定施肥配方，指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥。

3.2.1 建立與GPS相關(guān)聯(lián)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)

采用近幾年測(cè)土配方施肥項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，從中提?。亨l(xiāng)、村地點(diǎn)，GPS定位的經(jīng)緯度，各個(gè)采樣點(diǎn)土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、有機(jī)質(zhì)等測(cè)試值，以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，建立測(cè)土配方施肥專用數(shù)據(jù)庫(kù)，并與互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)，用于智能手機(jī)定位后自動(dòng)獲取。

3.2.2 編制安卓操作系統(tǒng)智能手機(jī)程序

將Excel表格的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算過程，由程序員編程轉(zhuǎn)置到安卓操作系統(tǒng)中，開發(fā)成手機(jī)專用軟件。該程序具有多項(xiàng)功能：一是可以由GPS定位后通過互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)獲取最近的5個(gè)測(cè)土點(diǎn)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算施肥配方；二是可以自行錄入已知地塊土壤養(yǎng)分測(cè)試值計(jì)算；三是可以采用行政區(qū)域地名選定配方區(qū)域的村，從服務(wù)器獲得該村的土壤養(yǎng)分測(cè)試值計(jì)算。這樣可以滿足不同的應(yīng)用需求。

圖2 在智能手機(jī)上建立推薦施肥專家系統(tǒng)技術(shù)流程圖

3.3 手機(jī)推薦施肥專家系統(tǒng)的使用

3.3.1 主要功能

（1）通過GPS實(shí)時(shí)獲取所在位置土壤測(cè)試結(jié)果，也可通過地名檢索獲取所需地點(diǎn)村的測(cè)試結(jié)果，還可直接輸入某丘塊的土壤檢測(cè)結(jié)果計(jì)算施肥方案。

（2）依據(jù)土壤肥力狀況估算所在位置主要農(nóng)作物的目標(biāo)產(chǎn)量。

（3）依據(jù)土壤測(cè)試結(jié)果和作物目標(biāo)產(chǎn)量計(jì)算最佳施肥量及氮磷鉀施肥比例；推薦兩個(gè)最佳施肥方案：一是單質(zhì)肥施肥方案，二是配方肥施肥方案。

（4）依據(jù)土壤肥力和目標(biāo)產(chǎn)量制定適合某作物的最佳配方肥的配方比例，為大戶或肥料企業(yè)提供生產(chǎn)配方肥最佳比例。

（5）自動(dòng)生成施肥方案的短信，發(fā)送到有需求的農(nóng)戶手機(jī)，為沒有智能手機(jī)的農(nóng)戶服務(wù)。

（6）可直接查詢作物的施肥指導(dǎo)意見，查詢配方肥生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)系生產(chǎn)專用配方肥。

3.3.2 推廣應(yīng)用

該手機(jī)軟件屬全國(guó)首創(chuàng)，它將繁瑣的施肥方案計(jì)算得以簡(jiǎn)化，使測(cè)土配方施肥技術(shù)應(yīng)用更加方便，是農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣的一種新方式，適用性更廣。一是用于基層農(nóng)技員實(shí)時(shí)指導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)施肥；二是用于種糧大戶、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專業(yè)合作社、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)及廣大農(nóng)戶自主制定施肥配方；三是用于肥料生產(chǎn)企業(yè)制定配方肥配方；四是用于小型智能配肥控制系統(tǒng)依據(jù)GPS定位制定施肥方案。

3.3.3 安卓手機(jī)推薦施肥專家系統(tǒng)軟件下載

西安田間道軟件有限公司下載地址：http：／／www.tianjiandao.com／tjdkyzs.apk

湖南省農(nóng)業(yè)信息中心下載地址：

http：／／www.hnagri.gov.cn／web／hnagrizw／hnctpf.apk

軟件免費(fèi)下載，免費(fèi)使用，安裝后注意更新。

4 小結(jié)

為了便于農(nóng)作物測(cè)土配方施肥技術(shù)參數(shù)和數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用，將建立的配方施肥數(shù)學(xué)模型置入Excel表格中，利用其強(qiáng)大的計(jì)算功能，建立了“湖南省主要農(nóng)作物測(cè)土配方施肥專家系統(tǒng)”，簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)模型的計(jì)算過程，使施肥配方制定更加簡(jiǎn)便。利用智能手機(jī)的GPS和網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，開發(fā)安卓系統(tǒng)的測(cè)土配方施肥專家系統(tǒng)軟件，能成功的實(shí)時(shí)定位和獲取土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)值，可隨時(shí)隨地依據(jù)土壤檢測(cè)數(shù)據(jù)、農(nóng)作物目標(biāo)產(chǎn)量進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算施肥配方，使實(shí)施了多年的測(cè)土配方施肥技術(shù)成果能夠簡(jiǎn)便的推廣和應(yīng)用。目前智能手機(jī)普及率較高，在農(nóng)業(yè)技術(shù)員、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大戶和肥料經(jīng)銷商的手機(jī)上安裝該系統(tǒng)，可方便的指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥、及時(shí)的服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、精確的按配方供肥，從而進(jìn)一步提高了施肥精確度、提高了肥料利用率、增加了效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 謝衛(wèi)國(guó)，黃鐵平，鐘武云，等.測(cè)土配方施肥理論與實(shí)踐［M］.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

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S126；S147.2

A

1001-5280（2014）05-0527-06 DOI：10.3969／j.issn.1001-5280.2014.05.18

2014 06 16

陳小虎（1960-），男，湖南耒陽(yáng)市人，研究員，從事農(nóng)業(yè)技術(shù)研究及推廣，Email：nyj2003＠sina.com。

湖南省測(cè)土配方施肥項(xiàng)目。