“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”在我國(guó)的發(fā)展歷程及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)*

魏建林，崔榮宗

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省環(huán)保肥料工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南250100）

0 引言

玉米是我國(guó)重要的糧食作物、飼料作物、經(jīng)濟(jì)作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有舉足輕重的作用。其本身具有高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，對(duì)保障我國(guó)糧食安全意義重大，因而玉米生產(chǎn)發(fā)展迅速，統(tǒng)計(jì)資料表明，新中國(guó)成立后50多年我國(guó)玉米單產(chǎn)提高了4 270.5 kg/hm2，增幅為380.1%，年均增加101.85 kg/hm2［1］，玉米單產(chǎn)的提高不僅得益于品種的改良、栽培措施的改進(jìn)，而且肥料的施用也發(fā)揮了不可替代的作用［2-3］。但當(dāng)前在實(shí)際生產(chǎn)中玉米種植者為追求高產(chǎn)，施用大量化學(xué)肥料，研究表明在華北平原許多地區(qū)，農(nóng)民在夏玉米上的氮肥用量普遍超過300 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)的優(yōu)化施肥量［4-5］，降低了肥料利用率［6-7］，玉米生長(zhǎng)無法吸收過量投入的肥料，剩余的養(yǎng)分釋放到環(huán)境中，帶來了嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)［8-9］，因過量施肥導(dǎo)致的土壤硝態(tài)氮?dú)埩衄F(xiàn)象極為普遍，華北地區(qū)小麥—玉米輪作體系多年多點(diǎn)（n＞500）農(nóng)田土壤硝態(tài)氮累積量在0～90 cm土層中最高達(dá)到600～900 kg/hm2，平均約200 kg/hm2［10］，土壤酸化、鹽漬化和土壤板結(jié)現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，并導(dǎo)致土壤肥力降低。此外，過量施入的氮經(jīng)過氨揮發(fā)、反硝化等過程，大量溫室氣體排放到大氣中，導(dǎo)致空氣污染。當(dāng)前，一些推薦施肥技術(shù)已用來提高玉米產(chǎn)量和肥料利用率，例如，基于土壤養(yǎng)分的推薦施肥方法，肥料效應(yīng)函數(shù)法、葉綠素儀或葉色卡法、硝酸鹽反射儀法［11-15］等，但這些方法大多操作復(fù)雜、成本高，需要專業(yè)人士指導(dǎo)等才能實(shí)施，因此，研究開發(fā)簡(jiǎn)便、快捷并易于被農(nóng)民操作使用的推薦施肥方法成為當(dāng)前玉米生產(chǎn)上亟待解決的問題。國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所（IPNI）最早在印度、菲律賓等亞洲一些主要以小農(nóng)戶為主要經(jīng)營(yíng)單元的國(guó)家和地區(qū)開展了基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的水稻、小麥和玉米養(yǎng)分管理和推薦施肥研究，開發(fā)了以電腦軟件形式面向科研人員和農(nóng)業(yè)科技推廣人員的不同作物“養(yǎng)分專家系統(tǒng)”（Nutrient Expert，NE）。2009年國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所（IPNI）中國(guó)項(xiàng)目部將“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”引入國(guó)內(nèi)［16］，利用我國(guó)多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)矯正，并進(jìn)行了大量的田間試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了很好的效果，而“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”也隨之進(jìn)行多次優(yōu)化和版本升級(jí)，應(yīng)用越來越廣泛。

1 系統(tǒng)演變歷程

“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”使用十分簡(jiǎn)便，在有或沒有土壤測(cè)試數(shù)據(jù)情況下都能迅速、準(zhǔn)確地對(duì)具體玉米生產(chǎn)地塊進(jìn)行施肥推薦。使用者（農(nóng)民或當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣人員）通過運(yùn)行該軟件（計(jì)算機(jī)程序或智能手機(jī)程序），在人機(jī)問答界面上輸入當(dāng)?shù)氐挠衩自耘喙芾?、環(huán)境條件等相關(guān)信息，系統(tǒng)根據(jù)這些信息與后臺(tái)已有的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行運(yùn)算，然后生成基于農(nóng)戶不同個(gè)性信息的當(dāng)季玉米栽培管理方案，包括種植密度、可獲得的目標(biāo)產(chǎn)量和施肥種類、數(shù)量、施用方式等，能方便、有效地指導(dǎo)田間生產(chǎn)。

2009年“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”由IPNI中國(guó)項(xiàng)目部引入中國(guó)，其運(yùn)行基于Windows系統(tǒng)和微軟辦公軟件環(huán)境，運(yùn)行界面為英文。主要為中國(guó)科研工作者進(jìn)行研究使用，其數(shù)據(jù)庫(kù)依托東南亞國(guó)家玉米試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要結(jié)合國(guó)內(nèi)玉米生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行相關(guān)參數(shù)矯正，該版本當(dāng)時(shí)屬“養(yǎng)分專家系統(tǒng)”的內(nèi)部測(cè)試版。

2011年IPNI中國(guó)項(xiàng)目部和973項(xiàng)目“肥料減施增效與農(nóng)田可持續(xù)利用基礎(chǔ)研究”課題組發(fā)布了“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”英文版V1.0，其運(yùn)行基于Windows系統(tǒng)和微軟辦公軟件環(huán)境，運(yùn)行界面仍為英文。但系統(tǒng)所依托的數(shù)據(jù)為國(guó)內(nèi)近10年來的玉米田間科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)算模型相關(guān)參數(shù)得到了矯正，適用于國(guó)內(nèi)玉米生產(chǎn)指導(dǎo)。

2013年IPNI中國(guó)項(xiàng)目部和973項(xiàng)目“肥料養(yǎng)分持續(xù)高效利用機(jī)理與途徑”課題組發(fā)布了“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”中文版V1.0，其運(yùn)行基于Windows系統(tǒng)和微軟辦公軟件環(huán)境，運(yùn)行界面改為中文，方便國(guó)內(nèi)用戶使用。

2016年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“肥料養(yǎng)分推薦方法與限量標(biāo)準(zhǔn)”課題組和IPNI中國(guó)項(xiàng)目部發(fā)布了“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”Web版和基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)版，其運(yùn)行不再依托Windows系統(tǒng)和微軟辦公軟件環(huán)境，能夠適用于移動(dòng)設(shè)備，使用更加便利。

2017年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“肥料養(yǎng)分推薦方法與限量標(biāo)準(zhǔn)”課題組推出了“養(yǎng)分專家”微信公眾號(hào)，包括玉米在內(nèi)的多種作物都可以通過該微信公眾號(hào)程序進(jìn)行推薦，程序的運(yùn)行不再需要微軟辦公軟件支持，且數(shù)據(jù)庫(kù)在線更新，保證用戶在使用時(shí)專家系統(tǒng)的參數(shù)都是當(dāng)前最優(yōu)化的，使用也更加方便。

2 系統(tǒng)運(yùn)行原理及應(yīng)用方法

2.1 運(yùn)行原理

應(yīng)用“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”時(shí)需要使用者輸入的栽培管理信息，包括農(nóng)民當(dāng)季或上季作物施肥情況、秸稈或殘留物處理方式、種植密度等；環(huán)境條件信息主要有該地塊的灌溉條件、土壤肥力指標(biāo)（如土壤質(zhì)地和顏色，肥料投入歷史）或玉米對(duì)化肥氮、磷、鉀施用的產(chǎn)量反應(yīng)（施全量肥料處理與不施某種肥料處理的產(chǎn)量差）等，其運(yùn)行原理是把土壤養(yǎng)分供應(yīng)看作一個(gè)“黑箱”［17］，用不施該養(yǎng)分地上部的養(yǎng)分吸收來表征土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平，即土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)。根據(jù)玉米施肥后產(chǎn)量上表現(xiàn)出的差異即產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率（施入單位養(yǎng)分所生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量）的比值求算當(dāng)季的養(yǎng)分需求量，對(duì)于最終養(yǎng)分的推薦量，除了考慮產(chǎn)量反應(yīng)部分的養(yǎng)分需求量外，還要考慮養(yǎng)分供給平衡。該系統(tǒng)不僅考慮了土壤養(yǎng)分供應(yīng)，還考慮了其他養(yǎng)分來源，如有機(jī)肥、秸稈還田、輪作體系、大氣沉降和降水等帶入的養(yǎng)分。系統(tǒng)流程圖及主要界面如下。

圖1 “玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”流程Fig.1 Flow chart of “Maize Nutrition Expert System”

圖2 “玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”（電腦版）主界面Fig.2 The main interface of“Maize Nutrition Expert System”（Computer Edition）

“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”的推薦施肥原則主要基于QUEFTS（QUantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils）模型的玉米養(yǎng)分需求和基于改進(jìn)的SSNM（Site-specific Nutrient Management）實(shí)地養(yǎng)分管理技術(shù)。QUEFTS模型是應(yīng)用大量不同來源試驗(yàn)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析作物產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收之間關(guān)系的模型，具有一定普遍性［18］，該模型最大的特點(diǎn)是考慮了氮磷鉀養(yǎng)分間的兩兩交互作用，結(jié)合線性—拋物線—平臺(tái)函數(shù)估測(cè)不同目標(biāo)產(chǎn)量下的最佳養(yǎng)分吸收。根據(jù)該模型可以依據(jù)養(yǎng)分最大積累邊界和養(yǎng)分最大稀釋邊界，求算氮磷鉀最佳養(yǎng)分吸收曲線［19］。目前“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”中各參數(shù)數(shù)據(jù)來源于我國(guó)2001年至今全國(guó)范圍內(nèi)多點(diǎn)的田間試驗(yàn)結(jié)果（數(shù)據(jù)庫(kù)持續(xù)更新中），地上部和籽粒的養(yǎng)分吸收量分別應(yīng)用QUEFTS模型進(jìn)行模擬，計(jì)算出我國(guó)不同種植類型玉米（春玉米和夏玉米）在不同潛在產(chǎn)量和目標(biāo)產(chǎn)量下的養(yǎng)分吸收曲線［16］。SSNM是根據(jù)土壤養(yǎng)分時(shí)空變異優(yōu)化養(yǎng)分用量，使養(yǎng)分供給和作物需求間達(dá)到平衡的一種養(yǎng)分管理方法，能夠根據(jù)已有的田間數(shù)據(jù)利用養(yǎng)分模型進(jìn)行普遍的、靈巧的、適合當(dāng)?shù)氐氖┓释扑]［20］。該方法并不是特別針對(duì)降低或增加肥料用量，而是在作物需要養(yǎng)分時(shí)給予最佳的養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)在作物最佳的需肥時(shí)間給予最佳的養(yǎng)分用量以達(dá)到養(yǎng)分平衡。在“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”中推薦施肥和養(yǎng)分管理采用的是“4R”養(yǎng)分管理策略，最大限度地優(yōu)化養(yǎng)分供給和作物需求間的關(guān)系［21-22］，依據(jù)作物地上部分產(chǎn)量反應(yīng)或相對(duì)產(chǎn)量來表征土壤肥力進(jìn)行推薦施肥，并且根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量和種植類型如春玉米和夏玉米、灌溉和降雨等條件給出不同施肥推薦量。該方法考慮前季土壤養(yǎng)分殘留、土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)、產(chǎn)量與養(yǎng)分吸收關(guān)系等對(duì)施肥量進(jìn)行調(diào)整。因而在玉米生產(chǎn)上應(yīng)用“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”，能夠達(dá)到高產(chǎn)、高效、增加經(jīng)濟(jì)效益的效果，從而提高肥料利用率、降低因施肥帶來環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。

2.2 使用方法

目前較為廣泛使用的是微信公眾號(hào)版“養(yǎng)分專家系統(tǒng)”，以玉米養(yǎng)分推薦為例其使用方法如下。

圖3 微信公眾號(hào)版“養(yǎng)分專家系統(tǒng)”使用流程Fig.3 Operation of“Nutrition Expert System”（WeChat Subscription Edition）

系統(tǒng)應(yīng)用過程中關(guān)鍵是對(duì)當(dāng)前種植地塊作物養(yǎng)分產(chǎn)量反應(yīng)的確定。在“當(dāng)季作物種植信息”功能模塊中，如果這個(gè)地塊做過減素試驗(yàn)，則根據(jù)減素試驗(yàn)結(jié)果填寫?zhàn)B分的產(chǎn)量反應(yīng)；如果沒有做過減素試驗(yàn)，則系統(tǒng)繼續(xù)詢問是否有土壤測(cè)試結(jié)果，如果有土壤測(cè)試結(jié)果，則可對(duì)應(yīng)系統(tǒng)后臺(tái)提供的土壤養(yǎng)分低、中、高等級(jí)范圍，確定土壤養(yǎng)分狀況和養(yǎng)分產(chǎn)量反應(yīng)；如果沒有土壤測(cè)試結(jié)果，則系統(tǒng)根據(jù)最初詢問的土壤質(zhì)地等信息確定土壤養(yǎng)分狀況和養(yǎng)分產(chǎn)量反應(yīng)。養(yǎng)分產(chǎn)量反應(yīng)確定后，在“施肥量推薦、肥料種類選擇”功能模塊中系統(tǒng)根據(jù)已經(jīng)輸入的相關(guān)信息計(jì)算得出當(dāng)前地塊的推薦施肥量，結(jié)合當(dāng)季要施用肥料類型的選擇，對(duì)該地塊在目標(biāo)產(chǎn)量下玉米種植給出具體施肥方案，包括施肥次數(shù)、肥料類型、數(shù)量，施肥位置等，對(duì)于播種密度也給出合理的建議。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

自2010年起，“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”在國(guó)內(nèi)多個(gè)省份進(jìn)行了推薦施肥田間試驗(yàn)，主要分布于黃淮海夏播玉米區(qū)及東北春播玉米區(qū)，在新疆地區(qū)也有使用效果報(bào)道［23］。從田間應(yīng)用結(jié)果看，與農(nóng)民習(xí)慣施肥（FP）相比，系統(tǒng)推薦施肥（NE）具有一定增產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益趨勢(shì)，表1統(tǒng)計(jì)了2010—2014年在華北夏玉米和東北春玉米上單季試驗(yàn)結(jié)果情況［24］。

表1 2010—2014年“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The results of field trials of “Maize Nutrition Expert System”from 2010 to 2014

多年多點(diǎn)單季田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)推薦施肥處理與農(nóng)民習(xí)慣施肥處理相比減少氮肥20%～40%左右，同時(shí)優(yōu)化了磷鉀養(yǎng)分投入，玉米產(chǎn)量持平或小幅增產(chǎn)，而經(jīng)濟(jì)效益有明顯的提高。其中在春玉米上的增產(chǎn)增收效果相對(duì)夏玉米更為明顯。系統(tǒng)推薦施肥處理在不降低玉米產(chǎn)量的前提下，大幅度提高了農(nóng)田肥料利用率［25-27］，顯著降低了溫室氣體排放量［28］。河南省沙質(zhì)潮土區(qū)經(jīng)連續(xù)2年田間小區(qū)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)推薦施肥能夠提高沙壤質(zhì)潮土區(qū)夏玉米葉片葉綠素含量，促進(jìn)氮磷鉀的吸收利用，增加干物質(zhì)積累量，具有增產(chǎn)增收效應(yīng)［29］。為驗(yàn)證“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”推薦施肥的長(zhǎng)期效果，2012—2014年在東北春玉米及華北地區(qū)夏玉米進(jìn)行了33個(gè)田間定位試驗(yàn)，結(jié)果顯示，春玉米3年的產(chǎn)量系統(tǒng)推薦施肥都顯著高于農(nóng)民習(xí)慣處理，3年平均高出0.9 t/hm2，增產(chǎn)幅度為7.5%。在夏玉米上，2013年系統(tǒng)推薦施肥處理的產(chǎn)量顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施肥，高出0.5 t/hm2，2012年和2014年系統(tǒng)推薦施肥和農(nóng)民習(xí)慣施肥玉米產(chǎn)量無顯著差異，但系統(tǒng)推薦處理產(chǎn)量都高于農(nóng)民習(xí)慣施肥處理，分別高0.2 t/hm2和0.3 t/hm2，3年平均高出0.3 t/hm2，增產(chǎn)幅度為3.3%［24］。綜上，采用“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”在玉米生產(chǎn)上進(jìn)行推薦施肥相比農(nóng)民習(xí)慣施肥可以節(jié)約氮肥投入，同時(shí)平衡了磷、鉀養(yǎng)分，不僅可以增加產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，提高肥料利用率，而且降低肥料損失，減少因施肥帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)踐上可以用于我國(guó)玉米的施肥推薦。

4 總結(jié)

隨著我國(guó)信息時(shí)代的到來以及耕地集約化程度的增加，田間養(yǎng)分精準(zhǔn)管理必將朝著智能化與信息化方向發(fā)展，陳小虎等［30］、李言勝等［31］曾分別依托測(cè)土配方數(shù)據(jù)進(jìn)行過智能手機(jī)版專家系統(tǒng)的開發(fā)，但未見有相關(guān)應(yīng)用情況的報(bào)道?！坝衩尊B(yǎng)分專家系統(tǒng)”在我國(guó)當(dāng)前農(nóng)戶種植地塊分散、地力差異大的情況下，能夠通過電腦或智能手機(jī)根據(jù)作物、氣候、地力等相關(guān)信息來進(jìn)行準(zhǔn)確推薦施肥，并在多個(gè)地區(qū)得到了大面積應(yīng)用和版本的不斷優(yōu)化升級(jí)，這是精準(zhǔn)化施肥技術(shù)的一大突破。但是在實(shí)踐應(yīng)用中仍然存在操作繁瑣、用戶體驗(yàn)差的問題，其中主要體現(xiàn)在當(dāng)?shù)丨h(huán)境信息、農(nóng)民種植習(xí)慣信息等采集輸入操作繁瑣上，另外需要使用者自行判斷土壤質(zhì)地、顏色等也存在一定誤判的可能。而實(shí)際上對(duì)于某一種植田塊的相關(guān)生態(tài)環(huán)境信息，比如坐標(biāo)經(jīng)緯度、氣候條件、土壤類型、土壤肥力狀況目前已經(jīng)形成了較為完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)不同部門間數(shù)據(jù)共享，“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”將這些數(shù)據(jù)庫(kù)加入后臺(tái)，直接根據(jù)種植地塊經(jīng)緯度調(diào)用當(dāng)?shù)氐臍夂蛐畔?、土壤類型、地力分?jí)等數(shù)據(jù)庫(kù)，則能大大簡(jiǎn)化軟件操作，并且提高準(zhǔn)確度。另外，隨著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的廣泛普及，對(duì)于種植地塊的歷史種植信息也會(huì)收集、積累，如果“養(yǎng)分專家系統(tǒng)”后臺(tái)能夠直接調(diào)用分析這些信息數(shù)據(jù)，也能簡(jiǎn)化軟件的人工輸入操作，提高效率。隨著人工智能與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷融合，深入挖掘農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和不斷提升機(jī)器自學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)專家系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)等功能。相信“玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)”操作會(huì)更加簡(jiǎn)便，更加人性化，而對(duì)于施肥推薦結(jié)果也會(huì)更加精確。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過程，肥料施用只是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展越來越需要多學(xué)科協(xié)作。將來服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的專家系統(tǒng)將從單一學(xué)科、單一功能、專業(yè)性的小型專家系統(tǒng)向多學(xué)科、多功能、綜合性的大型農(nóng)業(yè)知識(shí)專家系統(tǒng)發(fā)展，“養(yǎng)分專家系統(tǒng)”會(huì)是大專家系統(tǒng)中的一個(gè)必不可少的模塊。同時(shí)大專家系統(tǒng)將會(huì)結(jié)合多媒體、超媒體的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能對(duì)接、圖文并茂的人性化界面，甚至成為人機(jī)能夠直接語(yǔ)音對(duì)話交流的智能“機(jī)器人”，或者直接與耕地、施肥、植保自動(dòng)化機(jī)械關(guān)聯(lián)，進(jìn)行精準(zhǔn)自動(dòng)化作業(yè)。期望通過“養(yǎng)分專家系統(tǒng)”的開發(fā)和應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)新時(shí)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化、精準(zhǔn)化和現(xiàn)代化的長(zhǎng)足發(fā)展。