基于B/S架構(gòu)的作物秸稈科學還田V1.0軟件研發(fā)

劉宇鋒 莫輝德 范如芹

摘? 要：為解決作物秸稈還田量和化肥配施量的理論計算問題，研發(fā)了一款基于網(wǎng)絡(luò)B/S構(gòu)架的作物秸稈科學還田專家系統(tǒng)V1.0應(yīng)用軟件。軟件以養(yǎng)分平衡為理論基礎(chǔ)，作物目標產(chǎn)量的需氮量與土壤供氮量的差值由還田秸稈和配施化肥提供，秸稈與化肥配施的碳氮比為條件構(gòu)建計算模型，依托網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的運算能力，計算秸稈還田量和化肥配施量。從軟件架構(gòu)、軟件功能、操作流程等進行說明，為作物秸稈科學還田和本軟件推廣應(yīng)用提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)分平衡理論;B/S架構(gòu);秸稈還田量;化肥配施量;軟件

中圖分類號：TP319? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0001-06

Research and Development of V1.0 Software for Crop Straw Scientific Returning Based on B/S Architecture

LIU Yufeng，MO Huide，F(xiàn)an Ruqin

（Agricultural Resources and Environment Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning? 530007，China）

Abstract：In order to solve the theoretical calculation of crop straw returning amount and combined application rate of chemical fertilizer，a V1.0 application software of crop straw scientific returning expert system based on network B/S framework was developed. Based on the theory of nutrient balance，the difference between the nitrogen demand of crop target yield and the nitrogen supply of soil is provided by straw returning and combined application rate of chemical fertilizer，and the carbon nitrogen ratio of straw and combined application rate of chemical fertilizer is used as the condition to build the calculation model. Relying on the computing ability of network server，the straw returning and combined rate application of chemical fertilizer are calculated. From the software architecture，software function，operation process and so on，it can provide theoretical support for the scientific returning of crop straw and the application of the software.

Keywords：nutrient balance theory;B/S architecture;straw returning amount;combined application rate of chemical fertilizer;software

0? 引? 言

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，是一種重要的多用途可再生農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源[1]。作物秸稈還田是一項當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍推廣與應(yīng)用的降本增效農(nóng)藝措施，其具有改善土壤理化性狀[2，3]，提高土壤肥力[4，5]，降低化肥施用量[6]，增加土壤微生物活性[7-9]，避免秸稈焚燒[10，11]，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[12]等顯著作用，是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[13]。秸稈還田主要有秸稈直接粉碎還田、秸稈腐熟還田和秸稈過腹還田等3種主要形式[14]。秸稈直接粉碎還田是作物秸稈資源化利用最主要的方式，并且也是控制秸稈焚燒最經(jīng)濟、最有效的手段，是消化農(nóng)作物秸稈的主要途徑之一[6]，具有顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益[15]。

在秸稈還田推廣應(yīng)用中普遍存在3個方面的問題：

（1）秸稈還田量不易控制，秸稈還田量過多或過少，秸稈還田效果都不理想;

（2）秸稈還田后下茬作物存在出苗質(zhì)量不高，長勢偏弱的現(xiàn)象;

（3）土傳病害和病蟲害增多[6，13]。

而秸稈還田量和化肥配施量的控制是3個方面的核心，如何針對不同作物、土壤、秸稈類型，便捷、準確地計算出合適的秸稈還田量、配施化肥量并計算施肥成本，是擺在農(nóng)業(yè)科研人員面前首先需要解決的問題，也是秸稈還田應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個重點。秸稈還田應(yīng)根據(jù)各地氣候、土壤、作物和還田秸稈類型靈活地選擇秸稈還田耕種模式和技術(shù)集成，盡量減少投入，降低秸稈還田成本，提升秸稈還田的效果[16]。筆者在進行作物秸稈還田試驗中，發(fā)現(xiàn)不同土壤肥力地塊在進行不同作物秸稈還田時，秸稈還田量和化肥配施量的理論依據(jù)和計算模型還缺乏有效地梳理，相關(guān)計算過程和方法還存在空白，亟須豐富和完善。

計算機軟件科學技術(shù)以其廣泛的親和力和強大的計算能力在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域深度融合并得到廣泛應(yīng)用[17，18]。軟、硬件資源充分共享是互聯(lián)網(wǎng)時代軟件發(fā)展的顯著特點，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)分析與處理工作，軟件使用者可以各類型移動或固定終端通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)[19-21]。因此，軟件研發(fā)需緊跟互聯(lián)網(wǎng)時代發(fā)展的要求，以信息化、智能化、自動化和共享化為內(nèi)涵，以解決實際問題為導向，依托先進合理的程序邏輯算法設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器強大的運算能力，實現(xiàn)更便捷更精準的預期目標[22-24]。如何將秸稈還田科學原理和方法與具有互聯(lián)網(wǎng)時代特征的計算機軟件相結(jié)合，解決秸稈還田中存在的實際計算問題，讓使用者不僅在電腦上方便使用軟件，還能在無線網(wǎng)絡(luò)條件下使用各種智能終端（智能手機、平板電腦）也能利用軟件指導秸稈科學還田;并依據(jù)軟件使用中反饋的問題和不足，實時對軟件進行維護與更新，對秸稈還田軟件的研發(fā)工作提出了較高的要求。

作物秸稈科學還田專家系統(tǒng)V1.0是研發(fā)人員深入掌握秸稈還田理論知識，并結(jié)合秸稈還田試驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地將秸稈科學還田理論與軟件技術(shù)相結(jié)合研發(fā)的一款計算機軟件系統(tǒng)。本軟件既符合互聯(lián)網(wǎng)時代軟件發(fā)展的內(nèi)在要求，又比較圓滿地解決了秸稈還田量的科學施用、配施化肥的施用量和施肥成本計算等實際問題，具有廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景，現(xiàn)對軟件的相關(guān)情況進行說明。

1? 軟件介紹

1.1? 軟件架構(gòu)和開發(fā)工具

作物秸稈科學還田專家系統(tǒng)V1.0就是采用B/S架構(gòu)的應(yīng)用程序，其架構(gòu)如圖1所示。

客戶機/服務(wù)器（Client/Server，C/S）和瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件兩種主要架構(gòu)[25，26]。C/S架構(gòu)軟件一般是需要軟件安裝包且獨立運行的軟件，通過內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器通信，現(xiàn)實遠程的服務(wù)器訪問。B/S架構(gòu)軟件是直接通過網(wǎng)頁瀏覽器來運行應(yīng)用軟件。

作物秸稈科學還田專家系統(tǒng)V1.0采用C#編程語言進行編寫，源代碼數(shù)量39 000行左右，軟件系統(tǒng)兼容當前主流網(wǎng)頁瀏覽器。

1.2? 軟件功能

依據(jù)軟件設(shè)計要求，本軟件具有5項功能，如表1所示。

1.3? 算法模型

計算模型和算法是軟件的靈魂[27-29]，也是評價一款軟件優(yōu)劣的重要依據(jù)之一。本軟件涉及4個算法模型：土壤供肥能力算法模型、作物目標產(chǎn)量養(yǎng)分需求算法模型、作物秸稈還田量計算模型和配施化肥計算模型，具體說明如下：

（1）算法模型1：土壤供肥量算法模型。土壤供肥量以土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)為依據(jù)，依照式（1）進行相關(guān)計算：

其中，0.15為每667 m2的換算系數(shù)，土壤養(yǎng)分校正系數(shù)表示土壤測定值與作物產(chǎn)量的相關(guān)性，一般采用0.55[30，31]。

（2）算法模型2：作物目標產(chǎn)量養(yǎng)分需求量算法模型。以各作物的100 kg經(jīng)濟產(chǎn)量吸收的各養(yǎng)分數(shù)據(jù)值為依據(jù)[19，22]，依照式（2）進行計算：

（3）算法模型3：作物秸稈還田量算法模型。以人工施入氮素由還田作物秸稈和配施化肥提供。同時還田秸稈和配施化肥碳氮比為25左右時，還田秸稈能快速腐解為約束條件，構(gòu)建以作物秸稈還田量與化肥含氮量施入量為未知數(shù)的2元1次方程組，計算獲得作物秸稈還田量和化肥含氮量施入量的數(shù)值。其運算流程如圖2所示。

（4）算法模型4：配施化肥算法模型。依據(jù)作物秸稈還田與肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和農(nóng)民施肥實際，依據(jù)秸稈還田實際情況，軟件設(shè)計了2種秸稈與化肥配施方案：

方案1：秸稈與單質(zhì)化肥配施。還田秸稈與單質(zhì)化肥配施中，通過計算獲得的人工施肥含氮量，依據(jù)單質(zhì)化肥含氮量和單價計算獲得肥料配施量和氮肥施肥成本。依據(jù)作物類型、所要達到的目標產(chǎn)量和種地地塊土壤理化分析數(shù)據(jù)，分別獲得達到該作物合理目標產(chǎn)量的主要養(yǎng)分的需要量、土壤養(yǎng)分供應(yīng)量。因為人工施入氮素含量已經(jīng)通過作物秸稈還田量一并計算完成，而其他P2O5、K2O和CaO的施入量均由人工施用化肥補充，其各主要養(yǎng)分人工施用量由達到該作物合理目標產(chǎn)量的主要養(yǎng)分的需要量與相應(yīng)養(yǎng)分土壤養(yǎng)分供應(yīng)量的差值獲得。如果單質(zhì)化肥中含有2種以上主要養(yǎng)分元素（例如：KH2PO4、（NH4）2HPO4）以該化肥所提供的主要養(yǎng)分為計算基礎(chǔ)，并計算所附帶的其他養(yǎng)分含量，從其他養(yǎng)分總量中扣除后，計算其單質(zhì)化肥配施量并計算施肥成本。

方案2：秸稈與通用復合肥、單質(zhì)化肥配施。設(shè)定3種市場主要流通和生產(chǎn)上主要使用的通用復合肥類型，人工選擇通用復合肥種類并人工輸入復合肥單價，由通用復合肥滿足N、P2O5、K2O等3種養(yǎng)分中最低用量的施用量，防止數(shù)據(jù)溢出，出現(xiàn)錯誤;剩余的養(yǎng)分由單質(zhì)化肥提供。用于補充其他養(yǎng)分的單質(zhì)肥料在人工輸入養(yǎng)分含量和單價后，依據(jù)方案1方法計算施肥量和施肥成本。

1.4? 軟件界面

作物秸稈科學還田專家系統(tǒng)V1.0作為一款B/S架構(gòu)的應(yīng)用軟件，使用者在網(wǎng)頁瀏覽器地址欄輸入網(wǎng)址（http：//www.jieganhuantian.cn）后，即可訪問本軟件。軟件由首頁、系統(tǒng)運算、系統(tǒng)簡介和成果展示4個功能頁面組成，如圖3所示。

首頁如圖3（a）所示，由4個主界面入口，6個功能模塊快速入口，軟件介紹、研發(fā)團隊和軟件功能介紹等組成。系統(tǒng)計算如圖3（b）所示，該模塊包括秸稈還田量計算、查看計算結(jié)果、修改密碼和退出登錄4個方面的內(nèi)容，是軟件主體部分，所有數(shù)據(jù)輸入和計算結(jié)果均在此模塊中顯示。系統(tǒng)介紹如圖3（c）所示，包含軟件理論基礎(chǔ)與算法原理、研發(fā)團隊人員簡介等內(nèi)容。成果展示如圖3（d）所示，顯示使用本軟件指導秸稈還田后6類作物生長的照片資料。

軟件設(shè)置了注冊與登錄界面，如圖4所示，軟件使用者需經(jīng)過注冊，通過管理者確認授權(quán)后，才能在使用本軟件，以確保本軟件安全、穩(wěn)定運行。

2? 軟件使用流程

點擊軟件首頁“進入系統(tǒng)”模塊后，進入軟件核心部分，其具體操作流程按以下4個步驟進行，完成相關(guān)計算工作：

步驟1：選擇小麥、甘蔗、水稻、玉米、花生和馬鈴薯6種系統(tǒng)預設(shè)作物，人工輸入合理目標產(chǎn)量后，依據(jù)算法模型計算達到目標產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量。

步驟2：輸入土壤相關(guān)理化數(shù)據(jù)，依據(jù)算法模型計算土壤供肥量數(shù)據(jù)。

步驟3：選擇還田作物秸稈類型，軟件設(shè)置了小麥秸稈、甘蔗秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈、花生秸稈、油菜秸稈、高粱秸稈、大豆秸稈、香蕉秸稈、木薯秸稈10種作物秸稈類型供使用者選擇。

步驟4：選擇化肥配施方案，選擇配施化肥種類，輸入肥料養(yǎng)分含量和肥料單價。然后點擊“計算”按鈕，計算獲得土壤供肥量、所選秸稈類型的還田量、化肥配施量和施配化肥成本4組主要數(shù)據(jù)。

3? 軟件特點

3.1? 基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)頁軟件

本軟件系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)頁軟件，網(wǎng)頁模式應(yīng)用軟件的優(yōu)勢在于依托網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的計算能力，用戶只需通過網(wǎng)頁瀏覽器就可訪問軟件，占用內(nèi)存少，不產(chǎn)生程序安裝環(huán)節(jié)，避免了安裝過程可能出現(xiàn)的一些不可預測問題的缺陷。同時，軟件研發(fā)人員可依據(jù)軟件使用情況和用戶反饋信息對軟件進行實時、動態(tài)修改與完善，軟件實際使用周期更長。避免了傳統(tǒng)桌面軟件需要獨立軟件安裝包、安裝過程中容易出現(xiàn)故障和更新維護困難的不足。

3.2? 限定作物目標產(chǎn)量的合理范圍

作物類型的選擇和作物目標產(chǎn)量的輸入是獲得達到作物目標產(chǎn)量主要養(yǎng)分需求量的前提和基礎(chǔ)，養(yǎng)分需求量是根據(jù)各作物單位質(zhì)量的養(yǎng)分需求量和配套公式獲得[32]。為了避免使用者隨意輸入作物目標產(chǎn)量數(shù)值，出現(xiàn)不合理的養(yǎng)分計算結(jié)果，本軟件設(shè)計了數(shù)據(jù)顏色提醒和數(shù)據(jù)溢出報錯等功能。

針對軟件涉及的6種作物，用紅色字體標記當前已知的最高產(chǎn)量，提醒使用者不能超出當前最高產(chǎn)量，如圖5所示。

同時如果在目標產(chǎn)量中輸入超過當前最高單產(chǎn)的數(shù)值并點擊計算按鈕后，本軟件系統(tǒng)針對數(shù)據(jù)溢出情況將出現(xiàn)報錯提示框，不能進行后續(xù)運算，如圖6所示。

3.3? 化肥養(yǎng)分含量提供標準單位與習慣單位2種選擇

化肥養(yǎng)分含量存在標準單位（g/kg）和習慣單位（%）2種形式，標準單位通常在書面正式場合使用，習慣單位主要在化肥銷售流通領(lǐng)域應(yīng)用。在軟件設(shè)計過程中，考慮2種單位形式都廣泛存在，為簡化單位換算過程，降低軟件使用難度，軟件在各肥料養(yǎng)分含量的下拉菜單中設(shè)置了標準單位和習慣單位2種形式，如圖7所示，便于使用者依據(jù)實際情況靈活選擇，提高了軟件使用的靈活性。

3.4? 設(shè)置秸稈與不同化肥類型配施2套方案

秸稈還田配施化肥是提高作物秸稈還田效果的重要措施之一[33，34]。本軟件在設(shè)計時就考慮到，在肥料實際應(yīng)用過程中，農(nóng)民主要是以通用三元復合肥為主，單獨購置單質(zhì)化肥的情況不多見。因此我們以人工施入的養(yǎng)分含量為計算依據(jù)，設(shè)計了單質(zhì)化肥配施、通用復合肥、單質(zhì)化肥配施2種化肥配施方案，提高了軟件適用性和靈活性。

3.5? 計算結(jié)果均能有效保存和打印輸出

本軟件系統(tǒng)在設(shè)計中保留了數(shù)據(jù)標記功能，如圖8所示，使用者進行了個性化標記，方便使用者在大量數(shù)據(jù)中快速查詢所需分析數(shù)據(jù)。

相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果計算完畢后，點擊“保存”后相關(guān)計算結(jié)果將保存在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。點擊“查看計算結(jié)果”按鈕，系統(tǒng)將顯示該使用者名下的所有計算結(jié)果，查看計算結(jié)果界面如圖9所示。

本軟件在查看計算結(jié)果界面設(shè)計了“編輯”“查看”和“打印”3種功能，其中“編輯”功能可返回原秸稈還田界面對各數(shù)據(jù)進行修改或重新輸入，“查看”即在不修改數(shù)據(jù)的情況下了解計算過程，而“打印”則是以報表形式將全部計算結(jié)果以PDF文件格式保存或直接打印輸出。

4? 結(jié)? 論

還田秸稈過大，加之秸稈粉碎不達標、犁耙旋耕不到位、秸稈分布不均勻都會導致在秸稈在耕層中過量堆積，秸稈不能在下茬作物種植前完全分解，影響下茬作物生長。還田秸稈過小，不能有效消化作物秸稈，達不到秸稈還田作用。作物秸稈是在土壤微生物的作用下完成分解腐熟，土壤微生物的生長需要從土壤中吸收氮素養(yǎng)分，從而分解作物秸稈。如果秸稈還田后不及時、適當?shù)匮a充氮素等養(yǎng)分，下茬作物與土壤微生物將會對氮素等養(yǎng)分存在競爭，就會產(chǎn)生作物氮素不足，進而影響作物產(chǎn)量，甚至減產(chǎn)。同時，土壤微生物因氮素的匱乏而生長受到抑制，秸稈分解腐熟過程延長，導致秸稈分解緩慢和下茬作物生長抑制的不利局面，降低了秸稈還田的實際應(yīng)用效果。因此，秸稈還田同步配施速效氮肥為主的化肥，降低土壤中的碳氮比，從而有利于土壤微生物活動和作物秸稈腐解。不同作物在不同栽培地塊條件下，不同還田秸稈類型的還田量和配施化肥的施用量的問題，卻沒有一個行之有效的解決方案。

本專家系統(tǒng)以種植作物類型、目標產(chǎn)量土壤地力情況為依據(jù)，根據(jù)使用者選擇還田作物秸稈類型和配施肥料種類，系統(tǒng)可準確計算秸稈還田量、化肥配施量和化肥施肥成本。作物秸稈科學還田專家系統(tǒng)V1.0是基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)頁軟件，界面友好且親和力強。本軟件將分析模塊和計算結(jié)果集中同步在同一界面顯示，減少使用者對軟件的理解時間，避免出現(xiàn)不必要錯誤。在軟件理論設(shè)計中，研發(fā)人員創(chuàng)造性地將作物需要的氮來源與還田秸稈和配施化肥和秸稈還田與配施化肥的碳氮比的合適區(qū)間作為約束條件構(gòu)建算法模型，依托網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的運算能力，成功地解決了秸稈還田量的計算問題。目前本軟件已經(jīng)獲得計算機軟件著作權(quán)登記證書（登記號：2020SR1240120）。

在各種智能終端普及的互聯(lián)網(wǎng)時代，農(nóng)業(yè)種植大戶、農(nóng)技推廣人員均可方便快捷地利用各種互聯(lián)網(wǎng)終端訪問并使用本專家系統(tǒng)，進一步準確地計算獲得選擇秸稈的合理還田量、配施化肥量和施肥成本，基本解決了不同土壤和栽培作物條件下的合理作物秸稈還田量、配施化肥量和施肥成本的合理準確計算問題，為秸稈資源化合理利用、提高秸稈還田效果、減少環(huán)境污染、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了有力的軟件技術(shù)支撐。

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作者簡介：劉宇鋒（1980—），男，漢族，湖南湘陰人，副研究員，博士，研究方向：作物秸稈科學還田與應(yīng)用。