稻田除草劑選擇智能決策系統(tǒng)APP的構(gòu)建與思考

陳國奇　陸永良

中圖分類號：S 482，S 451.2 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16688/j.zwbh.2020178

應(yīng)用除草劑防除稻田雜草省工、省時，操作簡便，且對水稻及后茬作物的安全性可控;隨著勞動力成本的不斷攀升，總體上依賴除草劑治理稻田草害的局面短期內(nèi)仍然難以改變。另一方面，對水稻和生態(tài)環(huán)境安全，且對雜草高活性的除草劑品種也還十分有限?？茖W(xué)選用、輪用現(xiàn)有的除草劑品種對于控制水稻種植成本、保障稻米產(chǎn)量仍然至為重要。截止到2020年1月，我國水稻田正式登記使用的除草劑共有55種活性成分，149種復(fù)配劑。這204種除草劑適用的稻田類型多樣，使用方法、使用時期、主要殺草譜不盡相同，除草劑選用不當(dāng)不僅會導(dǎo)致藥效不佳，草害失防，而且容易導(dǎo)致水稻大面積嚴(yán)重藥害。因此，稻田除草劑選用具有較高的技術(shù)難度要求，普通農(nóng)戶難以在短時間內(nèi)掌握。許多種植戶在選用除草劑時依賴銷售商的推薦意見，不科學(xué)、不合理選用除草劑的現(xiàn)象時有發(fā)生。

當(dāng)前，我國數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展進入快車道，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)育種、生產(chǎn)與養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)氣象預(yù)測、市場管理與農(nóng)產(chǎn)品追溯等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。專家系統(tǒng)是數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的熱點，其通過運用存儲于智能計算機系統(tǒng)中的專家知識和經(jīng)驗，結(jié)合用戶提供的信息、數(shù)據(jù)和事實，模擬專家的思維方式進行推理判斷，為用戶提出決策建議。我國是開展農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究應(yīng)用比較早的國家之一，目前已經(jīng)取得較大成果，并成功推廣應(yīng)用于作物施肥、灌溉、病蟲害防治、災(zāi)害預(yù)測、水土保持等領(lǐng)域。開發(fā)基于手機平臺的“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”，建立相應(yīng)的“數(shù)據(jù)-知識-決策”交流體系，可以打破除草劑選用的知識壁壘和經(jīng)驗依賴性，為除草劑經(jīng)營人員和水稻種植戶選用除草劑提供輔助，參考手機軟件的推薦結(jié)果，結(jié)合市場上現(xiàn)有的除草劑產(chǎn)品進行比較和篩選，并依據(jù)所購買除草劑產(chǎn)品標(biāo)簽說明及相關(guān)服務(wù)人員建議進行施藥。

作者針對目前我國稻田登記使用的全部除草劑單劑及其復(fù)配劑品種，系統(tǒng)梳理其作用機制類型、殺草譜、施用方法、使用時期、使用稻田類型、使用劑量等一系列實用技術(shù)要點;選定稻田除草劑選用中具有代表性的關(guān)鍵問題，并基于關(guān)鍵問題的選項，開發(fā)了“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”手機APP，以期為除草劑選用、輪用提供實用的技術(shù)服務(wù)。需要特別強調(diào)的是，由于除草劑應(yīng)用技術(shù)要求較高，施藥器械、施藥時的天氣、水稻品種、土壤質(zhì)地和墑情等均可能對使用除草劑的藥效和安全性造成較大影響，因此田間施用除草劑作業(yè)必須以除草劑商品包裝上的標(biāo)簽說明或者實地經(jīng)銷和技術(shù)指導(dǎo)人員的建議為準(zhǔn)，APP提供的信息僅作為選用除草劑品種的參考，不作為田間施藥作業(yè)的技術(shù)指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1建立稻田除草劑選用參考基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

首先通過查閱中國農(nóng)藥信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫信息，檢索稻田除草劑全部條目，對當(dāng)前有效登記的除草劑條目進行整理，合并有效成分種類相同的條目，然后通過檢索中國農(nóng)藥信息網(wǎng)、學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)、Web of Science等數(shù)據(jù)庫資源及閱讀除草劑產(chǎn)品包裝上的標(biāo)簽，收集并整理各種除草劑單劑及復(fù)配劑的使用技術(shù)要點，并將這些技術(shù)要點進一步歸類。

隨后，通過整理各種稻田除草劑的應(yīng)用技術(shù)要點，提出稻田除草劑選用中的關(guān)鍵問題，逐一確定各種除草劑品種在每個關(guān)鍵問題上的情況分布，建立稻田除草劑選用參考系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

1.2“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”手機軟件開發(fā)

基于Android studio 3.4軟件和SQLlite軟件進行“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”手機軟件開發(fā)，編程語言及版本號為Java XML1.0。

2結(jié)果與分析

2.1我國登記使用的稻田除草劑品種

通過中國農(nóng)藥信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫檢索一共獲得2 306條當(dāng)前有效的水稻田除草劑登記信息，合并有效成分種類相同的條目后共獲得204條不重復(fù)的條目，包括55種有效成分（表1），149種復(fù)配劑。通過整理各種稻田除草劑的應(yīng)用技術(shù)要點，提出稻田除草劑選用中的6個關(guān)鍵問題（表2）。在綜合各種數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，采集了目前在我國水稻田登記使用的204種除草劑單劑及復(fù)配劑的所屬類別、作用機理、殺草譜、復(fù)配組合、適用稻田類型、施用時期、方法、用量、施用技術(shù)要點、主要注意事項等要素信息，據(jù)此建立了我國水稻田除草劑品種數(shù)據(jù)庫。

我國稻田登記使用的除草劑共有55種，其中主要作為土壤處理或早期莖葉處理使用的除草劑34種，主要作為雜草出苗后莖葉處理使用的除草劑21種;這55種除草劑涉及13種不同的作用機理24種不同的化學(xué)類別（表1），其中ALS（乙酰乳酸合酶，又稱為乙酰羥酸合酶，AHAS）抑制劑類除草劑多達15種，其次是細(xì)胞有絲分裂抑制劑（9種）、PPO（原卟啉原氧化酶）抑制劑（6種）、合成激素（5種）、光系統(tǒng)IIA位點抑制劑（4種），HPPD（對羥基丙酮酸雙氧化酶）抑制劑、ACCase（乙酰輔酶A羧化酶）抑制劑、脂質(zhì)合成抑制劑各3種，微管組裝抑制劑2種，DOXP（1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶）抑制劑、EPSPS（5-烯醇式丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶）抑制劑、PDS（八氫番茄紅素脫氫酶）抑制劑、光系統(tǒng)IIB位點抑制劑各1種，另有1種除草劑（噁嗪草酮）作用機理不明。

稻田雜草群落通常由禾本科雜草、闊葉雜草、莎草科雜草共生，因此，稻田雜草防控也通常需多種除草劑活性成分進行組合復(fù)配以擴大殺草譜、提高藥效。我國稻田登記使用的除草劑復(fù)配劑包括二元（2種活性成分組合）和三元（3種活性成分組合）復(fù)配劑（表1）。目前，我國已經(jīng)登記在稻田使用的除草劑復(fù)配劑共149種，其中含有芐嘧磺隆和吡嘧磺隆的復(fù)配劑最多，均超過了30種（表1），含有五氟磺草胺、氰氟草酯的復(fù)配劑分別多達23種和21種，含有丙草胺、丁草胺、二氯喹啉酸、苯噻酰草胺、噁草酮、二甲戊靈、乙氧氟草醚、雙草醚的復(fù)配劑品種均超過10種?？瞬莅贰f嗪草酮、環(huán)戊噁草酮、雙唑草腈、嘧苯胺磺隆、雙環(huán)磺草酮、氟吡磺隆、丙嗪嘧磺隆、嗪吡嘧磺隆、環(huán)酯草醚、三氯吡氧乙酸等11種有效成分尚沒有復(fù)配劑產(chǎn)品登記。

就稻田除草劑選用中的6個關(guān)鍵問題而言（表2），從水稻種植方式來看，直播稻田除草劑品種較多，而插秧稻田、拋秧田和育秧田相對較少;從除草劑使用時間來看，水稻播前、插前、播后苗前、水稻移栽后及拋秧后返青期使用的除草劑主要為土壤封閉除草劑，直播水稻3葉期以后、移栽稻分蘗期后、拔節(jié)期之前使用的除草劑主要為莖葉處理除草劑，這兩類除草劑占多數(shù);從施藥方法來看，噴霧使用和撒施的除草劑較多，甩施的種類少;從作用靶標(biāo)雜草來看，在全部的204種稻田除草劑中，對稗草Echinochloacrus-galli有效的最多，占89%;其次是對千金子Leptochloa chinensis、馬唐Digitaria sanguinalis有效的除草劑品種，對李氏禾Leersia hexandra或假稻L.japonica、雙穗雀稗Paspalum distichum、亂草Eragrostis japonica有效的除草劑品種相對較少;165種除草劑可用于闊葉類雜草防控，155種可用于莎草防控，139種除草劑對闊葉雜草和莎草均有較好的防效;從雜草防控生育期來看，適用于禾本科雜草1.5葉期的最多，其次是雜草出苗前，再次是禾本科雜草3～5葉期。

2.2“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”使用方法

“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”手機軟件源程序量共2000條。該手機軟件共1.8 MB，可以在安卓4.1及以上手機系統(tǒng)上安裝使用（圖1a），安裝成功后直接點開運行，頁面首先跳出提示和作者聯(lián)系方式（圖1b），并且首頁下方提供兩種參考除草劑清單檢索方式：按照實際情況選用適合除草劑、輸入除草劑名稱檢索使用技術(shù)。點擊“按實際情況選用適合除草劑”，進入問卷界面（圖1c），根據(jù)擬用藥的田塊信息對6個題目分別填入選項，6個題目均可以跳過不選，選項完成后進入確認(rèn)頁面（圖1d），確認(rèn)后跳出結(jié)果頁面，即提供了參考的除草劑品種列表（圖1e），結(jié)果較多時可以直接拖動頁面查看下方參考除草劑品種，直接點擊除草劑品種會彈出該除草劑在水稻田使用的技術(shù)要點（圖1f）。上述各個步驟均可以通過點擊“重新選擇”按鈕進行重新設(shè)定問題選項。點擊“輸入除草劑名稱搜索使用技術(shù)”，進入搜索界面（圖1g），在搜索框中輸入除草劑名稱即可彈出相應(yīng)的除草劑列表，直接點擊除草劑品種會彈出該除草劑在水稻田使用的技術(shù)要點;輸入除草劑名稱檢索支持模糊查詢，即除草劑名稱不全仍然可以檢索出含有檢索字詞的除草劑單劑和復(fù)配劑。

3討論

3.1“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”軟件初步具有實用性

一般而言，選用通過登記在用的稻田除草劑首先考慮對水稻的安全性，其次考慮對擬用藥稻田雜草群落的控制效果，并綜合考慮施藥條件、用藥費用和人工成本。

水稻栽培方式是選用稻田除草劑的第一個關(guān)鍵問題。移栽稻田移栽后水稻秧苗在3～4葉期以上，且根部已入土活棵，這時施用土壤封閉除草劑安全性較好，選用除草劑可以更注重藥效和成本等因素。拋秧稻田秧苗較大，但其根部在拋秧后初期露在土表，此時施用土壤封閉除草劑的安全性略低。旱直播田種子覆土后，在播后苗前使用土壤封閉除草劑的藥害風(fēng)險相對移栽稻田而言較高。水直播稻田播種催芽萌發(fā)的水稻種子，對藥劑的耐受性最低，因此播后苗前土壤封閉除草劑的使用品種較少，到水稻秧苗1葉期后對除草劑的耐受性提高，土壤封閉除草劑的施用可以視田間實際情況確定用藥策略，或者添加相應(yīng)的安全劑保護水稻。移栽稻田莖葉除草施藥時水稻秧苗通常已經(jīng)進入分蘗期，而田間雜草較小，此時使用除草劑的選擇較多。而直播稻田水稻與田間雜草同步生長，禾本科雜草3～5葉期時，水稻秧苗大致也在這個時期，即使經(jīng)歷了土壤封閉施藥，田間常常仍然有大量的雜草需要進行莖葉處理防除，此時選用除草劑需要充分考慮對水稻的安全性并兼顧對雜草的防控效果等。

施藥時期及施藥時雜草的生長期也是稻田除草劑選用的關(guān)鍵因素。當(dāng)前，我國水稻田除草劑使用時期主要包括：1）整地前使用滅生性除草劑清理田間的大齡雜草;2）整地后播種或移栽之前使用土壤封閉除草劑進行處理;3）播種或移栽后早期進行土壤封閉處理;4）播種或移栽后雜草幼苗期進行莖葉處理除草或兼顧土壤封閉處理;5）拔節(jié)期前補除大齡雜草。水稻播種苗前或移栽后活棵時田間多數(shù)雜草處于萌發(fā)期至2葉期，使用土壤封閉除草劑可以有效殺滅大量雜草，控制雜草基數(shù)。田間禾本科雜草3～5葉期時多數(shù)其他雜草處于幼苗早期，對除草劑敏感性較高，通過使用莖葉處理除草劑可以大量殺滅出苗雜草;由于稻田雜草群落常存在多個出草高峰，因此，在莖葉處理施藥的時候根據(jù)田間的實際情況，也可以同步使用一些具有土壤處理活性的除草劑產(chǎn)品，達到“封殺”雜草群落的效果。

靶標(biāo)雜草種類組成是選用稻田除草劑的基本考慮因素。我國水稻田危害最重的禾本科雜草主要為雜草稻（weedy rice）、稗屬Echinochloa spp.雜草、千金子、馬唐，此外，亂草、雙穗雀稗、李氏禾或假稻在局部地區(qū)稻田發(fā)生量較大。目前，雜草稻的化學(xué)防控尚缺少高活性、普遍適用的專殺除草劑產(chǎn)品，少數(shù)除草劑可以用于水稻播種前誘導(dǎo)萌發(fā)殺滅雜草稻;其他幾種禾本科雜草都有相應(yīng)的高活性除草劑品種可選。水稻田常見的闊葉雜草種類較多，不同闊葉雜草對現(xiàn)有稻田除草劑敏感性的差異不如禾本科雜草之間的敏感性差異大。水稻田常見的莎草科雜草種類相對較少。因此，在“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”軟件中闊葉雜草和莎草未設(shè)置具體的雜草種類選項。

施藥方法也是除草劑選用中常需要考慮的因素。目前，我國稻田除草劑的常見施用方法主要包括噴霧和撒施，少數(shù)種類可以甩施。撒施和甩施均要求田間保持合適的水層施藥，施藥后藥劑通過水層進一步在田間擴散，形成均勻的藥膜層。莖葉處理除草劑噴霧施藥前田間通常要求排水，讓雜草充分露出水面，以便于充分吸收藥劑，施藥后一定時間內(nèi)復(fù)水。噴霧、撒施和甩施各自具有特點，并且不同除草劑產(chǎn)品適用的施藥方法不盡相同，因此在生產(chǎn)中用戶需要根據(jù)實際情況進行選擇。

因此，“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”軟件通過在6個問題和選項的設(shè)置，用戶可以得到具體的推薦除草劑產(chǎn)品清單，之后可以參考各除草劑品種的使用技術(shù)要點，結(jié)合田間、現(xiàn)有藥劑和自身的實際情況選定除草劑產(chǎn)品。農(nóng)戶也可以基于其較為熟悉的除草劑品種，檢索相關(guān)的單劑或復(fù)配劑，而后參考各除草劑品種的使用技術(shù)要點進行選擇。對于農(nóng)藥企業(yè)和經(jīng)銷網(wǎng)點人員而言，一方面可以根據(jù)目標(biāo)市場稻田栽培方式、雜草群落結(jié)構(gòu)特點、農(nóng)戶施藥習(xí)慣、稻田供水的便利性等實際情況，預(yù)先準(zhǔn)備除草劑產(chǎn)品;另一方面可以根據(jù)農(nóng)戶提供的信息，參考該軟件推薦的除草劑品種，更準(zhǔn)確地向農(nóng)戶推薦除草劑?？紤]到目前我國水稻田多種雜草對除草劑已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重抗藥性，用戶選用除草劑時需要考慮避免使用施藥田間已經(jīng)發(fā)現(xiàn)抗藥性雜草的相關(guān)藥劑;并且考慮輪用或混用不同作用機理的除草劑;因此，該手機軟件可以為用戶綜合考慮輪用和混用除草劑提供支持，也可以用于水稻種植戶、除草劑經(jīng)銷人員培訓(xùn)使用。需要再次強調(diào)的是，該APP提供的信息僅作為選用除草劑品種的參考，不作為田間施藥作業(yè)的技術(shù)指導(dǎo)。

3.2進一步完善“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”軟件的展望

目前的軟件僅為用戶提供了一般性的推薦除草劑清單，雖然初步具有實用性，但還有較大的完善空間。針對不同的水稻種植區(qū)域、特定作物輪作系統(tǒng)稻田、特定的稻田種養(yǎng)模式，還可以進一步設(shè)置相關(guān)的問題和選項，以便于更準(zhǔn)確、科學(xué)地推薦除草劑產(chǎn)品。

首先，不同種植區(qū)水稻播種期間的溫度條件和雜草群落結(jié)構(gòu)不盡相同，因此，適用的除草劑品種也會有差別。在當(dāng)前的版本中，各種除草劑的適用區(qū)域信息列于使用技術(shù)說明中。東北地區(qū)的野慈姑Sagittaria trifolia、水田稗Echinochloa oryzoides，華南地區(qū)稻田的尖瓣花Sphenoclea zeylanica，華東地區(qū)的硬稃稗Echinochloa glabrescens等都具有區(qū)域性特點。在軟件中針對不同地區(qū)分別設(shè)置相應(yīng)的問題和選項可以有效提高軟件的實用性。然而，在這一版本的“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”軟件中未設(shè)置種植區(qū)相關(guān)的問題和選項，受制因素主要包括：1）目前我國不同水稻種植區(qū)雜草群落結(jié)構(gòu)的差異性仍需進一步明確，不同種植區(qū)稻田雜草群落演替規(guī)律的差異性還有待闡明;2）同屬不同種雜草之間對常用除草劑敏感性的差異性資料不足。

特定綜合種養(yǎng)系統(tǒng)稻田除草適用除草劑需要進行定制化的設(shè)計。例如，目前我國“稻蝦”“稻魚”綜合種養(yǎng)面積約187萬hm²（2800萬畝），此類稻田使用除草劑不僅要考慮對水稻的安全性，同時要兼顧除草劑對蝦和魚生長及相關(guān)食品的安全性。目前，有關(guān)除草劑對特定種類蝦魚的安全性準(zhǔn)確資料積累不足，“養(yǎng)魚、蝦稻田禁用”等信息暫列在除草劑品種的詳細(xì)說明中。

不同作物輪作背景的稻田適用除草劑不盡相同。稻田除草劑選用不當(dāng)可能導(dǎo)致對下茬作物發(fā)生藥害，例如稻田使用除草劑二氯喹啉酸可導(dǎo)致下茬茄科作物藥害。目前我國稻田的作物輪作方式十分多樣，各種除草劑品種對下茬作物的安全性相關(guān)信息列于使用技術(shù)說明中。

此外，隨著田間雜草智能識別技術(shù)和軟件的不斷發(fā)展，“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”還可以與雜草識別軟件進行整合，進而直接基于田間草相鑒定推薦適用除草劑清單和配套應(yīng)用技術(shù)，甚至與智能植保機器人配套使用，實現(xiàn)“識草選藥施藥”一體化智能機械下田除草，科學(xué)、精準(zhǔn)使用除草劑，保障糧食安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全。

4結(jié)論

通過搭載安卓系統(tǒng)，“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”軟件可以在多數(shù)常用手機上使用，水稻種植戶可以根據(jù)“稻田除草劑選用參考系統(tǒng)”推薦的使用除草劑品種清單，結(jié)合田間情況、雜草抗藥性情況、現(xiàn)有藥劑及輪換用藥策略等實際情況選定除草劑。農(nóng)藥企業(yè)可以利用該軟件對稻田除草劑研發(fā)和銷售相關(guān)人員進行培訓(xùn)。農(nóng)藥經(jīng)銷人員可以參考該軟件推薦的除草劑品種，更準(zhǔn)確地向農(nóng)戶推薦除草劑。今后，針對不同的水稻種植區(qū)域、特定作物輪作系統(tǒng)稻田、特定的稻田種養(yǎng)模式等特定場景，可以進一步設(shè)置相關(guān)的問題和選項，以便于更準(zhǔn)確、科學(xué)地推薦除草劑產(chǎn)品。