廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)

葉延瓊, 王悅, 章家恩,*, 孔旭暉, 秦鐘

廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)

葉延瓊1,2,3,4, 王悅1, 章家恩1,2,3,4,*, 孔旭暉1,2,3,4, 秦鐘1,2,3,4

1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 廣州 510642 2. 廣東省生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642 3. 廣東省現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 廣州 510642 4. 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642

基于廣東省60余種典型作物的生長(zhǎng)屬性、經(jīng)濟(jì)效益等基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 借助Visual Studio 2012運(yùn)行平臺(tái), 使用C sharp編程語(yǔ)言結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫(kù), 開(kāi)發(fā)構(gòu)建了廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)V1.0(中國(guó)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記號(hào): 2018SR1064279)。此系統(tǒng)可以根據(jù)作物的生長(zhǎng)屬性, 篩選出某地適宜種植的作物庫(kù), 并根據(jù)優(yōu)選的各種作物的生育期進(jìn)行優(yōu)化組合, 輸出可選的作物輪作組配方案; 在此基礎(chǔ)上, 根據(jù)作物的經(jīng)濟(jì)效益及相關(guān)特定判斷規(guī)則, 輸出適宜某地區(qū)作物輪作的優(yōu)化組配方案, 進(jìn)而為生產(chǎn)者提供作物輪作模式的多元及優(yōu)化選擇。

專家系統(tǒng);作物輪作; 優(yōu)化; 廣東省

0 前言

作物輪作是指在同一地塊上有順序地輪換種植不同作物或輪換采用不同復(fù)種方式的種植方式[1], 按種植方式主要分為旱地輪作(如豆麥輪作、糧棉輪作等)和水旱輪作(如稻菜輪作、稻煙輪作等)[2-4]。作為一類重要的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效技術(shù), 作物輪作在世界農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[5]。在我國(guó), 通過(guò)不斷實(shí)踐探索, 也逐漸形成了北方以豆麥輪作為主, 南方以糧菜、糧肥輪作為主的典型輪作模式[6]。大量研究發(fā)現(xiàn), 科學(xué)合理的輪作可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益[5], 如輪作使得土壤的團(tuán)聚度增加, 表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮和速效磷的含量上升, 同時(shí)也能改善土壤pH值[7-8], 防治或減輕作物病害[9], 從而利于作物生長(zhǎng)發(fā)育, 增加作物產(chǎn)量。

專家系統(tǒng)是將人類專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以知識(shí)庫(kù)的形式存入計(jì)算機(jī), 并模仿人類專家解決問(wèn)題的推理方式和思維過(guò)程, 運(yùn)用知識(shí)庫(kù)對(duì)現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題做出判斷和決策[10,11]。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是應(yīng)用人工智能技術(shù), 根據(jù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的專家知識(shí)、技術(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型, 模擬農(nóng)業(yè)專家就某一復(fù)雜農(nóng)業(yè)問(wèn)題進(jìn)行啟發(fā)式推理、判斷以及決策的智能型計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 并通過(guò)推理來(lái)解決相關(guān)的農(nóng)業(yè)問(wèn)題[12,13]。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分, 具有廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景[14,15], 涉及栽培、灌溉、施肥、雜草和病蟲(chóng)害控制等領(lǐng)域[16]。早在1978年, 世界上最早的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)—大豆病害診斷專家系統(tǒng)(PLANT/DS)在美國(guó)問(wèn)世[11], 到20世紀(jì)80年代中期, 隨著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的不斷發(fā)展, 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在國(guó)際上得到快速發(fā)展, 并從單一的病蟲(chóng)害防治轉(zhuǎn)向生產(chǎn)管理、經(jīng)濟(jì)分析、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[17]。我國(guó)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)80年代初期, 在包括國(guó)家科技攻關(guān)等在內(nèi)的各種科研項(xiàng)目的資助以及各級(jí)政府的支持下, 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相繼開(kāi)展了大量專家系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)以及推廣應(yīng)用, 取得了可喜成績(jī)[12,18]。進(jìn)入21世紀(jì), 我國(guó)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛, 主要涉及作物病蟲(chóng)鼠害形態(tài)識(shí)別[19]、畜牧業(yè)發(fā)展[20]、作物高產(chǎn)栽培[21], 作物智能化管理[22]、作物病蟲(chóng)害診治[23], 雜草識(shí)別[24],油茶種植[25]、芒果生產(chǎn)[26]等領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用。上述農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用, 一定程度上促進(jìn)了農(nóng)業(yè)科技成果的轉(zhuǎn)化, 為發(fā)展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)作出了積極貢獻(xiàn)。

廣東地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 光、熱、水資源豐富,適宜種植水稻、蔬菜、甘蔗等栽培作物以及荔枝、龍眼、菠蘿等熱帶亞熱帶水果, 且形成了廣東地區(qū)典型的“稻—稻—菜”等多樣化栽培模式。但改革開(kāi)放以來(lái), 受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng), 全省耕作制度發(fā)生了明顯變化, 單一化種植盛行, 連作現(xiàn)象較為普遍, 土壤酸化板結(jié)與連作障礙問(wèn)題突出, 病蟲(chóng)害增多, 產(chǎn)量和質(zhì)量下降。同時(shí), 在省內(nèi)許多地區(qū), 冬季與早春閑置的耕地較多, 導(dǎo)致資源浪費(fèi)。因此, 如何合理利用全省的土地資源, 保障全省的糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全, 全面推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展？成為全省農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。為此, 本研究以廣東省現(xiàn)有的輪作模式為基礎(chǔ), 全省各地區(qū)適宜種植的作物為對(duì)象, 建立作物屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、作物經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)庫(kù)、專家知識(shí)庫(kù)以及輪作原則標(biāo)準(zhǔn)庫(kù), 開(kāi)發(fā)構(gòu)建了“廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)”。通過(guò)專家系統(tǒng)的構(gòu)建, 篩選輸出適宜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)效益高的輪作模式, 進(jìn)而為廣東省推廣合理高效的輪作模式、開(kāi)展優(yōu)化作物輪作生產(chǎn)等提供科學(xué)的決策依據(jù)與實(shí)踐參考。

1 研究區(qū)概況

廣東地處中國(guó)大陸最南端, 陸地范圍位于北緯20°09′—25°31′, 東經(jīng)109°45′—117°20′之間。自東至西依次與福建省、江西省、湖南省、廣西壯族自治區(qū)接壤; 毗鄰香港、澳門特別行政區(qū); 西南端隔瓊州海峽與海南省相望。廣東地貌類型復(fù)雜多樣, 山地、丘陵、臺(tái)地和平原面積分別占全省土地總面積的 33.7%、24.9%、14.2% 和 21.7%。地勢(shì)北高南低, 北部多為山地和丘陵, 南部則為臺(tái)地和平原。2019年, 全省常住人口11521萬(wàn)人, 實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值107671億元, 其中第一產(chǎn)業(yè)增加值4351億元、第二產(chǎn)業(yè)增加值43546億元、第三產(chǎn)業(yè)增加值59773億元, 三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重為4.0:40.5:55.5[27]。

長(zhǎng)期以來(lái), 廣東就有在冬季稻田輪作種植白菜、菜心、芥菜、蘿卜等蔬菜的習(xí)慣。如在粵西地區(qū)的雷州、茂名等地, 主要以雙季稻—冬種模式最為典型, 現(xiàn)有輪作模式主要有“稻—稻—辣椒、稻—稻—甜玉米”等[28]; 在珠三角的珠海、惠州等地, 主要以冬種蔬菜和綠肥作物為主, 包括“稻—稻—西芹、稻—稻—菜心、稻—稻—馬鈴薯”等[29]; 在粵北的英德、連山、始興等地, 主要以單季稻水旱輪作為主, 現(xiàn)有模式包括“甜玉米—晚稻、以及煙稻輪作”等[30]; 而在粵東的汕頭、潮州等地, 則主要以冬季傳統(tǒng)種植為主, 代表性的輪作模式主要有“早稻—晚稻—包心芥菜[31]、稻—稻—馬鈴薯[32]”等。

2 廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)科學(xué)性原則: 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)需充分考慮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性和可靠性, 以及專家知識(shí)庫(kù)構(gòu)建和邏輯運(yùn)算的科學(xué)合理性。

(2)可修改原則: 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容, 以及系統(tǒng)功能模塊的可修改性, 包括對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新、數(shù)據(jù)庫(kù)中所有數(shù)據(jù)源的更新、設(shè)置說(shuō)明、指導(dǎo)用戶修改等, 以滿足用戶的實(shí)際應(yīng)用需要。

(3)實(shí)用性原則: 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的是應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。本專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用圖形用戶界面, 通過(guò)菜單、對(duì)話框、按鈕等進(jìn)行人機(jī)對(duì)話, 力求做到簡(jiǎn)單、方便和實(shí)用。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本專家系統(tǒng)(中國(guó)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記號(hào): 2018SR1064279),針對(duì)用戶輸入的多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算, 對(duì)所有數(shù)據(jù)庫(kù)中的每條數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)多層條件判斷, 并將不符合條件的逐步刪除, 符合條件的則保留, 進(jìn)而得到不同需求條件下的相關(guān)結(jié)果輸出。具體設(shè)計(jì)思路與運(yùn)行流程如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)目標(biāo)

廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)擬實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo): ①提供用戶輸入地區(qū)(廣東省21個(gè)地級(jí)市)適宜種植的作物清單。②提供用戶輸入地區(qū)滿足各類條件的輪作模式及優(yōu)選輪作模式。包括: 所輸入地區(qū)的輪作組配方案(有水稻、水旱輪作)、輪作組配優(yōu)選方案(有水稻、水旱輪作)、輪作組配方案(無(wú)水稻、非水旱輪作)、輪作組配優(yōu)選方案(無(wú)水稻、非水旱輪作)。③提供用戶輸入地區(qū)的現(xiàn)有輪作模式, 并可與專家系統(tǒng)推理運(yùn)算輸出的系列優(yōu)選輪作模式相比較, 供用戶選擇。④實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新與修改, 設(shè)置“一票否決”條件, 將用戶需求優(yōu)先考慮, 輸出與地區(qū)資源條件相匹配并滿足用戶需求條件的最優(yōu)作物輪作模式。

2.4 系統(tǒng)用戶要求

廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)面向的用戶是: 可獲得所在種植地區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)的種植戶或生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者以及種植模式?jīng)Q策者。系統(tǒng)用戶需提供地區(qū)屬性, 例如地名、有效積溫、日照時(shí)數(shù)、最熱平均氣溫、最冷平均氣溫、年降雨量、年均相對(duì)濕度、可投入資金及可投入勞動(dòng)力信息, 才可以進(jìn)行專家系統(tǒng)的使用。如果系統(tǒng)用戶無(wú)法提供以上信息, 該專家系統(tǒng)則無(wú)法進(jìn)行運(yùn)算而輸出上述各種組配方案。如用戶輸入的信息不準(zhǔn)確, 輸出結(jié)果也將無(wú)法保證科學(xué)性、準(zhǔn)確性和針對(duì)性。因此, 本專家系統(tǒng)的用戶必須準(zhǔn)確掌握輸入地區(qū)的基本屬性數(shù)據(jù), 并具備一定的農(nóng)業(yè)知識(shí), 以確保專家系統(tǒng)能夠正確運(yùn)算、推理與科學(xué)輸出結(jié)果。

2.5 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境包括: 1)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái): Visual Studio 2012; 2)數(shù)據(jù)庫(kù)(Access)運(yùn)行環(huán)境: 要求穩(wěn)定、快速; 3)系統(tǒng)語(yǔ)言(C sharp): 能實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā), 維護(hù)方便。系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境包括: 1)操作系統(tǒng): Windows7/8/10; 2)軟件環(huán)境: Microsoft .NET Framework 4.5, Excel 2013及以上版本; 3) 硬件環(huán)境: 2GB以上內(nèi)存, 512MB以上硬盤剩余空間。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

本專家系統(tǒng)的作物數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)作物生長(zhǎng)習(xí)性和經(jīng)濟(jì)屬性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 所有數(shù)據(jù)均由Access數(shù)據(jù)庫(kù)保存, 系統(tǒng)運(yùn)算所需數(shù)據(jù)均要從相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取, 因此數(shù)據(jù)庫(kù)的完善與準(zhǔn)確十分重要。根據(jù)作物的種植面積和經(jīng)濟(jì)效益, 本研究搜集了廣東省60余種典型種植作物, 包括早稻、晚稻、玉米等傳統(tǒng)糧食作物, 大豆、馬鈴薯、花生等經(jīng)濟(jì)作物, 菜心、芥藍(lán)、大白菜等葉菜類蔬菜以及黃瓜、西紅柿、茄子等瓜果類蔬菜作物等。同時(shí)搜集每種作物的生態(tài)屬性數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)屬性數(shù)據(jù): 其中生態(tài)屬性數(shù)據(jù)包括作物最適宜生長(zhǎng)溫度范圍、耐受最低溫、耐受最高溫、生長(zhǎng)需求年積溫、年降雨量、日照時(shí)數(shù)、年均溫、空氣濕度、以及作物生育期數(shù)據(jù), 相關(guān)數(shù)據(jù)信息主要來(lái)源于相關(guān)作物栽培學(xué)[33]和蔬菜栽培學(xué)著作[34]并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資料查詢。水旱輪作中水稻生育期限制了部分蔬菜生育期的匹配范圍, 因此作物生育期數(shù)據(jù)根據(jù)輪作作物類型有所調(diào)整。經(jīng)濟(jì)屬性數(shù)據(jù)包括粵西、粵北、珠三角、粵東地區(qū)作物產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格、平均畝產(chǎn)量、畝均投入及所需勞動(dòng)力數(shù)量。其中市場(chǎng)價(jià)格數(shù)據(jù)主要來(lái)自于綠果網(wǎng)[35]以及惠農(nóng)網(wǎng)[36]上有關(guān)廣東省各地市的作物及蔬菜價(jià)格; 平均畝產(chǎn)量、畝均投入及所需勞動(dòng)力數(shù)量則主要通過(guò)《廣東省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[37]、《廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》[38]等搜集整理以及調(diào)查等方式獲取。

圖1 廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)運(yùn)行流程

Figure 1 Operation flow of the Crop Rotation Optimization Expert System in Guangdong province

本專家系統(tǒng)基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)主要由作物屬性表(表1)、作物經(jīng)濟(jì)屬性表(表2)、不宜輪作模式屬性表(表3)、各地區(qū)現(xiàn)有輪作模式屬性表(表4)以及用戶信息表(表5)構(gòu)成。

表1 作物生長(zhǎng)屬性結(jié)構(gòu)表

表2 作物經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)屬性結(jié)構(gòu)表

表3 不宜作物輪作模式屬性結(jié)構(gòu)表

表4 各地區(qū)現(xiàn)有作物輪作模式屬性結(jié)構(gòu)表

表5 專家系統(tǒng)用戶信息結(jié)構(gòu)表

3.2 知識(shí)庫(kù)的建立

本專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)包括系統(tǒng)運(yùn)算過(guò)程中的判斷決策標(biāo)準(zhǔn), 并將數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。其中系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)規(guī)定: 所輸入地的氣候等環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)與作物生長(zhǎng)需求相匹配, 且必須全部滿足, 才可輸出結(jié)果進(jìn)行下一步運(yùn)算; 作物生育期匹配判斷運(yùn)算條件為所組配的作物生育期之間的交集是空集, 且其并集小于等于一年才可輸出結(jié)果, 并進(jìn)行下一步運(yùn)算; 單位面積作物輪作最佳經(jīng)濟(jì)效益判斷運(yùn)算方法是將每種參與輪作的作物經(jīng)濟(jì)效益相加, 進(jìn)行從大到小排序, 進(jìn)而輸出經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的作物輪作模式。此外, 專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)還設(shè)置一票否決判斷條件, 即針對(duì)所輸入地區(qū)的實(shí)際問(wèn)題, 從勞動(dòng)力、水資源、資金等方面設(shè)定優(yōu)先考慮條件。知識(shí)庫(kù)為專家系統(tǒng)的運(yùn)算、輸出提供科學(xué)的邏輯規(guī)則, 使得系統(tǒng)輸出結(jié)構(gòu)更加合理、更加符合實(shí)際。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的建立

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則庫(kù)能夠減少用戶的盲目性, 以及篩選出專家系統(tǒng)運(yùn)算而得到的不合理組合。本專家系統(tǒng)遵循“選取吸收土壤養(yǎng)分不同的作物輪作、選取高矮不同、根系深淺不同的作物互相輪作、無(wú)相生相克的作物進(jìn)行輪作”等基本原則和標(biāo)準(zhǔn), 設(shè)置了不宜輪作的作物庫(kù)。將輸出作物輪作組配模式與不宜輪作的作物庫(kù)進(jìn)行比對(duì), 若存在不適宜輪作的作物組合, 則此組配模式將被刪除。根據(jù)農(nóng)業(yè)科學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 專家系統(tǒng)中設(shè)置的不宜輪作作物的判斷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為:

(1) 茄科和葫蘆科作物(如番茄、南瓜、西瓜等瓜類)不能與煙草輪作;

(2) 同科蔬菜不宜輪作, 如番茄、茄子、辣椒和甜椒等; 白菜、菜心、花椰菜、西蘭花、白蘿卜、櫻桃蘿卜和薺菜; 洋蔥、大蔥、韭菜和蒜; 紅蘿卜、西芹; 各種豆類不宜輪作; 各種瓜類不宜輪作。

將以上原則按輪作模式標(biāo)準(zhǔn)格式載入到專家系統(tǒng)中, 作為不宜輪作模式標(biāo)準(zhǔn)庫(kù), 與系統(tǒng)輸出結(jié)果做差比較, 進(jìn)而篩掉不宜輪作的種植模式。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行界面

系統(tǒng)壓縮包解壓后打開(kāi)目錄, 雙擊groupin Debuggroup.exe(圖2)即可啟動(dòng)軟件。也可建立目錄快捷方式進(jìn)入“廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)”界面(圖3)。

點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕進(jìn)入用戶登錄/注冊(cè)界面(圖4a), 彈出登錄界面, 第一次使用的用戶輸入用戶名、密碼之后點(diǎn)擊注冊(cè)界面, 填寫相關(guān)信息, 注冊(cè)成功后便可進(jìn)入使用(圖4b)。已經(jīng)注冊(cè)過(guò)的用戶直接點(diǎn)登錄。密碼格式要求6—18位, 第一位必須為字母。通過(guò)用戶名與密碼, 記錄用戶的歷史輸入信息, 智能彈出輸入用戶上一次輸入的內(nèi)容, 進(jìn)而加快用戶輸入效率。彈出登錄成功界面(圖4c), 點(diǎn)擊確定進(jìn)入系統(tǒng)主界面。

圖2 專家系統(tǒng)啟動(dòng)路徑

Figure 2 Thestarting path of the Expert System

圖3 廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)界面

Figure 3 Interface of the Crop Rotation Optimization Expert System in Guangdong Province

圖4 系統(tǒng)用戶登錄/注冊(cè)界面

Figure 4 System user login / registration interface

4 專家系統(tǒng)輸出結(jié)果案例分析

廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)可以根據(jù)不同地區(qū)輸入的相關(guān)數(shù)據(jù), 運(yùn)算輸出相應(yīng)的模式建議。下面以粵西的湛江地區(qū)為例, 展示專家系統(tǒng)的輸出結(jié)果。

輸入湛江地區(qū)的屬性數(shù)據(jù)(圖5a), 系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果顯示湛江地區(qū)適宜種植的作物有: 早稻、晚稻、空心菜、芥藍(lán)、生菜、大白菜、番茄、冬瓜、黃瓜、胡蘿卜、辣椒、苦瓜、絲瓜、四季豆、韭菜、茼蒿等共17種(圖5b)。輪作組配方案117條記錄, 主要輪作模式有四季豆—早稻—晚稻、早稻—晚稻—辣椒、早稻—晚稻—胡蘿卜、黃瓜—早稻—晚稻等(圖6a)。其中, 輪作模式中效益最高的是黃瓜—空心菜—晚稻—大白菜(圖6b)。非水旱輪作模式有節(jié)瓜—茼蒿、四季豆—辣椒、苦瓜—胡蘿卜、四季豆—生菜等32種(圖7a)。其中經(jīng)濟(jì)效益最高的是黃瓜—大白菜。與現(xiàn)有模式相同的模式有黃瓜—節(jié)瓜、早稻—晚稻—辣椒(圖7b)。

圖5 用戶輸入湛江地區(qū)屬性數(shù)據(jù)界面(a)和系統(tǒng)輸出的湛江地區(qū)適宜種植作物清單界面(b)

Figure 5 Attribute data interface input by user in Zhanjiang area(a) and the crop’s list suitable for planting output by the Expert System in Zhanjiang area(b)

圖6 系統(tǒng)輸出的湛江地區(qū)輪作模式界面(a)和系統(tǒng)輸出的湛江地區(qū)輪作優(yōu)選模式界面(b)

Figure 6 Rotation mode interface output by the Expert System in Zhanjiang area (a) and interface of crop rotation optimization mode output by Expert System in Zhanjiang area(b)

圖7 系統(tǒng)輸出的湛江地區(qū)非水旱輪作模式界面(a)和湛江地區(qū)優(yōu)化輪作模式與現(xiàn)有輪作模式對(duì)比界面(b)

Figure 7 Interface of non-paddy-upland rotation mode output by the Expert System in Zhanjiang area (a) and comparison interface between optimized rotation mode and existing rotation mode in Zhanjiang area(b)

5 討論

廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)能夠輸出滿足廣東省各地區(qū)作物生長(zhǎng)條件的系列輪作模式, 可在一定程度上指導(dǎo)廣東省現(xiàn)有輪作模式單一化向多樣化栽培的優(yōu)化調(diào)整問(wèn)題, 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者選擇理想的輪作模式提供決策咨詢服務(wù)。但因?qū)＜蚁到y(tǒng)適用的區(qū)域范圍有限(僅為廣東省),且基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建還存在不完善之處, 導(dǎo)致系統(tǒng)存在一些不足, 需要在今后的工作中加以進(jìn)一步研究:

(1)氣候條件和經(jīng)濟(jì)效益是決定作物輪作方式的主要因素, 但耕地類型(山地、丘陵、臺(tái)地和平原)、土壤類型和理化性狀、植物病蟲(chóng)害防治(化感、趨避性等)、田間作業(yè)的難易程度等也是影響作物輪作的重要要素, 因此在后續(xù)研究中, 還需考慮增加氣象數(shù)據(jù)、土壤理化性質(zhì)、耕地類型以及田間作業(yè)難易程度等數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。

(2)本專家系統(tǒng)中涉及的行政區(qū)僅限于廣東省的21個(gè)地級(jí)市, 未能細(xì)化到縣級(jí)及以下類別, 也未能區(qū)分山地、丘陵、臺(tái)地和平原等生態(tài)環(huán)境差異, 適宜作物輪作方案的地理單元可能過(guò)大, 導(dǎo)致輸出結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用可能存在較大差距。因此, 在今后的研究中, 需要進(jìn)一步細(xì)化研究的地理單元, 考慮更多更細(xì)致的生態(tài)環(huán)境條件。

(3)本專家系統(tǒng)中的作物數(shù)據(jù)庫(kù)主要是針對(duì)廣東省內(nèi)典型作物進(jìn)行選擇性的數(shù)據(jù)搜集, 很多非典型作物在構(gòu)建原始作物數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)被排除, 且作物數(shù)據(jù)庫(kù)并未按照地區(qū)作物種植面積的大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因此, 今后需對(duì)專家系統(tǒng)的作物數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充和完善, 即擴(kuò)大系統(tǒng)的作物覆蓋范圍, 并設(shè)置用戶參考數(shù)值, 同時(shí)開(kāi)展部分田間試驗(yàn)(尤其是一些新作物輪作組合)的驗(yàn)證工作, 盡量做到系統(tǒng)輸出結(jié)果更加科學(xué)、更能滿足實(shí)際需求、更具可操作性。

6 結(jié)論

通過(guò)收集廣東省60余種典型作物的相關(guān)數(shù)據(jù), 建立了作物生長(zhǎng)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、作物經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)庫(kù)、專家知識(shí)庫(kù)以及輪作原則標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。基于Visual Studio 2012平臺(tái), 構(gòu)建了“廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)V1.0”。專家系統(tǒng)可完成以下功能: 通過(guò)輸入所在地區(qū)的屬性數(shù)據(jù), 根據(jù)作物生長(zhǎng)屬性, 可以輸出地區(qū)適宜種植作物清單; 根據(jù)適宜種植作物生育期匹配, 可以輸出地區(qū)可供選擇的輪作組配方案; 根據(jù)農(nóng)作物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行運(yùn)算, 可輸出地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)的作物輪作組配的優(yōu)化方案; 通過(guò)設(shè)置“一票否決”判斷功能, 例如可將勞動(dòng)力需求、資金規(guī)模以及當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣等作為一票否決的條件而刪除不適宜上述條件的輪作模式; 將系統(tǒng)輸出的某地區(qū)作物輪作組配方案與該地區(qū)現(xiàn)有輪作模式庫(kù)以及不宜輪作模式庫(kù)進(jìn)行比對(duì), 進(jìn)而可刪除并篩選得到切合當(dāng)?shù)貙?shí)際需求的輪作模式。此外, 系統(tǒng)還設(shè)置了用戶可選擇性修改數(shù)據(jù)庫(kù)的功能, 對(duì)于用戶有異議的輸出結(jié)果, 系統(tǒng)可給出原始數(shù)據(jù)進(jìn)行參照校核或修正, 以進(jìn)一步提高專家系統(tǒng)輸出結(jié)果的科學(xué)性及準(zhǔn)確性。

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Typical Crop Rotation Optimization Expert System in Guangdong province

YE Yanqiong1,2,3,4, WANG Yue1, ZHANG Jia’en1,2,3,4,*, KONG Xuhui1,2,3,4, QIN Zhong1,2,3,4

1. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Eco–Circular Agriculture, Guangzhou 510642, China 3. Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-agriculture and Circular Agriculture, Guangzhou 510642, China 4. Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Guangzhou 510642, China

Based on the basic data of over 60 typical crops’ growth attributes and economic benefits in Guangdong province, the “Guangdong Province's Typical Crop Rotation Optimization Expert System V1.0” was established by using the Visual Studio 2012 platform and the C sharp language programming combined with Access database. The Expert System can output the list of appropriate crops to be planted in the specific areas of Guangdong province according to the crop growth attributes; then it can further combine growing season of the recommended crops to provide crop rotation matching schemes for the appropriate crops in the corresponding areas; after that, it can also present a final optimal crop rotation plan by considering with better economical incomes for the specific area according to the crop market price database. This Expert System can provide diversified and optimal options of crop rotation mode for producers and related decision-makers.

Expert System, crop rotation, optimization, Guangdong province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.06.009

S126

A

1008-8873(2022)06-073-09

2021-03-26;

2021-05-09

廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目(2018LM1100, 2019KJ105); 廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016A020210094, 2017A090905030); 廣東省惠城區(qū)絲苗米產(chǎn)業(yè)園、連山縣絲苗米產(chǎn)業(yè)園及羅定市絲苗米產(chǎn)業(yè)園等科技支撐服務(wù)項(xiàng)目

葉延瓊(1976—), 女, 博士, 副教授, 主要從事GIS、生態(tài)服務(wù)與生態(tài)規(guī)劃方面的教學(xué)與研究工作, E-mail: llyeyq@scau.edu.cn

通信作者:章家恩, 男, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事生態(tài)學(xué)等方面的教學(xué)與研究工作, E-mail: jeanzh@scau.edu.cn

葉延瓊, 王悅, 章家恩, 等. 廣東省典型作物輪作優(yōu)化組配專家系統(tǒng)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(6): 73–81.

YE Yanqiong, WANG Yue, ZHANG Jia’en, et al. Typical Crop Rotation Optimization Expert System in Guangdong province[J]. Ecological Science, 2022, 41(6): 73–81.