主要農作物推薦施肥智能手機專家系統的開發應用

陳小虎，蔣佐升2，黃鐵平3，王磊4，蔡冬華

（1耒陽市農業局，湖南耒陽421800；2湖南省農業信息中心，長沙410005；3湖南省農業廳土壤肥料工作站，長沙410005；4西安田間道軟件有限公司，陜西西安710000）

主要農作物推薦施肥智能手機專家系統的開發應用

陳小虎1，蔣佐升2，黃鐵平3，王磊4，蔡冬華1

（1耒陽市農業局，湖南耒陽421800；2湖南省農業信息中心，長沙410005；3湖南省農業廳土壤肥料工作站，長沙410005；4西安田間道軟件有限公司，陜西西安710000）

匯總湖南省主要農作物“3414”肥效試驗結果，分析建立作物施肥量與土壤養分含量以及作物產量之間的數學模型，將數學模型置于Excel或智能手機之中，開發了湖南省主要農作物推薦施肥智能手機專家系統，實現了施肥數學模型與測土數據的無縫對接。利用智能手機的GPS定位和上網功能，通過手機定位后從服務器自動獲取和查詢地塊采樣點土壤養分檢測結果，計算出所在地主要農作物的最佳施肥量、單質肥和配方肥的施肥方案、配方肥配方比例，直接應用到農戶，或自動生成施肥方案短信，發送給農戶指導施肥。該系統是測土配方施肥成果應用最便捷的方法和手段之一，其操作簡便，使科學配方、指導農民合理施肥技術掌握在方寸之間。

農作物；施肥；專家系統；手機軟件；數學模型；GPS定位

隨著計算機技術和移動通信技術的迅猛發展，作為移動通信終端的手機已成為人們日常生活、工作中不可缺少的通信工具。特別是智能手機的出現，除了具備普通手機的全部功能外，還具備開放性的操作系統，可以根據個人需要安裝各類應用程序，使功能得到無限擴展，成為一款名副其實的移動PC?；谥悄苁謾C開發農業應用軟件也在不斷興起。如運用智能手機通過Web Service提供數據服務，實現對土壤信息和施肥決策的在線和本地查詢［2］；利用J2ME與J2EE技術實現手機與計算機系統的通信，可使農戶通過手機上網訪問服務器端的玉米施肥專家系統，查詢農田的精準施肥量［3］；王斌等［4］通過多年多點的大田玉米缺素試驗、耕層土壤網格取樣的養分測試和推薦施肥知識庫的構建，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的上網功能查詢土壤信息，采用土壤養分豐缺指標法制定施肥決策，從而實現測土配方施肥技術在手機上的應用。湖南省實施測土配方施肥項目已經10年。為了充分利用測土配方施肥項目獲得的土壤技術數據，筆者采用大量的農作物“3414”肥效試驗數據建立施肥數學模型，通過開發出基于Excel和安卓智能手機的推薦施肥專家系統，利用手機GPS定位和Web服務器提供數據服務技術，實現智能手機土壤養分數據的自動獲取、推薦施肥方案、制定配方肥最佳配方，使科學的推薦施肥更加簡便可行，以利于測土配方施肥技術成果的大面積推廣應用。

1 材料與方法

1.1 數據來源

采用2 000多個湖南省主要農作物“3414”肥效試驗結果，其中早稻608個、中稻789個、晚稻565個、玉米209個、油菜125個、棉花111個、烤煙30個、紅薯22個，通過匯總分析分別獲得8個作物的肥料利用率、土壤有效養分校正系數、農作物產量對土壤依存率、百公斤經濟產量吸收量、最佳經濟施肥量等施肥技術參數，并應用“DPS”、“Excel”等統計分析工具分別建立各個技術參數與土壤速效養分的最佳數學模型。

1.2 系統建立原理及方法

依據“斯坦?！钡哪繕水a量養分平衡法計算施肥量原理［1］，通過建立作物目標產量、土壤速效養分和施肥量三者的關系式，實現在不同的作物目標產量和不同的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀養分含量下，計算出最佳氮磷鉀推薦施肥量。斯坦福施肥量計算公式如下：

養分施用純量W（kg／hm2）＝（U-Ns）／R

式中：U——每季作物需要吸收的總養分（kg／hm2）；

Ns——土壤供肥量（kg／hm2）；

R——氮、磷、鉀肥料當季利用率（%）。

2 建立施肥量數學模型

2.1 作物需肥量計算

每季作物需要吸收的總養分U（kg／hm2）＝目標產量×作物形成單位經濟產量所需的養分量（養分系數）。

2.2 土壤供肥量分析與計算

在斯坦福公式中，土壤養分供應量Ns（kg／hm2）＝土壤測試值×2.25×有效養分校正系數C（%），是用耕層土壤的養分含量絕對值乘以土壤養分利用系數來估算的。由于土壤具有緩沖性能，土壤有效養分是一個動態的變化值，需要通過田間試驗來獲得土壤有效養分校正系數加以換算。而土壤有效養分校正系數變化范圍較大，穩定性差，它隨土壤養分測試值的不同而變化，因此，在估算施肥量時，首先要確定土壤養分校正系數的取值。

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

對全省的“3414”試驗結果分析表明，土壤有效養分校正系數與對應的堿解氮、有效磷、速效鉀的含量呈極顯著的負相關（表1）。設土壤堿解氮、有效磷、速效鉀為自變量x，對應的土壤有效養分校正系數為依變量y，進行回歸分析篩選出最佳數學模型多數為雙曲線模型［6］，部分為負指數數學模型，且均達到極顯著水平［7］，說明對土壤有效養分校正系數的擬合程度較高，可用以計算土壤速效養分含量所對應的有效養分校正系數。

表1 主要農作物土壤有效養分校正系數相關性分析匯總表

2.3 建立施肥量數學模型

2.3.1 建立作物養分吸收量數組

根據作物實際產量情況，目標產量從低到高，每150 kg／hm2一個等級，共設置11個不同目標產量等級，按照作物的養分系數分別計算出每個產量等級氮磷鉀養分的吸收量（表2）。

表2 早稻N施用量計算及建模數據組表

2.3.2 建立土壤供肥量數組

根據湖南省土壤養分檢測結果，堿解氮選擇50～390mg／kg范圍，每隔10mg／kg為一個等級，有效磷選擇3～37 mg／kg范圍，每隔1 mg／kg為一個等級，速效鉀選擇20～360 mg／kg范圍，每隔10 mg／kg為一個等級，每個養分都有35個不同的肥力等級。應用土壤有效養分校正系數的數學模型，分別計算出每個土樣養分等級所對應的有效養分校正系數，依據土壤供肥量公式計算出土壤實際供肥量。

2.3.3 計算不同目標產量、不同土壤養分水平下的施肥量數組

按照斯坦福施肥公式施肥量W＝（U-Ns）／R，分別計算出11個目標產量下的35個土壤養分等級的施肥量。

2.3.4 建立不同目標產量、不同土壤養分水平下的施肥量數學模型

取目標產量（X1）、土壤養分測試值（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 系統實現與使用

3.1 用Excel表格建立推薦施肥專家系統

將推薦施肥的二元一次回歸模型置入Excel表格中，在Excel表格內分別建立數據錄入區、施肥純量輸出區和施肥方案區三個部分。

（1）數據錄入區。用于錄入目標產量，錄入土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的測試值（mg／kg），配方肥氮、磷、鉀配比值等。

（2）計算結果輸出區。施肥純量估算區：在此區格內分別置入推薦施肥的二元一次回歸模型，并與錄入的目標產量和速效氮磷鉀測試值進行關聯計算，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。為肥料實物施用量輸出區，給出兩個推薦施肥方案。一是單質化肥施用量方案。按照作物氮磷鉀基追比分別計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。依據施肥總量和配方肥的氮磷鉀比，計算出配方肥的施用量，再由單質的氮磷鉀肥調劑施用量，確保氮磷鉀的施肥總量和基追肥的施用量。

（4）鎖定非錄入區單元格。建立好以上三個區域后，對非錄入區進行加密鎖定，使其不能被修改和刪除操作，以免破壞該施肥配方系統。至此，用Excel表格建立的測土配方施肥自動計算施肥配方專家系統建成。

圖1 在Excel上建立推薦施肥專家系統技術流程圖

3.2 在智能手機上建立推薦施肥專家系統

現在智能手機已得到了較大范圍的普及，而且大部分智能手機采用的是開放性的安卓操作系統，并且帶有GPS定位裝置以及隨時上網的功能。將以上施肥專家系統做成安卓系統的應用程序，安裝在智能手機上，利用GPS定位和互聯網技術，實現實時定位、自動調取互聯網服務器上所定位地點的土壤養分測試數據，即時計算施肥配方，便可隨時隨地根據各地土壤測試結果以及作物目標產量制定施肥配方，指導農民科學施肥。

3.2.1 建立與GPS相關聯的土壤養分數據庫

采用近幾年測土配方施肥項目的數據，從中提?。亨l、村地點，GPS定位的經緯度，各個采樣點土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、有機質等測試值，以及其他相關數據，建立測土配方施肥專用數據庫，并與互聯網相關聯，用于智能手機定位后自動獲取。

3.2.2 編制安卓操作系統智能手機程序

將Excel表格的數學模型和計算過程，由程序員編程轉置到安卓操作系統中，開發成手機專用軟件。該程序具有多項功能：一是可以由GPS定位后通過互聯網自動獲取最近的5個測土點土壤養分數據計算施肥配方；二是可以自行錄入已知地塊土壤養分測試值計算；三是可以采用行政區域地名選定配方區域的村，從服務器獲得該村的土壤養分測試值計算。這樣可以滿足不同的應用需求。

圖2 在智能手機上建立推薦施肥專家系統技術流程圖

3.3 手機推薦施肥專家系統的使用

3.3.1 主要功能

（1）通過GPS實時獲取所在位置土壤測試結果，也可通過地名檢索獲取所需地點村的測試結果，還可直接輸入某丘塊的土壤檢測結果計算施肥方案。

（2）依據土壤肥力狀況估算所在位置主要農作物的目標產量。

（3）依據土壤測試結果和作物目標產量計算最佳施肥量及氮磷鉀施肥比例；推薦兩個最佳施肥方案：一是單質肥施肥方案，二是配方肥施肥方案。

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

（5）自動生成施肥方案的短信，發送到有需求的農戶手機，為沒有智能手機的農戶服務。

（6）可直接查詢作物的施肥指導意見，查詢配方肥生產企業聯系生產專用配方肥。

3.3.2 推廣應用

該手機軟件屬全國首創，它將繁瑣的施肥方案計算得以簡化，使測土配方施肥技術應用更加方便，是農業技術推廣的一種新方式，適用性更廣。一是用于基層農技員實時指導農戶科學施肥；二是用于種糧大戶、農業生產專業合作社、農業產業化龍頭企業及廣大農戶自主制定施肥配方；三是用于肥料生產企業制定配方肥配方；四是用于小型智能配肥控制系統依據GPS定位制定施肥方案。

3.3.3 安卓手機推薦施肥專家系統軟件下載

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

湖南省農業信息中心下載地址：

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

軟件免費下載，免費使用，安裝后注意更新。

4 小結

為了便于農作物測土配方施肥技術參數和數學模型的應用，將建立的配方施肥數學模型置入Excel表格中，利用其強大的計算功能，建立了“湖南省主要農作物測土配方施肥專家系統”，簡化了數學模型的計算過程，使施肥配方制定更加簡便。利用智能手機的GPS和網絡連接技術，開發安卓系統的測土配方施肥專家系統軟件，能成功的實時定位和獲取土壤養分數值，可隨時隨地依據土壤檢測數據、農作物目標產量進行精準計算施肥配方，使實施了多年的測土配方施肥技術成果能夠簡便的推廣和應用。目前智能手機普及率較高，在農業技術員、農業生產大戶和肥料經銷商的手機上安裝該系統，可方便的指導農民科學施肥、及時的服務農業生產、精確的按配方供肥，從而進一步提高了施肥精確度、提高了肥料利用率、增加了效益，具有廣泛的應用前景。

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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，湖南耒陽市人，研究員，從事農業技術研究及推廣，Email：nyj2003＠sina.com。

湖南省測土配方施肥項目。