基于變量施肥理論和B/S架構(gòu)的土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0軟件的研發(fā)

劉宇鋒 李承夏

【摘 要】土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0是一款基于B/S架構(gòu)的應(yīng)用軟件。軟件以變量施肥理論為基礎(chǔ)，目標(biāo)產(chǎn)量法和養(yǎng)分平衡法為算法核心，作物養(yǎng)分需求為計(jì)算依據(jù);以水稻、甘蔗、花生、馬鈴薯等為目標(biāo)作物，計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量，軟件通過土壤理化分析數(shù)據(jù)計(jì)算土壤供肥能力大小;依托網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運(yùn)算能力，計(jì)算人工選擇肥料種類的施肥量和施肥成本。文章從軟件構(gòu)建、開發(fā)環(huán)境、軟件功能、操作流程等方面進(jìn)行介紹和說明，為科學(xué)施肥和本軟件推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】變量施肥;B/S架構(gòu);科學(xué)施肥;Web應(yīng)用軟件;開發(fā)

【中圖分類號(hào)】TP319 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）12-0072-04

0 引言

目前，我國農(nóng)業(yè)化肥施用多停留在經(jīng)驗(yàn)施肥的水平[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的化肥施用量已經(jīng)達(dá)到434.6 kg/hm2[2，3]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)達(dá)國家為防止化肥對(duì)水體造成面源污染設(shè)定的225 kg/hm2的安全上限，是國際標(biāo)準(zhǔn)的1.93倍[4];化肥利用率僅為30%～40%，化肥的增產(chǎn)作用并未完全發(fā)揮并造成資源浪費(fèi)和農(nóng)業(yè)面源污染源[5，6]。因此，實(shí)行科學(xué)的變量施肥是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要措施和亟待解決的技術(shù)問題。

施肥量與土壤條件、作物需肥特點(diǎn)、自然環(huán)境條件和肥料品種等密切相關(guān)[7]。不同作物的吸收養(yǎng)分總量和養(yǎng)分比例不同，需要了解種植作物的需肥規(guī)律;不同地區(qū)的自然條件（如氣候、地貌、土壤肥力水平）和耕作習(xí)慣不同，施肥參數(shù)也不盡相同。施肥量與土壤條件、不同作物需肥規(guī)律、自然環(huán)境條件和肥料品種之間的復(fù)雜關(guān)系對(duì)非專業(yè)人員而言較難掌握。土壤供肥能力大小需要通過公認(rèn)且成熟的計(jì)算模型進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算煩瑣且工作量大，人工計(jì)算需要深厚的理論基礎(chǔ);同時(shí)在復(fù)雜計(jì)算條件下，人工計(jì)算很難保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的廣泛應(yīng)用，為減輕工作量、提高工作效率和確保運(yùn)算結(jié)果準(zhǔn)確性，將變量施肥理論與互聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)出一款土壤供肥能力和作物科學(xué)施肥的軟件，即作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)，成為科學(xué)施肥應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的顯著特征是將硬件、軟件資源匯聚于網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享，數(shù)據(jù)服務(wù)通過WebService完成，客戶的各類型終端（電腦、智能手機(jī)等）成為連接網(wǎng)絡(luò)的末梢節(jié)點(diǎn)[8]。計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)應(yīng)緊跟互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展步伐，以創(chuàng)新化、智能化為發(fā)展方向，以社會(huì)需求和客戶體驗(yàn)為發(fā)展重點(diǎn)[9-11]。土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0是將變量施肥理論與互聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建理論計(jì)算模型，開發(fā)符合互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代軟件特點(diǎn)和要求的計(jì)算機(jī)軟件。

1 軟件介紹

1.1 整體架構(gòu)與開發(fā)工具

目前應(yīng)用程序軟件主要有客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S）和瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）兩種模式[12，13]。C/S類程序一般是獨(dú)立運(yùn)行的桌面軟件，而B/S類程序一般是借助網(wǎng)頁瀏覽器來運(yùn)行Web應(yīng)用軟件[14-16]。Web應(yīng)用程序的優(yōu)勢在于，依托網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器強(qiáng)大的運(yùn)算能力，用戶只需通過網(wǎng)頁瀏覽器即可直接訪問應(yīng)用程序，運(yùn)行時(shí)占用內(nèi)存少，不產(chǎn)生程序安裝環(huán)節(jié)，避免了程序安裝過程可能存在不可預(yù)測問題的缺陷。土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0就是采用B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序，其整體架構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0采用ASPV3.0、HTMLV5.0等編程語言進(jìn)行編寫。

1.2 軟件功能

依據(jù)軟件設(shè)計(jì)要求，土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0主要有4項(xiàng)功能（見表1）。

1.3 計(jì)算模型

本軟件主要涉及土壤供肥能力計(jì)算模型、作物目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分需求量計(jì)算模型、肥料施用量計(jì)算模型3種計(jì)算模型。

1.3.1 計(jì)算模型1：土壤供肥能力計(jì)算模型

土壤供肥能力以土壤速效養(yǎng)分指標(biāo)為運(yùn)算依據(jù)，以土壤供肥能力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為基礎(chǔ)[17-19]，依據(jù)計(jì)算公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

土壤供肥量=土壤速效養(yǎng)分含量分析×0.15×土壤養(yǎng)分校正系數(shù)（1）

公式（1）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[17]。

1.3.2 計(jì)算模型2：作物目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分需求量計(jì)算模型

根據(jù)各種作物單位質(zhì)量經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量吸收的養(yǎng)分量數(shù)據(jù)值[20，21]，依據(jù)計(jì)算公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

1.3.3 計(jì)算模型3：肥料施用量計(jì)算模型

根據(jù)作物目標(biāo)產(chǎn)量養(yǎng)分需求量與土壤供肥量之差為人工施肥量，通過肥料養(yǎng)分含量和肥料當(dāng)季利用率計(jì)算肥料施用量[22-24]，依據(jù)計(jì)算公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

本軟件中花生作為豆科作物具有一定的固氮作用，施用氮肥時(shí)，需要考慮自身固氮能力的大小和比例。

1.4 界面說明

土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0作為一款Web應(yīng)用軟件，通過網(wǎng)頁瀏覽器打開軟件所在網(wǎng)址即可訪問并使用本軟件。軟件主要由首頁、系統(tǒng)運(yùn)算、系統(tǒng)介紹和成果展示4個(gè)功能頁面（如圖2所示）組成。

軟件設(shè)置了認(rèn)證和登錄界面（如圖3所示），使用者需要經(jīng)過軟件管理員確認(rèn)授權(quán)后，方能登錄系統(tǒng)并使用本軟件。

2 操作流程

點(diǎn)擊軟件“進(jìn)入系統(tǒng)模塊”后，軟件的具體操作流程如圖4所示。步驟1：選擇甘蔗、水稻、玉米、花生和馬鈴薯5種作物進(jìn)行相關(guān)肥料運(yùn)算，并依據(jù)選擇作物的需肥規(guī)律設(shè)定合理的作物目標(biāo)產(chǎn)量，計(jì)算達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量。步驟2：通過土壤相關(guān)理化數(shù)據(jù)，獲得土壤供肥能力數(shù)據(jù)。步驟3：目標(biāo)產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量與土壤供肥量的差值，即為人工養(yǎng)分施入量。步驟4：作物施肥量和施肥成本計(jì)算。人工選擇單質(zhì)化肥種類，因?yàn)椴煌柿显诓煌a(chǎn)廠家的原料來源、生產(chǎn)工藝、銷售途徑和成本管理的差異，軟件設(shè)置人工輸入肥料養(yǎng)分含量和單價(jià)，依據(jù)人工施用養(yǎng)分量計(jì)算出各肥料的施用量和施肥成本。

3 結(jié)語

目前國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開發(fā)研制推薦施肥系統(tǒng)，如北京中農(nóng)博思科技發(fā)展有限公司開發(fā)的農(nóng)博士肥料配方軟件[24]、廣西測土配方施肥決策系統(tǒng)[21]、云南雙柏縣測土配方施肥專家系統(tǒng)軟件[25]、三江平原測土配方施肥TRPF系統(tǒng)[26]等，部分屬于需要安裝包的桌面軟件;軟件研發(fā)完成后，軟件結(jié)構(gòu)和內(nèi)容基本固定，數(shù)據(jù)更新和內(nèi)容修改完善較為困難，適用性欠佳。而土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0基于B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用軟件，具有免安裝、易維護(hù)和共享性強(qiáng)、數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠等特色。只要通過網(wǎng)頁瀏覽器，即可訪問并使用本軟件，面向的范圍更廣。該軟件共享性強(qiáng)，只需通過軟件管理員審核通過，即可隨時(shí)使用。軟件維護(hù)簡單，更新頁面即可實(shí)現(xiàn)面向所有用戶的更新。軟件開發(fā)者通過扎實(shí)的土壤肥料理論學(xué)習(xí)和計(jì)算模型優(yōu)化，對(duì)軟件涉及的4個(gè)理論計(jì)算模型進(jìn)行反復(fù)比較和人工計(jì)算，保證了軟件運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0界面友好，減少使用者對(duì)軟件的理解時(shí)間，達(dá)到一看即會(huì)操作的目的。友好的界面不僅能帶來愉悅的視覺享受，還能以簡潔的方式為使用者提供相應(yīng)的提示，避免出現(xiàn)不必要的失誤，所有運(yùn)算過程集中顯示，全部分析模塊用分類形式集中在同一界面顯示。對(duì)軟件開發(fā)中存在的不足，研究人員將在后續(xù)版本進(jìn)行修改和完善。本軟件已經(jīng)獲得國家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書（登記號(hào)：2019SR1230779）。

本專家系統(tǒng)以變量施肥理論為基礎(chǔ)，根據(jù)土壤自身肥力狀況和作物生長所需的肥力要求，由使用者自主選擇肥料種類，系統(tǒng)自動(dòng)給出合理的施肥量和施肥成本，從而達(dá)到合理施肥、培育土壤肥力、減少環(huán)境污染的目的。在智能終端普及和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，農(nóng)業(yè)技術(shù)員、農(nóng)業(yè)種植大戶和肥料經(jīng)銷商均能利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端方便使用本軟件，指導(dǎo)科學(xué)施肥、及時(shí)服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而進(jìn)一步提高施肥精確度和肥料有效利用率，增加農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。土壤供肥能力與作物科學(xué)施肥專家系統(tǒng)V1.0具有廣泛的應(yīng)用前景，助力農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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