基于變量施肥理論和B/S架構的土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(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施肥專家系統(tǒng)V1.0是一款基于B/S架構的應用軟件。軟件以變量施肥理論為基礎，目標產量法和養(yǎng)分平衡法為算法核心，作物養(yǎng)分需求為計算依據(jù);以水稻、甘蔗、花生、馬鈴薯等為目標作物，計算出達到目標產量的養(yǎng)分需求量，軟件通過土壤理化分析數(shù)據(jù)計算土壤供肥能力大小;依托網絡服務器運算能力，計算人工選擇肥料種類的施肥量和施肥成本。文章從軟件構建、開發(fā)環(huán)境、軟件功能、操作流程等方面進行介紹和說明，為科學施肥和本軟件推廣應用提供技術支撐。

【關鍵詞】變量施肥;B/S架構;科學施肥;Web應用軟件;開發(fā)

【中圖分類號】TP319 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）12-0072-04

0 引言

目前，我國農業(yè)化肥施用多停留在經驗施肥的水平[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國的化肥施用量已經達到434.6 kg/hm2[2，3]，遠遠超出發(fā)達國家為防止化肥對水體造成面源污染設定的225 kg/hm2的安全上限，是國際標準的1.93倍[4];化肥利用率僅為30%～40%，化肥的增產作用并未完全發(fā)揮并造成資源浪費和農業(yè)面源污染源[5，6]。因此，實行科學的變量施肥是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要措施和亟待解決的技術問題。

施肥量與土壤條件、作物需肥特點、自然環(huán)境條件和肥料品種等密切相關[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雜關系對非專業(yè)人員而言較難掌握。土壤供肥能力大小需要通過公認且成熟的計算模型進行運算，計算煩瑣且工作量大，人工計算需要深厚的理論基礎;同時在復雜計算條件下，人工計算很難保證結果的準確性。隨著計算機和網絡技術在農業(yè)上的廣泛應用，為減輕工作量、提高工作效率和確保運算結果準確性，將變量施肥理論與互聯(lián)網軟件技術相結合，研發(fā)出一款土壤供肥能力和作物科學施肥的軟件，即作物科學施肥專家系統(tǒng)，成為科學施肥應用研究的一個熱點。

互聯(lián)網時代的顯著特征是將硬件、軟件資源匯聚于網絡，實現(xiàn)資源共享，數(shù)據(jù)服務通過WebService完成，客戶的各類型終端（電腦、智能手機等）成為連接網絡的末梢節(jié)點[8]。計算機軟件開發(fā)技術應緊跟互聯(lián)網發(fā)展步伐，以創(chuàng)新化、智能化為發(fā)展方向，以社會需求和客戶體驗為發(fā)展重點[9-11]。土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V1.0是將變量施肥理論與互聯(lián)網軟件技術相結合，構建理論計算模型，開發(fā)符合互聯(lián)網時代軟件特點和要求的計算機軟件。

1 軟件介紹

1.1 整體架構與開發(fā)工具

目前應用程序軟件主要有客戶機/服務器（Client/Server，C/S）和瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）兩種模式[12，13]。C/S類程序一般是獨立運行的桌面軟件，而B/S類程序一般是借助網頁瀏覽器來運行Web應用軟件[14-16]。Web應用程序的優(yōu)勢在于，依托網絡服務器強大的運算能力，用戶只需通過網頁瀏覽器即可直接訪問應用程序，運行時占用內存少，不產生程序安裝環(huán)節(jié)，避免了程序安裝過程可能存在不可預測問題的缺陷。土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V1.0就是采用B/S架構的Web應用程序，其整體架構關系如圖1所示。

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

1.2 軟件功能

依據(jù)軟件設計要求，土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V1.0主要有4項功能（見表1）。

1.3 計算模型

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

1.3.1 計算模型1：土壤供肥能力計算模型

土壤供肥能力以土壤速效養(yǎng)分指標為運算依據(jù)，以土壤供肥能力經驗計算公式為基礎[17-19]，依據(jù)計算公式（1）進行計算：

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量的相關性，一般采用0.55[17]。

1.3.2 計算模型2：作物目標產量養(yǎng)分需求量計算模型

根據(jù)各種作物單位質量經濟產量吸收的養(yǎng)分量數(shù)據(jù)值[20，21]，依據(jù)計算公式（2）進行計算：

1.3.3 計算模型3：肥料施用量計算模型

根據(jù)作物目標產量養(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)分含量和肥料當季利用率計算肥料施用量[22-24]，依據(jù)計算公式（3）進行計算：

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，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施肥專家系統(tǒng)V1.0作為一款Web應用軟件，通過網頁瀏覽器打開軟件所在網址即可訪問并使用本軟件。軟件主要由首頁、系統(tǒng)運算、系統(tǒng)介紹和成果展示4個功能頁面（如圖2所示）組成。

軟件設置了認證和登錄界面（如圖3所示），使用者需要經過軟件管理員確認授權后，方能登錄系統(tǒng)并使用本軟件。

2 操作流程

點擊軟件“進入系統(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種作物進行相關肥料運算，并依據(jù)選擇作物的需肥規(guī)律設定合理的作物目標產量，計算達到目標產量的養(yǎng)分需求量。步驟2：通過土壤相關理化數(shù)據(jù)，獲得土壤供肥能力數(shù)據(jù)。步驟3：目標產量的養(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算。人工選擇單質化肥種類，因為不同肥料在不同生產廠家的原料來源、生產工藝、銷售途徑和成本管理的差異，軟件設置人工輸入肥料養(yǎng)分含量和單價，依據(jù)人工施用養(yǎng)分量計算出各肥料的施用量和施肥成本。

3 結語

目前國內相關研究機構開發(fā)研制推薦施肥系統(tǒng)，如北京中農博思科技發(fā)展有限公司開發(fā)的農博士肥料配方軟件[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，軟件結構和內容基本固定，數(shù)據(jù)更新和內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施肥專家系統(tǒng)V1.0基于B/S架構的Web應用軟件，具有免安裝、易維護和共享性強、數(shù)據(jù)計算結果準確可靠等特色。只要通過網頁瀏覽器，即可訪問并使用本軟件，面向的范圍更廣。該軟件共享性強，只需通過軟件管理員審核通過，即可隨時使用。軟件維護簡單，更新頁面即可實現(xiàn)面向所有用戶的更新。軟件開發(fā)者通過扎實的土壤肥料理論學習和計算模型優(yōu)化，對軟件涉及的4個理論計算模型進行反復比較和人工計算，保證了軟件運算結果的準確性和可靠性。

土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V1.0界面友好，減少使用者對軟件的理解時間，達到一看即會操作的目的。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的提示，避免出現(xiàn)不必要的失誤，所有運算過程集中顯示，全部分析模塊用分類形式集中在同一界面顯示。對軟件開發(fā)中存在的不足，研究人員將在后續(xù)版本進行修改和完善。本軟件已經獲得國家計算機軟件著作權登記證書（登記號：2019SR1230779）。

本專家系統(tǒng)以變量施肥理論為基礎，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)自動給出合理的施肥量和施肥成本，從而達到合理施肥、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)網技術快速發(fā)展的時代，農業(yè)技術員、農業(yè)種植大戶和肥料經銷商均能利用移動網絡終端方便使用本軟件，指導科學施肥、及時服務農業(yè)生產，從而進一步提高施肥精確度和肥料有效利用率，增加農業(yè)經濟效益。土壤供肥能力與作物科學施肥專家系統(tǒng)V1.0具有廣泛的應用前景，助力農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參 考 文 獻

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