主要農(nóng)作物推薦施肥手機專家系統(tǒng)開發(fā)應用研究

1、主要農(nóng)作物推薦施肥智能手機專家系統(tǒng)開發(fā)應用研究陳小虎1，蔣佐升2，黃鐵平3，王 磊4，蔡冬華1（1 耒陽市農(nóng)業(yè)局，湖南耒陽421800; 2湖南省農(nóng)業(yè)信息中心，長沙410005; 3湖南省農(nóng)業(yè)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）摘 要：匯總湖南省主要農(nóng)作物“3414”肥效試驗結(jié)果，分析建立作物施肥量與土壤養(yǎng)分含量以及作物產(chǎn)量之間的數(shù)學模型，將數(shù)學模型置于Excel或智能手機之中，開發(fā)了湖南省主要農(nóng)作物推薦施肥智能手機專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了施肥數(shù)學模型與測土數(shù)據(jù)的無縫對接。利用智能手機的GPS定位和上網(wǎng)功能，通過手機定位后從服務器自動獲取和查詢地塊采樣

2、點土壤養(yǎng)分檢測結(jié)果，計算出所在地主要農(nóng)作物的最佳施肥量、單質(zhì)肥和配方肥的施肥方案、配方肥配方比例，直接應用到農(nóng)戶，或自動生成施肥方案短信，發(fā)送給農(nóng)戶指導施肥。該系統(tǒng)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(nóng)民合理施肥技術掌握在方寸之間。關鍵詞：農(nóng)作物；施肥；專家系統(tǒng)；手機軟件；數(shù)學模型；GPS定位隨著計算機技術和移動通信技術的迅猛發(fā)展，作為移動通信終端的手機已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ髦胁豢扇鄙俚耐ㄐ殴ぞ?，特別是智能手機的出現(xiàn)，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(tǒng)，可以根據(jù)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。

3、基于智能手機開發(fā)農(nóng)業(yè)應用軟件也在不斷興起。李素若等2運用智能手機通過Web Service提供數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)對土壤信息和施肥決策的在線和本地查詢；趙東等3利用J2ME與J2EE技術實現(xiàn)手機與計算機系統(tǒng)的通信，可使農(nóng)戶通過手機上網(wǎng)訪問服務器端的玉米施肥專家系統(tǒng)，查詢農(nóng)田的精準施肥量；王斌等4通過多年多點的大田玉米缺素試驗、耕層土壤網(wǎng)格取樣的養(yǎng)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(wǎng)功能查詢土壤信息，采用土壤養(yǎng)分豐缺指標法制定施肥決策，實現(xiàn)了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(jīng)10年。為了充分利用測土配方施肥項目獲

4、得的土壤技術數(shù)據(jù)，筆者采用大量的農(nóng)作物“3414”肥效試驗數(shù)據(jù)建立施肥數(shù)學模型，通過開發(fā)出基于Excel和安卓智能手機的推薦施肥專家系統(tǒng)，利用手機GPS定位和Web服務器提供數(shù)據(jù)服務技術，實現(xiàn)智能手機土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源采用2 000多個湖南省主要農(nóng)作物“3414”肥效試驗結(jié)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(yǎng)分校正系數(shù)、農(nóng)

5、作物產(chǎn)量對土壤依存率、百公斤經(jīng)濟產(chǎn)量吸收量、最佳經(jīng)濟施肥量等施肥技術參數(shù)，并應用“DPS”、“Excel”等統(tǒng)計分析工具分別建立各個技術參數(shù)與土壤速效養(yǎng)分的最佳數(shù)學模型。1.2 系統(tǒng)建立原理及方法依據(jù)“斯坦?！钡哪繕水a(chǎn)量養(yǎng)分平衡法計算施肥量原理1，通過建立作物目標產(chǎn)量、土壤速效養(yǎng)分和施肥量三者的關系式，實現(xiàn)在不同的作物目標產(chǎn)量和不同的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)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(yǎng)分施用純量W（kg/ hm2）（UNs）/ RU：每季作物需要吸收的總養(yǎng)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

6、肥量數(shù)學模型2.1作物需肥量U的計算每季作物需要吸收的總養(yǎng)分U（kg/hm2）目標產(chǎn)量×作物形成單位經(jīng)濟產(chǎn)量所需的養(yǎng)分量（養(yǎng)分系數(shù)）；2.2 土壤的供肥量Ns的分析與計算在斯坦福公式中，土壤養(yǎng)分供應量Ns（kg/hm2）土壤測試值×2.25×有效養(yǎng)分校正系數(shù)C(%)，是用耕層土壤的養(yǎng)分含量絕對值乘以土壤養(yǎng)分利用系數(shù)來估算的，但是，由于土壤具有緩沖性能，土壤有效養(yǎng)分是一個動態(tài)的變化值，需要通過田間試驗來獲得土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)加以換算，而土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)變化范圍較大、穩(wěn)定性差，它隨土壤養(yǎng)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(yǎng)分校正系數(shù)的取值

7、。土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)C(%)（缺素區(qū)作物地上部分吸收該元素量(kg/hm2) /土壤養(yǎng)分供應量(kg/hm2)×100%；對全省的“3414”試驗結(jié)果分析表明，土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)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(yǎng)分校正系數(shù)為依變量y，進行回歸分析篩選出最佳數(shù)學模型多數(shù)為雙曲線模型6，部分為負指數(shù)數(shù)學模型，且均達到極顯著水平7，說明對土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)的擬合程度較高，可用以計算土壤速效養(yǎng)分含量所對應的有效養(yǎng)分校正系數(shù)C(%)。表1 主要農(nóng)作物土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)相關性分析匯總表作物名稱樣本數(shù)分析內(nèi)

8、容土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)與土壤速效養(yǎng)分含量的相關性堿解氮有效磷速效鉀早稻608相關系數(shù)-0.7132 -0.7696 -0.8253 數(shù)學模型y=0.071560+40.1181/x y=0.194008+19.8693/x y=0.119190+61.6960/x 中稻789相關系數(shù)-0.8112 -0.7848 -0.8374 數(shù)學模型y=0.057685+52.1692/x y=0.183132+26.2684/x y=0.104542+69.7843/x 晚稻565相關系數(shù)-0.7721 -0.7810 -0.8136 數(shù)學模型y=0.034626+46.9343/x y=0.17488

9、1+22.3598/x y=0.107343+61.4375/x 玉米209相關系數(shù)-0.7738 -0.7313 -0.7806 數(shù)學模型y=0.149101+50.0843/x y=0.341796+21.2040/x y=0.152546+58.4224/x 紅薯22相關系數(shù)-0.5053 -0.8289 -0.7025 數(shù)學模型y=0.124275+24.1562/x y=0.454171+15.0224/x y=0.40025*EXP(50.3085/x) 油菜125相關系數(shù)-0.6403 -0.6635 -0.6718 數(shù)學模型y=0.055692+32.2605/x y=0.50

10、4565+12.4356/x y=0.088466+24.6949/x 棉花111相關系數(shù)-0.7557 -0.7553 -0.7435 數(shù)學模型y=0.090133+78.4013/x y=0.374032+29.7884/x y=0.046469+55.0829/x 烤煙30相關系數(shù)-0.7083 -0.7886 -0.8675 數(shù)學模型y=0.007195+28.2391/x y=3.9933*x-0.73071y=13.7068*x-0.748375 2.3 建立施肥量數(shù)學模型2.3.1 建立作物養(yǎng)分吸收量數(shù)組。根據(jù)作物實際產(chǎn)量情況，目標產(chǎn)量從低到高，每150 kg/hm2一個等級，共

11、設置11個不同目標產(chǎn)量等級，按照作物的養(yǎng)分系數(shù)分別計算出每個產(chǎn)量等級氮磷鉀養(yǎng)分的吸收量（表2）。2.3.2 建立土壤供肥量數(shù)組。根據(jù)湖南省土壤養(yǎng)分檢測結(jié)果的范圍，堿解氮選擇50390 mg/kg 范圍，每隔10 mg/kg為一個等級，有效磷選擇337 mg/kg 范圍，每隔1 mg/kg為一個等級，速效鉀選擇20360 mg/kg 范圍，每隔10 mg/kg為一個等級，每個養(yǎng)分都有35個不同的肥力等級；應用土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)的數(shù)學模型分別計算出每個土樣養(yǎng)分等級所對應的有效養(yǎng)分校正系數(shù)，依據(jù)土壤供肥量Ns（kg/hm2）土壤測試值×2.25×有效養(yǎng)分校正系數(shù)公式計算出土壤實

12、際供肥量。表2 早稻N施用量計算及建模數(shù)據(jù)組表（單位：mg/kg，kg/hm2）目標產(chǎn)量(X1)目標產(chǎn)量吸收量(U)土壤堿解氮含量(X2)模型估算有效養(yǎng)分校正系數(shù)（C)土壤供肥量(Ns)施肥補充純量(F)需要補充最低純量L（20%）當季利用率R(%)實際施肥純量Y(W)6000140.45087.39%98.3 42.1 92.9 30.21%139.3 6900161.55087.39%98.3 63.1 106.9 30.21%209.0 6074.02%99.9 61.5 106.9 30.21%203.7 17030.75%117.6 43.8 106.9 30.21%145.1 39

13、017.44%153.1 8.4 106.9 30.21%106.9 7500175.539017.44%153.1 22.4 116.2 30.21%116.2 注：P2O5，K2O的施用量計算數(shù)組表格式同此表。2.3.3 計算不同目標產(chǎn)量、不同土壤養(yǎng)分水平下的施肥量數(shù)組。按照斯坦福施肥公式施肥量W（UNs）/ R，分別計算出11個目標產(chǎn)量下的35個土壤養(yǎng)分等級的施肥量。2.3.4建立不同目標產(chǎn)量、不同土壤養(yǎng)分水平下的施肥量數(shù)學模型。取目標產(chǎn)量（X1）、土壤養(yǎng)分測試值（X2）為自變量，施肥純量W（Y）為依變量，建立推薦施肥的二元一次回歸模型。3 系統(tǒng)實現(xiàn)與使用3.1在Excel表格建立推薦施

14、肥專家系統(tǒng)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(nèi)分別建立數(shù)據(jù)錄入?yún)^(qū)、施肥純量輸出區(qū)和施肥方案區(qū)三個部分。3.1.1 數(shù)據(jù)錄入?yún)^(qū)。用于錄入目標產(chǎn)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。3.1.2 計算結(jié)果輸出區(qū)。施肥純量估算區(qū)：在此區(qū)格內(nèi)分別置入的是推薦施肥的二元一次回歸模型，并與錄入的目標產(chǎn)量和速效氮磷鉀測試值進行關聯(lián)計算，輸出氮磷鉀施用純量值，以及施用的氮磷鉀比例。3.1.3 施肥方案輸出區(qū)：為肥料實物施用量輸出區(qū)，給出兩個推薦施肥方案，一是單質(zhì)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

15、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(jù)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(zhì)的氮磷鉀肥調(diào)劑施用量，確保氮磷鉀的施肥總量和基追比的施用量。3.1.4 鎖定非錄入?yún)^(qū)單元格。建立好以上三個區(qū)域后，對非錄入?yún)^(qū)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(tǒng)。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(tǒng)建成。2.大田取樣檢測土壤養(yǎng)分含量1.作物田間肥效試驗匯總整理分析試驗數(shù)據(jù)（1）獲得配方施肥技術參數(shù)（化肥利用率、百公斤氮磷鉀吸收量，土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)，最佳施肥量及氮磷鉀比）。（2）建立土壤養(yǎng)分含量與校正

16、系數(shù)的數(shù)學模型（3）建立土壤養(yǎng)分含量與目標產(chǎn)量的數(shù)學模型計算不同土壤養(yǎng)分、不同目標產(chǎn)量與施肥量的數(shù)組并建立其相關數(shù)學模型調(diào)查前三年作物平均畝產(chǎn)3.建立基于Excel表格的測土配方推薦施肥專家系統(tǒng)（1）計算出該作物氮磷鉀最佳施用純量及比例（2）估算該田塊土壤肥力下的目標產(chǎn)量（3）計算出兩個施肥方案：單質(zhì)肥施肥方案；配方肥施肥方案（4）計算出總含量在25%50%配方肥的最佳配方4.在系統(tǒng)中錄入土壤養(yǎng)分化驗數(shù)據(jù)及作物的目標產(chǎn)量，輸出計算4個結(jié)果供技術員掌握施肥總量和確定目標產(chǎn)量參考5.指導農(nóng)戶科學施肥供大戶或配方肥生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)專用配方肥之用圖1 在Excel上建立推薦施肥專家系統(tǒng)技術流程圖3.2 在

17、智能手機上建立推薦施肥專家系統(tǒng)現(xiàn)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(tǒng)，并且?guī)в蠫PS定位裝置以及隨時上網(wǎng)的功能，將以上施肥專家系統(tǒng)做成安卓系統(tǒng)的應用程序，安裝在智能手機上，利用GPS定位和互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)實時定位、自動調(diào)取互聯(lián)網(wǎng)服務器上所定位地點的土壤養(yǎng)分測試數(shù)據(jù)，即時進行計算施肥配方，便可于隨時隨地根據(jù)各地土壤測試結(jié)果以及作物目標產(chǎn)量制定施肥配方，指導農(nóng)民科學施肥。3.2.1 建立與GPS相關聯(lián)的土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)庫采用近幾年測土配方施肥項目的數(shù)據(jù)，從中提取：鄉(xiāng)、村地點，GPS定位的經(jīng)緯度，各個采樣點土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、有機質(zhì)等測試值，以

18、及其他相關數(shù)據(jù)，建立測土配方施肥專用數(shù)據(jù)庫，并與互聯(lián)網(wǎng)相關聯(lián)，用于智能手機定位后自動獲取。3.2.2 編制安卓操作系統(tǒng)智能手機程序?qū)xcel表格的數(shù)學模型和計算過程，由程序員編程轉(zhuǎn)置到安卓操作系統(tǒng)中，開發(fā)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(lián)網(wǎng)自動獲取最近的5個測土點土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行計算施肥配方；二是可以自行錄入已知地塊土壤養(yǎng)分測試值計算；三是可以采用行政區(qū)域地名選定配方區(qū)域的村，從服務器獲得該村的土壤養(yǎng)分測試值計算。這樣可以滿足不同的應用需求。2.Excel測土配方推薦施肥專家系統(tǒng)1.建立土壤養(yǎng)分檢測數(shù)據(jù)庫（包括GPS定位數(shù)據(jù)的測土數(shù)據(jù)），供手機專家系統(tǒng)調(diào)用開發(fā)

19、安卓系統(tǒng)智能手機軟件安裝到智能手機，形成測土配方施肥手機專家系統(tǒng)（1）GPS定位自動獲取測土數(shù)據(jù)（2） 按地名查詢獲取測土數(shù)據(jù)（3）手工錄入測土數(shù) 據(jù)互聯(lián)網(wǎng)自動獲取測土數(shù)據(jù)3.在系統(tǒng)中獲取或錄入土壤養(yǎng)分化驗數(shù)據(jù)及作物的目標產(chǎn)量，輸出計算7個結(jié)果（1）依據(jù)土壤養(yǎng)分估算目標產(chǎn)量（2）氮磷鉀最佳施用純量及比例（3）單質(zhì)肥最佳施肥方案（4）配方肥最佳施肥方案（5）計算任意總含量配方肥的最佳配方（7）查詢施肥指導意見自動生成施肥方案短信，發(fā)送到農(nóng)戶手中4.指導農(nóng)戶實施科學施肥（6）查詢生產(chǎn)企業(yè)購買配方肥供技術員掌握施肥總量和確定目標產(chǎn)量參考圖2 在智能手機上建立推薦施肥專家系統(tǒng)技術流程圖3.3 手機推薦

20、施肥專家系統(tǒng)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(jié)果，也可通過地名檢索獲取所需地點村的測試結(jié)果，還可直接輸入某丘塊的土壤檢測結(jié)果計算施肥方案。（2）依據(jù)土壤肥力狀況估算所在位置主要農(nóng)作物的目標產(chǎn)量。 （3）依據(jù)土壤測試結(jié)果和作物目標產(chǎn)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(zhì)肥施肥方案，二是配方肥施肥方案。 （4）依據(jù)土壤肥力和目標產(chǎn)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(yè)提供生產(chǎn)配方肥最佳比例。（5）自動生成施肥方案的短信，發(fā)送到有需求的農(nóng)戶手機，為沒有智能手機的農(nóng)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(chǎn)企

21、業(yè)聯(lián)系生產(chǎn)專用配方肥。3.3.2 推廣應用該手機軟件屬全國首創(chuàng)，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(nóng)業(yè)技術推廣的一種新方式，適用性更廣。一是用于基層農(nóng)技員實時指導農(nóng)戶科學施肥；二是用于種糧大戶、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專業(yè)合作社、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)及廣大農(nóng)戶自主制定施肥配方；三是用于肥料生產(chǎn)企業(yè)制定配方肥配方；四是用于小型智能配肥控制系統(tǒng)依據(jù)GPS定位制定施肥方案。3.3.3 安卓手機推薦施肥專家系統(tǒng)軟件下載地址湖南省農(nóng)業(yè)信息中心下載地址：西安田間道軟件有限公司下載地址： 可用手機掃描右邊的二維碼獲取下載地址，軟件免費下載，免費使用，安裝后注意更新。4 小結(jié)為了便于農(nóng)作物測土配方施肥技術參數(shù)和數(shù)學模型的應用，將建立的配方施肥數(shù)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(nóng)作物測土配方施肥專家系統(tǒng)”，簡化了數(shù)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(wǎng)絡連接技術，開發(fā)安卓系統(tǒng)的測土配方施肥專家系統(tǒng)軟件，能成功的實時定位和獲取土壤養(yǎng)分數(shù)值，可隨時隨地的依據(jù)土壤檢測數(shù)據(jù)、農(nóng)作物目標產(chǎn)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(nóng)業(yè)技術員、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大戶和肥料經(jīng)銷商的手機上安裝該系統(tǒng)，可方便的指導農(nóng)民科學施肥、及時的服務