主要农作物推荐施肥手机专家系统开发应用研究

主要农作物推荐施肥智能手机专家系统开发应用研究陈小虎1，蒋佐升2，黄铁平3，王磊4，蔡冬华1（1 耒阳市农业局，湖南耒阳421800; 2湖南省农业信息中心，长沙410005; 3湖南省农业厅土壤肥料工作站，长沙410005; 4西安田间道软件有限公司，陕西西安710000）摘要：汇总湖南省主要农作物“3414”肥效试验结果，分析建立作物施肥量与土壤养分含量以及作物产量之间的数学模型，将数学模型置于Excel或智能手机之中，开发了湖南省主要农作物推荐施肥智能手机专家系统，实现了施肥数学模型与测土数据的无缝对接。

利用智能手机的GPS定位和上网功能，通过手机定位后从服务器自动获取和查询地块采样点土壤养分检测结果，计算出所在地主要农作物的最佳施肥量、单质肥和配方肥的施肥方案、配方肥配方比例，直接应用到农户，或自动生成施肥方案短信，发送给农户指导施肥。

该系统是测土配方施肥成果应用最便捷的方法和手段之一，其操作简便，使科学配方、指导农民合理施肥技术掌握在方寸之间。

关键词：农作物；施肥；专家系统；手机软件；数学模型；GPS定位随着计算机技术和移动通信技术的迅猛发展，作为移动通信终端的手机已经成为人们日常生活、工作中不可缺少的通信工具，特别是智能手机的出现，除了具备普通手机的全部功能外，还具备开放性的操作系统，可以根据个人需要安装各类应用程序，使功能得到无限扩展，成为一款名副其实的移动PC。

基于智能手机开发农业应用软件也在不断兴起。

李素若等[2]运用智能手机通过Web Service提供数据服务，实现对土壤信息和施肥决策的在线和本地查询；赵东等[3]利用J2ME与J2EE技术实现手机与计算机系统的通信，可使农户通过手机上网访问服务器端的玉米施肥专家系统，查询农田的精准施肥量；王斌等[4]通过多年多点的大田玉米缺素试验、耕层土壤网格取样的养分测试和推荐施肥知识库的构建，建立了基于GIS的推荐施肥智能决策模型。

他们都是利用智能手机的上网功能查询土壤信息，采用土壤养分丰缺指标法制定施肥决策，实现了测土配方施肥技术在手机上的应用。

湖南省实施测土配方施肥项目已经10年。

为了充分利用测土配方施肥项目获得的土壤技术数据，笔者采用大量的农作物“3414”肥效试验数据建立施肥数学模型，通过开发出基于Excel和安卓智能手机的推荐施肥专家系统，利用手机GPS定位和Web服务器提供数据服务技术，实现智能手机土壤养分数据的自动获取、推荐施肥方案、制定配方肥最佳配方，使科学的推荐施肥更加简便可行，以利于测土配方施肥技术成果的大面积推广应用。

1 材料与方法1.1 数据来源采用2 000多个湖南省主要农作物“3414”肥效试验结果，其中早稻608个、中稻789个、晚稻565个、玉米209个、油菜125个、棉花111个、烤烟30个、红薯22个，通过汇总分析分别获得8个作物的肥料利用率、土壤有效养分校正系数、农作物产量对土壤依存率、百公斤经济产量吸收量、最佳经济施肥量等施肥技术参数，并应用“DPS”、“Excel”等统计分析工具分别建立各个技术参数与土壤速效养分的最佳数学模型。

1.2 系统建立原理及方法依据“斯坦福”的目标产量养分平衡法计算施肥量原理［1］，通过建立作物目标产量、土壤速效养分和施肥量三者的关系式，实现在不同的作物目标产量和不同的土壤碱解氮、有效磷、速效钾养分含量下，计算出最佳氮磷钾推荐施肥量。

斯坦福施肥量计算公式如下：养分施用纯量W（kg/ hm2）＝（U－Ns）/ RU：每季作物需要吸收的总养分（kg/hm2）；Ns：土壤供肥量（kg/hm2）；R：氮、磷、钾肥料当季利用率（％）；2 建立施肥量数学模型2.1作物需肥量U的计算每季作物需要吸收的总养分U（kg/hm2）＝目标产量×作物形成单位经济产量所需的养分量（养分系数）；2.2 土壤的供肥量Ns的分析与计算在斯坦福公式中，土壤养分供应量Ns（kg/hm2）＝土壤测试值×2.25×有效养分校正系数C(%)，是用耕层土壤的养分含量绝对值乘以土壤养分利用系数来估算的，但是，由于土壤具有缓冲性能，土壤有效养分是一个动态的变化值，需要通过田间试验来获得土壤有效养分校正系数加以换算，而土壤有效养分校正系数变化范围较大、稳定性差，它随土壤养分测试值的不同而变化，因此，在估算施肥量时，首先要确定土壤养分校正系数的取值。

土壤有效养分校正系数C(%)＝（缺素区作物地上部分吸收该元素量(kg/hm2) /土壤养分供应量(kg/hm2)×100%；对全省的“3414”试验结果分析表明，土壤有效养分校正系数与对应的碱解氮、有效磷、速效钾的含量呈极显著的负相关（表1）。

设土壤碱解氮、有效磷、速效钾为自变量x，对应的土壤有效养分校正系数为依变量y，进行回归分析筛选出最佳数学模型多数为双曲线模型［6］，部分为负指数数学模型，且均达到极显著水平［7］，说明对土壤有效养分校正系数的拟合程度较高，可用以计算土壤速效养分含量所对应的有效养分校正系数C(%)。

表1 主要农作物土壤有效养分校正系数相关性分析汇总表2.3 建立施肥量数学模型2.3.1 建立作物养分吸收量数组。

根据作物实际产量情况，目标产量从低到高，每150 kg/hm2一个等级，共设置11个不同目标产量等级，按照作物的养分系数分别计算出每个产量等级氮磷钾养分的吸收量（表2）。

2.3.2 建立土壤供肥量数组。

根据湖南省土壤养分检测结果的范围，碱解氮选择50～390 mg/kg 范围，每隔10 mg/kg为一个等级，有效磷选择3～37 mg/kg 范围，每隔1 mg/kg为一个等级，速效钾选择20～360 mg/kg 范围，每隔10 mg/kg为一个等级，每个养分都有35个不同的肥力等级；应用土壤有效养分校正系数的数学模型分别计算出每个土样养分等级所对应的有效养分校正系数，依据土壤供肥量Ns（kg/hm2）＝土壤测试值×2.25×有效养分校正系数公式计算出土壤实际供肥量。

表2 早稻N施用量计算及建模数据组表（单位：mg/kg，kg/hm2）目标产量(X1) 目标产量吸收量(U)土壤碱解氮含量(X2)模型估算有效养分校正系数（C)土壤供肥量(Ns)施肥补充纯量(F)需要补充最低纯量L（20%）当季利用率R(%)实际施肥纯量Y(W)6000 140.4 50 87.39% 98.3 42.1 92.9 30.21% 139.3 ………………………6900161.550 87.39% 98.3 63.1 106.9 30.21% 209.0 60 74.02% 99.9 61.5 106.9 30.21% 203.7 …………………170 30.75% 117.6 43.8 106.9 30.21% 145.1 …………………390 17.44% 153.1 8.4 106.9 30.21% 106.9………………………7500 175.5 390 17.44% 153.1 22.4 116.2 30.21% 116.2 注：P2O5，K2O的施用量计算数组表格式同此表。

2.3.3 计算不同目标产量、不同土壤养分水平下的施肥量数组。

按照斯坦福施肥公式施肥量W＝（U－Ns）/ R，分别计算出11个目标产量下的35个土壤养分等级的施肥量。

2.3.4建立不同目标产量、不同土壤养分水平下的施肥量数学模型。

取目标产量（X1）、土壤养分测试值（X2）为自变量，施肥纯量W（Y）为依变量，建立推荐施肥的二元一次回归模型。

3 系统实现与使用3.1在Excel表格建立推荐施肥专家系统将推荐施肥的二元一次回归模型置入Excel表格中，在Excel表格内分别建立数据录入区、施肥纯量输出区和施肥方案区三个部分。

3.1.1 数据录入区。

用于录入目标产量，录入土壤碱解氮、有效磷、速效钾的测试值（mg/kg），配方肥氮、磷、钾配比值等。

3.1.2 计算结果输出区。

施肥纯量估算区：在此区格内分别置入的是推荐施肥的二元一次回归模型，并与录入的目标产量和速效氮磷钾测试值进行关联计算，输出氮磷钾施用纯量值，以及施用的氮︰磷︰钾比例。

3.1.3 施肥方案输出区：为肥料实物施用量输出区，给出两个推荐施肥方案，一是单质化肥施用量方案，按照作物氮磷钾基追比分别计算基肥和追肥的施用量；基肥主要为碳铵、过磷酸钙、氯化钾（或硫酸钾），追肥为尿素和氯化钾；二是配方肥施用量方案，依据施肥总量和配方肥的氮磷钾比，计算出配方肥的施用量，再由单质的氮磷钾肥调剂施用量，确保氮磷钾的施肥总量和基追比的施用量。

3.1.4 锁定非录入区单元格。

建立好以上三个区域后，对非录入区进行加密锁定，使其不能被修改和删除操作，以免破坏该施肥配方系统。

至此，用Excel表格建立的测土配方施肥自动计算施肥配方专家系统建成。

图1 在Excel上建立推荐施肥专家系统技术流程图3.2 在智能手机上建立推荐施肥专家系统现在智能手机已得到了较大范围的普及，而且大部分智能手机采用的是开放性的安卓操作系统，并且带有GPS定位装置以及随时上网的功能，将以上施肥专家系统做成安卓系统的应用程序，安装在智能手机上，利用GPS定位和互联网技术，实现实时定位、自动调取互联网服务器上所定位地点的土壤养分测试数据，即时进行计算施肥配方，便可于随时随地根据各地土壤测试结果以及作物目标产量制定施肥配方，指导农民科学施肥。

3.2.1 建立与GPS相关联的土壤养分数据库采用近几年测土配方施肥项目的数据，从中提取：乡、村地点，GPS定位的经纬度，各个采样点土壤的碱解氮、有效磷、速效钾、pH、有机质等测试值，以及其他相关数据，建立测土配方施肥专用数据库，并与互联网相关联，用于智能手机定位后自动获取。

3.2.2 编制安卓操作系统智能手机程序将Excel表格的数学模型和计算过程，由程序员编程转置到安卓操作系统中，开发成手机专用软件。

该程序具有多项功能，一是可以由GPS 定位后通过互联网自动获取最近的5个测土点土壤养分数据进行计算施肥配方；二是可以自行录入已知地块土壤养分测试值计算；三是可以采用行政区域地名选定配方区域的村，从服务器获得该村的土壤养分测试值计算。

这样可以满足不同的应用需求。

图2 在智能手机上建立推荐施肥专家系统技术流程图3.3 手机推荐施肥专家系统的使用3.3.1 主要功能（1）通过GPS实时获取所在位置土壤测试结果，也可通过地名检索获取所需地点村的测试结果，还可直接输入某丘块的土壤检测结果计算施肥方案。

（2）依据土壤肥力状况估算所在位置主要农作物的目标产量。

（3）依据土壤测试结果和作物目标产量计算最佳施肥量及氮磷钾施肥比例；推荐两个最佳施肥方案，一是单质肥施肥方案，二是配方肥施肥方案。