張懷志,黃紹文※,冀宏杰,唐繼偉,李若楠,袁 碩
(1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081;2. 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所,石家莊 050051)
調(diào)查表明,全國主要蔬菜平均化肥養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)用量1 092.0 kg/hm2,是全國農(nóng)作物平均化肥養(yǎng)分用量的3.3倍;主要設(shè)施蔬菜平均(化肥+有機(jī)肥)養(yǎng)分總用量2 275.5 kg/hm2,其中N、P2O5和K2O施用總量分別為850.5 kg/hm2、726.0 kg/hm2和792.0 kg/hm2,平均分別是各自推薦施用量的1.9、5.4和1.6倍;設(shè)施蔬菜基肥化肥養(yǎng)分用量占化肥(基肥+追肥)養(yǎng)分總量比例過高,平均達(dá)到40%~50%[1-2]。這與農(nóng)戶不了解蔬菜養(yǎng)分需求規(guī)律、隨意施肥、專用肥缺乏等有關(guān)。蔬菜的不合理施肥導(dǎo)致肥料利用率和生產(chǎn)效益低下、土壤次生鹽漬化比例較大、硝態(tài)氮和速效磷富集、地下水硝酸鹽超標(biāo)等一系列較為嚴(yán)重的問題。推廣蔬菜科學(xué)施肥技術(shù)是解決蔬菜不合理施肥、保護(hù)環(huán)境的重要途徑之一。
科學(xué)施肥技術(shù)推廣除傳統(tǒng)的面對面?zhèn)魇诜绞酵?,國外?0世紀(jì)70年代開始將計(jì)算機(jī)用于施肥技術(shù)的推廣中,美國國際農(nóng)化服務(wù)中心研制的施肥軟件可以對140種作物的11種營養(yǎng)元素提供施肥咨詢服務(wù)[3]。20世紀(jì)80年代,中國科學(xué)院合肥智能化研究所與安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作開發(fā)了我國第一個(gè)施肥專家系統(tǒng)——砂姜黑土小麥?zhǔn)┓蕦<易稍兿到y(tǒng)[4]后,先后出現(xiàn)了棉花[5-6]、水稻[7]、小麥[8]、果樹[9]以及包含多種作物的施肥專家系統(tǒng)[10-12]。隨著計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)等科學(xué)技術(shù)發(fā)展,專家系統(tǒng)的載體除了計(jì)算機(jī)外,還出現(xiàn)了基于 PDA(Personal Digital Assistant,PDA)[13]、觸摸屏[14]、(智能)手機(jī)[15]等載體的施肥專家系統(tǒng)。
根據(jù)科學(xué)施肥原理,施肥推薦離不開土壤學(xué)、蔬菜學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、肥料學(xué)等學(xué)科的海量數(shù)據(jù)支持。而基于PDA、觸摸屏、(智能)手機(jī)等載體的施肥系統(tǒng)由于受載體硬件容量影響,存儲(chǔ)的知識(shí)、數(shù)據(jù)量等有限,難以實(shí)現(xiàn)在田間地頭對任一農(nóng)戶地塊蔬菜施肥進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo);另外,推薦施肥需要的所有科學(xué)數(shù)據(jù)存在于每一個(gè)單獨(dú)的載體上,由于用戶分散、蔬菜施肥量推薦數(shù)據(jù)逐個(gè)更新難度大,4G移動(dòng)通信技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)[16]以及計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展,為農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣提供了新途徑。
基于此,文章以作者所在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所蔬菜土壤肥料團(tuán)隊(duì)研發(fā)的基于土壤養(yǎng)分系統(tǒng)平衡理念的蔬菜施肥量簡便快速推薦模型[1]為核心,利用移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),并綜合考慮目前我國農(nóng)戶的知識(shí)水平和消費(fèi)水平,設(shè)計(jì)開發(fā)蔬菜施肥量簡便快速推薦系統(tǒng),以期能夠經(jīng)濟(jì)、便捷地將蔬菜施肥推薦技術(shù)指導(dǎo)送達(dá)千家萬戶,遏制我國蔬菜肥料施用不合理現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)減肥增效;同時(shí)也為大田作物及果樹施肥技術(shù)推廣、農(nóng)業(yè)科技推廣探討新模式。
目前測土推薦施肥方法主要包括土壤肥力指標(biāo)法、土壤肥力臨界值法、目標(biāo)產(chǎn)量測土施肥法3個(gè)方法,都需要開展大量土壤測試、大量田間試驗(yàn),但較為準(zhǔn)確的參數(shù)(如土壤養(yǎng)分利用系數(shù)、肥料當(dāng)季利用率)仍難以獲得,計(jì)算也較為復(fù)雜。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所蔬菜土壤肥料團(tuán)隊(duì)研制了基于土壤養(yǎng)分系統(tǒng)平衡理念的蔬菜施肥量簡便快速推薦方法,具體如下。
式(1)、(2)中共有3個(gè)參數(shù),其中目標(biāo)產(chǎn)量在近3年平均產(chǎn)量基礎(chǔ)上增加15%進(jìn)行計(jì)算;單位產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量參數(shù)可利用多年多點(diǎn)大量肥料試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì),容易獲得且較為準(zhǔn)確;不同土壤肥力水平養(yǎng)分吸收量校正系數(shù)的確定是該方法核心。設(shè)施菜地肥力水平等級劃分標(biāo)準(zhǔn)參見文獻(xiàn)[17],依據(jù)近些年研究獲得的有關(guān)蔬菜養(yǎng)分循環(huán)特征參數(shù)以及田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)等確定校正系數(shù),如設(shè)施菜地施入的氮損失率累計(jì)可達(dá)到30%~40%(硝態(tài)氮淋失、氨氣揮發(fā)、N2O排放等),灌溉水氮帶入量為施N量的10%左右。
根據(jù)中肥力菜田土壤氮輸入=氮輸出平衡模型,計(jì)算出氮校正系數(shù)為1.3~1.5。中肥力菜田的氮平衡主要為維持性施肥,其中氮輸入=肥料氮施用量+灌溉水氮帶入量+雨水氮帶入量+種子氮帶入量;氮輸出=氮素吸收量+硝態(tài)氮淋失量+氨氣揮發(fā)量+N2O排放量。P2O5、K2O無揮發(fā)損失,土壤P2O5、K2O淋失忽略不計(jì),根據(jù)中肥力菜田土壤P2O5/K2O輸入=P2O5/K2O輸出模型,可計(jì)算出P2O5、K2O校正系數(shù)均為1.0。根據(jù)菜田土壤養(yǎng)分系統(tǒng)平衡理念,高肥力土壤充分利用土壤養(yǎng)分,適當(dāng)減少施肥,校正系數(shù)可在中肥力基礎(chǔ)上減少20%左右,而低肥力土壤需要達(dá)到增產(chǎn)、培肥地力雙重目標(biāo),適當(dāng)增施肥料,校正系數(shù)可在中肥力基礎(chǔ)上增加20%左右。
針對農(nóng)戶重視化肥施用、輕秸稈使用,磷施用嚴(yán)重超量,基肥化肥用量占比過高等問題,該方法體系還根據(jù)蔬菜不同生育階段需肥規(guī)律以及長期定位試驗(yàn)結(jié)果,確定有機(jī)肥養(yǎng)分用量占總養(yǎng)分用量(化肥養(yǎng)分+有機(jī)肥養(yǎng)分)的比例為40%~50%,基肥化肥養(yǎng)分用量占總化肥養(yǎng)分用量的15%~20%,盡量選用低磷型復(fù)合肥、水溶肥。與已有施肥推薦方法比較,該方法的主要特點(diǎn)有:(1)協(xié)調(diào)了N、P2O5、K2O比例,匹配了養(yǎng)分形態(tài)(如硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮之間比例);(2)有機(jī)肥/有機(jī)物料替代化肥,培肥土壤;(3)實(shí)現(xiàn)基肥、追肥合理運(yùn)籌;(4)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的統(tǒng)一。
該系統(tǒng)應(yīng)用“移動(dòng)終端+網(wǎng)絡(luò)+數(shù)據(jù)中心”架構(gòu)模式,智能終端采用嵌入式模式,即智能手機(jī)終端應(yīng)用軟件(APP),含有施肥推薦所必需的、應(yīng)由用戶提供的信息以及展示蔬菜施肥推薦結(jié)果;網(wǎng)絡(luò)依托現(xiàn)有移動(dòng)通信4G技術(shù),數(shù)據(jù)中心具有存儲(chǔ)蔬菜施肥推薦數(shù)據(jù)、接受來自不同區(qū)域的訪問信息以及數(shù)據(jù)挖掘、施肥推薦計(jì)算等功能(圖1)。
圖1 蔬菜施肥量簡便快速推薦系統(tǒng)框架Fig.1 Framework for simplified vegetable fertilization recommendation system
根據(jù)我國蔬菜種植者知識(shí)水平的實(shí)際情況,終端人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)要求:一是簡單、直觀,即要求輸入的內(nèi)容都是用戶熟知的,同時(shí)展示的結(jié)果也易于用戶理解;二是界面友好,采用模塊化設(shè)計(jì),便于用戶操作。根據(jù)基于土壤養(yǎng)分系統(tǒng)平衡理念的蔬菜施肥量簡便快速推薦模型,對蔬菜施肥推薦所需要的信息進(jìn)行分類,據(jù)此設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面相應(yīng)的模塊。主要分為兩類:一是信息采集類模塊,主要用來進(jìn)行蔬菜施肥推薦基本信息采集。該模塊包括3個(gè)子模塊:(1)目標(biāo)產(chǎn)量子模塊,主要包括省(市、自治區(qū))名、縣(縣級市、區(qū),旗)名、蔬菜名稱、蔬菜栽培方式(分為大棚、日光溫室以及露地3種)、蔬菜種植茬口(如早春茬、夏茬、越冬長茬、秋冬茬等)和具體的目標(biāo)產(chǎn)量信息;(2)單位產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量子模塊,包括每生產(chǎn)1 000 kg蔬菜產(chǎn)品對N、P2O5、K2O的吸收數(shù)量;(3)校正系數(shù)信息子模塊,主要包括地塊所在的鄉(xiāng)鎮(zhèn)名、村名、農(nóng)戶名以及地塊土壤有機(jī)質(zhì)(g/kg)、硝態(tài)氮(mg/kg)、速效P(mg/kg)、速效K(mg/kg)、pH值、電導(dǎo)率(mS/cm)、鹽分總量(g/kg)、速效Ca(mg/kg)、速效Mg(mg/kg)、速效S(mg/kg)、速效B(mg/kg)、速效Cu(mg/kg)、速效Fe(mg/kg)、速效Mn(mg/kg)、速效Zn(mg/kg)、速效Mo(mg/kg)等信息。3個(gè)子模塊的信息用戶可以輸入,也可以調(diào)用數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)信息。二是施肥量推薦結(jié)果類模塊,包括兩個(gè)子模塊:(1)養(yǎng)分推薦量子模塊,該模塊展示用戶輸入的?。ㄊ?、自治區(qū))名、縣(市、區(qū)、旗)名、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))名、村名、用戶名、蔬菜栽培方式、蔬菜名稱、目標(biāo)產(chǎn)量等信息,同時(shí)給出此條信息下的N、P2O5、K2O養(yǎng)分推薦用量;(2)肥料推薦量子模塊,該子模塊將N、P2O5、K2O養(yǎng)分用量轉(zhuǎn)化成具體的肥料用量以及肥料施用時(shí)間(基肥、追肥)。
SVFRS采用Hadoop平臺(tái)搭建數(shù)據(jù)中心,中心采用三層架構(gòu)體系,一層完成對智能終端界面信息的處理工作;二層采用WebService提供基于土壤養(yǎng)分系統(tǒng)平衡理念的蔬菜施肥量簡便快速推薦模型,完成施肥推薦量計(jì)算;三層完成科學(xué)施肥推薦數(shù)據(jù)庫的讀寫與存儲(chǔ)工作。數(shù)據(jù)訪問方式為ODBC,ODBC的最大優(yōu)點(diǎn)是能以統(tǒng)一的方式處理所有的數(shù)據(jù)庫,具有良好的互用性和可移植性。
科學(xué)施肥推薦數(shù)據(jù)庫分為地名信息鏈接庫和專家施肥推薦海量信息數(shù)據(jù)庫。(1)地名信息鏈接庫。該庫構(gòu)建的目的是為了準(zhǔn)確運(yùn)用蔬菜施肥推薦數(shù)據(jù)庫服務(wù)。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展,已不用考慮數(shù)據(jù)冗余,因此,本系統(tǒng)暫以省(市、自治區(qū))為單位,為每一個(gè)?。ㄊ?、自治區(qū))構(gòu)建了一個(gè)相應(yīng)的蔬菜施肥推薦數(shù)據(jù)庫,通過地名信息鏈接庫,系統(tǒng)可快速定位到省級施肥推薦數(shù)據(jù)庫。(2)蔬菜施肥量推薦海量信息數(shù)據(jù)庫。由蔬菜作物信息子數(shù)據(jù)庫、土壤信息子數(shù)據(jù)庫、土壤肥力評價(jià)及校正系數(shù)子數(shù)據(jù)庫、基追肥比例子數(shù)據(jù)庫、專家推薦用肥料品種子數(shù)據(jù)庫等組成。其中,蔬菜作物信息子數(shù)據(jù)庫主要包括蔬菜名稱、蔬菜栽培方式、蔬菜茬口、噸經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量所需養(yǎng)分量等;土壤信息子數(shù)據(jù)庫含有土壤采樣點(diǎn)所在的?。ㄊ小⒆灾螀^(qū))名、縣(市、區(qū)、旗)名、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))名、村名、用戶名以及有機(jī)質(zhì)(g/kg)、硝態(tài)氮(mg/kg)、速效P(mg/kg)、速效K(mg/kg)、土壤pH值、電導(dǎo)率(mS/cm)、鹽分總量(g/kg)、速效Ca(mg/kg)、速效Mg(mg/kg)、速效S(mg/kg)、速效B(mg/kg)、速效Cu(mg/kg)、速效Fe(mg/kg)、速效Mn(mg/kg)、速效Zn(mg/kg)、速效Mo(mg/kg)等含量信息;土壤肥力評價(jià)及校正系數(shù)子數(shù)據(jù)庫主要為土壤信息子數(shù)據(jù)庫中各數(shù)據(jù)項(xiàng)的等級評價(jià)指標(biāo)及相應(yīng)的校正系數(shù)等;基追肥比例子數(shù)據(jù)庫有蔬菜作物名稱、氮磷鉀等元素作為基肥或者追肥的比例;專家推薦用肥料品種子數(shù)據(jù)庫有專家設(shè)置、推薦用戶不同時(shí)期施用的肥料名稱。各個(gè)子數(shù)據(jù)庫中間以及子數(shù)據(jù)庫內(nèi)通過關(guān)鍵詞進(jìn)行鏈接,而關(guān)鍵詞主要有分布在界面上的蔬菜作物名、栽培方式名以及農(nóng)戶名等構(gòu)成。
SVFRS為數(shù)據(jù)庫、各子數(shù)據(jù)庫命名、結(jié)構(gòu)制定了統(tǒng)一規(guī)則。當(dāng)該區(qū)域數(shù)據(jù)更新或者該系統(tǒng)移植到異地應(yīng)用時(shí),只要遵循數(shù)據(jù)庫構(gòu)建規(guī)則,由專家提前對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后,就可以便捷地替換數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)有數(shù)據(jù)內(nèi)容,而不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行,避免數(shù)據(jù)更新給每個(gè)用戶應(yīng)用帶來的不便;同時(shí)也保證了SVFRS具有更好的區(qū)域適應(yīng)性。
在對智能手機(jī)用戶和手機(jī)市場調(diào)研的基礎(chǔ)上,產(chǎn)品開發(fā)最終選用了Android、iOS操作系統(tǒng)智能手機(jī)。推薦系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)均來自于國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系養(yǎng)分管理崗位經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“設(shè)施蔬菜化肥減施關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化”等研究中獲得的數(shù)據(jù)以及與各地土壤肥料研究所、土壤肥料工作站等交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用Excel 2003構(gòu)建。系統(tǒng)開發(fā)采用C#、Java語言。圖2、圖3為智能客戶端安裝在基于Android操作系統(tǒng)的國內(nèi)某知名手機(jī)品牌上的實(shí)際情況,其中圖2為推薦信息輸入界面,圖3為推薦結(jié)果輸出界面。
圖2 蔬菜施肥量簡便快速推薦系統(tǒng)APP推薦信息輸入Fig.2 Input interface of APP for simplified vegetable fertilization recommendation system
基于移動(dòng)通訊技術(shù)的蔬菜施肥量簡便快速推薦系統(tǒng)在河北省定興縣、藁城區(qū)、永清縣、青縣以及天津市西青區(qū)、武清區(qū)等設(shè)施蔬菜優(yōu)勢區(qū)核心示范基地應(yīng)用,示范效果顯著,減施化肥養(yǎng)分30%,增產(chǎn)8%以上,增收15%以上。智能手機(jī)客戶端通過網(wǎng)絡(luò)訪問并調(diào)用數(shù)據(jù)中心的專家推薦施肥數(shù)據(jù)庫,僅消耗網(wǎng)絡(luò)流量,應(yīng)用表明,完成一次施肥推薦僅需要0.1~0.2 M的流量,在河北省5元購買30 M網(wǎng)絡(luò)流量的模式下,僅需要0.02元。
圖3 蔬菜施肥量簡便快速推薦系統(tǒng)APP推薦結(jié)果輸出Fig.3 Output interface of APP for simplified vegetable fertilization recommendation system
近年來,隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展和農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入增加,智能手機(jī)在農(nóng)村用戶群體呈幾何級數(shù)增長。2013年底,國家工信部頒發(fā)了4G牌照,4G技術(shù)也已走入尋常百姓家,5G移動(dòng)通訊技術(shù)呼之欲出?,F(xiàn)在農(nóng)民利用移動(dòng)智能終端上網(wǎng)瀏覽新聞、娛樂、閱讀等日益普遍,應(yīng)用技術(shù)也越來越熟練,也為國家測土配方施肥的工程實(shí)施,尤其是利用地塊測土信息進(jìn)行精準(zhǔn)施肥推薦奠定基礎(chǔ)。該系統(tǒng)與測土配方施肥短信通[18]、農(nóng)戶自家地塊撥打手機(jī)的“手機(jī)信息服務(wù)系統(tǒng)”[19]等基于手機(jī)載體的專家施肥系統(tǒng)相比優(yōu)勢明顯:一是采用了網(wǎng)絡(luò)流量,價(jià)格更為便宜;二是用戶一次輸入即可獲得專家施肥推薦,不需要數(shù)次往返的短信交流;三是在網(wǎng)絡(luò)暢通的情況下,用戶拿出手機(jī),輕松輸入信息,即可隨時(shí)隨地獲得專家施肥指導(dǎo)。
關(guān)于專家施肥推薦數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建單元,該系統(tǒng)以?。ㄊ?、自治區(qū))為主,但是我國省域規(guī)模差異較大且即使在同一省域內(nèi),由于受地形地貌等因素影響,同一種蔬菜的氮磷鉀養(yǎng)分推薦量也會(huì)有一定的差異;另一方面,我國人均耕地面積小,農(nóng)戶眾多,要為每家農(nóng)戶的每個(gè)地塊進(jìn)行施肥推薦,每個(gè)省市土壤數(shù)據(jù)信息將達(dá)到10萬、100萬條以上。為了快速精確進(jìn)行施肥推薦,可以充分利用硬件存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展成果,把專家數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建單位再進(jìn)一步縮小到市、縣(市、區(qū))。不同區(qū)域采用該本系統(tǒng)時(shí)候,專家只需專注于施肥科學(xué)數(shù)據(jù)的整理,嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建規(guī)則,就可以因地制宜地、迅速地進(jìn)行專家施肥推薦數(shù)據(jù)庫構(gòu)建,進(jìn)而完成精準(zhǔn)施肥推薦。
該系統(tǒng)在專家施肥推薦上,除了完成常規(guī)的養(yǎng)分推薦量、施肥時(shí)期的推薦外,還可以根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌龅姆柿瞎?yīng)情況、專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)等實(shí)現(xiàn)對肥料品種及其每種肥料的用量推薦,這樣更便于用戶使用該系統(tǒng)。同時(shí)也有利于與市場監(jiān)管部門合作,推薦優(yōu)質(zhì)肥料,實(shí)現(xiàn)對肥料銷售市場的有效監(jiān)管。
基于現(xiàn)代移動(dòng)通訊技術(shù)的蔬菜施肥量簡便快速推薦系統(tǒng)的成功研發(fā),充分利用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件存儲(chǔ)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等成果,為解決科學(xué)施肥技術(shù)推廣存在的最后一公里問題提供了有效方法。用戶利用本系統(tǒng),通過網(wǎng)絡(luò)可以便捷、經(jīng)濟(jì)地獲得地塊的蔬菜科學(xué)施肥技術(shù)指導(dǎo)。系統(tǒng)推廣示范表明,設(shè)施蔬菜化肥養(yǎng)分可減施30%,增產(chǎn)8%以上,每完成一次施肥推薦花費(fèi)不足0.1元。
該系統(tǒng)施肥指導(dǎo)可以具體到肥料品種及其用量,更易于被農(nóng)戶所使用。該系統(tǒng)通過便捷地更新科學(xué)施肥數(shù)據(jù)的方法,及時(shí)為用戶提供新的科學(xué)數(shù)據(jù),提高了科學(xué)數(shù)據(jù)尤其是測土數(shù)據(jù)的利用效率,可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。