湖北省蓮藕施肥推薦專家咨詢系統的設計與實現

摘要：湖北省蓮藕施肥推薦專家咨詢系統是基于蓮藕營養特性與施肥技術研究成果，主要用來指導蓮藕生產過程中合理施肥，以提高蓮藕產量和改善蓮藕品質，同時提高肥料的利用效率，避免盲目施肥對農田水環境造成污染。該系統基于Ｗｅｂ服務，運用ＪＳＰ、Ｓｅｒｖｌｅｔ、ＪａｖａＢｅａｎ技術，采用Ｂ／Ｓ結構和ＭＶＣ（Mｏｄｅｌ－Vｉｅｗ－Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）開發模式，能夠給出藕田土壤肥力的客觀評價，并在此基礎上提供科學的施肥建議，將結果采用Ｅｘｃｅｌ模板輸出，用戶可方便地保存和使用。

關鍵詞：蓮藕；土壤肥力；施肥推薦；ＭＶＣ；Ｂ／Ｓ結構

中圖分類號：ＴＰ３１１；Ｓ１４７．２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）09－1880-04

Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｈｉｚｏｍｅ Ｌｏｔｕｓ Ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ

ＱＩＮ Ｙｉｎ－ｙｉｎｇ１，２，３，ＬＩＵ Ｄｏｎｇ－ｂｉ１，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ３，ＦＡＮ Ｘｉａｎ－ｐｅｎｇ１，ＬＵ Ｗｅｉ２

（１． Ｐｌａｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｈｕｂｅｉ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００６４，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ；

３． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｆｏｒｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｒｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ ｒｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ， ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｎｓｔｒｕｃｔ ｆａｒｍｅｒｓ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｉｎ ｒｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｙｉｅｌｄ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｒｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｕｓｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ａｎｄ ａｌｓｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ． Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅ， ＪＳＰ， Ｓｅｒｖｌｅｔ ａｎｄ ＪａｖａＢｅａｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＭＶＣ（Mｏｄｅｌ－Vｉｅｗ－Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ） ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ａｎｄ ａ Ｂ／Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ， ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｅｘｐｏｒｔｉｎｇ ｉｎ Ｅｘｃｅｌ ｆｉｌｅｓ． Ｉｔ waｓ ｖｅｒｙ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｔｏ ｓａｖｅ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： rｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ； sｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ； fｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ； ＭＶＣ； Ｂ／Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

在中國傳統的農業生產中，農民只是根據生產經驗對作物進行施肥。隨著現代農業生產技術的發展，發現不同作物對不同營養元素的需求是不同的，作物的產量、品質與施肥有著密切的關系。為提高肥料養分利用率，增加施肥效益，實現農作物種植高效化，就必須對施肥量進行科學計算。施肥對農作物生產帶來益處是毋庸置疑的［１］，但并不是施肥越多越好，既要考慮到肥料成本，同時過多的肥料養分對農田水環境會造成威脅。據有關資料顯示，某些以農業生產為主的地區，超量施肥已成為農田周邊水體中氮、磷含量嚴重超標的一個重要原因，大量的氮、磷隨地表徑流、地下淋溶等途徑進入自然水體中，導致水體的富營養化［２］；另一方面，施肥量不足也嚴重制約著生產潛力的發揮［３，４］。因此，針對不同地塊，根據土壤養分的測試結果和作物營養特性確定施肥量與施肥方法有著重要意義，這樣既可以保證作物生長所需要的養分，又可以防止施肥造成環境脅迫。

“湖北省蓮藕施肥推薦專家咨詢系統”（以下簡稱“系統”）可以將計算機技術用于蓮藕施肥咨詢中，為用戶制訂科學合理的施肥方案，減少農民習慣性施肥的盲目性，提高蓮藕施肥管理的智能化決策水平［５］。

１系統目標與設計過程

１．１設計目標

在系統設計過程中，按照軟件工程的理論，結合系統用戶需求，系統設計應做到以下幾點：①界面友好，易于操作；②較高的可靠性和安全性；③較好的可擴充性；④較好的管理工具。系統需要實現施肥推薦、系統管理和用戶管理三大功能。施肥推薦功能要能夠給出土壤肥力評價，并根據作物營養特性計算施肥量，為用戶提供科學的施肥指導；系統管理要實現對土壤養分分級標準、施肥量、施肥分配比例、肥料品種等進行更新、查看等功能，根據專家的最新研究成果及時更新相關信息，從而提高專家指導施肥的科學性；用戶管理功能能夠實現對不同身份的用戶進行權限設置，同時提供給用戶管理個人信息的權利，這樣既能保證系統的安全性又可以方便用戶使用。

１．２系統流程分析

系統的工作流程為：用戶手工輸入或以文件的形式批量輸入藕田土壤主要屬性或養分含量，調用專家知識數據庫，得出對藕田土壤各主要屬性或養分含量的評價，并結合蓮藕品種、土壤的產量潛力、計劃用肥品種等信息，給出施肥量和施肥方法建議。系統的基本業務流程如圖１。

１．３系統數據流分析

數據流分析是將系統抽象成一系列的邏輯加工單元，分析各單元數據流之間的關聯情況。它用直觀的圖形清晰地描繪系統的邏輯模型，圖中沒有任何具體的物理元素，只是描述數據在系統中的流動和處理的情況。系統的數據流程圖（頂層）如圖２所示。

１．４土壤肥力評價與施肥推薦過程

系統是在湖北省農業科學院植保土肥研究所近幾年關于蓮藕營養特性與施肥技術研究成果基礎上開發的［６，７］。根據藕田土壤屬性和養分測試結果，系統首先對土壤養分肥力狀況進行分級和評價（用土壤常規分析方法和ＡＳＩ法均可），在明確了藕田種植收獲計劃和該田塊產量潛力（或產量目標）基礎上，系統根據蓮藕全生育期營養特性給出比較合理的推薦施肥建議。其中，計算過程是該系統的核心，可分為以下三個步驟：①根據用戶的藕田土壤樣品測試結果對土壤養分肥力特征進行分級和評價；②根據蓮藕收獲類型（青荷藕／成熟藕）和產量潛力，系統調用施肥量推薦標準，并給出合理的蓮藕全生育期養分使用總量；③根據用戶的施肥計劃（包括是否使用復混肥，復混肥中氮、磷、鉀的含量，使用的各種單質肥料名稱及養分含量），計算出各種肥料的實物施用量。

在施肥推薦過程中，復混肥一般作底肥（第一次施肥）使用，底肥中不夠的部分再用單質肥料補足。復混肥計算有兩個原則：①復混肥最小原則，即在使用復混肥時，根據氮、磷、鉀推薦使用量分別計算出滿足不同養分元素的復混肥使用量，然后從中選擇最小的那個值作為本次復混肥基本使用量，設為ｆ１，其目的是要保證該養分元素不能超標，其他養分元素不足的部分用單質肥替補；②復混肥取整十原則，根據“①”中計算得出復混肥基本使用量ｆ１，取整十數，即取小于或等于ｆ１的最大整十數，方便農戶記錄（或記憶）和稱量。

２系統詳細設計

２．１系統功能模塊劃分

根據實地調研并結合軟件設計理論，系統應具有施肥推薦、系統管理、用戶管理等三大功能，其子功能分解如圖３所示。

２．２系統流程設計

系統運行過程中，用戶必須按照一定的流程操作，操作過程中，系統要對用戶行為做出判斷。對于不合法操作，如非法數據，系統要拒絕寫入并給用戶相應的提示。對于不同級別的用戶，系統給予一定的操作權限，以保證系統的安全性。系統流程如圖４所示。

３系統實現

系統采用ＭＶＣ（Ｍｏｄｅｌ－Vｉｅｗ－Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）設計模式［８］，將系統分為兩部分開發，一部分為前臺頁面設計，一部分為后臺處理設計，最后實現各部分通信，將所有設計整合成為一個應用系統。

３．１系統前臺頁面設計

根據系統功能化分，系統前臺頁面主要由系統登錄／注冊主界面、系統更新管理主界面、施肥推薦主界面、用戶管理界面等組成［９］。

３．２系統后臺處理設計

系統后臺處理主要有模型層和控制層兩部分，其中模型層負責業務邏輯處理，控制層負責溝通視圖層和業務層，控制數據處理與頁面顯示。

３．３系統開發技術及環境

系統按ＭＶＣ模式開發Ｂ／Ｓ結構的Ｗｅｂ服務系統，用到ＪＳＰ、ＪａｖａＢｅａｎ、Ｓｅｒｖｌｅｔ等技術［１０］；Ｗｅｂ服務器采用Ｔｏｍｃａｔ ６．０服務器，系統開發環境是Ｔｏｍｃａｔ６．０＋ ＭｙＥｃｌｉｐｓｅ７．０＋Ｊ２ＳＤＫ１．５．１；在數據庫系統的選擇上采用了Ａｃｃｅｓｓ數據庫管理系統［１１］。

４系統測試與評價

４．１系統測試

通過完整的系統測試，各項功能符合設計要求，可按系統設計要求完成用戶既定的任務，能實現用戶管理、系統管理和施肥推薦功能。測試中得到的用戶施肥推薦通知單如圖５所示。

４．２系統評價

系統開發采用Ｂ／Ｓ結構設計，減輕客戶端編程壓力，方便用戶使用。在開發模式上，運用ＭＶＣ開發模式，將系統設計分層，模型、視圖與控制器的分離，使得一個模型可以具有多個顯示視圖，將系統的顯示、處理等分開，提高系統的可維護性，代碼規范合理。

系統開發過程中，合理使用ＪＳＰ相關技術，對用戶身份認證采用Ｓｅｓｓｉｏｎ記錄，可以對非法登錄的用戶進行防御，提高了系統的安全性。在頁面設計的過程中，用到ＪＳ（ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ）等相關技術，對用戶輸入的數據進行合法性驗證，減輕服務器的處理壓力。整個系統設計過程中，考慮了用戶使用和操作的方便性，報表輸出后也方便存儲和修改。

經過測試和分析，系統具有以下兩個方面的優點：①用于湖北省蓮藕施肥推薦咨詢，針對性和實用性強。②用戶只需提供土壤養分測試值、蓮藕品種、產量潛力和收獲類型等信息，而后３個參數農戶可自行獲得或選擇，只要對土壤養分進行測試，就可得到相應的施肥推薦，體現了系統參數易得的優點。

雖然經過精心設計與開發，但因時間及知識面原因，系統仍存在一些缺點和不足，比如批量處理時，文件格式有較嚴格的要求，可能會給用戶帶來一定的麻煩；此外系統的健壯性還需要進一步改善，數據庫操作部分還需要進一步優化設計。隨著研究范圍的擴大和研究技術的不斷完善，如果結合專家知識庫和ＧＩＳ最新研究成果，將系統開發成基于ＧＩＳ的適用于全國不同蓮藕產區的施肥推薦專家咨詢系統，將具有更高的使用價值和商業價值［１２］。

參考文獻：

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［２］ 張維理，武淑霞，冀宏杰，等．中國農業面源污染形勢估計及控制對策Ⅰ．２１世紀初期中國農業面源污染的形勢估計［Ｊ］． 中國農業科學，２００４，３７（７）：１００８－１０１７．

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［４］ 劉冬碧，范先鵬，楊利，等． 江漢平原水稻肥水管理現狀與技術對策［Ｊ］． 湖北農業科學， ２０１０，４９（８）：１８３１－１８３５．

［５］ 周煉清，史舟，王珂，等．基于ＷｅｂＧＩＳ的農業園區水稻施肥推薦系統的研究［Ｊ］． 浙江大學學報（農業與生命科學版），２００５（２）：６０－６４．

［６］ 劉冬碧， 熊桂云， 范先鵬， 等．蓮藕干物質和氮磷鉀養分的累積與分配研究［Ｊ］．植物科學學報，２０１１，２９（１）：１２８－１３３．

［７］ 熊桂云，劉冬碧，陳防，等． 蓮藕氮磷鉀鋅肥配合施用效應研究［Ｊ］．中國土壤與肥料，２００９（ １）：３１－３４，３９．

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［９］ 耿祥義， 張躍平． ＪＳＰ使用教程 ［Ｍ］． 第二版． 北京：清華大學出版社，２００７．

［１０］ 霍爾，布朗，蔡金． Ｓｅｒｖｌｅｔ與ＪＳＰ核心編程［Ｍ］． 第二版． 胡書敏，譯． 北京：清華大學出版社，２００９．

［１１］ 巴爾特. Ａｃｃｅｓｓ ２００７開發指南［Ｍ］．謝暉，許偉，譯． 北京：人民郵電出版社，２００８．

［１２］ 石偉． ＡｒｃＧＩＳ地理信息系統詳解［Ｍ］．北京：科學出版社，２００９．