烤煙水肥專家決策管理系統開發與應用

陳丹艷，劉 鈺，沈珊珊，王 倩，李修能，邵孝侯

(1.金陵科技學院園藝園林學院，南京 210038； 2.臨沂市農業技術推廣服務中心，山東 臨沂 276001； 3.南京水利科學研究院，南京 210029；4.河海大學農業工程學院，南京 210098)

眾所周知，水分和肥料對于作物生長必不可少，是農業生產管理的主要措施。單獨的水分或者肥料的管理，而不加以考慮另一個因素的影響，對作物的生長極其不利。謝世堯等[1]以多種水肥管理處理北方寒區水稻種植，發現蓄雨控灌及次低肥的水肥處理模式比其他水肥處理更能促使水稻節水、減排、增效。張立勤等[2]研究結果發現在每公頃灌溉定額3 450 m3、施270 kgN、590 kgP2O、54 kgK2O的水肥互作條件下，制種玉米比其他處理產量、水分利用效率、種植純收益均顯著增加，產投比增加能達0.09～1.41。設施栽培中，張興國等[3]通過不同水肥處理溫室葡萄表明，灌水量3 045 m3/hm2、施肥量750 kg/hm2是提高溫室葡萄果實品質的有效灌水施肥模式。劉宇朝等[4]研究發現不同水肥耦合下枸杞生長葉面積、株高、枝條、地徑增長速率、日均凈光合速率、日均蒸騰速率、葉綠素等差異較大，以每公頃補水量3 825 m3及肥料量225 kg N、15 kg P2O、90 kg K2O的水肥互作模式效果最好。劉月等[5]研究認為水分處理2 850 m3/hm2、施氮750 kg/hm2處理是對枸杞生長及土壤環境最適宜的水氮互作處理。煙草是我國一種價值潛力十分巨大的經濟作物，具有很高的工業附加值及經濟價值[6]。在煙草栽培過程中，水肥管理直接影響了烤煙生長[7]、生理和產質量[8]，對灌溉效率也有很明顯的影響[9]。陳競楠等[10]研究了膜下滴灌條件下烤煙水氮耦合效應，發現伸根期、旺長期、成熟期滴灌量12、16、12 mm/次及施氮量5 g/株節水節肥綜合效益最優，灌溉水利用效率明顯提高。對水肥的調控是烤煙生長及產量提高的重要手段[11,12]。合理利用水肥是種植優質煙草的主要手段[13-16]，最終增加烤煙產質量和減少成本[17,18]。何佳等[19]對豫中煙區中煙100、豫煙6號和豫煙10號進行水肥一體化技術應用效益分析，發現水肥一體化技術顯著提升豫中煙區烤煙產質量，其中豫煙6號表現最優。

我國現有科技對農業增長的貢獻率不高，農業科研成果、實踐經驗和專家知識很難應用到實際生產當中，嚴重制約著我國發展可持續農業[20，21]。其中農業專家系統是基于專家經驗，代替為數極少的專家群體，在各地具體地指導農民科學種田，培訓農業技術人員，把先進適用的農業技術直接交給廣大農民。隨著農業生產中水肥高效利用的提倡，水肥一體化管理決策專家系統是近年來各種作物管理系統開發的焦點。現有如陳雪蛟等[22]設計出水肥一體化專家系統旨在為水肥管理提供作物信息，并沒有進行作物生長過程中對水肥的需求決策，還需要人工的進行判斷。煙草栽培生產環節多，技術性強，需要精準的農業專家決策系統來進行管理。有關煙草施肥管理的專家系統起步較早，而節水灌溉管理等方面的專家系統研制較晚。如烤煙配方施肥專家系統[23]、植煙田施肥推薦支持決策系統[24]，基于PAID4.0的烤煙實時灌溉預報與決策專家系統[20]。近年來開發的煙草綜合栽培管理系統如優質煙葉栽培管理專家系統MESTCM[25]、基于PAID4.0開發平臺的麻江烤煙專家系統[26]、網絡化煙草栽培專家系統和煙區土壤資源WebGIS開發[27]等，也在煙草栽培中發揮了一定作用。但上述這些烤煙種植管理系統，基于水肥耦合產量函數的烤煙水肥一體化管理決策系統幾乎沒有開發出來。隨著烤煙水肥耦合研究的深入，研制應用于烤煙水肥一體化管理的綜合專家系統有利于促進灌溉與施肥的合理地配合，以水調肥、水肥共濟，從而提高水分和肥料利用率，增加烤煙產值效應。本文采用利用正向推理策略，利用實際試驗數據擬合而成的水肥產量函數，結合其他研究成果，以Visual Basic 6.0(VB 6.0)為開發環境，采用模塊化程序設計、面向對象的集成開發模式、Microsoft SQL + Access 數據庫及ADO 數據庫訪問技術，開發應用于烤煙水肥一體管理的專家決策系統《烤煙水肥專家決策管理系統(Water and Fertilizer Decision-making Expert Management System of Flue-cured Tobacco)》。該系統具有簡單直接、便于操作、人機直接對話、適于野外等特點，是設施內生產烤煙時可以直接根據具體情況使用的單機版，其中部分功能可以直接在大田生產中使用，后期可以基于本系統開發手機APP版本，以替代專家群體深入農村，讓水肥耦合調控技術走入基層，對于促進我國煙草的生產及其科技的普及具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 系統總結構

《烤煙水肥專家決策管理系統》包括系統使用說明模塊、煙草常用種植技術模塊、施肥管理決策模塊、登錄及用戶管理模塊、耗水量及灌水量決策模塊、灌排逐日決策模塊、優質烤煙常規品質評價及歷史結果查詢模塊等九大功能模塊(見圖1)。

圖1 烤煙水肥管理專家決策系統總結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of total structure for water and fertilizer decision-making system of flue-cured

1.2 系統主要功能模塊

(1) 用戶管理模塊。分管理員(administrator)和普通用戶(users)兩種身份，其中管理員權限可以重置自身密碼，還能新增、刪除普通用戶信息。普通用戶被管理員添加后，僅能重置自身密碼。

(2) 系統使用說明模塊。該模塊包括系統結構和系統使用說明介紹(PDF格式)。

(3) 煙草常用技術模塊。包括烤煙漂浮式育苗及移栽、苗期管理、煙田中耕管理、施肥管理、常見病蟲害防治、抗旱栽培綜合管理、烤煙節水灌溉和植煙土壤及煙葉養分等技術資料查詢。其中烤煙節水灌溉查詢包括節水灌溉理論、節水灌溉制度、節水灌溉技術及節水灌溉指標，植煙土壤及煙葉養分包括我國植煙土壤養分含量特征、優質煙葉主要化學養分含量和中國國家標準烤煙。

(4)歷史結果查詢模塊。用戶通過此模塊根據不同情況查詢歷史植煙土壤養分含量情況、施肥決策結果、烤煙耗水量、灌水量決策及烤煙灌排逐日決策結果。每次顯示該查詢類型的所有保存結果，不能單獨顯示某個日期或某個用戶決策結果。用戶可直接打印顯示的查詢結果(文檔形式)，也可將查詢結果輸出到excel電子表格里。

(5) 施肥管理決策模塊。該模塊為本決策系統的主體部分之一。通過地力差減法、養分平衡法計算氮磷鉀養分施用量，另外可根據多年試驗數據(未列出)擬合的水氮/鉀耦合模型(包括水氮/鉀耦合階段耗水量模型、水氮/鉀耦合全生育期耗水量模型、水氮/鉀耦合階段灌水量模型和水氮/鉀耦合全生育期灌水量模型)計算氮肥或鉀肥施用量。通過選擇不同的肥料種類確定肥料用量。同時可通過輸入當地植煙土壤基本養分含量狀況進行土壤養分(pH值、有機質、速效磷、速效鉀及速效氮)豐缺評價。其結果均可保存并在歷史結果查詢模塊查詢。

(6)耗水量及灌水量決策模塊。該模塊通過幾種水氮/鉀耦合模型(包括水氮/鉀耦合階段耗水量模型、水氮/鉀耦合全生育期耗水量模型)或Jensen經驗模型求出烤煙伸根期、旺長期及成熟期3個生育階段及全生育階段的作物耗水量。同時可通過水氮耦合模型(包括水氮/鉀耦合階段灌水量模型和水氮/鉀耦合全生育期灌水量模型)求出烤煙伸根期、旺長期及成熟期3個生育階段及全生育階段的灌水量。其結果均可后臺保存并在歷史結果查詢模塊查詢。

(7)灌排逐日決策模塊。本模塊根據不同氣象類型(晴、曇、陰、雨)，在輸入所需氣候參數及土壤水分狀況參數等計算當地參考作物需水量，然后根據水分平衡方程推斷出當日是否需要灌水或排水，以及所需的灌水量或排水量。本模塊可以直接計算設施內及大田烤煙生產日灌排管理。其結果均可后臺保存并在歷史結果查詢模塊查詢。

(8) 優質烤煙常規品質評價模塊。本模塊通過輸入相應烤后煙葉的煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯、蛋白質含量，根據優質烤煙評價標準進行常規品質的評價。

1.3 主要決策功能實現原理及方法

1.3.1 施肥管理決策過程

(1)植煙土壤基本理化性狀評價。土壤養分含量是評價土壤肥力及質量的關鍵所在。本系統中植煙土壤基本理化性狀評價指標為pH值、有機質含量、堿解氮、有效鉀和有效磷含量，綜合相關文獻研究結果[28-32]確定優質烤煙生產所需的土壤基本理化性狀適宜標準為：土壤pH值為5.5～7.0；有機質為1%～3%；堿解氮為45.0～135 mg/kg；速效磷為10.0～40.0 mg/kg；有效鉀范圍為120～200 mg/kg。

(2)施肥管理決策。本專家決策系統中施肥單因素主要推理過程如圖2所示。計算方法為養分平衡法[33]、地力差減法[34]、水鉀、水氮計算模型(表1)。不同水鉀、水氮模型是根據河海大學課題組相關研究數據(未列出)擬合出的烤煙水肥耦合產量函數。I1、I2、I3分別為伸根期、旺長期、成熟期灌水量，ET1、ET2、ET3分別為伸根期、旺長期、成熟期耗水量，I、ET分別為烤煙全生育期總灌水量、耗水量。上述指標單位均為mm。所有模型中Y、N、K等表示為每畝產量、施氮量、施鉀量。

圖2 施肥管理推理過程圖Fig.2 Process diagram of fertilization management reasoning

表1 烤煙耗水量及灌水量水肥產量模型擬合情況(數據未列出)Tab.1 Yield models of water-fertilizers for water consumption and irrigation of flue-cured (The data was not listed here)

養分平衡法計算公式如下：

F=NC/NRFUR

(1)

NC=PNC(-SN)

(2)

SN=0.15SNCr

(3)

地力差減法計算公式如下：

F=PNC(Y-Y0)/ (NRFUR)

(4)

式中：F為肥料施用量，kg/hm2；NC為養分施用量，kg/hm2；NR為肥料中養分百分含量；FUR為肥料當季利用率；PNC為作物單位產量養分含量，mg/kg；Y和Y0分別為目標產量和空白產量，kg/hm2；SN為土壤供肥量，kg/hm2；SNC為土壤中養分含量，mg/kg；r為土壤有效養分校正系數。

1.3.2 烤煙節水灌溉決策過程

(1)耗水量及灌水量決策。本專家決策系統中耗水量及灌水量決策推理過程如圖3所示。

圖3 耗水量及灌水量計算推理過程圖Fig.3 Process diagram of evaporation and irrigation management reasoning

計算公式可采用水分生產函數[20]計算耗水量如下：

Y/169=

(ET1/119.94)0.054 4(ET2/269.86)0.514 0(ET3/113.94)0.120 9

(5)

另外可采用表1中烤煙水肥耦合產量函數計算耗水量和灌水量，此時伸根期、旺長期、成熟期耗水模系數平均值分別為0.120、0585、0.194，灌水模系數平均值為分別為0.173、0.524、0.303。水鉀耦合模型中伸根期、旺長期、成熟期耗水模系數平均值分別為0.254、0.531、0.215，灌水模系數平均值分別為0.259、0.503、0.238。

(2)灌排逐日管理決策。本專家決策系統中耗水量及灌水量決策推理過程如圖4所示。

圖4 灌排逐日管理決策推理圖Fig.4 Process diagram of daily evaporation and irrigation management reasoning

采用水量平衡法來進行計算烤煙水分蒸散量，計算公式[35]為：

ΔS=P+I+Eg-ET-Rg-D

(6)

ΔS=667γHθ(1-μ)

(7)

ET=KcET0

(8)

式中：ΔS為根系內土壤水分變化，mm；P，I分別為生育期內的降水量和灌水量，mm；Eg為地下水補給量，mm；ET為土壤蒸發植物蒸騰量，簡稱蒸散量，mm；Rg，D分別為地表徑流量和土層下邊界滲漏量，mm；γ為干容重；θ為田間持水量(重量含水量)；H為計劃濕潤層土層厚度，伸根期、旺長期、成熟期分別為20、50、30 cm；μ為水分控制下限，占田間持水量的百分比。其中Kc、ET0具體計算取值見文獻[1]。

1.3.3 優質烤煙常規品質評價

綜合相關文獻研究結果[20, 36, 37]制定優質烤煙常規品質化學成分指標標準為：煙堿1.5%～3.5%、總糖18%～24%、還原糖16%～22%、總氮1.5%～3.5%、鉀≥2%、氯0.3%～0.8%、蛋白質9%～11%、總糖/煙堿8.0%～12%、總糖/總氮約為10%、煙堿/總氮≥1%、鉀/氯≥8.0%。其中總糖與總氮比值以10%為宜。

1.4 系統運行環境要求

操作系統：Windows 98/Windows me/Windows XP/Windows2000及以上。

屏幕最佳分辨率：1280×800或者800×600小字體。

軟件要求：PDF瀏覽器、Microsoft access 2007、Microsoft excel 12.0 Object library及其以上版本。

硬件要求：主頻不低于800 MHz，內存不低于256 M，硬盤不低于500 M。

打印機：Windows XP及以上系統支持的打印機。

2 結果與分析

2.1 主要功能界面設計結果

本文中采用“正向推理”策略，即從前提直接到結論的逐步推導，由用戶提供的信息或參數為出發點，根據決策原理進行后臺計算或評價，最后直接給出結論。主要功能界面設計結果見圖5。用戶只需根據人機對話提示，輸入相應的用戶名和密碼進入系統主界面，再根據需要進入各模塊。其中用戶管理模塊從登錄模塊進入。本系統通過地力差減法、養分平衡法計算氮磷鉀養分施用量，其中氮肥和鉀肥施用量也可通過水氮耦合或水鉀耦合模型計算。然后選擇施用肥料種類確定肥料用量。輸入當地植煙土壤基本養分含量狀況可進行土壤養分(pH值、有機質、速效磷、速效鉀及速效氮)豐缺評價。而且通過多種水氮耦合模型以及水分生產函數計算各生育階段及全生育期耗水量和灌水量。在不同天氣 (晴、曇、陰、雨)，通過輸入土壤水分基本參數，如水分控制下限、田間持水率、計劃濕潤層深度等，和實時觀測的參數，如初始土壤含水率、當日最高和最低溫度等，計算機即可通過推理，預報當日灌排情況，本功能可直接應用于大田生產，輸入烤后煙葉品質含量進行優質烤煙評價，最后快速、準確地做出當地烤煙水肥管理決策方案。

圖5 系統主要功能模塊示意圖Fig.5 Main modules for researched system

2.2 實例應用

貴陽煙科所應用本系統進行水肥管理決策。其中供試土壤基本理化性狀為：pH值為6.50，有機質為1.96%，堿解氮為130.92 mg/kg，有效鉀為31.82 mg/kg，有效磷為51.41 mg/kg。根據以往試驗資料單位烤煙產量鉀含量0.11 kg/kg，空白產量900 kg/hm2，單位產量氮含量0.06 kg/kg，土壤有效養分校正系數為0.41；肥料品質選用自制生物有機肥(水溶性)，含鉀量為0.8%，含氮量為2.5%，基肥百分比為70%，當季肥料利用率為40%。

2.2.1 施肥管理決策結果

根據上述基本信息首先進行土壤基本理化性狀評價，評價結果表明該土壤適宜烤煙生長，土壤有機質、堿解氮、有效磷均在優質烤煙適宜標準范圍內，但有效鉀含量較低，應通過施用鉀肥來保證烤煙的生長。然后利用本系統中“施肥管理決策”中的地力差減法和養分平衡法決策肥料施用方案，輸入上述相關參數值，得出結果見表2。

2.2.2 耗水量及灌水量決策結果

根據表2施肥決策結果，在“耗水量及灌水量決策”模塊輸入相應參數，選擇適宜的計算方法，可以同時計算作物耗水量和灌水量結果，如表3和表4所示。從表3和表4結果表明本系統水肥決策方案實施后，結果表明實際產量與目標產量接近，相關系數均較高。通過實際運行證明本系統決策精度較好，可以在貴州煙區進行烤煙水肥管理決策。

表2 水肥試驗施肥決策方案 kg/hm2

注：“-”表示沒有此項。

表3 水肥試驗節水灌溉決策方案 mm

注：“-”表示沒有此項。

表4 水肥試驗結果Tab.4 Results of watering and fertilzing test in Guizhou

注：r為目標產量與實際產量的相關系數。

2.2.3 灌排逐日決策結果

因水肥試驗氣象資料收集不完全，故不對烤煙進行全生育期逐日灌排決策。根據試驗過程中移栽后第30天(旺長期)的烤煙生長、地區、天氣和土壤水分狀況等情況，輸入其他相應參數后，晴天最高和最低氣溫分別為30°和25°，有效積溫為540°，風力等級為3，大氣頂部理論太陽輻射為168 J，日序數為163，當地海拔高度為1 100 m，緯度為26°，水分控制下限為80%，土壤干容重為1.59 g/cm3，田間持水量為38.8%，本日降雨量為0 mm，土壤計劃濕潤層深度為0.5 m，潛水蒸發量、地表徑流量和土層下邊界滲流量均為0 mm，計劃濕潤層土壤平均含水率為30%。得出灌排決策結果為“今日至少單位面積灌水量為9.4 mm，本日末土壤有效儲水量為0 mm，土壤含水率達到控制下限。”。上述結果中有效儲水量為0 mm是指最少量的灌溉水分均被吸收完全，土壤中需要再次灌水才能維持煙草正常生長。

2.2.4 優質烤煙常規品質評價

選取水肥試驗烤煙常規化學品質結果(表5)輸入各化學成分含量后，在本系統進行對煙堿/總氮、總糖/煙堿、總糖/總氮、鉀/氯的評價，后臺保存所有數據。可得出評價結果為“僅煙堿與總氮比值較低，其余指標均在適宜范圍內。”

表5 水肥試驗烤后煙葉常規品質結果 %

3 討 論

我國現代農業的發展是從傳統農業轉變而來，但缺乏農技力量和科技服務，農業科技成果推廣和轉化效率低，嚴重制約著我國發展可持續農業。其中科技成果轉化效率低也嚴重制約著烤煙產量、質量和產值效益的提高。煙草是一種經濟作物，栽培生產環節多，技術性強。目前，煙農對煙草栽培科技的了解還不多，現代科技成果手段為烤煙栽培服務還不到位。將已有的煙草科研成果、實踐經驗和專家知識盡快轉變為現實生產力成為煙草栽培中亟待解決的重要問題。專家系統正是解決上述問題的關鍵技術，利用現代計算機技術和網絡科技，將科研成果、實踐經驗和專家知識融合在一起，方便快捷地管理農業生產。不僅提高了成果的轉化效率，更為農業可持續發展提供了一定方向。目前國內研發的煙草栽培專家系統不多，且功能不全或者不適宜煙農直接應用。雖然“烤煙配方施肥專家系統”[23]、“植煙田施肥推薦支持決策系統”[24]，能生成大尺度下地理信息土壤肥力分布圖、分析土壤肥力資源、提供施肥咨詢與配方推薦。“基于PAID4.0的烤煙實時灌溉預報與決策專家系統”能夠根據當日氣象資料計算所需的灌溉水量[20]。安徽省皖南地區的“優質煙葉栽培管理專家系統MESTCM”[25]、“麻江烤煙專家系統”[26]，它們均具有可視化、網絡化、知識化、模塊化、智能化的特點。陳杰[27]研發的“網絡化煙草栽培專家系統和煙區土壤資源WebGIS開發”能很好進行煙草生產決策管理，該系統集成煙草種植理論和實用技術、計算機網絡技術、網絡GIS技術，有效地實現分布式系統后臺管理，能在空間尺度上進行煙區數據的查詢與顯示，直觀形象生動地實現煙草植物營養及病蟲害的遠程診斷以及相關的信息技術知識表達，土壤基礎信息數據的網絡共享促進了煙區土壤知識的普及，實現了土壤資源的合理配置與利用。但受基層技術人員及煙農的知識水平及應用能力，上述專家系統并沒有在煙區推廣使用。

為更好的服務基礎技術人員及煙農，也為更全面的了解所生產煙草的品質等，本文研發利用現有研究成果，采用“正向推理”策略求解問題，以Visual Basic 6.0程序設計語言開發出基于Windows操作平臺的烤煙水肥一體化管理系統“烤煙水肥專家決策管理系統”。本系統是從烤煙水分、肥料等生產需求出發，首先開發了“耗水量及灌水量決策”、“施肥管理決策”模塊。為解決實際生產中信息的不完全，考慮實際每日灌排的要求，補充水肥的決策依據，增加了“植煙土壤基本理化性狀評價”、“優質煙葉常規品質評價”、“煙草常用種植技術”、“逐日灌排決策”以及“歷史結果查詢”等功能模塊，最終完善烤煙水肥的專家管理。本系統特點在于不僅能同時進行N、P、K施肥的計算，還能同時計算耗水量及灌水量。還對植煙土壤及烤后煙葉進行基本評價，通過預報當日灌排情況做到日常管理。最終給貴州地區基層技術人員和煙農提供適宜的水肥管理方案。實際應用表明決策精度非常高，決策方案易懂，能簡單實施應用，取得良好的效果。本系統豐富了烤煙專家系統的應用范圍，為烤煙農業專家系統的深度開發提供了新的思路。

但本系統仍有不足之處，主要是水肥產量模型中自變量還需要考慮其他生長影響因素，對不同地區、不同品種也需要總結出不同的產量模型。本系統的計算是基于相應的公式及使用者給的參數值，需要使用者給出正確的參數值。未來可以在大數據的支持下能夠對輸入的參數值進行分辨。進一步的開發能夠在手機、掌上電腦等便攜移動終端上運行的煙草水肥管理一體化專家系統，將農業信息網絡與農業專家系統相結合，制定實際可行完善的煙草水肥管理方案，推動煙草行業的信息化發展。

4 結 語

本文以Visual Basic 6.0程序設計語言開發出基于Windows操作平臺的烤煙水肥一體化管理系統“烤煙水肥專家決策管理系統”，主要包括系統使用說明模塊、煙草常用種植技術模塊、施肥管理決策模塊、登錄及用戶管理模塊、耗水量及灌水量決策模塊、灌排逐日決策模塊、優質烤煙常規品質評價及歷史結果查詢模塊等九大功能模塊。本系統特點在于能同時進行N、P、K施肥以及耗水量、灌水量的計算。還對植煙土壤及烤后煙葉進行基本評價，通過預報當日灌排情況做到日常管理。