大數據背景下作物施肥推薦系統的開發與應用

李莉婕， 童倩倩， 陳維榕， 趙澤英*， 彭志良， 陳海燕， 岳延濱， 韓 峰

(1.貴州省農業科學院 科技信息研究所， 貴州 貴陽 550006； 2.貴州省土壤肥料工作總站， 貴州 貴陽 550001)

測土配方施肥技術是實現節肥與作物增產的重要舉措。目前，肥料投入已占農資投入的40%以上，對糧食產量的貢獻率達40%～60%[1]。我國大力推廣測土配方施肥技術服務，并在基層配方肥經銷點配備施肥專家咨詢系統(觸摸屏)，方便農民查詢測土信息和作物施肥方案[2]。貴州省實施測土配方施肥的田塊較常規施肥田塊每667m2平均增產8%以上[3]。測土配方施肥為提升耕地的綜合生產能力發揮了重要作用[4]。為提高技術轉化的入戶率，解決測土配方施肥技術成果轉化技術到位率低的問題，我國各地除制作施肥指導卡發放給農戶外，紛紛利用信息技術開發基于不同平臺、不同載體的智能終端配方施肥技術專家系統，使基層農技干部或農戶通過系統獲得施肥咨詢，為農戶獲得精準化、個性化服務提供便捷輔助工具[5-6]。任周橋等[7]建立基于知識庫的施肥決策系統并較好地模擬了現實施肥的決策過程。方舒等[8]構建基于施肥單元的基礎數據庫，并依據相關施肥模型計算不同單元的施肥方案。熊凱等[9]針對多種作物構建以同類型村級地塊為最小施肥單元的測土配方施肥綜合服務平臺。隨著計算機技術、遙感技術和施肥專家系統等的不斷發展，施肥信息系統逐漸趨向于智能化、便捷化和精確化[9-11]。龍騰等[12]設計實現具備數據管理、地圖制圖、耕地地力評價、施肥建議和變化監測等功能的測土配方施肥信息服務系統。車明亮等[13]結合GIS、GPS及無線通信技術，構建基于GIS無線服務的小麥氮肥施肥推薦系統，實現小麥氮肥施用的實時推薦查詢。張濤等[14]采用分布式網絡體系結構基于Web構建在線咨詢、實時決策和發布的施肥系統；張國峰等[15-17]建立移動端測土配方查詢系統，實現了對土壤信息和施肥決策的在線和本地查詢。隨著大數據時代的到來，精準施肥模式實現了由傳統GIS離線式分析的組織與存儲、模型驅動、簡單可視化向實時分析可擴展的動態處理與管理、數據驅動、可視化分析的大數據GIS轉變。何山等[18]對大數據時代精準施肥模式的路徑和方法進行了探索；顧洪瑞等[19]初步建立了基于云計算的測土配方施肥服務系統。

貴州山區地形起伏大、耕地破碎、土壤類型多樣，致使養分空間分布的連續性與漸變性受阻斷；分散經營體制下人為因素對養分空間分布的影響大。趙澤英等[20-22]開發的喀斯特山區測土配方施肥決策系統為推行科學施肥提供了技術支撐。但目前貴州省測土配方施肥推廣方式仍是由縣、鄉、村服務中心(站)通過養分平衡配方法或地力分區配方法計算制作施肥指導卡發放給農戶，農民根據指導卡選購肥料并施用，費時費力，推廣面相對較窄。鑒于此，依據主要農作物測土配方施肥技術成果，采用大數據技術、農業專家系統技術與3S技術相結合的方法開發基于桌面版、觸摸屏版、手機版的貴州主要作物及特色果蔬耕地施肥信息服務系統，并進行推廣應用，以期完善施肥技術推廣服務體系，滿足測土配方施肥技術多層次推廣模式的需要。

1系統的設計與技術開發

1.1設計

系統以貴州測土配方施肥工作成果數據為基礎，利用數據庫技術和GIS技術建立以縣、鄉鎮為系統單元的施肥空間數據庫和屬性數據庫。用戶確定地塊位置后，系統可自動獲取該單元的立地條件及養分信息等屬性數據，并實現精確到地塊的施肥推薦。系統主要由施肥分區、推薦施肥、耕地信息查詢、農業知識庫及參數維護5個部分組成(圖1)。

圖 1作物施肥推薦系統框架

Fig.1 The framework of crop fertilization recommendation system

1.2技術開發

桌面版和觸摸屏版施肥推薦系統分別以計算機、觸摸屏為載體，采用專家系統技術結合GIS技術，以Microsoft．NET Framework為平臺，Microsoft Visual Studio C#2008為工具，Arc GIS Engine和Access為數據庫集成開發施肥服務系統。通過系統可實現作物氮、磷、鉀肥及微肥的使用量、施用時期分配、施肥方法的決策推薦，生成施肥建議卡并打印輸出。移動端施肥推薦系統以Android 4.0以上操作系統、內存32G以上、支持GPS的智能手機為平臺，可實現作物施肥決策推薦、采樣點查詢等功能。

2系統的功能

2.1施肥分區

依據農業部在貴州省實施的測土配方施肥項目的土壤測試數據、1∶10 000的第二次農村土地調查產生的土地利用現狀圖、第二次土壤普查的1∶50 000的土壤圖等資料，以市、縣、鄉鎮為測土配方施肥信息服務系統運行單元建立施肥推薦系統屬性數據庫和空間數據庫。建成貴州省全省市州級數據庫10個(9個地州+貴安新區)，縣級數據庫97個(88個縣市區+9個開發區或風景區管委會)，鄉鎮級數據庫1 511個。以氣候條件、土壤類型、地貌類型、當前耕作制度、生產水平等為表征，在求大同、存小異，以鄉鎮為界打破縣域行政界線的條件下，劃分了貴州主要作物的施肥分區。

2.2推薦施肥

2.2.1地圖推薦地圖推薦施肥是系統的核心內容。系統可對貴州省不同生態條件下主要作物的施肥提供決策咨詢，咨詢分為面上服務的單元配方和根據采樣點進行的采樣配方。配方的推薦達到個性化服務，能實現氮磷鉀肥的使用量推薦、施用時期分配、不同肥料品種的組合決策、產量預測及效益估算等功能。

在系統主界面點擊地圖推薦施肥按鈕打開地圖推薦施肥界面。系統提供了縣界、鄉鎮界、村界、小地名、公路、水庫(河流)、城鎮、居民地、耕地單元、衛星圖片等圖層，用戶可以通過勾選圖層名稱開關選擇需要加載的圖層，通過工具條中放大、縮小、復位和漫游等導航按鈕的觸擊實現對地圖單元顯示的控制。手機版系統還可以通過GPS定位用戶所在的地塊位置，使用戶更便捷的確定耕地所處空間位置。選定地塊單元后，進入推薦施肥界面，在該界面用戶按照實際情況通過下拉單選框選擇作物種類，點擊系統的數字小鍵盤輸入地塊面積、常年產量等信息，或根據所在區域的特點及自身經驗對界面中參數進行一定程度的調整，然后選擇當地經銷的單質肥料種類或復合肥比例后，系統自動計算該地塊施肥純量、總肥料用量、追肥時期及用量等信息，并可以直接打印施肥建議卡供農戶使用。

2.2.2樣點推薦施肥對曾采樣地塊進行科學推薦施肥是本模塊的核心功能。建立各縣區歷年來測土配方施肥項目采樣點數據庫，用戶通過鄉鎮名、村名、農戶姓名、地塊名稱等下拉菜單的選擇確定采樣單元，系統自動調出采樣地塊的詳細信息如面積、土種類型、采樣時間、土壤理化性狀等，并在此基礎上獲取施肥推薦。樣點推薦施肥針對性地為測土配方施肥工作中已采樣的農戶提供施肥建議，能夠為農戶施肥提供個性化的咨詢決策服務，在系統推廣應用中更易于農戶接受。

2.3耕地信息查詢

包括土壤屬性查詢、采樣點查詢和采樣點分布查詢。土壤屬性查詢提供地圖上任一耕地單元所在村組、土壤類型、立地條件、土體構型和理化性狀等信息；采樣點查詢提供曾采樣地塊的土壤屬性、地力產量等已調查的詳細信息；采樣點分布查詢可在地圖上顯示到已采過土壤樣品的精確位置，為農技人員下一步科學采樣提供參考。

2.4農業知識庫

系統面向對象以基層涉農技術部門和農戶為主，知識庫以作物栽培管理與測土配方施肥知識為中心，包括貴州主要農作物以及特色果蔬、中藥材的優良品種、栽培管理技術、作物缺素癥狀和病蟲害防治技術等文本、圖片與視頻課件。根據各地區農業生產特點，用戶可以有針對性地選擇適宜該地區的農業生產技術。

2.5參數維護

施肥參數模塊包括每100 kg產量吸收量、目標產量、肥料當季利用率、土壤養分豐缺指標、土壤有效養分校正系數、肥料效應函數和施肥時期運籌等參數[23]。模塊提供作物施肥參數的查詢、修改和導出功能。參數庫包括水稻、玉米、油菜、馬鈴薯、辣椒、大白菜、火龍果、蘋果、百香果和獼猴桃等作物和果蔬的推薦施肥指標參數1 511套，來源于1 939個3414田間肥料試驗，2 214個配方施肥與常規施肥同田對比試驗，以及多年來貴州田間肥效試驗等試驗結果。在作物目標產量的計算中，若有空白產量(未施肥地塊產量)，系統根據地力差減法進行計算；若有前3年平均產量，系統根據目標產量法及土壤有效養分校正系數法進行施肥推薦的加權計算；若2種數據均有，則按照2種推薦結果加權計算；若2種數據都沒有，則根據經驗輸入目標產量，系統根據耕地所處分區，采用效應函數法和目標產量法進行施肥推薦。系統在進行施肥決策時，所有條件在同一界面完成選擇輸入，選擇條件時系統調用前期采集信息數據庫中的數據(土種類型、質地和土壤養分測試值等)，以簡化咨詢流程。系統還提供了數據查詢和數據導出功能。數據采集和更新的方法以及采集的數據要具備能夠根據用戶提出的新數據需求而適時調整和完善的能力。

3系統的應用

3.1施肥推薦服務

目前已獲得國家版權局計算機軟件著作權的施肥信息服務系統有《測土配方施肥觸摸屏查詢系統V1.0》(登記號：2012SR113468)、《測土配方施肥專家咨詢系統V1.0》(登記號：2013SR136067)和《基于Android的手機測土配方施肥推薦系統》(登記號：2014SR043485)，系統已在貴州省69個縣(市、區)推廣應用(圖2)。系統的應用在一定程度上推動了測土配方施肥技術的信息化、智能化推廣，為農民提供了直觀、簡便、科學的施肥指導，提高了農技人員的工作效率，樹立了農民的科學施肥觀念，擴大了測土配方施肥技術的推廣應用范圍，有力地支撐了節約肥料資源、減少農業面源污染、改善生態環境的目標。

圖2系統在貴州省的推廣應用情況

Fig.2 Popularization and application of the crop fertilization recommendation system in Guizhou Province

3.2觸摸屏版施肥推薦服務

觸摸屏是目前最簡單、方便且適宜于農戶使用的信息查詢輸入設備[24]。施肥系統安裝在觸摸屏一體機上后可安放在農資經銷處等公眾場合使用，使農民便捷地瀏覽、查看和打印所需信息。觸摸屏版施肥系統可對貴州省各縣不同生態條件下的主要作物和果蔬施肥提供決策咨詢，咨詢分為面上服務的單元配方和為采樣點提供的個性化施肥配方，能實現氮、磷、鉀肥的使用量推薦，施用時期分配，不同肥料品種的組合決策、產量預測和效益估算等功能。用戶通過在觸摸屏上操作實現對自己田塊相關信息的瀏覽、查詢，對田間任何位點(或任何1個操作單元)進行配方施肥的咨詢，打印施肥建議卡。2011—2019年系統已在息烽、福泉等68個縣(市、區)推廣應用600余套，系統服務農戶304.92萬戶，累計服務指導作物種植274.42萬hm2，在一定程度上滿足了農業推廣部門的指導需求，提高了農民的科學施肥觀念，為深化測土配方施肥技術應用奠定了基礎。

3.3基于Android手機的施肥推薦服務

系統以移動終端為載體，農技人員可以隨時隨地查詢所處位置的耕地資源信息和相關農技知識。由施肥(分地圖推薦施肥、樣點推薦施肥、輸入數據推薦施肥、配方施肥技術資料和肥料施用技術等模塊)、技術(分水稻、玉米、蔬菜、果樹等種植技術的模塊和生產技術視頻資料)、查詢(分土壤屬性、耕地地力等級、采樣點和行政區搜索等)、維護(包括登錄、數據更新、版本、說明、設置在線或離線等)等部分。系統可對田間耕地的任何位點進行定位，通過肥效模型算法，實現地塊的作物施肥推薦。系統在平時離線運行，在需要以貴州全省、市(州)的地圖進行運行時以ARCGIS SERVER地圖服務的在線地圖方式實現，所有的離線地圖、數據均需要從軟件中自行下載更新，提供的安裝包只帶1個基礎數據。同時，系統提供的農業技術知識和視頻等可以更好地為作物種植提供有效幫助。該系統已在黔東南州和錦屏、羅甸等21個縣市累計已推廣應用420套。

4小結

隨著信息技術的發展，國內外學者借助信息手段對推薦施肥進行了探索，精準施肥技術成為精準農業的最早應用領域，也是未來高效施肥研究與應用的主要方向[25]。作物施肥推薦服務系統采用以用戶為本的軟件界面信息設計，在地圖推薦施肥圖層中添加了衛星影像圖和小地名，在樣點推薦施肥中提供了農戶姓名、采樣時間和地塊名稱，有利于用戶對耕地單元進行更直觀的定位，增加了系統的可信度和可操作性。根據用戶的需求建立場景模型，對界面信息結構的設計集中于如何滿足用戶多層次的需求，如用戶可以選擇根據不同的參數進行施肥計算、選擇地圖施肥進行直觀計算施肥及選擇樣點施肥系統自動調出采樣點信息進行計算施肥，或選擇測試施肥對采樣空白區域進行計算施肥，滿足不同用戶的個性化使用需求。

系統的應用大大縮短了農技人員手工填寫施肥建議卡的時間，降低了農技人員的工作強度，提高了農戶對測土配方施肥的認可度和主動領取建議卡的積極性，對擴大測土配方施肥應用范圍有促進作用。系統更新方法簡便，農技人員稍加培訓即可掌握。測土配方施肥工作每年都新增加采樣點及土壤養分分析數據，基層技術人員隨時可在后臺更新當地的施肥參數，獲取更為科學的推薦施肥配比。隨著測土配方施肥工作實施的不斷深入，將進一步細化和調整施肥指標體系，從而建立更為本地化的施肥信息服務系統。