一款基于变量施肥理论和B/S架构的应用软件的研发

刘宇锋 李承夏

摘  要：针对我国科学施肥水平较低的现状，研发了“土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0”应用软件。软件基于变量施肥理论和B/S架构，以目标产量法和养分平衡法为算法核心，以作物养分需求为依据，可获得土壤供肥能力、作物目标产量养分需求量、肥料施用量、有机肥施用量等数据，能对土壤肥力进行科学评价;软件具有计算结果保存和打印输出功能。作为一款符合互联网时代要求的软件将为作物施肥提供科学、准确的软件技术支持。

关键词：变量施肥理论;B/S架构;土壤供肥能力;作物科学施肥;软件研发

中图分类号：TP319      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0099-08

Abstract：In view of the low level of scientific fertilization in China，an application software of “soil fertilizer supply capacity and crop scientific fertilization expert system V2.0” was developed. Based on variable rate fertilization theory and B/S architecture，the software takes the target yield method and nutrient balance method as the algorithm core，and takes the crop nutrient demand as the basis. It can obtain the data of soil fertilizer supply capacity，crop target yield nutrient demand，fertilizer application amount，organic fertilizer application amount，etc.，and can scientifically evaluate soil fertility. The software has the function of saving calculation results and printing output. As a software in line with the requirements of the Internet era，it will provide scientific and accurate software technical support for crop scientific fertilization.

Keywords：variable fertilization theory;B/S architecture;soil fertility assessment;crops scientific fertilization;software development

0  引  言

目前我國农业化肥施用多停留在经验施肥的水平，肥料施用随意性大，科学施肥水平较低[1]。据统计，我国的化肥平均施用量已达434.6 kg/hm2[2，3]，远远超出发达国家为防止化肥对水体造成面源污染设定的225 kg/hm2的安全上限，是国际标准的1.93倍以上[4]。我国化肥平均利用率仅为30%～40%，同期欧美农业发达国家粮食作物化肥平均利用率为50%～65%[5]，我国肥料利用率与国外先进水平间存在一定差距;化肥的增产作用并未完全发挥，肥料施用量过大并造成了资源浪费和农业面源污染[6]，因此实行变量施肥理论和技术是我国农业可持续发展必然选择。

变量施肥理论和技术作为精准农业重要内容之一，因地制宜的思想体现了精准农业的精髓。变量施肥的基本原理是根据土壤养分存在差异的特点，按照耕作的田块的需要，对肥料进行“变量投入”，根据土壤的养分进行施肥，力求在保证一定目标产量的情况下，充分利用原有土壤肥力，提高化肥利用效率，实现降低施肥投入、提高土地产出、减少污染及保护环境的目标[7-9]。同时，科学施肥与土壤条件、作物需肥特点、自然环境条件和肥料品种等密切相关[10]。不同作物其吸收养分总量和养分比例不同，需要了解种植作物需肥规律;不同地区的自然条件，如气候、地貌、土壤肥力水平和耕作习惯不同，施肥参数也不相同;施肥量与土壤条件、作物需肥特点、自然环境条件和肥料品种之间的复杂关系对非专业人员而言较难掌握，人工计算需要深厚的理论基础。土壤供肥能力大小需要通过计算模型进行土壤供肥能力运算，计算过程繁琐且运算量大;同时，人工计算也很难保证结果的准确性。为减轻工作量、提高工作效率和运算结果准确性，研发相关科学施肥软件势在必行。

目前国内已经研发多款推荐施肥系统：如北京中农博思科技发展有限公司开发的农博士肥料配方软件[11]、广西测土配方施肥决策系统[12]、云南双柏县测土配方施肥专家系统软件[13]、三江平原测土配方施肥TRPF系统[14]等，部分属于需要安装包的桌面软件，其软件开发完成后，软件结构和内容基本固化，数据更新和内容修改完善较为困难，重新修改需要重新发布安装包，灵活性和适用性欠佳，不适用互联网时代软件发展的要求。互联网时代的显著特征是软硬件资源共享，数据处理通过网络服务器完成，客户的各类型终端成为连接网络的末梢节点[15]。因此，计算机软件开发与应用需紧紧跟随互联网时代发展的步伐，以创新驱动、智能化为发展方向，以社会需求和客户体验为发展重点[16-18]，运用程序逻辑的设计来更好地实现更便捷更精确的预期。

随着互联网和计算机技术在农业领域的深度融合和广泛应用，将变量施肥原理与网络软件相结合，研发出一款土壤供肥能力和作物科学施肥的计算机软件，即作物科学施肥专家系统，成为农业科学施肥应用研究的一个重点。如何将变量施肥理论和原理与互联网时代计算机软件结合，让使用者不仅能在电脑上使用相关科学施肥软件，而且能够在无线网络条件下利用各种智能终端使用相关科学施肥软件指导科学施肥工作，弥补传统桌面软件的不足，能实时对软件进行更新、维护与管理，这些都对科学施肥软件本身提出了更高的要求。土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0以作者学习的土壤肥料理论文献为基础，结合作物专用肥料研发试验中获得相关计算方法与数据，并将变量施肥理论与互联网软件技术相结合，最终成功将土壤肥料专业理论优化组合研发出相应的计算机软件，既解决了土壤肥料生产实践中的实际问题，也符合互联网时代软件研发的要求。

1  软件介绍

1.1  整体构架和开发工具

应用程序软件主要有两种模式：客户机/服务器（Client/Server，C/S）和浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）[12，13]。本软件“土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0”就是采用B/S架构的网页应用程序，其整体架构关系如图1所示。

土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0采用ASP V3.0、HTML V5.0编程语言进行编写，源程序代码13 900行，本软件兼容当前主流网页浏览器。

1.2  软件功能

依据设计要求赋予本软件7项主要功能，如表1所示。

1.3  算法模型

本软件主要涉及5项理论算法的算法模型：土壤供肥量算法模型、作物目标产量养分需求量算法模型、肥料施用量算法模型、土壤肥力肥力评价模型和有机肥最低施用量计算模型。

（1）算法模型1：土壤供肥量算法模型。土壤供肥量以土壤速效养分指标为基础[19]，依据式（1）进行运算：

其中，0.15代表每667 m2的换算系数;土壤养分校正系数，表示土壤测定值与作物产量的相关性，一般采用0.55[20，21]。

（2）算法模型2：作物目标产量养分需求量算法模型。对各种作物的单位质量经济产量吸收的养分量数据值为依据[19，22]，按照式（2）运算：

本软件对各作物的最高产量进行了说明，避免随意输入目标产量数值而造成错误。

（3）算法模型3：肥料施用量算法模型。根据作物目标产量需肥量与土壤供肥量之差为人工施肥量，通过肥料养分含量和肥料当季利用率计算肥料施用量[14]，式（3）为：

其中，本软件中花生作为豆科作物，具有一定的自身固氮作用，氮肥施用和计算时，需要考虑自身固氮能力的大小和影响。

（4）算法模型：4：土壤肥力评价算法模型。使用目标地块土壤有机质含量、碱解氮、速效磷、速效钾等4个土壤数据指标，并结合各指标在土壤肥力综合评价指数式（4）及其权重，获得相应的土壤肥力综合评分;依照评分标准给予目标地块的土壤肥力等级[23]。土壤肥力综合评价指数（I）如式（4）所示：

其中，I代表土壤综合肥力指数，Fi为第i个指标评价值，Wi为第i个指标的权重。

（5）算法模型5：有机肥最低施用量算法模型。依据土壤有机质含量分析获得数据，获得土壤单位面积内有机质的质量;依据土壤有机质的年矿化率，计算获得单位面积矿化土壤有机质消耗量;单位面积土壤矿化有机质的消耗量，即为人工有机质施入最低量;分析有机肥的有机质含量和含水率，代入式（5）就可计算保持土壤有机质含量不下降的有机肥最低施用量[24]。

其中，单位面积土壤质量按1.5×105 kg/667 m2，土壤有机质年平均矿化率按3%进行计算[25]。

1.4  软件界面

土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0作为一款网页应用软件，通过网页浏览器打开软件所在网址即可访问并使用本软件。软件主要由首页、系统计算、系统介绍和成果展示4个功能页面组成，如图2所示。如图2（a）所示，首页（主要包括4个主界面的入口，6个功能模块的快速入口，系统介绍、研发团队和软件功能介绍等内容。如图2（b）所示，系统计算模块包含了5种作物科学施肥计算、土壤肥力评价和有机肥最低施用的计算模块等内容，是整个软件的核心，所有计算数据和分析结果均在此模块中显示。如图2（c）所示，系统介绍由软件原理说明、研发团队所在单位和研发团队人员简介等3部分组成。如图2（d）所示，成果展示主要展示了本应用软件在各作物施肥工作应用的图像资料。

软件设置了如图3（a）所示的认证界面和如图3（b）所示的登录界面，软件使用者需经过软件管理员确认授权后，才能登录并使用本软件，以确保软件安全、稳定运行。

2  操作流程

在网页浏览器地址栏输入http：//www.shifeibao.cn/的软件网址后出现软件主页。点击软件右上部的“进入系统模块”按钮后，输入注册的账号与登录密码后，进入主计算界面。软件具体的操作流程如图4所示。

主要操作步骤分为：步骤1：选择甘蔗、水稻、玉米、花生和马铃薯5种作物，并依据合理目标产量，計算达到目标产量的各养分需求量;步骤2：通过土壤相应理化指标数据，获得土壤供肥能力数据;步骤3：目标产量的养分需求量与土壤供肥量的差值，即为人工养分施入量;步骤4：作物施肥量和施肥成本计算，在这个步骤中分为人工选择单质化肥的施肥量和施肥成本计算、单质化肥最低施肥成本的施肥量自动寻优计算、普通复合肥与单质化肥配施、最低施肥成本的施肥量自动寻优计算3个功能模块。

人工选择单质化肥的施肥量和施肥成本计算是使用者人工选择肥料种类，输入肥料养分含量和单价，依据人工施用养分量计算出各肥料的施用量和施肥成本，这种方法最简单，但实用性较差。单质化肥最低施肥成本的施肥量自动寻优计算，是以17种单质化肥养分单价和含量数据库为基础，建立所提供各作物所需养分所有可能组合，其中甘蔗和花生N、P、K、Ca单质化肥240种组合，而水稻、玉米、马铃薯等N、P、K单质化肥组合48种，依据计算获得的人工养分施入量的数据，计算获得所有单质肥料组合的价格和施肥量，依据预设程序选取最低成本的单质化肥组合，即完成作物单质化肥最低施肥成本的施肥量自动寻优计算过程。普通复合肥与单质化肥配施，最低施肥成本的施肥量自动寻优计算，使用者人工选择通用复合肥种类并输入单价，首先满足人工施用养分量中最低的养分施入量，并以此确定通用复合肥施用量，剩余的人工施用养分量使用单质化肥最低施肥成本的施肥量自动寻优计算方法确定单质化肥种类、计算施肥量和施肥成本。

3  软件特色

3.1  B/S架构的网页软件

B/S类软件一般是通过网页浏览器运行的网页应用软件。网页应用程序的优势在于依托网络服务器的强大运算能力，用户只需通过网页浏览器即可直接访问应用程序，运行时占用内存少，不需要软件安装包，不产生程序安装环节，避免了程序安装过程可能出现的不可预测问题的缺陷;同时软件设计与开发人员可依据用户反馈信息对软件进行实时修改和完善，软件的生命周期更长。

3.2  提示作物目标产量的合理范围

作物类型的选择和作物目标产量的输入是获得達到作物目标产量主要养分需求量的基础，其计算结果是依据各作物单位质量的养分需求量的计算模型获取。为了避免使用者对选择的作物随意输入目标产量导致的不合理的养分计算结果，如图5所示，本软件在设计中进行了相关设置，分别用红色标记和文本提示框以提醒使用者，明确选定作物的当前上限产量，避免出现数据溢出。

3.3  肥料单位提供了标准单位与习惯单位

化肥养分含量有标准单位（g/kg）和习惯单位（%）2种表示形式。标准单位主要在书面正式场合（论文）使用，习惯单位主要在化肥流通销售领域（肥料包装）应用。为简化单位换算过程，减低使用难度，如图6所示，本软件系统在肥料养分含量的下拉菜单中分别设置了标准单位和习惯单位2种表示形式，便于使用者依据实际情况灵活选择使用。

3.4  设计了3种作物科学施肥计算方案

软件设置了作物科学施肥和成本计算模块3个主要功能模块。人工选择单质化肥的施肥量和施肥成本计算、单质化肥最低施肥成本的施肥量自动寻优计算、普通复合肥与单质化肥配施，最低施肥成本的施肥量自动寻优计算3个功能区，使用者能灵活地选择化肥施用的种类和组合方式，更加符合农业施肥生产实际，拓宽了本软件的使用范围。

3.5  设计了土壤肥力评价和有机肥最低施用的计算模块

如图7、图8所示，土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0增加了土壤肥力量化评价、土壤有机肥最低施肥量计算2个功能模块。

以土壤和有机肥料理化分析数据为基础，通过量化计算模型和评价标准，有效地解决了如何得到科学有效的土壤肥力等级评价和有机肥如何合理使用的实际问题。

3.6  所有结算结果均能保存、查看和打印输出

如图9所示，软件在土壤供肥能力和作物科学施肥、土壤肥力评价、有机肥最低施肥量计算3个主要板块中，均设置了“查看保存结果”的模块，方便使用者了解使用本软件的整体数据计算情况。

如图10所示，在“查看保存结果”模块中，对完成运算的所有结果以统计报表形式加以汇总，并设置了打印功能，便于使用者将计算结果打印输出。

4  结  论

土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0以变量施肥理论为基础，土壤自身肥力状况和作物生长所需的养分要求，使用者可根据实际自主选择肥料种类，也可以系统自动寻优选择化肥种类、计算施肥量和施肥成本等多种施肥量运算模式，并提供了土壤肥料评价和有机肥最低施用量功能模块，扩展了本软件的配套功能，从而达到合理施肥，培育土壤肥力，减少环境污染的目的。本专家系统采用B/S软件架构，界面友好且亲和力强，缩短使用者对软件所需的理解时间，避免出现不必要的操作失误;全部分析模块用分类形式集中在同一界面显示，所有运算过程和计算结果集中、同步显示于同一界面，简洁明了，方便实用。

土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0作为V1.0的深度改良版，继承了土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V1.0版本的基本构架和核心算法，在V1.0版本基础上进行了较大幅度的修改完善，克服其存在的漏洞和不足，除了保留V1.0版本免安装、易维护、共享性强、数据计算结果准确、可靠性高等特色外，还丰富了肥料施用种类与组合的内容，增加了肥料寻优计算、土壤肥力评价、有机肥最低施用量计算和数据保存与输出等内容。目前本软件目前已经申请获得国家计算软件著作权登记证书（登记号：2020SR1182061）。随着互联网技术的飞速发展和土壤肥料理论研究与应用的不断深入，本软件也将与时俱进，不断丰富与发展。

在互联网时代和各种智能终端普及条件下，农业技术员、农业生产大户和肥料经销商的利用各种移动智能网络终端，可方便使用本软件科学指导农民合理施肥、及时服务农业生产，从而进一步提高了施肥精确性，提高了肥料利用率，降低施肥成本，增加了农业经济效益，减少环境污染。土壤供肥能力与作物科学施肥专家系统V2.0应用前景广泛，助力我国农业可持续发展。

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作者简介：刘宇锋（1980—），男，汉族，湖南湘阴人，副研究员，博士，研究方向：作物科学施肥与应用。