烤烟水肥专家决策管理系统开发与应用

陈丹艳，刘 钰，沈珊珊，王 倩，李修能，邵孝侯

(1.金陵科技学院园艺园林学院，南京 210038； 2.临沂市农业技术推广服务中心，山东 临沂 276001； 3.南京水利科学研究院，南京 210029；4.河海大学农业工程学院，南京 210098)

众所周知，水分和肥料对于作物生长必不可少，是农业生产管理的主要措施。单独的水分或者肥料的管理，而不加以考虑另一个因素的影响，对作物的生长极其不利。谢世尧等[1]以多种水肥管理处理北方寒区水稻种植，发现蓄雨控灌及次低肥的水肥处理模式比其他水肥处理更能促使水稻节水、减排、增效。张立勤等[2]研究结果发现在每公顷灌溉定额3 450 m3、施270 kgN、590 kgP2O、54 kgK2O的水肥互作条件下，制种玉米比其他处理产量、水分利用效率、种植纯收益均显著增加，产投比增加能达0.09～1.41。设施栽培中，张兴国等[3]通过不同水肥处理温室葡萄表明，灌水量3 045 m3/hm2、施肥量750 kg/hm2是提高温室葡萄果实品质的有效灌水施肥模式。刘宇朝等[4]研究发现不同水肥耦合下枸杞生长叶面积、株高、枝条、地径增长速率、日均净光合速率、日均蒸腾速率、叶绿素等差异较大，以每公顷补水量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。刘月等[5]研究认为水分处理2 850 m3/hm2、施氮750 kg/hm2处理是对枸杞生长及土壤环境最适宜的水氮互作处理。烟草是我国一种价值潜力十分巨大的经济作物，具有很高的工业附加值及经济价值[6]。在烟草栽培过程中，水肥管理直接影响了烤烟生长[7]、生理和产质量[8]，对灌溉效率也有很明显的影响[9]。陈竞楠等[10]研究了膜下滴灌条件下烤烟水氮耦合效应，发现伸根期、旺长期、成熟期滴灌量12、16、12 mm/次及施氮量5 g/株节水节肥综合效益最优，灌溉水利用效率明显提高。对水肥的调控是烤烟生长及产量提高的重要手段[11,12]。合理利用水肥是种植优质烟草的主要手段[13-16]，最终增加烤烟产质量和减少成本[17,18]。何佳等[19]对豫中烟区中烟100、豫烟6号和豫烟10号进行水肥一体化技术应用效益分析，发现水肥一体化技术显著提升豫中烟区烤烟产质量，其中豫烟6号表现最优。

我国现有科技对农业增长的贡献率不高，农业科研成果、实践经验和专家知识很难应用到实际生产当中，严重制约着我国发展可持续农业[20，21]。其中农业专家系统是基于专家经验，代替为数极少的专家群体，在各地具体地指导农民科学种田，培训农业技术人员，把先进适用的农业技术直接交给广大农民。随着农业生产中水肥高效利用的提倡，水肥一体化管理决策专家系统是近年来各种作物管理系统开发的焦点。现有如陈雪蛟等[22]设计出水肥一体化专家系统旨在为水肥管理提供作物信息，并没有进行作物生长过程中对水肥的需求决策，还需要人工的进行判断。烟草栽培生产环节多，技术性强，需要精准的农业专家决策系统来进行管理。有关烟草施肥管理的专家系统起步较早，而节水灌溉管理等方面的专家系统研制较晚。如烤烟配方施肥专家系统[23]、植烟田施肥推荐支持决策系统[24]，基于PAID4.0的烤烟实时灌溉预报与决策专家系统[20]。近年来开发的烟草综合栽培管理系统如优质烟叶栽培管理专家系统MESTCM[25]、基于PAID4.0开发平台的麻江烤烟专家系统[26]、网络化烟草栽培专家系统和烟区土壤资源WebGIS开发[27]等，也在烟草栽培中发挥了一定作用。但上述这些烤烟种植管理系统，基于水肥耦合产量函数的烤烟水肥一体化管理决策系统几乎没有开发出来。随着烤烟水肥耦合研究的深入，研制应用于烤烟水肥一体化管理的综合专家系统有利于促进灌溉与施肥的合理地配合，以水调肥、水肥共济，从而提高水分和肥料利用率，增加烤烟产值效应。本文采用利用正向推理策略，利用实际试验数据拟合而成的水肥产量函数，结合其他研究成果，以Visual Basic 6.0(VB 6.0)为开发环境，采用模块化程序设计、面向对象的集成开发模式、Microsoft SQL + Access 数据库及ADO 数据库访问技术，开发应用于烤烟水肥一体管理的专家决策系统《烤烟水肥专家决策管理系统(Water and Fertilizer Decision-making Expert Management System of Flue-cured Tobacco)》。该系统具有简单直接、便于操作、人机直接对话、适于野外等特点，是设施内生产烤烟时可以直接根据具体情况使用的单机版，其中部分功能可以直接在大田生产中使用，后期可以基于本系统开发手机APP版本，以替代专家群体深入农村，让水肥耦合调控技术走入基层，对于促进我国烟草的生产及其科技的普及具有重要作用。

1 材料与方法

1.1 系统总结构

《烤烟水肥专家决策管理系统》包括系统使用说明模块、烟草常用种植技术模块、施肥管理决策模块、登录及用户管理模块、耗水量及灌水量决策模块、灌排逐日决策模块、优质烤烟常规品质评价及历史结果查询模块等九大功能模块(见图1)。

图1 烤烟水肥管理专家决策系统总结构示意图Fig.1 Schematic diagram of total structure for water and fertilizer decision-making system of flue-cured

1.2 系统主要功能模块

(1) 用户管理模块。分管理员(administrator)和普通用户(users)两种身份，其中管理员权限可以重置自身密码，还能新增、删除普通用户信息。普通用户被管理员添加后，仅能重置自身密码。

(2) 系统使用说明模块。该模块包括系统结构和系统使用说明介绍(PDF格式)。

(3) 烟草常用技术模块。包括烤烟漂浮式育苗及移栽、苗期管理、烟田中耕管理、施肥管理、常见病虫害防治、抗旱栽培综合管理、烤烟节水灌溉和植烟土壤及烟叶养分等技术资料查询。其中烤烟节水灌溉查询包括节水灌溉理论、节水灌溉制度、节水灌溉技术及节水灌溉指标，植烟土壤及烟叶养分包括我国植烟土壤养分含量特征、优质烟叶主要化学养分含量和中国国家标准烤烟。

(4)历史结果查询模块。用户通过此模块根据不同情况查询历史植烟土壤养分含量情况、施肥决策结果、烤烟耗水量、灌水量决策及烤烟灌排逐日决策结果。每次显示该查询类型的所有保存结果，不能单独显示某个日期或某个用户决策结果。用户可直接打印显示的查询结果(文档形式)，也可将查询结果输出到excel电子表格里。

(5) 施肥管理决策模块。该模块为本决策系统的主体部分之一。通过地力差减法、养分平衡法计算氮磷钾养分施用量，另外可根据多年试验数据(未列出)拟合的水氮/钾耦合模型(包括水氮/钾耦合阶段耗水量模型、水氮/钾耦合全生育期耗水量模型、水氮/钾耦合阶段灌水量模型和水氮/钾耦合全生育期灌水量模型)计算氮肥或钾肥施用量。通过选择不同的肥料种类确定肥料用量。同时可通过输入当地植烟土壤基本养分含量状况进行土壤养分(pH值、有机质、速效磷、速效钾及速效氮)丰缺评价。其结果均可保存并在历史结果查询模块查询。

(6)耗水量及灌水量决策模块。该模块通过几种水氮/钾耦合模型(包括水氮/钾耦合阶段耗水量模型、水氮/钾耦合全生育期耗水量模型)或Jensen经验模型求出烤烟伸根期、旺长期及成熟期3个生育阶段及全生育阶段的作物耗水量。同时可通过水氮耦合模型(包括水氮/钾耦合阶段灌水量模型和水氮/钾耦合全生育期灌水量模型)求出烤烟伸根期、旺长期及成熟期3个生育阶段及全生育阶段的灌水量。其结果均可后台保存并在历史结果查询模块查询。

(7)灌排逐日决策模块。本模块根据不同气象类型(晴、昙、阴、雨)，在输入所需气候参数及土壤水分状况参数等计算当地参考作物需水量，然后根据水分平衡方程推断出当日是否需要灌水或排水，以及所需的灌水量或排水量。本模块可以直接计算设施内及大田烤烟生产日灌排管理。其结果均可后台保存并在历史结果查询模块查询。

(8) 优质烤烟常规品质评价模块。本模块通过输入相应烤后烟叶的烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾、氯、蛋白质含量，根据优质烤烟评价标准进行常规品质的评价。

1.3 主要决策功能实现原理及方法

1.3.1 施肥管理决策过程

(1)植烟土壤基本理化性状评价。土壤养分含量是评价土壤肥力及质量的关键所在。本系统中植烟土壤基本理化性状评价指标为pH值、有机质含量、碱解氮、有效钾和有效磷含量，综合相关文献研究结果[28-32]确定优质烤烟生产所需的土壤基本理化性状适宜标准为：土壤pH值为5.5～7.0；有机质为1%～3%；碱解氮为45.0～135 mg/kg；速效磷为10.0～40.0 mg/kg；有效钾范围为120～200 mg/kg。

(2)施肥管理决策。本专家决策系统中施肥单因素主要推理过程如图2所示。计算方法为养分平衡法[33]、地力差减法[34]、水钾、水氮计算模型(表1)。不同水钾、水氮模型是根据河海大学课题组相关研究数据(未列出)拟合出的烤烟水肥耦合产量函数。I1、I2、I3分别为伸根期、旺长期、成熟期灌水量，ET1、ET2、ET3分别为伸根期、旺长期、成熟期耗水量，I、ET分别为烤烟全生育期总灌水量、耗水量。上述指标单位均为mm。所有模型中Y、N、K等表示为每亩产量、施氮量、施钾量。

图2 施肥管理推理过程图Fig.2 Process diagram of fertilization management reasoning

表1 烤烟耗水量及灌水量水肥产量模型拟合情况(数据未列出)Tab.1 Yield models of water-fertilizers for water consumption and irrigation of flue-cured (The data was not listed here)

养分平衡法计算公式如下：

F=NC/NRFUR

(1)

NC=PNC(-SN)

(2)

SN=0.15SNCr

(3)

地力差减法计算公式如下：

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

(4)

式中：F为肥料施用量，kg/hm2；NC为养分施用量，kg/hm2；NR为肥料中养分百分含量；FUR为肥料当季利用率；PNC为作物单位产量养分含量，mg/kg；Y和Y0分别为目标产量和空白产量，kg/hm2；SN为土壤供肥量，kg/hm2；SNC为土壤中养分含量，mg/kg；r为土壤有效养分校正系数。

1.3.2 烤烟节水灌溉决策过程

(1)耗水量及灌水量决策。本专家决策系统中耗水量及灌水量决策推理过程如图3所示。

图3 耗水量及灌水量计算推理过程图Fig.3 Process diagram of evaporation and irrigation management reasoning

计算公式可采用水分生产函数[20]计算耗水量如下：

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中烤烟水肥耦合产量函数计算耗水量和灌水量，此时伸根期、旺长期、成熟期耗水模系数平均值分别为0.120、0585、0.194，灌水模系数平均值为分别为0.173、0.524、0.303。水钾耦合模型中伸根期、旺长期、成熟期耗水模系数平均值分别为0.254、0.531、0.215，灌水模系数平均值分别为0.259、0.503、0.238。

(2)灌排逐日管理决策。本专家决策系统中耗水量及灌水量决策推理过程如图4所示。

图4 灌排逐日管理决策推理图Fig.4 Process diagram of daily evaporation and irrigation management reasoning

采用水量平衡法来进行计算烤烟水分蒸散量，计算公式[35]为：

ΔS=P+I+Eg-ET-Rg-D

(6)

ΔS=667γHθ(1-μ)

(7)

ET=KcET0

(8)

式中：ΔS为根系内土壤水分变化，mm；P，I分别为生育期内的降水量和灌水量，mm；Eg为地下水补给量，mm；ET为土壤蒸发植物蒸腾量，简称蒸散量，mm；Rg，D分别为地表径流量和土层下边界渗漏量，mm；γ为干容重；θ为田间持水量(重量含水量)；H为计划湿润层土层厚度，伸根期、旺长期、成熟期分别为20、50、30 cm；μ为水分控制下限，占田间持水量的百分比。其中Kc、ET0具体计算取值见文献[1]。

1.3.3 优质烤烟常规品质评价

综合相关文献研究结果[20, 36, 37]制定优质烤烟常规品质化学成分指标标准为：烟碱1.5%～3.5%、总糖18%～24%、还原糖16%～22%、总氮1.5%～3.5%、钾≥2%、氯0.3%～0.8%、蛋白质9%～11%、总糖/烟碱8.0%～12%、总糖/总氮约为10%、烟碱/总氮≥1%、钾/氯≥8.0%。其中总糖与总氮比值以10%为宜。

1.4 系统运行环境要求

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

屏幕最佳分辨率：1280×800或者800×600小字体。

软件要求：PDF浏览器、Microsoft access 2007、Microsoft excel 12.0 Object library及其以上版本。

硬件要求：主频不低于800 MHz，内存不低于256 M，硬盘不低于500 M。

打印机：Windows XP及以上系统支持的打印机。

2 结果与分析

2.1 主要功能界面设计结果

本文中采用“正向推理”策略，即从前提直接到结论的逐步推导，由用户提供的信息或参数为出发点，根据决策原理进行后台计算或评价，最后直接给出结论。主要功能界面设计结果见图5。用户只需根据人机对话提示，输入相应的用户名和密码进入系统主界面，再根据需要进入各模块。其中用户管理模块从登录模块进入。本系统通过地力差减法、养分平衡法计算氮磷钾养分施用量，其中氮肥和钾肥施用量也可通过水氮耦合或水钾耦合模型计算。然后选择施用肥料种类确定肥料用量。输入当地植烟土壤基本养分含量状况可进行土壤养分(pH值、有机质、速效磷、速效钾及速效氮)丰缺评价。而且通过多种水氮耦合模型以及水分生产函数计算各生育阶段及全生育期耗水量和灌水量。在不同天气 (晴、昙、阴、雨)，通过输入土壤水分基本参数，如水分控制下限、田间持水率、计划湿润层深度等，和实时观测的参数，如初始土壤含水率、当日最高和最低温度等，计算机即可通过推理，预报当日灌排情况，本功能可直接应用于大田生产，输入烤后烟叶品质含量进行优质烤烟评价，最后快速、准确地做出当地烤烟水肥管理决策方案。

图5 系统主要功能模块示意图Fig.5 Main modules for researched system

2.2 实例应用

贵阳烟科所应用本系统进行水肥管理决策。其中供试土壤基本理化性状为：pH值为6.50，有机质为1.96%，碱解氮为130.92 mg/kg，有效钾为31.82 mg/kg，有效磷为51.41 mg/kg。根据以往试验资料单位烤烟产量钾含量0.11 kg/kg，空白产量900 kg/hm2，单位产量氮含量0.06 kg/kg，土壤有效养分校正系数为0.41；肥料品质选用自制生物有机肥(水溶性)，含钾量为0.8%，含氮量为2.5%，基肥百分比为70%，当季肥料利用率为40%。

2.2.1 施肥管理决策结果

根据上述基本信息首先进行土壤基本理化性状评价，评价结果表明该土壤适宜烤烟生长，土壤有机质、碱解氮、有效磷均在优质烤烟适宜标准范围内，但有效钾含量较低，应通过施用钾肥来保证烤烟的生长。然后利用本系统中“施肥管理决策”中的地力差减法和养分平衡法决策肥料施用方案，输入上述相关参数值，得出结果见表2。

2.2.2 耗水量及灌水量决策结果

根据表2施肥决策结果，在“耗水量及灌水量决策”模块输入相应参数，选择适宜的计算方法，可以同时计算作物耗水量和灌水量结果，如表3和表4所示。从表3和表4结果表明本系统水肥决策方案实施后，结果表明实际产量与目标产量接近，相关系数均较高。通过实际运行证明本系统决策精度较好，可以在贵州烟区进行烤烟水肥管理决策。

表2 水肥试验施肥决策方案 kg/hm2

注：“-”表示没有此项。

表3 水肥试验节水灌溉决策方案 mm

注：“-”表示没有此项。

表4 水肥试验结果Tab.4 Results of watering and fertilzing test in Guizhou

注：r为目标产量与实际产量的相关系数。

2.2.3 灌排逐日决策结果

因水肥试验气象资料收集不完全，故不对烤烟进行全生育期逐日灌排决策。根据试验过程中移栽后第30天(旺长期)的烤烟生长、地区、天气和土壤水分状况等情况，输入其他相应参数后，晴天最高和最低气温分别为30°和25°，有效积温为540°，风力等级为3，大气顶部理论太阳辐射为168 J，日序数为163，当地海拔高度为1 100 m，纬度为26°，水分控制下限为80%，土壤干容重为1.59 g/cm3，田间持水量为38.8%，本日降雨量为0 mm，土壤计划湿润层深度为0.5 m，潜水蒸发量、地表径流量和土层下边界渗流量均为0 mm，计划湿润层土壤平均含水率为30%。得出灌排决策结果为“今日至少单位面积灌水量为9.4 mm，本日末土壤有效储水量为0 mm，土壤含水率达到控制下限。”。上述结果中有效储水量为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维持烟草正常生长。

2.2.4 优质烤烟常规品质评价

选取水肥试验烤烟常规化学品质结果(表5)输入各化学成分含量后，在本系统进行对烟碱/总氮、总糖/烟碱、总糖/总氮、钾/氯的评价，后台保存所有数据。可得出评价结果为“仅烟碱与总氮比值较低，其余指标均在适宜范围内。”

表5 水肥试验烤后烟叶常规品质结果 %

3 讨 论

我国现代农业的发展是从传统农业转变而来，但缺乏农技力量和科技服务，农业科技成果推广和转化效率低，严重制约着我国发展可持续农业。其中科技成果转化效率低也严重制约着烤烟产量、质量和产值效益的提高。烟草是一种经济作物，栽培生产环节多，技术性强。目前，烟农对烟草栽培科技的了解还不多，现代科技成果手段为烤烟栽培服务还不到位。将已有的烟草科研成果、实践经验和专家知识尽快转变为现实生产力成为烟草栽培中亟待解决的重要问题。专家系统正是解决上述问题的关键技术，利用现代计算机技术和网络科技，将科研成果、实践经验和专家知识融合在一起，方便快捷地管理农业生产。不仅提高了成果的转化效率，更为农业可持续发展提供了一定方向。目前国内研发的烟草栽培专家系统不多，且功能不全或者不适宜烟农直接应用。虽然“烤烟配方施肥专家系统”[23]、“植烟田施肥推荐支持决策系统”[24]，能生成大尺度下地理信息土壤肥力分布图、分析土壤肥力资源、提供施肥咨询与配方推荐。“基于PAID4.0的烤烟实时灌溉预报与决策专家系统”能够根据当日气象资料计算所需的灌溉水量[20]。安徽省皖南地区的“优质烟叶栽培管理专家系统MESTCM”[25]、“麻江烤烟专家系统”[26]，它们均具有可视化、网络化、知识化、模块化、智能化的特点。陈杰[27]研发的“网络化烟草栽培专家系统和烟区土壤资源WebGIS开发”能很好进行烟草生产决策管理，该系统集成烟草种植理论和实用技术、计算机网络技术、网络GIS技术，有效地实现分布式系统后台管理，能在空间尺度上进行烟区数据的查询与显示，直观形象生动地实现烟草植物营养及病虫害的远程诊断以及相关的信息技术知识表达，土壤基础信息数据的网络共享促进了烟区土壤知识的普及，实现了土壤资源的合理配置与利用。但受基层技术人员及烟农的知识水平及应用能力，上述专家系统并没有在烟区推广使用。

为更好的服务基础技术人员及烟农，也为更全面的了解所生产烟草的品质等，本文研发利用现有研究成果，采用“正向推理”策略求解问题，以Visual Basic 6.0程序设计语言开发出基于Windows操作平台的烤烟水肥一体化管理系统“烤烟水肥专家决策管理系统”。本系统是从烤烟水分、肥料等生产需求出发，首先开发了“耗水量及灌水量决策”、“施肥管理决策”模块。为解决实际生产中信息的不完全，考虑实际每日灌排的要求，补充水肥的决策依据，增加了“植烟土壤基本理化性状评价”、“优质烟叶常规品质评价”、“烟草常用种植技术”、“逐日灌排决策”以及“历史结果查询”等功能模块，最终完善烤烟水肥的专家管理。本系统特点在于不仅能同时进行N、P、K施肥的计算，还能同时计算耗水量及灌水量。还对植烟土壤及烤后烟叶进行基本评价，通过预报当日灌排情况做到日常管理。最终给贵州地区基层技术人员和烟农提供适宜的水肥管理方案。实际应用表明决策精度非常高，决策方案易懂，能简单实施应用，取得良好的效果。本系统丰富了烤烟专家系统的应用范围，为烤烟农业专家系统的深度开发提供了新的思路。

但本系统仍有不足之处，主要是水肥产量模型中自变量还需要考虑其他生长影响因素，对不同地区、不同品种也需要总结出不同的产量模型。本系统的计算是基于相应的公式及使用者给的参数值，需要使用者给出正确的参数值。未来可以在大数据的支持下能够对输入的参数值进行分辨。进一步的开发能够在手机、掌上电脑等便携移动终端上运行的烟草水肥管理一体化专家系统，将农业信息网络与农业专家系统相结合，制定实际可行完善的烟草水肥管理方案，推动烟草行业的信息化发展。

4 结 语

本文以Visual Basic 6.0程序设计语言开发出基于Windows操作平台的烤烟水肥一体化管理系统“烤烟水肥专家决策管理系统”，主要包括系统使用说明模块、烟草常用种植技术模块、施肥管理决策模块、登录及用户管理模块、耗水量及灌水量决策模块、灌排逐日决策模块、优质烤烟常规品质评价及历史结果查询模块等九大功能模块。本系统特点在于能同时进行N、P、K施肥以及耗水量、灌水量的计算。还对植烟土壤及烤后烟叶进行基本评价，通过预报当日灌排情况做到日常管理。