大数据背景下作物施肥推荐系统的开发与应用

李莉婕， 童倩倩， 陈维榕， 赵泽英*， 彭志良， 陈海燕， 岳延滨， 韩 峰

(1.贵州省农业科学院 科技信息研究所， 贵州 贵阳 550006； 2.贵州省土壤肥料工作总站， 贵州 贵阳 550001)

测土配方施肥技术是实现节肥与作物增产的重要举措。目前，肥料投入已占农资投入的40%以上，对粮食产量的贡献率达40%～60%[1]。我国大力推广测土配方施肥技术服务，并在基层配方肥经销点配备施肥专家咨询系统(触摸屏)，方便农民查询测土信息和作物施肥方案[2]。贵州省实施测土配方施肥的田块较常规施肥田块每667m2平均增产8%以上[3]。测土配方施肥为提升耕地的综合生产能力发挥了重要作用[4]。为提高技术转化的入户率，解决测土配方施肥技术成果转化技术到位率低的问题，我国各地除制作施肥指导卡发放给农户外，纷纷利用信息技术开发基于不同平台、不同载体的智能终端配方施肥技术专家系统，使基层农技干部或农户通过系统获得施肥咨询，为农户获得精准化、个性化服务提供便捷辅助工具[5-6]。任周桥等[7]建立基于知识库的施肥决策系统并较好地模拟了现实施肥的决策过程。方舒等[8]构建基于施肥单元的基础数据库，并依据相关施肥模型计算不同单元的施肥方案。熊凯等[9]针对多种作物构建以同类型村级地块为最小施肥单元的测土配方施肥综合服务平台。随着计算机技术、遥感技术和施肥专家系统等的不断发展，施肥信息系统逐渐趋向于智能化、便捷化和精确化[9-11]。龙腾等[12]设计实现具备数据管理、地图制图、耕地地力评价、施肥建议和变化监测等功能的测土配方施肥信息服务系统。车明亮等[13]结合GIS、GPS及无线通信技术，构建基于GIS无线服务的小麦氮肥施肥推荐系统，实现小麦氮肥施用的实时推荐查询。张涛等[14]采用分布式网络体系结构基于Web构建在线咨询、实时决策和发布的施肥系统；张国峰等[15-17]建立移动端测土配方查询系统，实现了对土壤信息和施肥决策的在线和本地查询。随着大数据时代的到来，精准施肥模式实现了由传统GIS离线式分析的组织与存储、模型驱动、简单可视化向实时分析可扩展的动态处理与管理、数据驱动、可视化分析的大数据GIS转变。何山等[18]对大数据时代精准施肥模式的路径和方法进行了探索；顾洪瑞等[19]初步建立了基于云计算的测土配方施肥服务系统。

贵州山区地形起伏大、耕地破碎、土壤类型多样，致使养分空间分布的连续性与渐变性受阻断；分散经营体制下人为因素对养分空间分布的影响大。赵泽英等[20-22]开发的喀斯特山区测土配方施肥决策系统为推行科学施肥提供了技术支撑。但目前贵州省测土配方施肥推广方式仍是由县、乡、村服务中心(站)通过养分平衡配方法或地力分区配方法计算制作施肥指导卡发放给农户，农民根据指导卡选购肥料并施用，费时费力，推广面相对较窄。鉴于此，依据主要农作物测土配方施肥技术成果，采用大数据技术、农业专家系统技术与3S技术相结合的方法开发基于桌面版、触摸屏版、手机版的贵州主要作物及特色果蔬耕地施肥信息服务系统，并进行推广应用，以期完善施肥技术推广服务体系，满足测土配方施肥技术多层次推广模式的需要。

1系统的设计与技术开发

1.1设计

系统以贵州测土配方施肥工作成果数据为基础，利用数据库技术和GIS技术建立以县、乡镇为系统单元的施肥空间数据库和属性数据库。用户确定地块位置后，系统可自动获取该单元的立地条件及养分信息等属性数据，并实现精确到地块的施肥推荐。系统主要由施肥分区、推荐施肥、耕地信息查询、农业知识库及参数维护5个部分组成(图1)。

图 1作物施肥推荐系统框架

Fig.1 The framework of crop fertilization recommendation system

1.2技术开发

桌面版和触摸屏版施肥推荐系统分别以计算机、触摸屏为载体，采用专家系统技术结合GIS技术，以Microsoft．NET Framework为平台，Microsoft Visual Studio C#2008为工具，Arc GIS Engine和Access为数据库集成开发施肥服务系统。通过系统可实现作物氮、磷、钾肥及微肥的使用量、施用时期分配、施肥方法的决策推荐，生成施肥建议卡并打印输出。移动端施肥推荐系统以Android 4.0以上操作系统、内存32G以上、支持GPS的智能手机为平台，可实现作物施肥决策推荐、采样点查询等功能。

2系统的功能

2.1施肥分区

依据农业部在贵州省实施的测土配方施肥项目的土壤测试数据、1∶10 000的第二次农村土地调查产生的土地利用现状图、第二次土壤普查的1∶50 000的土壤图等资料，以市、县、乡镇为测土配方施肥信息服务系统运行单元建立施肥推荐系统属性数据库和空间数据库。建成贵州省全省市州级数据库10个(9个地州+贵安新区)，县级数据库97个(88个县市区+9个开发区或风景区管委会)，乡镇级数据库1 511个。以气候条件、土壤类型、地貌类型、当前耕作制度、生产水平等为表征，在求大同、存小异，以乡镇为界打破县域行政界线的条件下，划分了贵州主要作物的施肥分区。

2.2推荐施肥

2.2.1地图推荐地图推荐施肥是系统的核心内容。系统可对贵州省不同生态条件下主要作物的施肥提供决策咨询，咨询分为面上服务的单元配方和根据采样点进行的采样配方。配方的推荐达到个性化服务，能实现氮磷钾肥的使用量推荐、施用时期分配、不同肥料品种的组合决策、产量预测及效益估算等功能。

在系统主界面点击地图推荐施肥按钮打开地图推荐施肥界面。系统提供了县界、乡镇界、村界、小地名、公路、水库(河流)、城镇、居民地、耕地单元、卫星图片等图层，用户可以通过勾选图层名称开关选择需要加载的图层，通过工具条中放大、缩小、复位和漫游等导航按钮的触击实现对地图单元显示的控制。手机版系统还可以通过GPS定位用户所在的地块位置，使用户更便捷的确定耕地所处空间位置。选定地块单元后，进入推荐施肥界面，在该界面用户按照实际情况通过下拉单选框选择作物种类，点击系统的数字小键盘输入地块面积、常年产量等信息，或根据所在区域的特点及自身经验对界面中参数进行一定程度的调整，然后选择当地经销的单质肥料种类或复合肥比例后，系统自动计算该地块施肥纯量、总肥料用量、追肥时期及用量等信息，并可以直接打印施肥建议卡供农户使用。

2.2.2样点推荐施肥对曾采样地块进行科学推荐施肥是本模块的核心功能。建立各县区历年来测土配方施肥项目采样点数据库，用户通过乡镇名、村名、农户姓名、地块名称等下拉菜单的选择确定采样单元，系统自动调出采样地块的详细信息如面积、土种类型、采样时间、土壤理化性状等，并在此基础上获取施肥推荐。样点推荐施肥针对性地为测土配方施肥工作中已采样的农户提供施肥建议，能够为农户施肥提供个性化的咨询决策服务，在系统推广应用中更易于农户接受。

2.3耕地信息查询

包括土壤属性查询、采样点查询和采样点分布查询。土壤属性查询提供地图上任一耕地单元所在村组、土壤类型、立地条件、土体构型和理化性状等信息；采样点查询提供曾采样地块的土壤属性、地力产量等已调查的详细信息；采样点分布查询可在地图上显示到已采过土壤样品的精确位置，为农技人员下一步科学采样提供参考。

2.4农业知识库

系统面向对象以基层涉农技术部门和农户为主，知识库以作物栽培管理与测土配方施肥知识为中心，包括贵州主要农作物以及特色果蔬、中药材的优良品种、栽培管理技术、作物缺素症状和病虫害防治技术等文本、图片与视频课件。根据各地区农业生产特点，用户可以有针对性地选择适宜该地区的农业生产技术。

2.5参数维护

施肥参数模块包括每100 kg产量吸收量、目标产量、肥料当季利用率、土壤养分丰缺指标、土壤有效养分校正系数、肥料效应函数和施肥时期运筹等参数[23]。模块提供作物施肥参数的查询、修改和导出功能。参数库包括水稻、玉米、油菜、马铃薯、辣椒、大白菜、火龙果、苹果、百香果和猕猴桃等作物和果蔬的推荐施肥指标参数1 511套，来源于1 939个3414田间肥料试验，2 214个配方施肥与常规施肥同田对比试验，以及多年来贵州田间肥效试验等试验结果。在作物目标产量的计算中，若有空白产量(未施肥地块产量)，系统根据地力差减法进行计算；若有前3年平均产量，系统根据目标产量法及土壤有效养分校正系数法进行施肥推荐的加权计算；若2种数据均有，则按照2种推荐结果加权计算；若2种数据都没有，则根据经验输入目标产量，系统根据耕地所处分区，采用效应函数法和目标产量法进行施肥推荐。系统在进行施肥决策时，所有条件在同一界面完成选择输入，选择条件时系统调用前期采集信息数据库中的数据(土种类型、质地和土壤养分测试值等)，以简化咨询流程。系统还提供了数据查询和数据导出功能。数据采集和更新的方法以及采集的数据要具备能够根据用户提出的新数据需求而适时调整和完善的能力。

3系统的应用

3.1施肥推荐服务

目前已获得国家版权局计算机软件著作权的施肥信息服务系统有《测土配方施肥触摸屏查询系统V1.0》(登记号：2012SR113468)、《测土配方施肥专家咨询系统V1.0》(登记号：2013SR136067)和《基于Android的手机测土配方施肥推荐系统》(登记号：2014SR043485)，系统已在贵州省69个县(市、区)推广应用(图2)。系统的应用在一定程度上推动了测土配方施肥技术的信息化、智能化推广，为农民提供了直观、简便、科学的施肥指导，提高了农技人员的工作效率，树立了农民的科学施肥观念，扩大了测土配方施肥技术的推广应用范围，有力地支撑了节约肥料资源、减少农业面源污染、改善生态环境的目标。

图2系统在贵州省的推广应用情况

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

3.2触摸屏版施肥推荐服务

触摸屏是目前最简单、方便且适宜于农户使用的信息查询输入设备[24]。施肥系统安装在触摸屏一体机上后可安放在农资经销处等公众场合使用，使农民便捷地浏览、查看和打印所需信息。触摸屏版施肥系统可对贵州省各县不同生态条件下的主要作物和果蔬施肥提供决策咨询，咨询分为面上服务的单元配方和为采样点提供的个性化施肥配方，能实现氮、磷、钾肥的使用量推荐，施用时期分配，不同肥料品种的组合决策、产量预测和效益估算等功能。用户通过在触摸屏上操作实现对自己田块相关信息的浏览、查询，对田间任何位点(或任何1个操作单元)进行配方施肥的咨询，打印施肥建议卡。2011—2019年系统已在息烽、福泉等68个县(市、区)推广应用600余套，系统服务农户304.92万户，累计服务指导作物种植274.42万hm2，在一定程度上满足了农业推广部门的指导需求，提高了农民的科学施肥观念，为深化测土配方施肥技术应用奠定了基础。

3.3基于Android手机的施肥推荐服务

系统以移动终端为载体，农技人员可以随时随地查询所处位置的耕地资源信息和相关农技知识。由施肥(分地图推荐施肥、样点推荐施肥、输入数据推荐施肥、配方施肥技术资料和肥料施用技术等模块)、技术(分水稻、玉米、蔬菜、果树等种植技术的模块和生产技术视频资料)、查询(分土壤属性、耕地地力等级、采样点和行政区搜索等)、维护(包括登录、数据更新、版本、说明、设置在线或离线等)等部分。系统可对田间耕地的任何位点进行定位，通过肥效模型算法，实现地块的作物施肥推荐。系统在平时离线运行，在需要以贵州全省、市(州)的地图进行运行时以ARCGIS SERVER地图服务的在线地图方式实现，所有的离线地图、数据均需要从软件中自行下载更新，提供的安装包只带1个基础数据。同时，系统提供的农业技术知识和视频等可以更好地为作物种植提供有效帮助。该系统已在黔东南州和锦屏、罗甸等21个县市累计已推广应用420套。

4小结

随着信息技术的发展，国内外学者借助信息手段对推荐施肥进行了探索，精准施肥技术成为精准农业的最早应用领域，也是未来高效施肥研究与应用的主要方向[25]。作物施肥推荐服务系统采用以用户为本的软件界面信息设计，在地图推荐施肥图层中添加了卫星影像图和小地名，在样点推荐施肥中提供了农户姓名、采样时间和地块名称，有利于用户对耕地单元进行更直观的定位，增加了系统的可信度和可操作性。根据用户的需求建立场景模型，对界面信息结构的设计集中于如何满足用户多层次的需求，如用户可以选择根据不同的参数进行施肥计算、选择地图施肥进行直观计算施肥及选择样点施肥系统自动调出采样点信息进行计算施肥，或选择测试施肥对采样空白区域进行计算施肥，满足不同用户的个性化使用需求。

系统的应用大大缩短了农技人员手工填写施肥建议卡的时间，降低了农技人员的工作强度，提高了农户对测土配方施肥的认可度和主动领取建议卡的积极性，对扩大测土配方施肥应用范围有促进作用。系统更新方法简便，农技人员稍加培训即可掌握。测土配方施肥工作每年都新增加采样点及土壤养分分析数据，基层技术人员随时可在后台更新当地的施肥参数，获取更为科学的推荐施肥配比。随着测土配方施肥工作实施的不断深入，将进一步细化和调整施肥指标体系，从而建立更为本地化的施肥信息服务系统。