基于B/S架构的作物秸秆科学还田V1.0软件研发

刘宇锋 莫辉德 范如芹

摘  要：为解决作物秸秆还田量和化肥配施量的理论计算问题，研发了一款基于网络B/S构架的作物秸秆科学还田专家系统V1.0应用软件。软件以养分平衡为理论基础，作物目标产量的需氮量与土壤供氮量的差值由还田秸秆和配施化肥提供，秸秆与化肥配施的碳氮比为条件构建计算模型，依托网络服务器的运算能力，计算秸秆还田量和化肥配施量。从软件架构、软件功能、操作流程等进行说明，为作物秸秆科学还田和本软件推广应用提供理论支撑。

关键词：养分平衡理论;B/S架构;秸秆还田量;化肥配施量;软件

中图分类号：TP319      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）01-0001-06

Research and Development of V1.0 Software for Crop Straw Scientific Returning Based on B/S Architecture

LIU Yufeng，MO Huide，Fan Ruqin

（Agricultural Resources and Environment Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning  530007，China）

Abstract：In order to solve the theoretical calculation of crop straw returning amount and combined application rate of chemical fertilizer，a V1.0 application software of crop straw scientific returning expert system based on network B/S framework was developed. Based on the theory of nutrient balance，the difference between the nitrogen demand of crop target yield and the nitrogen supply of soil is provided by straw returning and combined application rate of chemical fertilizer，and the carbon nitrogen ratio of straw and combined application rate of chemical fertilizer is used as the condition to build the calculation model. Relying on the computing ability of network server，the straw returning and combined rate application of chemical fertilizer are calculated. From the software architecture，software function，operation process and so on，it can provide theoretical support for the scientific returning of crop straw and the application of the software.

Keywords：nutrient balance theory;B/S architecture;straw returning amount;combined application rate of chemical fertilizer;software

0  引  言

作物秸稈是农业生产的主要副产品，是一种重要的多用途可再生农业生物质资源[1]。作物秸秆还田是一项当前农业生产中普遍推广与应用的降本增效农艺措施，其具有改善土壤理化性状[2，3]，提高土壤肥力[4，5]，降低化肥施用量[6]，增加土壤微生物活性[7-9]，避免秸秆焚烧[10，11]，改善农业生态环境[12]等显著作用，是促进农业可持续发展的必然要求[13]。秸秆还田主要有秸秆直接粉碎还田、秸秆腐熟还田和秸秆过腹还田等3种主要形式[14]。秸秆直接粉碎还田是作物秸秆资源化利用最主要的方式，并且也是控制秸秆焚烧最经济、最有效的手段，是消化农作物秸秆的主要途径之一[6]，具有显著的生态效益、经济效益和社会效益[15]。

在秸秆还田推广应用中普遍存在3个方面的问题：

（1）秸秆还田量不易控制，秸秆还田量过多或过少，秸秆还田效果都不理想;

（2）秸秆还田后下茬作物存在出苗质量不高，长势偏弱的现象;

（3）土传病害和病虫害增多[6，13]。

而秸秆还田量和化肥配施量的控制是3个方面的核心，如何针对不同作物、土壤、秸秆类型，便捷、准确地计算出合适的秸秆还田量、配施化肥量并计算施肥成本，是摆在农业科研人员面前首先需要解决的问题，也是秸秆还田应用研究领域的一个重点。秸秆还田应根据各地气候、土壤、作物和还田秸秆类型灵活地选择秸秆还田耕种模式和技术集成，尽量减少投入，降低秸秆还田成本，提升秸秆还田的效果[16]。笔者在进行作物秸秆还田试验中，发现不同土壤肥力地块在进行不同作物秸秆还田时，秸秆还田量和化肥配施量的理论依据和计算模型还缺乏有效地梳理，相关计算过程和方法还存在空白，亟须丰富和完善。

计算机软件科学技术以其广泛的亲和力和强大的计算能力在农业领域深度融合并得到广泛应用[17，18]。软、硬件资源充分共享是互联网时代软件发展的显著特点，网络服务器完成数据分析与处理工作，软件使用者可以各类型移动或固定终端通过网络实现互联[19-21]。因此，软件研发需紧跟互联网时代发展的要求，以信息化、智能化、自动化和共享化为内涵，以解决实际问题为导向，依托先进合理的程序逻辑算法设计和网络服务器强大的运算能力，实现更便捷更精准的预期目标[22-24]。如何将秸秆还田科学原理和方法与具有互联网时代特征的计算机软件相结合，解决秸秆还田中存在的实际计算问题，让使用者不仅在电脑上方便使用软件，还能在无线网络条件下使用各种智能终端（智能手机、平板电脑）也能利用软件指导秸秆科学还田;并依据软件使用中反馈的问题和不足，实时对软件进行维护与更新，对秸秆还田软件的研发工作提出了较高的要求。

作物秸秆科学还田专家系统V1.0是研发人员深入掌握秸秆还田理论知识，并结合秸秆还田试验数据与经验的基础上，创造性地将秸秆科学还田理论与软件技术相结合研发的一款计算机软件系统。本软件既符合互联网时代软件发展的内在要求，又比较圆满地解决了秸秆还田量的科学施用、配施化肥的施用量和施肥成本計算等实际问题，具有广泛的应用发展前景，现对软件的相关情况进行说明。

1  软件介绍

1.1  软件架构和开发工具

作物秸秆科学还田专家系统V1.0就是采用B/S架构的应用程序，其架构如图1所示。

客户机/服务器（Client/Server，C/S）和浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）是互联网应用软件两种主要架构[25，26]。C/S架构软件一般是需要软件安装包且独立运行的软件，通过内置的TCP/IP协议与服务器通信，现实远程的服务器访问。B/S架构软件是直接通过网页浏览器来运行应用软件。

作物秸秆科学还田专家系统V1.0采用C#编程语言进行编写，源代码数量39 000行左右，软件系统兼容当前主流网页浏览器。

1.2  软件功能

依据软件设计要求，本软件具有5项功能，如表1所示。

1.3  算法模型

计算模型和算法是软件的灵魂[27-29]，也是评价一款软件优劣的重要依据之一。本软件涉及4个算法模型：土壤供肥能力算法模型、作物目标产量养分需求算法模型、作物秸秆还田量计算模型和配施化肥计算模型，具体说明如下：

（1）算法模型1：土壤供肥量算法模型。土壤供肥量以土壤养分数据为依据，依照式（1）进行相关计算：

其中，0.15为每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[30，31]。

（2）算法模型2：作物目标产量养分需求量算法模型。以各作物的100 kg经济产量吸收的各养分数据值为依据[19，22]，依照式（2）进行计算：

（3）算法模型3：作物秸秆还田量算法模型。以人工施入氮素由还田作物秸秆和配施化肥提供。同时还田秸秆和配施化肥碳氮比为25左右时，还田秸秆能快速腐解为约束条件，构建以作物秸秆还田量与化肥含氮量施入量为未知数的2元1次方程组，计算获得作物秸秆还田量和化肥含氮量施入量的数值。其运算流程如图2所示。

（4）算法模型4：配施化肥算法模型。依据作物秸秆还田与肥料产业发展现状和农民施肥实际，依据秸秆还田实际情况，软件设计了2种秸秆与化肥配施方案：

方案1：秸秆与单质化肥配施。还田秸秆与单质化肥配施中，通过计算获得的人工施肥含氮量，依据单质化肥含氮量和单价计算获得肥料配施量和氮肥施肥成本。依据作物类型、所要达到的目标产量和种地地块土壤理化分析数据，分别获得达到该作物合理目标产量的主要养分的需要量、土壤养分供应量。因为人工施入氮素含量已经通过作物秸秆还田量一并计算完成，而其他P2O5、K2O和CaO的施入量均由人工施用化肥补充，其各主要养分人工施用量由达到该作物合理目标产量的主要养分的需要量与相应养分土壤养分供应量的差值获得。如果单质化肥中含有2种以上主要养分元素（例如：KH2PO4、（NH4）2HPO4）以该化肥所提供的主要养分为计算基础，并计算所附带的其他养分含量，从其他养分总量中扣除后，计算其单质化肥配施量并计算施肥成本。

方案2：秸秆与通用复合肥、单质化肥配施。设定3种市场主要流通和生产上主要使用的通用复合肥类型，人工选择通用复合肥种类并人工输入复合肥单价，由通用复合肥满足N、P2O5、K2O等3种养分中最低用量的施用量，防止数据溢出，出现错误;剩余的养分由单质化肥提供。用于补充其他养分的单质肥料在人工输入养分含量和单价后，依据方案1方法计算施肥量和施肥成本。

1.4  软件界面

作物秸秆科学还田专家系统V1.0作为一款B/S架构的应用软件，使用者在网页浏览器地址栏输入网址（http：//www.jieganhuantian.cn）后，即可访问本软件。软件由首页、系统运算、系统简介和成果展示4个功能页面组成，如图3所示。

首页如图3（a）所示，由4个主界面入口，6个功能模块快速入口，软件介绍、研发团队和软件功能介绍等组成。系统计算如图3（b）所示，该模块包括秸秆还田量计算、查看计算结果、修改密码和退出登录4个方面的内容，是软件主体部分，所有数据输入和计算结果均在此模块中显示。系统介绍如图3（c）所示，包含软件理论基础与算法原理、研发团队人员简介等内容。成果展示如图3（d）所示，显示使用本软件指导秸秆还田后6类作物生长的照片资料。

软件设置了注册与登录界面，如图4所示，软件使用者需经过注册，通过管理者确认授权后，才能在使用本软件，以确保本软件安全、稳定运行。

2  软件使用流程

点击软件首页“进入系统”模块后，进入软件核心部分，其具体操作流程按以下4个步骤进行，完成相关计算工作：

步骤1：选择小麦、甘蔗、水稻、玉米、花生和马铃薯6种系统预设作物，人工输入合理目标产量后，依据算法模型计算达到目标产量的养分需求量。

步骤2：输入土壤相关理化数据，依据算法模型计算土壤供肥量数据。

步骤3：选择还田作物秸秆类型，软件设置了小麦秸秆、甘蔗秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、花生秸秆、油菜秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、香蕉秸秆、木薯秸秆10种作物秸秆类型供使用者选择。

步骤4：选择化肥配施方案，选择配施化肥种类，输入肥料养分含量和肥料单价。然后点击“计算”按钮，计算获得土壤供肥量、所选秸秆类型的还田量、化肥配施量和施配化肥成本4组主要数据。

3  软件特点

3.1  基于B/S架构的网页软件

本软件系统是基于B/S架构的网页软件，网页模式应用软件的优势在于依托网络服务器的计算能力，用户只需通过网页浏览器就可访问软件，占用内存少，不产生程序安装环节，避免了安装过程可能出现的一些不可预测问题的缺陷。同时，软件研发人员可依据软件使用情况和用戶反馈信息对软件进行实时、动态修改与完善，软件实际使用周期更长。避免了传统桌面软件需要独立软件安装包、安装过程中容易出现故障和更新维护困难的不足。

3.2  限定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达到作物目标产量主要养分需求量的前提和基础，养分需求量是根据各作物单位质量的养分需求量和配套公式获得[32]。为了避免使用者随意输入作物目标产量数值，出现不合理的养分计算结果，本软件设计了数据颜色提醒和数据溢出报错等功能。

针对软件涉及的6种作物，用红色字体标记当前已知的最高产量，提醒使用者不能超出当前最高产量，如图5所示。

同时如果在目标产量中输入超过当前最高单产的数值并点击计算按钮后，本软件系统针对数据溢出情况将出现报错提示框，不能进行后续运算，如图6所示。

3.3  化肥养分含量提供标准单位与习惯单位2种选择

化肥养分含量存在标准单位（g/kg）和习惯单位（%）2种形式，标准单位通常在书面正式场合使用，习惯单位主要在化肥销售流通领域应用。在软件设计过程中，考虑2种单位形式都广泛存在，为简化单位换算过程，降低软件使用难度，软件在各肥料养分含量的下拉菜单中设置了标准单位和习惯单位2种形式，如图7所示，便于使用者依据实际情况灵活选择，提高了软件使用的灵活性。

3.4  设置秸秆与不同化肥类型配施2套方案

秸秆还田配施化肥是提高作物秸秆还田效果的重要措施之一[33，34]。本软件在设计时就考虑到，在肥料实际应用过程中，农民主要是以通用三元复合肥为主，单独购置单质化肥的情况不多见。因此我们以人工施入的养分含量为计算依据，设计了单质化肥配施、通用复合肥、单质化肥配施2种化肥配施方案，提高了软件适用性和灵活性。

3.5  计算结果均能有效保存和打印输出

本软件系统在设计中保留了数据标记功能，如图8所示，使用者进行了个性化标记，方便使用者在大量数据中快速查询所需分析数据。

相关数据结果计算完毕后，点击“保存”后相关计算结果将保存在网络服务器中。点击“查看计算结果”按钮，系统将显示该使用者名下的所有计算结果，查看计算结果界面如图9所示。

本软件在查看计算结果界面设计了“编辑”“查看”和“打印”3种功能，其中“编辑”功能可返回原秸秆还田界面对各数据进行修改或重新输入，“查看”即在不修改数据的情况下了解计算过程，而“打印”则是以报表形式将全部计算结果以PDF文件格式保存或直接打印输出。

4  结  论

还田秸秆过大，加之秸秆粉碎不达标、犁耙旋耕不到位、秸秆分布不均匀都会导致在秸秆在耕层中过量堆积，秸秆不能在下茬作物种植前完全分解，影响下茬作物生长。还田秸秆过小，不能有效消化作物秸秆，达不到秸秆还田作用。作物秸秆是在土壤微生物的作用下完成分解腐熟，土壤微生物的生长需要从土壤中吸收氮素养分，从而分解作物秸秆。如果秸秆还田后不及时、适当地补充氮素等养分，下茬作物与土壤微生物将会对氮素等养分存在竞争，就会产生作物氮素不足，进而影响作物产量，甚至减产。同时，土壤微生物因氮素的匮乏而生长受到抑制，秸秆分解腐熟过程延长，导致秸秆分解缓慢和下茬作物生长抑制的不利局面，降低了秸秆还田的实际应用效果。因此，秸秆还田同步配施速效氮肥为主的化肥，降低土壤中的碳氮比，从而有利于土壤微生物活动和作物秸秆腐解。不同作物在不同栽培地块条件下，不同还田秸秆类型的还田量和配施化肥的施用量的问题，却没有一个行之有效的解决方案。

本专家系统以种植作物类型、目标产量土壤地力情况为依据，根据使用者选择还田作物秸秆类型和配施肥料种类，系统可准确计算秸秆还田量、化肥配施量和化肥施肥成本。作物秸秆科学还田专家系统V1.0是基于B/S架构的网页软件，界面友好且亲和力强。本软件将分析模块和计算结果集中同步在同一界面显示，减少使用者对软件的理解时间，避免出现不必要错误。在软件理论设计中，研发人员创造性地将作物需要的氮来源与还田秸秆和配施化肥和秸秆还田与配施化肥的碳氮比的合适区间作为约束条件构建算法模型，依托网络服务器的运算能力，成功地解决了秸秆还田量的计算问题。目前本软件已经获得计算机软件著作权登记证书（登记号：2020SR1240120）。

在各种智能终端普及的互联网时代，农业种植大户、农技推广人员均可方便快捷地利用各种互联网终端访问并使用本专家系统，进一步准确地计算获得选择秸秆的合理还田量、配施化肥量和施肥成本，基本解决了不同土壤和栽培作物条件下的合理作物秸秆还田量、配施化肥量和施肥成本的合理准确计算问题，为秸秆资源化合理利用、提高秸秆还田效果、减少环境污染、促进农业可持续发展提供了有力的软件技术支撑。

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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：作物秸秆科学还田与应用。