陳丹艷，劉 鈺，沈珊珊，王 倩，李修能，邵孝侯

(1.金陵科技學(xué)院園藝園林學(xué)院，南京 210038； 2.臨沂市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，山東 臨沂 276001； 3.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；4.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098)

眾所周知，水分和肥料對(duì)于作物生長(zhǎng)必不可少，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的主要措施。單獨(dú)的水分或者肥料的管理，而不加以考慮另一個(gè)因素的影響，對(duì)作物的生長(zhǎng)極其不利。謝世堯等[1]以多種水肥管理處理北方寒區(qū)水稻種植，發(fā)現(xiàn)蓄雨控灌及次低肥的水肥處理模式比其他水肥處理更能促使水稻節(jié)水、減排、增效。張立勤等[2]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在每公頃灌溉定額3 450 m3、施270 kgN、590 kgP2O、54 kgK2O的水肥互作條件下，制種玉米比其他處理產(chǎn)量、水分利用效率、種植純收益均顯著增加，產(chǎn)投比增加能達(dá)0.09～1.41。設(shè)施栽培中，張興國(guó)等[3]通過(guò)不同水肥處理溫室葡萄表明，灌水量3 045 m3/hm2、施肥量750 kg/hm2是提高溫室葡萄果實(shí)品質(zhì)的有效灌水施肥模式。劉宇朝等[4]研究發(fā)現(xiàn)不同水肥耦合下枸杞生長(zhǎng)葉面積、株高、枝條、地徑增長(zhǎng)速率、日均凈光合速率、日均蒸騰速率、葉綠素等差異較大，以每公頃補(bǔ)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。劉月等[5]研究認(rèn)為水分處理2 850 m3/hm2、施氮750 kg/hm2處理是對(duì)枸杞生長(zhǎng)及土壤環(huán)境最適宜的水氮互作處理。煙草是我國(guó)一種價(jià)值潛力十分巨大的經(jīng)濟(jì)作物，具有很高的工業(yè)附加值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值[6]。在煙草栽培過(guò)程中，水肥管理直接影響了烤煙生長(zhǎng)[7]、生理和產(chǎn)質(zhì)量[8]，對(duì)灌溉效率也有很明顯的影響[9]。陳競(jìng)楠等[10]研究了膜下滴灌條件下烤煙水氮耦合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期滴灌量12、16、12 mm/次及施氮量5 g/株節(jié)水節(jié)肥綜合效益最優(yōu)，灌溉水利用效率明顯提高。對(duì)水肥的調(diào)控是烤煙生長(zhǎng)及產(chǎn)量提高的重要手段[11,12]。合理利用水肥是種植優(yōu)質(zhì)煙草的主要手段[13-16]，最終增加烤煙產(chǎn)質(zhì)量和減少成本[17,18]。何佳等[19]對(duì)豫中煙區(qū)中煙100、豫煙6號(hào)和豫煙10號(hào)進(jìn)行水肥一體化技術(shù)應(yīng)用效益分析，發(fā)現(xiàn)水肥一體化技術(shù)顯著提升豫中煙區(qū)烤煙產(chǎn)質(zhì)量，其中豫煙6號(hào)表現(xiàn)最優(yōu)。

我國(guó)現(xiàn)有科技對(duì)農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率不高，農(nóng)業(yè)科研成果、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)很難應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，嚴(yán)重制約著我國(guó)發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)[20，21]。其中農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是基于專家經(jīng)驗(yàn)，代替為數(shù)極少的專家群體，在各地具體地指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)種田，培訓(xùn)農(nóng)業(yè)技術(shù)人員，把先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)技術(shù)直接交給廣大農(nóng)民。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥高效利用的提倡，水肥一體化管理決策專家系統(tǒng)是近年來(lái)各種作物管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)?，F(xiàn)有如陳雪蛟等[22]設(shè)計(jì)出水肥一體化專家系統(tǒng)旨在為水肥管理提供作物信息，并沒(méi)有進(jìn)行作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)水肥的需求決策，還需要人工的進(jìn)行判斷。煙草栽培生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，技術(shù)性強(qiáng)，需要精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行管理。有關(guān)煙草施肥管理的專家系統(tǒng)起步較早，而節(jié)水灌溉管理等方面的專家系統(tǒng)研制較晚。如烤煙配方施肥專家系統(tǒng)[23]、植煙田施肥推薦支持決策系統(tǒng)[24]，基于PAID4.0的烤煙實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)與決策專家系統(tǒng)[20]。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的煙草綜合栽培管理系統(tǒng)如優(yōu)質(zhì)煙葉栽培管理專家系統(tǒng)MESTCM[25]、基于PAID4.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)的麻江烤煙專家系統(tǒng)[26]、網(wǎng)絡(luò)化煙草栽培專家系統(tǒng)和煙區(qū)土壤資源WebGIS開(kāi)發(fā)[27]等，也在煙草栽培中發(fā)揮了一定作用。但上述這些烤煙種植管理系統(tǒng)，基于水肥耦合產(chǎn)量函數(shù)的烤煙水肥一體化管理決策系統(tǒng)幾乎沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)。隨著烤煙水肥耦合研究的深入，研制應(yīng)用于烤煙水肥一體化管理的綜合專家系統(tǒng)有利于促進(jìn)灌溉與施肥的合理地配合，以水調(diào)肥、水肥共濟(jì)，從而提高水分和肥料利用率，增加烤煙產(chǎn)值效應(yīng)。本文采用利用正向推理策略，利用實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成的水肥產(chǎn)量函數(shù)，結(jié)合其他研究成果，以Visual Basic 6.0(VB 6.0)為開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用模塊化程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮募砷_(kāi)發(fā)模式、Microsoft SQL + Access 數(shù)據(jù)庫(kù)及ADO 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用于烤煙水肥一體管理的專家決策系統(tǒng)《烤煙水肥專家決策管理系統(tǒng)(Water and Fertilizer Decision-making Expert Management System of Flue-cured Tobacco)》。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單直接、便于操作、人機(jī)直接對(duì)話、適于野外等特點(diǎn)，是設(shè)施內(nèi)生產(chǎn)烤煙時(shí)可以直接根據(jù)具體情況使用的單機(jī)版，其中部分功能可以直接在大田生產(chǎn)中使用，后期可以基于本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)手機(jī)APP版本，以替代專家群體深入農(nóng)村，讓水肥耦合調(diào)控技術(shù)走入基層，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)煙草的生產(chǎn)及其科技的普及具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

《烤煙水肥專家決策管理系統(tǒng)》包括系統(tǒng)使用說(shuō)明模塊、煙草常用種植技術(shù)模塊、施肥管理決策模塊、登錄及用戶管理模塊、耗水量及灌水量決策模塊、灌排逐日決策模塊、優(yōu)質(zhì)烤煙常規(guī)品質(zhì)評(píng)價(jià)及歷史結(jié)果查詢模塊等九大功能模塊(見(jiàn)圖1)。

圖1 烤煙水肥管理專家決策系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of total structure for water and fertilizer decision-making system of flue-cured

1.2 系統(tǒng)主要功能模塊

(1) 用戶管理模塊。分管理員(administrator)和普通用戶(users)兩種身份，其中管理員權(quán)限可以重置自身密碼，還能新增、刪除普通用戶信息。普通用戶被管理員添加后，僅能重置自身密碼。

(2) 系統(tǒng)使用說(shuō)明模塊。該模塊包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)使用說(shuō)明介紹(PDF格式)。

(3) 煙草常用技術(shù)模塊。包括烤煙漂浮式育苗及移栽、苗期管理、煙田中耕管理、施肥管理、常見(jiàn)病蟲害防治、抗旱栽培綜合管理、烤煙節(jié)水灌溉和植煙土壤及煙葉養(yǎng)分等技術(shù)資料查詢。其中烤煙節(jié)水灌溉查詢包括節(jié)水灌溉理論、節(jié)水灌溉制度、節(jié)水灌溉技術(shù)及節(jié)水灌溉指標(biāo)，植煙土壤及煙葉養(yǎng)分包括我國(guó)植煙土壤養(yǎng)分含量特征、優(yōu)質(zhì)煙葉主要化學(xué)養(yǎng)分含量和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)烤煙。

(4)歷史結(jié)果查詢模塊。用戶通過(guò)此模塊根據(jù)不同情況查詢歷史植煙土壤養(yǎng)分含量情況、施肥決策結(jié)果、烤煙耗水量、灌水量決策及烤煙灌排逐日決策結(jié)果。每次顯示該查詢類型的所有保存結(jié)果，不能單獨(dú)顯示某個(gè)日期或某個(gè)用戶決策結(jié)果。用戶可直接打印顯示的查詢結(jié)果(文檔形式)，也可將查詢結(jié)果輸出到excel電子表格里。

(5) 施肥管理決策模塊。該模塊為本決策系統(tǒng)的主體部分之一。通過(guò)地力差減法、養(yǎng)分平衡法計(jì)算氮磷鉀養(yǎng)分施用量，另外可根據(jù)多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)(未列出)擬合的水氮/鉀耦合模型(包括水氮/鉀耦合階段耗水量模型、水氮/鉀耦合全生育期耗水量模型、水氮/鉀耦合階段灌水量模型和水氮/鉀耦合全生育期灌水量模型)計(jì)算氮肥或鉀肥施用量。通過(guò)選擇不同的肥料種類確定肥料用量。同時(shí)可通過(guò)輸入當(dāng)?shù)刂矡熗寥阑攫B(yǎng)分含量狀況進(jìn)行土壤養(yǎng)分(pH值、有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀及速效氮)豐缺評(píng)價(jià)。其結(jié)果均可保存并在歷史結(jié)果查詢模塊查詢。

(6)耗水量及灌水量決策模塊。該模塊通過(guò)幾種水氮/鉀耦合模型(包括水氮/鉀耦合階段耗水量模型、水氮/鉀耦合全生育期耗水量模型)或Jensen經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓蟪隹緹熒旄凇⑼L(zhǎng)期及成熟期3個(gè)生育階段及全生育階段的作物耗水量。同時(shí)可通過(guò)水氮耦合模型(包括水氮/鉀耦合階段灌水量模型和水氮/鉀耦合全生育期灌水量模型)求出烤煙伸根期、旺長(zhǎng)期及成熟期3個(gè)生育階段及全生育階段的灌水量。其結(jié)果均可后臺(tái)保存并在歷史結(jié)果查詢模塊查詢。

(7)灌排逐日決策模塊。本模塊根據(jù)不同氣象類型(晴、曇、陰、雨)，在輸入所需氣候參數(shù)及土壤水分狀況參數(shù)等計(jì)算當(dāng)?shù)貐⒖甲魑镄杷?，然后根?jù)水分平衡方程推斷出當(dāng)日是否需要灌水或排水，以及所需的灌水量或排水量。本模塊可以直接計(jì)算設(shè)施內(nèi)及大田烤煙生產(chǎn)日灌排管理。其結(jié)果均可后臺(tái)保存并在歷史結(jié)果查詢模塊查詢。

(8) 優(yōu)質(zhì)烤煙常規(guī)品質(zhì)評(píng)價(jià)模塊。本模塊通過(guò)輸入相應(yīng)烤后煙葉的煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯、蛋白質(zhì)含量，根據(jù)優(yōu)質(zhì)烤煙評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常規(guī)品質(zhì)的評(píng)價(jià)。

1.3 主要決策功能實(shí)現(xiàn)原理及方法

1.3.1 施肥管理決策過(guò)程

(1)植煙土壤基本理化性狀評(píng)價(jià)。土壤養(yǎng)分含量是評(píng)價(jià)土壤肥力及質(zhì)量的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)中植煙土壤基本理化性狀評(píng)價(jià)指標(biāo)為pH值、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮、有效鉀和有效磷含量，綜合相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果[28-32]確定優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)所需的土壤基本理化性狀適宜標(biāo)準(zhǔn)為：土壤pH值為5.5～7.0；有機(jī)質(zhì)為1%～3%；堿解氮為45.0～135 mg/kg；速效磷為10.0～40.0 mg/kg；有效鉀范圍為120～200 mg/kg。

(2)施肥管理決策。本專家決策系統(tǒng)中施肥單因素主要推理過(guò)程如圖2所示。計(jì)算方法為養(yǎng)分平衡法[33]、地力差減法[34]、水鉀、水氮計(jì)算模型(表1)。不同水鉀、水氮模型是根據(jù)河海大學(xué)課題組相關(guān)研究數(shù)據(jù)(未列出)擬合出的烤煙水肥耦合產(chǎn)量函數(shù)。I1、I2、I3分別為伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期灌水量，ET1、ET2、ET3分別為伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期耗水量，I、ET分別為烤煙全生育期總灌水量、耗水量。上述指標(biāo)單位均為mm。所有模型中Y、N、K等表示為每畝產(chǎn)量、施氮量、施鉀量。

圖2 施肥管理推理過(guò)程圖Fig.2 Process diagram of fertilization management reasoning

表1 烤煙耗水量及灌水量水肥產(chǎn)量模型擬合情況(數(shù)據(jù)未列出)Tab.1 Yield models of water-fertilizers for water consumption and irrigation of flue-cured (The data was not listed here)

養(yǎng)分平衡法計(jì)算公式如下：

F=NC/NRFUR

(1)

NC=PNC(-SN)

(2)

SN=0.15SNCr

(3)

地力差減法計(jì)算公式如下：

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

(4)

式中：F為肥料施用量，kg/hm2；NC為養(yǎng)分施用量，kg/hm2；NR為肥料中養(yǎng)分百分含量；FUR為肥料當(dāng)季利用率；PNC為作物單位產(chǎn)量養(yǎng)分含量，mg/kg；Y和Y0分別為目標(biāo)產(chǎn)量和空白產(chǎn)量，kg/hm2；SN為土壤供肥量，kg/hm2；SNC為土壤中養(yǎng)分含量，mg/kg；r為土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)。

1.3.2 烤煙節(jié)水灌溉決策過(guò)程

(1)耗水量及灌水量決策。本專家決策系統(tǒng)中耗水量及灌水量決策推理過(guò)程如圖3所示。

圖3 耗水量及灌水量計(jì)算推理過(guò)程圖Fig.3 Process diagram of evaporation and irrigation management reasoning

計(jì)算公式可采用水分生產(chǎn)函數(shù)[20]計(jì)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中烤煙水肥耦合產(chǎn)量函數(shù)計(jì)算耗水量和灌水量，此時(shí)伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期耗水模系數(shù)平均值分別為0.120、0585、0.194，灌水模系數(shù)平均值為分別為0.173、0.524、0.303。水鉀耦合模型中伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期耗水模系數(shù)平均值分別為0.254、0.531、0.215，灌水模系數(shù)平均值分別為0.259、0.503、0.238。

(2)灌排逐日管理決策。本專家決策系統(tǒng)中耗水量及灌水量決策推理過(guò)程如圖4所示。

圖4 灌排逐日管理決策推理圖Fig.4 Process diagram of daily evaporation and irrigation management reasoning

采用水量平衡法來(lái)進(jìn)行計(jì)算烤煙水分蒸散量，計(jì)算公式[35]為：

ΔS=P+I+Eg-ET-Rg-D

(6)

ΔS=667γHθ(1-μ)

(7)

ET=KcET0

(8)

式中：ΔS為根系內(nèi)土壤水分變化，mm；P，I分別為生育期內(nèi)的降水量和灌水量，mm；Eg為地下水補(bǔ)給量，mm；ET為土壤蒸發(fā)植物蒸騰量，簡(jiǎn)稱蒸散量，mm；Rg，D分別為地表徑流量和土層下邊界滲漏量，mm；γ為干容重；θ為田間持水量(重量含水量)；H為計(jì)劃濕潤(rùn)層土層厚度，伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期分別為20、50、30 cm；μ為水分控制下限，占田間持水量的百分比。其中Kc、ET0具體計(jì)算取值見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

1.3.3 優(yōu)質(zhì)烤煙常規(guī)品質(zhì)評(píng)價(jià)

綜合相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果[20, 36, 37]制定優(yōu)質(zhì)烤煙常規(guī)品質(zhì)化學(xué)成分指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為：煙堿1.5%～3.5%、總糖18%～24%、還原糖16%～22%、總氮1.5%～3.5%、鉀≥2%、氯0.3%～0.8%、蛋白質(zhì)9%～11%、總糖/煙堿8.0%～12%、總糖/總氮約為10%、煙堿/總氮≥1%、鉀/氯≥8.0%。其中總糖與總氮比值以10%為宜。

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求

操作系統(tǒng)：Windows 98/Windows me/Windows XP/Windows2000及以上。

屏幕最佳分辨率：1280×800或者800×600小字體。

軟件要求：PDF瀏覽器、Microsoft access 2007、Microsoft excel 12.0 Object library及其以上版本。

硬件要求：主頻不低于800 MHz，內(nèi)存不低于256 M，硬盤不低于500 M。

打印機(jī)：Windows XP及以上系統(tǒng)支持的打印機(jī)。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要功能界面設(shè)計(jì)結(jié)果

本文中采用“正向推理”策略，即從前提直接到結(jié)論的逐步推導(dǎo)，由用戶提供的信息或參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)決策原理進(jìn)行后臺(tái)計(jì)算或評(píng)價(jià)，最后直接給出結(jié)論。主要功能界面設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5。用戶只需根據(jù)人機(jī)對(duì)話提示，輸入相應(yīng)的用戶名和密碼進(jìn)入系統(tǒng)主界面，再根據(jù)需要進(jìn)入各模塊。其中用戶管理模塊從登錄模塊進(jìn)入。本系統(tǒng)通過(guò)地力差減法、養(yǎng)分平衡法計(jì)算氮磷鉀養(yǎng)分施用量，其中氮肥和鉀肥施用量也可通過(guò)水氮耦合或水鉀耦合模型計(jì)算。然后選擇施用肥料種類確定肥料用量。輸入當(dāng)?shù)刂矡熗寥阑攫B(yǎng)分含量狀況可進(jìn)行土壤養(yǎng)分(pH值、有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀及速效氮)豐缺評(píng)價(jià)。而且通過(guò)多種水氮耦合模型以及水分生產(chǎn)函數(shù)計(jì)算各生育階段及全生育期耗水量和灌水量。在不同天氣 (晴、曇、陰、雨)，通過(guò)輸入土壤水分基本參數(shù)，如水分控制下限、田間持水率、計(jì)劃濕潤(rùn)層深度等，和實(shí)時(shí)觀測(cè)的參數(shù)，如初始土壤含水率、當(dāng)日最高和最低溫度等，計(jì)算機(jī)即可通過(guò)推理，預(yù)報(bào)當(dāng)日灌排情況，本功能可直接應(yīng)用于大田生產(chǎn)，輸入烤后煙葉品質(zhì)含量進(jìn)行優(yōu)質(zhì)烤煙評(píng)價(jià)，最后快速、準(zhǔn)確地做出當(dāng)?shù)乜緹熕使芾頉Q策方案。

圖5 系統(tǒng)主要功能模塊示意圖Fig.5 Main modules for researched system

2.2 實(shí)例應(yīng)用

貴陽(yáng)煙科所應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行水肥管理決策。其中供試土壤基本理化性狀為：pH值為6.50，有機(jī)質(zhì)為1.96%，堿解氮為130.92 mg/kg，有效鉀為31.82 mg/kg，有效磷為51.41 mg/kg。根據(jù)以往試驗(yàn)資料單位烤煙產(chǎn)量鉀含量0.11 kg/kg，空白產(chǎn)量900 kg/hm2，單位產(chǎn)量氮含量0.06 kg/kg，土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)為0.41；肥料品質(zhì)選用自制生物有機(jī)肥(水溶性)，含鉀量為0.8%，含氮量為2.5%，基肥百分比為70%，當(dāng)季肥料利用率為40%。

2.2.1 施肥管理決策結(jié)果

根據(jù)上述基本信息首先進(jìn)行土壤基本理化性狀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明該土壤適宜烤煙生長(zhǎng)，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷均在優(yōu)質(zhì)烤煙適宜標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但有效鉀含量較低，應(yīng)通過(guò)施用鉀肥來(lái)保證烤煙的生長(zhǎng)。然后利用本系統(tǒng)中“施肥管理決策”中的地力差減法和養(yǎng)分平衡法決策肥料施用方案，輸入上述相關(guān)參數(shù)值，得出結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.2 耗水量及灌水量決策結(jié)果

根據(jù)表2施肥決策結(jié)果，在“耗水量及灌水量決策”模塊輸入相應(yīng)參數(shù)，選擇適宜的計(jì)算方法，可以同時(shí)計(jì)算作物耗水量和灌水量結(jié)果，如表3和表4所示。從表3和表4結(jié)果表明本系統(tǒng)水肥決策方案實(shí)施后，結(jié)果表明實(shí)際產(chǎn)量與目標(biāo)產(chǎn)量接近，相關(guān)系數(shù)均較高。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明本系統(tǒng)決策精度較好，可以在貴州煙區(qū)進(jìn)行烤煙水肥管理決策。

表2 水肥試驗(yàn)施肥決策方案 kg/hm2

注：“-”表示沒(méi)有此項(xiàng)。

表3 水肥試驗(yàn)節(jié)水灌溉決策方案 mm

注：“-”表示沒(méi)有此項(xiàng)。

表4 水肥試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of watering and fertilzing test in Guizhou

注：r為目標(biāo)產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)。

2.2.3 灌排逐日決策結(jié)果

因水肥試驗(yàn)氣象資料收集不完全，故不對(duì)烤煙進(jìn)行全生育期逐日灌排決策。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中移栽后第30天(旺長(zhǎng)期)的烤煙生長(zhǎng)、地區(qū)、天氣和土壤水分狀況等情況，輸入其他相應(yīng)參數(shù)后，晴天最高和最低氣溫分別為30°和25°，有效積溫為540°，風(fēng)力等級(jí)為3，大氣頂部理論太陽(yáng)輻射為168 J，日序數(shù)為163，當(dāng)?shù)睾０胃叨葹? 100 m，緯度為26°，水分控制下限為80%，土壤干容重為1.59 g/cm3，田間持水量為38.8%，本日降雨量為0 mm，土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為0.5 m，潛水蒸發(fā)量、地表徑流量和土層下邊界滲流量均為0 mm，計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤平均含水率為30%。得出灌排決策結(jié)果為“今日至少單位面積灌水量為9.4 mm，本日末土壤有效儲(chǔ)水量為0 mm，土壤含水率達(dá)到控制下限?！?。上述結(jié)果中有效儲(chǔ)水量為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維持煙草正常生長(zhǎng)。

2.2.4 優(yōu)質(zhì)烤煙常規(guī)品質(zhì)評(píng)價(jià)

選取水肥試驗(yàn)烤煙常規(guī)化學(xué)品質(zhì)結(jié)果(表5)輸入各化學(xué)成分含量后，在本系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)煙堿/總氮、總糖/煙堿、總糖/總氮、鉀/氯的評(píng)價(jià)，后臺(tái)保存所有數(shù)據(jù)?？傻贸鲈u(píng)價(jià)結(jié)果為“僅煙堿與總氮比值較低，其余指標(biāo)均在適宜范圍內(nèi)?！?/p>

表5 水肥試驗(yàn)烤后煙葉常規(guī)品質(zhì)結(jié)果 %

3 討 論

我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展是從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變而來(lái)，但缺乏農(nóng)技力量和科技服務(wù)，農(nóng)業(yè)科技成果推廣和轉(zhuǎn)化效率低，嚴(yán)重制約著我國(guó)發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)。其中科技成果轉(zhuǎn)化效率低也嚴(yán)重制約著烤煙產(chǎn)量、質(zhì)量和產(chǎn)值效益的提高。煙草是一種經(jīng)濟(jì)作物，栽培生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，技術(shù)性強(qiáng)。目前，煙農(nóng)對(duì)煙草栽培科技的了解還不多，現(xiàn)代科技成果手段為烤煙栽培服務(wù)還不到位。將已有的煙草科研成果、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)盡快轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力成為煙草栽培中亟待解決的重要問(wèn)題。專家系統(tǒng)正是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)科技，將科研成果、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)融合在一起，方便快捷地管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。不僅提高了成果的轉(zhuǎn)化效率，更為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了一定方向。目前國(guó)內(nèi)研發(fā)的煙草栽培專家系統(tǒng)不多，且功能不全或者不適宜煙農(nóng)直接應(yīng)用。雖然“烤煙配方施肥專家系統(tǒng)”[23]、“植煙田施肥推薦支持決策系統(tǒng)”[24]，能生成大尺度下地理信息土壤肥力分布圖、分析土壤肥力資源、提供施肥咨詢與配方推薦?！盎赑AID4.0的烤煙實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)與決策專家系統(tǒng)”能夠根據(jù)當(dāng)日氣象資料計(jì)算所需的灌溉水量[20]。安徽省皖南地區(qū)的“優(yōu)質(zhì)煙葉栽培管理專家系統(tǒng)MESTCM”[25]、“麻江烤煙專家系統(tǒng)”[26]，它們均具有可視化、網(wǎng)絡(luò)化、知識(shí)化、模塊化、智能化的特點(diǎn)。陳杰[27]研發(fā)的“網(wǎng)絡(luò)化煙草栽培專家系統(tǒng)和煙區(qū)土壤資源WebGIS開(kāi)發(fā)”能很好進(jìn)行煙草生產(chǎn)決策管理，該系統(tǒng)集成煙草種植理論和實(shí)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)后臺(tái)管理，能在空間尺度上進(jìn)行煙區(qū)數(shù)據(jù)的查詢與顯示，直觀形象生動(dòng)地實(shí)現(xiàn)煙草植物營(yíng)養(yǎng)及病蟲害的遠(yuǎn)程診斷以及相關(guān)的信息技術(shù)知識(shí)表達(dá)，土壤基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享促進(jìn)了煙區(qū)土壤知識(shí)的普及，實(shí)現(xiàn)了土壤資源的合理配置與利用。但受基層技術(shù)人員及煙農(nóng)的知識(shí)水平及應(yīng)用能力，上述專家系統(tǒng)并沒(méi)有在煙區(qū)推廣使用。

為更好的服務(wù)基礎(chǔ)技術(shù)人員及煙農(nóng)，也為更全面的了解所生產(chǎn)煙草的品質(zhì)等，本文研發(fā)利用現(xiàn)有研究成果，采用“正向推理”策略求解問(wèn)題，以Visual Basic 6.0程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出基于Windows操作平臺(tái)的烤煙水肥一體化管理系統(tǒng)“烤煙水肥專家決策管理系統(tǒng)”。本系統(tǒng)是從烤煙水分、肥料等生產(chǎn)需求出發(fā)，首先開(kāi)發(fā)了“耗水量及灌水量決策”、“施肥管理決策”模塊。為解決實(shí)際生產(chǎn)中信息的不完全，考慮實(shí)際每日灌排的要求，補(bǔ)充水肥的決策依據(jù)，增加了“植煙土壤基本理化性狀評(píng)價(jià)”、“優(yōu)質(zhì)煙葉常規(guī)品質(zhì)評(píng)價(jià)”、“煙草常用種植技術(shù)”、“逐日灌排決策”以及“歷史結(jié)果查詢”等功能模塊，最終完善烤煙水肥的專家管理。本系統(tǒng)特點(diǎn)在于不僅能同時(shí)進(jìn)行N、P、K施肥的計(jì)算，還能同時(shí)計(jì)算耗水量及灌水量。還對(duì)植煙土壤及烤后煙葉進(jìn)行基本評(píng)價(jià)，通過(guò)預(yù)報(bào)當(dāng)日灌排情況做到日常管理。最終給貴州地區(qū)基層技術(shù)人員和煙農(nóng)提供適宜的水肥管理方案。實(shí)際應(yīng)用表明決策精度非常高，決策方案易懂，能簡(jiǎn)單實(shí)施應(yīng)用，取得良好的效果。本系統(tǒng)豐富了烤煙專家系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為烤煙農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的深度開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

但本系統(tǒng)仍有不足之處，主要是水肥產(chǎn)量模型中自變量還需要考慮其他生長(zhǎng)影響因素，對(duì)不同地區(qū)、不同品種也需要總結(jié)出不同的產(chǎn)量模型。本系統(tǒng)的計(jì)算是基于相應(yīng)的公式及使用者給的參數(shù)值，需要使用者給出正確的參數(shù)值。未來(lái)可以在大數(shù)據(jù)的支持下能夠?qū)斎氲膮?shù)值進(jìn)行分辨。進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)能夠在手機(jī)、掌上電腦等便攜移動(dòng)終端上運(yùn)行的煙草水肥管理一體化專家系統(tǒng)，將農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)相結(jié)合，制定實(shí)際可行完善的煙草水肥管理方案，推動(dòng)煙草行業(yè)的信息化發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以Visual Basic 6.0程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出基于Windows操作平臺(tái)的烤煙水肥一體化管理系統(tǒng)“烤煙水肥專家決策管理系統(tǒng)”，主要包括系統(tǒng)使用說(shuō)明模塊、煙草常用種植技術(shù)模塊、施肥管理決策模塊、登錄及用戶管理模塊、耗水量及灌水量決策模塊、灌排逐日決策模塊、優(yōu)質(zhì)烤煙常規(guī)品質(zhì)評(píng)價(jià)及歷史結(jié)果查詢模塊等九大功能模塊。本系統(tǒng)特點(diǎn)在于能同時(shí)進(jìn)行N、P、K施肥以及耗水量、灌水量的計(jì)算。還對(duì)植煙土壤及烤后煙葉進(jìn)行基本評(píng)價(jià)，通過(guò)預(yù)報(bào)當(dāng)日灌排情況做到日常管理。