湖北省莲藕施肥推荐专家咨询系统的设计与实现

摘要：湖北省莲藕施肥推荐专家咨询系统是基于莲藕营养特性与施肥技术研究成果，主要用来指导莲藕生产过程中合理施肥，以提高莲藕产量和改善莲藕品质，同时提高肥料的利用效率，避免盲目施肥对农田水环境造成污染。该系统基于Ｗｅｂ服务，运用ＪＳＰ、Ｓｅｒｖｌｅｔ、ＪａｖａＢｅａｎ技术，采用Ｂ／Ｓ结构和ＭＶＣ（Mｏｄｅｌ－Vｉｅｗ－Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）开发模式，能够给出藕田土壤肥力的客观评价，并在此基础上提供科学的施肥建议，将结果采用Ｅｘｃｅｌ模板输出，用户可方便地保存和使用。

关键词：莲藕；土壤肥力；施肥推荐；ＭＶＣ；Ｂ／Ｓ结构

中图分类号：ＴＰ３１１；Ｓ１４７．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０11）09－1880-04

Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｈｉｚｏｍｅ Ｌｏｔｕｓ Ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ

ＱＩＮ Ｙｉｎ－ｙｉｎｇ１，２，３，ＬＩＵ Ｄｏｎｇ－ｂｉ１，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ３，ＦＡＮ Ｘｉａｎ－ｐｅｎｇ１，ＬＵ Ｗｅｉ２

（１． Ｐｌａｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｈｕｂｅｉ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００６４，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ；

３． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｆｏｒｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｒｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ ｒｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ， ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｎｓｔｒｕｃｔ ｆａｒｍｅｒｓ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｉｎ ｒｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｙｉｅｌｄ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｒｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｕｓｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ａｎｄ ａｌｓｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ． Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅ， ＪＳＰ， Ｓｅｒｖｌｅｔ ａｎｄ ＪａｖａＢｅａｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＭＶＣ（Mｏｄｅｌ－Vｉｅｗ－Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ） ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ａｎｄ ａ Ｂ／Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ， ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｅｘｐｏｒｔｉｎｇ ｉｎ Ｅｘｃｅｌ ｆｉｌｅｓ． Ｉｔ waｓ ｖｅｒｙ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｔｏ ｓａｖｅ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： rｈｉｚｏｍｅ ｌｏｔｕｓ； sｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ； fｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ； ＭＶＣ； Ｂ／Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

在中国传统的农业生产中，农民只是根据生产经验对作物进行施肥。随着现代农业生产技术的发展，发现不同作物对不同营养元素的需求是不同的，作物的产量、品质与施肥有着密切的关系。为提高肥料养分利用率，增加施肥效益，实现农作物种植高效化，就必须对施肥量进行科学计算。施肥对农作物生产带来益处是毋庸置疑的［１］，但并不是施肥越多越好，既要考虑到肥料成本，同时过多的肥料养分对农田水环境会造成威胁。据有关资料显示，某些以农业生产为主的地区，超量施肥已成为农田周边水体中氮、磷含量严重超标的一个重要原因，大量的氮、磷随地表径流、地下淋溶等途径进入自然水体中，导致水体的富营养化［２］；另一方面，施肥量不足也严重制约着生产潜力的发挥［３，４］。因此，针对不同地块，根据土壤养分的测试结果和作物营养特性确定施肥量与施肥方法有着重要意义，这样既可以保证作物生长所需要的养分，又可以防止施肥造成环境胁迫。

“湖北省莲藕施肥推荐专家咨询系统”（以下简称“系统”）可以将计算机技术用于莲藕施肥咨询中，为用户制订科学合理的施肥方案，减少农民习惯性施肥的盲目性，提高莲藕施肥管理的智能化决策水平［５］。

１系统目标与设计过程

１．１设计目标

在系统设计过程中，按照软件工程的理论，结合系统用户需求，系统设计应做到以下几点：①界面友好，易于操作；②较高的可靠性和安全性；③较好的可扩充性；④较好的管理工具。系统需要实现施肥推荐、系统管理和用户管理三大功能。施肥推荐功能要能够给出土壤肥力评价，并根据作物营养特性计算施肥量，为用户提供科学的施肥指导；系统管理要实现对土壤养分分级标准、施肥量、施肥分配比例、肥料品种等进行更新、查看等功能，根据专家的最新研究成果及时更新相关信息，从而提高专家指导施肥的科学性；用户管理功能能够实现对不同身份的用户进行权限设置，同时提供给用户管理个人信息的权利，这样既能保证系统的安全性又可以方便用户使用。

１．２系统流程分析

系统的工作流程为：用户手工输入或以文件的形式批量输入藕田土壤主要属性或养分含量，调用专家知识数据库，得出对藕田土壤各主要属性或养分含量的评价，并结合莲藕品种、土壤的产量潜力、计划用肥品种等信息，给出施肥量和施肥方法建议。系统的基本业务流程如图１。

１．３系统数据流分析

数据流分析是将系统抽象成一系列的逻辑加工单元，分析各单元数据流之间的关联情况。它用直观的图形清晰地描绘系统的逻辑模型，图中没有任何具体的物理元素，只是描述数据在系统中的流动和处理的情况。系统的数据流程图（顶层）如图２所示。

１．４土壤肥力评价与施肥推荐过程

系统是在湖北省农业科学院植保土肥研究所近几年关于莲藕营养特性与施肥技术研究成果基础上开发的［６，７］。根据藕田土壤属性和养分测试结果，系统首先对土壤养分肥力状况进行分级和评价（用土壤常规分析方法和ＡＳＩ法均可），在明确了藕田种植收获计划和该田块产量潜力（或产量目标）基础上，系统根据莲藕全生育期营养特性给出比较合理的推荐施肥建议。其中，计算过程是该系统的核心，可分为以下三个步骤：①根据用户的藕田土壤样品测试结果对土壤养分肥力特征进行分级和评价；②根据莲藕收获类型（青荷藕／成熟藕）和产量潜力，系统调用施肥量推荐标准，并给出合理的莲藕全生育期养分使用总量；③根据用户的施肥计划（包括是否使用复混肥，复混肥中氮、磷、钾的含量，使用的各种单质肥料名称及养分含量），计算出各种肥料的实物施用量。

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在施肥推荐过程中，复混肥一般作底肥（第一次施肥）使用，底肥中不够的部分再用单质肥料补足。复混肥计算有两个原则：①复混肥最小原则，即在使用复混肥时，根据氮、磷、钾推荐使用量分别计算出满足不同养分元素的复混肥使用量，然后从中选择最小的那个值作为本次复混肥基本使用量，设为ｆ１，其目的是要保证该养分元素不能超标，其他养分元素不足的部分用单质肥替补；②复混肥取整十原则，根据“①”中计算得出复混肥基本使用量ｆ１，取整十数，即取小于或等于ｆ１的最大整十数，方便农户记录（或记忆）和称量。

２系统详细设计

２．１系统功能模块划分

根据实地调研并结合软件设计理论，系统应具有施肥推荐、系统管理、用户管理等三大功能，其子功能分解如图３所示。

２．２系统流程设计

系统运行过程中，用户必须按照一定的流程操作，操作过程中，系统要对用户行为做出判断。对于不合法操作，如非法数据，系统要拒绝写入并给用户相应的提示。对于不同级别的用户，系统给予一定的操作权限，以保证系统的安全性。系统流程如图４所示。

３系统实现

系统采用ＭＶＣ（Ｍｏｄｅｌ－Vｉｅｗ－Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）设计模式［８］，将系统分为两部分开发，一部分为前台页面设计，一部分为后台处理设计，最后实现各部分通信，将所有设计整合成为一个应用系统。

３．１系统前台页面设计

根据系统功能化分，系统前台页面主要由系统登录／注册主界面、系统更新管理主界面、施肥推荐主界面、用户管理界面等组成［９］。

３．２系统后台处理设计

系统后台处理主要有模型层和控制层两部分，其中模型层负责业务逻辑处理，控制层负责沟通视图层和业务层，控制数据处理与页面显示。

３．３系统开发技术及环境

系统按ＭＶＣ模式开发Ｂ／Ｓ结构的Ｗｅｂ服务系统，用到ＪＳＰ、ＪａｖａＢｅａｎ、Ｓｅｒｖｌｅｔ等技术［１０］；Ｗｅｂ服务器采用Ｔｏｍｃａｔ ６．０服务器，系统开发环境是Ｔｏｍｃａｔ６．０＋ ＭｙＥｃｌｉｐｓｅ７．０＋Ｊ２ＳＤＫ１．５．１；在数据库系统的选择上采用了Ａｃｃｅｓｓ数据库管理系统［１１］。

４系统测试与评价

４．１系统测试

通过完整的系统测试，各项功能符合设计要求，可按系统设计要求完成用户既定的任务，能实现用户管理、系统管理和施肥推荐功能。测试中得到的用户施肥推荐通知单如图５所示。

４．２系统评价

系统开发采用Ｂ／Ｓ结构设计，减轻客户端编程压力，方便用户使用。在开发模式上，运用ＭＶＣ开发模式，将系统设计分层，模型、视图与控制器的分离，使得一个模型可以具有多个显示视图，将系统的显示、处理等分开，提高系统的可维护性，代码规范合理。

系统开发过程中，合理使用ＪＳＰ相关技术，对用户身份认证采用Ｓｅｓｓｉｏｎ记录，可以对非法登录的用户进行防御，提高了系统的安全性。在页面设计的过程中，用到ＪＳ（ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ）等相关技术，对用户输入的数据进行合法性验证，减轻服务器的处理压力。整个系统设计过程中，考虑了用户使用和操作的方便性，报表输出后也方便存储和修改。

经过测试和分析，系统具有以下两个方面的优点：①用于湖北省莲藕施肥推荐咨询，针对性和实用性强。②用户只需提供土壤养分测试值、莲藕品种、产量潜力和收获类型等信息，而后３个参数农户可自行获得或选择，只要对土壤养分进行测试，就可得到相应的施肥推荐，体现了系统参数易得的优点。

虽然经过精心设计与开发，但因时间及知识面原因，系统仍存在一些缺点和不足，比如批量处理时，文件格式有较严格的要求，可能会给用户带来一定的麻烦；此外系统的健壮性还需要进一步改善，数据库操作部分还需要进一步优化设计。随着研究范围的扩大和研究技术的不断完善，如果结合专家知识库和ＧＩＳ最新研究成果，将系统开发成基于ＧＩＳ的适用于全国不同莲藕产区的施肥推荐专家咨询系统，将具有更高的使用价值和商业价值［１２］。

参考文献：

［１］ 林葆． 化肥与无公害农业［Ｍ］． 北京：中国农业出版社，２００３．

［２］ 张维理，武淑霞，冀宏杰，等．中国农业面源污染形势估计及控制对策Ⅰ．２１世纪初期中国农业面源污染的形势估计［Ｊ］． 中国农业科学，２００４，３７（７）：１００８－１０１７．

［３］ 张福锁，王激清，张卫峰，等． 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径［Ｊ］． 土壤学报， ２００８，４５（５）：９１５－９２４．

［４］ 刘冬碧，范先鹏，杨利，等． 江汉平原水稻肥水管理现状与技术对策［Ｊ］． 湖北农业科学， ２０１０，４９（８）：１８３１－１８３５．

［５］ 周炼清，史舟，王珂，等．基于ＷｅｂＧＩＳ的农业园区水稻施肥推荐系统的研究［Ｊ］． 浙江大学学报（农业与生命科学版），２００５（２）：６０－６４．

［６］ 刘冬碧， 熊桂云， 范先鹏， 等．莲藕干物质和氮磷钾养分的累积与分配研究［Ｊ］．植物科学学报，２０１１，２９（１）：１２８－１３３．

［７］ 熊桂云，刘冬碧，陈防，等． 莲藕氮磷钾锌肥配合施用效应研究［Ｊ］．中国土壤与肥料，２００９（ １）：３１－３４，３９．

［８］ ＮＪＡＧＩ Ｄ Ｇ． Ａ ｖｉｄｅｏ ｓｔｏｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ iｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ＪＡＶＡ Ｓｅｒｖｌｅｔ， ＪＳＰ ａｎｄ ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ［Ｄ］． 长沙：中南大学， ２００４．

［９］ 耿祥义， 张跃平． ＪＳＰ使用教程 ［Ｍ］． 第二版． 北京：清华大学出版社，２００７．

［１０］ 霍尔，布朗，蔡金． Ｓｅｒｖｌｅｔ与ＪＳＰ核心编程［Ｍ］． 第二版． 胡书敏，译． 北京：清华大学出版社，２００９．

［１１］ 巴尔特. Ａｃｃｅｓｓ ２００７开发指南［Ｍ］．谢晖，许伟，译． 北京：人民邮电出版社，２００８．

［１２］ 石伟． ＡｒｃＧＩＳ地理信息系统详解［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９．

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