陳 朗，劉文歡，劉思雨，馬巖巖，呂 強(qiáng)，易時來，謝讓金，楊 雄，楊 藝，鄭永強(qiáng)

柑橘營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)的建立與驗(yàn)證

陳 朗1，劉文歡1，劉思雨1，馬巖巖1，呂 強(qiáng)1，易時來1，謝讓金1，楊 雄2，楊 藝2，鄭永強(qiáng)1※

（1. 西南大學(xué)-中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院柑桔研究所國家數(shù)字種植業(yè)（柑橘）創(chuàng)新分中心/國家柑橘工程技術(shù)研究中心，重慶 400712；2. 廣安市廣安區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，廣安 638001）

為解決橘園果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥投入不平衡導(dǎo)致的果實(shí)品質(zhì)降低的問題，構(gòu)建基于果實(shí)品質(zhì)綜合評價的營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)。通過2019—2020年連續(xù)兩年定點(diǎn)跟蹤，建立果實(shí)膨大期樹體礦質(zhì)營養(yǎng)和果實(shí)成熟期果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了基于果實(shí)綜合品質(zhì)指標(biāo)的果實(shí)膨大期優(yōu)質(zhì)葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)生成算法、基于“以產(chǎn)定量、總量控制和分期調(diào)控”原則的標(biāo)準(zhǔn)含量適宜偏差百分?jǐn)?shù)有效養(yǎng)分配方矯正算法和基于當(dāng)?shù)胤柿限r(nóng)資供應(yīng)庫的復(fù)混配方推薦算法，實(shí)現(xiàn)果實(shí)膨大期優(yōu)質(zhì)葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)生成、橘園營養(yǎng)狀況評價、有效養(yǎng)分施肥配方推薦以及基于當(dāng)?shù)胤柿限r(nóng)資數(shù)據(jù)庫的復(fù)混配方推薦4個主要功能。2021年度進(jìn)行系統(tǒng)推薦施肥方案效果驗(yàn)證，結(jié)果表明：廣安龍安柚產(chǎn)區(qū)以中產(chǎn)園區(qū)平均產(chǎn)量作為目標(biāo)產(chǎn)量的矯正施肥方案效果最佳，龍安鄉(xiāng)橘園矯正施肥方案的氮、鉀和磷肥投入分別降低40.3%、43.6%和1.3%，崇望鄉(xiāng)橘園矯正施肥方案的氮、鉀和磷肥投入分別降低27.1%、30.8%和78.8%。該系統(tǒng)有效避免了化肥投入不平衡所致果皮著色延遲以及氮鉀肥投入偏低導(dǎo)致果實(shí)偏小和果肉著色延遲，顯著提高龍安柚產(chǎn)區(qū)果實(shí)綜合品質(zhì)，對柑橘葉片養(yǎng)分矯正配方施肥技術(shù)推廣有較高適用性。

信息化；精準(zhǔn)施肥；柑橘；果實(shí)膨大期；營養(yǎng)效率；果實(shí)品質(zhì)

0 引 言

中國柑橘種植面積與產(chǎn)量均位居世界第一，分別達(dá)到2.99×106hm2與4.46 ×107t[1]，市場需求已經(jīng)逐漸由數(shù)量型向質(zhì)量型轉(zhuǎn)變，柑橘果實(shí)品質(zhì)已經(jīng)成為國內(nèi)外市場競爭力強(qiáng)弱的關(guān)鍵。前人研究表明施肥是影響柑橘品質(zhì)的重要因素，但由于柑橘產(chǎn)區(qū)品種、生態(tài)氣候、土壤肥力和土壤類型多樣化，橘農(nóng)很難根據(jù)樹體營養(yǎng)狀況實(shí)現(xiàn)施肥量和配比精準(zhǔn)施肥[2]。梁珊珊[3]調(diào)查結(jié)果表明，施用N、P和K肥過量的橘園分別占中國總種植面積的57.5%、77.0%和69.4%，而施用有機(jī)肥的橘園僅占47.8%。隨著中國“化肥使用量零增長”行動政策的實(shí)施，本團(tuán)隊(duì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)同一產(chǎn)區(qū)過度施用化肥和過度有機(jī)肥替代化肥導(dǎo)致果實(shí)品質(zhì)惡化的現(xiàn)象同時存在。因此，迫切需要推廣橘園配方施肥減肥提質(zhì)增效技術(shù)提升果實(shí)品質(zhì)，以保持柑橘產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

近20年來，農(nóng)作物配方施肥方法大多采用測土配方技術(shù)，該技術(shù)對提高大田作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)以及減少化肥用量都取得了顯著成效[4]，并且開發(fā)出許多營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)向種植戶提供施肥決策支撐[4-7]。然而，土壤采樣測試方法的不確定性、建立營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)的困難以及巨大的人工和時間成本，使基于土壤測試結(jié)果的配方施肥仍然存在很大挑戰(zhàn)[8]。同時，柑橘等水果作物根系在土壤中分布較廣，相較于大田作物獲取代表性的土樣難度更大[9]。由于成年水果作物的樹體養(yǎng)分狀態(tài)相對比較穩(wěn)定，通過對葉片礦質(zhì)營養(yǎng)診斷可以反映果園肥力狀態(tài)[10]。因此，通過構(gòu)建同一產(chǎn)區(qū)內(nèi)葉片礦質(zhì)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)不同橘園養(yǎng)分狀態(tài)診斷評價，并建立合理的配方施肥推薦方案，更適用于柑橘等水果作物施肥指導(dǎo)。

前人針對果實(shí)膨大期開展大量果樹葉片礦質(zhì)養(yǎng)分診斷研究，并建立各地柑橘配方推薦施肥技術(shù)規(guī)程[11-13]。其中，葉片礦質(zhì)養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)建立是實(shí)現(xiàn)橘園營養(yǎng)狀態(tài)診斷和推薦施肥方案的前提條件。KHIARI等[14]通過營養(yǎng)組分分析法（component nutrition diagnosis method, CND）建立葉片營養(yǎng)元素的累計方差函數(shù)和產(chǎn)量或果實(shí)品質(zhì)的關(guān)系，通過兩次求導(dǎo)得到拐點(diǎn)值，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物葉片礦質(zhì)營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)建立和營養(yǎng)平衡狀態(tài)評價，更加注重數(shù)據(jù)集中產(chǎn)量的代表性；MARTIN等[15]采用適宜偏差百分?jǐn)?shù)法（deviation from optimum percentage, DOP）實(shí)現(xiàn)低水平橘園營養(yǎng)元素限制順序和各元素含量偏差直接測量。目前，上述兩類營養(yǎng)診斷算法已經(jīng)運(yùn)用到蘋果[16]、荔枝[17]、臍橙[18]等果樹作物。

然而，上述診斷方法大多以產(chǎn)量作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，本團(tuán)隊(duì)研究表明果實(shí)膨大期葉片營養(yǎng)狀態(tài)與果實(shí)綜合品質(zhì)相關(guān)更大，并且針對膨大期營養(yǎng)診斷推薦施肥可顯著改善果實(shí)品質(zhì)，若以產(chǎn)量為目標(biāo)建立的配方施肥推薦技術(shù)對指導(dǎo)柑橘果實(shí)膨大期施肥存在一定局限性[19]。同時，相較于目前成熟的農(nóng)作物營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)集和算法庫保密原因，尚無可供推廣使用、面向種植戶的柑橘配方推薦施肥系統(tǒng)。

為此，本文以廣安市龍安柚現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)10～12 a生龍安柚（var. Longanyou）為供試材料，構(gòu)建基于果實(shí)品質(zhì)綜合評價指標(biāo)的果實(shí)膨大期柑橘營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)，劃分系統(tǒng)前后臺。后臺僅賦予政府機(jī)構(gòu)、種植用戶和專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)等用戶上傳數(shù)據(jù)集權(quán)限，滿足原始數(shù)據(jù)的保密需要，并構(gòu)建基于果實(shí)品質(zhì)綜合評價指標(biāo)的果實(shí)膨大期優(yōu)質(zhì)養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)生成算法、基于“以產(chǎn)定量、總量控制和分期調(diào)控”原則的有效養(yǎng)分配方矯正算法和基于當(dāng)?shù)胤柿限r(nóng)資庫的復(fù)混肥配方推薦算法；前臺展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)橘園營養(yǎng)狀況評價、有效養(yǎng)分配方以及復(fù)混肥配方推薦3個主要功能結(jié)果，并對柑橘營養(yǎng)施肥推薦系統(tǒng)效果進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，探討其對柑橘減肥提質(zhì)增效的可行性。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于廣安市龍安柚現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園。選擇施用化肥為主的龍安鄉(xiāng)橘園和施用有機(jī)肥為主的崇望鄉(xiāng)橘園，以橘園內(nèi)10～12 a生龍安柚（var. Longanyou）為供試材料。冬季基肥龍安鄉(xiāng)橘園施入生物有機(jī)肥5 kg/株，復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=26∶10∶16）3 kg/株；崇望鄉(xiāng)橘園施入生物有機(jī)肥20 kg/株，不施化肥。生物有機(jī)肥為自制腐熟有機(jī)肥，含3.63%全氮、3.01%全鉀、0.59%全磷。

于兩橘園分別選擇長勢基本一致且樹勢健壯能夠代表當(dāng)?shù)毓芾硭降?0個小區(qū)，合計40個小區(qū)，每個小區(qū)667 m2。為避免樹體大小年的影響，2019－2020年度定點(diǎn)連續(xù)兩年追蹤果實(shí)膨大初期健康春梢葉片礦質(zhì)營養(yǎng)與果實(shí)成熟期果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)，建立算法構(gòu)建原始數(shù)據(jù)庫，用于構(gòu)建包括優(yōu)質(zhì)葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)生成、橘園營養(yǎng)狀態(tài)評價和有效養(yǎng)分配方矯正等算法的柑橘施肥推薦專家系統(tǒng)算法庫；2021年度，通過測定果實(shí)膨大初期葉片礦質(zhì)營養(yǎng)和果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)，用于柑橘營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)效果驗(yàn)證。

1.2 指標(biāo)測定

每個小區(qū)采用“Z”形法隨機(jī)選取5株，葉片樣品于果實(shí)膨大初期（6月上旬）每株采集樹冠中部外圍8片健康春梢葉片，每小區(qū)合計40片葉混合樣，用于葉片礦質(zhì)營養(yǎng)測定；果實(shí)樣品于果實(shí)成熟期（11月上旬）每株采摘樹冠中部外圍四周4個果實(shí)，每小區(qū)合計20個果實(shí)混合樣，用于果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)測定[11,20-21]。

1.2.1 葉片礦質(zhì)營養(yǎng)

采用凱氏定氮法測定樣品中的全N含量，鉬銻抗比色法測定樣品中全P含量，火焰光度法測定樣品中全K含量，采用等離子光譜儀（ICP）測定Ca、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn[22]。

1.2.2 果實(shí)品質(zhì)

電子分析天平測定單果質(zhì)量（PFW）；游標(biāo)卡尺測定果實(shí)縱徑（HD）和橫徑（VD），其果形指數(shù)=縱徑/橫徑；美能達(dá)色差儀CR-10（日本）測定果實(shí)外觀色澤參數(shù)*（果實(shí)亮度值）、*（紅綠色差值）和*（黃藍(lán)色差值），其果實(shí)綜合色澤指數(shù)（CCI）=(1 000×*)/(*×*)。果實(shí)可溶性固形物含量（TSS）、可滴定酸（TA）、維生素C（VC）、出汁率（ER）和可食率（JR）等內(nèi)在品質(zhì)指標(biāo)參考柑橘鮮果檢驗(yàn)方法（GB/T 8210-2011）進(jìn)行檢測分析[23]，并計算果實(shí)成熟度指數(shù)FMI=TSS/TA。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019處理以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示；采用SPSS 25.0進(jìn)行Duncan差異顯著性檢驗(yàn)，采用GraphPad Prism8.0與Adobe Photoshop 2019 CC進(jìn)行繪圖。

2 營養(yǎng)診斷與施肥推薦專家系統(tǒng)流程

柑橘營養(yǎng)診斷與施肥推薦專家系統(tǒng)流程如圖1所示，系統(tǒng)后臺實(shí)現(xiàn)橘園基本信息和原始數(shù)據(jù)的上傳與更新，系統(tǒng)服務(wù)器調(diào)用執(zhí)行果實(shí)品質(zhì)綜合評價算法、葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)生成算法、橘園營養(yǎng)狀態(tài)評價算法、有效養(yǎng)分配方矯正算法和復(fù)混肥配方推薦算法，并與當(dāng)?shù)剞r(nóng)資服務(wù)器雙向通訊；用戶可以通過web瀏覽器（系統(tǒng)前臺）查詢自己橘園基本信息、橘園營養(yǎng)狀態(tài)評價、有效養(yǎng)分矯正配方及基于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資庫的復(fù)混肥配方推薦施肥方案。由于樣品采集與測定的人力物力成本限制，通常大量元素的測定周期為2～3 a，中微量元素為4～5 a（DB50/T 487-2012）[21]，若數(shù)據(jù)庫內(nèi)部無當(dāng)年橘園果實(shí)膨大期礦質(zhì)營養(yǎng)數(shù)據(jù)，按年限最近的數(shù)據(jù)集顯示系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。

2.1 算法庫構(gòu)建

2.1.1 果實(shí)品質(zhì)綜合評價算法

果實(shí)品質(zhì)綜合評價算法[24]通過果實(shí)品質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理和果實(shí)品質(zhì)核心指標(biāo)主成分分析篩選，依據(jù)果實(shí)品質(zhì)核心指標(biāo)各主成分貢獻(xiàn)度排序判斷元素間重要程度實(shí)現(xiàn)層次分析法的自動賦值，最后通過式（1）計算各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化值的乘積累加為果實(shí)綜合品質(zhì)得分F。

F=W11+22+…+Wf（1）

式中為核心指標(biāo)個數(shù)，f為核心指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，W為核心指標(biāo)對應(yīng)的層次分析法權(quán)重系數(shù)，F為果實(shí)綜合品質(zhì)得分，分值越高代表果實(shí)品質(zhì)越好，其劃分閾值為：>0.60為一等果，>0.45～0.60為二等果，0.30～0.45為三等果，<0.30為四等果。

圖1 本文系統(tǒng)決策流程

2.1.2 葉片礦質(zhì)營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)生成算法

參考KHIARI等[14]提出的劃分高低產(chǎn)量小區(qū)CND拐點(diǎn)值算法，將其產(chǎn)量指標(biāo)替換為果實(shí)綜合品質(zhì)評分F，利用數(shù)據(jù)集中果實(shí)綜合品質(zhì)與果實(shí)膨大期葉片礦質(zhì)營養(yǎng)數(shù)據(jù)，擬合各礦質(zhì)營養(yǎng)元素分析參數(shù)V與F三元一次方程FC(V)：

FC(V)=A·F3+B·F2+C·F+D （2）

式中表示不同礦質(zhì)營養(yǎng)元素，V為元素分析參數(shù)，A、B、C、D為常數(shù)。根據(jù)式（2）求兩次導(dǎo)數(shù)可得?2FC(V)/?22=6A·F+2B=0，當(dāng)果實(shí)綜合品質(zhì)得分F=?B/3A時，此時的F即為算法確定元素劃分高低品質(zhì)組群的拐點(diǎn)值，篩選各礦質(zhì)元素拐點(diǎn)值在數(shù)據(jù)集范圍內(nèi)且優(yōu)質(zhì)小區(qū)占總數(shù)據(jù)集比例大于12%的最大拐點(diǎn)值，作為選擇劃分高低品質(zhì)組臨界值，高品質(zhì)組群的葉片礦質(zhì)營養(yǎng)范圍即為當(dāng)?shù)貤l件下果實(shí)膨大期優(yōu)質(zhì)葉片礦質(zhì)營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 橘園營養(yǎng)狀態(tài)診斷算法

參考MONTAéS等[25]提出的DOP診斷指數(shù)算法，以單個橘園各營養(yǎng)元素均值作為數(shù)據(jù)集，根據(jù)式（3）和（4）計算最適宜值百分比偏差以及DOP營養(yǎng)不平衡指數(shù)（NBIm）：

=[(C·100)/CCV]?100 （3）

式中I表示N、P、K….各元素的DOP指數(shù)；C為被診斷橘園元素的平均含量；CCV為2.1.2節(jié)生成的果實(shí)膨大期某元素優(yōu)質(zhì)養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)的均值，g/kg或mg/kg；NBIm反映各個元素診斷指數(shù)之和的平均值，其數(shù)值越低，代表樹體養(yǎng)分越平衡，為被診斷元素的個數(shù)。當(dāng)||≤NBIm時，C在系統(tǒng)建立適宜標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)表示元素含量正常，C低于適宜標(biāo)準(zhǔn)最低值表示偏低，C高于適宜標(biāo)準(zhǔn)最大值表示偏高；|I|> NBIm時，I<0表示C缺乏，I>0表示C過量。

2.1.4 有效養(yǎng)分配方矯正算法

以單個橘園各營養(yǎng)平均值作為養(yǎng)分計算單位，有效養(yǎng)分矯正配方通過式（5）～（7）計算。

ΔC=1?(C?CCV)/CCV（5）

F=··R/N（6）

ΔF=F·ΔC（7）

式中僅表示N、P、K元素；ΔC為樹體元素的養(yǎng)分矯正系數(shù)；C為被診斷橘園年限最近的元素平均含量，g/kg；若目標(biāo)元素按2.1.3節(jié)診斷結(jié)果含量正常，則ΔC等于1，否則按式（5）計算；F為矯正前元素需肥量，kg/hm2；為目標(biāo)產(chǎn)量，kg/hm2；為樹體養(yǎng)分吸收量，即1 kg柑橘果實(shí)氮吸收量，kg；ΔF為矯正后的元素需肥量，kg/hm2；R/N為元素與N元素的推薦比例（果實(shí)膨大期P、K推薦比例分別為0.8與1.5）[23,26]。

2.1.5 復(fù)混肥配方推薦算法

按2.1.4節(jié)確定有效養(yǎng)分ΔN、ΔP和ΔK用量后，大量元素根據(jù)橘園產(chǎn)地肥料庫中不同種類肥料的有效養(yǎng)分含量生成復(fù)混肥推薦施肥方案。若肥料為單質(zhì)肥，每種元素用量通過式（8）計算；若肥料為復(fù)合肥，則是篩選最接近推薦施肥比例（ΔN∶ΔP∶ΔK）的復(fù)合肥，復(fù)合肥用量計算式（9）。

Q=ΔF/R（8）

Q=ΔFmin/R（9）

式中Q為N、P、K單質(zhì)肥用量，kg/hm2；R為單質(zhì)肥中有效養(yǎng)分比例，%；Q為復(fù)合肥用量，kg/hm2；ΔFmin為三種元素中的最小用量，kg/hm2；R則是該元素在復(fù)合肥中占比，%；其余兩種元素減去復(fù)合肥中補(bǔ)充的養(yǎng)分，剩余量則是按照單質(zhì)肥進(jìn)行補(bǔ)充；而中微量元素按橘園營養(yǎng)診斷結(jié)果采取相對應(yīng)的葉面噴施進(jìn)行矯正[26]。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

2.2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

開發(fā)平臺為Visual Studio Code和idea，采用spring+spring、boot+spring和cloud+flutter+vue+python框架搭建系統(tǒng)網(wǎng)站，柑橘營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，橘園的原始數(shù)據(jù)可通過委托專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)檢測后上傳或政府機(jī)構(gòu)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的訪問權(quán)限，存儲于系統(tǒng)服務(wù)器；其次，基于Java 1.8/python 3.7.4實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)診斷推薦施肥決策流程，確定矯正的有效養(yǎng)分配方推薦方案；再次，通過http/https自動對接農(nóng)資公司服務(wù)系統(tǒng)，獲取基于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資商家發(fā)布信息的施肥決策推薦方案；最后，種植戶使用B/S(Brower/Server)模式，通過web瀏覽器連接到系統(tǒng)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)施肥決策推薦方案查詢和購買，界面由Html+JavaScript和flutter語言混合編程實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2.2 用戶權(quán)限設(shè)置

平臺采用基于角色的訪問控制（role-based access control, RBAC）設(shè)置不同角色以實(shí)現(xiàn)不同用戶權(quán)限分配，權(quán)限分配如表1所示。其中，對專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)人員開放種植用戶委托樣品檢測結(jié)果上傳權(quán)限，對政府部門開放對接產(chǎn)區(qū)數(shù)據(jù)庫接口管理權(quán)限。后臺系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地基本信息和數(shù)據(jù)信息的更新與上傳，前臺系統(tǒng)主要展示專家系統(tǒng)的施肥推薦決策結(jié)果。種植用戶可查詢自己橘園養(yǎng)分狀態(tài)、推薦施肥有效養(yǎng)分矯正配方和基于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資庫的復(fù)混肥施肥推薦方案；政府機(jī)構(gòu)用戶可以查看所屬產(chǎn)區(qū)橘園礦質(zhì)營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)、營養(yǎng)平衡狀態(tài)評價和復(fù)混肥推薦方案匯總。

表1 角色權(quán)限

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 產(chǎn)區(qū)優(yōu)質(zhì)葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)建立

專業(yè)用戶以2019—2020連續(xù)兩年的四川廣安區(qū)龍安柚橘園果實(shí)膨大期養(yǎng)分和果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)作為原始數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，系統(tǒng)調(diào)用算法模型庫中果實(shí)品質(zhì)綜合評價算法和葉片礦質(zhì)營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)生成算法自動生成的果實(shí)膨大期葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)N為22.7～24.8 g/kg，P為1.1～1.3 g/kg，K為9.9～13.3 g/kg，Ca為61.2～71.5 g/kg，Mg為2.2～2.7 g/kg，Mn為35.1～85.8 mg/kg，F(xiàn)e為4.1～7.8 mg/kg，Cu為5.6～7.5 mg/kg，Zn為12.3～19.5 g/kg，系統(tǒng)前臺為專業(yè)機(jī)構(gòu)與政府機(jī)構(gòu)開放原始數(shù)據(jù)查看權(quán)限（圖3）。

圖3　產(chǎn)區(qū)原始數(shù)據(jù)與葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)查看界面

3.2 橘園營養(yǎng)平衡狀態(tài)評價

將2021年度龍安鄉(xiāng)和崇望鄉(xiāng)龍安柚橘園果實(shí)膨大期葉片礦質(zhì)營養(yǎng)檢測數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，調(diào)用本系統(tǒng)構(gòu)建的果實(shí)膨大期優(yōu)質(zhì)葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)（圖3），應(yīng)用本系統(tǒng)橘園營養(yǎng)狀態(tài)診斷算法模型，專業(yè)用戶授權(quán)查看營養(yǎng)診斷指數(shù)和橘園營養(yǎng)限制因子分析結(jié)果（圖4）。

圖4 橘園營養(yǎng)平衡狀態(tài)評價界面

結(jié)果表明：2021年度果實(shí)膨大初期，龍安鄉(xiāng)橘園養(yǎng)分的過量限制因子為K、Mn，營養(yǎng)指數(shù)為9.45和6.96；缺乏限制因子為P、Ca和Zn元素，營養(yǎng)指數(shù)分別為?9.93、?8.64和?6.40，橘園需肥順序?yàn)镻>Ca>Zn。崇望鄉(xiāng)橘園（OF）養(yǎng)分的過量限制因子為P，營養(yǎng)指數(shù)為76.38，Mg元素偏高，營養(yǎng)指數(shù)為27.57；缺乏限制因子為Mn和Zn，營養(yǎng)指數(shù)分別為?54.73和?42.48，N、K元素偏低，營養(yǎng)指數(shù)為?21.82與?9.30，需肥順序?yàn)镸n>Zn>>N>K。

3.3 橘園有效養(yǎng)分配方和復(fù)混肥方案推薦

通過調(diào)用龍安鄉(xiāng)和崇望鄉(xiāng)橘園營養(yǎng)診斷指數(shù)，應(yīng)用本系統(tǒng)有效養(yǎng)分配方矯正算法模型，龍安鄉(xiāng)橘園的有效養(yǎng)分矯正配方需要在有效養(yǎng)分未矯正配方基礎(chǔ)上減少9.45%的鉀、增加9.93%的磷投入；崇望鄉(xiāng)橘園3種有效養(yǎng)分矯正配方需要在有效養(yǎng)分未矯正配方方案基礎(chǔ)上減少76.38%的磷、增加21.82%的氮和9.30%的鉀投入（圖4）。2021年度，由于缺乏不同橘園養(yǎng)分利用率水平數(shù)據(jù)，采用算法構(gòu)建原始數(shù)據(jù)庫中的低產(chǎn)園、中產(chǎn)園和高產(chǎn)園的平均產(chǎn)量作為目標(biāo)產(chǎn)量，分別為28.98、35.71和47.78 t/hm2，生成龍安鄉(xiāng)和崇望鄉(xiāng)各3個推薦施肥處理方案分別標(biāo)記為RF1、RF2與RF3，以施化肥為主的龍安鄉(xiāng)橘園和施用有機(jī)肥為主的崇望鄉(xiāng)橘園果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥處理作為對照FP，合計8個處理如表2所示。然后，調(diào)用農(nóng)資服務(wù)系統(tǒng)復(fù)混肥配方推薦算法，種植用戶和政府機(jī)構(gòu)授權(quán)查看橘園3種有效養(yǎng)分矯正配方方案和基于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資數(shù)據(jù)庫的復(fù)混肥推薦方案（圖5）。另外，本系統(tǒng)僅為種植用戶與政府機(jī)構(gòu)提供大量元素施肥建議，而中微量元素施肥具體方案按當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣部門的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

表2 龍安鄉(xiāng)和崇望鄉(xiāng)橘園施肥處理方案

圖5 龍安鄉(xiāng)與崇望鄉(xiāng)橘園推薦施肥界面

3.4 柑橘營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)應(yīng)用效果驗(yàn)證

表2為2021年度的龍安鄉(xiāng)與崇望鄉(xiāng)橘園的8個有效養(yǎng)分配方方案，結(jié)果表明：龍安鄉(xiāng)推薦施肥相較于該橘園果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥化肥用量明顯減少。

其中，龍安鄉(xiāng)RF1、RF2和RF3處理氮投入分別降低52.5%、40.3%、19.5%，鉀投入分別降低55.1%、43.6%、24.1%，RF1與RF2的磷投入分別降低21.1%與1.3%。崇望鄉(xiāng)施用有機(jī)肥為主的經(jīng)驗(yàn)施肥橘園氮和鉀的DOP指數(shù)分別為?21.82和?9.3，磷的DOP指數(shù)為76.38（圖4），故相較于崇望鄉(xiāng)橘園果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥處理，RF1、RF2和RF3推薦施肥處理氮投入分別提高53.8%、93.8%和160.4%，鉀投入分別提高29.7%、65.4.%和119.1%，以滿足果實(shí)生長發(fā)育的養(yǎng)分以及N、K元素矯正需求；但磷投入分別降低79.4%、74.4%和65.6%。然而，相較于龍安鄉(xiāng)果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥，崇望鄉(xiāng)RF1、RF2和RF3處理氮投入分別降低42.5%、27.1%、1.95%，鉀投入分別降低45.8%、30.8%、8.5%，磷投入分別降低82.9%、78.8%、71.4%。

依據(jù)本團(tuán)隊(duì)建立的柑橘果實(shí)品質(zhì)評價指數(shù)算法[24]，龍安柚綜合品質(zhì)評價模型：F=0.28·FMI?0.23·CCI+ 0.19·PFW+0.14·ER+0.09·TSS+0.04·Vc（標(biāo)準(zhǔn)化值）。與施用化肥為主的龍安鄉(xiāng)果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥處理相比，龍安鄉(xiāng)橘園RF2處理效果最佳，果實(shí)可溶性固形物和果實(shí)成熟度指數(shù)分別提高5.2%和14.5%，可滴定酸降低13.1%（圖6），且果實(shí)外觀著色CCI指數(shù)顯著降低92.7%（表3）；最終龍安鄉(xiāng)RF2處理橘園果實(shí)綜合品質(zhì)指數(shù)在0.55～0.71范圍（一等果為主），龍安鄉(xiāng)果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥處理的果實(shí)綜合品質(zhì)指數(shù)0.19～0.44（三等果為主）（圖7）。而與施用有機(jī)肥為主的崇望鄉(xiāng)果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥處理相比，崇望鄉(xiāng)橘園RF2處理效果最佳，果實(shí)可溶性固形物、果實(shí)成熟度指數(shù)和單果質(zhì)量分別顯著提高9.3%、12.4%（圖6）和19.1%（表3），果肉著色改善（圖8），但果實(shí)外觀著色CCI指數(shù)顯著降低34.17%（圖8，表3）；最終崇望鄉(xiāng)RF2處理橘園果實(shí)綜合品質(zhì)指數(shù)在0.55～0.74范圍（一等果為主），崇望鄉(xiāng)果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)施肥處理果實(shí)綜合品質(zhì)指數(shù)在0.46～0.66范圍（二等果為主）（圖7）。

注：不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）。下同。

表3 不同處理下果實(shí)外在品質(zhì)指標(biāo)

圖7 不同處理下綜合果實(shí)品質(zhì)指數(shù)

圖8 龍安鄉(xiāng)和崇望鄉(xiāng)不同處理下果實(shí)外觀與果肉顏色

4 討 論

目前，柑橘葉片礦質(zhì)營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)大部分針對高產(chǎn)群體礦質(zhì)營養(yǎng)特征制定，僅有少量研究涉及側(cè)重于品質(zhì)的基于營養(yǎng)平衡原理的葉片適宜標(biāo)準(zhǔn)[27-28]。鑒于目前廣安市龍安柚葉片礦質(zhì)營養(yǎng)診斷標(biāo)準(zhǔn)尚未制定，參考的標(biāo)準(zhǔn)僅限于近緣琯溪蜜柚和度尾文旦柚[28-29]，基于果實(shí)品質(zhì)的度尾文旦柚葉片礦質(zhì)營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)N為24.1～28.7 g/kg，P為1.0～1.4 g/kg，K為13.9～22.4 g/kg，Ca為22.6～42.1 g/kg，Mg為2.4～4.1 g/kg，Cu為6.0～25.0 mg/kg，Zn為24.0～40.0 mg/kg，F(xiàn)e為60.0～140.0 mg/kg，Mn為25.0～140.0 mg/kg[29]。本研究中構(gòu)建廣安市龍安柚現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)適用的果實(shí)膨大期優(yōu)質(zhì)的葉片適宜養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)N為22.7～24.8 g/kg，P為1.1～1.3 g/kg，K為9.9～13.3 g/kg，Ca為61.2～71.5 g/kg，Mg為2.2～2.7 g/kg，Mn為35.1～85.8 mg/kg，F(xiàn)e為4.1～7.8 mg/kg，Cu為5.6～7.5 mg/kg，Zn為12.3～19.5 g/kg。本研究獲得的葉片礦質(zhì)元素診斷標(biāo)準(zhǔn)中N、K、Fe和Zn略低，而Ca偏高，其余P、Mg、Mn和Cu均在適宜范圍之內(nèi)，可能因?yàn)楸狙芯咳~片采樣時間較常規(guī)采樣提前2～3月以滿足提前指導(dǎo)當(dāng)年壯果肥施用的需求，此時葉片尚未成熟正處在N、K、Fe和Zn吸收上升期，而幼梢葉片器官形態(tài)建成所需Ca吸收達(dá)到高峰所致[27]。

本團(tuán)隊(duì)前期研究結(jié)果表明花期營養(yǎng)診斷推薦施肥可以顯著提高產(chǎn)量，果實(shí)膨大期橘園樹體營養(yǎng)診斷施肥是決定果實(shí)品質(zhì)而非果實(shí)產(chǎn)量的關(guān)鍵時期[19,26]。本研究針對施用有機(jī)肥為主的崇望鄉(xiāng)橘園，柑橘營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)的應(yīng)用改善了單果質(zhì)量較小和可溶性固形物較低的狀況（表3，圖7），推測是由于該橘園長期施用有機(jī)肥無法滿足樹體N、K元素的需求（圖4）影響細(xì)胞膨大與可溶性固形物合成，該結(jié)果與SHEIKH等[30]有機(jī)肥替代化肥試驗(yàn)結(jié)果一致；同時，系統(tǒng)施肥推薦方案減少P元素投入，亦降低樹體呼吸作用對光合產(chǎn)物的消耗[31]。另外，本研究針對施用化肥為主的龍安鄉(xiāng)橘園，系統(tǒng)施肥推薦方案減少N、K元素的投入，有效避免果皮著色延遲（表3，圖8），促進(jìn)果肉的降酸（圖6）。該結(jié)果與位高生[32]和李榮飛等[33]在琯溪蜜柚與龍安柚的研究結(jié)果一致。

需要說明的是，本研究的養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)建立在柑橘果實(shí)主流品質(zhì)指標(biāo)的綜合果實(shí)品質(zhì)評價模型基礎(chǔ)上，未涉及果肉著色[24]。然而，紅肉柑橘果肉著色也是影響消費(fèi)者選擇的重要指標(biāo)，且與葉片養(yǎng)分平衡及養(yǎng)分投入均有直接相關(guān)性[30-31]，后期需要進(jìn)一步建立紅肉柑橘果實(shí)綜合評價層次分析算法模型，完善營養(yǎng)診斷適宜標(biāo)準(zhǔn)與施肥推薦算法模型。另外，最終廣安龍安柚產(chǎn)區(qū)均以中產(chǎn)園的平均產(chǎn)量35.71 t/hm2為目標(biāo)推薦施肥方案效果最佳，顯著低于以化肥為主的經(jīng)驗(yàn)施肥投入（表2），可以作為該產(chǎn)區(qū)主推的施肥推薦方案。通過后期規(guī)定周期[23]營養(yǎng)診斷推薦施肥數(shù)據(jù)采集會進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)庫的量，算法實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)，建立的營養(yǎng)診斷適宜標(biāo)準(zhǔn)和施肥推薦結(jié)果會更加準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

為了推廣橘園減肥提質(zhì)增效的配方施肥技術(shù)，本研究采用角色的訪問控制基于營養(yǎng)組分分析法和適宜偏差百分?jǐn)?shù)法算法構(gòu)建了柑橘營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)效果驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1）將本團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的果實(shí)綜合品質(zhì)評價算法引入研究中，利用CND拐點(diǎn)值法在果實(shí)綜合品質(zhì)上可進(jìn)行優(yōu)質(zhì)、低質(zhì)小區(qū)分級的特性，構(gòu)建了基于果實(shí)綜合品質(zhì)指標(biāo)的果實(shí)膨大期優(yōu)質(zhì)葉片養(yǎng)分適宜標(biāo)準(zhǔn)生成算法，結(jié)合龍安柚樹體礦質(zhì)營養(yǎng)與果實(shí)品質(zhì)原始數(shù)據(jù)庫，建立了廣安市龍安柚優(yōu)質(zhì)葉片營養(yǎng)適宜標(biāo)準(zhǔn)N為22.7～24.8 g/kg，P為1.1～1.3 g/kg，K為9.9～13.3 g/kg，Ca為61.2～71.5 g/kg，Mg為2.2～2.7 g/kg，Mn為35.1～85.8 mg/kg，F(xiàn)e為4.1～7.8 mg/kg，Cu為5.6～7.5 mg/kg，Zn為12.3～19.5 g/kg；利用DOP算法在樹體營養(yǎng)狀態(tài)評價和有效養(yǎng)分配方矯正的易用性，構(gòu)建了基于DOP算法的橘園樹體營養(yǎng)狀態(tài)評價和“以產(chǎn)定量、總量控制和分期調(diào)控”原則的有效養(yǎng)分矯正配方施肥算法，結(jié)合本團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的復(fù)混肥配方算法驗(yàn)證了柑橘營養(yǎng)施肥推薦專家系統(tǒng)的可行性。

2）大田推薦施肥專家系統(tǒng)效果驗(yàn)證結(jié)果表明廣安龍安柚產(chǎn)區(qū)以中產(chǎn)園平均產(chǎn)量作為目標(biāo)產(chǎn)量的矯正施肥方案效果最佳，實(shí)現(xiàn)龍安鄉(xiāng)橘園矯正方案的氮、鉀和磷肥投入分別降低40.3%、43.6%和1.3%，崇望鄉(xiāng)橘園矯正方案的氮、鉀和磷肥投入分別降低27.1%、30.8%和78.8%。避免了化肥投入過高和不平衡所致果皮著色延遲以及肥氮鉀肥投入偏低導(dǎo)致果實(shí)偏小和果肉著色延遲，顯著提高龍安柚產(chǎn)區(qū)果實(shí)綜合品質(zhì)，為后續(xù)系統(tǒng)推廣提供案例支撐。

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Establishing and verifying the nutrient expert system for citrus fertilization recommendation

CHEN Lang1, LIU Wenhuan1, LIU Siyu1, MA Yanyan1, LYU Qiang1, YI ShiLai1, XIE Rangjin1, YANG Xiong2, YANG Yi2, ZHENG Yongqiang1※

(1./(),,-,400712,; 2.,638001,)

Fertilization is one of the most important aspects during commercial citrus production. A better tradeoff is also required for the fruit quality with the fertilizer reduction and nutrients efficiency. In this study, an expert system was constructed for the citrus fertilization recommendation of mineral nutrients, according to the comprehensive evaluation of fruit quality. The 40 plots of 10-12a Longan pomelo (Citrus Grandis cv. ‘Longan’) orchard were selected in the Modern Agricultural Industrial Park of Longan Pomelo, Guangan City, Sichuan Province, China. The indexes were tracked from 2019 to 2020, including the tree mineral nutrition at the fruit expansion stage (early June), and the fruit quality at the fruit maturity stage (mid-November). The original database was then established. Three algorithms were constructed, including the nutrient criteria generation of high-quality leaf at the fruit expansion stage, the correction fertilization of deviation from the optimum percentage (DOP), according to the standard of “yield quantification, the total quantity control, and staging control”, and the compound fertilizer formula recommendation using the local fertilizer and agricultural materials supply database. Four functions were then achieved, namely, the automatic generation of high-quality leaf nutrient criteria during fruit expansion, the nutritional assessment of citrus orchards, the recommendation of available nutrient formulations, and the recommendation of compound fertilizer formulations. The system was distributed to the growers, government agencies, and system administrators with the different permissions using role-based access control (RBAC). A series of validation experiments were carried out on the nutrient expert system for the citrus fertilization recommendation at the early stage of fruit expansion in 2021. Two circus orchards were selected, where the chemical fertilizer was applied in the Longan Town, whereas, the organic fertilizer was in the Chongwang Town. The average low-, middle-, and high-yield plantations were taken as the system target yields. The effective formula of nutrient correction was used to generate three schemes of recommended fertilization for two orchards, labeled as the RF1, RF2, RF3. The FP control groups were marked as the experience fertilization schemes for the citrus orchards in Longan and Chongwang Town, respectively. The results showed that the RF2 treatments for two orchards performed the best with the average yield of 35.71 t/hm2, particularly serving as the recommended fertilization scheme. Specifically, the RF2 treatment for Longan was reduced by 40.3%, 43.6%, and 1.3% in the nitrogen (N), Kalium (K), and potassium (P) inputs, respectively, compared with the chemical experience fertilization schemes. By contrast, the RF2 treatment for Chongwang was reduced the N, K and P inputs by 27.1%, 30.8%, and 78.8%. Those two RF2 treatments were achieved in the optimal purpose of “Fertilizer reduction”. At the same time, the treatments can be expected to effectively avoid the delays in the fruit coloring and the low overall fruit quality that caused by the excessive and imbalanced chemical fertilization inputs. The low inputs of N and P fertilizers can be alleviated the small fruit sizes and delayed fruit pulp color, due to the empirical organic fertilizer application. Therefore, the nutrient fertilization recommendation system can be promising potential to promote the nutrient correction formula fertilization for commercial citrus industry.

informatization; precision fertilization; citrus; fruit expansion stage; nutrient efficiency; fruit quality

10.11975/j.issn.1002-6819.202209075

TP182

A

1002-6819(2023)-01-0146-09

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CHEN Lang, LIU Wenhuan, LIU Siyu, et al. Establishing and verifying the nutrient expert system for citrus fertilization recommendation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 146-154. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209075 http://www.tcsae.org

2022-09-08

2022-12-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（2020YFD1000101）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31972991）；西南大學(xué)先導(dǎo)計劃項(xiàng)目（SWU-XDZD22004）；重慶市智慧柑橘專項(xiàng)課題（cstc2019jscx-gksbX0089）；四川省轉(zhuǎn)移支付項(xiàng)目（2018NZYZF0103）

陳朗，研究方向?yàn)楦涕僦腔凵a(chǎn)。Email：chenlangcitrus@outlook.com

鄭永強(qiáng)，博士，教授，研究方向?yàn)楣麡渲悄芑a(chǎn)。Email：zhengyq@swu.edu.cn。