全 文 ：红毛丹施肥专家系统
刘根深 ,谢德芳
(中国热带农业科学院分析测试中心　智能化农业信息技术应用示范工程-海南示范区课题组)
1前言
红毛丹(Nephelium lappaceum L.)英文名为 Rambutan ,原产马来群岛 ,是我国引种的热带水果 ,
外型美观 、营养丰富 、兼有荔枝与葡萄风味 ,可口怡人 ,品质优越。从引种迄今对红毛丹的施肥未进
行过系统研究 ,为了适应种植规模逐年扩大与提高红毛丹的品质的需要 ,在海南保亭万亩红毛丹种
植基地 ,进行了土壤养分测定 、植物营养诊断分析 ,并应用专家系统知识表示技术 ,对其领域知识分
析 、知识库系统及培肥途径进行了系统研究。目前 ,国际上把信息技术与农业的结合称之为农业信
息技术(Agricultural Information Technology ,AIT),把未来的农业称之为信息农业 。国家科技部明
确提出“以农业专家系统为突破口发展我国农业信息技术”的战略方针 。农业专家系统是人工智能
专家系统技术应用于农业领域的一项高新技术 ,是符合我国国情的精确农业技术。本文介绍《863
-306智能化农业信息技术应用示范工程-海南示范区》项目的前期基础工作。
2海南红毛丹基地土壤养分测定和植物营养分析
2.1　我国热带亚热带旱地土壤的主要物理与化学性质
海南红毛丹种植基地位于保亭三道 ,地处海南岛南部。其土壤区划为五指山黄壤 、砖红壤性红
壤区 ,是典型的热带土壤 。耕种砖红壤的主要物理与化学性质为:水的 PH 为 4.5 ～ 5.3 ,表土有机
质为 2.0%～ 3.5%,全氮为 0.11%～ 0.15%,全磷为 0.002%～ 0.052%,全钾为 0.42%～ 1.49%,
CEC为 6.5 ～ 11.5 Cmol(+) kg ,盐基饱和度为 20%～ 40%,粘粒含量为 50%～ 70%,氧化硅 氧化
铝颗粒小于 1.7μm
2.2　红毛丹种植基地土壤耕层养分状况
采集了海南保亭三道红毛丹种植基地 59个土样 。经土壤质地分析 ,其土壤质地类型有:轻粘
土 15个 、粉砂轻粘 8个 、砂质中壤 8个 、粉砂质重壤 7个 、壤质轻粘 5个 、粉砂中壤 3个 、砂质中壤3
个 、砂质重壤 3个 、重壤土 3个 、中壤土 2个 、砂质轻粘 1个 、粘质中壤 1个 。
为了配合红毛丹植物营养诊断分析 ,在 59个土壤耕层养分普遍分析之后 ,对进行植物分析的8
个土样的主要耕层养分 ,做了土壤分析评价。其土壤耕层主要养分状况见表 1。
从土壤耕层养分分析结果来看 ,主要养分含量在种植基地内都有较大变异系数 ,有效磷变异最
大。
2.3　红毛丹植物分析
以红毛丹的主要营养组织叶片为分析对象 ,按规定时间取样后 ,清洗叶子表面的污染物并风
干。其植物分析结果见表 2及表 3。
用于诊断目的而应用的标准值 ,在不同“种”之间差异不大 ,全部微量元素的标准值都可以统
一。国外用于果树诊断的各种元素的标准值如下:氮 2.33%,钾 1.53%,磷 0.23%, 钙 1.40%。
海南红毛丹植物营养分析结果与国外采用的标准值比较 ,氮素除千亩 2 、3 、4号表现缺素外 ,其
余均在正常范围之内;磷 、钾 、钙都低于标准值 。
·17·
《计算机与农业》2000年第 5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　○研究与开发
3红毛丹种植基地土壤耕层养分分级与评价
3.1土壤耕层养分分级标准
中国生态系统研究网络(CERN :Chinese Ecosy stem Research Netw ork)土壤养分图分级标准如
下:
·18·
○研究与开发　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《计算机与农业》2000年第 5期
3.2红毛丹种植基地土壤评价
用CERN 土壤养分图分级标准 ,对海南保亭三道红毛丹种植基地的土壤耕层养分实际情况进
行了统计分析。被评价的 59个样点中 ,只有千亩 3 号符合 CERN 土壤养分图Ⅰ级标准 ,仅占被评
价土地的 1.69%。91.5%的土地土壤有机质介于 5 ～ 12g kg 之间 ,其中76.3%的土壤有机质为 7.5
～ 12g kg ,有机质大于 12g kg的土地为 54.2%。土壤全氮 Ⅰ 、Ⅱ等级的土地占 20.3%,全氮小于
0.75g kg的却占 57.6%。有效磷含量低于 10mg kg 的土地占 94.9%,近乎 88%的土地有效磷含
量低于 5mg kg 。土壤耕层速效钾含量大于 100mg kg 的土地占 32.2%,速效钾低于 50mg kg 的土
地占 47.5%。综上所述 ,保亭三道红毛丹种植基地的土壤养分表现为有机质含量高 ,氮素含量低 ,
有效磷含量极低 ,钾素含量偏低 。此结论与红毛丹(叶片)植物分析结果一致。红毛丹种植基地 PH
值小于 5.5 ,是强酸性土壤。
4领域知识分析
4.1红毛丹生态要求
红毛丹为典型热带果树 ,要求高温多湿 、静风和低海拔环境。土壤以耕层深厚 ,富含有机质 、肥
沃疏松 、排水和通气良好 、PH值 4.5 ～ 6.5 、玄武岩形成的冲积土或壤土为佳。海南保亭三道红毛
丹种植基地的砖红壤是玄武岩发育形成的土壤 ,完全满足红毛丹生物学特性的要求 。
4.2土壤肥力
土壤内作物营养所必须的大量元素是氮 、磷 、钾 、钙 、镁 ,特别是氮 、磷经常感到不足 ,而钾存在
于母质中 ,不易被植物利用。因此 ,氮 、磷 、钾在土壤内的数量 、状态对作物的生长影响最为显著。
故土壤肥力按 CERN 的土壤养分图分为 Ⅰ 、Ⅱ、Ⅲ 、Ⅳ、Ⅴ级 ,每个等级又用肥力度 0 、1 、2来评估土
壤肥力的优劣。在施肥专家系统中 ,有机质 、氮素 、磷素 、钾素等元素应作为已知因子 ,以确定土地
肥力 ,设计培肥途径 。
4.3土壤含水量W
W =W·(ρb·Z·10/100)=W·(ρb·Z/10)
其中W 为土壤水分系数 ,ρb为土层容重 ,Z 为土层厚度 ,如果土层厚度为 10厘米 ,则土壤含水
量W =W·ρb(mm)。在施肥专家系统中 ,土壤水分系数 、土壤容重和土壤耕层厚度应作为已知因
子 ,用来计算土壤墒情 。红毛丹种植基地水分系数的平均值为 1.03。土壤水分与光合速率 、蒸腾
速率 、气孔导度之间存在阀值反应 ,阀值的土壤水分约为 12%,相当于田间持水量的 55 ～ 60%,因
此土壤水下限值略高于阀值 5%,即 65%左右 。为了保证红毛丹良好的生态环境与最佳排灌条件 ,
红毛丹生长受阻水分点应定为土壤水下限值 65%。
4.4排灌条件
保亭雨量充沛 ,日照充足 ,热量丰富 ,高温多湿 ,年降雨量 1600mm ,大于 10℃积温为 8700 ～
8800℃。由于红毛丹要求年雨量 1800mm 以上 ,幼苗期不耐旱 ,果实生育期最需水 ,遇连续干旱必
须灌水 。因此 ,应根据种植基地状况 ,在坡地上开好梯田及排水沟 ,有条件的引进节水灌溉工程 ,在
年降雨量略欠的情况下 ,提高灌溉水利用系数 ,以加强灌溉排水基础设施建设与用水管理。植后无
雨时 ,每隔 3天需淋水一次 ,直至扎根稳固。1 ～ 3年生幼树和开花结果的植株遇旱也需灌水。故
·19·
《计算机与农业》2000年第 5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　○研究与开发
排水灌溉条件是否良好应作为施肥专家系统的计算因子。有条件时可采用智能技术改造节水灌溉
工程 ,建成能根据红毛丹需水量 —即生长受阻水分点自动启动能以田间持水量为阀值而关闭的节
水灌溉系统 ,以实现精量灌溉 ,真正提高灌溉水利用系数。
4.5土壤 PH 值
土壤 PH 是一个决定各种元素溶解度的重要因子 ,也是影响养料对植物有效度的主要因子。
绝大多数作物和微生物所适应的 PH 值范围在微酸性 、中性和微碱性(6 、7和 7.5)之间 ,土壤酸性
或碱性过高 ,都会抑制作物的生长与正常的生命活动。在中性或近于中性的条件下 ,作物才可能得
到营养元素的供应 ,酸性或碱性过强的土壤 ,不仅不利于作物养分的供应 ,还会恶化作物生长环境
条件 。
红毛丹所需 PH 值范围在 4.5 ～ 6.5 ,59个土样 PH 的实测值最低为 4.34 ,最高为 7.34 , 8个植
物分析样点的 PH 平均值为 5.30 ,红毛丹种植基地是强酸性土地 。根据赵微平教授“土壤反应对营
养元素有效性的影响”的观点 ,磷酸在酸性土壤中容易与铁 、铝离子结合 ,使磷素固定;酸性过高 ,
钙 、钾等元素容易被过多的氢离子代换出来而流失 ,而铜 、锌 、锰 、硼等微量元素可能过多 。这些结
论与土壤耕层养分分析 、红毛丹植物分析结果完全一致 。
4.6土壤肥力的判断途径
专家系统通过下列各项判断土壤的肥力:
(1)土壤的化学和物理参数 。包括有机质 、碱解氮 、速效磷 、速效钾 、全氮 、全磷 、PH 值 、容重 、孔
隙度 、耕层厚度 、排灌条件 、土壤水分系数等。
(2)基础产量(不施肥产量)。
(3)土壤普查中已知的土壤耕层肥力等级 。
(4)植株种植结构 、树龄 、生育阶段 。
5培肥途径
5.1有效调整耕层 PH值
土壤的 PH值为 6 ～ 7时 ,植物能获得生长所必须的大多数营养元素 ,因此应把土壤耕层的 PH
值调整到红毛丹要求的 6-6.5为宜 ,在培肥中多施有机肥料与石灰。有机肥分解时形成的有机酸
对土壤耕层的 PH 能起缓冲作用 ,石灰能中和土壤酸度使其达到红毛丹品质最佳的生长 PH 值 。当
酸性土壤中铝 、铁 、锰的浓度增高到足以毒害植物时 ,加入石灰可减低这些元素的溶解度 ,消除毒害
作用。但石灰加得太多会降低铁 、锰的有效度 ,造成缺素 。PH 值较高时 ,红毛丹易缺铁素 ,影响长
势 、产量与品质 ,在培肥中应喷施 0.05%的硫酸亚铁 ,以补铁矫正营养元素。准确测定土壤的石灰
需要量 ,把土壤中和到特定的 PH 和盐基饱和度水准(使有毒物质不活化的程度)乃是一种极有价
值的土壤管理措施。如何计算石灰需要量? 较科学的方法是用代换性铝作为石灰需要量指标。可
用下列方法测定:用不加缓冲剂的盐类溶液提取适当数量土壤样品中的代换性铝 ,用标准碱溶液来
滴定提取液 ,所得的代换性铝以毫克当量 100克土表示 ,测定值应乘以 1.5 、2或 3.3即为土壤的石
灰需要量 。
5.2我国专家知识与农民经验
专家推荐不论幼树或结果树 ,雨季前或后必须施肥 ,其它时期视具体情况而定 。1 ～ 5年生幼
树以氮肥为主 ,适当混施磷 、钾肥 ,并深扩穴压青 2 ～ 3次 , 6 龄以上结果树多施氮 、钾肥 ,一般花前 、
小果期和收果后各施一次 ,前两次施速效肥 ,用量为年施肥总量的 1 3 ,采果后重施有机肥和年用化
肥量的 2 3 。有机肥挖沟施 ,化肥浅沟施或撒施 ,微量元素进行叶面喷施。碱性土壤 ,红毛丹易缺铁
素 ,喷施 0.05%的硫酸亚铁 ,以提高碱性土壤中红毛丹的品质 。
5.3国外红毛丹推荐施肥方案
泰国成龄红毛丹的施肥期与肥料氮磷钾(或氮磷钾钙)的配比:开花前为 8-24-24 ,或 10-52
·20·
○研究与开发　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《计算机与农业》2000年第 5期
-17 ,或 15-20-15;叶面喷施磷酸二氢钾 0-52-34。开花期为 12-12-17-2 ,如必要加施微
量元素 。坐果后为 1-1-1 加施微量元素和有机肥。坐果后第 9周为 12-12-17-2 ,如必要加
施微量元素。果实采收后为 15-15-15 ,加尿素或硫酸铵 ,并施有机肥 。
马来西亚对红毛丹推荐施用化肥方案为:
6面向对象知识库系统
红毛丹施肥专家系统是面向对象知识的系统 。在系统中求解施肥问题的属性概念(知识)和智
能行为(知识处理方法)被模型化为对象 ,作为知识库中的一个独立知识单元 ,称为对象(或类)。知
识库系统的基本成分有(1)对象:将知识与使用知识的操作或过程封装成一个实体;(2)类:具有相
同结构 、属性 、功能的实体的集合;(3)消息:集知识流与控制流于一体 ,包含有调用对象 、初值 、过程
名与返回值等信息的载体 ,是系统内对象(类)间产生联系的纽带;(4)继承:下位对象(类)继承上位
对象(类)的属性与功能 。整个知识系统由对象(类)组成一个层次网络模型 ,各对象(类)通过消息
相互联系 ,形成一条自然推理链 ,合作完成对一个问题的求解。
6.1 红毛丹施肥专家系统知识库的知识类层次
·21·
《计算机与农业》2000年第 5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　○研究与开发
6.2红毛丹施肥专家系统知识库的对象(类)
知识对象是作为一个整体使用的 ,由对象标识 、知识 、知识处理方法三部分组成 。施肥专家系
统中知识对象构成实例如下:
对象标识
　　对象名:土壤质地　　　　　　　　类型:字符
超类:　土壤　　　　　　　　　　类型:字符
变量:　养分 , 土壤墒情 , PH 值 , 容重 , 耕层厚度 , 孔隙度　类型:数值
知识
　　作业地名:
养分:　　有机质 、 碱解氮 、 全氮 、全磷 、 速效磷 、 速效钾
土壤墒情:水分系数 、生长受驵水分点 、田间持水量
作物品种:
树龄:幼树 、结果树
季节:雨季前 、 雨季后
生长状态:花前 、花期 、 坐果后 、 坐果中期 、果实采收后
栽培方式:70-120株 hm2 , 穴栽
结果量:
排灌条件:
知识处理方法
　规则 1:如果 [雨季前 、幼树或结果树 、PH值>6]
则　[以氮肥为主 ,混施磷 、钾肥 ,并增加有机肥 ,压青 2-3次 ,化肥浅沟施]
规则 2:如果 [结果树 、花前 、PH值>6]
则　[多施速效氮肥 、速效钾肥 ,用量为全年施肥总量的 1 9 ,浅沟施]
规则 3:如果 [结果树 、小果期 、PH 值>6]
则　[多施速效氮肥 、速效钾肥 ,用量为全年施肥总量的 1 9 ,浅沟施]
规则 4:如果 [结果树 、收果后 、PH 值>6]
则　[多施氮 、钾肥 ,用量为全年施肥总量的 1 9 ,浅沟施]
规则 5:如果 [ 6龄结果树 、果实采收后 、PH 值>6]
则　[重施有机肥与化肥 ,有机肥挖沟施 ,化肥用量为全年施肥总量的 2 3]
规则 6:如果 [ PH值<6]
则　[多施有机肥 、石灰 ,其石灰用量为代换性铝毫克当量 100g 的 1.5(或 2或 3.3)
倍。以调整土壤 PH 值使营养元素达到最高有效度 ,防止缺素]
规则 7:如果 [ PH值>7]
则　[作业区为碱性土壤 ,红毛丹缺铁素 ,叶面喷施 0.05%硫酸亚铁 ,以矫正营养成分]
知识获取过程:询问
6.3知识表示
6.3.1事实知识表示
面向对象知识库中的事实知识 ,有抽象知识与实例知识两种不同的表示方式:
抽象知识:class<类名><超类名><类说明>
例如:　　　　(class 三道地理信息:supclass　信息
(人口:[ ])
(面积:[ ])
(气候:[热带 ,高温多雨 , …])
·22·
○研究与开发　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《计算机与农业》2000年第 5期
(土壤:[酸性 ,中性 。碱性 , …])
(农业:[水稻 ,热带作物 ,红毛丹 ,菠萝 ,香蕉柑桔 , …]))
实例知识:object <对象名><超类名><对象说明>
例如:(Object 保亭县:supclass 地理信息
(人口:　　)
(面积:　　)
(气候:热带)
(土壤:酸性)
(农业:热带作物)
(地形:低海拔丘陵盆地))
6.3.2规则知识表示
面向对象的知识库中规则主体由 IF_THEN 两部分组成 ,其表示形式为:
RULE<规则标号><规则名><规则说明>
为提高推理效率 ,将对象类中处理同一特性的规则集成 ,组成规则集 ,其表示形式为:
RS<规则集名><特性说明><规则说明>
6.4知识获取
红毛丹施肥专家系统中知识获取 ,事实知识 ,是通过人机交互 、特性继承与规则推理三种方法
获取 ,即采用在相应特性值位置上记述“ask” 、“ inherit” 、“deduce”过程名来实现的。而规则知识 ,则
是先将专家经验与书本理论整理成断言形式 ,而后再变换成规则 。
例如以下有关红毛丹施肥方面的专家知识:
“在碱性土壤上 ,红毛丹易发生缺铁症 ,叶片黄化 ,长势差 ,产量低 ,品质劣 ,喷施 0.05%的硫酸
亚铁 ,可获矫正效果 。”
整理成断言则为:
“如果土壤为碱性 ,且叶片黄化 ,长势差 ,产量低 ,品质劣 ,则喷施 0.05%的硫酸亚铁”
根据断言建立规则或规则集
(RS　　热带作物种植
(特性:作物)
(Rules)
　　(Rule 1红毛丹缺铁素 ,喷施硫酸亚铁 ,矫正效果 。
　　　　IF(对象名 叶片黄化)AND(长势差)AND(产量低)AND(品质劣)AND(土壤 PH 值>
7 微碱性)
THEN(对象名 喷施 0.05%硫酸亚铁)))
7结论
对红毛丹施肥问题的系统研究刚刚开始 ,特别是运用知识工程技术建立的施肥专家系统还须
完善 。在国家 863计划农业信息技术应用示范工程技术总体组的专家指导下 ,注意农业自身科学
数据 、专家知识和农业技术成果的积累 ,通过信息技术手段把实用的农业技术成果进行系统集成 ,
加强创新 ,形成完整的农业技术体系 ,以实现跨越发展 ,提高海南农业的信息化水平 。
参考资料:
1 农业部发展南亚热带作物办公室.中国热带南亚热带果树.北京:中国农业出版 , 1998.5
2 何电源.中国南方土壤肥力与栽培植物施肥.北京:科学出版社 , 1994.6　　(下转第 4页)
·23·
《计算机与农业》2000年第 5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　○研究与开发
水;应用地理信息系统和适当的模型 ,可以预报地表径流 ,进而可以预报河道的流量 、洪峰等 。在数
字地球下都可以有效地进行相应的模拟和演示。
(5)“精细农业” 　“精细农业”是集成现代化信息高新技术与农学 、农业工程技术 ,实现农田“高
产 、优质 、高效”的现代农业精耕细作技术 。目前主要着眼于对大田种植业的精细经营管理。20世
纪 90年代以来 ,随着全球定位系统(GPS)、地理信息系统(G IS)、农业应用电子技术和作物栽培有
关模拟模型以及生产管理决策支持系统(DDS)技术研究的发展 , “精细农业”已成为主要发达国家
面向 21世纪 ,为合理利用农业资源 ,提高农作物产量 ,降低生产成本 ,改善生态环境的最富有吸引
力的前沿性研究领域之一 。
(6)决策支持系统　由于数字地球具有多维和不同分辨率的浏览界面 ,广泛和易访问使用的全
球地理空间数据 ,由于虚拟现实技术的应用 ,它可以突破以往传统政府决策的局限性 ,减少决策的
盲目性 ,这将对政府部门的科学决策起到巨大作用 。要研究政府办公自动化和政府上网等内容 ,和
数字地球的概念接轨 。
(7)农业应用软件　配合数字地球 ,应组织人力研制温室数据采集和控制系统 ,遥感数据接收
处理系统 ,作物生长发育模拟系统等。
3指导思想和建议
数字地球是千千万万人的事情 ,农业信息技术也同样是多部门 、多学科的 ,要有一个规划。在
全球 、国家和区域 3个层次上 ,辽宁要搞好区域层次上的工作。虽然目前还没有一个统一的标准 ,
但是不能等 ,这是一个机遇 ,谁先掌握了它谁在信息时代就有主动权 。10年前印度和我国在计算
机软件方面处于同一个起跑线上 ,现在印度已经把我们甩在后面 。信息技术是产业 ,是技术经济的
主体。谁不搞谁就落后 ,落后就挨打 。就辽宁来说 ,搞不搞“数字辽宁” ,搞不搞“数字农业” ,只是一
个提法的问题 ,农业信息化要搞 ,要在“数字地球”概念下来搞 。项目要仔细规划 ,精心设计 ,便于移
植。还要打破行业界限 ,实现数据共享。徐冠华说“ …现在对这些问题往往是个别地做出反应 ,在
某种程度上是头疼医头 、脚疼医脚。现在有的部门提出要搞灾害评估系统 ,有的要搞耕地的监测系
统 ,有的要搞农作物估产系统 ,但每个系统都有结构和功能的局限性 ,而且也造成了大量工作重复 ,
浪费了我国有限的人力 、财力 、物力资源 ,进一部会影响它的发展 。所以 ,要从更宏观的角度来考虑
这些问题 ,在这方面 ,`数字地球 为我们提供了一个新的思路 。它一方面立足于支持国家的整体可
持续发展 ,而且和全球变化 、资源 、环境研究的一体化过程紧密的联系起来 。从这个意义上讲 ,这项
工作早晚得做 ,做晚就会浪费更多的资源 ,早做可以取得更多的主动┅┅” 。
数字地球是计算机 、网络和信息技术发展的必然 ,最终是全球信息一体化 。喜欢也好 ,不喜欢
也好 ,终究是要来的。中国的“数字中国”不能让外国来搞 ,不能让美国搞 ,美国可以搞“数字菲律
宾” ,但绝不可以搞“数字中国” 。“数字辽宁”也只能由辽宁来搞 ,不能依靠国家 。辽宁农业也只能
由农口搞 ,要搞辽宁的数字农业 ,须打破现在土地部门 、水利部门 、环保部门以及气象部门等数据部
门的行业限制 ,至少项目涉及的部分数据共享 ,最终真正实现辽宁农业信息化。
(上接第 23页)
3 周鸣铮译.土壤测定与植物分析.北京:农业出版社 , 1982.5
4 郝明德等.长武农业生态系统结构 、功能及调控原理与技术.北京:气象出版社 , 1998.8
5 李英能.节水农业新技术.南昌:江西科学技术出版社 , 1998.12
6 趟微平.土壤和植物养分的测定及施肥.北京:化学工业出版社 , 1983.2
7 曹文君.知识库系统原理及其应用.上海:复旦大学出版社 1995.8
·4·
○综述与专论　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《计算机与农业》2000年第 5期