北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量定量評價體系設計與系統(tǒng)實現(xiàn)

梁建平，閻曉軍，王大山，吳彥澎，趙錦一，李靖偉

（1北京市農業(yè)局信息中心，北京100029；2北京市農業(yè)局，北京100029；3北京市農林科學院，北京100097；4北京市農業(yè)局能源生態(tài)處，北京100029；5北京市農林科學院信息所，北京100097）

北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量定量評價體系設計與系統(tǒng)實現(xiàn)

梁建平1，閻曉軍2，王大山1，吳彥澎3，趙錦一4，李靖偉5

（1北京市農業(yè)局信息中心，北京100029；2北京市農業(yè)局，北京100029；3北京市農林科學院，北京100097；4北京市農業(yè)局能源生態(tài)處，北京100029；5北京市農林科學院信息所，北京100097）

筆者圍繞“凈化水源、清潔空氣、改良土壤”三大主題，結合首都“農村生態(tài)文明建設”工程總體要求和實際情況，按照農業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、評價、治理、再評價的閉環(huán)鏈條，在現(xiàn)有成果的基礎上研究構建符合北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境的質量定量評價指標體系，主要包括5大類常規(guī)監(jiān)測與評價指標、3大類8小類23項治理與評價指標，及其與之對應的標準和模型。依據(jù)指標體系，采用模型、遙感、地理信息系統(tǒng)等技術，設計開發(fā)了具有農業(yè)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、質量評價、治理規(guī)劃等核心功能的信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境的定量評價，并統(tǒng)一了評價數(shù)據(jù)源標準，尤其突破了大規(guī)模定量關聯(lián)評價的難題，具有較高的評價模型和標準的智能匹配能力。這將為整個農業(yè)生態(tài)環(huán)境領域定量評價做出重要貢獻，為北京市制定生態(tài)農業(yè)環(huán)境監(jiān)測、治理、規(guī)劃等重要方針政策提供量化依據(jù)。

農業(yè)生態(tài)環(huán)境；質量；定量評價；模型

0 引言

農業(yè)生態(tài)環(huán)境是一個由社會、經濟、自然和人類活動組成的復合系統(tǒng)[1]，它是農業(yè)生產和發(fā)展的基礎，農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量的優(yōu)劣不僅關系著農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，更影響著人類生活環(huán)境[2]。農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量評價主要考慮農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)屬性信息，根據(jù)選定的指標體系，運用綜合評價的方法評定某區(qū)域農業(yè)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣，作為環(huán)境現(xiàn)狀評價或環(huán)境影響評價的參考標準，或為環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境建設提供基本依據(jù)[3]。

國內外農業(yè)生態(tài)環(huán)評以定性和定量相結合的方式進行，國外側重于對替代方法、指標相互作用、模型選取及影響機制等方面的研究[4-5]；國內的研究較多地以社會、經濟效益指標作為評價，弱化了生態(tài)環(huán)境的作用[6]，忽視了對農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量時空變化的分析。農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量評價的方法與模型較多，目前較多采用權重評價方法（綜合指數(shù)法）、模糊綜合評價法、灰色綜合聚類法、層次分析法、神經網絡評價模型以及基于遙感和地理信息系統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)分析模型等[7-9]。但是，目前的大多數(shù)研究主要集中于定時、定區(qū)域研究，缺乏對農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量的動態(tài)變化分析及對未來發(fā)展趨勢的預測。

進入“十二五”，北京市提出“世界城市”建設的戰(zhàn)略目標，都市型現(xiàn)代農業(yè)進入以“世界水平”農業(yè)要求的快速發(fā)展階段。以“高端、高效、高輻射、安全、循環(huán)、開放、規(guī)?；碑a業(yè)為基礎，滿足首都居民生活、生態(tài)多元需求，傳統(tǒng)意義上的農業(yè)功能在這個國際化大都市中正逐漸弱化，農業(yè)的生態(tài)和生活等功能正逐漸引起人們的重視。為全面、客觀地反映北京都市型現(xiàn)代農業(yè)生態(tài)的發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢，筆者就北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量定量評價指標體系的建立和系統(tǒng)實現(xiàn)進行論述。

1 北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量定量評價的業(yè)務范圍和內容

北京市長期以來一直堅持按照監(jiān)測、評價、治理、再評價的閉環(huán)鏈條進行農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量地定量評價，主要的業(yè)務范圍包括兩大方面，一是農業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，二是農業(yè)生態(tài)環(huán)境保護和治理。以下數(shù)據(jù)來源于北京市農業(yè)局2015年度農業(yè)生態(tài)環(huán)境狀況報告。其業(yè)務框架如圖1所示。

圖1 北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量評價業(yè)務框架圖

1.1 農業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

1.1.1 農業(yè)土壤環(huán)境 全市對155個土壤環(huán)境質量監(jiān)測點位實施長期定位監(jiān)測，其中：糧食作物產地69個，蔬菜42個，水果40個，其他經濟作物4個。主要關注其重金屬超標現(xiàn)象，監(jiān)測項目為：鉛、鉻、銅、砷、汞、和pH值等7項。

1.1.2 農業(yè)土壤肥力 全市在京郊13個縣區(qū)共設置土壤肥力長期定位監(jiān)測點170個，其中有效監(jiān)測點169個，代表面積7521 hm2，在各類作物產地中，主要涵蓋設施菜田、露地菜田、果園、糧田。主要關注土壤的養(yǎng)分情況，監(jiān)測項目主要為N、P、K。

1.1.3 漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境 全市10個區(qū)縣共設置重點漁業(yè)養(yǎng)殖水質監(jiān)測點14個，監(jiān)測項目為溶解氧、總氮、總磷和重金屬等17個，重點關注其含量的超標現(xiàn)象。

1.1.4 畜禽場環(huán)境質量常規(guī)監(jiān)測 全市長期對9個郊區(qū)縣的36個規(guī)?；笄輬錾醿壬鷳B(tài)環(huán)境、舍內空氣環(huán)境、畜禽引用水水質等方面的主要環(huán)境要素進行監(jiān)測。畜禽場舍內生態(tài)環(huán)境如溫度、風速、照度和噪聲。畜禽場舍內空氣環(huán)境中的氮氣、硫化氫、二氧化氮、總懸浮顆粒物濃度。畜禽飲用水水質如大腸菌群、細菌總數(shù)等。

1.2 農生業(yè)態(tài)環(huán)境保護和治理

1.2.1 凈化水源 主要涉及兩方面，一是畜禽糞污減排利用，通過推進標準化規(guī)模養(yǎng)殖，發(fā)展農牧結合、適度規(guī)模的飼養(yǎng)模式，畜禽糞污得到了集中處理和資源化利用，重點關注COD和氨氮的消納能力；二是漁業(yè)的增殖放流，消納水體的氮和磷。

1.2.2 改良土壤 主要包括三方面，一是農業(yè)廢棄物綜合利用，主要涉及農業(yè)畜禽糞便、蔬菜殘體、農田秸稈等農業(yè)廢棄物的循環(huán)再利用，生成肥料再還田；二是測土配方施肥，降低了由于過量施肥對土壤所造成的面源污染，并提升土壤的有機質含量；三是科學合理使用農藥，控制不同種類農藥的使用量，節(jié)約用量，并且定期抽檢農藥質量檢查其合格率。

1.2.3 清潔空氣 主要涵蓋四方面，首先是保護性耕作，通過深松機等機械在保留地表覆蓋物的前提下免耕播種，減少農田土壤侵蝕，保護農田生態(tài)環(huán)境；其次是粉碎秸稈制作成飼料還田；第三是農機尾氣污染防控；第四個是太陽能、沼氣等可再生能源的利用。前兩方面有效杜絕了焚燒農作物秸稈現(xiàn)象，實現(xiàn)了全面禁燒，有效控制了焚燒造成的空氣污染。

2 北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量定量評價指標體系

通過對上述北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量定量評價的業(yè)務范圍和內容的分析，對其中每一部分的內容進行拆解、關聯(lián)、歸類，并進行相應模型的構建和對應標準的收集匹配[10-11]。其中模型主要利用多年來行業(yè)慣用模型，標準是行業(yè)的慣用標準。具體內容詳見表1。

模型(1)：單項污染指數(shù)法，公式如(1)所示。

續(xù)表1

其中，Ci為i污染物的實測值；Si為i污染物的評議標準或背景值。

綜合污染指數(shù)采用內梅羅綜合指數(shù)法，公式如(2)所示。

其中，Pmax為單項污染指數(shù)的最大值；Pave為單項污染指數(shù)的算術平均值。

模型(2)：公式如(3)所示。

式中：I代表地塊養(yǎng)分綜合指數(shù)，F(xiàn)i=第i個指標評分值，Wi=第i個指標的權重。

模型(3)：單項污染指數(shù)法，公式如(4)所示。

其中，Ci為i污染物的實測值；Si為i污染物的評議標準或背景值.

綜合污染指數(shù)，公式如(5)所示。

其中，PI為環(huán)境質量綜合評價指數(shù)，Pi各評價因子分指數(shù)（即單因子指數(shù)），n評價因子總數(shù)。

模型(4)：單項污染指數(shù)：公式如(6)所示。

式中：Ci為i環(huán)境污染物的實測濃度；Csi為i污染物的環(huán)境標準濃度限值。

綜合污染指數(shù)：公式如(7)所示。

式中：Imax代表各項污染物中最大污染指數(shù)，n代表參加評價污染物的項目數(shù)，Ii代表某污染物的污染指數(shù)。

3 北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量定量評價系統(tǒng)實現(xiàn)

依據(jù)上述評價指標體系，采用JAVA編程語言進行系統(tǒng)開發(fā)，利用GIS、遙感等技術進行評價指標的時空展示，并通過Bi的報表工具進行評價指標的多維度統(tǒng)計分析以及數(shù)據(jù)挖掘。整個系統(tǒng)架構由下至上分為7層，分別是接口、基礎設施、數(shù)據(jù)資源、支撐平臺、業(yè)務應用系統(tǒng)、門戶、用戶。重點在接口層上，面向各級系統(tǒng)的多源異構數(shù)據(jù)進行對接，與市資源管理中心的空間地理信息平臺進行北京市地理行政區(qū)劃圖層的共享，與北京市農業(yè)局5個處室和6個局屬單位的12個系統(tǒng)進行業(yè)務數(shù)據(jù)的共享。數(shù)據(jù)資源層分為基礎空間數(shù)據(jù)庫和業(yè)務空間數(shù)據(jù)庫，基礎空間庫包括農業(yè)各行業(yè)空間分布數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測點空間分布數(shù)據(jù)；業(yè)務空間數(shù)據(jù)庫包括環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境治理數(shù)據(jù)。業(yè)務應用系統(tǒng)重點包括3個子系統(tǒng)，第一個是農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測評價子系統(tǒng)，主要是利用監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對農業(yè)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的評價；第二個是農業(yè)生態(tài)環(huán)境治理效果評價子系統(tǒng)，主要是利用對農業(yè)生態(tài)環(huán)境實施各種治理措施后的數(shù)據(jù)來進行治理效果的評價；第三個是農業(yè)生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃布局系統(tǒng)，主要是利用第二和第三個子系統(tǒng)評價的結果的基礎上進行疊加邏輯分析，分析各指標間的關聯(lián)關系，制定出下一步農業(yè)生態(tài)環(huán)境治理的規(guī)劃和措施。門戶和用戶層主要針對不同的部門和用戶進行評價和評價結論權限的劃分。其總體架構如圖2所示。下文將就該核心功能的實現(xiàn)做進一步分析。

3.1 數(shù)據(jù)源統(tǒng)一標準

北京農業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測治理智能主要由北京市農業(yè)局負責，具體工作由其全局6個處室、7個站所執(zhí)行，因此相關數(shù)據(jù)分散于各個單位，并且標準不統(tǒng)一?；诖?，通過制定《源數(shù)據(jù)統(tǒng)一報送規(guī)范》來獲取所需的數(shù)據(jù)[12-13]，該規(guī)范包括了數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)表字段和評價方法和標準等6個表格，形成了一套完整的農業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和治理數(shù)據(jù)源表，為下一步評價和治理、規(guī)劃布局奠定基礎。

表2 農生業(yè)態(tài)環(huán)境保護和治理評價指標體系

3.2 農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測評價

常規(guī)監(jiān)測主要包括4方面[14-15]：土壤環(huán)境、土壤肥力、漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境。數(shù)據(jù)監(jiān)測方式主要是利用上文提到的全北京市部署的監(jiān)測點，通過這種以點帶面的形式進行環(huán)境的監(jiān)測，監(jiān)測手段一方面是通過各種傳感器實時的對漁業(yè)水質和畜禽舍內環(huán)境進行實時監(jiān)測，另一方面是通過人工定期采樣進行實驗室檢測。其中傳感器數(shù)據(jù)直接通過網絡進入系統(tǒng)，實驗室檢測數(shù)據(jù)需要人工導入系統(tǒng)。系統(tǒng)利用上述表1的評價模型和標準對采集的數(shù)據(jù)進行運算，并以GIS專題圖的形式在展現(xiàn)在地圖上。

3.3 農業(yè)生態(tài)環(huán)境治理效果評價

圖2 北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量定量評價總體技術架構

農業(yè)生態(tài)環(huán)境很重要的一個環(huán)節(jié)就是利用各種措施進行治理，而其效果的好壞需要定性和定量的評價，其結果都是可量化的數(shù)字，能夠做進一步的統(tǒng)計分析和今后的大數(shù)據(jù)挖掘，這也為下文中的農業(yè)生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃布局提供量化決策依據(jù)[16]。按照上文表2的模型，本文利用系統(tǒng)程序實現(xiàn)了定量評價。這主要是得益于可量化的模型中的每一個因子[17-18]。治理內容主要包括凈化水源、清潔空氣、改良土壤。凈化水源主要是一方面是對畜禽養(yǎng)殖糞污的無害化處理，另一方面是對漁業(yè)養(yǎng)殖水質的提升，共涵蓋COD、增殖放流水域氮消耗量等7個指標；清潔空氣一方面是禁止農田秸稈焚燒并進行再利用，以及防止農田裸露，另一方面是對農業(yè)再生能源的利用，第三是對農機的尾氣排放量的控制，共涵蓋農作物秸稈綜合利用率、可再生能源替代標煤量等7個指標；改良土壤一方面是增加環(huán)境友好型肥料的施用和減少化學肥料的施用，另一方面是增加生物有機農藥的施用和減少化學農藥的施用，共涵蓋環(huán)境友好型肥料施用量比例、化學農藥畝均用量等9個指標。

3.4 農業(yè)生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃布局

該部分內容主要是上文評價結果的綜合性應用[19-20]，其核心內容就是將治理任務、治理前的情況、治理后的效果、進行空間地理圖層的一一展現(xiàn)，并將治理任務和治理后的效果進行比對，可分析出治理任務的完成情況，將治理前的情況和治理后的效果進行比對，可對制定下一步的治理任務提供量化依據(jù)。

4 應用效果

本系統(tǒng)正式運行近半年，隨著系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)的不斷完善，其指標評價結果更加準確和環(huán)境治理規(guī)劃布局更加合理。下面簡述一個應用案例來說明本文的核心內容和價值。

以畜禽養(yǎng)殖場糞污治理為例，圖例中顯示出：紅色面狀圖斑為禁養(yǎng)區(qū)，藍色線條為自然保護區(qū)，也就是主要流域，藍色水狀點位水源地，藍色小房子為未治理養(yǎng)殖場，紅色小房子為已治理養(yǎng)殖場，講這些所有的圖層進行疊加，就能展現(xiàn)目前的治理狀況，分布形勢，下一步的治理重點等等決策內容。如圖3所示.

圖3 畜禽養(yǎng)殖場糞污治理規(guī)劃

5 討論

本研究依據(jù)北京市農業(yè)生態(tài)環(huán)境的有關數(shù)據(jù)，結合計算機模型處理，將復雜抽象的農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量評價指標進行了系統(tǒng)化、定量化，形成了監(jiān)測、評價、治理、再評價的閉環(huán)鏈條，為制定生態(tài)農業(yè)環(huán)境監(jiān)測、治理、規(guī)劃等提供了決策依據(jù)。

本研究下一步重點研究方向：一是評價指標、模型、標準繼續(xù)完善；二是文中27個評價指標只是整個農業(yè)環(huán)境質量評價體系的一部分指標，還有一些重要指標需要補充。并就新的指標建立新的模型；三是農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量評價體系涉及北京市多個農業(yè)業(yè)務單位，數(shù)據(jù)量龐大、個別模型數(shù)據(jù)源更新存在不連續(xù)性和欠準確問題，這會影響評價結果后期的歷史比對和治理規(guī)劃布局，有待制定機制進一步監(jiān)督各單位做好數(shù)據(jù)的更新。

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聲明

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特此聲明。

《農學學報》編輯部

Design and System Implementation of a Quantitative Evaluation System for Agro-ecological Environment Quality in Beijing

Liang Jianping1,Yan Xiaojun2,Wang Dashan1,Wu Yanpeng3,Zhao Jingyi4,Li Jingwei5
(1Information Center of Beijing Municipal Bureau of Agriculture,Beijing 100029,China;2Beijing Municipal Bureau of Agriculture,Beijing 100029,China;3Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100097,China;4Energy Ecology Division of Beijing Municipal Bureau of Agriculture,Beijing 100029,China;5Information Office of Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100097,China)

This paper focuses on three themes of“clean water,clean air and soil improvement”.With the overall requirements of the rural ecological civilization construction project and the actual situation of Beijing,according to the closed chain of monitoring,evaluation,management and reevaluation of agricultural ecological environment,an index system of quantitative quality evaluation was constructed based on the existing research results.This system mainly included 5 categories of routine monitoring and evaluation index,23 governance and evaluation indexes belonging to 3 categories and 8 types,and the corresponding standard and model.Based on the index system,the method of modeling,remote sensing and geographic information system were used to design and develop the information system with core functions of agricultural ecological environment data monitoring,quality evaluation and management planning,then to realize the quantitative evaluation of agricultural ecological environment in Beijing,and to unify the evaluation standard data source.In particular,the study solved the problem of large scale quantitative association evaluation,and had high intelligent matching ability of evaluation model.This would make an important contribution to the quantitative evaluation of agricultural ecological environment,and provide a quantitative basis for policy formulation on ecological agriculture environmental monitoring,management,planning and so on in Beijing.

Agro-ecological Environment;Quality;Quantitative Evaluation;Model

S19

A論文編號：cjas17030016

梁建平，男，1981年出生，內蒙古烏蘭察布人，高級工程師，碩士，主要從事農業(yè)信息化技術應用推廣工作。通信地址：100029北京市西城區(qū)裕民中路6號農業(yè)局信息中心，Tel：010-82031901，E-mail：915289732@qq.com。

閻曉軍，男，1967年出生，北京人，農業(yè)技術推廣研究員，碩士，主要從事農業(yè)信息服務研究與推廣工作。通信地址：100029北京市西城區(qū)裕民中路6號 農業(yè)局信息中心，Tel：010-62041599，E-mail：yanxj@bjny.gov.cn。

2017-03-10，

2017-05-27。