北京市农业生态环境质量定量评价体系设计与系统实现

梁建平，阎晓军，王大山，吴彦澎，赵锦一，李靖伟

（1北京市农业局信息中心，北京100029；2北京市农业局，北京100029；3北京市农林科学院，北京100097；4北京市农业局能源生态处，北京100029；5北京市农林科学院信息所，北京100097）

北京市农业生态环境质量定量评价体系设计与系统实现

梁建平1，阎晓军2，王大山1，吴彦澎3，赵锦一4，李靖伟5

（1北京市农业局信息中心，北京100029；2北京市农业局，北京100029；3北京市农林科学院，北京100097；4北京市农业局能源生态处，北京100029；5北京市农林科学院信息所，北京100097）

笔者围绕“净化水源、清洁空气、改良土壤”三大主题，结合首都“农村生态文明建设”工程总体要求和实际情况，按照农业生态环境监测、评价、治理、再评价的闭环链条，在现有成果的基础上研究构建符合北京市农业生态环境的质量定量评价指标体系，主要包括5大类常规监测与评价指标、3大类8小类23项治理与评价指标，及其与之对应的标准和模型。依据指标体系，采用模型、遥感、地理信息系统等技术，设计开发了具有农业生态环境数据监测、质量评价、治理规划等核心功能的信息系统，实现了北京市农业生态环境的定量评价，并统一了评价数据源标准，尤其突破了大规模定量关联评价的难题，具有较高的评价模型和标准的智能匹配能力。这将为整个农业生态环境领域定量评价做出重要贡献，为北京市制定生态农业环境监测、治理、规划等重要方针政策提供量化依据。

农业生态环境；质量；定量评价；模型

0 引言

农业生态环境是一个由社会、经济、自然和人类活动组成的复合系统[1]，它是农业生产和发展的基础，农业生态环境质量的优劣不仅关系着农业可持续发展，更影响着人类生活环境[2]。农业生态环境质量评价主要考虑农业生态系统属性信息，根据选定的指标体系，运用综合评价的方法评定某区域农业生态环境的优劣，作为环境现状评价或环境影响评价的参考标准，或为环境规划和环境建设提供基本依据[3]。

国内外农业生态环评以定性和定量相结合的方式进行，国外侧重于对替代方法、指标相互作用、模型选取及影响机制等方面的研究[4-5]；国内的研究较多地以社会、经济效益指标作为评价，弱化了生态环境的作用[6]，忽视了对农业生态环境质量时空变化的分析。农业生态环境质量评价的方法与模型较多，目前较多采用权重评价方法（综合指数法）、模糊综合评价法、灰色综合聚类法、层次分析法、神经网络评价模型以及基于遥感和地理信息系统的多源数据分析模型等[7-9]。但是，目前的大多数研究主要集中于定时、定区域研究，缺乏对农业生态环境质量的动态变化分析及对未来发展趋势的预测。

进入“十二五”，北京市提出“世界城市”建设的战略目标，都市型现代农业进入以“世界水平”农业要求的快速发展阶段。以“高端、高效、高辐射、安全、循环、开放、规模化”产业为基础，满足首都居民生活、生态多元需求，传统意义上的农业功能在这个国际化大都市中正逐渐弱化，农业的生态和生活等功能正逐渐引起人们的重视。为全面、客观地反映北京都市型现代农业生态的发展状况及发展趋势，笔者就北京市农业生态环境质量定量评价指标体系的建立和系统实现进行论述。

1 北京市农业生态环境质量定量评价的业务范围和内容

北京市长期以来一直坚持按照监测、评价、治理、再评价的闭环链条进行农业生态环境质量地定量评价，主要的业务范围包括两大方面，一是农业生态环境监测，二是农业生态环境保护和治理。以下数据来源于北京市农业局2015年度农业生态环境状况报告。其业务框架如图1所示。

图1 北京市农业生态环境质量评价业务框架图

1.1 农业生态环境监测

1.1.1 农业土壤环境 全市对155个土壤环境质量监测点位实施长期定位监测，其中：粮食作物产地69个，蔬菜42个，水果40个，其他经济作物4个。主要关注其重金属超标现象，监测项目为：铅、铬、铜、砷、汞、和pH值等7项。

1.1.2 农业土壤肥力 全市在京郊13个县区共设置土壤肥力长期定位监测点170个，其中有效监测点169个，代表面积7521 hm2，在各类作物产地中，主要涵盖设施菜田、露地菜田、果园、粮田。主要关注土壤的养分情况，监测项目主要为N、P、K。

1.1.3 渔业养殖环境 全市10个区县共设置重点渔业养殖水质监测点14个，监测项目为溶解氧、总氮、总磷和重金属等17个，重点关注其含量的超标现象。

1.1.4 畜禽场环境质量常规监测 全市长期对9个郊区县的36个规模化畜禽场舍内生态环境、舍内空气环境、畜禽引用水水质等方面的主要环境要素进行监测。畜禽场舍内生态环境如温度、风速、照度和噪声。畜禽场舍内空气环境中的氮气、硫化氢、二氧化氮、总悬浮颗粒物浓度。畜禽饮用水水质如大肠菌群、细菌总数等。

1.2 农生业态环境保护和治理

1.2.1 净化水源 主要涉及两方面，一是畜禽粪污减排利用，通过推进标准化规模养殖，发展农牧结合、适度规模的饲养模式，畜禽粪污得到了集中处理和资源化利用，重点关注COD和氨氮的消纳能力；二是渔业的增殖放流，消纳水体的氮和磷。

1.2.2 改良土壤 主要包括三方面，一是农业废弃物综合利用，主要涉及农业畜禽粪便、蔬菜残体、农田秸秆等农业废弃物的循环再利用，生成肥料再还田；二是测土配方施肥，降低了由于过量施肥对土壤所造成的面源污染，并提升土壤的有机质含量；三是科学合理使用农药，控制不同种类农药的使用量，节约用量，并且定期抽检农药质量检查其合格率。

1.2.3 清洁空气 主要涵盖四方面，首先是保护性耕作，通过深松机等机械在保留地表覆盖物的前提下免耕播种，减少农田土壤侵蚀，保护农田生态环境；其次是粉碎秸秆制作成饲料还田；第三是农机尾气污染防控；第四个是太阳能、沼气等可再生能源的利用。前两方面有效杜绝了焚烧农作物秸秆现象，实现了全面禁烧，有效控制了焚烧造成的空气污染。

2 北京市农业生态环境质量定量评价指标体系

通过对上述北京市农业生态环境质量定量评价的业务范围和内容的分析，对其中每一部分的内容进行拆解、关联、归类，并进行相应模型的构建和对应标准的收集匹配[10-11]。其中模型主要利用多年来行业惯用模型，标准是行业的惯用标准。具体内容详见表1。

模型(1)：单项污染指数法，公式如(1)所示。

续表1

其中，Ci为i污染物的实测值；Si为i污染物的评议标准或背景值。

综合污染指数采用内梅罗综合指数法，公式如(2)所示。

其中，Pmax为单项污染指数的最大值；Pave为单项污染指数的算术平均值。

模型(2)：公式如(3)所示。

式中：I代表地块养分综合指数，Fi=第i个指标评分值，Wi=第i个指标的权重。

模型(3)：单项污染指数法，公式如(4)所示。

其中，Ci为i污染物的实测值；Si为i污染物的评议标准或背景值.

综合污染指数，公式如(5)所示。

其中，PI为环境质量综合评价指数，Pi各评价因子分指数（即单因子指数），n评价因子总数。

模型(4)：单项污染指数：公式如(6)所示。

式中：Ci为i环境污染物的实测浓度；Csi为i污染物的环境标准浓度限值。

综合污染指数：公式如(7)所示。

式中：Imax代表各项污染物中最大污染指数，n代表参加评价污染物的项目数，Ii代表某污染物的污染指数。

3 北京市农业生态环境质量定量评价系统实现

依据上述评价指标体系，采用JAVA编程语言进行系统开发，利用GIS、遥感等技术进行评价指标的时空展示，并通过Bi的报表工具进行评价指标的多维度统计分析以及数据挖掘。整个系统架构由下至上分为7层，分别是接口、基础设施、数据资源、支撑平台、业务应用系统、门户、用户。重点在接口层上，面向各级系统的多源异构数据进行对接，与市资源管理中心的空间地理信息平台进行北京市地理行政区划图层的共享，与北京市农业局5个处室和6个局属单位的12个系统进行业务数据的共享。数据资源层分为基础空间数据库和业务空间数据库，基础空间库包括农业各行业空间分布数据和环境监测点空间分布数据；业务空间数据库包括环境监测数据、环境治理数据。业务应用系统重点包括3个子系统，第一个是农业生态环境质量监测评价子系统，主要是利用监测数据的数据实现对农业生态环境现状的评价；第二个是农业生态环境治理效果评价子系统，主要是利用对农业生态环境实施各种治理措施后的数据来进行治理效果的评价；第三个是农业生态环境治理规划布局系统，主要是利用第二和第三个子系统评价的结果的基础上进行叠加逻辑分析，分析各指标间的关联关系，制定出下一步农业生态环境治理的规划和措施。门户和用户层主要针对不同的部门和用户进行评价和评价结论权限的划分。其总体架构如图2所示。下文将就该核心功能的实现做进一步分析。

3.1 数据源统一标准

北京农业生态环境监测治理智能主要由北京市农业局负责，具体工作由其全局6个处室、7个站所执行，因此相关数据分散于各个单位，并且标准不统一。基于此，通过制定《源数据统一报送规范》来获取所需的数据[12-13]，该规范包括了数据表、数据表字段和评价方法和标准等6个表格，形成了一套完整的农业生态环境监测和治理数据源表，为下一步评价和治理、规划布局奠定基础。

表2 农生业态环境保护和治理评价指标体系

3.2 农业生态环境质量监测评价

常规监测主要包括4方面[14-15]：土壤环境、土壤肥力、渔业养殖环境、畜禽养殖环境。数据监测方式主要是利用上文提到的全北京市部署的监测点，通过这种以点带面的形式进行环境的监测，监测手段一方面是通过各种传感器实时的对渔业水质和畜禽舍内环境进行实时监测，另一方面是通过人工定期采样进行实验室检测。其中传感器数据直接通过网络进入系统，实验室检测数据需要人工导入系统。系统利用上述表1的评价模型和标准对采集的数据进行运算，并以GIS专题图的形式在展现在地图上。

3.3 农业生态环境治理效果评价

图2 北京市农业生态环境质量定量评价总体技术架构

农业生态环境很重要的一个环节就是利用各种措施进行治理，而其效果的好坏需要定性和定量的评价，其结果都是可量化的数字，能够做进一步的统计分析和今后的大数据挖掘，这也为下文中的农业生态环境治理规划布局提供量化决策依据[16]。按照上文表2的模型，本文利用系统程序实现了定量评价。这主要是得益于可量化的模型中的每一个因子[17-18]。治理内容主要包括净化水源、清洁空气、改良土壤。净化水源主要是一方面是对畜禽养殖粪污的无害化处理，另一方面是对渔业养殖水质的提升，共涵盖COD、增殖放流水域氮消耗量等7个指标；清洁空气一方面是禁止农田秸秆焚烧并进行再利用，以及防止农田裸露，另一方面是对农业再生能源的利用，第三是对农机的尾气排放量的控制，共涵盖农作物秸秆综合利用率、可再生能源替代标煤量等7个指标；改良土壤一方面是增加环境友好型肥料的施用和减少化学肥料的施用，另一方面是增加生物有机农药的施用和减少化学农药的施用，共涵盖环境友好型肥料施用量比例、化学农药亩均用量等9个指标。

3.4 农业生态环境治理规划布局

该部分内容主要是上文评价结果的综合性应用[19-20]，其核心内容就是将治理任务、治理前的情况、治理后的效果、进行空间地理图层的一一展现，并将治理任务和治理后的效果进行比对，可分析出治理任务的完成情况，将治理前的情况和治理后的效果进行比对，可对制定下一步的治理任务提供量化依据。

4 应用效果

本系统正式运行近半年，随着系统所需的数据的不断完善，其指标评价结果更加准确和环境治理规划布局更加合理。下面简述一个应用案例来说明本文的核心内容和价值。

以畜禽养殖场粪污治理为例，图例中显示出：红色面状图斑为禁养区，蓝色线条为自然保护区，也就是主要流域，蓝色水状点位水源地，蓝色小房子为未治理养殖场，红色小房子为已治理养殖场，讲这些所有的图层进行叠加，就能展现目前的治理状况，分布形势，下一步的治理重点等等决策内容。如图3所示.

图3 畜禽养殖场粪污治理规划

5 讨论

本研究依据北京市农业生态环境的有关数据，结合计算机模型处理，将复杂抽象的农业生态环境质量评价指标进行了系统化、定量化，形成了监测、评价、治理、再评价的闭环链条，为制定生态农业环境监测、治理、规划等提供了决策依据。

本研究下一步重点研究方向：一是评价指标、模型、标准继续完善；二是文中27个评价指标只是整个农业环境质量评价体系的一部分指标，还有一些重要指标需要补充。并就新的指标建立新的模型；三是农业生态环境质量评价体系涉及北京市多个农业业务单位，数据量庞大、个别模型数据源更新存在不连续性和欠准确问题，这会影响评价结果后期的历史比对和治理规划布局，有待制定机制进一步监督各单位做好数据的更新。

[1]苏艳娜,柴春岭,杨亚梅,等.常熟市农业生态环境质量的可变模糊评价[J].农业工程学报,2007,23(11):245-248.

[2]Agbogidi O M,Egho E O.Evaluation of eight varieties of cowpea(Vignaunguiculata(L.) Walp) in Asaba agro-ecological environment, Delta State, Nigeria[J].European Journal of Sustainable Development,2012,1(2):303-314.

[3]刘清慧,夏禹,孟繁宇.农业生态环境质量综合评价指标体系构建及适宜度分析[J].黑龙江环境通报,2011,35(1):11-13.

[4]Walz R.Development of environment indicator system:Experiences from Germany[J].Environmental Management,2000,6(6):613-623.

[5]Werf H M G,Petit J.Evaluation of the environmental impact of agriculture at the farm level:A comparison and analysis of 12 indicator- based methods[J].Agriculture,Ecosystem and Environment,2002,93(1):131-145.

[6]王永洁,王亚娟,刘小鹏.宁夏农业生态环境质量综合评价及优化研究[J].水土保持研究,2007,14(5):53-56.

[7]邱化蛟,常欣,程序,等.农业可持续性评价指标体系的现状分析与构建[J].中国农业科学,2005,38(4):736-745.

[8]金相灿,焦伟,王骥,等.环境影响评价中的农业环境质量生态评价[J].安徽农学报,2009(18):60-63.

[9]王丽梅,孟范平,郑纪勇,等.黄土高原区域农业生态系统环境质量评[J].应用生态学报,2004,15(3):425-428.

[10]蔡玉秋,杨鑫.农业生态环境质量评价问题研究[J].生态经济,2013(2):175-177.

[11]李超,沙文生,闵颖,等.区域农业生态环境质量评价—以江苏省为例[J].生态经济,2009(1):200-203.

[12]孙希华.山东农业生态环境质量评价与发展策略[J].山东师大学报,1999,14(2):161-165.

[13]高奇,师学义,张琛,等.县域农业生态环境质量动态评价及预测[J].农业工程学报,2014,30(5):228-237.

[14]陈惠,张春桂,王加义,等.福建省农业生态环境质量评价方法研究[J].农业环境科学学报,2010(S1)

[15]朱闪闪,赵言文,张彤吉.农业生态环境质量评价—以江苏省丰县为例[J].江苏农业科学,2008,(1):244-247.

[16]褚晋,高巍,王俭.农业生态环境质量评价指标的确定[J].黑龙江生态工程职业学院学报,2007,20(2):18-19.

[17]王永洁,王亚娟,刘小鹏.宁夏农业生态环境质量综合评价及优化研究[J].水土保持研究,2007,14(5):53-56.

[18]王顺久,杨志峰.区域农业生态环境质量综合评价投影寻踪模型研究[J].中国生态农业学报,2006,14(1):173-175.

[19]刘新卫.长江三角洲典型县域农业生态环境质量评价[J].系统工程理论与实践,2005(6):132-138.

[20]喻建华,张露,高中贵,等.昆山市农业生态环境质量评价[J].中国人口资源与环境,2004,14(5):64-67.

[21]国家环境保护局,国家技术监督局.GB 15618-1995土壤环境质量标准[S].北京:中国标准出版社,1996.

[22]北京市土肥工作站.北京市耕地土壤养分分等级标准[S].北京:2006.

[23]国家环境保护局.GB11607-89渔业水质标准[S].北京:中国标准出版社,1990.

[24]农业部动物及动物产品卫生质量监督检验测试中心.NY/T 388-1999畜禽环境评价标准[S].北京:中国标准出版社,2000.

声明

当前有个别网站及个人非法盗用《农学学报》杂志名义，以接收投稿为名收取审稿费、版面费，严重损害了作者的利益和本刊的声誉，造成不良的社会影响。本刊在此郑重声明：《农学学报》杂志的投稿不接收邮箱投稿，也从未授权任何机构和个人代理接收本刊稿件。本刊的投稿网址为：http://www.caaj.org/，敬请广大作者注意甄别。

特此声明。

《农学学报》编辑部

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论文编号：cjas17030016

梁建平，男，1981年出生，内蒙古乌兰察布人，高级工程师，硕士，主要从事农业信息化技术应用推广工作。通信地址：100029北京市西城区裕民中路6号农业局信息中心，Tel：010-82031901，E-mail：915289732@qq.com。

阎晓军，男，1967年出生，北京人，农业技术推广研究员，硕士，主要从事农业信息服务研究与推广工作。通信地址：100029北京市西城区裕民中路6号 农业局信息中心，Tel：010-62041599，E-mail：yanxj@bjny.gov.cn。

2017-03-10，

2017-05-27。