无公害菜田土壤环境评价系统的建立和应用

1、无公害菜田土壤环境评价系统的建立和应用王克武1，张晓晟2，肖艳1，贾小红1，陈清21. 北京市土肥工作站，北京 100029；2. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100094摘要：根据京郊菜田的分布和土壤养分、土壤环境质量特点选择了监测点，按照各个指标对土壤质量的影响程度确定评价指标及其权重，并据此建立了无公害菜田土壤环境评价系统。系统采用分层体系结构，在目前基于J2EE架构开发Web应用的基础上，采用J2EE中的JSP，Servlet，JavaBean以及JDBC技术来构建该平台的基础组件框架，结合MVC结构的方式来构建Web应用系统，有效地提高了应用程序的可重用性、可维护性和可扩展性。

2、根据过去3年的监测结果对于系统进行了初步应用，对各个监测点的菜田土壤环境质量进行了评价，表明该评价系统对菜田环境质量管理具有很好的指导意义。关键词：菜田土壤；环境质量；MVC模式；评价系统中图分类号：X82 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）03-0378-04随着生活水平的提高，农产品的安全性和营养价值受到越来越高的重视1, 2，为了提高农产品的卫生品质和营养品质，有必要对蔬菜生产的各个环节进行监控13，土壤肥力及土壤质量是反应土壤生产能力的重要指标，通过对菜田土壤进行定位观察和化验分析，可以及时掌握和了解肥料投入水平、土地的生产能力及土壤肥力变化的动态趋势，从而为培肥

3、地力、提高肥料利用率提供可靠的科学依据4。近几年来无公害蔬菜生产基地越来越多，为了促进无公害绿色食品的生产，各级部门加强了对土壤环境的监测，通过对土壤进行调查、取样和化验以及农情调查，可以及时掌握土壤质量的动态变化，从而为生态环境保护和安全农产品生产提供服务35。1 监测点的选择，评价的原则和方法1.1 监测点的设置为保证监测点的代表性和延续性，土壤肥力的监测坚持以下四个方面的原则：(1)监测点的设置尽可能代表本区县的主要土壤类型，充分反映本区县的土壤变化情况；(2)监测点的设置尽可能与本区县的农业结构调整相结合；(3)监测点的设置充分考虑了以后监测点的稳定和长期存在，同时充分考虑了监测点以后

4、调查方便，确保调查数据的连续性；(4)在监测点的选择过程中优先选择了原有土壤资料齐全的地块，尤其是土壤普查主剖面点或是土壤剖面结构比较清楚的地块，共选择160个调查点，主要分布在顺义、昌平、通州、大兴等12个菜田面积较大的区县，对监测点统一进行GPS定位。1.2 监测内容和方法1.2.1 监测点田间调查方法和内容每茬作物填写一张调查表，详细记载监测地块的投入产出、耕作情况和其它有关田间档案，并在当季作物收获后及时整理入档，具体内容包括：（1）地块基本情况：地块名称、代表面积、土壤质地、地力水平等。（2）种植作物：每季作物名称、品种、播种期、收获期、作物产量等。（3）施肥情况：施肥日期、肥料种类

5、、养分比例、施肥量、肥料价格等。1.2.2 监测点土样化验内容和现代化学分析手段监测点土壤取样分析的养分测定项目包括有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾，每年1011月取土样，取两层土样，深度分别为020 cm和2050 cm。土样分析均采用国家标准方法，有机质为磷酸-重铬酸钾法，全氮为开氏法，碱解氮为碱解扩散法，速效磷为Olsen法，速效钾为火焰光度计法；土壤环境质量的测定项目包括镉、汞、砷、铬，采用ICP（电感耦合等离子体）分析测定。1.3 评价的原则、方法和指标1.3.1 评价原则和方法根据菜地土壤的主要理化指标和污染指标进行评价，主要指标采用算术平均法评分： 主要指标分值=（指标1分值

6、+指标2分值+指标5分值）/N （1）辅助指标采用加法评分：辅助指标分值=指标1分值+指标2分值+指标3分值 （2）污染指标采用加法评分：污染指标分值=指标1分值+指标2分值+指标4分值 （3）总分=主要指标分值+辅助指标分值+污染指标分值 （4）1.3.2 评价指标以有机质、速效磷、容重、土壤质地为主要指标，指标分值见表1；碱解氮、速效磷、阳离子代换量为辅助指标，指标分值见表2；镉、汞、砷、铬为污染指标，指标分值见表3。分等指标见表4。表1 主要指标分值Table 1 Major index for evaluation指标分值95857565有机质/(g·kg-1)>302

7、03015201215速效磷/(mg·kg-1)406020406080>80或<20容重/(g·cm-3)1.0051.251.301.301.40土壤质地壤土粉砂质壤土砂质粘壤土粘壤土表3 污染指标分值Table 3 Pollution index for evaluation指标分值0-5-8-11镉/(mg·kg-1)0.290.581.451.45汞/(g·kg-1)0.220.431.081.08砷/(mg·kg-1)8.917.944.744.7铬/(g·kg-1)85.4170.842

8、7.0427.0表4 分等指标Table 4 Classify index for evaluation等级一等二等三等四等总分908070602 结构设计和数据库的构建为了使开发的应用程序的参数便于调整，方便以后的升级和维护，就必须使开发的应用程序有一定的可重用性、易移植性和可伸缩性。应用程序的可重用性使开发周期得以缩短、开发效率得到提高；应用程序的易移植性使应用程序适用于不同的软硬件平台；应用程序的可伸缩性使应用程序很容易扩展6。为达到上述目标，在系统的设计过程中，采用多层体系结构，本系统的技术实现采用Java Server pages, Java Servlet, JavaBeans和J

9、DBC等技术来实现基于J2EE架构的轻量级WEB应用的开发。其中，通过JDBC进行数据库访问的JAVABean代表模型（数据），Serlet充当控制器（处理请求），JSP页面则是模型的视图7, 8。2.1 系统架构2.1.1 系统多级架构系统采用了多级应用体系架构，用于分解压力和结构化架构，极大地提高了架构的合理性和应用的效率。这里采用五级结构：客户级（Client Tier）一般为浏览器或其它应用，以及在这些浏览器上运行的程序。客户层普遍地支持HTTP协议，也称客户代理。Web应用级（Web Tier）在J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition，J2EE

10、）中由Web 容器运行，包括JSP（Java Server Pages）和 Servlet等Web部件。企业组件级（Enterprise Java Beans Tier, EJB Tier）由EJB容器运行，它支持EJB技术。表2 辅助指标分值Table 2 Seconary index for evaluation mg·kg-1指标分值+40-2-4碱解氮>120100120801006080速效钾>150100150801005080企业应用整合级（Enterprise Application Integration Tier, EAI Tier）包括JDBC、We

11、b Services、Java Mail、JINI、JMS及JTA（Java Transaction API），这一层要么在两端有相应的联络站，要么中间设一个系统负责协调、集中数据和控制，如Web Services注册服务器、邮件服务器等。企业信息系统级（Enterprise Information System Tier，EIS Tier）企业内传统信息系统，如财务系统等，特点是有数据库系统的支持。2.1.2 技术体系应用资源适适配器和JMS（Java message service，Java信息服务）技术，实现不同应用之间的协同工作和资源共享，扩展了系统的集成性。为了解决集成问题，系统提供

12、了以下四大技术：J2EE连接体系提供了J2EE应用和企业内存在的EIS系统集成的标准框架，它使得外部EIS的适配器能以插件的形式与J2EE应用服务器一起工作，能使用适配器的标准接口编程，从而可以安全地、事务化地和高伸缩性地与EIS一起运行9。JMS是一个支持企业通信系统的标准编程接口，目的在于提供一个跨越不同类型通信系统的公共接口。Java应用程序利用JMS API和企业的通信系统连接后，应用程序就能利用通信系统提供的功能创建和发送消息，达到和其它应用系统异步通信的目的。JDBC API是和关系型数据库系统集成的标准接口。Java 应用程序用这个接口获得数据库连接、查询数据和执行其它的数据库功

13、能10。Web Services技术允许EIS提供一些服务访问点，新的应用通过这些点可以获取数据，也可以提交数据。2.1.3 功能实现应用模型视图控制器（Model view controller，MVC）模式将应用分层处理，极大地提高了系统的适应性和可扩展性。在模型、视图和控制三者之间分配职责有助于减少代码重复、降低维护难度。因为商业逻辑和数据分离无论是在增加数据源，还是在改变数据表示时，操作都变得相对简单，而且不需要改变业务逻辑，另外增加新的客户类型也变得很容易6。EJB服务器容器WEB客户端ServletJSP 容器JNDI Server客户DBLegacy AppJMS服务器WEB服务

14、器HTMLJDBCEnterprise beansEnterprise beansEnterprise beans图1 系统结构图（JNDI，Java Naming and Directory Interface）Fig. 1 The system structure中间层处理采用了线程内处理事务，多线程协同的技术，极大提高了系统的安全性和健壮性。在系统核心设计上，系统客户端采用浏览器，服务器端架设在虚拟机上，极大提高了系统的可移植性（图1）。2.2 数据库设计系统建设过程中，不同部门和不同业务对检测项目的需要随情况变化而有所调整，所以，在设计系统时，数据库结构被设计为开放式，可方便扩展，用户

15、可以自己定义不同的检测项目或对相应检测项作调整，从而实现自定义数据库中的数据表，极大地增加了灵活性，并且能更好的接近人工的数据操作，使系统智能化。这种数据库的扩展技术最主要是对数据库中系统表的设计一定要合理，只有通过不同表之间的相互关联，才能把用户自定义的任意表及不同字段应用到系统中。3 应用效果表5 京郊菜田土壤有机质含量Table 5 Organic content of vegetable soil in Beijing suburb g·kg-1年份土层深度/cm020205020014.5200218.425.69.813.7200319.726.8

16、8.716.3应用本系统在京郊地区菜田主要土壤养分肥力状况指标最近3年的变化状况进行了评价（表5），并且对几个主要监测点的菜田状况进行了各项指标的综合评价（表6）。3.1 土壤有机质变化表6 京郊菜田土壤养分含量Table 6 Nutrient content of vegetable soil in Beijing suburb年份020 cm2050 cm全氮/(g·kg-1)碱解氮/(mg·kg-1)有效磷/(mg·kg-1)有效钾/(mg·kg-1)全氮/(g·kg-1)碱解氮/(mg·kg-1)有效磷/(mg·kg

17、-1)有效钾/(mg·kg-1)20011.37118.4110.4100.60.8563.953.571.820021.34113.0141.8108.91.0065.047.790.320031.66126.8155.6107.91.0268.853.297.1表5为20012003年间土壤有机质变化情况，北京郊区菜田土壤土壤有机质含量在18.126.8 g/kg左右，含量中等，025 cm土壤中有机质含量略有增加，2003年平均有机质含量比2001年增加11.2%，2550 cm深度土壤有机质含量低于表层土壤，有机质含量在20012003年间变化不大。20012003年菜田土壤

18、养分变化情况见表6，2002年025 cm土壤全氮、碱解氮含量比2001年略有下降，2003年含量上升，土壤有效磷含量逐年有一定的幅度增加，有效钾含量变化不大，2003年比2002年略有下降，2550 cm深度土壤养分含量变化不大。京郊菜田土壤有效氮与有效磷含量比较高，而有效钾含量相对较低，应重视钾肥的使用。3.2 评价结果表7 部分无公害菜田监测点的评价结果Table 7 Evaluation results for investigation base of non-polluted vegetable soil基地名称等级通州区宋庄蔬菜基地3顺义区沿河蔬菜科技园2密云县黄坨无公害蔬菜基地

19、3大兴区安定镇小营蔬菜基地4延庆县香营镇蔬菜基地4朝阳区十八里店乡蔬菜基地2房山区城关镇田各庄蔬菜基地3昌平区蔬菜技术推广站基地3利用上述方法对主要监测点进行评价（表7），从评价结果可以看出，目前京郊主要菜田环境状况不容乐观，监测的点的分等大部分在三等，比较土壤养分的数据和平较可以看出，除了养分状况不尽理想造成的评定等级较低之外，土壤污染等环境状况也是影响分等水平的重要原因。本系统的建立适应了无公害蔬菜生产和持续农业发展的要求，为无公害蔬菜生产基地的建立和评价提供了有力的支持。但目前的系统还不够完善，并且评价指标的确定和还需要进一步的完善，评价的方法有待于进一步的改进和完善。例如，应用本系统与

20、植株和土壤测试等其他技术相结合，通过结果反馈不断进行修正，为目前无公害蔬菜生产基地的建立和评价提供新的思路和工具。参考文献：1 张喜春, 范双喜. 无公害蔬菜生产存在的问题及对策J. 北方园艺, 2004, (4): 67.ZHANG XICHUN, FAN SHUANGXI. The problem and countermeasures of non-polluted vegetable productionJ. Northern Horticulture, 2004, (4): 67.2 李旭霖, 牛灵安, 李博文等. 曲周菜地的环境质量评价J. 河北农业大学学报, 2004, 27(2

21、): 1316.LI XULIN, NIU LINGAN, LI BOWEN, et al. Assessment of environmental quality of vegetable base in Quzhou countyJ. Journal of Agricultual Univesity of Hebei, 2004, 27(2): 1316.3 李波, 青长乐, 徐歧, 等. 重庆市无公害蔬菜基地环境和产品质量评价标准初探J. 农村生态环境, 2001, 17(3): 6164.LI BO, QING CHANGLE, XU QI, et al. Criteria for e

22、valuation of the quality of nuisance free products and the environment of their production base. Rural Ecology Environment, 2001,17(3):6164.4 黄国勤, 王兴祥, 钱海燕, 等. 施用化肥对农业生态环境的负面影响及对策J. 生态环境, 2004, 13(4): 656660.HUANG G Q, WANG X X, QIAN H Y, et al. Negative impact of inorganic fertilizers application o

23、n agricultural environment and its countermeasuresJ. Ecology and Environment, 2004, 13(4): 656660 5 张晓晟, 陈清, 张宏彦, 等.用于无公害蔬菜生产的氮素平衡推荐决策系统J. 农业工程学报, 2003, 19 (3): 212215.ZHANG X S , CHEN Q , ZHANG H Y, et al. Strategic system to control N balance for sustainable non-polluted vegetable productionJ. Tra

24、nsactions of the CSAE, 2003, 19 (3): 212215.6 程昌秀, 李绍明, 严泰来. N层结构在饲料方软件中的应用J. 计算机与农业, 2000, (7): 2224.CHENG C X, LI S M, YAN T L. Application of N structure on forage formula softwareJ. Computer and Agriculture, 2000(7): 2224.7 AYERS D. Java 数据编程指南M. 戴英等译. 北京: 电子工业出版社, 2002.AYERS D. Java data progra

25、mm guideM. Beijing: Electronic Industries Publishing Company, 2002.8 戴朝晖, 吴敏. 基于MVC模式的Web管理信息系统分析与设计J. 中南工业大学学报（自然科学版）, 2003, 34(4): 413415.DAI ZHAOHUI, WU QIANG. Analysis and design of a management in formation system with MVC patternJ. J CENT South University Technology, 2003, 34(4): 413415.9 包路跃,

26、 侯递, 齐勇, 等. 基于J2EE规范的应用服务器JDBC支持策略J. 计算机工程与应用, 2003, 39(31): 195197.BAO LUYUE, HOU DI, QI YONG, et al. The JDBC supporting policy of application server based on J2EE specificationJ. Computer Engineering and Application, 2003, 39(31): 195197.10 董宛, 武强. 基于J2EE结构的教学系统的设计与实现J. 计算机工程与应用, 2003, 39(25): 22

27、9232.DONG WAN, WU QIANG. The design and implementation of teaching system based on J2EE structureJ. Computer Engineering and Application, 2003, 39(25): 229232.Evaluation system for soil environment in non-polluted vegetable fieldWANG Ke-wu1, ZHANG Xiao-sheng2, XIAO Yan1, JIA Xiao-hong1, CHEN Qing21. Beijing Agency for Soil and Fertilizer, Beijing 100029, China;2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100094, ChinaAbstract: It is important for getting the i