饒 麗，周利軍，曾紅娟，李思源

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2. 長江流域水土保持監(jiān)測中心站，武漢 430010)

1 概 述

生態(tài)環(huán)境與人類生存息息相關(guān)，是指影 響人類生存與發(fā)展的自然資源(包括水資源、土地資源、生物資源以及氣候資源)數(shù)量和質(zhì)量的總稱，是一個關(guān)系到 社會與經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的復(fù)雜系統(tǒng)[1]。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是在生態(tài)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，按照人們的特定評價標(biāo)準(zhǔn)，分析一定時空尺度上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況以及變化，進(jìn)而體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的好壞優(yōu)劣，以及對人類生存和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的適宜性[2]。人類生存發(fā)展的基礎(chǔ)是生態(tài)環(huán)境，其質(zhì)量的好壞與人類社會的生存發(fā)展密切相關(guān)，為保證國家生態(tài)安全的重要基礎(chǔ)，需加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價相關(guān)工作[3]。植被覆蓋、生物多樣性、水環(huán)境、土地脅迫、環(huán)境負(fù)荷是生態(tài)環(huán)境狀況評價的重要方面。2006年5月，《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 192-2006)(簡稱“老規(guī)范”)[4]出臺，該規(guī)范利用生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)反映被評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，實現(xiàn)了同一時間不同區(qū)域和不同時間同一區(qū)域的對比，能迅速掌握區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況。2015年3月，環(huán)保部修訂并頒布實施《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ 192-2015)(簡稱“新規(guī)范”)[5]，規(guī)范仍然沿用了2006年的指標(biāo)體系并對其修改完善，以滿足環(huán)境保護(hù)新形勢和環(huán)境管理新需要?！渡鷳B(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》的修訂及新規(guī)范的實施確保生態(tài)評價可以更好地為環(huán)境管理服務(wù),在數(shù)據(jù)來源、部門協(xié)作方面對環(huán)境管理者和評價者提出更高要求[6]。

隨著《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》的出臺和修改完善，不少學(xué)者使用了新老規(guī)范對區(qū)域尺度的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評價。有學(xué)者利用Landsat-5 TM遙感影像解譯的土地利用數(shù)據(jù)分析了新疆伊犁州(州直轄)2000～2005年的土地利用變化,同時根據(jù)老規(guī)范對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行綜合評價,對生態(tài)環(huán)境指標(biāo)變化情況進(jìn)行對比分析[7]。有學(xué)者用遙感解譯數(shù)據(jù)分析了湖北省2005～2009年的土地利用變化,同時根據(jù)老規(guī)范對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行綜合評價,對生態(tài)環(huán)境指標(biāo)變化情況進(jìn)行對比分析[8]。有學(xué)者依據(jù)國家環(huán)保部頒發(fā)的老規(guī)范對福州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其動態(tài)變化進(jìn)行了分析與評價[9]。有學(xué)者利用2015年修訂的新規(guī)范對“十二五”期間宜賓市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況進(jìn)行評價[10]。有學(xué)者以生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、污染負(fù)荷指數(shù)、土地脅迫指數(shù)、環(huán)境限制指數(shù)約束指標(biāo)等因子, 使用新規(guī)范計算得出了六盤水市2016年各類生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)[11]。還有學(xué)者本研究采用2011～2015年土地利用遙感解譯矢量數(shù)據(jù),結(jié)合污染物排放量、水資源量等統(tǒng)計數(shù)據(jù),利用新規(guī)范評價珠三角城市群2011～2015年生態(tài)環(huán)境狀況及其變化特征[12]。需要注意的是，規(guī)范中環(huán)境污染負(fù)荷指數(shù)使用的化學(xué)需氧量和氨氮排放量除以區(qū)域年降水總量，對于區(qū)縣和其以上單元的結(jié)果會差異很大，因為區(qū)域的降水總量未能體現(xiàn)這一差別，相應(yīng)的歸一化系數(shù)也是針對區(qū)縣研究單元的。因此計算環(huán)境污染負(fù)荷指數(shù)時需要考慮區(qū)域的個數(shù)問題。本文使用生態(tài)環(huán)境部2015年新的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ192-2015)，分析2000、2005、2010、2015和2019年北京市生物豐富度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地脅迫、污染負(fù)荷指數(shù)等生態(tài)環(huán)境狀況分指數(shù)的變化，再根據(jù)各分指數(shù)的權(quán)重，分實際區(qū)縣數(shù)量和等效區(qū)縣數(shù)量評價2000～2019年五個時期北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)和來源

生態(tài)環(huán)境狀況評價利用2000～2019年MoD13逐月的遙感影像植被覆蓋指數(shù)NDVI月合成數(shù)據(jù)產(chǎn)品，采用常用的最大合成法(MVC)生成NDVI季度和年度數(shù)據(jù)。2000～2015年北京市土地利用采用中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫(http://www.resdc.cn/)，通過ArcGIS空間分析工具剪裁獲得。該數(shù)據(jù)集以各時期的LandsatTM/ETM遙感影像為數(shù)據(jù)源，其中2015和2019年以Landsat 8為數(shù)據(jù)源，通過人機(jī)交互目視解釋得到。

北京市各區(qū)縣河流長度、水資源量等數(shù)據(jù)來自各時期《北京市(生態(tài))環(huán)境狀況公報》、《北京是水資源公報》和《中國水資源公報》，土壤侵蝕數(shù)據(jù)根據(jù)第二次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查和北京市第一次水務(wù)普查成果得到。化學(xué)需氧量COD、氨氮、二氧化硫、煙(粉)塵、氮氧化物、固體廢物等污染物排放數(shù)據(jù)摘自《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《環(huán)境統(tǒng)計年報數(shù)據(jù)匯編(1991-2010)》、《中國環(huán)境統(tǒng)計資料匯編1981-1990》等資料。

2.2 研究方法

參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范 HJ192-2015》中的方法，生態(tài)環(huán)境狀況評價使用生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)這個綜合指標(biāo)EI表示，該指數(shù)由生物豐富度指數(shù)等五個分指數(shù)加上環(huán)境限制指數(shù)構(gòu)成，其計算公式如下：

EI = 0.35×BRI + 0.25×VCI + 0.15×WNDI + 0.15×(100-LSI)+ 0.10×(100-PLI) + (ERI)

(1)

其中，EI是生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，BRI為生物豐富度指數(shù)，VCI是植被覆蓋指數(shù)，WNDI為水網(wǎng)密度指數(shù)，LSI是土地脅迫指數(shù)，PLI為污染負(fù)荷指數(shù)，ERI是調(diào)節(jié)約束性指標(biāo)環(huán)境限制指數(shù)。

北京市生態(tài)環(huán)境狀況評價的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 北京市生態(tài)環(huán)境狀況評價流程Fig.1 Assessment process of ecological environment in Beijing

3 結(jié)果和討論

3.1 生態(tài)環(huán)境分指數(shù)

3.1.1 生物豐富度指數(shù)

生態(tài)質(zhì)量指數(shù)中各類土地利用的權(quán)重系數(shù)由一級土地利用權(quán)重和二級土地利用分權(quán)重構(gòu)成，因此二級土地利用計算的最終權(quán)重為上述兩個權(quán)重的積，因此有林地、灌木林地、疏林地和其他林地的最終權(quán)重分別為0.210 0、0.087 5、0.052 5、0.052 5，高、中、低覆蓋度草地的最終權(quán)重分別為0.126、0.063和0.021，河渠、湖泊、水庫坑塘、灘地濕地的最終權(quán)重分別為0.028、0.084、0.084、0.140，水田、旱地的最終權(quán)重分別為0.066和0.044，城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地的最終權(quán)重分別為0.012、0.016和0.012，裸巖石礫的最終權(quán)重分別為0.002。由ArcGIS10.2中剪裁得到的各時期北京市16類土地利用面積，乘以各自的最終權(quán)重和生境質(zhì)量指數(shù)的歸一化系數(shù)，得到五個時期北京市的生境質(zhì)量指數(shù)分別為48.24、47.95、47.71、47.59和44.43。鑒于生物多樣性指數(shù)的可獲得性，該指數(shù)即為各個時期北京市的生物豐富度指數(shù)。

3.1.2 植被覆蓋指數(shù)

《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范 HJ192-2015》中植被覆蓋指數(shù)采用年度NDVI月均值的最大值計算，其公式如下：

(2)

其中Aveg是歸一化植被覆蓋系數(shù)，參考值為0.0121165124；Pi是NDVI月均值的最大值，n為研究區(qū)像元個數(shù)。

根據(jù)前面遙感解譯得到的北京市四期歸一化植被指數(shù)NDVI結(jié)果，在ArcGIS10.2中空間分析工具進(jìn)行統(tǒng)計匯總，得到2000、2005、2010、2015和2019年北京市歸一化NDVI的均值分別為0.701 1、0.719 7、0.718 9、0.739 4和0.746 4，變化范圍分別為0.108 0～0.920 0、0.228 0～0.903 9、0.187 9～0.920 0、0.123 9～0.920 0和0.136～0.920，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.109 4、0.123 5、0.135 1、0.169 1和0.154 3。根據(jù)植被覆蓋指數(shù)的計算公式，得到2000、2005、2010、2015和2019年北京市植被覆蓋指數(shù)分別為84.85、87.20、87.11、89.59和90.44。

3.1.3 水網(wǎng)密度指數(shù)

水網(wǎng)密度指數(shù)反映了被評價區(qū)域水的豐富程度。新老規(guī)范中均使用了河流長度、水域、水資源量三個指標(biāo)和區(qū)域面積的比值進(jìn)行歸一化處理進(jìn)行評價，其計算公式如下：

水網(wǎng)密度指數(shù)=(Ariv×河流長度/區(qū)域面積+Alak×湖庫(近海，河流)面積/區(qū)域面積+ Ares×均衡水資源量/區(qū)域面積)/3

式中：Ariv——河流長度的歸一化系數(shù)，參考值為84.3704083981049；

Alak——湖庫面積的歸一化系數(shù)，參考值為591.790864200525；

Ares——水資源量的歸一化系數(shù)，參考值為86.3869548280986。

(3)

由《北京市水資源公報》和《北京市環(huán)境公報》可知，2000、2005、2010、2015和2019年北京市有水河流長度分別為2 095km、1 464.6km、2 006.6km、2 284.6km和2 329.8km；由剪裁得到的北京市土地利用數(shù)據(jù)，五個時期北京市的水域面積分別為505.69km2、480.66km2、469.65km2、468.64km2和419.58km2。根據(jù)北京市統(tǒng)計年鑒資料，五個時期水資源量分別為1 686百萬m3、2 320百萬m3、2 310百萬m3、2 676百萬m3和2 456百萬m3，而扣除重復(fù)統(tǒng)計北京市多年平均水資源量為3 629百萬m3，五個時期水資源量與多年平均水資源量的比值均小于1.4，因此計算時采用的均衡水資源量即為各時期實際的水資源量。經(jīng)計算得到五個時期北京市水網(wǎng)密度指數(shù)分別為12.63、12.36、13.14、14.24和13.35。

3.1.4 土地脅迫指數(shù)

由第二次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查成果，2000年北京市輕度侵蝕和中度侵蝕面積分別為2 975.00 km2、1 114.00 km2，無重度侵蝕。根據(jù)北京市第一次水務(wù)普查成果，2010年北京市土壤輕度、中度、重度侵蝕面積分別為1 746.08 km2、1 031.46 km2和424.32 km2。鑒于我國土壤侵蝕普查數(shù)據(jù)更新周期較長，2005年和2015年北京市土壤侵蝕數(shù)據(jù)由插值法得到，兩個年份土壤輕度、中度、重度侵蝕面積分別為2 360.54 km2、1 072.73 km2、212.16 km2，1 131.62 km2、990.19 km2、636.48 km2。2019年北京市土壤侵蝕面積參照2018年《北京市水土保持公報》，輕度、中度、重度侵蝕面積分別為 2 175.07km2、 99.55km2、38.75km2。五個時期北京市建設(shè)用地面積分別為2 238.07 km2、2 633.62 km2、2 791.84 km2、2 887.97 km2和3 417.69km2，五個時期其他脅迫土地的面積均為1.001 4 km2。由此計算出五個時期北京市的土地脅迫指數(shù)分別為9. 65、11.89、13.44、14.82和10.34。

3.1.5 污染負(fù)荷指數(shù)

污染負(fù)荷指數(shù)反映了被評價區(qū)承載的污染物的壓力。老規(guī)范中類似的指標(biāo)叫環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，顯然這個概念內(nèi)涵太大。鑒于“十二五”期增加了污染物排放的考核指標(biāo)，新評價技術(shù)規(guī)范廢水增加了氨氮指標(biāo)，廢氣增加了煙(粉)塵、氮氧化物指標(biāo)，更準(zhǔn)確的反映污染負(fù)荷。污染負(fù)荷指數(shù)各污染物排放量的權(quán)重見《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ192-2015)。

由環(huán)境統(tǒng)計年鑒和環(huán)境年報匯編數(shù)據(jù)，收集2000～2019年五個時期北京市廢水中排放的化學(xué)需氧量、氨氮排放量、廢氣中二氧化硫排放量、煙(粉)塵排放量、氮氧化物排放量、固體廢物丟棄量等數(shù)據(jù)。根據(jù)北京市統(tǒng)計年鑒，五個時期北京市的年降水量分別為371.1mm、410.7mm、522.5mm、458.6mm和506mm。按照北京市實際區(qū)級行政單元的個數(shù)計算，五個時期的污染負(fù)荷指數(shù)分別為66.56、41.96、30.20、42.79和43.55，如把主城區(qū)看成一個區(qū)(其面積與其他區(qū)縣更接近)，五個時期的污染負(fù)荷指數(shù)分別為92.69、56.62、39.88、59.79和60.48。

3.1.6 環(huán)境限制指數(shù)

環(huán)境限制指數(shù)是生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的限制性和調(diào)節(jié)性指標(biāo)，主要根據(jù)被評價區(qū)域是否出現(xiàn)突發(fā)環(huán)境事件和其級別(特大、重大、較大、一般環(huán)境事件)，以及生態(tài)破壞、環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境違法案件和是否納入?yún)^(qū)域限批等情況對生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)進(jìn)行調(diào)整。鑒于北京市突發(fā)環(huán)境事件和生態(tài)破環(huán)環(huán)境污染等數(shù)據(jù)的獲取難度較大，這里不使用環(huán)境限制指數(shù)對北京市生態(tài)狀況的指數(shù)的調(diào)整。

3.2 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)及變化

3.2.1 生態(tài)環(huán)境狀況單項指數(shù)的變化

根據(jù)前面研究的成果，生物豐富度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地脅迫和污染負(fù)荷指數(shù)變化如圖2所示。

注：*是把東城、西城、海淀、朝陽、豐臺、石景山等主城區(qū)等效為一個區(qū)圖2 生態(tài)環(huán)境狀況單項指數(shù)變化Fig.2 Change of single index of ecological environment condition

生態(tài)環(huán)境狀況單項指數(shù)也的范圍也在0至100之間，如某一值超過100只取100。生物豐富度等前三個指數(shù)反映研究區(qū)生物多樣性、植被覆蓋度和水的豐富程度等生態(tài)環(huán)境的本底狀況，而土地脅迫指數(shù)和環(huán)境污染指數(shù)則反映研究區(qū)的環(huán)境壓力。2000～2019年，北京市環(huán)境本底狀況總體變化不大，生物豐富度指數(shù)有小幅降低的趨勢，2015年比2000年降低3.81，北京市生物多樣性保持相對穩(wěn)定；植被覆蓋指數(shù)和水網(wǎng)密度指數(shù)有增加的趨勢，2019年分別比2000年增加5.59和0.72，北京市植被覆蓋狀況有較大改善，水的豐富程度小幅增加。2000～2019年，北京市土地遭受的脅迫程度小幅增加，2019年比2000年增加了0.69；環(huán)境負(fù)荷指數(shù)不論按市區(qū)的實際數(shù)量還是等效數(shù)量計算，均有明顯地改善：按照市區(qū)的實際數(shù)量計算，2019年環(huán)境負(fù)荷指數(shù)比2000年降低了23.01；按市區(qū)的等效數(shù)量計算，2019年比2000年降低了32.21，北京市承載的污染物的壓力得到了明顯的好轉(zhuǎn)。

3.2.2 生態(tài)環(huán)境狀況綜合指數(shù)及變化

根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況綜合指數(shù)的計算公式，可以計算2000、2005、2010、2015和2019年北京市的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)。經(jīng)計算，按照市區(qū)實際數(shù)量五個年份的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)分別為56.91、59.46、60.41、59.69和60.48，按照市區(qū)等效數(shù)量五個年份的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)分別為54.30、57.99、59.44、57.99和59.26?！渡鷳B(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ192-2015)中根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的范圍，將生態(tài)環(huán)境分為優(yōu)、良、一般、較差和差五個等級：指數(shù)值大于等于75為優(yōu)，在55和75之間為良，在35和55之間為一般，在20和35之間較差，低于20為差。故按照市區(qū)實際數(shù)量五個年份的生態(tài)環(huán)境狀況均為良；按照市區(qū)等效數(shù)量2000年的生態(tài)環(huán)境狀況一般，其他四個年份為良。

該評價結(jié)果與新標(biāo)準(zhǔn)實施后《2019年北京市生態(tài)環(huán)境狀況公報》相比，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)偏低，但生態(tài)環(huán)境狀況一致為良。究其原因，與北京市土地脅迫指數(shù)的數(shù)據(jù)獲取來源有關(guān)，本文的各類土壤侵蝕面積主要來自水利部門的公報數(shù)據(jù)，而北京市生態(tài)環(huán)境公報的土壤侵蝕面積數(shù)據(jù)采用本系統(tǒng)的計算結(jié)果，不同的計算方法會產(chǎn)生一定的差異，但總體的評價結(jié)果和趨勢變化是一致的。研究表明，五個年份北京市植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富，比較適合人類生活和居住。

北京市五個時期生態(tài)環(huán)境狀況綜合指數(shù)及變化如表1。

表1 北京市生態(tài)環(huán)境狀況綜合指數(shù)及變化Tab.1 Comprehensive index and change of eco-environmental conditions in Beijing

按照綜合指數(shù)變化的絕對值，新的評價技術(shù)規(guī)范把生態(tài)環(huán)境狀況分為四個等級：變化值的絕對值小于1無明顯變化，變化值的絕對值介于1和3之間略微變化，變化值的絕對值介于3和8之間，明顯變化，變化值的絕對值大于等于8顯著變化。另外，如果生態(tài)環(huán)境狀況等級發(fā)生變化，如良變成一般、良變成優(yōu)等，則生態(tài)環(huán)境狀況明顯變化。

按照市區(qū)實際數(shù)量，2000～2005年和2015～2019年北京市生態(tài)環(huán)境狀況略微變化，2005～2010年、2010～2015年和2015～2019年無明顯變化，2000～2019年明顯變化；按照市區(qū)等效數(shù)量，2000～2005和2000～2019年北京市生態(tài)環(huán)境狀況明顯變化，2005～2010年、2010～2015年和2015～2019年略微變化。2000年以來，隨著北京市包括天然林等自然資源保護(hù)、造林綠化、水土保持、治理風(fēng)沙、水源保護(hù)等生態(tài)環(huán)境工作的持續(xù)推進(jìn)，北京市林草覆蓋率大面積增加；加之廢水、廢氣和固體廢物排放標(biāo)準(zhǔn)和處置力度的增強(qiáng)，污染負(fù)荷得到控制和緩解；但北京市建設(shè)用地面積近20年也不斷增加，土壤脅迫指數(shù)有一定的增加，但土地脅迫的作用小于植被覆蓋指數(shù)等正面效應(yīng)，北京市生態(tài)環(huán)境狀況得到不斷的改善。

4 結(jié)論和建議

按照市區(qū)實際數(shù)量和等效數(shù)量，2000～2015年北京市生態(tài)環(huán)境狀況評價結(jié)果和變化趨勢存在一定差別。總體上來說，2000～2015年北京市生態(tài)環(huán)境狀況有明顯的變好趨勢，生態(tài)環(huán)境狀況的改善主要發(fā)生在2000～2005年。

后續(xù)生態(tài)環(huán)境狀況評價中，需加強(qiáng)對生物多樣性指數(shù)的獲取和處理，完善生物豐富度指數(shù)的計算結(jié)果；另外還需收集突發(fā)環(huán)境事件和生態(tài)破壞環(huán)境污染等數(shù)據(jù)，以便用環(huán)境限制指數(shù)對生態(tài)狀況的指數(shù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，從而更加全面地反映評價區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況和變化趨勢等。同時相關(guān)分指數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，以使評價結(jié)果更加符合評價區(qū)生態(tài)環(huán)境實際情況。