基于CEI的城市生態(tài)環(huán)境狀況評價
——以福建省為例

雍凱婷，陳增文，李師煒，陳文惠，胡清華*

(1.福建師范大學 地理科學學院，福州 350007；2.福建省環(huán)境監(jiān)測中心站，福州 350003)

0 引言

伴隨城鎮(zhèn)化進程的加快，人類活動與自然環(huán)境之間的矛盾不斷加劇，生態(tài)環(huán)境問題日益突出。人類逐漸認識到人與自然是相互聯(lián)系、相互依存的關系，只有尊重自然、保護自然，從保護中尋發(fā)展，才能實現(xiàn)二者和諧共生[1]。

城市作為人類活動最集中的載體，其生態(tài)環(huán)境問題關乎社會經(jīng)濟的發(fā)展和市民的健康安全。因此，對城市生態(tài)環(huán)境質量進行評估，了解其生態(tài)環(huán)境狀況及變化趨勢，不僅有利于促進城市經(jīng)濟可持續(xù)健康發(fā)展，而且對生態(tài)文明建設具有重要的現(xiàn)實意義[2]。當前國內主要利用層次分析法[3]、灰色關聯(lián)分析法[4]、熵權法[5]或PSR模型[6]構建區(qū)域性的生態(tài)文明建設評價指標體系，或者利用一些生態(tài)指數(shù)，如城市生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)(Urban Ecological Environmental Quality，UEQ)[7]、生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)(Ecological Quality Index，EQI)[8]、遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Ecological Index，RSEI)[9-10]、城市生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(City Ecological Index，CEI)[11-13]、生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(Ecological Index，EI)[14]等對城市生態(tài)環(huán)境開展研究，且取得了良好的成果。但是，目前的評價和分析都僅限于單一城市，缺乏對大區(qū)域城市的系統(tǒng)性評價，比如很少有對更高尺度區(qū)域(全省)的城市群生態(tài)環(huán)境質量的橫向(不同類型城市)和縱向(時間跨度)的比較分析，從而無法為相關部門在城市的生態(tài)環(huán)境質量管理和城市發(fā)展規(guī)劃提供更有效的技術支撐。

利用高分遙感影像解譯數(shù)據(jù)，結合環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境統(tǒng)計資料、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，根據(jù)原環(huán)境保護部制定的城市生態(tài)環(huán)境評價指標體系，利用CEI定量評估福建省9個設區(qū)市的市轄區(qū)2015—2019年間的生態(tài)環(huán)境質量，并分析其動態(tài)變化情況，同時利用灰色關聯(lián)分析法度量CEI與環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)、生態(tài)建設指數(shù)3個分指數(shù)之間關聯(lián)程度，為相關部門制定城市國土空間規(guī)劃、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局、推動生態(tài)文明建設提供科學依據(jù)和技術支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

福建省地處中國東南沿海，位于23°32′N～28°19′N、115°51′E～120°52′E之間，陸地總面積12.4萬km2，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，素有“八山一水一分田”之稱。全省以濕潤的中亞熱帶和南亞熱帶季風氣候為主[15]，多年平均氣溫17～21℃，平均年降水量達1 000～2 000 mm，森林覆蓋率為66.8%，居全國首位。海域面積13.6萬km2，陸地海岸線長達3 752 km，在全國沿海省市中排名第二。2019年底全省常住人口3 973萬人，比2015年底增加134萬人，其中城鎮(zhèn)人口比2015年增長9.95%，地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)實現(xiàn)42 395億元，比2015年增長63.18%，全年人均GDP為107 139元，比2015年增長57.64%[16-17]。

本研究選取福建省9個設區(qū)市的26個市轄區(qū)作為城市生態(tài)環(huán)境評價范圍，分別為福州市的鼓樓區(qū)、倉山區(qū)、臺江區(qū)、馬尾區(qū)和晉安區(qū)，廈門市的思明區(qū)、海滄區(qū)、湖里區(qū)、集美區(qū)、同安區(qū)和翔安區(qū)，莆田市的城廂區(qū)、荔城區(qū)、涵江區(qū)和秀嶼區(qū)，三明市的三元區(qū)和梅列區(qū)，泉州市的鯉城區(qū)、豐澤區(qū)、洛江區(qū)和泉港區(qū)，漳州市的薌城區(qū)和龍文區(qū)，南平市的延平區(qū)，龍巖市的新羅區(qū)以及寧德市的蕉城區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要涉及2015—2019年間的GF1、GF2、GF6和ZY-3等高分遙感衛(wèi)星影像解譯數(shù)據(jù)，環(huán)境污染統(tǒng)計數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

其中，遙感解譯數(shù)據(jù)獲取步驟如下：在對遙感影像進行基礎處理的基礎上，依據(jù)《全國生態(tài)遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系》，結合福建省生態(tài)環(huán)境的實際情況，采用目視解譯方法，得到耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個一級類和水田、旱地、有林地、灌木林地等20個二級類的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，然后基于野外核查采用混淆矩陣進行精度驗證，其中一級分類精度高于90%，二級分類精度高于85%，解譯結果滿足本研究需要。此外，城市熱島比例指數(shù)是由每年6—9月MODIS地表溫度數(shù)據(jù)計算獲取的熱島面積占建成區(qū)面積的比例，主要污染物排放強度由主要污染物排放量數(shù)據(jù)計算得到，其他指標多引自《福建省環(huán)境質量報告書》(2015—2019)和《福建統(tǒng)計年鑒》(2016—2020)。

表 1 城市生態(tài)環(huán)境質量評價指標

2 研究方法

2.1 城市生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)

城市生態(tài)環(huán)境質量是指城市建成區(qū)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度，從城市發(fā)展和居民健康的角度，需要考慮環(huán)境質量、污染物排放、人居環(huán)境改善、環(huán)?；A設施建設等多種因素。本研究依照原國家環(huán)境保護部制定的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范(發(fā)布稿)》(HJ 192-2015)[18]規(guī)定的城市生態(tài)環(huán)境評價指標體系對福建省9個設區(qū)市的市轄區(qū)生態(tài)環(huán)境質量狀況進行評價。

城市生態(tài)環(huán)境狀況評價體系是利用城市生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(CEI)評價城市生態(tài)環(huán)境的質量狀況，評價體系以生態(tài)環(huán)境質量為核心，包括環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)和生態(tài)建設指數(shù)。具體公式如下：

城市生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(CEI)=0.4×環(huán)境質量指數(shù)+0.2×(100-污染負荷指數(shù))+0.4×生態(tài)建設指數(shù) (1)

CEI數(shù)值范圍為0～100，根據(jù)CEI值可以將城市生態(tài)環(huán)境質量分為5個等級，各等級CEI的分級標準及其含義：優(yōu)(CEI≥80)，說明城市生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，各系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展，污染控制和生態(tài)建設工作有效；良(70≤CEI<80)，說明城市生態(tài)環(huán)境良好，各系統(tǒng)協(xié)調性較好，城市生態(tài)建設程度較好；一般(60≤CEI<70)，說明城市生態(tài)環(huán)境一般，各系統(tǒng)基本能協(xié)調發(fā)展，城市生態(tài)建設程度一般；較差(50≤CEI<60)，說明城市生態(tài)環(huán)境存在明顯的問題，需要大力加強環(huán)境保護和生態(tài)建設；差(CEI<50)，說明生態(tài)環(huán)境問題突出，城市生態(tài)環(huán)境惡劣。

依據(jù)CEI與基準值的變化情況，可以將城市生態(tài)環(huán)境質量變化幅度(ΔCEI)分為4個等級：|ΔCEI|<1，說明城市生態(tài)環(huán)境狀況無明顯變化；1≤|ΔCEI|<3，說明城市生態(tài)環(huán)境質量略微變好(或差)；3≤|ΔCEI|<8，說明城市生態(tài)環(huán)境質量明顯變好(或差)；|ΔCEI|≥8，說明城市生態(tài)環(huán)境質量顯著變好(或差)。

2.2 城市生態(tài)環(huán)境狀況分指數(shù)

環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)和生態(tài)建設指數(shù)共涉及18項指標，指標類型有正負兩種，例如，生態(tài)用地比例和綠地覆蓋率等越高，對生態(tài)環(huán)境越好，屬于正向指標；而污染物排放量和城市熱島比例指數(shù)等越低，對生態(tài)環(huán)境越好，是反向指標。這些反向指標需要進行正向化處理，才能保證所有測評指標具有同向的性質。3個分指數(shù)計算方法如下：

環(huán)境質量指數(shù)(U1)=0.35×A1×H1+0.20×A2×H2+0.20×A3×H3+0.10×(100-A4×H4)+ 0.05×(100-A5×H5)+0.10×(100-A6×H6)

(2)

污染負荷指數(shù)(U2)=0.20×A7×H7+0.20×A8×H8+0.20×A9×H9+0.10×A10×H10+0.20×A11×H11+0.10×A12×H12

(3)

生態(tài)建設指數(shù)(U3)=0.20×A14×H14+0.20×A15×H15+0.20×A16×H16+0.20×A17×H17+0.20×A18×H18

(4)

式(2～4)中：Hi為各分指數(shù)指標，Ai為各分指標歸一化系數(shù)，具體見表1。

2.3 灰色關聯(lián)分析

灰色系統(tǒng)理論中的灰色關聯(lián)分析法，實際上是對反映各因素變化特性的數(shù)據(jù)序列進行幾何比較，通過比較因素之間的關聯(lián)曲線，得到可以度量因素之間關聯(lián)程度的灰色關聯(lián)度[19]。由于受到自然、社會、經(jīng)濟等多種因素的影響，城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是一個典型的灰色系統(tǒng)[20]。本研究運用灰色關聯(lián)分析法[19]對CEI及其3個分指數(shù)之間的關聯(lián)程度進行度量，參考前人研究成果[6,21-22]，首先根據(jù)公式(1)對負向指標做正向化處理，其次對各要素的原始數(shù)據(jù)作均值變換，消除量綱的影響，增強不同因素之間的可比性，然后將2015—2019年研究區(qū)域的CEI作為母序列，環(huán)境質量、污染負荷和生態(tài)建設3個分指數(shù)作為特征序列，計算環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)和生態(tài)建設指數(shù)對CEI的關聯(lián)度。

為分析環(huán)境質量、污染負荷和生態(tài)建設對城市生態(tài)環(huán)境質量的影響力，本研究對關聯(lián)度進行排序，數(shù)值越大表示特征序列中的某一因素與母序列關聯(lián)度越高，也意味著關系越緊密，從而得到影響城市生態(tài)環(huán)境質量的強關聯(lián)度因子[23]。

3 結果與分析

3.1 城市生態(tài)環(huán)境狀況

基于前述城市生態(tài)環(huán)境狀況評價指標體系和評價方法，分別計算福建省9個設區(qū)市的環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)、生態(tài)建設指數(shù)和CEI，計算結果見圖1。

圖 1 2015—2019年福建省CEI值

9個城市的生態(tài)環(huán)境狀況評估結果為：2015—2019年間，福建省9個城市的環(huán)境質量指數(shù)為57.66～85.47，污染負荷指數(shù)為0.20～4.72，生態(tài)建設指數(shù)為67.12～73.88，CEI介于70.12～83.38之間。按照CEI的分級標準，9個設區(qū)市城市生態(tài)環(huán)境質量等級均為良以上，其中南平市、龍巖市和寧德市城市生態(tài)環(huán)境質量5年均為優(yōu)；福州市、漳州市和廈門市為良，但是廈門市5年的CEI值在70～73之間，明顯低于其他幾個城市；莆田市城市生態(tài)環(huán)境質量等級在優(yōu)良之間浮動；三明市城市生態(tài)環(huán)境質量自2016年起為優(yōu)；泉州市雖然自2015年后由優(yōu)轉變?yōu)榱迹?年CEI值均接近80，趨勢較為穩(wěn)定。

對9個城市2015—2019年間的CEI均值進行排序：南平市(82.06)>龍巖市(82.03)>寧德市(81.89)>三明市(80.98)>莆田市(79.22)>泉州市(79.20)>福州市(78.73)>漳州市(76.84)>廈門市(71.03)。結合城市生態(tài)環(huán)境評價分指數(shù)計算結果分析，城市生態(tài)環(huán)境質量為優(yōu)的南平市、龍巖市、三明市和寧德市，各系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展、污染控制和生態(tài)建設工作有效。其他5個城市生態(tài)質量為良，其中廈門市CEI均值最低。根據(jù)福建省統(tǒng)計年鑒，2015—2019年廈門市城鎮(zhèn)化水平為88.9%～89.2%，城鎮(zhèn)化水平高，人口密集，頻繁的人類活動造成城市建筑用地占比高，環(huán)境噪聲、熱島效應等生態(tài)問題突出，致使廈門市CEI值低于其他8個城市。

從空間分布(圖2)可以看出，閩西北、閩西南地區(qū)[24]城市生態(tài)環(huán)境質量比閩東、閩東南沿海城市好，這是因為前者經(jīng)濟相對薄弱，土地利用/覆蓋類型以林地、耕地為主，植被覆蓋度高、空氣質量好、噪聲污染小等，而閩東、閩東南沿海城市經(jīng)濟相對發(fā)達、人口密度高，越來越多的工程經(jīng)濟活動對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了直接影響，其中漳州市、廈門市、泉州市和福州市5年間的生態(tài)用地比例均值分別為64.11、67.05、73.97和74.92，遠低于9個城市的平均值(82.08)。

3.2 城市生態(tài)環(huán)境變化趨勢

為分析福建省5年間的城市生態(tài)環(huán)境質量的差異變化，對2015年和2019年的CEI和環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)和生態(tài)建設指數(shù)3項分指標做差值運算，結果如圖3所示。

注：該圖基于自然資源部標準地圖服務下載的審圖號為GS(2019)3333號的標準地圖上制作，底圖無修改。

圖 3 2015—2019年福建省城市生態(tài)環(huán)境質量變化度

與2015年相比，2019年9個城市的環(huán)境質量指數(shù)變化范圍為-3.33～4.41，污染負荷指數(shù)變化范圍為-2.53～-0.53，生態(tài)建設指數(shù)變化范圍為-0.52～2.46，CEI變化范圍為-1.05～2.43，其中，龍巖市和三明市CEI分別增加2.43、2.18，城市生態(tài)環(huán)境質量略微變好；福州市、莆田市、泉州市、漳州市、南平市和寧德市等6個城市的CEI變化范圍為-0.58～0.91，城市生態(tài)環(huán)境質量無明顯變化；廈門市CEI下降1.05，城市生態(tài)環(huán)境質量略微變差。

結合評價指標變化情況分析，相較于2015年，三明市和龍巖市2019年生態(tài)環(huán)境質量變好的原因是空氣質量達標率、水質達標率、綠地覆蓋率、城鎮(zhèn)污水集中處理率和垃圾無害化處理率提高，城市熱島比例指數(shù)和污染物排放強度降低；廈門市2019年生態(tài)環(huán)境質量變差的主要原因是城市熱島比例指數(shù)上升、空氣質量達標率和生態(tài)建設用地比例下降。

3.3 灰色關聯(lián)分析

根據(jù)關聯(lián)系數(shù)和關聯(lián)度的公式，計算得到9個城市的3個分指數(shù)與CEI之間的灰色關聯(lián)度，結果表明9個城市2015—2019年間3個分指數(shù)與CEI之間的關聯(lián)度介于0.46～0.78之間，整體關聯(lián)性較高。除寧德市CEI與3個分指數(shù)之間的關聯(lián)度均在0.71左右，其余8個城市的CEI受到3個分指數(shù)的影響程度各有不同。其中，福州市和龍巖市的生態(tài)建設指數(shù)>環(huán)境質量指數(shù)>污染負荷指數(shù)；廈門市的生態(tài)建設指數(shù)>污染負荷指數(shù)>環(huán)境質量指數(shù)；莆田市的污染負荷指數(shù)>生態(tài)建設指數(shù)>環(huán)境質量指數(shù)；三明市的污染負荷指數(shù)>環(huán)境質量指數(shù)>生態(tài)建設指數(shù)；泉州市、漳州市和南平市的生態(tài)建設指數(shù)>污染負荷指數(shù)>環(huán)境質量指數(shù)。寧德市的灰色關聯(lián)分析結果表明，環(huán)境保護、污染控制和生態(tài)建設工作協(xié)同開展對該市生態(tài)環(huán)境質量做出積極有效的貢獻。

結合關聯(lián)度的空間分布狀況(圖4)，同一指數(shù)對不同城市CEI的影響程度不同。具體表現(xiàn)為，環(huán)境質量指數(shù)的關聯(lián)度范圍為0.54～0.71，均值為0.63，其對9個城市CEI值的影響程度為：寧德市>龍巖市>三明市>泉州市>漳州市>福州市>南平市>莆田市>廈門市。污染負荷指數(shù)的關聯(lián)度范圍為0.46～0.71，均值為0.66，其對9個城市CEI值的影響力大小為：寧德市>莆田市>三明市>泉州市>龍巖市>廈門市>南平市>漳州市>福州市，除福州市(0.46)以外關聯(lián)度均大于0.60。生態(tài)建設指數(shù)的關聯(lián)度范圍為0.57～0.78，均值為0.70，其對9個城市CEI值的影響程度依次為：龍巖市>漳州市>廈門市>泉州市>福州市>寧德市>南平市>莆田市>三明市，除三明市(0.57)外均高于0.65。

注：該圖基于自然資源部標準地圖服務下載的審圖號為GS(2019)3333號的標準地圖制作，底圖無修改。

4 討論與結論

本研究基于城市生態(tài)環(huán)境評價指標體系，對福建省9個設區(qū)市的市轄區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況及變化進行定量評價分析，同時運用灰色關聯(lián)分析方法對環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)和生態(tài)建設指數(shù)與CEI的關聯(lián)程度進行驗證，得出以下結論。

1)2015—2019年間，福建省9個城市的CEI介于70.12～83.38之間，環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)和生態(tài)建設指數(shù)的范圍分別為57.66～85.47、0.20～4.72和67.12～73.88。2019年，5個城市生態(tài)環(huán)境質量評級為優(yōu)，4個評級為良，表明9個城市生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展，污染控制工作有效，城市生態(tài)建設程度良好。

2)在空間分布上，閩西北、閩西南地區(qū)城市的生態(tài)環(huán)境質量優(yōu)于閩東、閩東南沿海城市，主要原因是東部沿海城市經(jīng)濟相對發(fā)達、人口密度高，頻繁的工程經(jīng)濟活動對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了直接影響，對此要加快推進綠色城市建設，強化公民環(huán)保意識，切實提高生態(tài)自覺。

3)與2015年相比，2019年9個城市的CEI變化范圍為-1.05～2.43，龍巖市和三明市城市生態(tài)環(huán)境質量略微變好，廈門市由于城市熱島比例指數(shù)上升、空氣質量達標率和生態(tài)建設用地比例下降等原因生態(tài)環(huán)境質量略微變差，其余6個城市無明顯變化。因此，廈門市在改善生態(tài)環(huán)境質量時，應控制新增建設用地比例，推進基礎設施綠色化，倡導綠色交通，適當調整產(chǎn)業(yè)結構，推動經(jīng)濟社會平穩(wěn)健康發(fā)展。

4)通過灰色關聯(lián)性分析，證實了9個城市的環(huán)境質量指數(shù)、污染負荷指數(shù)和生態(tài)建設指數(shù)與CEI之間存在著較強的關聯(lián)性。寧德市CEI與3個分指數(shù)之間的關聯(lián)度在0.71左右，其余8個城市的CEI受到3個分指數(shù)不同程度的影響。同一指數(shù)對不同城市的CEI影響作用也不同，環(huán)境質量指數(shù)和污染負荷指數(shù)對寧德市CEI影響最大，生態(tài)建設指數(shù)對龍巖市CEI影響最大。3個分指數(shù)的關聯(lián)度均值體現(xiàn)出生態(tài)建設指數(shù)對9個城市CEI的影響力高于其他2個分指數(shù)，是影響各城市生態(tài)環(huán)境質量的關鍵因子，因此要特別注重城市生態(tài)建設的質量，同時也要做好環(huán)境保護和污染控制工作。

福建省總體生態(tài)環(huán)境質量處于良好狀態(tài)，但是隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的不斷增加，城市生態(tài)環(huán)境問題仍較嚴重。本研究運用CEI定量評價福建省5年間的城市生態(tài)環(huán)境質量狀況及變化趨勢，科學分析城市生態(tài)環(huán)境質量的改善，對城市生態(tài)環(huán)境治理措施的制定和城市未來的空間規(guī)劃具有重要的現(xiàn)實意義。

通過灰色關聯(lián)分析法度量3個分指數(shù)與CEI之間的關系，驗證了城市生態(tài)環(huán)境評價指標體系的科學性。但由于城市生態(tài)環(huán)境是一個典型的灰色系統(tǒng)，福建省不同城市生態(tài)環(huán)境質量的影響因素眾多，評價體系中的每個指標都有其作用，如何利用灰色關聯(lián)分析方法評價各個指標對CEI的影響程度是接下來仍需考慮的問題，有待日后作進一步的研究。

志謝：

感謝福建省環(huán)境監(jiān)測中心站在本人交流實習期間提供的工作便利和論文數(shù)據(jù)支撐。