2000～2019年北京市生态环境状况评价和趋势分析

饶 丽，周利军，曾红娟，李思源

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2. 长江流域水土保持监测中心站，武汉 430010)

1 概 述

生态环境与人类生存息息相关，是指影 响人类生存与发展的自然资源(包括水资源、土地资源、生物资源以及气候资源)数量和质量的总称，是一个关系到 社会与经济持续发展的复杂系统[1]。生态环境质量是在生态学理论的基础上，按照人们的特定评价标准，分析一定时空尺度上生态环境质量状况以及变化，进而体现生态环境的好坏优劣，以及对人类生存和经济社会发展的适宜性[2]。人类生存发展的基础是生态环境，其质量的好坏与人类社会的生存发展密切相关，为保证国家生态安全的重要基础，需加强生态环境质量评价相关工作[3]。植被覆盖、生物多样性、水环境、土地胁迫、环境负荷是生态环境状况评价的重要方面。2006年5月，《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ/T 192-2006)(简称“老规范”)[4]出台，该规范利用生态环境状况指数反映被评价区域生态环境质量状况，实现了同一时间不同区域和不同时间同一区域的对比，能迅速掌握区域的生态环境状况。2015年3月，环保部修订并颁布实施《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192-2015)(简称“新规范”)[5]，规范仍然沿用了2006年的指标体系并对其修改完善，以满足环境保护新形势和环境管理新需要。《生态环境状况评价技术规范》的修订及新规范的实施确保生态评价可以更好地为环境管理服务,在数据来源、部门协作方面对环境管理者和评价者提出更高要求[6]。

随着《生态环境状况评价技术规范(试行)》的出台和修改完善，不少学者使用了新老规范对区域尺度的生态环境状况进行评价。有学者利用Landsat-5 TM遥感影像解译的土地利用数据分析了新疆伊犁州(州直辖)2000～2005年的土地利用变化,同时根据老规范对该区域生态环境质量状况进行综合评价,对生态环境指标变化情况进行对比分析[7]。有学者用遥感解译数据分析了湖北省2005～2009年的土地利用变化,同时根据老规范对该区域生态环境状况进行综合评价,对生态环境指标变化情况进行对比分析[8]。有学者依据国家环保部颁发的老规范对福州市生态环境质量及其动态变化进行了分析与评价[9]。有学者利用2015年修订的新规范对“十二五”期间宜宾市生态环境质量变化情况进行评价[10]。有学者以生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、污染负荷指数、土地胁迫指数、环境限制指数约束指标等因子, 使用新规范计算得出了六盘水市2016年各类生态环境状况指数[11]。还有学者本研究采用2011～2015年土地利用遥感解译矢量数据,结合污染物排放量、水资源量等统计数据,利用新规范评价珠三角城市群2011～2015年生态环境状况及其变化特征[12]。需要注意的是，规范中环境污染负荷指数使用的化学需氧量和氨氮排放量除以区域年降水总量，对于区县和其以上单元的结果会差异很大，因为区域的降水总量未能体现这一差别，相应的归一化系数也是针对区县研究单元的。因此计算环境污染负荷指数时需要考虑区域的个数问题。本文使用生态环境部2015年新的《生态环境状况评价技术规范》(HJ192-2015)，分析2000、2005、2010、2015和2019年北京市生物丰富度、植被覆盖、水网密度、土地胁迫、污染负荷指数等生态环境状况分指数的变化，再根据各分指数的权重，分实际区县数量和等效区县数量评价2000～2019年五个时期北京市生态环境质量状况。

2 数据和方法

2.1 数据和来源

生态环境状况评价利用2000～2019年MoD13逐月的遥感影像植被覆盖指数NDVI月合成数据产品，采用常用的最大合成法(MVC)生成NDVI季度和年度数据。2000～2015年北京市土地利用采用中国土地利用现状遥感监测数据库(http://www.resdc.cn/)，通过ArcGIS空间分析工具剪裁获得。该数据集以各时期的LandsatTM/ETM遥感影像为数据源，其中2015和2019年以Landsat 8为数据源，通过人机交互目视解释得到。

北京市各区县河流长度、水资源量等数据来自各时期《北京市(生态)环境状况公报》、《北京是水资源公报》和《中国水资源公报》，土壤侵蚀数据根据第二次全国土壤侵蚀遥感调查和北京市第一次水务普查成果得到。化学需氧量COD、氨氮、二氧化硫、烟(粉)尘、氮氧化物、固体废物等污染物排放数据摘自《中国环境统计年鉴》、《环境统计年报数据汇编(1991-2010)》、《中国环境统计资料汇编1981-1990》等资料。

2.2 研究方法

参照《生态环境状况评价技术规范 HJ192-2015》中的方法，生态环境状况评价使用生态环境状况指数这个综合指标EI表示，该指数由生物丰富度指数等五个分指数加上环境限制指数构成，其计算公式如下：

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

(1)

其中，EI是生态环境状况指数，BRI为生物丰富度指数，VCI是植被覆盖指数，WNDI为水网密度指数，LSI是土地胁迫指数，PLI为污染负荷指数，ERI是调节约束性指标环境限制指数。

北京市生态环境状况评价的技术流程如图1所示。

图1 北京市生态环境状况评价流程Fig.1 Assessment process of ecological environment in Beijing

3 结果和讨论

3.1 生态环境分指数

3.1.1 生物丰富度指数

生态质量指数中各类土地利用的权重系数由一级土地利用权重和二级土地利用分权重构成，因此二级土地利用计算的最终权重为上述两个权重的积，因此有林地、灌木林地、疏林地和其他林地的最终权重分别为0.210 0、0.087 5、0.052 5、0.052 5，高、中、低覆盖度草地的最终权重分别为0.126、0.063和0.021，河渠、湖泊、水库坑塘、滩地湿地的最终权重分别为0.028、0.084、0.084、0.140，水田、旱地的最终权重分别为0.066和0.044，城镇建设用地、农村居民点和其他建设用地的最终权重分别为0.012、0.016和0.012，裸岩石砾的最终权重分别为0.002。由ArcGIS10.2中剪裁得到的各时期北京市16类土地利用面积，乘以各自的最终权重和生境质量指数的归一化系数，得到五个时期北京市的生境质量指数分别为48.24、47.95、47.71、47.59和44.43。鉴于生物多样性指数的可获得性，该指数即为各个时期北京市的生物丰富度指数。

3.1.2 植被覆盖指数

《生态环境状况评价技术规范 HJ192-2015》中植被覆盖指数采用年度NDVI月均值的最大值计算，其公式如下：

(2)

其中Aveg是归一化植被覆盖系数，参考值为0.0121165124；Pi是NDVI月均值的最大值，n为研究区像元个数。

根据前面遥感解译得到的北京市四期归一化植被指数NDVI结果，在ArcGIS10.2中空间分析工具进行统计汇总，得到2000、2005、2010、2015和2019年北京市归一化NDVI的均值分别为0.701 1、0.719 7、0.718 9、0.739 4和0.746 4，变化范围分别为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，标准差分别为0.109 4、0.123 5、0.135 1、0.169 1和0.154 3。根据植被覆盖指数的计算公式，得到2000、2005、2010、2015和2019年北京市植被覆盖指数分别为84.85、87.20、87.11、89.59和90.44。

3.1.3 水网密度指数

水网密度指数反映了被评价区域水的丰富程度。新老规范中均使用了河流长度、水域、水资源量三个指标和区域面积的比值进行归一化处理进行评价，其计算公式如下：

水网密度指数=(Ariv×河流长度/区域面积+Alak×湖库(近海，河流)面积/区域面积+ Ares×均衡水资源量/区域面积)/3

式中：Ariv——河流长度的归一化系数，参考值为84.3704083981049；

Alak——湖库面积的归一化系数，参考值为591.790864200525；

Ares——水资源量的归一化系数，参考值为86.3869548280986。

(3)

由《北京市水资源公报》和《北京市环境公报》可知，2000、2005、2010、2015和2019年北京市有水河流长度分别为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数据，五个时期北京市的水域面积分别为505.69km2、480.66km2、469.65km2、468.64km2和419.58km2。根据北京市统计年鉴资料，五个时期水资源量分别为1 686百万m3、2 320百万m3、2 310百万m3、2 676百万m3和2 456百万m3，而扣除重复统计北京市多年平均水资源量为3 629百万m3，五个时期水资源量与多年平均水资源量的比值均小于1.4，因此计算时采用的均衡水资源量即为各时期实际的水资源量。经计算得到五个时期北京市水网密度指数分别为12.63、12.36、13.14、14.24和13.35。

3.1.4 土地胁迫指数

由第二次全国土壤侵蚀遥感调查成果，2000年北京市轻度侵蚀和中度侵蚀面积分别为2 975.00 km2、1 114.00 km2，无重度侵蚀。根据北京市第一次水务普查成果，2010年北京市土壤轻度、中度、重度侵蚀面积分别为1 746.08 km2、1 031.46 km2和424.32 km2。鉴于我国土壤侵蚀普查数据更新周期较长，2005年和2015年北京市土壤侵蚀数据由插值法得到，两个年份土壤轻度、中度、重度侵蚀面积分别为2 360.54 km2、1 072.73 km2、212.16 km2，1 131.62 km2、990.19 km2、636.48 km2。2019年北京市土壤侵蚀面积参照2018年《北京市水土保持公报》，轻度、中度、重度侵蚀面积分别为 2 175.07km2、 99.55km2、38.75km2。五个时期北京市建设用地面积分别为2 238.07 km2、2 633.62 km2、2 791.84 km2、2 887.97 km2和3 417.69km2，五个时期其他胁迫土地的面积均为1.001 4 km2。由此计算出五个时期北京市的土地胁迫指数分别为9. 65、11.89、13.44、14.82和10.34。

3.1.5 污染负荷指数

污染负荷指数反映了被评价区承载的污染物的压力。老规范中类似的指标叫环境质量指数，显然这个概念内涵太大。鉴于“十二五”期增加了污染物排放的考核指标，新评价技术规范废水增加了氨氮指标，废气增加了烟(粉)尘、氮氧化物指标，更准确的反映污染负荷。污染负荷指数各污染物排放量的权重见《生态环境状况评价技术规范》(HJ192-2015)。

由环境统计年鉴和环境年报汇编数据，收集2000～2019年五个时期北京市废水中排放的化学需氧量、氨氮排放量、废气中二氧化硫排放量、烟(粉)尘排放量、氮氧化物排放量、固体废物丢弃量等数据。根据北京市统计年鉴，五个时期北京市的年降水量分别为371.1mm、410.7mm、522.5mm、458.6mm和506mm。按照北京市实际区级行政单元的个数计算，五个时期的污染负荷指数分别为66.56、41.96、30.20、42.79和43.55，如把主城区看成一个区(其面积与其他区县更接近)，五个时期的污染负荷指数分别为92.69、56.62、39.88、59.79和60.48。

3.1.6 环境限制指数

环境限制指数是生态环境状况指数的限制性和调节性指标，主要根据被评价区域是否出现突发环境事件和其级别(特大、重大、较大、一般环境事件)，以及生态破坏、环境污染、生态环境违法案件和是否纳入区域限批等情况对生态环境状况指数进行调整。鉴于北京市突发环境事件和生态破环环境污染等数据的获取难度较大，这里不使用环境限制指数对北京市生态状况的指数的调整。

3.2 生态环境状况指数及变化

3.2.1 生态环境状况单项指数的变化

根据前面研究的成果，生物丰富度、植被覆盖、水网密度、土地胁迫和污染负荷指数变化如图2所示。

注：*是把东城、西城、海淀、朝阳、丰台、石景山等主城区等效为一个区图2 生态环境状况单项指数变化Fig.2 Change of single index of ecological environment condition

生态环境状况单项指数也的范围也在0至100之间，如某一值超过100只取100。生物丰富度等前三个指数反映研究区生物多样性、植被覆盖度和水的丰富程度等生态环境的本底状况，而土地胁迫指数和环境污染指数则反映研究区的环境压力。2000～2019年，北京市环境本底状况总体变化不大，生物丰富度指数有小幅降低的趋势，2015年比2000年降低3.81，北京市生物多样性保持相对稳定；植被覆盖指数和水网密度指数有增加的趋势，2019年分别比2000年增加5.59和0.72，北京市植被覆盖状况有较大改善，水的丰富程度小幅增加。2000～2019年，北京市土地遭受的胁迫程度小幅增加，2019年比2000年增加了0.69；环境负荷指数不论按市区的实际数量还是等效数量计算，均有明显地改善：按照市区的实际数量计算，2019年环境负荷指数比2000年降低了23.01；按市区的等效数量计算，2019年比2000年降低了32.21，北京市承载的污染物的压力得到了明显的好转。

3.2.2 生态环境状况综合指数及变化

根据生态环境状况综合指数的计算公式，可以计算2000、2005、2010、2015和2019年北京市的生态环境状况指数。经计算，按照市区实际数量五个年份的生态环境状况指数分别为56.91、59.46、60.41、59.69和60.48，按照市区等效数量五个年份的生态环境状况指数分别为54.30、57.99、59.44、57.99和59.26。《生态环境状况评价技术规范》(HJ192-2015)中根据生态环境状况指数的范围，将生态环境分为优、良、一般、较差和差五个等级：指数值大于等于75为优，在55和75之间为良，在35和55之间为一般，在20和35之间较差，低于20为差。故按照市区实际数量五个年份的生态环境状况均为良；按照市区等效数量2000年的生态环境状况一般，其他四个年份为良。

该评价结果与新标准实施后《2019年北京市生态环境状况公报》相比，生态环境状况指数偏低，但生态环境状况一致为良。究其原因，与北京市土地胁迫指数的数据获取来源有关，本文的各类土壤侵蚀面积主要来自水利部门的公报数据，而北京市生态环境公报的土壤侵蚀面积数据采用本系统的计算结果，不同的计算方法会产生一定的差异，但总体的评价结果和趋势变化是一致的。研究表明，五个年份北京市植被覆盖度较高，生物多样性较丰富，比较适合人类生活和居住。

北京市五个时期生态环境状况综合指数及变化如表1。

表1 北京市生态环境状况综合指数及变化Tab.1 Comprehensive index and change of eco-environmental conditions in Beijing

按照综合指数变化的绝对值，新的评价技术规范把生态环境状况分为四个等级：变化值的绝对值小于1无明显变化，变化值的绝对值介于1和3之间略微变化，变化值的绝对值介于3和8之间，明显变化，变化值的绝对值大于等于8显著变化。另外，如果生态环境状况等级发生变化，如良变成一般、良变成优等，则生态环境状况明显变化。

按照市区实际数量，2000～2005年和2015～2019年北京市生态环境状况略微变化，2005～2010年、2010～2015年和2015～2019年无明显变化，2000～2019年明显变化；按照市区等效数量，2000～2005和2000～2019年北京市生态环境状况明显变化，2005～2010年、2010～2015年和2015～2019年略微变化。2000年以来，随着北京市包括天然林等自然资源保护、造林绿化、水土保持、治理风沙、水源保护等生态环境工作的持续推进，北京市林草覆盖率大面积增加；加之废水、废气和固体废物排放标准和处置力度的增强，污染负荷得到控制和缓解；但北京市建设用地面积近20年也不断增加，土壤胁迫指数有一定的增加，但土地胁迫的作用小于植被覆盖指数等正面效应，北京市生态环境状况得到不断的改善。

4 结论和建议

按照市区实际数量和等效数量，2000～2015年北京市生态环境状况评价结果和变化趋势存在一定差别。总体上来说，2000～2015年北京市生态环境状况有明显的变好趋势，生态环境状况的改善主要发生在2000～2005年。

后续生态环境状况评价中，需加强对生物多样性指数的获取和处理，完善生物丰富度指数的计算结果；另外还需收集突发环境事件和生态破坏环境污染等数据，以便用环境限制指数对生态状况的指数结果进行调整，从而更加全面地反映评价区生态环境质量状况和变化趋势等。同时相关分指数需要进一步优化改进，以使评价结果更加符合评价区生态环境实际情况。