基于CEI的城市生态环境状况评价——以福建省为例

雍凯婷，陈增文，李师炜，陈文惠，胡清华*

(1.福建师范大学 地理科学学院，福州 350007；2.福建省环境监测中心站，福州 350003)

0 引言

伴随城镇化进程的加快，人类活动与自然环境之间的矛盾不断加剧，生态环境问题日益突出。人类逐渐认识到人与自然是相互联系、相互依存的关系，只有尊重自然、保护自然，从保护中寻发展，才能实现二者和谐共生[1]。

城市作为人类活动最集中的载体，其生态环境问题关乎社会经济的发展和市民的健康安全。因此，对城市生态环境质量进行评估，了解其生态环境状况及变化趋势，不仅有利于促进城市经济可持续健康发展，而且对生态文明建设具有重要的现实意义[2]。当前国内主要利用层次分析法[3]、灰色关联分析法[4]、熵权法[5]或PSR模型[6]构建区域性的生态文明建设评价指标体系，或者利用一些生态指数，如城市生态环境质量指数(Urban Ecological Environmental Quality，UEQ)[7]、生态环境质量指数(Ecological Quality Index，EQI)[8]、遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index，RSEI)[9-10]、城市生态环境状况指数(City Ecological Index，CEI)[11-13]、生态环境状况指数(Ecological Index，EI)[14]等对城市生态环境开展研究，且取得了良好的成果。但是，目前的评价和分析都仅限于单一城市，缺乏对大区域城市的系统性评价，比如很少有对更高尺度区域(全省)的城市群生态环境质量的横向(不同类型城市)和纵向(时间跨度)的比较分析，从而无法为相关部门在城市的生态环境质量管理和城市发展规划提供更有效的技术支撑。

利用高分遥感影像解译数据，结合环境监测数据、环境统计资料、国民经济和社会发展统计数据等，根据原环境保护部制定的城市生态环境评价指标体系，利用CEI定量评估福建省9个设区市的市辖区2015—2019年间的生态环境质量，并分析其动态变化情况，同时利用灰色关联分析法度量CEI与环境质量指数、污染负荷指数、生态建设指数3个分指数之间关联程度，为相关部门制定城市国土空间规划、优化产业发展布局、推动生态文明建设提供科学依据和技术支撑。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

福建省地处中国东南沿海，位于23°32′N～28°19′N、115°51′E～120°52′E之间，陆地总面积12.4万km2，山地、丘陵占全省总面积的80%以上，素有“八山一水一分田”之称。全省以湿润的中亚热带和南亚热带季风气候为主[15]，多年平均气温17～21℃，平均年降水量达1 000～2 000 mm，森林覆盖率为66.8%，居全国首位。海域面积13.6万km2，陆地海岸线长达3 752 km，在全国沿海省市中排名第二。2019年底全省常住人口3 973万人，比2015年底增加134万人，其中城镇人口比2015年增长9.95%，地区生产总值(GDP)实现42 395亿元，比2015年增长63.18%，全年人均GDP为107 139元，比2015年增长57.64%[16-17]。

本研究选取福建省9个设区市的26个市辖区作为城市生态环境评价范围，分别为福州市的鼓楼区、仓山区、台江区、马尾区和晋安区，厦门市的思明区、海沧区、湖里区、集美区、同安区和翔安区，莆田市的城厢区、荔城区、涵江区和秀屿区，三明市的三元区和梅列区，泉州市的鲤城区、丰泽区、洛江区和泉港区，漳州市的芗城区和龙文区，南平市的延平区，龙岩市的新罗区以及宁德市的蕉城区。

1.2 数据来源

本研究主要涉及2015—2019年间的GF1、GF2、GF6和ZY-3等高分遥感卫星影像解译数据，环境污染统计数据、环境监测数据、国民经济和社会发展统计数据等。

其中，遥感解译数据获取步骤如下：在对遥感影像进行基础处理的基础上，依据《全国生态遥感监测土地利用/覆盖分类体系》，结合福建省生态环境的实际情况，采用目视解译方法，得到耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类和水田、旱地、有林地、灌木林地等20个二级类的土地利用/覆盖数据，然后基于野外核查采用混淆矩阵进行精度验证，其中一级分类精度高于90%，二级分类精度高于85%，解译结果满足本研究需要。此外，城市热岛比例指数是由每年6—9月MODIS地表温度数据计算获取的热岛面积占建成区面积的比例，主要污染物排放强度由主要污染物排放量数据计算得到，其他指标多引自《福建省环境质量报告书》(2015—2019)和《福建统计年鉴》(2016—2020)。

表 1 城市生态环境质量评价指标

2 研究方法

2.1 城市生态环境状况指数

城市生态环境质量是指城市建成区生态环境的优劣程度，从城市发展和居民健康的角度，需要考虑环境质量、污染物排放、人居环境改善、环保基础设施建设等多种因素。本研究依照原国家环境保护部制定的《生态环境状况评价技术规范(发布稿)》(HJ 192-2015)[18]规定的城市生态环境评价指标体系对福建省9个设区市的市辖区生态环境质量状况进行评价。

城市生态环境状况评价体系是利用城市生态环境状况指数(CEI)评价城市生态环境的质量状况，评价体系以生态环境质量为核心，包括环境质量指数、污染负荷指数和生态建设指数。具体公式如下：

城市生态环境状况指数(CEI)=0.4×环境质量指数+0.2×(100-污染负荷指数)+0.4×生态建设指数 (1)

CEI数值范围为0～100，根据CEI值可以将城市生态环境质量分为5个等级，各等级CEI的分级标准及其含义：优(CEI≥80)，说明城市生态环境优良，各系统协调发展，污染控制和生态建设工作有效；良(70≤CEI<80)，说明城市生态环境良好，各系统协调性较好，城市生态建设程度较好；一般(60≤CEI<70)，说明城市生态环境一般，各系统基本能协调发展，城市生态建设程度一般；较差(50≤CEI<60)，说明城市生态环境存在明显的问题，需要大力加强环境保护和生态建设；差(CEI<50)，说明生态环境问题突出，城市生态环境恶劣。

依据CEI与基准值的变化情况，可以将城市生态环境质量变化幅度(ΔCEI)分为4个等级：|ΔCEI|<1，说明城市生态环境状况无明显变化；1≤|ΔCEI|<3，说明城市生态环境质量略微变好(或差)；3≤|ΔCEI|<8，说明城市生态环境质量明显变好(或差)；|ΔCEI|≥8，说明城市生态环境质量显著变好(或差)。

2.2 城市生态环境状况分指数

环境质量指数、污染负荷指数和生态建设指数共涉及18项指标，指标类型有正负两种，例如，生态用地比例和绿地覆盖率等越高，对生态环境越好，属于正向指标；而污染物排放量和城市热岛比例指数等越低，对生态环境越好，是反向指标。这些反向指标需要进行正向化处理，才能保证所有测评指标具有同向的性质。3个分指数计算方法如下：

环境质量指数(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)

污染负荷指数(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)

生态建设指数(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为各分指数指标，Ai为各分指标归一化系数，具体见表1。

2.3 灰色关联分析

灰色系统理论中的灰色关联分析法，实际上是对反映各因素变化特性的数据序列进行几何比较，通过比较因素之间的关联曲线，得到可以度量因素之间关联程度的灰色关联度[19]。由于受到自然、社会、经济等多种因素的影响，城市生态环境系统是一个典型的灰色系统[20]。本研究运用灰色关联分析法[19]对CEI及其3个分指数之间的关联程度进行度量，参考前人研究成果[6,21-22]，首先根据公式(1)对负向指标做正向化处理，其次对各要素的原始数据作均值变换，消除量纲的影响，增强不同因素之间的可比性，然后将2015—2019年研究区域的CEI作为母序列，环境质量、污染负荷和生态建设3个分指数作为特征序列，计算环境质量指数、污染负荷指数和生态建设指数对CEI的关联度。

为分析环境质量、污染负荷和生态建设对城市生态环境质量的影响力，本研究对关联度进行排序，数值越大表示特征序列中的某一因素与母序列关联度越高，也意味着关系越紧密，从而得到影响城市生态环境质量的强关联度因子[23]。

3 结果与分析

3.1 城市生态环境状况

基于前述城市生态环境状况评价指标体系和评价方法，分别计算福建省9个设区市的环境质量指数、污染负荷指数、生态建设指数和CEI，计算结果见图1。

图 1 2015—2019年福建省CEI值

9个城市的生态环境状况评估结果为：2015—2019年间，福建省9个城市的环境质量指数为57.66～85.47，污染负荷指数为0.20～4.72，生态建设指数为67.12～73.88，CEI介于70.12～83.38之间。按照CEI的分级标准，9个设区市城市生态环境质量等级均为良以上，其中南平市、龙岩市和宁德市城市生态环境质量5年均为优；福州市、漳州市和厦门市为良，但是厦门市5年的CEI值在70～73之间，明显低于其他几个城市；莆田市城市生态环境质量等级在优良之间浮动；三明市城市生态环境质量自2016年起为优；泉州市虽然自2015年后由优转变为良，但近4年CEI值均接近80，趋势较为稳定。

对9个城市2015—2019年间的CEI均值进行排序：南平市(82.06)>龙岩市(82.03)>宁德市(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)>厦门市(71.03)。结合城市生态环境评价分指数计算结果分析，城市生态环境质量为优的南平市、龙岩市、三明市和宁德市，各系统协调发展、污染控制和生态建设工作有效。其他5个城市生态质量为良，其中厦门市CEI均值最低。根据福建省统计年鉴，2015—2019年厦门市城镇化水平为88.9%～89.2%，城镇化水平高，人口密集，频繁的人类活动造成城市建筑用地占比高，环境噪声、热岛效应等生态问题突出，致使厦门市CEI值低于其他8个城市。

从空间分布(图2)可以看出，闽西北、闽西南地区[24]城市生态环境质量比闽东、闽东南沿海城市好，这是因为前者经济相对薄弱，土地利用/覆盖类型以林地、耕地为主，植被覆盖度高、空气质量好、噪声污染小等，而闽东、闽东南沿海城市经济相对发达、人口密度高，越来越多的工程经济活动对生态环境产生了直接影响，其中漳州市、厦门市、泉州市和福州市5年间的生态用地比例均值分别为64.11、67.05、73.97和74.92，远低于9个城市的平均值(82.08)。

3.2 城市生态环境变化趋势

为分析福建省5年间的城市生态环境质量的差异变化，对2015年和2019年的CEI和环境质量指数、污染负荷指数和生态建设指数3项分指标做差值运算，结果如图3所示。

注：该图基于自然资源部标准地图服务下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图上制作，底图无修改。

图 3 2015—2019年福建省城市生态环境质量变化度

与2015年相比，2019年9个城市的环境质量指数变化范围为-3.33～4.41，污染负荷指数变化范围为-2.53～-0.53，生态建设指数变化范围为-0.52～2.46，CEI变化范围为-1.05～2.43，其中，龙岩市和三明市CEI分别增加2.43、2.18，城市生态环境质量略微变好；福州市、莆田市、泉州市、漳州市、南平市和宁德市等6个城市的CEI变化范围为-0.58～0.91，城市生态环境质量无明显变化；厦门市CEI下降1.05，城市生态环境质量略微变差。

结合评价指标变化情况分析，相较于2015年，三明市和龙岩市2019年生态环境质量变好的原因是空气质量达标率、水质达标率、绿地覆盖率、城镇污水集中处理率和垃圾无害化处理率提高，城市热岛比例指数和污染物排放强度降低；厦门市2019年生态环境质量变差的主要原因是城市热岛比例指数上升、空气质量达标率和生态建设用地比例下降。

3.3 灰色关联分析

根据关联系数和关联度的公式，计算得到9个城市的3个分指数与CEI之间的灰色关联度，结果表明9个城市2015—2019年间3个分指数与CEI之间的关联度介于0.46～0.78之间，整体关联性较高。除宁德市CEI与3个分指数之间的关联度均在0.71左右，其余8个城市的CEI受到3个分指数的影响程度各有不同。其中，福州市和龙岩市的生态建设指数>环境质量指数>污染负荷指数；厦门市的生态建设指数>污染负荷指数>环境质量指数；莆田市的污染负荷指数>生态建设指数>环境质量指数；三明市的污染负荷指数>环境质量指数>生态建设指数；泉州市、漳州市和南平市的生态建设指数>污染负荷指数>环境质量指数。宁德市的灰色关联分析结果表明，环境保护、污染控制和生态建设工作协同开展对该市生态环境质量做出积极有效的贡献。

结合关联度的空间分布状况(图4)，同一指数对不同城市CEI的影响程度不同。具体表现为，环境质量指数的关联度范围为0.54～0.71，均值为0.63，其对9个城市CEI值的影响程度为：宁德市>龙岩市>三明市>泉州市>漳州市>福州市>南平市>莆田市>厦门市。污染负荷指数的关联度范围为0.46～0.71，均值为0.66，其对9个城市CEI值的影响力大小为：宁德市>莆田市>三明市>泉州市>龙岩市>厦门市>南平市>漳州市>福州市，除福州市(0.46)以外关联度均大于0.60。生态建设指数的关联度范围为0.57～0.78，均值为0.70，其对9个城市CEI值的影响程度依次为：龙岩市>漳州市>厦门市>泉州市>福州市>宁德市>南平市>莆田市>三明市，除三明市(0.57)外均高于0.65。

注：该图基于自然资源部标准地图服务下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图制作，底图无修改。

4 讨论与结论

本研究基于城市生态环境评价指标体系，对福建省9个设区市的市辖区生态环境状况及变化进行定量评价分析，同时运用灰色关联分析方法对环境质量指数、污染负荷指数和生态建设指数与CEI的关联程度进行验证，得出以下结论。

1)2015—2019年间，福建省9个城市的CEI介于70.12～83.38之间，环境质量指数、污染负荷指数和生态建设指数的范围分别为57.66～85.47、0.20～4.72和67.12～73.88。2019年，5个城市生态环境质量评级为优，4个评级为良，表明9个城市生态系统协调发展，污染控制工作有效，城市生态建设程度良好。

2)在空间分布上，闽西北、闽西南地区城市的生态环境质量优于闽东、闽东南沿海城市，主要原因是东部沿海城市经济相对发达、人口密度高，频繁的工程经济活动对生态环境产生了直接影响，对此要加快推进绿色城市建设，强化公民环保意识，切实提高生态自觉。

3)与2015年相比，2019年9个城市的CEI变化范围为-1.05～2.43，龙岩市和三明市城市生态环境质量略微变好，厦门市由于城市热岛比例指数上升、空气质量达标率和生态建设用地比例下降等原因生态环境质量略微变差，其余6个城市无明显变化。因此，厦门市在改善生态环境质量时，应控制新增建设用地比例，推进基础设施绿色化，倡导绿色交通，适当调整产业结构，推动经济社会平稳健康发展。

4)通过灰色关联性分析，证实了9个城市的环境质量指数、污染负荷指数和生态建设指数与CEI之间存在着较强的关联性。宁德市CEI与3个分指数之间的关联度在0.71左右，其余8个城市的CEI受到3个分指数不同程度的影响。同一指数对不同城市的CEI影响作用也不同，环境质量指数和污染负荷指数对宁德市CEI影响最大，生态建设指数对龙岩市CEI影响最大。3个分指数的关联度均值体现出生态建设指数对9个城市CEI的影响力高于其他2个分指数，是影响各城市生态环境质量的关键因子，因此要特别注重城市生态建设的质量，同时也要做好环境保护和污染控制工作。

福建省总体生态环境质量处于良好状态，但是随着城市经济的快速发展和人口的不断增加，城市生态环境问题仍较严重。本研究运用CEI定量评价福建省5年间的城市生态环境质量状况及变化趋势，科学分析城市生态环境质量的改善，对城市生态环境治理措施的制定和城市未来的空间规划具有重要的现实意义。

通过灰色关联分析法度量3个分指数与CEI之间的关系，验证了城市生态环境评价指标体系的科学性。但由于城市生态环境是一个典型的灰色系统，福建省不同城市生态环境质量的影响因素众多，评价体系中的每个指标都有其作用，如何利用灰色关联分析方法评价各个指标对CEI的影响程度是接下来仍需考虑的问题，有待日后作进一步的研究。

志谢：

感谢福建省环境监测中心站在本人交流实习期间提供的工作便利和论文数据支撑。