生态环境是关系人类社会经济可持续发展的水-气-土-生态复合自然生态系统，是人类生存和发展的基础。生态环境状况评价是区域生态环境科学管控、自然资源合理利用及制定社会经济发展规划的重要依据^[1-2]。国外相关研究可追溯至20世纪50年代对城市人居环境质量的定量分析和评价工作，随着理论和技术的不断成熟，国内外学者围绕生态环境评价构建了一系列指标体系和评价方法。生态环境评价方法趋于多样化，如指数评价法^[3]、层次分析法^[4]、生态足迹法^[5]和人工神经网络法^[6]等，指标体系的选择也从只考虑自然和生态因素发展到同时兼顾社会和经济因素^[7-8]。国内关于环境质量评价的相关研究始于20世纪末，且采用的生态环境状况评价指标体系没有统一标准，导致相关研究缺乏可比性^[9-10]。2015年，原环境保护部出台《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)，该标准成为业界生态环境状况评价的统一标准。目前，国内学者针对不同行政单元和生态功能区进行了生态环境评价分析研究，例如，刘娜等^[11]分析了沈阳市2011—2018年生态环境状况变化趋势及主要影响因素；王彦芳等^[12]基于防风固沙生态功能区的评价指标体系计算了1980，2000和2015年3个时期河北坝上地区的生态环境功能状况指数；戴晓峰等^[13]选取安徽省南部和北部的10个典型县域作为研究对象，分析了安徽省南北方环境差异的主要影响因素。然而，目前缺乏对河南省近年来生态环境现状和动态变化的深入研究。

河南省是农业和人口大省，同时肩负着黄河中下游生态保护和高质量发展的艰巨任务，全省生态环境保护形势不容乐观。现基于国产高分影像和陆地卫星8号陆地成像仪(Landsat-8-OLI)影像，利用地理信息系统(GIS)空间分析功能^[14-16]，结合全球定位系统(GPS)现场核查，对河南省2014—2018年生态环境状况进行评价，全面摸清河南省生态环境现状，分析研究其时空变化趋势及驱动因素，为环境保护政策制定提供依据。

1 研究方法 1.1 研究区概况

河南省位于北纬31°23′—36°22′，东经110°21′—116°39′，总面积16.7万km²，地跨长江、淮河、黄河和海河四大流域，森林覆盖率为24.53%，水资源和动植物资源丰富。地势西高东低，北、西、南部由太行山、伏牛山、桐柏山和大别山沿省界而立，生物多样性丰富，中东部为黄淮海冲积平原，西南部为南阳盆地。气候类型属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，大部分地处暖温带，南部跨亚热带，具有四季分明、雨热同期和气候灾害频繁等特点。

1.2 数据来源

2014—2018年遥感数据采用Landsat-8-OLI影像，空间分辨率为30 m；高分一号、二号影像，空间分辨率为2和4 m；土地利用数据依据以上影像人机交互解译获得^[17-20]；归一化植被指数(NDVI)通过中分辨率成像光谱仪(MODIS)影像250 m分辨率NDVI产品(MOD13)计算得到；全球数字高程模型(DEM)采用30 m分辨率先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(ASTER GDEM)；水资源数据来源于河南省水利厅《水资源公报》；氨氮等污染物排放数据采用河南省生态环境厅环境统计数据。

1.3 评价方法

评价指标的选择和权重的确定直接关系着评价结果的科学性，本研究参照《HJ 192—2015》^[21]，生态环境状况指数(EI)计算模型如下：

$ \begin{aligned} & \mathrm{EI}=0.35 \times \mathrm{BRI}+0.25 \times \mathrm{VCI}+0.15 \times \mathrm{WNDI} \\ & +0.15 \times(100-\mathrm{LSI})+0.10 \times(100-\mathrm{PLI})+ \\ & \text { ERI }。\end{aligned} $

(1)

式中：BRI——生物丰度指数；VCI——植被覆盖指数，用评价区域单位面积的NDVI来表示；WNDI——水网密度指数；LSI——土地胁迫指数；PLI——污染负荷指数; ERI——环境限制指数，因缺少数据来源，本研究不再采用此指标。

参照《HJ 192—2015》，把生态环境状况类型分为5级，见表 1。生态环境状况变化度(△EI)分为4级，见表 2。

1.4 空间格局分析方法

Getis-Ord G_i^*指数是Getis和Ord提出的一种计算空间自相关性的指数，该指数能在局部尺度上定性判定空间热点或冷点区域，并计算置信概率^[22]。本研究利用Getis-Ord G_i^*指数分析河南省生态环境状况空间聚集的冷点(低值区)与热点(高值区)^[23]，当G_i^*指数>0且P值显著时，表示EI空间分布的热点区域，当G_i^*指数＜0且P值显著时，表示EI空间分布的冷点区域。G_i^*指数的计算公式如下：

$ G_i^* = \frac{{\sum\limits_{j = 1}^n {{\omega _{ij}}} {X_j} - \bar X\sum\limits_{j = 1}^n {{\omega _{ij}}} }}{{S\sqrt {\frac{{\left[ {n\sum\limits_{j = 1}^n {\omega _{ij}^2} - {{\left( {\sum\limits_{j = 1}^n {{\omega _{ij}}} } \right)}^2}} \right]}}{{n - 1}}} }} $

(2)

$ \bar X = \frac{{\sum\limits_{j = 1}^n {{X_j}} }}{n} $

(3)

$ S = \sqrt {\frac{{{{\sum\limits_{j = 1}^n {{X_j}} }^2}}}{n} - {{(\bar X)}^2}} $

(4)

式中：n——参与计算的地级市个数，ω_ij——空间权重矩阵；X_j——区域j的EI值，X——平均值；S——标准差。

2 结果与分析 2.1 生物丰度时空变化特征

河南省2014—2018年生物丰度指数及变化时空分布见图 1(a)—(f)。

由图 1可见，2014年河南省18个省辖市生物丰度指数范围为19.3~61.2，空间差异较大，位于西、南部太行山、伏牛山、桐柏山和大别山等山地丘陵区的三门峡、南阳、信阳、洛阳和济源市森林覆盖率均>30%，三门峡市达到60%以上，水资源较丰富，生物丰度指数相对较高，而中、东部地区的开封、许昌、漯河、商丘、周口和驻马店市等主要以平原为主，耕地面积占比均>70%，森林覆盖率较低，水资源量相对较少，生物丰度指数较低。2014—2015年和2016—2017年之间生物丰度指数变化较为明显，整体呈正向增长，个别地区变化幅度较大，如三门峡市，2016—2017年生物丰度指数变化值为14.7；而2015—2016年和2017—2018年，其生物丰度指数变化较小。2014—2018年全省增加林地近1万km²，水域面积增加0.3万km²，全省平均生物丰度指数同步呈上升趋势，上升幅度为6.7，生态环境质量明显变好，2017和2018年平均生物丰度指数均为39.8。

2.2 植被覆盖时空变化特征

河南省2014—2018年植被覆盖指数及变化时空分布见图 2(a)—(f)。由图 2可见，2014年河南省18个省辖市植被覆盖指数范围为73.8~92.4，郑州市和平顶山市的植被覆盖指数＜80，其他地区均＞80。植被覆盖指数的计算采用5—9月的NDVI均值，除自然植被外，农作物也对植被覆盖指数有较大贡献。因此，各地区植被覆盖指数空间差异幅度相对较小。2014—2015年，许昌市和平顶山市植被覆盖指数变化明显，增幅分别为8.2和8.1，其他地区变化较小。2015—2016年和2017—2018年，河南省东部地区植被覆盖指数呈下降趋势，范围为-5.2~-0.6。

2014—2018年全省平均植被覆盖指数范围为84.2~88.6，植被覆盖较丰富，5年间全省植被覆盖指数略有起伏但整体呈略微下降趋势。2015年植被覆盖指数最高，为88.6，2018年最低，为84.2。全省林地面积虽然增加，但随着经济发展，城镇化进程加快，建设用地增加0.24万km²，其次是农作物种植类型的改变，根据河南省统计年鉴显示，稻谷、小麦种植面积略微增加而玉米种植面积呈逐年减少趋势。

2.3 水网密度时空变化特征

河南省2014—2018年水网密度指数及变化时空分布见图 3(a)—(f)。由图 3可见，2014年河南省18个省辖市水网密度指数范围为17.6~36.3，区域水资源丰贫程度差别明显。南部南阳、驻马店和信阳市水域面积比重大，属于半湿润区域，降雨量较高，水资源丰富，水网密度指数均>30。水网密度指数从南向北逐渐降低，其中安阳市最低，水网密度指数为17.6。2014—2015年，水网密度指数整体呈下降趋势，2016—2017年则表现为大幅上升。

2014—2018年全省平均水网密度指数范围为25.5~31.2，呈上升趋势，2015年平均水网密度指数最低，为25.5，2017年最高，为31.2。水网密度指数与全省水资源量密切相关，且趋势相同，根据河南省水资源公报显示，2017年水资源量最大，相应水网密度指数也较大。

2.4 土地胁迫时空变化特征

土地胁迫指数与土壤侵蚀面积密切相关，近几年，河南省水土保持项目逐步开展，全省重度、中度土壤侵蚀面积不断减少，但土地开发胁迫增加。河南省2014—2018年土地胁迫指数及变化时空分布见图 4(a)—(f)。

由图 4可见，2014年河南省18个省辖市土地胁迫指数范围为4.9~20.1，其中信阳市土地胁迫指数为4.9，因其自然植被覆盖度较高，水土侵蚀相对较低，建设用地面积相对较小，所受胁迫程度最低；济源市土地胁迫指数最高，为20.1。2014—2015年，郑州市土地胁迫指数增长2.5，周口市2016—2017年土地胁迫指数减少1.6，其他地区变幅相对较小。2014—2018年河南省平均土地胁迫指数变化范围为9~9.7，总体呈上升趋势，但上升幅度较小，无明显变化。

2.5 污染负荷时空变化特征

河南省2014—2018年污染负荷指数及变化时空分布见图 5(a)—(f)。由图 5可见，2014年河南省18个省辖市的污染负荷指数范围为0.8~12.5，所受纳的环境污染压力空间差异明显，安阳、焦作、郑州和平顶山市压力较大，污染负荷指数均>7，其他地区相对较小。2014—2015年，除安阳市和周口市污染负荷指数分别增长0.1和0.3，其他省辖市均为减少。其他年份之间，全省污染负荷指数呈整体减少趋势。

2014—2018年河南省平均污染负荷指数范围为0.5~3.2，随着环境保护力度不断加强，全省化学需氧量、氨氮、二氧化硫等污染物排放逐年减少，污染减排明显，污染负荷指数逐年降低，2018年平均污染负荷指数相比2014年下降2.7。

2.6 生态环境状况时空变化特征

河南省2014—2018年生态环境状况指数及变化时空分布见图 6(a)—(f)。由图 6可见，2014年河南省18个省辖市EI值范围为53.7~68.0，空间分布与生物丰度指数较为相似。

2014—2018年河南省平均EI值范围为60.6~63.5，呈波动上升趋势，生态环境质量略微变好。5年间EI值波动情况与生物丰度指数和水网密度指数相吻合，2017年EI值最高，为63.5，全省生物丰度指数和水网密度指数均为历年最高，分别为39.8和31.2。2018年与2014年相比，全省EI平均值增加2.3，生态环境质量略微变好。

2014—2018年河南省生态环境状况评价结果见表 3。由表 3可见，2018年，EI值范围为54.8~75.3，其中，省辖市生态环境状况为“优”、“良”和“一般”的个数分别为1，15和2，占河南省总面积的6%，88.4%和5.6%。等级为“优”和EI值>60的省辖市主要分布在豫西山区，豫北王屋山、豫西秦岭、伏牛山和豫南大别山等山地丘陵地区(主要有洛阳、平顶山、三门峡、南阳、信阳、驻马店和济源市)，植被覆盖指数和生物丰度指数较高，森林覆盖率达38.7%，人口密度低，人类干扰较小；EI值＜60的省辖市主要分布在黄淮海平原地区(主要有郑州、开封、安阳、鹤壁、新乡、焦作、图 6河南省2014—2018年生态环境状况指数及变化时空分布濮阳、许昌、漯河、商丘和周口市)，耕地比重达67.7%，森林覆盖率低，建设用地比重较山区高，人口密集，水资源相对匮乏，污染排放强度大。18个省辖市中洛阳、平顶山、三门峡、鹤壁和南阳市生态环境质量为明显变好，郑州、安阳、漯河、商丘和信阳市为略微变好，济源市为略微变差，其他7个省辖市为无明显变化。

2.7 空间格局分析

利用Arc GIS 10.6中的冷热点分析工具，计算获取了河南省2014—2018年生态环境状况指数空间分布的高值和低值区域，见图 7(a)—(e)。由图 7可见，2014—2018年，河南省生态环境的高值区域位于西部地区，为三门峡市和洛阳市，且5年内没有发生变化，较为稳定。2017年低值区域数量为5个，其他年份均为4个，分布在开封市及其周边地区。在研究时段内，开封、许昌和周口市为稳定的生态环境低值区域，新乡、郑州和商丘市为低值区域的频次分别为4，1和1。其他地市均表现为不显著的状态。G_i^*指数的高低值区域与EI值空间分布表现出较高的一致性，豫西秦岭和伏牛山森林覆盖度较高，人类活动干扰较少，良好的生态环境本底使得三门峡市和洛阳市成为生态环境状况空间聚集的高值区域。而豫中和豫东平原地区，工农业聚集，耕地比重大，工业排污较为严重，导致该区域成为生态环境状况的低值区域。

3 结论与建议

生态环境状况指数既包含了自然条件，如生物丰度、植被覆盖和水网密度指数，也包含了人类活动的影响因素，如土地胁迫和污染负荷指数。气候变化和人类活动影响下，详细分析生态环境状况指数和各分指标的时空变化特征，有助于深刻理解生态环境状况指数变化的内在驱动因素，亦可为生态环境管理部门因地制宜，有效地、针对性地制定相关措施。本研究基于遥感影像、水资源和环境统计数据，以行政区划为评价单元，对河南省2014—2018年省辖市和省域的生物丰度、植被覆盖、水网密度、土地胁迫、污染负荷和生态环境状况时空动态进行了评价分析，结果表明：

(1) 2014—2018年，河南省生物丰度指数增长6.7，生态环境质量明显变好，水网密度指数呈上升趋势，植被覆盖指数整体呈略微下降趋势，土地胁迫指数相对稳定，污染负荷指数略微下降。2014—2018年，全省EI值范围为60.6~63.5，生态环境状况属“良”级别，呈逐年向好趋势，△EI增加2.3，生态环境质量略微变好。全省18个省辖市除开封市和济源市外EI值均有所增加，其中洛阳、平顶山等5市生态环境质量属明显变好，郑州、安阳等5市生态环境质量略微变好，济源市生态环境质量略微变差，其他省辖市无明显变化。EI值变化区域空间分布差异明显，山区丘陵地带生态环境状况良好，EI值变化较大，平原地区生态环境状况一般，EI值变化较小。

(2) 空间格局冷热点的分析结果表明，2014—2018年，河南省生态环境的高值区域位于西部地区，为三门峡市和洛阳市，低值区域主要分布在开封市及其周边地区，其他地市均表现为不相关的状态。高低值区域与EI值的高值和低值区表现出较高的一致性。

(3) 生态环境保护和经济高质量发展是我国今后发展的主题，地方经济的发展和生态环境状况之间通常呈现出较强的互反馈机制。分析社会经济指标与生态环境状况指数之间的协同演化关系，将有助于深刻理解生态环境和社会经济发展之间的响应机制。后续的研究可引入社会经济指标，建立生态环境状况指数与社会经济指标之间的耦合协调度关系，评价区域生态环境和经济可持续发展状况。