中原城市群生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化研究

柳敏 趙少華 王亞婷 李元征 胡嬋娟 王玉

摘 要：中原城市群是落實黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展國家戰(zhàn)略的重要區(qū)域之一，為了給其生態(tài)管理策略優(yōu)化提供參考，采用遙感模型和當量因子評價方法、GIS空間分析工具，定量評估了2000—2018年中原城市群的生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ESV）并分析其時空變化趨勢。研究結果顯示：2000—2018年中原城市群ESV總體呈現(xiàn)出前期穩(wěn)定向好、后期快速減小的趨勢，其中2000年、2005年、2010年、2015年、2018年ESV總量分別為5 880.98億、5 906.53億、5 906.56億、5 889.91億、5 797.80億元;在各類生態(tài)系統(tǒng)中，農田和森林是主要貢獻者，平均每年提供的ESV分別占ESV總量的48.0%、35.9%。研究時段內ESV增幅較大的生態(tài)系統(tǒng)類型有河流與湖泊、森林，ESV減幅較大的生態(tài)系統(tǒng)有農田、草地、濕地;研究時段內ESV增大的生態(tài)服務類型有水文調節(jié)、廢物處理、提供美學景觀，ESV減小的生態(tài)服務類型有食物生產、原材料生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、保持土壤、維持生物多樣性;研究時段內總ESV冷熱點空間分布相對穩(wěn)定，熱點在城市群西部和南部，冷點在中心城市鄭州和大都市區(qū);地均ESV冷熱點分布表現(xiàn)出西部熱點收縮、東部冷點擴張的趨勢，其中熱點由長治收縮至晉城，冷點由濮陽擴展至聊城。

關鍵詞：生態(tài)系統(tǒng);服務價值;中原城市群;黃河流域

中圖分類號：X321;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.004

引用格式：柳敏，趙少華，王亞婷，等.中原城市群生態(tài)系統(tǒng)服務價值時空變化研究[J].人民黃河，2021，43（11）：17-22，28.

Study on the Spatial-Temporal Variation of Ecosystem Service Value in Central Plains Urban Agglomeration

LIU Min ?ZHAO Shaohua ?WANG Yating4， LI Yuanzheng ?HU Chanjuan5， WANG Yu3

（1.College of Resources and Environment， Henan University of Economics and Law， Zhengzhou 450046， China;

2.Academician Laboratory for Urban and Rural Spatial Data Mining of Henan Province， Zhengzhou 450046， China;

3.State Environmental Protection Key Lab of Satellite Remote Sensing， Ministry of Ecology and

Environment Center for Satellite Application on Ecology and Environment， Beijing 100094， China;

4.Chengdu Academy of Environmental Sciences， Chengdu 610000， China;

5.Institute of Geographical Sciences， Henan Academy of Sciences， Zhengzhou 450052， China）

Abstract： The central plains urban agglomeration is one of the important areas for implementing the national strategy of ecological protection and high-quality development of the Yellow River Basin. In order to provide a reference for the optimization of its ecological management strategy， remote sensing model and equivalent factor evaluation method， GIS spatial analysis tools had been used to quantitatively evaluate the ecosystem service value （ESV） of the central plains urban agglomeration from 2000 to 2018 and analyzed its temporal and spatial trends. The results show that from 2000 to 2018， the overall ESV of the region shows a trend of stability and improvement in the early stage and rapid decline in the later stage. The total ESV in 2000， 2005， 2010， 2015 and 2018 are 588.098 billion RMB， 590.653 billion RMB， 590.656 billion RMB， 588.991 billion RMB， and 579.780 billion RMB respectively; among various ecosystems， cultivated land and forests are the main contributors to ESV， and the average annual ESV provided by them accounts for 48.0% and 35.9% respectively of the total ESV; during the study period， the ESV increases largely in rivers， lakes and forests， and decreases in cultivated land， grassland and wetland; during the study period， the types of ecological services with increased ESV include hydrological regulation， waste treatment and provision of aesthetic landscapes. The types of ecological services with reduced ESV include food production， raw material production， gas regulation， climate regulation， soil conservation and maintenance of biodiversity; during the study period， a relatively stable spatial distribution of cold and hot spots of total ESV appears in the south and west of the urban agglomeration， central city Zhengzhou and metropolitan area. The hot and cold spot area of ESV per unit area shows a trend of shrinking in the west and expanding in the east， with the hot spot shrinking from Changzhi to Jincheng in the west and the cold spot extending from Puyang to Liaocheng in the east.

Key words： ecosystem; ecosystem service value; central plains urban agglomeration; Yellow River Basin

中原城市群是黃河流域三大城市群之一，是落實黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展國家戰(zhàn)略的重要區(qū)域之一[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值（Ecosystem Service Value， ESV）是衡量區(qū)域經濟發(fā)展狀況和生態(tài)環(huán)境質量的重要指標[3]，自Costanza等開創(chuàng)ESV定量評估研究后，國內眾多學者開展了相關研究工作[4-15]，對區(qū)域ESV的研究涉及京津冀、長三角、珠三角、長株潭等城市群[16-20]，雖然對中原城市群ESV也有研究[21-23]，但是對中原城市群不同生態(tài)系統(tǒng)、不同生態(tài)服務類型和不同區(qū)域ESV空間集聚特征及其時空變化的研究相對較少，現(xiàn)有研究成果尚不能為中原城市群制定精細化的“生態(tài)共保”政策、落實黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展國家戰(zhàn)略提供充分的理論和實踐指導。在研究方法上，當量因子評價法和遙感模型因計算簡便、結果直觀等而在ESV評估研究中得到廣泛應用[17-18，20-22，24]。本研究采用遙感模型和當量因子評價方法，運用GIS空間分析工具，定量評估2000—2018年中原城市群的生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ESV）并分析了其時空變化趨勢，以期為中原城市群生態(tài)管理策略優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)概況

根據國務院批復的《中原城市群發(fā)展規(guī)劃》[25]，中原城市群包括河南、山西、安徽、河北、山東等5個省的30個地級市，本研究將其劃分為中心城市鄭州、大都市區(qū)、核心發(fā)展區(qū)、其他發(fā)展區(qū)（北部跨區(qū)域協(xié)同發(fā)展示范區(qū)、東部承接產業(yè)轉移示范區(qū)、南部高效生態(tài)經濟示范區(qū)、西部轉型創(chuàng)新發(fā)展示范區(qū)），見圖1。

中原城市群地跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，涵蓋大別山、桐柏山、太行山、伏牛山，是南水北調中線工程的水源地和國家重要的生態(tài)環(huán)境保護區(qū)。該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)種類豐富、質量較好，自然資源總量較大，同時區(qū)域人口密集，是我國人口和經濟活動高度密集的地區(qū)，其中黃河流域部分是黃河流域社會經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護矛盾突出的地區(qū)之一[26-28]。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值單價計算

謝高地等[6，10，13]研究表明，1個生態(tài)服務價值當量因子的經濟價值與當年全國平均糧食單產市場價值的1/7相當。因此，根據謝高地等提出的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量和研究區(qū)農田糧食單產及其經濟價值，可計算研究區(qū)生態(tài)服務單位當量價值（E）和單位面積價值（Vci）：

E=QF/7（1）

Vci=Eaci? （2）

式中：Q為研究區(qū)主體省份河南省2000—2018 年主要糧食作物平均單位面積產量，數值為5 310.22 kg/hm2;F為主要糧食的全國平均價格，為保護農民利益、保障糧食市場供應，我國自2004年起在糧食主產區(qū)實行最低收購價政策，并在2008年、2013年和2018年進行了價格調整，以應對不同時期糧食生產成本、市場供求、國內外市場價格和產業(yè)發(fā)展等因素變化的影響，穩(wěn)定國內主要糧食價格和市場價值[29]，本文選取2009—2013年和2013—2018年國內主要糧食價格平均值（2.50元/kg）作為F值;aci為第c類生態(tài)系統(tǒng)第i種生態(tài)服務類型的生態(tài)服務價值當量（見表1）;Vci為第c類生態(tài)系統(tǒng)第i種生態(tài)服務類型的單位面積生態(tài)服務價值。

按照上述公式，可得中原城市群不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值，見表2。

2.1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布格局評估

中原城市群生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量及空間分布狀況采用“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估模型”[7]進行評估：

ESV=∑Cc=1Vc（3）

Vc=∑ni=1∑mj=1VciRijSij（4）

Rij=（NPPij/NPPmean+fij/fmean）/2（5）

f=（NDVI-NDVIs）/ （NDVIv-NDVIs）（6）

式中：c為生態(tài)系統(tǒng)類型編號;Vc為第c類生態(tài)系統(tǒng)的服務價值;i為生態(tài)服務類型編號; j為斑塊編號;Rij為第i類生態(tài)服務在第j斑塊的調整系數，與生態(tài)系統(tǒng)的質量狀況有關，通常依據植被覆蓋度和植被凈初級生產力來計算;Sij為第i類生態(tài)服務第j斑塊的面積;NPPmean和fmean分別為植被凈初級生產力和植被覆蓋度平均值;NPPij和fij分別為第i類生態(tài)服務第j斑塊的植被凈初級生產力和植被覆蓋度;f研究地塊為植被覆蓋度;NDVI為研究地塊的植被指數;NDVIv、NDVIs分別為純植被和純土壤地塊對應的植被指數。

2.1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化分析

利用GIS空間分析工具，通過空間運算得到中原城市群不同年份各類ESV時空變化數據;利用GIS的空間統(tǒng)計工具，識別生態(tài)服務價值的熱點和冷點，并進行可視化表達。

2.2 數據來源

有關研究表明，利用“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估模型”評估中原城市群生態(tài)服務價值空間分布格局時，遙感數據的適宜空間分辨率為30～1 000 m，在該空間分辨率范圍內，估算結果的相對偏差小于0.4%[21]。為保持原始數據精度的一致性，本文選用1 000 m分辨率的土地利用類型（經重分類后得到的生態(tài)系統(tǒng)類型見表3）、年度凈初級生產力（NPP）、年度植被指數（NDVI）等數據，數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心網站;主要糧食作物平均單位面積產量和價格來源于國家統(tǒng)計局網站、中國與世界經濟社會發(fā)展數據庫與國家糧食和物資儲備局網站。

3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估結果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體格局變化

按時間順序選擇5個代表年份，觀察和分析中原城市群生態(tài)服務價值總體分布格局的變化情況，見表4。2000年、2005年、2010年、2015年、2018年中原城市群生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量分別為5 880.98億、5 906.53億、5 906.56億、5 889.91億、5 797.80億元，總體呈現(xiàn)前期穩(wěn)定向好、后期快速減小的趨勢，其中生態(tài)服務價值在2000—2010年增加了25.58 億元、2010—2018年減少了108.76 億元。從空間分布上看，高生態(tài)服務價值區(qū)分布在中原城市群西北部、西部、南部山區(qū)和中部水系廊道區(qū)，這些區(qū)域也是生態(tài)服務價值增加的主要區(qū)域;低生態(tài)服務價值區(qū)主要分布在快速城市化的建成區(qū)，這些區(qū)域也是生態(tài)服務價值減少的主要區(qū)域。

3.2 不同生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

從生態(tài)系統(tǒng)類型來看（見表4），農田是生態(tài)服務價值總量的主要貢獻者，每年提供2 716.06億～2 870.90億元（年均2 818.59 億元），占總價值量的46.9%～48.8%（年均48.0%）;森林次之，每年提供2 100.64億～2 127.91億元（年均2 107.69億元），占總價值量的35.6%～36.7%（年均35.9%）;其他生態(tài)系統(tǒng)類型提供的年均價值約占總價值的16.1%。2000—2018年，生態(tài)服務價值量增幅較大的生態(tài)系統(tǒng)是河流與湖泊、森林，分別增加了168.66億、27.27億元;生態(tài)服務價值量減幅較大的生態(tài)系統(tǒng)有農田、濕地、草地，分別減少了154.84億、93.91億、26.92億元。從空間變化上看，農田生態(tài)服務價值的減少主要發(fā)生在城鎮(zhèn)周邊，河流與湖泊生態(tài)服務價值增大主要發(fā)生在南水北調中線工程沿線受水城市。

3.3 不同類型生態(tài)服務價值變化

2000—2018年各類生態(tài)服務的生態(tài)服務價值變化幅度均較小（見表5）。生態(tài)服務價值增大的生態(tài)服務類型有水文調節(jié)、廢物處理、提供美學景觀，分別增大31.66億、1.67億、4.87億元;生態(tài)服務價值減小的生態(tài)服務類型有食物生產、原材料生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、保持土壤、維持生物多樣性，分別減少18.96億、5.03億、16.11億、34.72億、32.45億、14.09億元。空間上，不同生態(tài)服務類型生態(tài)服務價值變化的空間差異較為顯著。生態(tài)服務價值減小的多數生態(tài)服務類型集中分布在中部城市化區(qū)域，其中：食物生產、廢物處理的生態(tài)服務價值減小區(qū)域主要分布在中心城市鄭州市的東部與信陽市的南部，原材料生產、水文調節(jié)、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、土壤保持、維持生物多樣性、提供美學景觀等的生態(tài)服務價值減小區(qū)域主要分布在中心城市鄭州市的東部及其他城市化區(qū)域;除食物生產與廢物處理外，其他生態(tài)服務類型的生態(tài)服務價值增大區(qū)域集中分布在自然生態(tài)狀態(tài)較好的西部、北部和南部。

3.4 不同區(qū)域生態(tài)服務價值的時空變化

2000—2018年中原城市群各分區(qū)生態(tài)服務價值及其變化情況差異較大（見表6、表7）：中心城市鄭州和大都市區(qū)總生態(tài)服務價值和地均（單位面積平均）生態(tài)服務價值低，但增加幅度大，增加趨勢顯著;核心發(fā)展區(qū)和其他發(fā)展區(qū)總生態(tài)服務價值和地均生態(tài)服務價值高，但降低幅度大，呈現(xiàn)下降趨勢。其中：中心城市鄭州增幅最大，生態(tài)服務價值總量由2000年的117.72億元增加到2018年的190.08 億元，增加了72.36億元，地均生態(tài)服務價值增加了96.28萬元/km2，變幅為61.47%;核心發(fā)展區(qū)降幅最大，總生態(tài)服務價值由2000年的1 611.86 億元降低到2018年的1 426.24億元，降低了185.62億元，地均生態(tài)服務價值降低了26.33萬元/km2，變幅為-11.52%。

由總生態(tài)服務價值、地均生態(tài)服務價值熱點和冷點分布圖（見圖2、圖3）可知：2000—2018年熱點區(qū)域主要位于中原城市群“三屏”（桐柏—大別山生態(tài)屏障區(qū)、伏牛山生態(tài)屏障區(qū)、太行山生態(tài)屏障區(qū)）生態(tài)空間的重點區(qū)域，總生態(tài)服務價值的冷熱點空間分布相對穩(wěn)定，地均生態(tài)服務價值的冷熱點空間分布變化顯著。其中：總生態(tài)服務價值熱點穩(wěn)定分布在西部的三門峽、南部的南陽和信陽，冷點主要分布在城市化集中連片的中心城市和大都市區(qū)，如鄭州—新鄉(xiāng)、鄭州—開封;地均生態(tài)服務價值熱點主要分布在西部的晉城、運城、濟源、三門峽和洛陽，冷點主要分布在城市群東部自然生態(tài)系統(tǒng)價值本底較差、城市化程度較高的區(qū)域，北起聊城，南至亳州。地均冷熱點的變化總體表現(xiàn)出熱點區(qū)收縮、冷點區(qū)擴張的趨勢，其中地均熱點由西部的長治收縮至晉城、地均冷點區(qū)由東部的濮陽向北擴展至聊城。

3.5 討 論

2000—2018年，中原城市群范圍內的城市化建設熱潮逐步由中心城市，經大都市區(qū)向核心發(fā)展區(qū)和其他發(fā)展區(qū)域擴散，不同區(qū)域的開發(fā)與保護矛盾逐漸顯現(xiàn)，對土地的爭奪日益激烈，在多重因素綜合影響下，研究區(qū)中心城市鄭州、大都市區(qū)、核心發(fā)展區(qū)和其他發(fā)展區(qū)生態(tài)服務價值呈現(xiàn)出不同的時空變化態(tài)勢。首先，城市擴張造成了低生態(tài)服務價值區(qū)的出現(xiàn)，城市化過程是農田、林地等高價值自然生態(tài)用地轉化為低生態(tài)服務價值建設用地的過程，中心城市、大都市區(qū)和核心發(fā)展區(qū)快速城市化和建設用地的增加是導致總生態(tài)服務價值和地均生態(tài)服務價值較低的主要原因，這與中原城市群城市化總體趨勢具有較高的契合度;其次，中原城市群作為我國糧食主產區(qū)之一，農田是主要的生態(tài)系統(tǒng)之一，在退耕還林等生態(tài)保護政策實施和城市化活動的雙重影響下，森林和農田生態(tài)系統(tǒng)面積的時空變化較為明顯，因此研究區(qū)生態(tài)服務價值冷點區(qū)變化主要發(fā)生在中部和東部的農業(yè)生產區(qū)，服務價值增加及熱點區(qū)主要位于西部和南部森林分布區(qū);再次，自2014年12月南水北調中線工程正式通水以來[30]，鄭州、許昌等受水區(qū)城市的水資源短缺問題得到緩解，在河南省“百城建設提質工程”“以綠蔭城、以水潤城”[31]建設目標指引下，中心城市鄭州和大都市區(qū)的城市生態(tài)環(huán)境得到較大改善，河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)面積增加，得益于此，雖然中心城市鄭州和大都市區(qū)的總生態(tài)服務價值和地均生態(tài)服務價值較低，但是仍然能夠在快速城市化過程中表現(xiàn)出顯著的增加趨勢;最后，在生態(tài)文明理念的指導下，近年來中原城市群各市對生態(tài)環(huán)境保護力度日益加大，“三屏四廊”主體生態(tài)空間的自然資源得到了較好保護，生態(tài)質量得到提升，這是生態(tài)服務價值熱點穩(wěn)定分布于此的主要原因。

4 結 論

采用遙感模型和當量因子評價方法、GIS空間分析工具，定量評估2000—2018年中原城市群的生態(tài)系統(tǒng)服務價值并分析其時空變化趨勢，結果顯示：①中原城市群生態(tài)服務價值總體呈現(xiàn)出前期穩(wěn)定向好、后期減小的趨勢，其中2000年、2005年、2010年、2015年、2018年生態(tài)服務價值總量分別為5 880.98億、5 906.53億、5 906.56億、5 889.91億、5 797.80億元。②在各類生態(tài)系統(tǒng)中，農田和森林是研究區(qū)生態(tài)服務價值的主要貢獻者，年均生態(tài)服務價值分別為2 818.59 億、2 107.69億元，分別占總量的48.0%、35.9%，研究時段內生態(tài)服務價值增幅較大的生態(tài)系統(tǒng)類型有河流與湖泊、森林，生態(tài)服務價值減幅較大的生態(tài)系統(tǒng)有農田、草地、濕地。③研究時段內生態(tài)服務價值增大的生態(tài)服務類型有水文調節(jié)、廢物處理、提供美學景觀，生態(tài)服務價值減小的生態(tài)服務類型有食物生產、原材料生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、保持土壤、維持生物多樣性。④研究時段內總生態(tài)服務價值冷熱點空間分布相對穩(wěn)定，熱點主要分布在城市群西部的三門峽和南部的南陽、信陽，冷點主要分布在城市化程度較高的中心城市和大都市區(qū);地均生態(tài)服務價值的冷熱點空間分布變化顯著，總體表現(xiàn)出熱點區(qū)收縮、冷點區(qū)擴張的趨勢，其中地均熱點由西部的長治收縮至晉城、地均冷點區(qū)由東部的濮陽向北擴展至聊城。

需要說明的是：首先，本研究采用的單位面積生態(tài)服務當量價值是原來用于青藏高原地區(qū)、結合全國平均狀況提出來的，雖然根據中原城市群主體省份河南省的農田生態(tài)系統(tǒng)食物產量經濟價值對其進行了本地化修正，但是否契合中原城市群的生態(tài)特點，還有待進一步實證;其次，中原城市群四季分明，不同季度植被生長狀況差異顯著、NPP和NDVI波動較大，而用于評價生態(tài)服務價值空間差異性的NPP、NDVI的時間尺度為1 a，這在一定程度上可能降低了在時間尺度上的精確性，因此還需結合研究區(qū)的季節(jié)性氣候特點來處理植被生長狀況數據，以進一步提高研究數據的精度;再次，由于糧食主產區(qū)實行最低收購價政策，2004年以來我國的主要糧食價格變化幅度不大，因此研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值單價變化也不明顯，各類生態(tài)系統(tǒng)地均生態(tài)服務價值較為穩(wěn)定，研究區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)服務價值主要隨各城市土地利用類型的變化而變化，變化原因較為單一;最后，基于謝高地等[13]提出的當量因子評價方法，未考慮價格支付意愿因素，雖然其在原論著中指出可用生態(tài)系統(tǒng)修正因子來解決，但是這只能解決生態(tài)系統(tǒng)本身的差異性問題，并不能解決價格“支付意愿”的差異性問題，因此如何把支付意愿法、InVEST模型等定量研究方法與本文研究方法進行整合是下一步研究的重點之一。

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【責任編輯 張智民】