中原城市群生态系统服务价值时空变化研究

柳敏 赵少华 王亚婷 李元征 胡婵娟 王玉

摘 要：中原城市群是落實黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的重要区域之一，为了给其生态管理策略优化提供参考，采用遥感模型和当量因子评价方法、GIS空间分析工具，定量评估了2000—2018年中原城市群的生态系统服务价值（ESV）并分析其时空变化趋势。研究结果显示：2000—2018年中原城市群ESV总体呈现出前期稳定向好、后期快速减小的趋势，其中2000年、2005年、2010年、2015年、2018年ESV总量分别为5 880.98亿、5 906.53亿、5 906.56亿、5 889.91亿、5 797.80亿元;在各类生态系统中，农田和森林是主要贡献者，平均每年提供的ESV分别占ESV总量的48.0%、35.9%。研究时段内ESV增幅较大的生态系统类型有河流与湖泊、森林，ESV减幅较大的生态系统有农田、草地、湿地;研究时段内ESV增大的生态服务类型有水文调节、废物处理、提供美学景观，ESV减小的生态服务类型有食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、保持土壤、维持生物多样性;研究时段内总ESV冷热点空间分布相对稳定，热点在城市群西部和南部，冷点在中心城市郑州和大都市区;地均ESV冷热点分布表现出西部热点收缩、东部冷点扩张的趋势，其中热点由长治收缩至晋城，冷点由濮阳扩展至聊城。

关键词：生态系统;服务价值;中原城市群;黄河流域

中图分类号：X321;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.004

引用格式：柳敏，赵少华，王亚婷，等.中原城市群生态系统服务价值时空变化研究[J].人民黄河，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

中原城市群是黄河流域三大城市群之一，是落实黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的重要区域之一[1-2]。生态系统服务价值（Ecosystem Service Value， ESV）是衡量区域经济发展状况和生态环境质量的重要指标[3]，自Costanza等开创ESV定量评估研究后，国内众多学者开展了相关研究工作[4-15]，对区域ESV的研究涉及京津冀、长三角、珠三角、长株潭等城市群[16-20]，虽然对中原城市群ESV也有研究[21-23]，但是对中原城市群不同生态系统、不同生态服务类型和不同区域ESV空间集聚特征及其时空变化的研究相对较少，现有研究成果尚不能为中原城市群制定精细化的“生态共保”政策、落实黄河流域生态保护和高质量发展国家战略提供充分的理论和实践指导。在研究方法上，当量因子评价法和遥感模型因计算简便、结果直观等而在ESV评估研究中得到广泛应用[17-18，20-22，24]。本研究采用遥感模型和当量因子评价方法，运用GIS空间分析工具，定量评估2000—2018年中原城市群的生态系统服务价值（ESV）并分析了其时空变化趋势，以期为中原城市群生态管理策略优化提供参考。

1 研究区概况

根据国务院批復的《中原城市群发展规划》[25]，中原城市群包括河南、山西、安徽、河北、山东等5个省的30个地级市，本研究将其划分为中心城市郑州、大都市区、核心发展区、其他发展区（北部跨区域协同发展示范区、东部承接产业转移示范区、南部高效生态经济示范区、西部转型创新发展示范区），见图1。

中原城市群地跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，涵盖大别山、桐柏山、太行山、伏牛山，是南水北调中线工程的水源地和国家重要的生态环境保护区。该区域生态系统种类丰富、质量较好，自然资源总量较大，同时区域人口密集，是我国人口和经济活动高度密集的地区，其中黄河流域部分是黄河流域社会经济发展与生态环境保护矛盾突出的地区之一[26-28]。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 生态系统服务价值单价计算

谢高地等[6，10，13]研究表明，1个生态服务价值当量因子的经济价值与当年全国平均粮食单产市场价值的1/7相当。因此，根据谢高地等提出的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量和研究区农田粮食单产及其经济价值，可计算研究区生态服务单位当量价值（E）和单位面积价值（Vci）：

E=QF/7（1）

Vci=Eaci  （2）

式中：Q为研究区主体省份河南省2000—2018 年主要粮食作物平均单位面积产量，数值为5 310.22 kg/hm2;F为主要粮食的全国平均价格，为保护农民利益、保障粮食市场供应，我国自2004年起在粮食主产区实行最低收购价政策，并在2008年、2013年和2018年进行了价格调整，以应对不同时期粮食生产成本、市场供求、国内外市场价格和产业发展等因素变化的影响，稳定国内主要粮食价格和市场价值[29]，本文选取2009—2013年和2013—2018年国内主要粮食价格平均值（2.50元/kg）作为F值;aci为第c类生态系统第i种生态服务类型的生态服务价值当量（见表1）;Vci为第c类生态系统第i种生态服务类型的单位面积生态服务价值。

按照上述公式，可得中原城市群不同生态系统单位面积生态服务价值，见表2。

2.1.2 生态系统服务价值空间分布格局评估

中原城市群生态系统服务价值总量及空间分布状况采用“中国陆地生态系统服务价值评估模型”[7]进行评估：

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为生态系统类型编号;Vc为第c类生态系统的服务价值;i为生态服务类型编号; j为斑块编号;Rij为第i类生态服务在第j斑块的调整系数，与生态系统的质量状况有关，通常依据植被覆盖度和植被净初级生产力来计算;Sij为第i类生态服务第j斑块的面积;NPPmean和fmean分别为植被净初级生产力和植被覆盖度平均值;NPPij和fij分别为第i类生态服务第j斑块的植被净初级生产力和植被覆盖度;f研究地块为植被覆盖度;NDVI为研究地块的植被指数;NDVIv、NDVIs分别为纯植被和纯土壤地块对应的植被指数。

2.1.3 生态系统服务价值空间变化分析

利用GIS空间分析工具，通过空间运算得到中原城市群不同年份各类ESV时空变化数据;利用GIS的空间统计工具，识别生态服务价值的热点和冷点，并进行可视化表达。

2.2 数据来源

有关研究表明，利用“中国陆地生态系统服务价值评估模型”评估中原城市群生态服务价值空间分布格局时，遥感数据的适宜空间分辨率为30～1 000 m，在该空间分辨率范围内，估算结果的相对偏差小于0.4%[21]。为保持原始数据精度的一致性，本文选用1 000 m分辨率的土地利用类型（经重分类后得到的生态系统类型见表3）、年度净初级生产力（NPP）、年度植被指数（NDVI）等数据，数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心网站;主要粮食作物平均单位面积产量和价格来源于国家统计局网站、中国与世界经济社会发展数据库与国家粮食和物资储备局网站。

3 生态系统服务价值评估结果分析

3.1 生态系统服务价值总体格局变化

按时间顺序选择5个代表年份，观察和分析中原城市群生态服务价值总体分布格局的变化情况，见表4。2000年、2005年、2010年、2015年、2018年中原城市群生态系统服务价值总量分别为5 880.98亿、5 906.53亿、5 906.56亿、5 889.91亿、5 797.80亿元，总体呈现前期稳定向好、后期快速减小的趋势，其中生态服务价值在2000—2010年增加了25.58 亿元、2010—2018年减少了108.76 亿元。从空间分布上看，高生态服务价值区分布在中原城市群西北部、西部、南部山区和中部水系廊道区，这些区域也是生态服务价值增加的主要区域;低生态服务价值区主要分布在快速城市化的建成区，这些区域也是生态服务价值减少的主要区域。

3.2 不同生态系统类型的生态系统服务价值变化

从生态系统类型来看（见表4），农田是生态服务价值总量的主要贡献者，每年提供2 716.06亿～2 870.90亿元（年均2 818.59 亿元），占总价值量的46.9%～48.8%（年均48.0%）;森林次之，每年提供2 100.64亿～2 127.91亿元（年均2 107.69亿元），占总价值量的35.6%～36.7%（年均35.9%）;其他生态系统类型提供的年均价值约占总价值的16.1%。2000—2018年，生态服务价值量增幅较大的生态系统是河流与湖泊、森林，分别增加了168.66亿、27.27亿元;生态服务价值量减幅较大的生态系统有农田、湿地、草地，分别减少了154.84亿、93.91亿、26.92亿元。从空间变化上看，农田生态服务价值的减少主要发生在城镇周边，河流与湖泊生态服务价值增大主要发生在南水北调中线工程沿线受水城市。

3.3 不同类型生态服务价值变化

2000—2018年各类生态服务的生态服务价值变化幅度均较小（见表5）。生态服务价值增大的生态服务类型有水文调节、废物处理、提供美学景观，分别增大31.66亿、1.67亿、4.87亿元;生态服务价值减小的生态服务类型有食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、保持土壤、维持生物多样性，分别减少18.96亿、5.03亿、16.11亿、34.72亿、32.45亿、14.09亿元。空间上，不同生态服务类型生态服务价值变化的空间差异较为显著。生态服务价值减小的多数生态服务类型集中分布在中部城市化区域，其中：食物生产、废物处理的生态服务价值减小区域主要分布在中心城市郑州市的东部与信阳市的南部，原材料生产、水文调节、气体调节、气候调节、土壤保持、维持生物多样性、提供美学景观等的生态服务价值减小区域主要分布在中心城市郑州市的东部及其他城市化区域;除食物生产与废物处理外，其他生态服务类型的生态服务价值增大区域集中分布在自然生态状态较好的西部、北部和南部。

3.4 不同区域生态服务价值的时空变化

2000—2018年中原城市群各分区生态服务价值及其变化情况差异较大（见表6、表7）：中心城市郑州和大都市区总生态服务价值和地均（单位面积平均）生态服务价值低，但增加幅度大，增加趋势显著;核心发展区和其他发展区总生态服务价值和地均生态服务价值高，但降低幅度大，呈现下降趋势。其中：中心城市郑州增幅最大，生态服务价值总量由2000年的117.72亿元增加到2018年的190.08 亿元，增加了72.36亿元，地均生态服务价值增加了96.28万元/km2，变幅为61.47%;核心发展区降幅最大，总生态服务价值由2000年的1 611.86 亿元降低到2018年的1 426.24亿元，降低了185.62亿元，地均生态服务价值降低了26.33万元/km2，变幅为-11.52%。

由总生态服务价值、地均生态服务价值热点和冷点分布图（见图2、图3）可知：2000—2018年热点区域主要位于中原城市群“三屏”（桐柏—大别山生态屏障区、伏牛山生态屏障区、太行山生态屏障区）生态空间的重点区域，总生态服务价值的冷热点空间分布相对稳定，地均生态服务价值的冷热点空间分布变化显著。其中：总生态服务价值热点稳定分布在西部的三门峡、南部的南阳和信阳，冷点主要分布在城市化集中连片的中心城市和大都市区，如郑州—新乡、郑州—开封;地均生态服务价值热点主要分布在西部的晋城、运城、济源、三门峡和洛阳，冷点主要分布在城市群东部自然生态系统价值本底较差、城市化程度较高的区域，北起聊城，南至亳州。地均冷热点的变化总体表现出热点区收缩、冷点区扩张的趋势，其中地均热点由西部的长治收缩至晋城、地均冷点区由东部的濮阳向北扩展至聊城。

3.5 讨 论

2000—2018年，中原城市群范围内的城市化建设热潮逐步由中心城市，经大都市区向核心发展区和其他发展区域扩散，不同区域的开发与保护矛盾逐渐显现，对土地的争夺日益激烈，在多重因素综合影响下，研究区中心城市郑州、大都市区、核心发展区和其他发展区生态服务价值呈现出不同的时空变化态势。首先，城市扩张造成了低生态服务价值区的出现，城市化过程是农田、林地等高价值自然生态用地转化为低生态服务价值建设用地的过程，中心城市、大都市区和核心发展区快速城市化和建设用地的增加是导致总生态服务价值和地均生态服务价值较低的主要原因，这与中原城市群城市化总体趋势具有较高的契合度;其次，中原城市群作为我国粮食主产区之一，农田是主要的生态系统之一，在退耕还林等生态保护政策实施和城市化活动的双重影响下，森林和农田生态系统面积的时空变化较为明显，因此研究区生态服务价值冷点区变化主要发生在中部和东部的农业生产区，服务价值增加及热点区主要位于西部和南部森林分布区;再次，自2014年12月南水北調中线工程正式通水以来[30]，郑州、许昌等受水区城市的水资源短缺问题得到缓解，在河南省“百城建设提质工程”“以绿荫城、以水润城”[31]建设目标指引下，中心城市郑州和大都市区的城市生态环境得到较大改善，河流和湖泊生态系统面积增加，得益于此，虽然中心城市郑州和大都市区的总生态服务价值和地均生态服务价值较低，但是仍然能够在快速城市化过程中表现出显著的增加趋势;最后，在生态文明理念的指导下，近年来中原城市群各市对生态环境保护力度日益加大，“三屏四廊”主体生态空间的自然资源得到了较好保护，生态质量得到提升，这是生态服务价值热点稳定分布于此的主要原因。

4 结 论

采用遥感模型和当量因子评价方法、GIS空间分析工具，定量评估2000—2018年中原城市群的生态系统服务价值并分析其时空变化趋势，结果显示：①中原城市群生态服务价值总体呈现出前期稳定向好、后期减小的趋势，其中2000年、2005年、2010年、2015年、2018年生态服务价值总量分别为5 880.98亿、5 906.53亿、5 906.56亿、5 889.91亿、5 797.80亿元。②在各类生态系统中，农田和森林是研究区生态服务价值的主要贡献者，年均生态服务价值分别为2 818.59 亿、2 107.69亿元，分别占总量的48.0%、35.9%，研究时段内生态服务价值增幅较大的生态系统类型有河流与湖泊、森林，生态服务价值减幅较大的生态系统有农田、草地、湿地。③研究时段内生态服务价值增大的生态服务类型有水文调节、废物处理、提供美学景观，生态服务价值减小的生态服务类型有食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、保持土壤、维持生物多样性。④研究时段内总生态服务价值冷热点空间分布相对稳定，热点主要分布在城市群西部的三门峡和南部的南阳、信阳，冷点主要分布在城市化程度较高的中心城市和大都市区;地均生态服务价值的冷热点空间分布变化显著，总体表现出热点区收缩、冷点区扩张的趋势，其中地均热点由西部的长治收缩至晋城、地均冷点区由东部的濮阳向北扩展至聊城。

需要说明的是：首先，本研究采用的单位面积生态服务当量价值是原来用于青藏高原地区、结合全国平均状况提出来的，虽然根据中原城市群主体省份河南省的农田生态系统食物产量经济价值对其进行了本地化修正，但是否契合中原城市群的生态特点，还有待进一步实证;其次，中原城市群四季分明，不同季度植被生长状况差异显著、NPP和NDVI波动较大，而用于评价生态服务价值空间差异性的NPP、NDVI的时间尺度为1 a，这在一定程度上可能降低了在时间尺度上的精确性，因此还需结合研究区的季节性气候特点来处理植被生长状况数据，以进一步提高研究数据的精度;再次，由于粮食主产区实行最低收购价政策，2004年以来我国的主要粮食价格变化幅度不大，因此研究区不同生态系统的生态服务价值单价变化也不明显，各类生态系统地均生态服务价值较为稳定，研究区各类生态系统及其生态服务价值主要随各城市土地利用类型的变化而变化，变化原因较为单一;最后，基于谢高地等[13]提出的当量因子评价方法，未考虑价格支付意愿因素，虽然其在原论著中指出可用生态系统修正因子来解决，但是这只能解决生态系统本身的差异性问题，并不能解决价格“支付意愿”的差异性问题，因此如何把支付意愿法、InVEST模型等定量研究方法与本文研究方法进行整合是下一步研究的重点之一。

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