基于遙感的中原城市群區域生態資產評價

王萬同，王金霞，付 強

（河南師范大學 旅游學院，河南 新鄉 453007）

生態系統在給人類提供重要的生物資源（如食物、建筑材料、工業原料、燃料以及藥物或藥用原料等）的同時，還對人類生存具有極為重要的生態服務功能（如調節氣候、保持水土、涵養水源等）［1－3］，這些蘊含著的巨大經濟價值，通常被稱為生態資產（ecological capital,EC）［4］。生態資產的概念起源于20世紀70年代， 由HOLDER等［5］和WESTAMAN［6］首次提出； 此后DAILY［7］和聯合國環境規劃署等眾多學者和機構，陸續開展了針對全球生態系統服務功能的研究，引發了對生態資產評估的廣泛關注。基于經濟學視角對國家和區域的生態資產進行核算是其中一項重要的基礎工作，生態資產研究也成為當前生態經濟領域的熱點問題［8－9］。中國對生態資產的研究始于20世紀80年代，主要集中在環境資源價值評估領域；研究內容側重于概念理論的探討、評估模型的構建、參數修正以及對特定區域的應用研究等。如陳仲新等［10］、潘耀忠等［11］對生態系統服務功能價值估算的理論和方法體系進行了研究，并對中國生態系統服務價值進行了估算；高吉喜等［12］對生態資產的相關概念與發展趨勢進行了分析；謝高地等［13］初步建立了適用于中國生態資產評估的價值標準體系；同時大量的應用案例研究也相繼涌現［14－18］。生態資產作為人類經濟社會發展的基礎，其時空變化已經成為判定區域可持續發展的關鍵表征指標之一［19］。中原城市群（CPUA）作為中國七大國家級城市群之一，是構建中原經濟區的核心支撐，也是實現中國中部崛起的重要空間平臺，以鄭州為核心，以開封、新鄉、焦作、濟源、洛陽、平頂山、許昌、漯河等9個中心城市為節點形成一個相互緊密關聯的經濟圈［20］。自進入21世紀以來，區域內工業化、城市化進程日益加快，經濟總量不斷提升，建成區用地規模迅速擴張。有研究表明：2000-2010年，區域內建設用地增長了26.3%，年均增長率為2.6%；而耕地的占地面積比重則從60.3%減少到55.1%［21］。在城鎮化、工業化的影響下，區域內環境污染加劇，生態系統生物多樣性降低，水資源涵養能力、生態系統凈化水平不斷下降［22］；中原城市群區域生態環境承載力與經濟開發之間的矛盾對當地可持續發展帶來嚴重威脅。為此，亟須了解中原城市群地區生態資產的格局，客觀評估其動態變化，深入探究其驅動機理，為政府決策實施中原經濟區的生態文明建設和可持續發展提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

中原城市群（圖1）區域約5.87萬km2，占到河南省總面積的三分之一，西至太行山，西南靠伏牛山，東部為黃河沖積平原；區域內地貌類型多樣，地勢西高東低，屬西部高原山地向東部平原過渡地區，其中山地和平原面積各占42%，丘陵面積占16%。年平均降水量為750～950 mm，年平均氣溫為13.5～15.5℃，年平均無霜期為180～235 d；氣候屬于濕潤半濕潤氣候，四季分明，雨熱同期［22］。

1.2 數據來源和處理

1.2.1 數據獲取 植被凈初級生產力（NPP）來自美國中分辨率成像光譜儀（MODIS）的MOD17A3數據，空間分辨率為30″；植被指數（NDVI）數據來源于地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn）中國 500 m NDVI月合成產品；土地覆蓋/土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn）各期（2000， 2005， 2010 和 2015 年）陸地衛星（Landsat TM/ETM+）遙感影像數據；矢量邊界數據來自國家基礎地理信息系統網站下載的1∶400萬數據；人口數據和國內生產總值（GDP）等其他數據均來自河南省統計年鑒（2000－2015）。

1.2.2 數據處理 采用地理信息系統（Arc GIS）軟件將獲取的數據統一匹配到Albers Krasovsky_1940投影。由于各項來源數據在空間尺度上差異明顯，因此基于鄰近法將所有空間數據統一采樣到500 m空間分辨率，數據格式也相應統一為grid格式。

圖1 中原城市群的地理位置Figure 1 Location of CPUA region

1.3 研究方法

生態資產是指在一定時間、一定區域內各類生態系統所提供的自然資源價值及生態系統服務價值之和，與生態系統的類型、質量狀況及空間異質程度等密切相關［11,17］。利用潘耀忠等［11］的評估模型，對中原城市群地區的生態資產價值進行評估。計算公式為：

式（1）中：V表示區域生態資產總值（元）；c表示生態系統的類型，本研究分為耕地（取值1）、林地（取值2）、草地（取值3）和水體（取值4）4類生態系統，不計建設用地和未利用地；Vc表示第c類生態系統生態資產總價值（元），可通過式（2）得到。

式（2）中：Vcp表示第c類生態系統單位面積生態資產價值（元·hm－2）；i=1，2，...，n，表示區域內第c類生態系統在空間上分布的像元數；Si表示各像元的面積（hm2）；Ri表示Vcp在不同像元的調整系數（無量綱），是由該像元處生態系統的質量狀況決定的。

Vcp的計算參考謝高地等［13］制定的 “中國陸地生態系統單位面積生態系統服務價值當量表”，結合河南省糧食單產及其經濟價值進行修正。其計算公式如下：

式（3）中：Q為河南省2000－2015年糧食單產，本研究取值為5 194.3 kg·hm－2；F為2008年全國糧食收購價格1.69元·kg－1，ac為不同生態系統的生態資產當量值，取值參見文獻［13］。由此得到各個生態系統單位面積生態資產價值： 林地為35 263.92元·hm－2， 草地為14 634.78元·hm－2，耕地為9 907元·hm－2， 水域為56 871.22元·hm－2，建設用地為0。Ri的計算公式為：

式（4）中：Nmean和fmean分別表示植被凈初級生產力和植被覆蓋度的平均值；Ni和fi為第i像元的植被凈初級生產力和植被覆蓋度（f）。f采用像元二分模型利用NDVI計算得到，公式如下：

式（5）中：D為植被指數（NDVI）；Dveg和Dsoil分別表示完全被植被覆蓋的像元和裸地或無植被覆蓋區域的NDVI值，可以由區域內的NDVI最大值和最小值代替。

2 結果與分析

2.1 生態資產空間分布及變化特征

2.1.1 生態資產總體空間格局 2000－2015年，中原城市群生態資產總值平均為1 354.67億元（表1）。空間格局上呈現出明顯的不均衡性，表現為以鄭州為中心，高值區向西南和東北方向發展，低值區沿西北和東南方向發展的態勢（圖2A）。全區的生態資產價值主要分布在西南部的洛陽和平頂山，分別為505.75和196.99億元，占總值的51.88%；其次是東北部及中部的新鄉和鄭州，分別為146.20和138.51億元，占21.02%；其他5市占27.10%。中原城市群單位面積生態資產價值平均為2.66萬元·hm－2（表1），其高值區主要分布在西部的洛陽、濟源和平頂山，低值區多分布在漯河、許昌和開封。從各個生態系統類型上看（表2）：全區的生態資產價值主要體現在耕地和林地上，研究期內平均分別為615.11和542.52億元，各占總值的45.41%和40.04%；而草地和水體合計僅占總值的14.55%；單位面積生態資產價值以水體最高（7.22 萬元·hm－2）， 其次為林地（5.92 萬元·hm－2）和草地（2.33 萬元·hm－2）， 耕地最低（1.69 萬元·hm－2）。

表1 中原城市群2000-2015年各城市生態資產價值和單位生態資產價值分布及動態變化Table 1 Distribution and dynamic change of EC and EC density （ECD）at the city level in CPUA between 2000 and 2015

表2 中原城市群2000-2015年各生態系統類型生態資產價值和單位生態資產價值分布及動態變化Table 2 Distribution and dynamic change of EC and EC density （ECD）at the ecosystem level in CPUA between 2000 and 2015

2.1.2 生態資產總體變化特征 2000－2015年研究區生態資產總值共減少了32.58億元（表1），總體表現為降低趨勢（－2.17億元·a－1），其動態變化呈現典型的 “單峰”特征：2000－2005年明顯增長（1.92億元·a－1）， 2005 年為拐點， 之后表現為顯著減少（2005－2010 年為－5.21 億元·a－1， 2010－2015 年為－3.23 億元·a－1）。全區單位面積生態資產價值變化不大，15 a間增加了0.04萬元·hm－2，表明全區總體上生態系統服務功能沒有退化且略有提升。

2.1.3 生態資產變化的空間分異 區域空間分布上（表1，圖2B），研究期內平頂山、漯河、許昌、開封和新鄉5市的生態資產總值表現為增長趨勢，其中以平頂山的生態資產總值增速最高（0.94億元·a－1）；洛陽、鄭州、焦作和濟源生態資產總值呈顯著的下滑趨勢，其中以洛陽和鄭州減幅最大，分別為－2.27和－1.03億元·a－1，在全區的比重分別下降了1.62%和0.90%；鄭州市更是從2010年前的排名第3位跌至第4位。就單位面積生態資產價值而言，洛陽、濟源和焦作表現為降低趨勢（表1），表明隨著城市群建設進程的加快，3市的生態系統服務功能受到了負面影響；其他6市均表現為增長趨勢，其中平頂山增幅最高，為0.27萬元·hm－2。參考徐昔寶等［16］的研究，將研究區2000－2015年的生態資產變化幅度劃分為7個等級類型，即嚴重退化（變化幅度＜－50%），中度退化（－15%～－50%），輕度退化（－5%～－15%），基本穩定（－5%～5%），輕度增長（5%～15%），中度增長（15%～50%）和快速增長（＞50%）。由圖3可以看出：該區約41.5%的面積在15 a間出現生態資產退化，約37.9%的區域出現增長，約20.6%面積的區域基本穩定。退化區域的空間分布一是以鄭州東部為中心，向東、北方向的開封和新鄉擴展，二是以洛陽為中心，向南、北擴展；快速增長區域則分布在該區的邊緣地帶（新鄉東部、洛陽西部、濟源西部和漯河）。這種空間分異現象和該區以鄭州為中心、以洛陽為副中心的城鎮化建設發展戰略表現出高度的一致性，尤其是鄭汴一體化、鄭新融合等規劃的進一步實施，中原城市群在加快 “三化”建設的同時，生態環境卻遭致顯著負面效應。

圖2 中原城市群2000-2015年生態資產分布及變化特征Figure 2 Distribution and dynamic change of EC in CPUA region between 2000 and 2015

圖3 2000-2015年中原城市群區域生態資產變化類型的空間分布Figure 3 Spatial distribution of EC change types in CPUA region between 2000 and 2015

2.1.4 不同生態系統類型生態資產變化 生態系統類型生態資產變化不同。15 a間，林地的生態資產總值共減少了46.62億元，在全區生態資產中的比重降低了2.49%，單位面積生態資產價值降低了0.30萬元·hm－2（表2），表明城市化進程對生態資產價值帶來的影響不單是表現在對林地的大規模占用上，也表現在對現有森林資源一定程度的破壞，降低了林地生態系統的服務功能價值。就具體城市而言，洛陽、濟源、焦作和新鄉的林地單位面積生態資產明顯下滑，表明此4市的森林資源亟待保護和恢復。耕地的生態資產總值減少了8.81億元，比重降低了0.45%，單位面積生態資產價值則增加了0.05萬元·hm－2（表2），表明城市化進程對耕地生態資產的負面影響僅表現在用地類型的轉化上。就城市而言，除了焦作，其他城市耕地單位面積生態資產均表現為增長趨勢（圖4），表明該區城市化進程中對耕地的集約利用等措施取得了相應成效，但是耕地的大量占用仍是目前必須解決的迫切問題。草地的生態資產總值在15 a間略有降低，減少了2.52億元，單位面積生態資產則增長了0.18萬元·hm－2，整體表現為和耕地相同的趨勢。水體的生態資產總值增加了25.37億元，比重也增加了2.07%，單位面積生態資產價值降低了0.02萬元·hm－2。由此表明隨著城市化進程的加快，15 a間全區森林資源、耕地及草地受到了不同程度的占用和破壞，生態服務功能受到負面影響；盡管水體的大幅度改造工程和水資源的綜合整治等工作為該區生態資產總值增加作出了貢獻，但大量的林地、耕地及草地轉變為建設用地仍使得全區生態資產總值飛速下降。

圖4 中原城市群各城市各生態系統類型單位面積生態資產價值及變化Figure 4 Change pattern of EC density on ecosystem level in CPUA region

表3 中原城市群各城市2000－2015土地利用變化Table 3 Land use changes of CPUA region in 2000-2015

2.2 生態資產變化驅動因素分析

2.2.1 土地利用類型變化對生態資產的影響 從表3可以看出：2000－2015年間該區土地利用類型中建設用地變化最大，共增加了19.89萬hm2，約占現有建設用地的24.1%，主要集中在鄭州市和洛陽市。水體增加了3.34萬hm2，主要集中在鄭州、焦作和濟源。耕地、林地和草地表現為減少趨勢，15 a間分別減少了15.77，4.05和3.26萬hm2。結合表2可以明顯看出：耕地、林地和草地的減少分別帶來了8.81，46.62和2.52億元的生態資產流失，其中以林地減少帶來的影響最為突出。相關性分析結果表明：生態資產與林地、草地和耕地面積均在0.05水平顯著正相關，可見土地利用類型變化是驅動該區生態資產變化的關鍵因素。土地利用類型的變化體現了城市化擴張的程度，但也改變了原有生態系統的服務功能特征，成為影響區域生態資產的另一個重要影響因素。耕地、林地和草地的大幅減少，并轉化為低生態價值的建設用地，直接表現為給該區生態環境質量帶來極大的負面影響；因此在逐步加快的城市群建設過程中，除了進一步加強水體的增加和水資源綜合治理的同時，還要加強對林地和耕地的保護和恢復，以減緩該區生態資產的流失，從而實現區域經濟和生態環境的均衡協調和可持續發展。

2.2.2 人口增長對生態資產的影響 對中原城市群人口變化的調查可知（表4）：以2000年為基準，15 a間研究區人口增長很快（27.08萬·a－1），其中以鄭州、洛陽和新鄉絕對值增長最多，南部區域的許昌、漯河以及平頂山則較少。15 a間該區人均生態資產總體表現為持續遞減，人口增長對該區生態資產的影響總體上是負面的；以鄭州市為例，15 a間鄭州市人均生態資產減少了800.80元·人－1，降低了53.5%；其次是濟源和洛陽，分別減少了583.72和525.70元·人－1，表現出和人口增長的負相關。而在區域南部的平頂山、許昌和漯河3市，人均生態資產卻小幅增長（188.45，79.30和55.54元·人－1），主要歸因于3市人口增長變化不大。相關性分析結果也表明生態資產與人口增長在0.05水平顯著負相關；中原城市群區域在城市化進程中的人口變化是驅動該區生態資產變化的另一個關鍵因素。人口增長對該區生態環境的負面影響顯著，尤其是在城市化擴張最快的鄭州和洛陽兩市以及發展最慢的平頂山和許昌表現最為突出，說明該區在加快城市群建設的同時，對生態環境的保護以及恢復仍任重道遠。

2.2.3 經濟增長對區域生態資產的影響 調查可知，2000－2015年中原城市群的國民生產總值（GDP）由2 683億元增長到18 961億元，整體增幅約為7.07倍（表4），體現了中原城市群發展戰略對區域經濟發展的巨大促進作用。尤其是鄭州和洛陽，15 a間GDP增幅分別為8.40和7.43倍，體現出作為核心增長極在經濟上的引領龍頭地位；但是2市生態資產的流失也是最多的，分別為15.47和34.01億元，占到2015年GDP的0.2%和1.1%。區域經濟增長的 “最多”和生態資產流失的 “最快”反映出該區對經濟增長的重視和對生態效益的輕視；與此同時，經濟發展稍慢的西南及東部區域（平頂山、漯河、許昌、開封和新鄉）生態資產則表現為不同程度的增長。相關性分析結果也表明了該區生態資產與GDP增長在0.05水平顯著負相關。由此可見，經濟增長也是驅動該區生態資產變化的一個關鍵因素。

表4 人口變化和經濟增長對中原城市群2000－2015年生態資產變化的影響Table 4 Influence of population change and economic growth on the EC change in CPUA region in 2000-2015

3 結論與討論

本研究基于遙感技術對中原城市群區域的生態資產進行了評估，并分析其時空分異、演變規律及其驅動機制。結果表明：中原城市群在快速城市化進程中，高生態服務價值的森林、耕地及草地資源面積大幅減少，低生態價值的建設用地大幅增加；受土地利用方式、人口增長和經濟發展等因素帶來的負面生態效應的影響，2000－2015年生態資產總值連年減少（約－2.17億元·a－1）。單位面積生態資產整體上變化不大，表明全區的生態服務功能沒有發生明顯退化。在空間分異及變化特征上，該區生態資產主要集中在西南部和中北部，表現為以鄭州為中心、沿 “兩線”發展的態勢 （高值區向西南和東北方向發展，低值區向西北和東南方向發展）。生態資產流失較為嚴重的是洛陽市和鄭州市，其次是焦作和濟源。針對這些城市不同的發展定位以及資源特點，制定對應的發展策略，從產業結構調整、土地的集約、有效、循環利用方面，以及現有資源的綜合治理和生態恢復角度，亟待拿出妥當的舉措，才能較好地實現國家 “五位一體”的戰略思想，保障中原城市群綠色、健康、快速發展。

當前，生態資產評估體系尚未完善，評估方法和價值標準也各不相同，不同研究之間可比性差。本研究借助遙感科學的時空尺度優勢，從宏觀上對中原城市群區域9個核心城市的生態資產進行了評估和分析；基于河南省的總體經濟發展水平制定生態資產單位當量價值標準，使得評估結果比較貼近中原城市群區域的實際狀況，因此對該區生態資產的時空動態分析是比較可靠的。不足在于尺度較粗，沒有從生態系統的服務功能尺度進一步展開分析。段彥博等［23］對鄭州市生態系統服務價值的估算結果略低于本研究，主要歸因于當量因子確定上的差異。

中原城市群生態資產仍處于負增長階段（－2.17 億元·a－1）， 與武漢城市圈［24］（2.60 億元·a－1），長株潭城市群［18］（0.34 億元·a－1）， 吉林中部城市群［25］（－0.43 億元·a－1）， 珠江三角洲城市群［26］（－1.74 億元·a－1）和長江三角洲城市群［16］（－3.82億元·a－1）等區域相比僅稍強于長江三角洲城市群，生態環境壓力十分嚴峻。尤其是繼2016年底國務院批復同意中原城市群規劃后，國家發改委于2017年初發布了《中原城市群規劃》，未來5 a將是中原城市群國家戰略實施的黃金時期。基于目前的經濟發展勢頭，面對資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻形勢，嚴守生態紅線，進一步完善用地審批和生態補償制度，并逐步實現自然資源生態資產核算常態化和制度化，不僅是中原城市群打造綠色生態發展示范區的基礎制度保障，也是推動該區綠色發展、循環發展和低碳發展的根本依托。在此背景下，加強該區生態系統服務價值評估體系的規范性和科學性，健全生態資產價值標準體系，對建立該區自然資源生態資產產權制度、完善生態補償機制，特別是科學劃定中原經濟區生態紅線具有重要的指導意義。