鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化特征

段彥博，雷雅凱，馬 格，吳寶軍，田國行

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州450002）

鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化特征

段彥博，雷雅凱，馬 格，吳寶軍，田國行

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州450002）

基于河南省鄭州市2004，2009，2014年TM（遙感衛(wèi)星）影像，分析土地利用變化情況，并結(jié)合鄭州市區(qū)域特征修正 “中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量”估算鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，分析研究期間時(shí)序變化與空間分異特征，探究了鄭州生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與不同土地利用類型變化之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示：在2004-2014年間，鄭州市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量逐步上升，由103.31×108增加到125.69×108元·a-1，年均增長率為2.0%。原因是林地面積增長，帶動原材料生產(chǎn)、美學(xué)景觀、氣體調(diào)節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值顯著增加；新密市、登封市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變動劇烈，區(qū)域間存在明顯差異。鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在時(shí)間序列上變化較為劇烈，區(qū)域間分布不均衡，呈現(xiàn)明顯的西高東低、南高北低分布形態(tài)。研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與林地面積呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.855，與其他地類無顯著線性關(guān)系。林地面積的增長是帶動區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值提升的根源。圖2表6參24

景觀生態(tài)學(xué)；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；土地利用；時(shí)空分異；鄭州

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)并從中獲得利益［1-3］。土地利用/覆蓋變化（land use/cover changes,LUCC）是人類活動與自然生態(tài)系統(tǒng)互相影響的綜合表現(xiàn)，這一過程不僅引起地表結(jié)構(gòu)的巨大變化，而且極大影響了區(qū)域的氣候、水文資源、土壤及生物多樣性，最終影響整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能［4］。近年來，隨著城市化進(jìn)程的加速，土地利用類型由自然主導(dǎo)（森林、草地、濕地）快速轉(zhuǎn)變?yōu)橛扇祟愔鲗?dǎo)（建設(shè)用地），導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)劇烈和復(fù)雜的時(shí)空變化特征，對全球環(huán)境造成巨大破壞［5］。因此，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ecosystem sevice value,ESV）法對LUCC的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行貨幣形式的定量評估，有利于緩解國民生產(chǎn)總值（gross domestic product,GDP）增長與生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)之間的矛盾，為地區(qū)土地利用籌劃與決策制定以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)的理論依據(jù)［6-7］。ESV空間分異及其與LUCC的相關(guān)關(guān)系已成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。COSTANZA等［3］開創(chuàng)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值探究的里程碑，建立了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)以貨幣形式全面估算全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，考慮到不同類型生態(tài)系統(tǒng)空間時(shí)間的特異性，謝高地等［8-9］基于COSTANZA等的研究結(jié)合國情建立了 “中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量”表，國內(nèi)由此逐步開始了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)研究?，F(xiàn)今研究多集中在土地利用變化率、土地利用程度分析，以及相關(guān)分析與多元回歸分析、敏感度分析、馬爾科夫模型、灰色系統(tǒng)模型、InVEST模型分析上，以研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間異質(zhì)性為主［10-13］。本研究參考國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究方法，基于前人研究結(jié)論的基礎(chǔ)，利用修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表對鄭州市ESV進(jìn)行估算，彌補(bǔ)了常規(guī)評估方法定量難，數(shù)據(jù)利用間接的缺陷，增加了因土地利用變化導(dǎo)致的ESV空間分異的探究，建立土地利用變化與ESV相關(guān)關(guān)系的研究；通過遙感影像技術(shù)（thematic mapper,TM）提取分析鄭州市2004，2009，2014年土地利用狀況，采用時(shí)空分析和相關(guān)分析，探究鄭州市10 a間ESV時(shí)空變化特征與LUCC的相關(guān)變化關(guān)系，以期為遏制生態(tài)環(huán)境惡化與土地利用規(guī)劃提供量化依據(jù)，推動地域間可持續(xù)統(tǒng)籌發(fā)展。

1 研究概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州（34°16′～34°58′N，112°42′～114°14′E）屬暖溫帶半干旱大陸性氣候，地處中原腹地，北臨黃河，西依嵩山，南部有始祖文化發(fā)源地，東為黃淮大平原，山水相依，自然文化資源豐富，河流水系眾多，有 “九州之中，十省通衢”之稱；鄭州市域總面積7 446.2 km2，現(xiàn)轄6區(qū)5市1縣：金水區(qū)、二七區(qū)、中原區(qū)、管城區(qū)、惠濟(jì)區(qū)、上街區(qū)、鄭東新區(qū)、鞏義市、登封市、滎陽市、新密市、新鄭市、中牟縣。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用2004年、2009年、2014年分辨率為30 m的鄭州市Landsat TM影像，以1∶50 000地形圖為參考，運(yùn)用ENVI 5.1對鄭州市不同時(shí)期的Landsat TM影像進(jìn)行圖像的鑲嵌、裁剪、幾何糾正和地形校正等預(yù)處理，通過掩膜提取得到覆蓋研究區(qū)的3期影像。參照GB/T 21010-2007《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合研究區(qū)域自然條件和土地利用分類體系，將鄭州市土地根據(jù)利用類型分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地和未利用地5種。運(yùn)用ENVI 5.1基于先驗(yàn)知識建立訓(xùn)練樣本，對處理后的遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，結(jié)合谷歌影像以及野外調(diào)查數(shù)據(jù)對解譯結(jié)果進(jìn)行人工修改，得到研究區(qū)3期土地利用分類數(shù)據(jù)。通過隨機(jī)選點(diǎn)來驗(yàn)證數(shù)據(jù)的解譯精度。野外全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）調(diào)查數(shù)據(jù)表明，總體分類精度為85.6%～88.9%，滿足研究需求。為了使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評價(jià)尺度具有可比性，將鄭州市劃分為鄭州市轄區(qū) （下稱城區(qū)）、新密市、新鄭市、鞏義市、登封市、滎陽市、中牟縣等7個評價(jià)單元，基于ArcGIS 10.0統(tǒng)計(jì)時(shí)序變化下鄭州市各評價(jià)單元土地利用類型的面積，并建立數(shù)據(jù)庫。此外，本研究還搜集了研究區(qū)行政分布圖和《鄭州市統(tǒng)計(jì)年鑒》等相關(guān)基礎(chǔ)資料。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化分析 土地利用動態(tài)變化。土地利用動態(tài)變化可用來表示土地流轉(zhuǎn)的速度，分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度（KL）計(jì)算公式為［5-7］：

式（1）中：Ua指研究初期某種利用類型土地面積；Ub指研究末期某種利用類型土地面積；T為研究周期（a）。綜合土地利用動態(tài)度（RZ）計(jì)算公式為：

式（2）中：Ui為研究初期第i類土地類型面積；ΔUi-j指研究期間內(nèi)第i類土地轉(zhuǎn)為非i類土地類型面積的絕對值；T為研究時(shí)長。土地利用程度綜合指數(shù)。根據(jù)莊大方等［14］的分級方法并結(jié)合鄭州市情況，使用該指標(biāo)衡量土地利用的深度及廣度。計(jì)算公式為：

式（3）中：Ai指研究區(qū)內(nèi)土地利用程度分級指數(shù)，未利用地為1級，林地、水域?yàn)?級，耕地為3級，建設(shè)用地為4級；Ci指i級土地與研究區(qū)面積的比值；n為土地利用程度分級數(shù)；D＞0時(shí)表示研究區(qū)土地利用程度正處在發(fā)展階段，否則處于衰退或調(diào)整階段［5-7］。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算 謝高地等［8-9］根據(jù)COSTANZA的研究，制定了 “中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”，其中農(nóng)田的當(dāng)量為1，規(guī)定農(nóng)田的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值等于當(dāng)年全國平均糧食單產(chǎn)市場價(jià)值的1/7。本研究在此基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)單位面積農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行修訂。方法如下：

式（4）和式（5）中：Q1為研究區(qū)2004-2014年糧食產(chǎn)量均值4 518 kg·hm-2，F(xiàn)1為2008年全國糧食平均收購價(jià)格1.69元·kg-1。由此估算出研究區(qū)農(nóng)田單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的價(jià)值E1為1 090.77元［15-16］。Ex為第x類土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的價(jià)值，a1為農(nóng)田的當(dāng)量，ax代表除農(nóng)田以外其他5類生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)量（x=2,3,…,6），依次對應(yīng)森林、草地、濕地、河流/湖泊、荒地。由于林地與森林環(huán)境相似，耕地與農(nóng)田環(huán)境相似，城市未利用地與荒漠環(huán)境相似，因此將林地、耕地、未利用地分別對應(yīng)森林、農(nóng)田、荒漠的價(jià)值系數(shù)，并假定建設(shè)用地的價(jià)值系數(shù)為0，由式（4）和式（5）求出鄭州市不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)（元·hm-2，表1）［16-17］。計(jì)算鄭州市各時(shí)期土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值：

式（6）和式（7）中：VES指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Ak指研究區(qū)第k種土地利用類型的面積；Ck指第k種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；VESf指單項(xiàng) （f項(xiàng)）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Cfk指第k類土地利用類型的第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)［18-19］。

表1 鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)Table 1 Coefficients of the ESV in Zhengzhou from 2004 to 2014

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變異系數(shù) 變異系數(shù)可以度量鄭州市域不同時(shí)間序列的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間離散程度，以及不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間上的離散程度。計(jì)算公式為：

式（8）中：Vc為變異系數(shù)；n為樣本數(shù)；Ki為樣本分值；為樣本分值平均值［20-22］。

1.3.4 相關(guān)性分析 相關(guān)分析可以定量描述2個變量之間的線性相關(guān)程度，明確2個變量之間的相關(guān)方向。采用Pearson簡單相關(guān)系數(shù)［21］，以鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、不同土地利用類型在時(shí)空尺度的變異系數(shù)為變量，定量描述鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與各類用地變化之間的相關(guān)關(guān)系。其計(jì)算公式為：

式（9）中：Rxy為相關(guān)系數(shù)；n為樣本數(shù)；xi，yi分別是x，y的第i個值；x，y分別是x，y的平均值［23］。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄭州市土地利用變化分析

2.1.1 土地利用變動分析 由式（6）和式（7）求出鄭州市各時(shí)期土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值如表2。2004-2014年間，耕地和林地始終是研究區(qū)主要用地結(jié)構(gòu)，兩者面積和占研究區(qū)總面積的70%以上；林地面積不斷增長，總用地類型面積比率由2004年的22.05%增加到40.56%，成為第一大土地利用類型；耕地面積不斷減少，比例由62.36%下降到34.4%，退居第二大土地利用類型；建設(shè)用地面積快速增長；水域面積和未利用地面積在2004-2014年間都呈現(xiàn)先增后減的趨勢。研究區(qū)總體變化呈現(xiàn) “三增兩減”趨勢，受退耕還林、鄉(xiāng)村旅游、城市擴(kuò)張等因素影響，耕地向林地、建設(shè)用地流轉(zhuǎn)。

表2 鄭州市2004-2014土地利用變化特征Table 2 Land use changes of Zhengzhou City in 2004 to 2014

2.1.2 土地利用動態(tài)度及利用程度指標(biāo)分析 根據(jù)式（1）式（2）和式（3）求出相關(guān)指數(shù)如表3。對比2004-2009與2009-2014各類用地單一動態(tài)度，耕地、林地、建設(shè)用地單一動態(tài)度變動較為平穩(wěn)，水域、未利用地單一動態(tài)度變化較大，在2004-2009呈現(xiàn)增長趨勢，而2009-2014急轉(zhuǎn)而下呈現(xiàn)減小趨勢。2004-2014年間綜合動態(tài)度有逐漸衰減的態(tài)勢。2004-2009年未利用地、林地的單一動態(tài)度較高，2009-2014年建設(shè)用地、未利用地的單一動態(tài)度較高，說明這些土地流轉(zhuǎn)較快，林地單一動態(tài)度為各種用地類型最小，歸因于2009-2014年間城市中心快速發(fā)展，耕地、建設(shè)用地、未利用地、水域相互流轉(zhuǎn)，而林地主要集中在城市郊區(qū)變動速率較為緩慢。由表3可知：在2004-2014年間研究區(qū)2004，2009和2014年土地利用程度綜合指數(shù)總計(jì)均大于270，表明鄭州市土地正在快速流轉(zhuǎn)，2014年除耕地、水域、未利用地土地利用程度較2004年下降，處于衰退期，但總體上土地利用程度較高。比較各類土地可知，2004-2014年間耕地利用綜合指數(shù)下降明顯，2009-2014年間水域、未利用地利用程度降低進(jìn)入衰退期。

2.2 鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)序變化

根據(jù)式（8）求出研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變異系數(shù)如表4。在2004-2014年，7個評價(jià)單元中只有鄭州市轄區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少，其他6個區(qū)域均為增長。2004-2009年期間，7個評價(jià)單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均有增長，其中中牟縣、新鄭市增長最為明顯，年增長率分別為6.2%和5.5%。2009-2014年間除城區(qū)、中牟縣、新鄭市服務(wù)價(jià)值衰減，其他區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均表現(xiàn)出連續(xù)增長的態(tài)勢?？傮w上看鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在時(shí)間序列上變化較為劇烈，變異系數(shù)達(dá)到10.3%。7個評價(jià)單元中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)序變化存在差異，其中新密市、登封市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在研究期間變化最為劇烈，變異系數(shù)分別為23.2%和17.8%；鞏義市、鄭州市轄區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在時(shí)間序列上變動較平穩(wěn)，變異系數(shù)分別為6.7%和6.5%。

表3 土地利用動態(tài)度及程度綜合指數(shù)Table 3 Single land use dynamics and integrated land use dynamics

表4 各研究區(qū)2004－2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Table 4 ESV in each area between 2004-2014

從表5看出：不同用地類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的貢獻(xiàn)也各不相同，林地、耕地這2類用地提供了鄭州市88%以上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。2004-2009年間除耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)下降態(tài)勢以外，其他用地類型均呈增長態(tài)勢，且未利用地增長最為迅速，年平均增長率達(dá)到16.7%。 2009-2014年間水域、未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值顯示減小，且耕地以更快的速率不斷減少；雖然本研究中規(guī)定建設(shè)用地服務(wù)價(jià)值為0，其在總體價(jià)值上無增無減，但是由于建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，侵占林地、水域等生態(tài)用地，直接致使林地、水域等生態(tài)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的銳減；與此相反，在2006年城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃、2008年林業(yè)生態(tài)城市建設(shè)、2011年鄭州都市區(qū)森林公園體系建設(shè)以及2012年鄭州新型城鎮(zhèn)化建設(shè)提出的 “兩環(huán)十七放射生態(tài)廊道建設(shè)”等相關(guān)政策帶動下，鄭州市林地大幅度增長，彌補(bǔ)了建設(shè)用地增多，耕地、水域等生態(tài)用地減少帶來的負(fù)面影響，使研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值保持穩(wěn)步上升的趨勢。

表5 鄭州市2004-2014年不同地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Table 5 ESV of different land types in Zhengzhou from 2004 to 2014

從不同類型生態(tài)服務(wù)產(chǎn)生的價(jià)值來看（表6），鄭州市水文調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值占比居于領(lǐng)先地位，占總價(jià)值的15%以上，但是水文調(diào)節(jié)絕對價(jià)值由2004-2009年的增長趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)?009-2014年的減小趨勢，可能是由于鄭州市水域面積下降了8 281.95 hm2，黃河流域水位下降轉(zhuǎn)化為灘涂、裸地等未利用地，用地類型改變了，但其水源涵養(yǎng)功能尚存，從而保障了水文調(diào)節(jié)服務(wù)的穩(wěn)定。從年變化率來看，除食品生產(chǎn)、廢物處理服務(wù)價(jià)值顯示出降低態(tài)勢，其余各類型服務(wù)價(jià)值均呈現(xiàn)增大態(tài)勢，其中原材料生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值、提供美學(xué)景觀服務(wù)價(jià)值、氣體調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值增長最為顯著，為鄭州市服務(wù)總值的提高給予支持。

表6 鄭州市2004-2014年不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Table 6 ESV of different service functions in Zhengzhou from 2004 to 2014

2.3 鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分異

本研究以各評價(jià)單元地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表4）為依據(jù)，采用Arc GIS中的自然間斷點(diǎn)分級法（Jenks）劃分鄭州市2004-2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為5個等級（圖1），各個評價(jià)單元顏色從淺到深依次代表服務(wù)價(jià)值狀態(tài)：低、較低、一般、較高、高，以各個評價(jià)單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級均值代表2004-2014年鄭州市總體水平。由圖1可知：2004-2014年間總體上城區(qū)、新鄭市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值一直處于較低等級，鞏義市、登封市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值一直處于較高等級，就位于不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級的市（縣）數(shù)量來看，處于較高和較低水平的最多，占評價(jià)單元總量的70%以上，中等水平的評價(jià)單元數(shù)量不超過2個。在2004年位于較低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級的分別是：城區(qū)、新鄭市、中牟縣；位于中等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等的級分別是：滎陽市、新密市；鞏義市、登封市則處于低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級；至2009年滎陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能惡化使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低，由中等進(jìn)入低值范圍，相反新密市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提高，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級由中等變?yōu)檩^高；2014年中牟縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級由中等降為較低，而滎陽市則較之前提高，處于中等級別。從空間分布來看，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)明顯的西高東低分布形態(tài)，這是由于西部高值區(qū)域森林資源較為豐富，單位面積綠量較高，林地面積所占總用地類型面積較高基本上達(dá)到40%以上，其中新密市林地面積在總面積的70%以上，為生態(tài)系統(tǒng)提供了更豐富的生態(tài)服務(wù)；相反東部低值區(qū)域的黃淮平原，主要以耕地為土地利用類型，森林覆蓋率較低，且黃河的水資源并沒有為東部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的改善提供支持，從而導(dǎo)致東部地區(qū)的服務(wù)價(jià)值多年沒有增長跡象。由此說明：鄭州市整體服務(wù)價(jià)值空間變異特征與地勢地形地貌密切相關(guān)。

由圖1同時(shí)可知：鄭州市北部生態(tài)優(yōu)勢逐年弱化，生態(tài)重心逐步向南轉(zhuǎn)移；南部鞏義市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值逐年減小，到2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級地位被新密市所取代，與登封市形成組團(tuán)成為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最優(yōu)區(qū)域，并且以城區(qū)為中心呈現(xiàn)由 “低—高”的逐漸增強(qiáng)的布局形式。以鄭州市各年度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在各評價(jià)單元的變異程度可以看出，2004-2014年間鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在各地區(qū)間分布越來越不均衡，其中新密市、登封市、中牟縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)序離散程度較高，分別為23.2%，17.8%，16.3%，也是造成研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異較大的原因。

圖1 鄭州市2004-2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間分異Figure 1 Spatial differences of the ESV in Zhengzhou from 2004 to 2014

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與土地利用變化的相關(guān)關(guān)系

對研究區(qū)的各類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)序離散程度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)（圖2），水域、未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值離散程度變動較為顯著，其他土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值也呈現(xiàn)不同程度的波動。未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的劇烈變動主要源于城市化建設(shè)過程中存在大量的施工現(xiàn)場以及黃河水位下降灘涂地增多；水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變動劇烈主要由于研究區(qū)東北部的大量魚塘的消失，以及研究區(qū)范圍內(nèi)黃河水域面積的減少。以研究區(qū)各評價(jià)單元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化的離散程度和各類型土地利用面積的變異系數(shù)為變量，采取Pearson相關(guān)系數(shù)由式（9）計(jì)算兩者的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與林地面積在0.05水平顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.855；而其他地類面積與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值并無顯著線性相關(guān)關(guān)系。這表明林地面積的增長是帶動整個研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值提升的根源所在。

圖2 鄭州市2004-2014年各地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與用地變化的離散程度Figure 2 Dispersion levels of the ESV and LUCC in each district of Zhengzhou from 2004 to 2014

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)在研究期間始終處在發(fā)展階段，整體上土地利用程度較高，覆土結(jié)構(gòu)變動較大，呈現(xiàn)耕地、水域面積減少，林地、建設(shè)用地、未利用地面積增加的 “三增兩減趨勢”。其中林地面積增長，帶動原材料生產(chǎn)、美學(xué)景觀、氣體調(diào)節(jié)的ESV顯著增加，而建設(shè)用地的增加帶來了ESV的虧損。鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在時(shí)間序列上變動較為劇烈，除城區(qū)呈下降態(tài)勢，其余地區(qū)均呈現(xiàn)增加趨勢；從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異來看，隨著鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的不斷提升，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)明顯的西高東低，南高北低的分布形態(tài)。為縮小區(qū)域間的差異，應(yīng)在西部山區(qū)丘陵區(qū)提升林業(yè)內(nèi)涵質(zhì)量，調(diào)整林種樹種結(jié)構(gòu)，提高林地單位面積的綠量；在中心區(qū)域加大建設(shè)用地管控力度，調(diào)控政策限制該類型用地不斷擴(kuò)張；在東部平原應(yīng)加強(qiáng)造林工作以及水資源的生態(tài)恢復(fù)與治理。鄭州市2004-2014年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與林地面積呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.855，與其他地類面積并無顯著線性關(guān)系，強(qiáng)調(diào)了林地面積的增長是帶動區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值提升的根源。

由于生態(tài)過程的復(fù)雜性、異質(zhì)性、尺度多樣性，以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估體系的不完善性和評價(jià)方法的不統(tǒng)一性，不同的生態(tài)系統(tǒng)間的服務(wù)價(jià)值可比性較弱。胡金龍等［22］、鐘媛等［5］、曾杰等［23］以同樣的評估方法分別對桂林市、西安市、武漢城市圈進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算，較本研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算結(jié)果偏高。這是由于在對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量進(jìn)行修正時(shí)方法不同以及研究地域特征本身也存在差異。本研究采用統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行時(shí)間和空間上的分析，評估結(jié)果并不會對時(shí)空分析產(chǎn)生影響；但是后續(xù)可加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估體系的規(guī)范性，以及計(jì)算方法的科學(xué)性、準(zhǔn)確性［24］。

采用變異系數(shù)對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間、空間上的離散程度進(jìn)行分析，能夠反映出研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空分異特征，但無法對不同尺度下的局部特征進(jìn)行描述。生態(tài)過程的復(fù)雜性以及尺度的多樣性并不能簡單以數(shù)值估計(jì)。今后需要更深入探究尺度變化下的不同區(qū)域、整體與局部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，創(chuàng)建定量估算方法及模型，以生態(tài)過程為出發(fā)點(diǎn)探究局部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空分異特征。

［1］ WESTMAN W E.How much are nature’s services worth?［J］.Science,1977,197（4370）：960-964.

［2］ DAILY G C.Nature’s Services：Societal Dependence on Natural Ecosystem［M］.Washington D C：Island Press,1997.

［3］ COSTANZA R,d’ARGE R,de GROOT R,et al.The value of the world’s ecosystem services and natural capital［J］. Nature.1997,387（6630）：253-260.

［4］ 劉吉平，趙丹丹，田學(xué)智,等.1954-2010年三江平原土地利用景觀格局動態(tài)變化及驅(qū)動力［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（12）：3234-3244.

LIU Jiping,ZHAO Dandan,TIAN Xuezhi,et al.Landscape pattern dynamics and driving forces analysis in the Sanjiang Plain from 1954 to 2010［J］.Acta Ecol Sin,2014,34（12）：3234-3244.

［5］ 鐘媛，趙敏娟.城市土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響：以西安市為例［J］.水土保持研究，2015，22（1）：274-279.

ZHONG Yuan,ZHAO Minjuan.Effect of land use change on ecosystem service value：a case study of Xi’an City［J］. Res Soil Water Conserv.2015,22（1）：274-279.

［6］ 潘影，張茜，甄霖，等.北京市平原區(qū)不同圈層綠色空間格局及生態(tài)服務(wù)變化［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2011，30（4）：818-823.

PAN Ying,ZHANG Qian,ZHEN Lin,et al.Green space pattern and ecosystem services value of the sub-regions in Beijing plain area［J］.Chin J Ecol,2011,30（4）：818-823.

［7］ 吳琳娜，楊勝天，劉曉燕，等.1976年以來北洛河流域土地利用變化對人類活動程度的響應(yīng)［J］.地理學(xué)報(bào)，2014，69（1）：54-63.

WU Linna,YANG Shengtian,LIU Xiaoyan,et al.Response analysis of land use change to the degree of human activities in Beiluo River basin since 1976［J］.Acta Geogr Sin,2014,69（1）：54-63.

［8］ 謝高地，魯春霞，冷允法，等.青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價(jià)值評估［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2003，18（2）：189-196.

XIE Gaodi,LU Chunxia,LENG Yunfa,et al．Ecological assets valuation of the Tibetan Plateau［J］.J Nat Resour, 2003,18（2）：189-196.

［9］ 謝高地，甄霖，魯春霞，等.一個基于專家知識的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化方法［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2008，23（5）：911-919.

XIE Gaodi,ZHEN Lin,LU Chunxia,et al.Expert knowledge based valuation method of ecosystem services in China［J］.J Nat Resour,2008,23（5）：911-919.

［10］ 鄧偉，楊華，崔艷君.重慶主城區(qū)近 30年土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價(jià)［J］.水土保持研究，2010，17（3）：232-236.

DENG Wei,YANG Hua,CUI Yanjun.Assessment of ecological environment effects on landuse change in Chongqing City nearly 30 years［J］.Res Soil Water Conserv,2010,17（3）：232-236.

［11］ 邵俊明，周寶同，徐中強(qiáng)，等.基于Morzn’s I和Kriging插值在不同采樣尺度下的土地利用程度分析：以重慶市石柱縣為例［J］.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33（2）：215-222.

SHAO Junming,ZHOU Baotong,XU Zhongqiang,et al．Analysis of land use utilization degree under different sampling scales based on Morans I and Kriging interpolation：in the case of Shizhu County of Chongqing municipality［J］.J Sichuan Agric Univ,2015,33（2）：215-222.

［12］ 頓耀龍，王軍，郭義強(qiáng)，等.基于AHP-FCE模型的大安市土地整理可持續(xù)性評價(jià)［J］.中國土地科學(xué)，2014，28（8）：57-64.

DUN Yaolong,WANG Jun,GUO Yiqiang,et al.Sustainability evaluation of land consolidation of Da’an City based on AHP-FCE model［J］.China Land Sci,2014,28（8）：57-64.

［13］ 喬偉峰，盛業(yè)華，方斌，等.基于轉(zhuǎn)移矩陣的高度城市化區(qū)域土地利用演變信息挖掘——以江蘇省蘇州市為例［J］.地理研究，2013，32（8）：1497-1507.

QIAO Weifeng,SHENG Yehua,FANG Bin,et al.Land use change information mining in highly urbanized area based on transfer matrix：a case study of Suzhou,Jiangsu Province［J］.Geogr Res,2013,32（8）：1497-1507.

［14］ 莊大方，劉紀(jì)遠(yuǎn).中國土地利用程度的區(qū)域分異模型研究［J］.自然資源學(xué)報(bào)，1997，12（2）：105-111.

ZHUANG Dafang,LIU Jiyuan.Study on the model of regional differentiation of land use degree in China［J］.J Nat Resour,1997,12（2）：105-111.

［15］ 胡瑞法，冷燕.中國主要糧食作物的投入與產(chǎn)出研究［J］.農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2006，3（1）：2-7.

HU Ruifa,LENG Yan.Research on input and output of main grain crops in China［J］.J Agrotech Econ,2006,3（1）：2-7.

［16］ 孫新章，周海林，謝高地.中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2007，17（4）：55-60.

SUN Xinzhang,ZHOU Hailin,XIE Gaodi.Ecological services and their values of Chinese agroecosystem［J］.China Popul Resour&Environ,2007,17（4）：55-60.

［17］ 趙同謙，歐陽志云，鄭華，等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值評價(jià)［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2004，19（4）：480-491.

ZHAO Tongqian,OUYANG Zhiyun,ZHENG Hua,et al.Forest ecosystem services and their valuation in China［J］.J Nat Resour,2004,19（4）：480-491.

［18］ 趙同謙，歐陽志云，賈良清，等.中國草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間接價(jià)值評價(jià)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24（6）：1101-1110.

ZHAO Tongqian,OUYANG Zhiyun,JIA Liangqing,et al．Ecosystem services and their valuation of China grassland［J］.Acta Ecol Sin,2004,24（6）：1101-1110.

［19］ 張祎，李玉鳳，高鴻，等.基于土地轉(zhuǎn)移矩陣的生態(tài)服務(wù)功能研究：以南京市仙林新市區(qū)為例 ［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，30（6）：800-805.

ZHANG Yi,LI Yufeng,GAO Hong,et al.Eco-service functions based on land transfer matrix：a case study of Xianlin,a new urban area in Nanjing［J］.J Ecol Rural Environ,2014,30（6）：800-805.

［20］ 林海明，張文霖.主成分分析與因子分析的異同和SPSS軟件：兼與劉玉玫、盧紋岱等同志商榷［J］.統(tǒng)計(jì)研究，2005（3）：65-69.

LIN Haiming,ZHANG Wenlin.The relationship between principal component analysis and factor analysis and spass software&to discuss with comrade LIU Yumei,LU Wendai,et al.［J］.Stat Res,2005（3）：65-69.

［21］ 趙永翔，孫亞芳，高慶.分析常用7種統(tǒng)計(jì)分布的統(tǒng)一線性回歸方法［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2001，23（1）：102-106.

ZHAO Yongxiang,SUN Yafang,GAO Qing.Unified liner regression method for the analysis of seven commonly used statistical distrivutions［J］.J Mech Strengtht,2001,23（1）：102-106.

［22］ 胡金龍，王金葉，周志翔，等.桂林市區(qū)土地利用變化對生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（10）：89-93.

HU Jinlong,WANG Jinye,ZHOU Zhixiang,et al.Effects of land use changes on ecosystem service values in urban area of Guilin City［J］.J Cent South Univ For Technol,2012,32（10）：89-93.

［23］ 曾杰，李江風(fēng)，姚小薇.武漢城市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25（3）：883 -891.

ZENG Jie,LI Jiangfeng,YAO Xiaowei.Spatio-temporal dynamics of ecosystem serves value in Wuhan urban agglomeration［J］.Chin J Appl Ecol,2014,25（3）：883-891.

［24］ KREMEN C.Managing ecosystem services：what do we need to know about their ecology?［J］.Ecol lett,2005,8（5）：468-479.

Spatio-temporal dynamics of ecosystem service value in Zhengzhou

DUAN Yanbo,LEI Yakai,MA Ge,WU Baojun,TIAN Guohang
（College of Forestry,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,Henan,China）

Based on TM image data in the years of 2004,2009 and 2014 in Zhengzhou,the research analyzed the land use/cover changes,estimated the ecosystem service value （ESV）of the survey area according to the“equivalent value per unit area of ecosystem services in China”,analyzed its spatio-temporal characteristics, examined the correlation between the ESV evolution and the land use changes.The results showed that due to the substantial growth of forest land area,the ESV was increased from 103.31×108to 125.69×108yuan per year between 2004 and 2014,and the average annual growth rate was 2.0 per cent.The growth of forest land area had caused significant increase in the ESV of the raw materials,aesthetic landscape and climate regulation. Furthermore,the ESV changes showed obvious regional differences,which were most significant in Xinmi and Dengfeng.Results showed the temporal change of ESV in Zhengzhou was dramatic,and the regional change was asymmetric,which indicated a “west high,east low” and “south high,north low”pattern.The ESV of the survey area had significant positive correlation with the area of forest land,and the correlation coefficient was 0.855,while there was no significant linear correlation with other types of land area.The forest land area growth is the source of increasing regional ecosystem service value.［Ch,2 fig.6 tab.24 ref.］

landscape ecology;ecosystem service value（ESV）;land use;spatio-temporal differentiation; Zhengzhou

S7-98；F062.2

A

2095-0756（2017）03-0511-09

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2017，34（3）：511-519

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.03.017

2016-05-10；

2016-06-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41401206，31600579）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（162102310093）；河南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目（30600407）；河南省高速公路高效節(jié)約綠色景觀構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目（2013J49）；河南省高速公路景觀的穩(wěn)定性和可持續(xù)性研究項(xiàng)目（2014Z06）

段彥博，從事風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)與土地生態(tài)研究。E-mail：835269656@qq.com。通信作者：田國行，教授，博士，從事風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)與城市綠地資源建設(shè)與管控。E-mail：tgh-6408@163.com