鄭州市生態(tài)服務價值評價及空間分布模擬

張淑梅, 趙曉玉, 王瑩, 張煜, 石超奇，田國行,*

鄭州市生態(tài)服務價值評價及空間分布模擬

張淑梅1, 趙曉玉1, 王瑩1, 張煜2, 石超奇3，田國行1,*

1. 河南農(nóng)業(yè)大學風景園林與藝術學院, 鄭州 450000 2. 河南省風景園林國際聯(lián)合實驗室, 鄭州 450000 3. 河南省鄭州市園林局鄭開大道綠化管理處，鄭州 450000

生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估對維持地區(qū)生態(tài)平衡、建立可持續(xù)的土地利用模式具有重要意義。以鄭州市域空間尺度為研究區(qū)域, 基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表, 利用GIS格網(wǎng)尺度法、Moran’s I、Getis-Ord Gi*熱點分析空間統(tǒng)計分析方法, 對鄭州市生態(tài)服務價值空間格局進行定量可視化分析。結果表明: (1)鄭州市生態(tài)服務總價值為104.07×108元。(2)各生態(tài)系統(tǒng)類型生態(tài)服務價值相比: 森林>農(nóng)田>河流(湖泊)>城市綠地>草地>建設用地; 各生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值貢獻順序為: 水文調(diào)節(jié)>保持土壤>維持生物多樣性>廢物處理>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>原材料生產(chǎn)>食物生產(chǎn)>提供美學景觀; 各行政區(qū)的生態(tài)服務價值相比較, 得到登封市、鞏義市、新密市高于其他各區(qū)。(3)鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈集聚現(xiàn)象, 熱點區(qū)域集中在鄭州西南部中山、低山區(qū), 沿黃河區(qū)域及南部自然植被資源豐富的區(qū)域, 冷點區(qū)域集中在平原區(qū)的東北部建成區(qū)。

土地利用; 生態(tài)服務價值; 空間自相關分析; 生態(tài)平衡

0 前言

生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程中所形成的、能夠維持人類生存的自然環(huán)境條件及其效用[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Service Value)是量化生態(tài)系統(tǒng)服務所帶來的效益的價值。自1981 年Ehrlich[2]學者最終提出生態(tài)系統(tǒng)服務概念后, 國際科學聯(lián)合會環(huán)境委員會于1991 年發(fā)起的一次會議使得生態(tài)系統(tǒng)服務功能經(jīng)濟價值評估成為生態(tài)學研究的新熱點, Costanza[3]在《Nature》上發(fā)表的“全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值與自然資本”一文首次提出“生態(tài)服務指標體系”并以全球范圍為研究對象進行了生態(tài)服務價值定量化評價, 開創(chuàng)了生態(tài)服務價值研究的里程碑。相比國外, 國內(nèi)對于生態(tài)服務價值評價起步較晚, 1980 年前后引進了國外的相關概念、價值理論及評價方法, 國內(nèi)學者開始對生態(tài)服務價值評估方向進行研究。1999 年, 歐陽志云最先采用生態(tài)系統(tǒng)服務功能的概念, 并探討了替代市場技術與模擬市場技術兩種生態(tài)系統(tǒng)服務功能經(jīng)濟價值評價方法, 評估了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的6種服務功能的間接經(jīng)濟價值[4–7]。2002 年, 謝高地等學者[8–10]在Costanza等提出的全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價的基礎上, 根據(jù)我國的實際情況對國內(nèi)200 位生態(tài)學專家進行問卷調(diào)查, 制定出中國不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量表且在之后進行了更新與修正。目前生態(tài)服務價值估算可分為功能價值法與當量因子法兩類[11]。功能價值法[5]可分為替代市場技術和模擬市場技術兩類, 主要有直接市場法、替代市場法、模擬市場法3 種評估方法[12–13], 功能價值法評估公式多、評估具有主觀性強和不全面性, 基礎數(shù)據(jù)缺乏, 評估參數(shù)單一; 因當量因子法具有可操作性、直觀性、評估結果可比性高。本研究采用謝高地等學者的當量因子法計算鄭州市生態(tài)服務價值。在其2007 年修正的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表的基礎上, 通過統(tǒng)計鄭州市域已知土地利用類型面積, 計算出鄭州市所對應的生態(tài)系統(tǒng)類型的, 并利用格網(wǎng)分析、Moran’s I、Getis-Ord Gi*空間統(tǒng)計分析方法, 將鄭州市土地利用對生態(tài)環(huán)境的影響進行定量化、空間化評價, 以期從各土地類型所帶來的生態(tài)服務效益角度出發(fā)對鄭州市國土空間的規(guī)劃與開發(fā)提供科學、可靠的依據(jù), 并確保鄭州市資源的可持續(xù)利用。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市地處河南省中部偏北, 位于東經(jīng)112° 42′—114°14′, 北緯34°16′—34°58′之間, 地處華北平原南部、黃河下游。北臨黃河, 西依嵩山,山水相依,地勢西高東低, 呈階梯狀從中山-低山-丘陵-平原逐漸過渡, 河流水系共124 條, 流域面積最大的河流有29條, 分屬于黃河和淮河兩大水系。市域總面積7446.2 km2,市轄中原區(qū)、二七區(qū)、管城區(qū)、金水區(qū)、惠濟區(qū)、上街區(qū)、鞏義市、滎陽市、新鄭市、新密市、登封市、中牟縣共6區(qū)5市1縣(見圖1)。目前已成功創(chuàng)建全國綠化模范城市、國家森林城市、國家園林城市, 被國務院確認為國家中心城市, 但同時也面臨著生態(tài)建設與自然資源環(huán)境等要素約束日趨明顯的矛盾。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文以研究區(qū)2017年Landsat8 OLI_TIRS遙感影像為基礎數(shù)據(jù), 運用ENVI軟件對遙感影像進行輻射校正、幾何校正和坐標轉換等預處理, 在綜合考慮遙感影像數(shù)據(jù)光譜信息和紋理特征的基礎上, 運用監(jiān)督分類和目視解譯的方法進行人機交互式解譯, 對土地利用類型進行分類,將土地利用劃分為林地、草地、耕地、水系、城市綠地、建設用地6種類型。

圖1 鄭州市行政區(qū)劃示意圖

Figure 1 Administrative divisions of Zhengzhou

1.2.2 數(shù)據(jù)預處理

根據(jù)現(xiàn)有研究和鄭州市的具體情況, 參考謝高地等提出的生態(tài)服務類型的二級分類標準, 將生態(tài)系統(tǒng)服務功能劃分為食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、廢物處理、保持土壤、維持生物多樣性、提供美學景觀9 項[9]?；谥x高地2007 年修訂的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表, 按以下原則計算生態(tài)系統(tǒng)服務價值, 林地對應森林的當量, 草地對應草地的當量, 耕地對應農(nóng)田的當量, 水系對應河流(湖泊)的當量, 城市綠地取森林和草地當量的平均值, 建設用地當量取值為0[14]。

根據(jù)鄭州市統(tǒng)計局資料, 對研究區(qū)單位面積農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值做出調(diào)整,通過計算得到鄭州市2008—2017 年全年糧食基準單產(chǎn)為4655.59 kg·hm–2, 根據(jù)鄭州市糧食和物資儲備局資料獲得2017 年鄭州市最低糧食單價為2.3 元·kg–1。考慮到在沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務經(jīng)濟價值的1/7[8], 計算得出鄭州市單個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量約為1529.69 元(生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子是指生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)服務的相對貢獻的潛在能力, 定義為1 hm2全國平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值)。并以此計算出研究區(qū)單位面積生態(tài)服務價值, 詳見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)服務價值評價方法

選用Costanza提出的生態(tài)服務價值評估指標體系進行評價, 該評估方法體系雖然存在不足, 對某些生態(tài)系統(tǒng)單位面積的價值估計過高或過低, 但仍是迄今為止國內(nèi)外學者應用最為廣泛的方法。因此本文仍采用Costanza的計算公式來估算鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值。計算公式為:

式中,代表生態(tài)系統(tǒng)服務價值,代表第個生態(tài)系統(tǒng)類型的面積,代表生態(tài)價值系數(shù),ESV代表單項生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)服務價值,VC代表單項服務功能價值系數(shù)。

1.3.2 GIS格網(wǎng)尺度法

GIS格網(wǎng)尺度法是指用格網(wǎng)點狀單元作為指標因子的數(shù)據(jù)載體和基本評價分析單元的方法[15]。為直觀反映鄭州市在空間上的具體分布狀況, 對空間格局進行描述和可視化表達, 選擇GIS格網(wǎng)尺度法進行生態(tài)服務價值空間分布模擬?；贏rcGIS平臺, 運用Create Fishnet工具, 以1 km×1 km為基礎建立格網(wǎng)樣本, 將鄭州市土地利用劃分為8096個格網(wǎng)(邊緣地帶劃定的格網(wǎng)面積有所差異), 將單個格網(wǎng)內(nèi)不同土地利用類型的進行疊加計算, 使用熱點分析(Getis-Ord Gi*)統(tǒng)計識別具有統(tǒng)計顯著性的熱點和冷點。獲得每個格網(wǎng)的生態(tài)服務價值, 完成空間數(shù)據(jù)的重構[15–17]。

1.3.3 單變量空間自相關分析

空間自相關分析方法用于度量地理空間區(qū)域上的某種屬性值與其相鄰近的空間區(qū)域上的同一屬性值之間的相關程度[18]。通過空間自相關分析可反映格網(wǎng)在空間上是否具有自相關性, 以及在空間上的分布位置、集聚形狀和大小、空間格局規(guī)律特征。利用GeoDa、ArcGIS軟件, 從全局空間自相關(Global Spatial Autocorrelation)和局部空間自相關(Local Spatial Autocorrelation)兩方面[19]實現(xiàn)對的空間自相關分析, 全局空間自相關用于描述的整體分布狀況, 判斷在空間中是否有聚集特性存在。局部空間自相關用于度量每個區(qū)域與周邊地區(qū)之間的空間差異程度, 識別局部區(qū)域同要素間存在的空間關聯(lián)和空間異質(zhì)性。為探討的聚集特性, 采用Moran’s I 對全局空間自相關進行描述, Moran’s I計算公式為:

表1 鄭州市各類生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值

式中,表示空間單元的數(shù)目;X、X分別表示第個和第個空間位置上的觀測值,X表示空間單元上的平均值,Ｗ是空間權重矩陣的元素, 根據(jù)空間鄰接性構造空間權重矩陣, 若空間相鄰, 則Ｗ=1; 反則,Ｗ=0,S是中所有元素之和。

Moran’s I取值范圍為[-1,1], 在給定的顯著性水平下, 若Moran’s I值接近1表示空間數(shù)據(jù)屬性值分布在整體上具有顯著聚類, Moran’s I值接近-1表示空間數(shù)據(jù)屬性值在整體上呈現(xiàn)極化態(tài)勢。

為進一步探討的集聚程度及集聚空間分布位置, 采用Moran散點圖和Getis-Ord Gi*熱點分析對局部空間自相關進行描述。

Moran散點圖能夠定性分析區(qū)域各格網(wǎng)與相鄰格網(wǎng)的相互關系, 通過空間權重矩陣將Moran散點圖劃分為四個象限, 分別對應四種不同的空間差異類型。落入第1象限代表高高集聚(H-H), 表明格網(wǎng)自身與周邊格網(wǎng)都較高; 第2象限代表低高集聚(L-H), 表明格網(wǎng)自身較低, 但周邊格網(wǎng)的較高; 第3象限代表低低集聚(L-L), 表明格網(wǎng)自身與周邊格網(wǎng)的均較低; 第4象限代表高低集聚(H-L), 表明格網(wǎng)自身較高, 但周邊格網(wǎng)的較低。

Getis-Ord Gi*指數(shù)用于分析的冷/熱點區(qū)空間分布格局, 其計算公式為:

2 評估結果及分析

2.1 生態(tài)服務價值評價

2.1.1 不同類型生態(tài)服務價值評價

以土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎, 利用式(1–2)計算獲得鄭州市生態(tài)服務功能總價值為104.07×108元, 以及各生態(tài)系統(tǒng)類型所對應的生態(tài)服務價值(見圖2)。將各生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)服務價值相比較, 森林的生態(tài)服務價值量最高, 約占生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量的49.04%, 農(nóng)田、河流(湖泊)、城市綠地、草地四類生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)服務價值量占比分別約為: 38.56%、10.04%、2.1%、0.26%。在鄭州市生態(tài)系統(tǒng)各項服務功能價值的貢獻之中, 其大小順序依次為: 水文調(diào)節(jié)>保持土壤>維持生物多樣性>廢物處理>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>原材料生產(chǎn)>食物生產(chǎn)>提供美學景觀。

六種生態(tài)系統(tǒng)類型中森林生態(tài)系統(tǒng)所提供的生態(tài)服務價值最大, 其原因是1992年以后, 鄭州在面臨城市框架迅猛拉大, 人口急劇增加, 流經(jīng)鄭州北部的黃河系地上懸河, 河道游蕩形成大規(guī)模的嫩灘, 沒有任何植被覆蓋, 又處在城市風源上游, 河岸兩側植被稀少, 冬季盛行西北風, 導致鄭州經(jīng)常性的遭受沙塵暴、浮塵、揚沙等惡劣天氣的侵蝕, 鄭州市政府出臺了各類森林建設規(guī)劃和生態(tài)補償政策促進鄭州森林生態(tài)環(huán)境的建設。近年來成果卓有成效, 全市森林覆蓋率達到33.36%, 森林林組結構、樹種結構逐漸趨向合理, 森林生態(tài)系統(tǒng)正向“數(shù)量增加、質(zhì)量提高與結構改善并進”的方向發(fā)展。水文調(diào)節(jié)在9項生態(tài)系統(tǒng)服務功能中貢獻最大, 這是由于鄭州市水資源相對較為豐富, 境內(nèi)有大小河流124條, 流域面積較大的河流有29條, 分屬于黃河和淮河兩大水系。其中黃河水系有黃河干流、伊洛河、汜水河、枯河等, 流域面積1878.6 km2, 占全境總面積的25.2%; 淮河水系有賈魯河、雙洎河、潁河、索須河、七里河、金水河、熊耳河及東風渠等大小河流, 流域面積5567.6 km2, 占全境總面積的74.8%。加上城區(qū)周邊為數(shù)不少的中小型水庫, 以及規(guī)劃的南水北調(diào)中線總干渠、南運河和龍湖、龍子湖、西流湖等, 共同構成了鄭州市水系網(wǎng)絡。

2.1.2 各行政區(qū)劃生態(tài)服務價值評價

將鄭州市各行政區(qū)生態(tài)服務價值量運用ArcGIS軟件進行空間分析(見圖3)。各行政區(qū)中生態(tài)服務價值量最高的行政區(qū)是登封市, 其次是鞏義市, 其原因是登封市和鞏義市在生態(tài)區(qū)劃中位于低山、丘陵區(qū), 森林資源極為豐富且空間分布范圍較廣。其中登封市林地面積高達55994 hm2, 森林覆蓋率達39.50%, 擁有嵩山國家森林公園、大熊山省級森林公園、登封香山省級森林公園等森林資源。由于上街區(qū)行政空間分布范圍最小, 導致其生態(tài)服務價值量最低。各行政區(qū)生態(tài)服務價值量由高到低排序為: 登封市>鞏義市>新密市>中牟縣>滎陽市>新鄭市>惠濟區(qū)>金水區(qū)>二七區(qū)>中原區(qū)>管城區(qū)>上街區(qū)。

圖2 各生態(tài)系統(tǒng)類型生態(tài)服務價值量柱狀圖

Figure 2 The ecological service value of each ecosystem type

圖3 鄭州市行政區(qū)劃生態(tài)服務價值量空間分布圖

Figure 3 Spatial distribution of the ecological service value in Zhengzhou administrative divisions

2.2 生態(tài)服務價值的空間格局分析

2.2.1 生態(tài)服務價值空間分布模擬

基于ArcGIS平臺, 采用自然間斷點法對生態(tài)服務價值進行分類, 將格網(wǎng)尺度下鄭州市生態(tài)服務價值劃分為7個不同區(qū)間, 獲得格網(wǎng)尺度生態(tài)服務價值空間分布圖(見圖4), 每個格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務平均價值為128.54×104元, 格網(wǎng)最小值為0 元, 最大值為1221.13×104元。從空間分布圖來看, 各格網(wǎng)之間差異較大, 分布不均勻, 格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)明顯的從中心城區(qū)向四周逐漸遞增的趨勢, 其中, 生態(tài)系統(tǒng)服務價值較高的格網(wǎng)主要分布于西南伏牛山脈、沿黃河區(qū)域及市域南部植被繁茂地區(qū), 價值較低的格網(wǎng)主要以片狀形式分布于鄭州中心城區(qū)、新鄭市的航空港區(qū)及上街區(qū), 這些低值分布區(qū)主要為建設用地。

2.2.2 生態(tài)服務價值的空間數(shù)據(jù)的自相關分析

單變量空間自相關以1 km×1 km格網(wǎng)的數(shù)據(jù)為基礎, 運用GeoDa空間分析工具, 建立鄰接性空間權重矩陣, 計算單變量空間自相關指數(shù), 獲得Moran散點圖。計算Moran’s I = 0.697, 采用蒙特卡洛檢驗方法對Moran’s I統(tǒng)計量的顯著性進行檢驗, 模擬次數(shù)為999, 計算= 0.001。從計算結果來看Moran’s I為正值且接近于1, 并且有較低的值, 依此可見鄭州市格網(wǎng)在空間分布上呈聚類分布。

由GeoDa軟件繪制的Moran散點圖(見圖5), 以散點圖的形式將變量與空間滯后向量的關系進行描述。X軸對應的觀測值, Y軸對應空間滯后向量的所有取值(觀測變量周邊區(qū)域值的加權平均)。由圖5可見, 落入高高聚集區(qū)(H-H)的觀測值為17.30%, 落入低低集聚區(qū)(L-L)的觀測值為22.94%, 落入低高聚集區(qū)(L-H)的觀測值為1.84%, 落入高低聚集區(qū)(H-L)的觀測值為0.37%, 可見鄭州市超過40.24%的格網(wǎng)存在不同程度的集聚現(xiàn)象, 并且格網(wǎng)高值集聚的區(qū)域與低值集聚的區(qū)域數(shù)量接近。

運用ArcGIS軟件, 以1 km×1 km格網(wǎng)的數(shù)據(jù)為基礎, 采用熱點分析(Getis-Ord Gi*)工具, 分析熱點區(qū)與冷點區(qū)的分布格局, 采用自然斷點法將其劃分為3類(熱點區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、冷點區(qū)), 生成鄭州市生態(tài)服務價值量冷熱點圖(見圖6)。由圖可見, 紅色代表格網(wǎng)高值的集聚熱點區(qū), 藍色代表格網(wǎng)低值的集聚冷點區(qū), 熱點區(qū)主要分布在西南伏牛山脈(A)上的嵩山國家森林公園、鞏義青龍山森林公園、浮戲山—雪花洞風景名勝區(qū)、浮戲山—環(huán)翠峪風景名勝區(qū), 南河渡森林公園(B), 黃河濕地自然保護區(qū)(C),登封市南部植被繁茂地區(qū)(D)以及白沙水庫附近(E)。冷點區(qū)主要分布在鄭州中心城區(qū)及新鄭市、中牟縣、滎陽市、上街區(qū)的主城區(qū)附近。

圖4 格網(wǎng)尺度下鄭州市生態(tài)服務價值量空間分布圖

Figure 4 Spatial distribution of the ecological services of Zhengzhou in grid scale

圖5 格網(wǎng)尺度下鄭州市生態(tài)服務價值量Moran散點分布圖

Figure 5 Distribution of the ecological service value of Zhengzhou in grid scale

3 討論

近年來, 城市不斷擴張, 其建筑強度、人口密度、城市尺度與生態(tài)結構極為不匹配, 深度理解城市的生態(tài)載體價值分布可以幫助城市合理開發(fā)、空間管控、用途轉換提供依據(jù)[20]。本文基于生態(tài)服務價值空間分布自相關特征量化研究, 可以直觀模擬分析研究區(qū)整體和局部生態(tài)源地空間分布集聚效應差異性, 其空間格局分布存在以下特征: (1)與土地利用類型有關。鄭州西南象限(如嵩山、大熊山、紙坊水庫、白沙水庫等), 此區(qū)域自然植被資源豐富,地形復雜, 森林覆蓋率較高, 人口密度較小, 且實施自然保護區(qū)和森林公園建設, 對生態(tài)系統(tǒng)干擾較小, 利于生態(tài)系統(tǒng)服務功能的提升, 因此, 生態(tài)系統(tǒng)服務功能較好。中部地區(qū)屬于城市繁華地帶, 人口密集, 社會經(jīng)濟活動頻繁, 長期受人類活動干擾, 植被覆蓋率低, 主要指管城區(qū)、上街區(qū)、中原區(qū)、二七區(qū), 故生態(tài)系統(tǒng)服務功能較弱。(2)與林種結構組成有關。六種生態(tài)系統(tǒng)類型中森林生態(tài)系統(tǒng)所提供的生態(tài)服務價值最大。由鄭州市森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)得出, 目前, 研究區(qū)內(nèi)生態(tài)林是占主導地位的森林類型。例如, 鄭州市水源涵養(yǎng)林和防風固沙林主要分布在北部黃河沿線以及市域境內(nèi)的黃河支流(伊洛河、汜水河、枯河)和淮河支流(賈魯河、雙洎河、穎河)所構成的河網(wǎng)水系附近, 這些地區(qū)恰是本市河流或水庫的水源地, 分布著全市約80%的水源涵養(yǎng)林和60%的防風固沙林, 因此該地區(qū)水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)功能較好。此外, 嵩山地區(qū)由于地形、地貌等原因, 容易發(fā)生水土流失, 該地區(qū)分布了近80%的水土保持林, 因此該地區(qū)保持土壤功能較好。因此, 由于樹種結構組成的不同, 促使鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務功能呈現(xiàn)目前的空間格局[21]。(3)與生態(tài)建設政策有關。鄭州市在推進國家森林城市建設過程中, 結合全市基礎條件, 開展了城鎮(zhèn)綠化提升工程、生態(tài)廊道建設工程、北部平原風沙治理工程、水系生態(tài)綠化工程、濕地恢復與保護工程、郊野公園、森林公園建設工程、現(xiàn)代林業(yè)示范區(qū)建設工程等一系列的生態(tài)工程。目前, 全市域生態(tài)工程布局日趨合理, 以“一河、一山、兩翼, 五水、六楔、七廊”的市域生態(tài)空間格局日趨完善[22]。

圖6 格網(wǎng)尺度下鄭州市生態(tài)服務價值量冷熱點圖

Figure 6 Hot spots of Zhengzhou's ecological service value in grid scale

本文采用分布式測算法[18, 23]對鄭州市生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行測算。由于生態(tài)系統(tǒng)服務功能的測算涉及內(nèi)容多樣, 為了科學評估這一龐雜的系統(tǒng), 將研究區(qū)域劃分成多個均質(zhì)化的生態(tài)系統(tǒng)服務功能測算單元進行評估, 最終匯總出鄭州市每個行政區(qū)域和整個鄭州市的生態(tài)系統(tǒng)服務功能, 其結果可用于城鄉(xiāng)生態(tài)空間格局優(yōu)化策略。針對研究區(qū)現(xiàn)狀, 主要規(guī)劃對策建議如下: (1)依據(jù)各行政區(qū)劃生態(tài)源地整體和局部空間自相關分布特征分析結果, 未來進行國土空間格局優(yōu)化時應注重高值區(qū)的永久保護, 主要包括位于鄭州西南象限(如嵩山、大熊山、紙坊水庫、白沙水庫等), 此區(qū)域自然植被資源豐富, 地形復雜, 具有城市的異質(zhì)性, 對此區(qū)域應進行優(yōu)先保護, 提高生態(tài)源地內(nèi)部功能質(zhì)量, 發(fā)揮空間規(guī)模效應和集聚效應, 嚴格控制開發(fā)強度, 利用“雙評價體系”完善生態(tài)紅線保護制度; (2)低值區(qū)的建設與修復, 主要包括位于鄭州中部及北部人口密度大的區(qū)域, 應結合國土空間規(guī)劃, 合理控制城市人口的增長及建設用地面積的增加, 進行高效配置, 增加綠量, 重視生態(tài)基礎設施的建設, 加強連接主城區(qū)和城市周邊綠地, 維持城市生態(tài)平衡, 改善城市環(huán)境, 提高生態(tài)效益[24]。

4 結論

土地覆被類型和變化是人與自然相互作用最直接的表現(xiàn)形式, 是生態(tài)服務價值變化最根本的因素[25], 格網(wǎng)尺度法探索生態(tài)服務價值作為精準劃定生態(tài)紅線、城市開發(fā)邊界線的重要依據(jù)具有廣闊的應用前景。研究以市域空間尺度上土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎, 運用當量因子法計算鄭州市生態(tài)服務總價值、6種生態(tài)系統(tǒng)類型價值、各行政區(qū)生態(tài)服務價值以及9種生態(tài)服務功能所提供的價值, 在此基礎上運用空間自相關理論探討土地利用所產(chǎn)生的的分布特征與空間自相關關系, 解析鄭州市格網(wǎng)空間分布特征和分布規(guī)律, 其結果可通過多種政策工具的干預實現(xiàn)其生態(tài)產(chǎn)品的價值, 建立“綠水青山”向“金山銀山”轉化的長效機制[26–27]。

研究表明, 以政府主導的退耕還林和人工造林對鄭州市生態(tài)環(huán)境的恢復和保護起到顯著的積極作用, 但是在空間格局上仍然存在一些問題: (1)鄭州市格網(wǎng)在整體上呈聚類分布。Getis-Ord Gi*熱點分析圖表明, 高高聚集區(qū)(H-H)與的高值區(qū)域相匹配, 低低聚集區(qū)(L-L)與的低值區(qū)域相匹配, 高高聚集區(qū)(H-H)和低低聚集區(qū)(L-L)集聚指數(shù)比較顯著, 占比格網(wǎng)的40.67%。(2)在空間分布格局方面, 鄭州市格網(wǎng)高值區(qū)域分布于研究區(qū)西南山地的中山、低山區(qū), 低值區(qū)域分布于中部及東北部人口密集的平原區(qū), 呈中心城區(qū)向西南遞增、東北遞減的趨勢。(3)在各項生態(tài)服務價值貢獻方面, 森林的生態(tài)服務價值量最高, 其次是農(nóng)田、河流(湖泊)、城市綠地、草地。(4)在各項生態(tài)服務價值構成方面, 其大小順序依次為: 水文調(diào)節(jié)>保持土壤>維持生物多樣性>廢物處理>氣候調(diào)節(jié)>氣體調(diào)節(jié)>原材料生產(chǎn)>食物生產(chǎn)>提供美學景觀。

本研究尚存在不足之處。生態(tài)系統(tǒng)具有復雜性、動態(tài)性、非線性特征, 謝高地等學者提出的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量是全國尺度的, 具體到各地區(qū)存在一定偏差, 土地利用分類的精度也會影響模擬結果, 在一定程度上影響了的評估精度。在未來的研究中, 有兩個問題需進一步提升: 首先, 此次鄭州市生態(tài)服務價值計算是靜態(tài)的, 未來應在歷年鄭州市土地利用變化演進的情況下, 研究其的時空演變; 其次, 擴大研究范圍, 著眼于國家中心城市建設, 將鄭州國家中心城市與其它已確立的國家中心城市的生態(tài)服務價值及空間格局相比較, 給鄭州未來國土空間規(guī)劃發(fā)展提供參考。

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Evaluation of ecological service value and spatial pattern analysis of Zhengzhou City

ZhangShumei1, zhao Xiaoyu1, wang Ying1, zhang Yu2, SHI Chaoqi3, Tian Guohang1, *

1. College of Landscape Architecture and Art, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450000, China 2. Henan International United Lab of Landscape Architecture, Zhengzhou 450000, China 3. Green Management Office of Zhengkai Avenue, Zhengzhou 450000, China

Taking the spatial scale of Zhengzhou city as the research area, based on the Ecosystem Service Value equivalent factors, and using the GIS grid-scale method, Moran I ’s, Getis-Ord Gi * Statistical analysis method of scenic spot analysis, this study makes aquantitative visualization analysis of the spatial ecological service value of Zhengzhou. The results show that: (1) The total value of ecological services in Zhengzhou is 104.07×108CNY. (2)The ecological service value of different types of ecosystem ranks as follow: forest > crop > river (lake) > urban green space > grass > impermeable land; the contribution ranking of each ecosystem service function value is: hydrological regulation > soil conservation > maintain biodiversity > waste treatment > climate regulation > natural gas regulation > raw material production > food production > aesthetic landscape. In terms of the ecological service values of differentadministrative districts, Dengfeng City, Gongyi City and Xinmi City are higher than others. (3) The value of ecosystem services of Zhengzhou is agglomerated. The most value areas are concentrated on the middle and low mountain areas of southwestern, the bank of the Yellow River, rich in natural vegetation resources. The most moderate value areas are concentrated on the northeast of the plain with impermeable land.

land use; ecosystem service value; spatial auto-correlation; ecological balance

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.015

張淑梅, 趙曉玉, 王瑩,等. 鄭州市生態(tài)服務價值評價及空間分布模擬[J]. 生態(tài)科學, 2022, 41(1): 129–137.

ZhangShumei, zhao Xiaoyu, wang Ying, et al. Evaluation of ecological service value and spatial pattern analysis of Zhengzhou City[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 129–137.

F205

A

1008-8873(2022)01-129-09

2020-05-21;

2020-06-27

河南省城鄉(xiāng)綠地資源調(diào)控與景觀生態(tài)設計學科創(chuàng)新引智基地(GXJD006)；河南省風景園林國際聯(lián)合實驗室；河南省人文社會科學研究項目(2019-ZZJH-422)

張淑梅(1987—), 女, 河南信陽人, 博士在讀, 講師, 主要從事城鄉(xiāng)綠地資源建設與管控研究, E-mail: meishu_zhang83@henau.edu.cn

田國行, 男, 博士, 教授, 主要從事風景園林規(guī)劃理論研究, E-mail: tgh0810@163.com