Spatio-temporal dynamics of ecosystem service value in Zhengzhou

郑州 (34°16′~34°58′N，112°42′~114°14′E) 属暖温带半干旱大陆性气候，地处中原腹地，北临黄河，西依嵩山，南部有始祖文化发源地，东为黄淮大平原，山水相依，自然文化资源丰富，河流水系众多，有“九州之中，十省通衢”之称；郑州市域总面积7 446.2 km²，现辖6区5市1县：金水区、二七区、中原区、管城区、惠济区、上街区、郑东新区、巩义市、登封市、荥阳市、新密市、新郑市、中牟县。

采用2004年、2009年、2014年分辨率为30 m的郑州市Landsat TM影像，以1:50 000地形图为参考，运用ENVI 5.1对郑州市不同时期的Landsat TM影像进行图像的镶嵌、裁剪、几何纠正和地形校正等预处理，通过掩膜提取得到覆盖研究区的3期影像。参照GB/T 21010-2007《土地利用现状分类标准》，结合研究区域自然条件和土地利用分类体系，将郑州市土地根据利用类型分为耕地、林地、水域、建设用地和未利用地5种。运用ENVI 5.1基于先验知识建立训练样本，对处理后的遥感影像进行监督分类，结合谷歌影像以及野外调查数据对解译结果进行人工修改，得到研究区3期土地利用分类数据。通过随机选点来验证数据的解译精度。野外全球定位系统 (global positioning system, GPS) 调查数据表明，总体分类精度为85.6% ~ 88.9%，满足研究需求。为了使生态系统服务价值的评价尺度具有可比性，将郑州市划分为郑州市辖区 (下称城区)、新密市、新郑市、巩义市、登封市、荥阳市、中牟县等7个评价单元，基于ArcGIS 10.0统计时序变化下郑州市各评价单元土地利用类型的面积，并建立数据库。此外，本研究还搜集了研究区行政分布图和《郑州市统计年鉴》等相关基础资料。

土地利用动态变化。土地利用动态变化可用来表示土地流转的速度，分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。单一土地利用动态度 (K_L) 计算公式为^[5-7]：

式 (1) 中：U_a指研究初期某种利用类型土地面积；U_b指研究末期某种利用类型土地面积；T为研究周期 (a)。综合土地利用动态度 (R_Z) 计算公式为：

式 (2) 中：U_i为研究初期第i类土地类型面积；ΔU_i-j指研究期间内第i类土地转为非i类土地类型面积的绝对值；T为研究时长。土地利用程度综合指数。根据庄大方等^[14]的分级方法并结合郑州市情况，使用该指标衡量土地利用的深度及广度。计算公式为：

式 (3) 中：A_i指研究区内土地利用程度分级指数，未利用地为1级，林地、水域为2级，耕地为3级，建设用地为4级；C_i指i级土地与研究区面积的比值；n为土地利用程度分级数；D＞0时表示研究区土地利用程度正处在发展阶段，否则处于衰退或调整阶段^[5-7]。

谢高地等^[8-9]根据COSTANZA的研究，制定了“中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值当量表”，其中农田的当量为1，规定农田的生态系统服务价值当量因子的经济价值等于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7。本研究在此基础上，结合研究区单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值进行修订。方法如下：

式 (4) 和式 (5) 中：Q₁为研究区2004-2014年粮食产量均值4 518 kg·hm^-2，F₁为2008年全国粮食平均收购价格1.69元·kg^-1。由此估算出研究区农田单位面积生态系统服务价值当量的价值E₁为1 090.77元^[15-16]。E_x为第x类土地利用类型单位面积生态系统服务价值当量的价值，a₁为农田的当量，a_x代表除农田以外其他5类生态系统当量 (x=2, 3, …, 6)，依次对应森林、草地、湿地、河流/湖泊、荒地。由于林地与森林环境相似，耕地与农田环境相似，城市未利用地与荒漠环境相似，因此将林地、耕地、未利用地分别对应森林、农田、荒漠的价值系数，并假定建设用地的价值系数为0，由式 (4) 和式 (5) 求出郑州市不同土地利用类型生态系统服务价值系数 (元·hm^-2，表 1)^[16-17]。计算郑州市各时期土地生态系统服务价值：

式 (6) 和式 (7) 中：V_ES指生态系统服务价值；A_k指研究区第k种土地利用类型的面积；C_k指第k种土地利用类型的生态系统服务价值系数；V_ESf指单项 (f项) 生态系统服务价值；C_fk指第k类土地利用类型的第f项生态系统服务价值系数^[18-19]。

变异系数可以度量郑州市域不同时间序列的生态系统服务价值的空间离散程度，以及不同地区生态系统服务价值时间上的离散程度。计算公式为：

式 (8) 中：V_c为变异系数；n为样本数；K_i为样本分值；K为样本分值平均值^[20-22]。

相关分析可以定量描述2个变量之间的线性相关程度，明确2个变量之间的相关方向。采用Pearson简单相关系数^[21]，以郑州市生态系统服务价值、不同土地利用类型在时空尺度的变异系数为变量，定量描述郑州市生态系统服务价值与各类用地变化之间的相关关系。其计算公式为：

式 (9) 中：R_xy为相关系数；n为样本数；x_i，y_i分别是x，y的第i个值；x，y分别是x，y的平均值^[23]。

由式 (6) 和式 (7) 求出郑州市各时期土地生态系统服务价值如表 2。2004-2014年间，耕地和林地始终是研究区主要用地结构，两者面积和占研究区总面积的70%以上；林地面积不断增长，总用地类型面积比率由2004年的22.05%增加到40.56%，成为第一大土地利用类型；耕地面积不断减少，比例由62.36%下降到34.4%，退居第二大土地利用类型；建设用地面积快速增长；水域面积和未利用地面积在2004-2014年间都呈现先增后减的趋势。研究区总体变化呈现“三增两减”趋势，受退耕还林、乡村旅游、城市扩张等因素影响，耕地向林地、建设用地流转。

根据式 (1) 式 (2) 和式 (3) 求出相关指数如表 3。对比2004-2009与2009-2014各类用地单一动态度，耕地、林地、建设用地单一动态度变动较为平稳，水域、未利用地单一动态度变化较大，在2004-2009呈现增长趋势，而2009-2014急转而下呈现减小趋势。2004-2014年间综合动态度有逐渐衰减的态势。2004-2009年未利用地、林地的单一动态度较高，2009-2014年建设用地、未利用地的单一动态度较高，说明这些土地流转较快，林地单一动态度为各种用地类型最小，归因于2009-2014年间城市中心快速发展，耕地、建设用地、未利用地、水域相互流转，而林地主要集中在城市郊区变动速率较为缓慢。由表 3可知：在2004-2014年间研究区2004，2009和2014年土地利用程度综合指数总计均大于270，表明郑州市土地正在快速流转，2014年除耕地、水域、未利用地土地利用程度较2004年下降，处于衰退期，但总体上土地利用程度较高。比较各类土地可知，2004-2014年间耕地利用综合指数下降明显，2009-2014年间水域、未利用地利用程度降低进入衰退期。

根据式 (8) 求出研究区生态系统服务价值变异系数如表 4。在2004-2014年，7个评价单元中只有郑州市辖区的生态系统服务价值减少，其他6个区域均为增长。2004-2009年期间，7个评价单元的生态系统服务价值均有增长，其中中牟县、新郑市增长最为明显，年增长率分别为6.2%和5.5%。2009-2014年间除城区、中牟县、新郑市服务价值衰减，其他区域生态系统服务价值均表现出连续增长的态势。总体上看郑州市生态系统服务价值在时间序列上变化较为剧烈，变异系数达到10.3%。7个评价单元中生态系统服务价值时序变化存在差异，其中新密市、登封市的生态系统服务价值在研究期间变化最为剧烈，变异系数分别为23.2%和17.8%；巩义市、郑州市辖区生态系统服务价值在时间序列上变动较平稳，变异系数分别为6.7%和6.5%。

从表 5看出：不同用地类型对生态系统服务功能的贡献也各不相同，林地、耕地这2类用地提供了郑州市88%以上的生态系统服务价值。2004-2009年间除耕地生态系统服务价值呈现下降态势以外，其他用地类型均呈增长态势，且未利用地增长最为迅速，年平均增长率达到16.7%。2009-2014年间水域、未利用地的生态系统服务价值显示减小，且耕地以更快的速率不断减少；虽然本研究中规定建设用地服务价值为0，其在总体价值上无增无减，但是由于建设用地不断扩张，侵占林地、水域等生态用地，直接致使林地、水域等生态用地的生态系统服务价值的锐减；与此相反，在2006年城市绿地系统规划、2008年林业生态城市建设、2011年郑州都市区森林公园体系建设以及2012年郑州新型城镇化建设提出的“两环十七放射生态廊道建设”等相关政策带动下，郑州市林地大幅度增长，弥补了建设用地增多，耕地、水域等生态用地减少带来的负面影响，使研究区生态系统服务价值保持稳步上升的趋势。

从不同类型生态服务产生的价值来看 (表 6)，郑州市水文调节服务价值占比居于领先地位，占总价值的15%以上，但是水文调节绝对价值由2004-2009年的增长趋势转变为2009-2014年的减小趋势，可能是由于郑州市水域面积下降了8 281.95 hm²，黄河流域水位下降转化为滩涂、裸地等未利用地，用地类型改变了，但其水源涵养功能尚存，从而保障了水文调节服务的稳定。从年变化率来看，除食品生产、废物处理服务价值显示出降低态势，其余各类型服务价值均呈现增大态势，其中原材料生产服务价值、提供美学景观服务价值、气体调节服务价值增长最为显著，为郑州市服务总值的提高给予支持。

本研究以各评价单元地均生态系统服务价值 (表 4) 为依据，采用Arc GIS中的自然间断点分级法 (Jenks) 划分郑州市2004-2014年生态系统服务价值为5个等级 (图 1)，各个评价单元颜色从浅到深依次代表服务价值状态：低、较低、一般、较高、高，以各个评价单元的生态系统服务价值等级均值代表2004-2014年郑州市总体水平。由图 1可知：2004-2014年间总体上城区、新郑市的生态系统服务价值一直处于较低等级，巩义市、登封市的生态系统服务价值一直处于较高等级，就位于不同生态系统服务价值等级的市 (县) 数量来看，处于较高和较低水平的最多，占评价单元总量的70%以上，中等水平的评价单元数量不超过2个。在2004年位于较低生态系统服务价值等级的分别是：城区、新郑市、中牟县；位于中等生态系统服务价值等的级分别是：荥阳市、新密市；巩义市、登封市则处于低生态系统服务价值等级；至2009年荥阳市生态系统服务功能恶化使生态系统服务价值降低，由中等进入低值范围，相反新密市生态系统服务功能提高，其生态系统服务价值等级由中等变为较高；2014年中牟县生态系统服务价值等级由中等降为较低，而荥阳市则较之前提高，处于中等级别。从空间分布来看，生态系统服务价值呈现明显的西高东低分布形态，这是由于西部高值区域森林资源较为丰富，单位面积绿量较高，林地面积所占总用地类型面积较高基本上达到40%以上，其中新密市林地面积在总面积的70%以上，为生态系统提供了更丰富的生态服务；相反东部低值区域的黄淮平原，主要以耕地为土地利用类型，森林覆盖率较低，且黄河的水资源并没有为东部地区生态系统的改善提供支持，从而导致东部地区的服务价值多年没有增长迹象。由此说明：郑州市整体服务价值空间变异特征与地势地形地貌密切相关。

Figure 1.  Spatial differences of the ESV in Zhengzhou from 2004 to 2014

由图 1同时可知：郑州市北部生态优势逐年弱化，生态重心逐步向南转移；南部巩义市的生态系统服务价值逐年减小，到2014年生态系统服务价值等级地位被新密市所取代，与登封市形成组团成为研究区生态系统服务价值最优区域，并且以城区为中心呈现由“低-高”的逐渐增强的布局形式。以郑州市各年度生态系统服务价值在各评价单元的变异程度可以看出，2004-2014年间郑州市生态系统服务价值在各地区间分布越来越不均衡，其中新密市、登封市、中牟县的生态系统服务价值的时序离散程度较高，分别为23.2%，17.8%，16.3%，也是造成研究区生态系统服务价值空间分异较大的原因。

对研究区的各类土地利用类型的生态系统服务价值时序离散程度进行分析发现 (图 2)，水域、未利用地的生态系统服务价值离散程度变动较为显著，其他土地利用类型的生态系统服务价值也呈现不同程度的波动。未利用地生态系统服务价值的剧烈变动主要源于城市化建设过程中存在大量的施工现场以及黄河水位下降滩涂地增多；水域生态系统服务价值变动剧烈主要由于研究区东北部的大量鱼塘的消失，以及研究区范围内黄河水域面积的减少。以研究区各评价单元生态系统服务价值的变化的离散程度和各类型土地利用面积的变异系数为变量，采取Pearson相关系数由式 (9) 计算两者的相关关系。结果表明：研究区生态系统服务价值与林地面积在0.05水平显著相关，相关系数为0.855；而其他地类面积与生态系统服务价值并无显著线性相关关系。这表明林地面积的增长是带动整个研究区生态系统服务价值提升的根源所在。

Figure 2.  Dispersion levels of the ESV and LUCC in each district of Zhengzhou from 2004 to 2014

研究区在研究期间始终处在发展阶段，整体上土地利用程度较高，覆土结构变动较大，呈现耕地、水域面积减少，林地、建设用地、未利用地面积增加的“三增两减趋势”。其中林地面积增长，带动原材料生产、美学景观、气体调节的ESV显著增加，而建设用地的增加带来了ESV的亏损。郑州市生态系统服务价值在时间序列上变动较为剧烈，除城区呈下降态势，其余地区均呈现增加趋势；从生态系统服务价值空间分异来看，随着郑州市生态系统服务价值的不断提升，生态系统服务价值呈现明显的西高东低，南高北低的分布形态。为缩小区域间的差异，应在西部山区丘陵区提升林业内涵质量，调整林种树种结构，提高林地单位面积的绿量；在中心区域加大建设用地管控力度，调控政策限制该类型用地不断扩张；在东部平原应加强造林工作以及水资源的生态恢复与治理。郑州市2004-2014年生态系统服务价值与林地面积呈显著正相关，相关系数为0.855，与其他地类面积并无显著线性关系，强调了林地面积的增长是带动区域生态系统服务价值提升的根源。

由于生态过程的复杂性、异质性、尺度多样性，以及生态系统服务价值评估体系的不完善性和评价方法的不统一性，不同的生态系统间的服务价值可比性较弱。胡金龙等^[22]、钟媛等^[5]、曾杰等^[23]以同样的评估方法分别对桂林市、西安市、武汉城市圈进行生态系统服务价值估算，较本研究生态系统服务价值估算结果偏高。这是由于在对生态系统服务价值当量进行修正时方法不同以及研究地域特征本身也存在差异。本研究采用统一的生态系统服务价值当量对研究区的生态系统服务价值进行时间和空间上的分析，评估结果并不会对时空分析产生影响；但是后续可加强生态系统服务价值评估体系的规范性，以及计算方法的科学性、准确性^[24]。

采用变异系数对研究区生态系统服务价值时间、空间上的离散程度进行分析，能够反映出研究区生态系统服务价值时空分异特征，但无法对不同尺度下的局部特征进行描述。生态过程的复杂性以及尺度的多样性并不能简单以数值估计。今后需要更深入探究尺度变化下的不同区域、整体与局部的生态系统服务价值，创建定量估算方法及模型，以生态过程为出发点探究局部生态系统服务价值时空分异特征。