贾 琦

(郑州轻工业大学艺术设计学院，河南 郑州 450002)

生态系统服务价值(Ecosystem Service Value，ESV)评估作为联合国千年生态系统评估的重要内容，将对区域内的生态环境质量提升、生态安全格局构建以及生态文明社会建设等方面产生重要的影响[1-3]。早在20世纪90年代，生态经济学家Robert Costanza首次完成了对全球生态系统服务价值的估算，并进一步促进了生态系统服务领域的深入研究。随后，我国学者谢高地等[4]基于对青藏高原生态系统服务价值的评估，建立了适合我国实际的陆地生态系统单位面积价值当量因子表，并在随后的实证研究中不断对其进行修正和完善[5-7]。基于上述研究基础，一些学者分别从生态系统功能类型[8-9]、演化格局[10-12]、价值评估[13-15]以及土地利用类型等视角对生态系统服务价值的影响[16-17]和驱动机理[18-19]展开了实证研究。其中，土地利用演化对生态系统服务价值的响应机制备受关注。李建龙等[20]引入灰靶理论及熵权理论，通过构建熵权灰靶生态系统服务价值模型，进而将其有效应用于区域土地利用环境影响评价中，是土地利用规划与生态系统服务价值研究的成功尝试；戴文远等[21]引入国土空间规划中的“三生空间融合”理念，分析了福州新区土地利用功能转型及其生态系统服务价值响应，同样具有典型性。通过梳理相关文献可知，目前，土地利用变化及其生态系统服务价值的研究成果多广泛应用于城市群、流域、生态功能区等多尺度，主要集中在单类型或单区域，而针对各研究对象内部间的生态系统服务价值量化分析与比较研究较少，尤其缺乏快速城镇化地区微观视角下生态系统服务价值动态变化特征和内在驱动机制的研究。

荥阳市地处豫西山区向黄淮平原过渡地带，隶属于河南省会郑州市，距郑州市仅15 km，对维系郑州城市生态安全，促进郑州都市圈健康发展具有极为重要的生态支撑功能。近年来，受郑州国家中心城市和中原城市群建设的影响，紧邻郑州市的荥阳市土地利用/覆被变化(LUCC)显著，区域土地利用质量的生态风险日益严峻，生态环境恶化趋势加剧。因此，本文基于GIS、RS平台以及ESV评估模型，在分析1990—2019年荥阳市土地利用类型演化特征的基础上，对荥阳市ESV进行评估，揭示LUCC影响下近30年荥阳市ESV的空间差异及其变化特征，以期为郑州全域生态安全管控以及土地利用优化配置提供决策依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区区位Fig.1 Location of the study area

荥阳市隶属于河南省郑州市，地理坐标介于东经113°07′～113°30′和北纬34°36′～34°59′之间，地处黄河中下游分界处，北邻黄河，南靠中岳嵩山，西望洛阳，东部紧邻郑州中心城区，位于中原城市群的核心部分，同时也是郑洛工业走廊的重要节点之一。该地区气候类型属北温带大陆性季风气候，年降水量为645.5 mm，年均气温为14.3℃。从地形地势来看，荥阳市域西、南和北部片区地势较高，地形自西向东逐渐倾斜，整体上属半平原半丘陵地形(见图1)。该区域土地总面积为943.19 km2，辖2个街道办事处、9个建制镇和3个乡,受益于特殊的区位优势，荥阳市凭借境内的郑州绕城高速、2条郑州地铁以及郑州西高铁站等，现已和郑州主城区高度融合发展，同时接受郑州市的辐射和带动作用，自2017年起始终位于全国综合实力百强县(市)之列。但由于人口增长、城镇扩张以及工业产业的快速发展，境内水土流失、耕地侵占、水质污染等生态环境效应加剧，对区域生态环境质量进行改善已刻不容缓。

1.2 数据来源及预处理

本研究所需土地利用数据均来源于区域1990年、2000年、2010年和2019年的4期Landsat TM和Landsat OLI_TIRS卫星影像数据(空间分辨率为30 m×30 m，数据来源于地理空间数据云网站：http://www.gscloud.cn)，并基于ENVI 5.3平台进行遥感影像数据的空间解译和提取(见图2)。同时，结合荥阳市的自然环境现状与土地资源特征，以及野外实际考察，参照土地利用现状分类标准(GB/T 21010—2017)，将其划分为耕地、林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水域和建设用地7种类型。为了保证研究区土地利用类型的解译精度，以《荥阳市土地利用总体规划(2010—2020年)》中的土地利用现状数据和Google Earth中历史影像数据为参照对象，通过土地利用类型中斑块数据与解译数据之间的现状对比和变化分析，最终得到1990—2019年荥阳市4期的土地利用类型解译数据，经Kappa系数检验，其结果精度均在91%以上，符合研究精度要求。

图2 1990—2019年荥阳市各个时期不同土地利用 类型的空间分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of land use types in Xingyang city in different periods in 1990-2019

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化分析

(1) 土地利用类型转移矩阵:基于解译提取的荥阳市1990年、2000年、2010年和2019年4期土地利用类型数据(shp格式)，利用ArcGIS 10.5平台转换为同一投影系统(WGS_1984)，进而统计4个时期各土地利用类型的面积，随后通过dissolve命令对各时段土地利用类型矢量图层进行同类数据的合并，采用intersect命令对合并后的矢量图层进行叠置分析，然后导入Excel中，通过数据透视表功能建立荥阳市土地利用类型转移矩阵。

(2) 土地利用动态度：土地利用动态度分析是研究土地利用演化的常用方法，主要用以定量探究特定区域范围内不同时段的各土地利用类型的变化强度和范围等，通常包括单一类型土地利用动态度和综合土地利用动态度两种[22]。其中，单一类型土地利用动态度主要是侧重于表征特定区域范围内不同土地利用类型间在特定时段内的变化速度和强度特征的重要指标之一，用以反映人类社会经济活动对单一土地利用类型的影响程度[22]；而综合土地利用动态度则是测算特定区域内土地利用类型整体变化速度和强度的重要指标之一，其主要用于反映人类各种活动对区域整体土地利用变化的影响程度[22]。

1.3.2 生态系统服务价值(ESV)评估

本研究基于生态价值货币当量化的评估方法，在各土地利用类型生态系统服务价值当量因子的计算中引用Costanza等[23]的生态系统服务价值当量因子法，同时参考我国学者谢高地等[4]修订的ESV当量因子，结合河南省的修正系数(1.39)，构建适合荥阳市的土地利用单位面积ESV当量因子。针对各土地利用类型而言，由于研究区耕地(农田)多以旱地为主，研究区林地基本都为灌木林，因此耕地和林地分别取谢高地等[4]构建的旱地和灌木林的当量因子值；研究区域内高覆盖度草地的当量因子取草原、草甸和灌草丛的平均值作为基准当量因子，中覆盖度草地和低覆盖度草地则按照高覆盖度草地当量因子的0.8和0.6比例适当缩减；水域则对应水系当量因子，本研究对人工生态系统不做评估，因此建设用地各项生态系统服务价值的当量因子设为0。相关因子均按照谢高地等[4]对河南省的当量因子修正系数(1.39)统一校正。

1.3.3 生态系统服务价值(ESV)指数敏感性分析

生态系统服务价值(ESV)指数敏感性分析借用经济学中弹性系数的分析方法[24]，进而确定荥阳市生态系统服务价值变化随时间推移对其ESV指数的敏感程度。其计算公式如下：

(1)

式中：CS为研究区的ESV敏感性指数；ESVi和ESVj分别表示ESV调整前后的总价值；VCik和VCjk分别表示ESV调整前后的当量因子。

若CS>1，则表示ESV对当量因子富有弹性，其准确度较差，研究结果可信度不高；反之，若CS<1，则表明ESV对当量因子缺乏弹性，其准确度较好，研究结果可信度较高。

表1 荥阳市土地利用单位面积生态系统服务价值(ESV)当量因子Table 1 Ecosystem service value equivalent factors per unit area in Xingyang City

2 研究结果与分析

2.1 荥阳市土地利用类型变化特征

2.1.1 土地利用演化特征

荥阳市1990年、2000年、2010年和2019年4个时期不同土地利用类型的空间分布及其演化特征见图2，不同土地利用类型的面积占比情况见表2。

由图2可见，从研究区各期土地利用类型总体的空间分布来看，荥阳市水域空间主要以黄河、唐岗水库、丁店水库以及贯穿荥阳市区的索河等为主，2000年以后位于北部的黄河滩区逐渐改造为黄河鲤鱼水产养殖基地，其他水域空间变化不大；受城镇化进程持续加快的影响，市域范围内建设用地快速扩张，其中尤以荥阳市区和上街区(其虽为郑州市辖区，但由于特殊的区位特点，区域土地利用变化及ESV演化响应与周边因素息息相关，所以纳入整体分析)建设用地扩张趋势最为明显，且在2010年以后呈带状趋势蔓延；林地资源多集中在市域西南侧的环翠峪风景区及沿线山脉；高覆盖度草地多集中分布在荥阳市西部的高山镇等山区；其他土地利用类型零星分布在市域南侧的耕地和林地附近。

表2 1990—2019年荥阳市4个时期不同土地利用类型的面积占比情况Table 2 Proportion of different land use types in Xingyang City in 1990-2019

由表2可知，近30年间，荥阳市土地利用类型均以耕地为主，其面积占比均超过60%，其次为建设用地，其面积占比为20%左右，两者占荥阳市总面积的比例超过80%；分析各土地利用类型变化特征得知，荥阳市域水域和中覆盖度草面积出现大幅减少的趋势，2019年水域和中覆盖度草地面积相对于1990年分别减少34.59%和26.69%，耕地、林地、高覆盖度草地和低覆盖度草地面积则出现小幅减少，建设用地面积占比持续增加，2019年建设用地面积相对于1990年增加28.43%。

1990—2019年荥阳市土地利用类型转移矩阵，见表3。

表3 1990—2019年荥阳市土地利用类型转移矩阵(单位：hm2)Table 3 Transfer matrix of land use types in Xingyang City in 1990-2019 (unit:hm2)

由表3可知，荥阳市新增耕地面积主要来源于水域和中覆盖度草地的转化，两者贡献面积分别为3 156.25 hm2和164.67 hm2；新增水域面积主要来自耕地，其转化面积高达646.82 hm2；新增建设用地中同样有4 675.88 hm2的耕地面积发生转移；此外，新增土地利用类型还包括林地和低覆盖度草地，其转化面积分别为76.09 hm2和72.05 hm2。

2.1.2 土地利用动态度分析

根据1990—2019年荥阳市4个时期的土地利用遥感解译数据，结合吴琳娜等[22]采用的土地利用动态度模型分别计算其单一土地利用动态度和综合土地利用动态度，其计算结果见表4。

表4 1990—2019年荥阳市各时段内土地利用动态度Table 4 Land use dynamic degree of Xingyang City in 1990-2019

由表4可以看出：

(1) 从单一土地利用动态度来看，荥阳市水域单一土地利用动态度的变化幅度最大，由研究期初(1990—2000年)的-31.78%迅速增至期中(2000—2010年)的15.33%，随后又降至期末(2010—2019年)的-16.86%，究其原因主要归因于黄河沿岸耕地面积的转移等因素；其次为中覆盖度草地，在1990—2010年间中覆盖度草地单一土地利用动态度持续减少，其值在研究期初和期中分别为-12.74%和-19.06%，是由于随农业扩张导致的耕地面积得以扩张；此外，随着城镇化进程的持续加快，市域建设用地扩张明显，各时段内建设用地单一土地利用动态度均超过8%。受其影响，耕地和林地等类型自2000年以后呈持续减少趋势，其动态度均在-2%左右。

(2) 整体而言，近30年间(1990—2019年)荥阳市综合土地利用动态度均为负值，且变化较大。研究期初(1990—2000年)该市综合土地利用动态度的变化幅度高达-36.73%，主要受水域和中覆盖度草地变化的影响较大；中期(2000—2010年)该市综合土地利用动态度的变化幅度较小，仅为-1.4%；后期(2010—2019年)自2010年以来随着城镇化进程的加快，市域水域、林地等生态空间持续遭受侵占，其综合土地利用动态度随之增至-7.02%。

2.2 荥阳市生态系统服务价值(ESV)估算

2.2.1 土地利用类型的ESV变化特征

1990—2019年荥阳市4个时期不同土地利用类型生态系统服务价值(ESV)变化，见表5。

表5 1990—2019年荥阳市4个时期不同土地利用类型的生态系统服务价值(ESV)变化Table 5 ESV changes of each land use type in Xingyang city in 1990-2019

结合荥阳市土地利用类型面积占比(表2)及其ESV变化情况(见表5)来看：1990—2019年荥阳市水域面积的比例在4.91%～7.50%之间，但其ESV的贡献程度则为荥阳市所有土地利用类型中最高；4个时段内水域的ESV分别为128.34×108元、87.55×108元、100.98×108元和83.95×108元，其占荥阳市ESV的比例分别为71.10%、62.49%、66.38%和62.42%；此外，耕地和高覆盖度草地也是荥阳市ESV的主要来源，近30年其ESV的贡献量分别处于34.68×108～35.69×108元和9.03×108～9.10×108元之间，其占比则各介于19.77%～25.91%和5.03%～6.72%之间；林地、中覆盖度草地和低覆盖度草地ESV的占比较小，均处于3.81%以下，且整体波动幅度不大。总体而言，荥阳市在4个时段内ESV呈现出波动式下跌的趋势，由研究期初1990年的180.51×108元持续波动并跌至研究期末2019年的134.49×108元。

2.2.2 单项生态服务功能的ESV变化特征

1990—2019年荥阳市各期单项生态服务功能的ESV变化，见表6。

表6 1990—2019年荥阳市4个时期单项生态服务功能的ESV变化Table 6 ESV changes of each single service function in Xingyang City in 1990-2019

由表6可知，荥阳市10种生态服务功能的ESV变化特征整体表现出持续减少的趋势。其中，水文调节ESV的贡献程度最高，同时也是ESV减少程度最大的生态服务功能类型，其由1990年的110.18×108元降至2019年的73.85×108元，ESV的贡献率随之由61.04%跌至54.91%；其次是水土保持、气候调节、水资源供给、食物生产和气体调节等生态服务功能类型，上述6种单项生态服务功能的ESV共同构成了荥阳市ESV来源的主要类型，其单项生态服务功能的ESV占比均在4.63%以上，合计占比超过88%；此外，生物多样性、原料生产和养分循环生态服务功能ESV的贡献率较小；近30年间荥阳市ESV的演变由研究初期(1990—2000年)的快速减少到中后期(2000—2019年)变化趋于逐步缓和，表明其土地利用类型的演化格局和空间分布趋于逐步优化阶段，所产生的生态系统服务价值渐趋平稳。

2.2.3 ESV的空间分布格局

为了深入探究荥阳市ESV的空间分布格局及其演化规律，本文基于ArcGIS 10.5软件中的渔网重采样工具，将荥阳市1990年、2000年、2010年和2019年共4期的土地利用类型数据栅格单元转化为300 m×300 m，并将其转为矢量面数据，共得到10 892个样本数据面。以每个样本数据面图层代替原每10个栅格数据的值，然后基于分区统计功能计算样本数据面中的ESV数值，最终得到荥阳市4个时期内生态系统服务价值空间分布格局，见图3。

图3 1990—2019年荥阳市4个时期生态系统服务价值 (ESV)的空间分布格局Fig.3 Spatial distribution pattern of ecosystem service value in Xingyang City in 1990-2019

由图3可见，1990—2019年的近30年间，荥阳市ESV的总体空间分布上呈现出以黄河、各主要水库以及西南侧环翠峪风景区等为多中心的ESV高值集聚区、南北两侧区域ESV值高于中部地区的特征，此外西部高山镇等山区ESV值也相对较高。黄河和唐岗水库、丁店水库等以及周边河流水系、水产养殖基地等形成ESV高值集聚区的主要原因是由于其所蕴含的丰富水资源，水域ESV当量因子本身较高，故在类似面积下的生态系统服务价值更高。荥阳市域中东部地区多为有利于耕种和建设用地发展的平原地形，所以耕地和建设用地分布较多，而南部和西部地区多以山地丘陵地势为主，植被覆盖度较高，结合各土地利用类型的ESV当量因子可知，林地的ESV当量因子高于耕地，而建设用地并无生态系统服务价值。因此，总体上形成ESV值南北两侧和西部地区高于中东部区域的空间分布格局。除此之外，在市域东北部、荥阳市区西南侧万山森林公园以及东南侧贾峪镇洞林湖一带也出现一定范围的ESV高值集聚区，这与森林和部分中小水系集聚分布密切相关。然而，结合图3中1990—2019年荥阳市ESV的空间分布格局来看，位于中部平原地带的荥阳市区和上街区及其连接地带，随着时间的推移，ESV低值区开始逐渐蔓延并连成一片，上述区域社会经济较为发达、区域人地关系冲突十分显著，高价值的生态空间类型极为匮乏，且不断转移为建设用地类型，因此其ESV逐年降低且呈扩散趋势，未来应引起重视。

1990—2019年荥阳市乡镇尺度下生态系统服务价值(ESV)的空间分布格局，见图4。

图4 1990—2019年荥阳市乡镇尺度下生态系统服务价 值(ESV)空间分布格局Fig.4 Spatial distribution pattern of ESV at township scale in Xingyang City in 1990-2019

由图4可见，从荥阳市乡镇尺度下ESV的空间分布及变化情况来看，位于市域西部的王村镇、汜水镇和高山镇ESV值最高，其中王村镇和汜水镇在1990—2000年间ESV下降明显，分别减少了29.2×108元和22.5×108元，并于2000年后出现了快速下降的趋势，其次为市域南部的刘河镇、崔庙镇和乔楼镇，其年均ESV值介于6.2×108元至7.9×108元之间，且处于逐年小幅减少的态势，而其他乡镇和街道办事处则ESV值占比相对较小；从ESV的时空变化情况看，ESV值减少时段多集中在1990—2000年间，ESV高值区域集中在市域西北和中部片区所属乡镇。究其原因认为，荥阳市北部王村镇和汜水镇等沿黄河区域随着滩区湿地改造为耕地农田等类型，导致高ESV的土地利用类型转化为较低ESV的土地利用类型，类似情况同样存在于上街区、城关乡和市区所辖街道办事处一带，随着城镇扩张进程的加快，周边ESV本已较低的耕地和低覆盖度草地等类型逐渐转化为建设用地类型，使得该片区所属乡镇ESV持续下降。

2.3 荥阳市生态系统服务价值(ESV)损益流向特征

1990—2019年荥阳市生态系统服务价值(ESV)的损益流向，见表7。

由表7可知，水域向耕地转化是导致1990—2019年间荥阳市年ESV持续下降的最主要原因，导致年ESV减少7.579×108元，其次为林地向耕地的转化，导致年ESV减少0.444×108元；耕地向水体转化(主要转化为水产养殖基地等类型)是导致1990—2019年间荥阳市年ESV增加的主要原因，促使年ESV增加5.879×108元，其次为中覆盖度草地向水域的转化，促使其年ESV增加3.258×108元。

表7 1990—2019年荥阳市生态系统服务价值(ESV)的损益流向(单位：×108元)Table 7 ESV profit and loss flow of Xingyang City in 1990-2019(Unit:×108 yuan)

2.4 荥阳市生态系统服务价值(ESV)指数敏感性分析

为了保证研究中各土地利用类型生态服务价值当量因子的准确性，将荥阳市各种土地利用类型的ESV当量因子分别上下调整50%，进而得到1990—2019年荥阳市4个时期不同土地利用类型的ESV敏感性指数，其结果见图5。

图5 1990—2019年荥阳市4个时期不同土地利用 类型的ESV敏感性指数Fig.5 ESV sensitivity index of land use types in Xingyang City of four periods in 1990-2019

由图5可见，荥阳市所有土地利用类型的ESV敏感性指数均小于1；不同土地利用类型间的ESV敏感性指数差异较大，其中林地和高覆盖度草地的ESV敏感性指数较高，耕地和低覆盖度草地的ESV敏感性指数较低，相同土地利用类型各年份的ESV敏感性指数变化不大。总体而言，荥阳市生态系统服务价值对当量因子表现为不敏感的特征，缺乏弹性，所得结论可信度较高。

3 结论与建议

本文结合荥阳市土地利用现状，基于校正后的生态系统服务价值(ESV)当量因子，从时空维度估算荥阳市近30年的生态系统服务价值，并深入探讨了土地利用/覆被变化(LUCC)引起的生态系统服务价值响应变化，得到主要结论如下：

(1) 近30年间荥阳市土地利用类型以耕地和建设用地为主，两者的面积占比超过80%。研究期内新增耕地面积多源于水域和中覆盖度草地的转化，新增水域面积多来自耕地。从土地利用动态度来看，水域动态度最高，其次为中覆盖度草地；随着城镇化进程的持续加快，建设用地扩张趋势明显，其动态度均超过8%。受其影响，耕地和林地等类型动态度自2000年以后呈持续减少趋势。

(2) 荥阳市土地利用类型中水域ESV的贡献度最高，另外耕地和高覆盖度草地也是荥阳市ESV的主要来源。ESV由研究初期的180.51×108元持续波动并跌至期末的134.49×108元。10种生态服务功能持续减少，其中水文调节ESV的贡献度最高，同时也是ESV减少最快的生态服务功能类型。在空间分布上，ESV呈现出以黄河、各主要水库以及环翠峪风景区等为多中心的ESV高值集聚区、南北两侧区域高于中部地区的特征。

(3) 城镇尺度上，王村镇、汜水镇和高山镇ESV最高，其次为刘河镇、崔庙镇和乔楼镇，其年均ESV逐年减少；而上街区、城关乡和市区所辖街道ESV值处于较低等级，随着城镇扩张进程的加快，使得上述街区ESV持续下降。

本文在区域生态系统服务价值评估中所采用的当量因子主要基于河南省所在区域的统一修正系数展开分析，然而河南省内不同地域之间(例如豫西山区和豫东平原等)的生态系统差异较为明显，因而采用该系数将会在一定程度上影响区域ESV评估的精确度。此外，如果能在遥感影像解译获得的7种土地利用类型基础之上进行二级分类，同时结合二级分类相应的生态系统服务价值当量因子展开分析，则所得出的区域生态系统服务价值演化特征将更加准确。同时，本文所使用的Landsat TM影像数据分辨率有限，未来如采用高分辨率卫星影像，结合多时段土地利用分类结果，将更有助于揭示区域生态系统的变化轨迹及其驱动机制。

区域生态系统服务价值变化受国土空间规划与建设、城镇化持续扩张、产业转型以及生态治理工程等多种因素的影响，而本文研究则主要涉及区域土地利用变化因素，忽视了城市人工生态系统所产生的生态系统服务价值，而且在长时段演化过程中尚未考虑通货膨胀引起的生态系统服务价值被动变化等因素。但总体而言，此结论在研究县域层面的区域生态系统服务价值中仍具有典型的代表性，可为区域生态保护和高质量发展提供科学资料。下阶段研究方向上可适当结合其他自然与社会经济等驱动因素，开展区域生态系统服务价值的长时间序列、多指标体系的综合性研究。