河南省鞏義市土地利用演化及其生態系統服務價值響應

賈 琦

(鄭州輕工業大學 環境設計系, 河南 鄭州 450002)

生態系統服務是指人類在生產生活過程中，通過生態系統代謝過程和功能服務進而直接或者間接的方式得到所需的產品和相關服務等，以便全方位滿足人類生存和可持續發展的需求[1]。早在2005年聯合國發布的《千年生態系統評估綜合報告》中便已明確指出[2]，半個世紀以來，由于人口急劇增長，人類過度開發和使用地球資源，從而導致生態功能中有60%在退化和被人類以不可持續的方式利用，并且退化程度在未來50 a內將進一步加劇。

土地利用演化作為人類各種活動影響區域生態系統的主要方式之一，在很大程度上作用于生態系統的格局分布與變化強度，將直接影響生態系統服務價值(value of ecosystem service， ESV)的空間分布[3]。以人類活動作用于土地利用變化過程為視角評估生態系統服務價值響應特征儼然已成為全球景觀生態學領域研究的熱點方向之一[1]。當前關于土地利用變化及其生態系統服務價值響應研究相關成果已較為豐富，諸如寧佳等[4]基于降水貯存量法、通用土壤流失方程和修正土壤風蝕方程等方法探討黃土高原土地利用和生態系統服務時空變化特征；Geange等[5]基于生態系統服務混合矩陣方法探討新西蘭海洋生態功能演化過程及其影響范圍；王大菊等[6]采用替代花費法、市場價值法和水量平衡法對三峽庫區蓄水前后多時期的土地利用變化和生態系統服務價值進行量化評估。但是同類研究多探討兩者的演化過程和分布規律，尚未深入揭示各土地利用類型對生態系統的影響機制。又如王磊等[7]、趙麗等[8]、Kalfas等[9]、鄧偉等[10]通過探究土地利用與生態系統服務價值演化過程，揭示其驅動機理和影響強度，但是從相關研究結論來看，多數學者側重從土地利用變化視角入手，涉及空間相互作用視角的驅動因子考慮依舊不足。土地利用變化受區域自然條件、社會經濟發展、規劃政策等多種因素影響，在空間上具有很強的差異性和分布規律[11-12]。因此，不同空間分布的土地利用類型及其變化對區域生態系統影響均不相同。目前已有相關學者開始關注這一研究方向，如Tanner等[13]、李子君等[14]、朱增云等[15]采用生態系統服務價值評估法、空間自相關分析和Getis-Ord熱點區分析等方法探討了土地利用演化及其生態系統響應機制，從而能夠較好地從空間層面有效揭示兩者的影響機制。但在格網尺度下，空間演化過程、分異特征及其作用機理等方面的研究仍有待進一步挖掘。

鞏義市作為河南省鄭州都市區副中心城市，地形條件較為復雜，區域內平原、山地、丘陵占比分別為1∶4∶5，在鄭州國家中心城市建設中承載著極重要的生態功能。自20世紀90年代以來的快速城鎮化進程擴張影響下，鞏義市土地利用變化程度較高，進而影響全域的生態系統價值變化，生態功能不斷退化[16]。因此，研究區域土地利用變化及其生態系統價值的時空響應機制對于以鞏義市為代表的快速城鎮化地區國土資源合理化配置和生態環境保護具有極其重要的指導意義。本研究在基于鞏義市1990—2019年共4期的土地利用演化及其生態系統服務價值時空分布特征分析的基礎之上，采用轉移矩陣法、空間自相關分析等方法，從格網尺度下分析區域土地利用演化過程對生態系統價值的影響機制，以期為以鞏義市為代表的快速城鎮化地區生態系統保護和國土空間規劃提出切實有效的決策依據。

1 研究區概況

鞏義市位于河南省西部，在鄭州市和洛陽市交界地帶，市域總面積為1 043 km2。地勢呈現出東南高西北低的特點。東南部主要以高山區為主，中部則為淺山丘陵，北部為鄺嶺。氣候屬季風暖溫帶氣候，年均氣溫11.5～22.3 ℃，年均降水量394.5 mm左右，常年降水量偏少，且時空分布差異明顯，富水區分布在沿黃河、伊洛河附近，而東南部山區為貧水區。全市土壤以潮土、褐土、棕壤土為主，在老廟山及周邊封山育林等低山丘陵區植被率高達50%～60%，占全市植物種類分布的80%。土地利用方面，農業用地占比較高(62.72%)，其次為建設用地，占比20.52%，其他土地中，水域和自然保留地面積也占有一定比例，分別為3.94%和12.82%。截至2019年，鞏義市轄5個街道，15個鎮，全市人口83.83萬人，實現地區生產總值801.2億元。鞏義市憑借其重要的生態地資源優勢和經濟發展實力，經過多年的城鎮化建設，2017年以來長期入選全國工業百強縣(市)、綜合競爭力全國百強縣(市)和全國制造業百強縣(市)等稱號，但是在取得上述發展成績的同時，鞏義市生態環境問題日益加劇。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源及預處理

選取1990，2000，2010和2019年4期的鞏義市域6—9月的Landsat TM，ETM+，OLI遙感衛星影像數據，數據均來源于美國地質勘探局網站(https:∥glovis.usgs.gov/)。隨后基于ENVI5.0軟件平臺下，分別對各時段的影像數據進行融合、校正、裁切等數據的預處理工作。在進行土地利用分類時采用最大似然法監督分類與google earth歷史影像方式相結合的方式，對4個年份研究區進行土地利用分類。分類方法上結合《土地利用現狀分類(GB/T21010-2017)》和謝高地等[17]構建的單位面積生態系統服務價值分類體系，同時結合鞏義市土地資源分布現狀，將研究區土地利用分為耕地、喬木林、灌木林、高覆蓋度草地、低覆蓋度草地、水域和建設用地等7種類型(圖1)。隨后采用ENVI 5.0軟件中的精度評價模塊，對隨機采樣獲取的250個樣本點，結合4個時段土地利用解譯數據進行評價，進而得出各期分類結果的精度分別為87.13%，92.75%，90.37%和89.02%，可較好地滿足研究需要。此外，研究涉及數據中的DEM高程數據來源于地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉移分析 學界關于土地利用類型及面積轉移分析方法主要以土地利用轉移矩陣測度法為主，它多用來表征特定時段內研究區域在研究期初至研究期末各土地利用類型之間的面積及其比例轉移情況，可有效揭示區域土地利用演化規律，計算方法如公式(1)所示[18]：

(1)

式中：S為各土地利用類型的總面積；n為區域土地利用類型的數量；i，j分別表示研究時段內期初和期末的各土地利用類型。

2.2.2 基于格網尺度的數據處理方法 GIS格網分析法是指基于格網面狀單元類型，將其作為區域單元指標因子的數據評價分析單元，進而揭示區域空間內部分異特征的方法[19]。在本研究中，基于格網單元對鞏義縣域的ESV空間分布及演化特征分析可在空間層面進一步細化研究尺度，從而使得其生態系統分析和優化變得更易操作和精細化管理。由于縣域面積較大，研究基于ArcGIS 10.5軟件，運用Create Fishnet工具創建漁網樣本，為提高ESV時空分異精度，經試驗得到最優格網單元尺度為300 m×300 m，并最終得到覆蓋縣域范圍單元數量共計12 019個(邊界處格網面積稍有差異)。分別統計各格網內生態系統服務價值，并將ESV值賦值至格網面矢量文件中，從而完成空間數據的重構，進而得到基于格網尺度下鞏義市ESV分布及其自相關格局。格網化計算方法如公式(2)所示[19]：

H=(1/2)×min(Ai)1/2

(2)

式中：H為單元格網的邊長;Ai為格網單元內最小圖斑的面積。

2.2.3 生態系統服務價值評估 研究基于Costanza等[17]對不同生物群區的貨幣化評估方法[20]以及謝高地等學者所建立的基于功能單元的單位面積生態系統服務價值評價表，結合鞏義市土地利用現狀實際(因分類后未利用地面積較少且調研后發現多以農戶季節性種植菜地為主，故將其納入耕地類型)，以旱地—耕地、闊葉林—喬木林、灌草叢—灌木林、草地(平均值)—高覆蓋度草地、草地(平均值的0.7倍)—低覆蓋度草地、水系—水域及城市—建設用地等將各生物群區與研究區生態類型相對應，由于本文不考慮人工生態系統的調節功能(相比縣域整體的生態系統作用可忽略不計)，因此將建設用地的生態系統服務價值默認為0。由于全國各省市自有生態系統差異較大，為避免直接使用謝高地等學者建立的單位面積生態系統服務價值當量因子法[20]產生的誤差，研究進一步參考了謝高地等[21]因地制宜修正后的各省份農田生態系統生物量權重因子系數。筆者依據區域修正系數(河南省為1.39)和相關文獻中基于伏牛山等[22]同類型文獻研究成果選定的當量因子對鞏義市生態服務價值當量進行修正(表1)。測算方法如公式(3)所示[21]：

(3)

式中：ESV為生態系統服務價值;Pi為當量因子系數;Si為第i種土地利用類型的面積;n為縣域所有土地利用類型的數量。

圖1 鞏義市1990-2019年土地利用類型分布

表1 鞏義市單位面積生態服務價值當量權重因子

2.2.4 空間探索性分析 空間探索性分析主要以空間全局自相關和局部自相關分析為主，主要通過某種現象的空間分布特征或規律進行可視化分析，進而探索空間內部相關指標屬性的相似性或者差異性[23]。上述分析主要結合ArcGIS和GeoDa空間探索性分析工具來完成。

(1) 全局空間自相關。全局空間自相關以Global Moran’sI指數表示，可有效揭示鞏義市ESV空間相關性的總體趨勢。指數變化范圍為[-1,1]，若Moran’sI>0，則表示空間呈正相關，越接近1表示相關性越顯著，相似特征明顯；相反，若Moran’sI<0，則表示空間呈負相關，且越接近-1，則表示差異越大，分布越分散；若Moran’sI=0，則表示全域空間分布特征沒有相關性，呈隨機性分布。Global Moran’sI計算方法如公式(4)所示[23]：

(4)

(2) 局部空間自相關。局部空間自相關以Moran’sIi指數表示，可有效揭示鞏義市ESV空間相關性的局部分布特征。如果Moran’sIi指數>0，則表示局部空間單元內部的ESV值存在高—高或者低—低局部聚集的特征；如果Moran’sIi指數<0，則表示局部空間單元內部的ESV值存在高—低或者低—高局部聚集的特征。Moran’sIi計算方法如公式(5)所示[23]：

(5)

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

基于GIS軟件對鞏義市1990—2019年4個時段內各土地利用類型面積分別統計，可得到各時期內土地類型面積統計(表2)。從土地利用結構來看，鞏義市域最主要的用地類型為耕地，大約占鞏義市域面積的40%，其次為建設用地，占比約20.39%。從土地利用變化程度來看，以建設用地增幅最高(15.09%)，面積增加了2 965.23 hm2，其次為喬木林，共計增加了828.45 hm2；與此相反，研究區水域和灌木林則出現大幅減少，兩者降幅分別為-45.17%和-10.09%。究其主要原因，主要歸因于自20世紀90年代以來我國城鎮化進程持續加快，同時鞏義市工業經濟增長迅速，進而導致區域城鎮擴張明顯，區域水域、灌木林地、耕地等不斷遭到侵占。此外，受市域北部黃河灘區不斷人為開發需要，大量水域空間轉變為耕地，這也是導致區域土地利用發生變化的主要原因。將1990，2019年土地利用矢量數據導入GIS軟件中，通過交集分析工具獲得1990—2019年鞏義市土地利用轉移矩陣(表3)。

表2 鞏義市1990-2019年土地利用及生態系統服務價值變化

表3 鞏義市1990-2019年土地利用轉移矩陣 hm2

由表3可知，鞏義市各土地利用類型轉移特征較為明顯，其中水域和耕地轉出面積最多，分別高達3 010.23和2 928.63 hm2，主要轉出類型分別為耕地和建設用地；灌木林轉向喬木林面積相對較高，轉移面積為523.16 hm2；其他用地類型轉入轉出程度相對較低。表明鞏義市擴張主要來自于周邊耕地類型，而耕地面積增長區域則來自于沿黃周邊的水域空間。同時受鞏義市植樹造林等生態保護政策影響，區域喬木林地呈現出逐年增長的趨勢。

3.2 生態系統服務價值分析

3.2.1 生態系統服務價值測度 結合單位面積生態服務價值當量權重因子和各時段土地利用面積數據，進而得出鞏義市各土地類型和不同生態功能的生態系統服務價值統計及變化情況(表2，4)。由表2和表4可知，鞏義市生態系統服務價值整體呈現出波動式下跌的趨勢，近30 a間共計減少了34.85億元(表2)。結合表2中不同土地利用類型的ESV來看，水域價值為各土地類型中最高，占比高達42.22%；其次為喬木林和耕地，分別占總ESV的32.01%和23.34%；其他用地類型的ESV則均低于9億元。從研究期間的變化特征來看，不同土地利用類型的ESV表現各異。其中，喬木林和高覆蓋度草地的ESV出現小幅增長的趨勢，ESV分別增加了1.901和0.116億元；而水域、灌木林、耕地和低覆蓋度草地則出現了不同程度的下降趨勢，尤以水域ESV下降最為顯著，共計減少了35.549億元，其減幅為各用地類型中最高，其他用地類型ESV減幅均在1億元以內。

從表4所示不同服務功能下的生態價值分布來看，水文調節服務價值最高(年均58.51億元)，ESV占總價值量的43.29%；其次為氣候調節和水土保持服務，分別占13.69%和9.63%。其他類型ESV則占比較小，且ESV均低于10億元。從各時段變化特征來看，研究期內所有功能ESV均處于持續下降趨勢，尤以水資源供給和水文調節降幅最為明顯，分別為-38.2%和-37.572%，兩者分別減少了-2.333億元和-28.764億元；其次為凈化環境和美學景觀功能，兩者降幅分別為-17.454%和-12.267%。總體而言，以水文調節和氣候調節為主的調節服務在鞏義市生態系統服務價值構成中占據主導地位，同時其近30 a來的損失率也處于各功能中較高位置。因此，在未來相當長一段時期內應當嚴格維持區域生態調節服務，以避免快速城鎮擴張和人為活動對區域生態系統造成負面影響。

表4 1990-2019年鞏義市不同生態功能的生態服務價值變化 億元

3.2.2 生態系統服務價值時空演化特征 基于ArcGIS 10.5軟件中的創建漁網功能，通過對各網格下土地利用類型分布進行生態系統權重因子賦值，進而得出格網尺度下鞏義市生態系統服務價值，采用Jenks最佳自然斷裂法對區域ESV空間變化進行分類，共計劃分為7個等級，分別為：0～213萬元，213～470萬元，470～1001萬元，1 001～1868萬元，1 868～4 440萬元，4 440～9 542萬元，9 542～12 600萬元(圖2)。從空間分布及變化特征來看，1990年鞏義市ESV較高區域主要位于市域北部黃河、伊洛河沿線以及南部伏羲山等山脈，而ESV較低區域則主要以鞏義市市區及東西地形較為平坦區域一帶；進入2000年以后，鞏義市ESV高值片區開始出現快速減少趨勢，且多集中在黃河沿線，多歸因于黃河濕地持續被改造為耕地導致ESV持續減少，此時低值ESV區域則整體變化不大；而在2000—2010年，位于鞏義市主城區的低值ESV區域受快速城鎮擴張影響，開始出現蔓延趨勢，且該趨勢在2010年以后不斷加劇，除圈層式蔓延外，在鞏義市區至西向的回郭鎮之間已形成帶狀ESV低值集聚區，該片區同時也是鄭州—洛陽工業走廊中心地帶，城鎮化進程相對較高。從1990—2019年ESV整體分布特征來看，鞏義市ESV近30 a出現了較大幅度的下降，區域城鎮化進程對生態系統影響的負面效應較為顯著，且ESV變化的分布基本上與水域、林地和建設用地的變化相吻合，鞏義市北部以水域、耕地和建設用地為主的ESV高值區和低值區變化較明顯，南部以林地和高覆蓋度草地為主的生態資源集中區則變化相對穩定。

圖2 鞏義市1990-2019年生態服務價值(ESV)空間演化格局

為深入探索格網單元下鞏義市ESV的內在演化機制和分布特征，研究基于圖2中的ESV柵格數據進行矢量化處理，隨后導入GeoDa1.14空間探索性分析軟件中，對其全局Moran’sI指數、散點圖以及LISA聚集特征進行分析。全局Moran’sI指數基于Queen鄰接原則(秩設定為1)將其空間自相關特征進行定量化分析，并最終得到1990—2019年4期鞏義市全局Moran’sI指數分別為0.881，0.723，0.851和0.741，表明鞏義市ESV存在較為顯著的空間自相關特征。結合圖3中1990—2019年鞏義市ESV的LISA空間集聚圖可明顯發現，ESV在空間集聚分布上近30 a整體處于相對穩定的格局，呈現出北部ESV高值聚集而中部及西南側低值聚集的特征，上述兩種類型的空間聚集效應較為明顯，而高—低和低—高類型的聚集效應則并不突出。

(1) 高—高ESV等級聚集區。鞏義市ESV處于高—高聚集區范圍主要以北部黃河、伊洛河流域為主，同時隨時間推移，東南部青龍山、九龍峽、浮戲山等山脈開始出現高—高聚集區。結合用地類型來看，上述區域多集中分布在生態系統保存較好的片區，主要以水域、林地等類型為主，同時也是鞏義市ESV的主要來源地。

(2) 低—低ESV等級聚集區。鞏義市低—低ESV等級集聚區域多分布在鞏義市主城區以及鞏義—芝田鎮—回郭鎮、鞏義—竹林鎮—米河鎮等西向和東向兩條帶狀片區，且隨著時間變化呈現出不斷蔓延的趨勢，尤以鞏義市區南向蔓延特征相對明顯。其他分散分布的低—低ESV集聚區則多以縣域各鄉鎮為主。從地形特征來看，鞏義市區及其東西向沿線工業走廊涉及鄉鎮多以平原為主，且用地類型主要為建設用地。鞏義市在近年來生態保護政策取得一定成效的同時，在低—低ESV聚集區域受城鎮持續擴張影響，未來如何優化該片區生態系統仍值得重點關注。

(3) 高—低和低—高ESV等級聚集區。鞏義市ESV處于高—低和低—高等級的聚集區域整體分布相對較少。其中，低—高等級聚集區多集中分布在北部的黃河流域附近，結合Moran散點圖可知，處于第一象限的格網分散化趨勢顯著，而處于第4象限的高—低等級聚集區格網數則年均不超過4個，且零星分布在南部山區。

圖3 鞏義市1990-2019年LISA空間集聚格局

4 討論與結論

4.1 討 論

自20世紀90年代以來，涉及土地利用演化及其生態系統服務價值的影響研究已有大量實證研究成果，但從空間視角探討其影響特征及其驅動機制仍未出現較為完善的研究方法[24]。本研究以工業型快速城鎮化為代表的河南省鞏義市為研究對象，在分析區域土地利用及其ESV損益的基礎上，通過格網尺度從微觀視角下探討土地利用對生態系統服務價值的空間影響特征。研究結果表明，以耕地為主的鞏義市中部地區應在基本農田得到保障的基礎之上，合理控制區域工業化進程導致的建設用地擴張態勢；在市域南部尤其是東南山地區域，應制定嚴格的生態保護措施，有效保障該片區生態系統價值穩定發展。區域ESV的演變不僅受土地利用和自然地形影響，同時還受到氣候條件、產業分布、經濟水平、人口密度等諸多自然和社會經濟因素的影響。因此，在未來研究中可重點關注： ①基于地理探測器方法下研究大數據驅動下的區域生態系統服務價值空間分布及預測模擬研究； ②行政區劃范圍內的ESV演化機制通常情況下還會受到周邊城市的影響，因此在研究范圍的確定上應更關注特定經濟影響區域范圍下的ESV空間特征更具有說服力。

受持續城鎮擴張和工業化進程影響，鞏義市土地利用變化直接作用于區域生態系統。故可通過相應的規劃調控等相關措施不斷優化區域土地資源配置進而維護生態平衡。相關政策建議包括： ①鑒于林地與水域生態用地自身價值較高，因而在未來生態環境修復與保護過程中應重點加強縣域內黃河流域與伏羲山等生態重點保護區的生態紅線控制與保護； ②針對現有的工礦產業布局與開發現狀，應加快開展綠色礦山生態修復工程，優先治理因工礦產業開發引起的生態環境污染問題； ③縣域內各鄉鎮應統一建立起建設用地動態監測與預警機制，同時在保護耕地紅線的基礎上開展退耕還林政策，以期進一步提升區域生態系統價值。

4.2 結 論

(1) 研究期內工業城鎮化進程持續推進，不斷促使建設用地快速擴張(增加2 965.23 hm2)，與此相反，水域和灌木林等被建設用地不斷吞噬而出現大幅減少，兩者降幅分別為-45.17%和-10.09%。用地類型轉移方面，水域和耕地轉出面積最多，主要轉出類型以耕地和建設用地為主。

(2) 鞏義市生態系統服務價值整體呈波動式下跌，近30 a共減少了34.85億元。從變化特征來看，喬木林和高覆蓋度草地小幅增長，而水域、灌木林、耕地和低覆蓋度草地則出現不同程度下降，尤以水域ESV跌幅明顯。從不同服務功能的生態價值來看，水文調節服務價值最高，其次為氣候調節和水土保持服務。以水文調節和氣候調節為主的調節服務在鞏義市生態系統服務價值構成中占據主導地位，同時其近30 a來的損失率也處于高位。

(3) 鞏義市城鎮化進程對生態系統影響的負面效應顯著，北部以水域、耕地和建設用地為主的ESV高值區和低值區變化較大，南部以林地和高覆蓋度草地為主的生態資源集中區由于受社會經濟活動影響較少則相對穩定。1990年ESV較高區域集中在北部黃河、伊洛河沿線及南部伏羲山等山脈，而ESV較低區域則分布在鞏義市區及東西兩側；2000年以后，主城區低值ESV區域受快速城鎮擴張影響逐步蔓延，在城區及鞏義—芝田鎮—回郭鎮、鞏義—竹林鎮—米河鎮等西向和東向兩條帶狀片區已形成ESV低值集聚區。