格网尺度下典型旅游城市生态服务价值估算和时空分异特征——以三亚为例

马 勇,凌 旋,童 昀

1 海南大学旅游学院, 海口 570228 2 湖北大学绿色发展研究院, 武汉 430062

生态文明建设不仅是我国可持续发展的内在需要,更是维护全球生态安全、构建人类命运共同体的重要使命。生态系统服务价值可为生态文明建设提供科学而有力的理论支持,随着Costanza等率先在全球尺度上明确生态系统服务价值估算理论及方法[1],生态系统服务价值的相关研究迅速在全球范围内展开。谢高地等人则对Costanza研究结果进行修正,提出适用于中国情境的生态系统服务评估当量体系,并于2015年对单位面积价值当量因子静态评估方法做出改进和发展[2- 3]。此后,学术界围绕生态系统服务价值理论框架[4- 7]、价值估算[8- 14]、土地利用变化[15- 20]等领域开展了丰富研究,并在此基础上,进一步拓展了生态系统服务价值的科学应用情境,关注其权衡与协同关系[21- 24]、应用其进行科学研究决策及管理[25- 29]等,并且更加关注生态系统服务与人类福祉的耦合关系。生态系统服务价值的估算作为生态系统服务相关延伸研究的基础,目前估算成果涵盖全球[1]、国家[3]、区域[9,14]等不同尺度,以及森林[12- 13,30]、草地[14]、流域[21,23]、农田[25,31]等各类生态系统。在研究的空间粒度方面,部分研究集中在市县[9,14,16],而以格网尺度开展的较高精度研究成为近来生态系统服务价值估算及空间演变特征探究的新技术和趋势,并提供了更为科学精准的分析视角[32]。

旅游业作为重要的经济社会活动,人地交互特征鲜明,旅游发展所引致的生态系统服务价值影响，近些年逐渐引起学术界关注。部分学者认为旅游开发活动使生态系统服务价值减值。究其原因,主要来源于对旅游地建设盲目发展促使“去自然化”的地类转移,耕地、林地等自然地类被分割转化为建设用地,加上旅游区不合理开发,使得旅游地域并未真正体现“生态旅游”内涵,最终导致旅游活动对生态系统服务价值产生负增长影响[33- 35]。但也有部分学者认为,旅游发展是生态系统服务价值置换的重要方式,合理规划旅游开发经营活动,有效保障土地利用类型自然转变,有利于发挥旅游地生态系统服务价值的增值效应[36- 39]。在为数不多的旅游地生态系统服务价值测算中,基于某一旅游区为案例地展开,旅游目的地城市尺度的研究有限。其二,部分研究尚停留在静态分析层面,缺乏对旅游地生态系统服务价值的多年历时性动态分析。其三,较少运用格网分析技术以提高生态系统服务价值测算分析精度。

鉴于此,本文以典型旅游城市三亚市作为案例地,基于ENVI 和ArcGIS平台,通过监督分类与人工目视解译得到2006、2010、2014、2018年三亚市土地利用信息,在格网尺度下测算旅游地生态系统服务价值,并结合空间探索性数据分析揭示生态系统服务价值时空分异特征及其与旅游地发展的时空耦合关系。对于生态系统服务价值理论应用情境的拓展以及旅游地生态可持续发展具有重要意义。

1 研究区域概况

海南省三亚市是中国著名海滨旅游目的地,研究期内旅游经济规模迅速扩张,旅游专业化水平(即旅游总收入占GDP比重)波动上升。特别是2011—2018年间,旅游专业化水平由56%提高至88%,旅游业在产业结构中的主导地位进一步强化。以三亚市作为典型案例,定量探究旅游发展对生态系统服务价值的影响效应,将有助于生态系统服务价值理论贡献深化到旅游地实际发展当中,有效辨识典型旅游目的地社会经济生态化发展态势,推动旅游产业可持续发展。

图1 研究区示意图Fig.1 Location of study area

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

2.1.1数据来源

本文选取2006—2018年间4个时段(2006年10月、2010年12月为Landsat7卫星影像；2014年1月、2018年2月为Landsat8卫星影像)分辨率30 m的遥感影像作为基础数据,《海南统计年鉴》、《三亚统计年鉴》、以及《三亚市土地利用总体规划(2006—2020年)》为社会统计数据源。

基于ENVI 5.3、ArcGIS 10.2软件平台,分别对4期遥感影像进行几何校正、数据融合、去条带及裁剪等预处理后,采用监督分类和目视解译相结合的方法划分不同土地利用类型,其中根据四期TM数据中不同土地利用类型的影像色调、纹理等特征,在野外实地调查基础上结合专家经验进行解译,通过对图斑信息的拓扑检查修正以及图斑分割合并,最终得到四期土地利用类型数据。参照我国遥感解译分类标准和三亚市实际土地利用特点,将研究区土地类型划为园地、建设用地、林地、水域、滩涂、农田、红树林湿地、草地、未利用地9种。分类结果经混淆矩阵精度检验,Kappa系数均达到 0.95以上,分类精度较好。

2.1.2基于格网尺度的数据处理

由于格网法以格网单元作为相关指标数据载体和基本分析单元,能大幅度提升研究区域生态系统服务价值的分析精度,且每个格网面积相等,使生态系统服务价值更具可比性[32]。本文为揭示城市尺度下生态系统服务价值时空格局细节特征,采用格网法对研究区域进行空间分割：在综合考虑研究区域面积,以及最小可塑性单元对测算结果的尺度效应,经多次试验,选择1km×1km作为格网单元大小,再运用ArcGIS 10.2软件Create Fishnet工具对研究区域进行格网划分。

格网下生态系统服务价值计算公式为：

(1)

式中,ESVPk为k格网生态系统服务价值,Aki为k格网i地类面积,Ak为k格网面积,Zi为i地类的生态系统服务价值当量,n为地类数量。

2.1.3基于植被覆盖度(FVC)的单元格网空间修订

研究虽根据三亚市实际情况修订单位面积当量因子,但在同一生态系统下存在显著空间差异性。绿色植被覆盖对于城市生态系统的可持续性至关重要,是生态系统服务的主要来源之一, 城市植被的丧失会降低自然界提供生态系统服务的能力[40- 41]。随着城市化日益加剧,城市植被覆盖已受到负面影响。土地利用和土地覆盖(LULC)变化对生态系统服务价值(ESV)的影响空间差异显著,生物量、NDVI及植被覆盖度之间具有高度相关性[42- 43]。 归一化植被指数(NDVI)可以反映土地覆盖和生态环境的变化[44]。已有研究表明归一化植被指数与生态系统服务价值存在相关性[45]。选取植被覆盖度作为参数指标,参照FVC与NDVI的对应关系[46],采用公式(2)、(3)、(4)可逐个单元对生态系统服务价值进行修订。由于建设用地、水域、未利用地、红树林湿地等植被稀少,NDVI基本为负值,故只选取植被覆盖度较高的林地、农田、园地、草地生态系统服务做格网化修订。

(2)

(3)

E=Ei×Fi

(4)

式中,NDVI为归一化植被指数；FVC为植被覆盖度；Fi为第i个格网单元的植被覆盖度修订系数；fi为第i个评估单元的FVC平均值；f为研究区FVC均值；E、Ei分别为FVC格网化修订前后的生态系统服务价值。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用时空分异测算

囿于篇幅,Landsat遥感影像解译以及土地利用时空分析涉及的动态度、转移矩阵等方法参照文献[47- 48]。

2.2.2当量因子法

参照近年来生态系统服务价值相关研究计算生态系统服务价值供给服务与调节服务价值。以谢高地等提出的中国陆地生态系统单位面积生态服务当量表为基础[2- 3],确定中国1个生态系统服务当量因子为3406.50元/hm2。根据研究期内全国单位面积平均粮食产量5765.352kg/hm2,同期三亚市粮食单产为4646.846kg/hm2,以此确定三亚市生态系统服务价值当量表的修订系数为0.806,即换算得到三亚市一个标准当量因子的生态系统服务价值为2745.936元/hm2。

结合雷金睿等修订的海南省单位面积生态服务价值当量表以及三亚市生物量、社会经济状况等进行修订[49-50]。其中农田当量因子对应其农田；园地为森林和草地的均值；林地对应其森林;草地对应其草地;水域对应其河流、湖泊；未利用地和滩涂对应荒地；建设用地当量值取0,不纳入测算[1]。由于生物量与生态系统服务价值呈线性关系,故以生物量对生态系统服务价值进行校正修订[3],全国农田生态系统生物量因子为1.00,三亚市则取海南省均值0.72[49]。最终得到三亚市单位面积供给、调节、文化服务价值系数表(表1)。

表1 三亚市各土地利用类型单位面积生态系统服务价值系数/(元/hm2)

2.2.3探索性空间分析方法

(1) 全局空间自相关

采用全局Moran′sI指标对1km×1km格网下三亚市生态系统服务价值进行全局自相关度量和检验,其计算公式为[50]：

(5)

式中,n为格网数量；xi、xj为格网i、j的属性值；x为属性均值；wij为空间权重矩阵,本文采用反距离权重矩阵。Moran′sI显著为正表示生态系统服务价值存在空间正相关,显著为负表示生态系统服务价值存在空间负相关。

(2) 局部空间相关性

LISA局部空间自相关通过分析空间单元与周围单元的差异程度及显著性水平,揭示空间单元属性的局部聚类特征,其计算公式为[51]：

(6)

式中,zi、zj分别为格网i、j上观测值的标准化。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空演变分析

对土地利用数据中各地类面积进行统计,得到三亚市土地利用类型动态度(表2)。结果表明：(1)从用地变化来看,以林地、园地、建设用地、农田、滩涂的变化为主,其中林地面积大幅度减少,总计降低458.279km2。(2)滩涂动态度最高,高达59.82%；建设用地次之,为15.11%。(3)各用地类型动态度变化大小排序为：滩涂>建设用地>草地>园地>未利用地>林地>水域>农田>红树林湿地。

表2 三亚市2006—2018年土地利用动态度

图2 三亚市2006—2018年土地利用空间分布图Fig.2 Spatial distribution of land use in Sanya city from 2006 to 2018

利用ArcGIS的分析工具得到2006—2018年土地利用转移矩阵(表3)。三亚市土地利用转移主要特点如下：(1)林地转出面积最多,为484.127km2,主要转变为园地和农田。(2)园地转入面积最多,建设用地次之,分别为369.398、143.686 km2。其中园地主要转入源为林地；建设用地为园地、未利用地及农田。(3)三亚市2006—2018年12年间,城市化进程不断加快,三亚旅游产业蓬勃发展,在一定程度上推动旅游经济快速发展,整个城市基础设施以及产业配套设施的建设进程,突出表现为建设用地转入面积不断增加。

表3 三亚市2006—2018年土地利用转移矩阵

3.2 生态系统服务价值分析

3.2.1生态系统服务价值时间变化特征分析

依据《三亚市统计年鉴》及《国家统计年鉴》数据，运用价值当量因子法,确定三亚市一个标准当量因子的生态系统服务价值为2745.936元/hm2。结合雷金睿等修订的海南省单位面积生态服务价值当量表以及三亚市农田生态系统生物量因子0.72。通过各土地利用类型面积数据,计算三亚市生态系统服务价值,得到三亚市2006—2018年各类土地生态系统服务价值变化及生态系统服务二级类型结构对比图表(表4、图3)。

表4 三亚市2006—2018年各类土地生态系统服务价值变化/(100万元/km2)

图3 2006—2018年三亚市生态系统服务二级类型结构对比图Fig.3 Structure comparison of secondary types of ecosystem services in Sanya City from 2006 to 2018

结果表明：(1)三亚市 2006—2018 年,生态服务总价值分别是6734.95×100万元、6157.28 ×100万元、6083.20×100万元、5757.24×100万元,且总量呈逐年减少态势。以4年时间尺度为跨度,分别逐期减少577.68×100万元、74.07×100万元、325.96×100万元,减少变化率分别为8.58%、1.20%、5.36%。(2)生态系统服务供给的主体地类依次为：林地、园地、水域、农田、湿地、荒地、草地。林地、园地是三亚市生态系统服务价值主要构成部分,其生态系统服务供给总占比高达85%。(3)三亚市生态系统各项服务功能结构基本稳定,各功能价值次序由高到低为：气候调节、水文调节、气体调节、净化环境、美学景观、原材料生产、水资源供给、食物生产。绝对数值上,气候调节、水文调节、气体调节及净化环境服务价值变化显著,分别降低406.80×100万元 、202.38×100万元、124.99×100万元、114.52×100万元。

3.2.2生态系统服务价值空间变化特征分析

借助ArcGIS 10.2平台,采用空间格网化数据分割,将林地、草地、园地及农田生态系统服务价值利用植被覆盖度再次进行空间格网化修订,最终计算出每个格网修订后的生态系统服务价值,并生成2006、2010、2014、2018年生态系统服务价值空间格网分布图(图4)。

图4 三亚市2006—2018年生态系统服务价值空间分布图Fig.4 The spatial distribution of ESV in Sanya from 2006 to 2018

结果表明：(1)总体格局上,三亚市生态系统服务价值呈现“南高北低”的空间特征。山区居多的北部地区生态系统服务价值较高(主要集中于天涯区和吉阳区),靠近东部、南部的沿海市区整体生态系统服务价值偏低(主要集中于崖州区和海棠区)。(2)格局演化上,三亚市中北部地区生态优势逐渐减弱,生态系统调节服务下降趋势明显,从而凸显出以旅游为主导的城镇化演进,并未呈现良好的生态效应。尤其是三亚市林地、园地、耕地逐步向建设用地转变带来的负面生态效应值得引起关注。城市规划中生态红线的绘制及执行尤为重要,在微观旅游开发和城市建设活动中应当将生态服务价值损益纳入经济活动成本管控中,通过人类理性社会经济活动促进三亚市生态环境的增值响应。

为进一步识别三亚市各区域生态系统服务价值变化的空间分异特征,利用ArcGIS 10.2绘制三亚市2006—2018年生态系统服务价值空间格网增减分布图(图5)。

图5 三亚市2006—2018年生态系统服务价值增减分布图Fig.5 The spatial distribution of increase and decrease of ESV in Sanya from 2006 to 2018

结果表明：(1)在空间分布上,2006—2010年与2010—2014年ESV增减变化基本一致,减少区域连片分布全境,增加区域均集聚于天涯区、海棠区,且2014年前三亚市海棠区生态系统状况良好,ESV整体呈上升趋势(图5),但2014—2018年出现块状减少区域,此时三亚市生态系统服务价值减少区域主要集中在天涯区及吉阳区北部区域,表明该区域原有生态环境受人工过渡开发影响,ESV呈大片减少趋势。

(2)整体上来看,三亚市生态系统服务价值在空间格局上,ESV增加格网明显高于减少格网数量,且2018年三亚基本形成的三大旅游经济海湾区：亚洲湾、三亚湾以及海棠湾,在空间上存在大量增加格网,但在绝对值上,历年均呈下降趋势,表明减少区域囿于城镇建设和旅游业发展过程中,河道、湿地等不断被挤占,挖山、采石、毁林、取土导致山体破坏屡见不鲜；城市建成区河流、湿地、生态绿地等要素破碎、片段化现象明显,城市热岛效应明显。土地资源快速消耗,目前滨海地区建设用地已几乎耗尽,未来城市拓展空间大大受限。未来随着国际旅游岛建设发展,旅游业与城镇化加速带来人口增加,三亚将面临更大资源环境压力。

(1)全局空间自相关结果

利用GeoDa软件,计算格网尺度下空间自相关Moran′sI指数。2006年、2010年、2014年以及2018年三亚市生态系统服务价值Moran′sI指数为0.637、0.597、0.567、0.599,表明在1km×1km的格网尺度上三亚市生态系统服务价值空间存在正相关,且相关性呈先降后增趋势。

(2)LISA局部空间自相关聚类结果

全局Moran′sI只揭示研究区域整体的集聚类型,利用LISA局部空间自相关聚类可分析三亚市生态系统服务价值领域之间的自相关性,将空间聚类分为4种：(1)高高集聚,格网与周边相邻格网生态系统服务价值都较高；(2)高低集聚,格网生态系统服务价值比较高,周边邻域格网生态系统服务价值较低；(3)低低集聚,格网与周边格网生态系统服务价值都较低；(4)低高集聚,在格网尺度下,格网生态系统服务价值较低,但周边格网生态系统服务价值较高。利用ArcGIS 10.2绘制三亚市2006年、2010年、2014年、2018年4期的生态系统服务价值局部空间自相关图谱(图6)。

图6 格网尺度下三亚市生态系统服务价值的LISA集聚图Fig.6 The LISA aggregation of ESV in Sanya city at the Grid ScaleLSIA: 空间联系的局部指标图Local indicators of spatial association

结果表明：三亚市的生态系统服务价值的空间集聚特征：从2006—2018年间,生态系统服务价值基本保持稳定,呈现“南低北高”空间集聚特征,高高、低低两类集聚类型显著性强；高低、低高分布集聚类型不显著。具体表现为：

(1)高高集聚区：主要分布在三亚市北部天涯区林地区域,三亚市依据《三亚市土地利用总体规划》严格控制三亚市生态环境保护机制,其中,三亚市北部山区天然林为重点保护对象,禁止诸如建设占用、毁林垦荒、商品林开发等迫使生态环境遭受直接或间接破坏的活动。严格遵守《中华人民共和国自然保护区条例》按照条例对自然保护区进行分层管理,并设立实施诸多管控措施,该举措在时间、空间上取得显著成效,但现有数据表明,在研究期内,北部天然林存在被开发利用迹象,导致南部城市建设核心及旅游周边发展不断侵占北部山地区域,北部山地作为三亚市生态系统服务价值的主要来源,定要严令禁止永久性破坏原有生态的建筑设施等旅游开发项目。

(2)低低集聚区：主要集中在三亚沿海区域,崖州湾、三亚湾及海棠湾。三亚市海洋资源丰富,不断吸引新的开发项目建设,南部沿海海湾作为三亚市经济发展龙头区域,大部分经济收入来源于南部海湾。但由于生态文明理念薄弱,导致该片海湾区域的生态系统服务价值较低,在追求经济快速增长的同时,忽视生态系统涵养保护。

(3)其他集聚区：三亚市生态系统服务价值的高低、低高集聚区分布较少且零星散落在高高集聚区和低低集聚区的边界地区。且此类聚集区主要是林地、园地和农田的交界地带。

3.3 旅游发展与生态系统服务价值关系探究

2010年初海南国际旅游岛建设正式步入正轨。三亚市抓住国际旅游岛建设等重大机遇,已逐步从边陲小城发展为国内外知名的旅游城市。近年来,三亚市基于《三亚市建设世界级滨海旅游城市行动方案》《三亚市幸福民生行动计划》推动产业融合与经济发展,积极落实全域旅游发展计划,策划改造传统景区、开发高质量旅游产品、建造顶级品牌滨海酒店带。在积极推动旅游业发展与金融产业兴隆的同时,忽视了优良生态环境的保护与维护。

(1)从土地利用数据来看,生态系统服务中林地服务价值最高。2006—2018年间三亚市林地呈骤降趋势,成为制约生态系统服务价值的直接原因；园地、建设用地面积激增,尤其是建设用地面积12年来增长143.686km2,三亚市旅游开发与发展,很大程度上推动原有土地利用类型与利用方式的转变。土地利用方式的转变代表着土地自然景观的改变,继而影响生态系统服务价值变动。

(2)从生态系统服务价值来看,三亚市生态系统服务价值呈逐年减少态势,且减少幅度略有下降。表明三亚市虽在以旅游为主导的开发建设下,降低了区域生态系统服务价值,但依旧有生态环境保护措施做缓冲,减缓对三亚市生态环境的破坏与干扰。

(3)从空间全局自相关来看,四期Moran′sI指数分别为0.637、0.598、0.568、0.600,正相关显著,且呈先降后增趋势,表明三亚市各格网区域之间存在空间集聚性,且在2006—2014年间呈下降趋势,空间性逐渐不明显,旅游开发项目扩散分布在三亚市适合区域,降低了生态系统服务的空间集聚性；2015—2018年间,全局空间自相关指数略有提升,在国家大力倡导生态文明建设时期,限制三亚市旅游开发项目的延展性,转变为有节制的开发利用,生态系统服务价值空间集聚性获得提升。

(4)从空间局部自相关可以看出,三亚市四类聚集区域基本保持稳定。三亚市北部林地山地区域为高高集聚区域,南部沿海区域、崖州湾、三亚湾以及海棠湾为低低集聚区域。林地与建设用地在空间上与生态系统服务价值呈现较高的契合度。在城市化的推动下,旅游开发对生态系统服务价值的影响愈发强烈,旅游专业化程度已接近90%,三亚市生态系统服务价值变化与三亚市旅游发展关系密切。

旅游产业的快速发展在带动经济增长的同时,对旅游地的生态系统造成巨大威胁,城市建成区生态绿地、河流等要素的破碎化,生物多样性骤减以及城市热岛效应明显,对三亚市将面临巨大的资源环境压力,随着土地利用强度的上升,生态系统服务价值不断减少,呈现出负相关趋势。随着以旅游为主导的城市发展,“去自然化”地类转移的与日俱增,生态旅游的实操性受到巨大冲击,城市建设的盲目发展,不注重生态经济的可持续发展,是导致生态系统服务价值出现负增长的主要原因。

鉴于此,三亚市应该鉴于不同生态功能区位及区域划分制定科学完善的生态管理控制措施,杜绝在敏感脆弱的生态保护区域建设旅游基础设施,依据统计年鉴等面板数据科学预测旅游景区游客容量,在旅游经济不断提升过程中,严禁永久破坏性旅游设施开发建设。应对生态环境进行敏感性评价,量化数据分析区域生态环境现状,明确生态环境承载力,重新确定各区域生态功能划分,在不破坏现有生态保护条例的前提下合理安排产业布局,鉴于不同生态功能区位及区域划分制定科学完善的生态管理控制措施。

4 结论与讨论

4.1 主要结论

以三亚市为研究对象,从时空分异角度分析生态系统服务价值估算的演变特征,进而探究旅游发展对生态系统服务价值的影响,得出以下结论：

第一,2006—2018年间,三亚市生态系统服务价值总量呈现逐年下降趋势,由6.73×107元降至5.76×107元,累计减少9.78×106元。从生态系统的服务价值构成来看,由高到低依次为：水文调节>气候调节>气体调节>净化环境>休憩娱乐>原材料生产>水资源供给>食物生产。

第二,生态系统服务价值呈“南低北高”空间格局。2006—2018年增值区域连片分布在崖州区、天涯区、吉阳区南部区域,且呈逐年减少趋势,减值区域集聚于天涯区东北部、海棠区。四期生态系统服务价值均呈显著空间正相关且相关性先减后降,高高集聚区集中在天涯区北部地区,低低集聚区集中在沿海、海湾地区。

第三,旅游发展与生态系统服务价值时空演化特征关联性较强。三亚市天涯区北部林地生态环境良好,ESV略有下降但绝对数值稳定,是生态系统服务价值主要来源；旅游发展较为迅速的三亚湾、崖州湾以及海棠湾,相对增值区域较多,但绝对ESV损失显著,严重滞后于其他区域。

4.2 讨论

文章的评估与分析有利于精确认识旅游发展对生态系统服务价值的影响态势,且以典型海岛型旅游城市作为案例地的研究是对当前宏观尺度相关研究的有益补充,为旅游城市土地利用开发提供更为科学严谨的理论依据。本文尝试采用1km×1km的格网细化生态系统服务价值,在空间上以ESV增减为突破口,找寻空间关联性,并基于空间探索性空间统计方法,刻画空间集聚区域,成为探究旅游发展与生态系统服务价值关系的有益尝试。但旅游发展、土地利用变化及生态系统服务价值呈现的趋势明显,但背后复杂的社会经济因素尚未得到有效考量分析,因此,旅游产业的可持续发展与生态环境的影响机制是一个值得深入探索的研究方向。与此同时,现有文化服务价值评估研究,多集中于休闲娱乐场所且数据源大多来自消费者偏好。随着大数据时代的到来,文化服务价值评估有望朝向大尺度、高分辨率发展。