長沙旅游發展對生態系統服務價值的空間效應研究

王雨菲,劉春臘*

(湖南師范大學 a.地理科學學院; b.湖南師范大學地理空間大數據挖掘與應用湖南省重點實驗室,中國 長沙 410081)

隨著人們環境保護意識的增強和國家對環境保護投入的不斷加大,生態系統服務價值的研究已經成為當今可持續發展的熱點[1]。在生態保護的大環境下,各地為踐行“綠水青山就是金山銀山”這一重要思想,積極推進重點行業和領域綠色化改造。旅游業正是憑借旅游資源為游客提供游覽服務的一種綠色行業,但隨著旅游業進入新發展階段,區域土地利用形態也正在發生動態轉變[2],進而深刻影響到生態系統服務價值的變化。特別是在以旅游業為主要支撐行業的城市,旅游業的發展完全可以作為城市土地利用格局變化的主要驅動力之一[3]。然而綠色旅游發展模式所存在問題遭受質疑,旅游設施用地無序擴張、耕地占用面積減少等生態環境問題日益突出[4],盲目建設致使地類轉移“去自然化”,最終導致旅游活動對生態系統服務價值產生負面影響。土地利用變化的生態環境效應及其對生態系統服務的影響逐漸成為土地利用變化研究的核心內容之一[5]。

生態系統服務是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[6]。最早由Costanza等提出生態服務價值估算理論[7],之后謝高地等人對Contanza研究結果進行修正,結合中國的實際情況提出了我國生態系統服務價值當量因子[8],并在不同尺度區域,如國家[8]、地區[9]及城市[10]等,不同類型區域如森林[11]、流域[12]等的生態系統服務價值研究中得到普遍運用。國內外學者也圍繞土地利用變化、生態價值評估方法和生態價值理論體系等[13,14]展開了廣泛研究,取得豐碩成果,進一步拓展了生態系統服務價值的應用情景,為生態環境保護與區域規劃[15]等提供了科學依據。也有學者關注了生態系統服務價值與人類活動的空間關系研究,但研究區多集中于庫區[16]、城市[17]等地區,鮮有關注因旅游發展所帶來的生態系統服務價值的損益。隨著人們的旅游生活需求日益增長帶來人造地表不斷擴張,其所導致的生態系統服務價值變化也日益成為衡量區域生態環境效益的重要指標[18]。由于不合理的旅游活動可能會導致生態系統結構的失調,因此,關注旅游業發展過程中生態系統服務價值的損益情況,對城市綠色可持續發展至關重要。

近年來,旅游活動趨于多樣化,旅游業越來越成為生態系統服務價值置換的重要方式[19]。在旅游休閑產業發展的過程中,部分土地利用結構的變化也影響著生態系統服務價值,引起了學術界的關注。部分研究者認為旅游活動使生態系統服務價值減少,根本原因在于人類在利用和改造自然的在過程中盲目追求片面的經濟利益,而未關注潛在的生態價值[20]。嚴格管控旅游活動,合理規劃土地利用類型的轉變,對實現整體生態系統的協調發展[21],探究旅游和生態保護的協調發展的實踐路徑有較大的促進作用。

基于以上背景,本文采用GIS技術,提取2010,2015和2020年旅游城市長沙市土地覆蓋信息,分析在2010—2020年旅游發展影響下長沙市生態系統服務價值的時空變化,并揭示二者之間的時空耦合關系,對生態和旅游的可持續發展以及生態系統服務價值理論的應用情景提供參考。

1 數據來源和研究方法

1.1 研究區域概況

長沙市地處湖南省東北部,湘江下游,面積11 819 km2。長沙是生態綠色城市,森林覆蓋率穩定在55%,居全國省會城市前三。作為歷史文化旅游城市,長沙擁有豐富的旅游資源,包括岳麓山風景名勝區、花明樓景區、千龍湖生態旅游區、大圍山國家森林公園、銅官古鎮等豐富而獨特的人文與山水景觀,2019年接待旅游總人數突破16 000萬人次,旅游總收入達到2 028.87億元,旅游在其產業結構的地位愈加重要,即使在疫情期間,其旅游專業水平也呈波動上升趨勢。因此,長沙市旅游業對生態系統服務價值的影響具有重要研究意義,同時也對長沙市社會經濟發展具有指導意義。

1.2 數據處理

1.2.1 數據來源 本研究選取了2010—2020年間3個時間段的Landsat TM影像作為基礎數據,統計數據包括糧食產量、播種面積、糧食價格和興趣點數據,數據來源于《中國農產品價格調查年鑒(2020)》《長沙統計年鑒(2010—2020)》《湖南省統計年鑒》《長沙市國民經濟和社會發展統計公報》和高德地圖開放平臺。

在興趣點數據中,高德地圖開放平臺API接口可獲取23大類的POI數據,依據《國家旅游及相關產業分類(2018)》標準,將旅游休閑業態興趣點分為酒店住宿、風景名勝、娛樂休閑、購物服務和餐飲服務5類[22],對數據進行清洗,共獲取406 056條數據,轉換坐標后導入ArcGIS 10.8生成矢量數據進行空間分析。

1.2.2 數據網格化 綜合考慮生態系統服務價值和密度數據的相關研究成果,本文借助ArcGIS 10.8軟件,將研究區分為1 675個3 km×3 km的網格單元,提取每個網格單元中的生態系統服務價值和旅游休閑業興趣點密度值,統一進行歸一化處理。

1.3 生態系統服務價值分析

1.3.1 生態系統服務價值評估 基于Costanza提出的生態服務價值分析模型[7],結合長沙市實際情況,獲取6種土地利用類型價值系數。計算公式為:

ESV=∑(Ak×VCk),

(1)

式中:ESV為土地生態服務價值;VCk為第k類土地的生態服務價值系數;Ak為第k類土地利用類型的面積。

1.3.2 當量因子法 根據研究區域實際情況,參考謝高地等提出的不同省份農田生態系統生物量因子表[8],表中對中國生態系統服務價值進行修正(湖南省修正系數為1.95),計算得到長沙市農田自然糧食產量的經濟價值為2 881.96元/hm2,最終得到長沙市單位面積生態系統服務價值系數表。

表1 長沙市生態系統單位面積服務價值表 單位:105元/hm2

1.4 總體耦合態勢模型

通過比較不同空間變量加權中心的距離及移動的方向,以衡量空間變量演化的耦合態勢,借以描述生態系統服務價值與旅游發展相互影響的程度[23]。計算方法如下:

(2)

式中:Ct為ESV或旅游業的加權中心;(Xt,Yt)為t年份加權中心的坐標;mti是t年份像元i中的數值;Xti和Yti分別為t時期像元i的中心。

本文主要利用空間重疊性判斷空間耦合態勢。計算方法如下:

(3)

式中:S表示ESV重心與旅游發展重心間的距離;(XE,YE)和(Xt,Yt)分別為E時期和t時期重心坐標。

旅游發展與ESV變動軌跡一致性用旅游發展與ESV重心較上一時間點產生位移的矢量交角θ表示。計算公式如下:

(4)

式中:H表示變動軌跡一致性指數;ΔX和ΔY分別為重心較上一時間點經度與緯度變化量。

1.5 空間分析方法

1.5.1 雙變量全局空間自相關 雙變量全局空間自相關能夠反映長沙市旅游發展水平和生態系統服務價值空間相關性的總體特征。計算公式[24]為:

(5)

1.5.2 雙變量局部空間自相關 局部空間自相關指數可有效揭示長沙市旅游發展水平和ESV的局部分異特征及集聚性。計算公式[24]為:

(6)

式中:Ii即空間單元i的自變量與因變量的局部空間關系。n為格網數量;zi和zj為格網i和j的觀測值方差標準化值;wij為空間權重矩陣。

1.5.3 空間回歸分析 地理加權回歸將數據的地理位置加入回歸參數中,同時考慮相鄰點的空間權重,允許局部參數估計的地學統計方法[25],選用SPSS軟件進行操作,計算公式如下:

(7)

式中:Yi為第i個網格的生態系統服務價值;(μi,vi)為第i個網格的空間地理位置;β0為(μi,vi)格網處的固定效應截距;Xik為第i格網的影響因素k的取值;βk為Xik的回歸系數;εi為隨機誤差。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型轉移特征

基于ArcGIS 10.8平臺得到土地利用轉移矩陣(表2),可知2010—2020年長沙市土地利用類型間相互轉換較為頻繁,主要特點如下:(1)林地轉出面積最多,其次是耕地,分別為668.67 km2和587.57 km2。(2)人造地表轉入面積最多,為779.4 km2,主要轉入源是耕地。(3)在2010—2020年間,人造地表大量轉入,達到1 064 km2。

2.2 生態系統服務價值時空變化特征

2.2.1 生態系統服務價值計算 結合長沙市不同時期的土地利用面積數據,得到研究區域不同土地利用類型和各生態功能的生態系統服務價值的變化(表3)。從總體上看,2010—2020年生態服務價值不斷降低,共計減少9.578億元,且速度不斷加快。

表3 長沙市生態系統服務價值變化

林地和耕地作為長沙市生態系統服務價值的主要構成部分,二者生態系統服務價值總占比高達92%;草地和水體占比較少。在2010—2020年,大部分土地利用類型均有不同幅度的下降,林地ESV降幅最高,達6.03億元,其他變化不大。

根據表4結果顯示,長沙市生態系統各項服務功能結構基本穩定。其中,土壤形成與保護的生態系統服務價值貢獻率最高,主要體現在林地和耕地兩方面,分別是5 326.84元/hm2和4 210.53元/hm2;其次為水源涵養,其中水體達到27 836.23元/hm2;氣體調節貢獻率位居第三,主要是林地的價值系數較高,達到4 780.5元/hm2,娛樂文化的生態系統服務價值的貢獻率最小?？傮w而言,各項生態系統服務功能的貢獻率呈現減少的趨勢,而林地大量轉入人造地表是生態系統服務價值減少的主要原因。

表4 長沙市生態系統單項服務功能價值變化

2.2.2 生態系統服務價值空間分布特征 基于ArcGIS 10.8平臺計算得到長沙市生態系統服務價值,生成2010,2015和2020年生態系統服務價值空間分布圖(圖1)。

圖1 生態系統服務價值空間分布

在總體空間格局上,長沙市ESV與各種土地利用類型分布基本吻合,呈現“中間低四周高”的空間特征。高值區主要分布在東部羅霄山脈地區,而靠近中部的盆地地區整體生態系統服務價值較低,且主要集中在長瀏盆地。時間變化上來看,中部地區生態價值逐漸減弱,低值區向四周蔓延,表明旅游發展造成的影響并未呈現良好的生態效應,在長沙市主城區、長沙縣及寧鄉市等周邊的耕地轉變為非農業用地較為顯著,帶來的負面生態效應值得引起關注。

2.3 旅游發展時空變化特征

為合理刻畫長沙旅游業發展水平區域差異的時序演化,本文計算了2010—2020年間長沙的旅游專業化發展水平(圖2a)。

圖2 2010—2020年長沙旅游專業化水平

整體而言,2010—2020年間長沙市旅游專業化水平穩步提升,從14.72%提升到16.43%。從變化階段來看,呈現出“倒N型”波動趨勢:旅游專業化水平降至最低值12.89%后逐漸回升,且增速最為顯著,旅游專業化水平快速提升到21.29%,2020年受到新冠疫情的強烈沖擊,長沙市旅游發展勢頭明顯減弱,旅游專業化水平降低到16.43%。

從區域層面來看,各行政區旅游業專業化水平均有不同幅度的增長,且區域間差距趨于斂縮(圖2b)。在2010—2019年,芙蓉、天心、雨花三區整體旅游專業化程度均保持在10%以上的較高水平,且各年增幅保持在7%～25%之間。在2016—2019年,瀏陽和寧鄉增速較快,分別達到26%和31%;僅開福區和岳麓區出現了“縮減—擴大”的變化過程,其中岳麓區旅游專業化水平僅在2019年有所躍升,總體仍呈現明顯下降趨勢。到2020年,受到新冠疫情影響,區域內旅游專業化水平均有不同程度的下降,尤其是寧鄉市呈現出斷崖式下跌的演化態勢。

從空間上看,旅游業專業化水平呈現出“中部高、東西部低”的空間分布特征,空間極化現象較強,這與各地區自身原有經濟基礎和旅游資源稟賦有關。隨著旅游業的發展,專業化水平東西差距明顯縮減,芙蓉區憑借自身的區位和經濟雙重優勢處于領先地位,進而輻射帶動寧鄉、瀏陽外圍地區。

為了進一步探究旅游休閑業態的空間分布形態特征及擴張趨勢,對長沙市旅游設施密度進行空間可視化分析,結果如圖3。

圖3 長沙市旅游休閑業態空間分布圖

從總體上看,長沙市旅游設施密度高值區始終位于區域中部,且密度趨于增強,大致形成了以主城區,尤其是以芙蓉區為核心的空間分布格局,寧鄉和瀏陽也有小規模次核心分布,與ESV分布基本吻合。由于95%以上POI均集中分布在開福區、芙蓉區、雨花區、天心區、岳麓區和望城區,故放大以上6個行政區,對結果進行更為直觀清晰的可視化展示。2010—2020年間長沙市旅游休閑業態持續增長,旅游設施在湘江兩岸呈顯著的集中趨勢。2010年旅游設施集中化現象最為顯著,其中高值區為芙蓉區、雨花區和岳麓區,而望城區則相對滯后,這與前文所述旅游專業化水平較為符合。2015—2020年間長沙市各區(縣、市)旅游設施密度均有不同程度提升,總體呈現出“核心—邊緣”的空間結構特征。此外,隨著旅游業發展水平進一步提升,區域間的時空距離持續縮短,芙蓉、天心、雨花區以其自身經濟發展優勢吸引大量資金和人才,作為增長極輻射帶動鄰近區域旅游基礎設施建設,相鄰的旅游設施高密度區域逐漸突破行政邊界,芙蓉、天心、雨花、岳麓等區呈現一體化發展趨勢,同時寧鄉和瀏陽兩市旅游設施有明顯擴張,旅游活動空間分布向均衡化方向發展。

2.4 旅游發展與生態系統服務價值的時空耦合關系

為進一步從動態視角把握旅游業和生態系統服務價值的發展趨向,本文采用總體耦合態勢模型進行衡量(圖4)。2010—2020年間長沙市的生態價值和旅游休閑業態的加權重心距離和移動方向的夾角總體呈增長趨勢,總體耦合態勢不斷減弱。

圖4 2010—2020年長沙市ESV與旅游發展加權重心移動軌跡

此外,長沙市生態價值和旅游發展密度重心的移動方向和軌跡也并不一致,旅游業不斷向周圍地區擴張驅使生態價值加權重心向相反方向移動。由圖4可知,長沙旅游業發展的重心坐標主要在芙蓉區內波動變化,表明芙蓉區為長沙旅游業發展的中心所在。從演變趨勢來看,2010—2015年旅游發展重心向西南移動,2015年后向西北移動。這是由于瀏陽河產業帶的開發建設,城市旅游建設用地擴張進一步加劇,旅游發展重心向瀏陽河迅速靠近。而ESV重心首先向東北方向小幅度移動,原因在于長沙縣東部大量撤并鄉鎮以及城鄉建設的需要,ESV有明顯下降。2015—2020年河東區域生態環境得到明顯改善,湘江兩側區域ESV有所提升,使得研究區ESV均衡性提高,重心向西南方向移動。ESV重心的移動速度為1.79 km/年,略快于旅游發展重心的移動速度(1.01 km/年),ESV重心與旅游發展重心間的距離不斷增大, 到2020年小幅度減少至19.43 km,同時加權中心移動方向夾角持續擴大,表明2010—2020年間ESV與旅游發展重心間距離先增后減,耦合性總體維持平穩,有小幅度波動下降趨勢。

2.5 空間相關性分析

2.5.1 雙變量全局空間自相關分析 基于GeoDa軟件計算長沙市ESV與旅游發展水平的雙變量Moran’sI指數。2010年、2015年以及2020年均呈現顯著的空間負相關,且這種負相關關系在研究期內隨時間推進逐漸增強,表明局部地區旅游發展會導致周邊地區ESV下降。

2.5.2 雙變量局部空間自相關分析 基于GeoDa平臺繪制長沙市2010年、2015年、2020年三期的雙變量局部空間自相關圖譜(圖5)。數據顯示,二者的局部空間耦合主要為高-低集聚和低-高集聚兩種特征類型,其他兩種類型集聚區零星分布在行政區邊緣和上述兩種集聚區類型的過渡地帶,其中高-低集聚區主要分布在地形較為平坦、經濟基礎好、旅游業集中發展的區域,而主城區外林地、草地密集區則大多為低-高集聚區,有效解釋了旅游業發展推動下長沙市生態系統服務價值變化的指向性。從現實情況分析,這與長沙“一城一帶三廊九區”的旅游發展空間格局相對吻合,旅游發展對生態系統干擾強度顯著增加,加之生態用地保護機制欠缺,對生態系統功能的發揮造成阻礙,導致生態系統服務價值降低,而主城區外圍自然條件優越、地勢相對較高,旅游設施密集程度顯著下降,受旅游活動干擾程度小。

圖5 雙變量lisa集聚圖

2.5.3 旅游發展水平對生態系統服務價值影響的空間分異特征 為揭示旅游發展水平和生態系統服務價值相互影響作用機制,運用OLS和GWR兩種空間回歸模型對比長沙市旅游發展水平對生態系統服務價值空間格局的影響程度(表5),結果顯示:GWR相較于OLS的R2更高,同時AICc更低,表明引入GWR取得了更接近于真實值的擬合效果,擁有更好的解釋力效果。

表5 2010—2020年長沙市旅游發展對生態系統服務價值影響回歸模型結果對比

從時間變化來看,2010—2020年間長沙市旅游發展對生態系統服務價值回歸系數由-0.632下降到-0.807,呈現出顯著的負向影響并且不斷增強。2010年,在長沙市主城區以及瀏陽市羅霄山脈交匯地帶負向影響劇烈且呈團塊狀分布。由于旅游休閑娛樂業態增強以及城市建設用地的需求,保護較弱的林地、草地等生態用地轉化為人造地表,導致該地區下降趨勢明顯,至2020年旅游業快速發展,該地區已形成較穩定的人造地表分布態勢,在主城區、瀏陽市、寧鄉市以及長沙縣和主城區交界處回歸系數絕對值增長,影響程度提升(圖6)。

圖6 旅游發展對長沙市生態系統服務價值空間分異格局

空間分布上總體呈現出中間高外圍低、零星高值區穿插分布的特征。長沙市主城區由于經濟發展需要,對ESV影響程度高,在東西部大部分地區回歸系數較為穩定,屬羅霄山脈生態屏障區域,生態環境本底優良,較少受到旅游建設和活動的影響,加之對生態屏障的保護使得該地區二者的影響程度較為穩定。

3 結論

依據長沙市2010—2020年遙感數據以及土地利用數據,參考國內學者謝高地提出的模型,對其時空演變格局、集聚區域以及相關性進行分析,進而探究旅游發展對生態系統服務價值的影響,主要研究結論如下:

(1)從土地利用結構來看,長沙市旅游發展與生態系統服務價值的空間分布呈現出與地形、區位等因素的空間耦合性。中部地區地勢平緩,旅游用地分布密集,生態系統服務價值相對較低;而東、西兩側以丘陵地形為主,林地分布密集,生態系統服務價值高。

(2)從旅游專業化水平和生態系統服務價值時序變化來看,在研究期間長沙市旅游專業化程度總體上呈現穩步提升的時序特征,區域間差距逐漸縮小,表現出旅游業對各區經濟發展的強大拉力。生態系統服務價值總量呈逐年下降趨勢,且2015年之后下降速度加快,原因在于生態系統服務價值貢獻度最高的林地向人造地表轉變。

(3)從旅游休閑業態和生態系統服務價值空間格局來看,旅游休閑業態形成以主城區為核心的空間結構,并且向周圍地區蔓延擴張。寧鄉、瀏陽等外圍地區生態環境較好,有小規模旅游發展核心零星分布,總體受旅游活動干擾強度較弱。生態系統服務價值在空間分布上呈現“中間低四周高”的空間格局,由于鄉村和文化旅游逐漸興起,寧鄉、瀏陽等地建設用地增加,旅游發展更加完善,生態系統服務價值也呈現出下降趨勢。

(4)旅游發展和生態系統服務價值變化關聯性較強。二者總體耦合態勢不斷減弱,存在明顯負向效應且程度加劇,其中長沙主城區負向效應最為嚴重。耕地和林地轉化為人造地表是引起ESV損益變化及空間分異變化的主要原因,同時生態保護機制的缺失致使研究區域ESV降低,且降幅增大。

該研究基于土地利用變化評價了長沙市旅游發展對其生態系統服務價值損益的時空動態,為未來區域土地資源的有效利用和生態保護提供了科學依據,是對探究旅游發展和生態系統服務價值關系的有益嘗試。分析表明旅游發展、土地類型變化和生態系統服務價值呈現較為明顯的變化,長沙市經濟發展和戰略實施需要大量土地提供支持,應注重耕地林地占補平衡問題和生態環境保護問題,限制旅游開發項目盲目延展,提高土地利用集約度。