都市生態旅游區土地利用碎片化對生態系統服務價值的影響
——以武漢東湖生態旅游區為例

李冬杰,楊 利,*,余俞寒,羅文斌,王兆峰

1 湖南師范大學旅游學院, 長沙 410081 2 華中農業大學資源與環境學院, 武漢 430070

城市是土地利用程度最高的地域系統,城市建設活動改變了地表景觀格局,致使都市自然生態系統結構發生變化,由此影響生態系統所提供的服務功能及其價值,最終損害人類從生態系統中獲取的惠益[1- 3]。都市生態旅游區在城市自然環境中發揮著重要的生態功能,而城市發展助推建設用地的肆意擴張,加速了都市生態旅游區土地利用的碎片化趨向,進而對區域生態系統服務價值造成損耗性影響。因此,聚焦都市生態旅游區土地利用碎片化過程及其對生態系統服務價值的影響態勢,有助于理解城市規模化過程中都市生態旅游區生態作用的演變趨勢,揭示其生態價值和意義,以維護都市生態系統整體生態價值。

生態系統服務功能依托于地表自然資產提供豐富的價值,國內外諸多學者探索和研究了大量評估此類價值的方法。最著名的是1997年Costanza等評估了全球生態系統服務價值,研究提出各地類的生態服務價值系數[4];此后諸多學者針對不同研究對象進行生態系統服務價值量評估,并就大尺度區域的評估進行了方法探索[5- 7]。國內方面,歐陽志云等于1999年先行探索了中國陸地生態系統服務功能的價值,后于2016年在《Science》上發表了有關自然資本投資改善生態系統服務的研究成果[8- 9];謝高地等基于中國自然環境特征修正了Costanza等的系數,于2003年和2008年先后估算和改進了我國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表[10- 11];期間國內學者先后評估了城市化流域、濕地、耕地和海岸帶等各類土地系統的生態系統服務價值[12-15],且近年來集中于城市群、山區、海灣區等宏觀區域研究[16-18],而對旅游景區這類微小區域研究較少。針對生態旅游區生態系統服務的研究開展較晚,G?ssling等人于1999年先行探索了生態旅游發展對生態系統服務的影響[19];國內學者王洪翠等于2006年較早的對武夷山景區的生態系統服務價值進行評估[20];此后陸續有學者分別對都市綠地、山岳、水利等類型景區的生態系統服務展開研究[21-24],但上述研究多囿于空間格局和價值量變化等表層分析,缺乏對影響機理的深度剖析。都市土地景觀破碎化對生態系統服務的影響近年來也受到關注,國內學者針對都市農業景觀和水體景觀等進行了相應探索[25- 26]。作為都市生態系統重要的組成部分,都市生態旅游區土地利用碎片化勢必對都市生態系統服務價值產生影響,但目前針對的定量研究還比較匱乏。

基于此,研究著眼小尺度區域,從土地利用碎片化角度入手,以武漢東湖國家生態旅游區為實證對象,利用武漢市土地利用和相關社會經濟數據,結合RS/GIS技術,從時空維度系統分析東湖生態旅游區土地利用碎片化進程,并結合政策背景及相關領域研究成果,從土地利用類型和景觀格局變化兩個角度分析土地利用碎片化對生態系統服務價值的影響,試圖細化當前土地利用變化對生態系統服務價值影響的研究,從土地景觀格局視角剖析生態服務價值變化的主要影響因素,以期擴充和完善都市生態旅游區的研究范疇,促進都市生態旅游區土地資源的保護利用,為都市生態系統合理維護和生態旅游區科學管理提供決策參考。

1 研究區域概況

武漢東湖生態旅游風景區位于湖北省武漢市中心城區,是首批國家重點風景名勝區、國家5A級旅游景區(圖1)。風景區總面積88 km2,其中水域面積近40 km2,以中國第二大城中湖——東湖為核心,環湖分布著34座小山,最高處珞珈山頂海拔118.5 m,整體地勢較為平坦,包括聽濤、磨山、落雁、吹笛、白馬和珞洪等6個片區,集旅游觀光、休閑度假、科普教育為一體,年接待游客數百萬人次。作為典型的都市生態旅游區,東湖在凈化空氣、防塵降噪、調節小氣候、緩解城市熱島效應等方面發揮良好的生態功能,在武漢城市建成區自然生態系統中居于十分重要的地位。2000年后,由于城市建設擴張及景區建設,東湖生態旅游區域內土地利用出現不合理轉換,大量草地、水域、耕地等地類被建設用地取代,土地景觀碎片化明顯,對風景區及周邊地區生態系統造成諸多不良影響。

圖1 武漢東湖生態旅游區區位圖Fig.1 Location of Wuhan East Lake ecological tourist area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

土地利用數據共分四期,其中2000和2005年兩期數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:www.resdc.cn)的中國土地利用遙感監測數據庫,分辨率為30 m;2010和2015年兩期遙感影像來自于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)的Landsat 7 ETM+ SLC-off 矯正數據,分辨率為15 m,通過ENVI 4.7及ArcGIS平臺分別進行影像幾何校正、投影變換等,依據武漢東湖生態旅游風景區管理委員會提供的東湖生態旅游區范圍進行區域裁剪得到研究區影像,最后參照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2007)標準將影像人工解譯為林地、草地、耕地、水域、未利用地和建設用地等6種一級地類,最終獲得東湖生態旅游區2010和2015年兩期土地利用數據(圖2)。經過與前期數據面積及結構比對調整后,檢驗解譯數據Kappa值大于0.75,數據擬合精度較好;為了進一步驗證解譯數據準確性,于2018年9月底實地選取35個GPS點與2015年數據進行結果比對,其中有31個點一級地類顯示正確,準確率達88.57%,考慮到短期內地類變化幅度較小,數據精度較為合理。實地調查確認耕地主要表現為人工低層植被區及少量水田,而建設用地(包括城鎮居民用地、交通用地和其他建設用地)不納入生態服務價值估算的范圍。武漢市人口、GDP、糧食、油料、棉花等主要農作物單產等數據來源于《武漢統計年鑒—2016》。

2.2 土地利用碎片化測度

引入景觀生態學的研究方法,結合土地利用數據,借助ArcGIS 10.0和FRAGSTATS 4.2軟件進行綜合測算,景觀格局指數選取情況見表1。

表1 景觀格局指數選取列表

2.3 土地生態服務價值評估

參考Costanza等研究的全球生態系統服務價值評價模型,以謝高地等2008年設定的“中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量因子表”為基礎估算武漢市生態系統服務價值,謝高地等人研究結果認為一個當量因子的價值量為全國主要糧食作物平均單產價值量的1/7,為了使估算結果更貼近武漢地區實際,參照《武漢統計年鑒—2016》,選取小麥、玉米、稻谷、棉花、油料等本地主要農作物,以武漢市域2015年農作物收購指導價作為基礎價值當量,由公式(1)和(2)綜合估算出武漢地區單位面積生態系統服務價值量。

(1)

式中,Jn為單位面積農田提供食物生產功能的經濟價值(元/hm2),j為農作物種類;pj為第j種農作物武漢地區收購價(元/t);qj為第j種農作物單產(t/hm2),oj為第j種農作物種植面積(hm2),N為第i種農作物種植總面積(hm2)。

Jxy=jxyJn(x=1,2,…,9;y=1,2,…,4)

(2)

式中,Jxy為第y種地類第x種生態服務功能的單位面積價值量(元/hm2),jxy為第y種地類第x種生態服務功能相對于農田生態系統提供生態服務單價的當量因子;x為生態系統服務功能類型,y為土地利用類型。

由于東湖生態旅游區是以水域為核心的生態旅游區,為了使估算價值當量更貼合水域在東湖景區實際生態價值量,借鑒張雅昕等改進的方法[27],引入武漢市人口密度、人均經濟產出、區位優勢等本地因素,由公式(3)得出水域的單位面積生態系統服務價值;同時借鑒謝高地在2015年提出的單位面積價值當量因子動態評估方法[28],突出東湖生態旅游區的水域文化價值,結合專家經驗調整東湖水域的娛樂文化價值量為林地的3倍;水域其他生態服務功能的價值量由其當量因子(謝高地系數)占水域總當量因子的比重求得。經估算得出2015年水域單位面積生態系統服務價值為162346.87元,高于李全等估算的武漢市2010年的114928元[29],基于社會經濟發展及水域的區域特殊性等因素考量,增長量較為合理。

Jw=-2398.31Xs-0.14Xg+34.03Xm-57696.29Xf+119763.87Xh

(3)

式中,Jw為水域單位面積生態系統服務價值,Xs為年代,Xg為人均GDP,Xm為人口密度,Xf為方法(選擇謝高地系數法),Xh為區位(選擇中部地區)。

最后,根據公式(4)估算出區域土地生態系統服務總價值,并最終得到2015年武漢市土地系統單位面積生態服務價值當量(表2)。

(4)

式中,Z為區域土地生態系統服務總價值;Ny為第y種地類的面積;Jxy為y種地類第x種服務功能的單位面積價值。

圖2 東湖生態旅游區2000—2015年土地利用空間分布Fig.2 Spatial distribution of land use in East Lake ecotourism area from 2000 to 2015

3 結果與分析

3.1 武漢東湖生態旅游區碎片化土地利用時空格局

3.1.1東湖生態旅游區各土地利用類型空間變化

2000—2015年間,東湖生態旅游區各地類呈現“去自然化”趨向(表3)。其中,耕地、水域、未利用地、城鎮用地表現出趨勢性變化。耕地面積縮減量最大,15年共減少722.49 hm2,尤其2005—2010年間縮減率達到23.7%;水域面積呈現遞減趨勢,15年間共減少227.73 hm2;未利用地總體也呈縮減趨勢。耕地、草地、水域面積變化主要受城市粗放擴展影響,這一點從建設用地的變化中可以看出。建設用地面積迅猛遞增,15年間共增加997.54 hm2,最快的2005—2010年區間增長率達到94.98%,是其他地類面積減少的主要因素。

表2 武漢市2015年各土地利用類型的單位面積生態服務價值/(元 hm-2 a-1)

表3 東湖生態旅游區2000—2015年各土地利用類型面積

進一步通過ArcGIS平臺對2000和2015年兩組數據進行地類轉換和疊加分析(圖3),結果發現:15年間,耕地、水域和未利用地是主要被轉換地類,建設用地是主要新轉成地類。其中落雁、磨山和吹笛等景區大量耕地和未利用地被轉換為建設用地,白馬和聽濤等景區許多水域被侵占轉成耕地、林地甚至建設用地。分析結果表明,隨著近年武漢建設國家中心城市戰略的實行,城市“野蠻生長”,住宅、商業地產、道路擴容等環湖建設不斷蠶食東湖生態旅游區的土地,大量自然地類被迫轉換。值得注意的是,林地面積先減少后增加,反映出2010年以來城市生態建設意識的增強,森林植被保護與恢復的舉措成效顯著。

圖3 東湖生態旅游區2000—2015年地類轉換空間格局Fig.3 Spatial pattern of land use conversion in East Lake ecotourism area from 2000 to 2015

3.1.2東湖生態旅游區土地利用碎片化過程分析

圖4 東湖生態旅游區2000—2015年整體景觀格局變化 Fig.4 The overall landscape pattern change in East Lake ecotourism area from 2000 to 2015

2000—2015年,東湖生態旅游區土地利用景觀整體呈現碎片化趨勢,景觀斑塊密度指數、景觀多樣性指數均呈現遞增趨勢(圖4),尤其在2005—2010年變化最為明顯,斑塊密度指數由1.67上升到1.94,景觀多樣性指數則由2000年的1.59增加到2015年的1.71。上述變化表明,2000—2015年東湖生態旅游區土地利用景觀特征從邊界完整、連通性較高向邊界割裂、碎片化轉變。由于武漢城市化的發展,東湖生態旅游區內建設用地不斷蔓延,土地利用碎片化已成為區內景觀格局變化的主導趨勢,這一趨勢在短期內仍將持續。

林地和水域是東湖生態旅游區最主要的土地利用類型,區內景觀格局變化在這兩種地類上體現較為明顯。2000—2015年間,東湖生態旅游區內林地景觀破碎度呈先下降后上升的趨勢,最大斑塊面積先上升后下降(圖5)。其中景觀破碎度指數從2000年的6.71下降到2010年的6.62,之后上升到2015年的7.01,最大斑塊指數先從2000年25.51上升到2010年的25.88,之后于2015年下降到25.01,表明林地景觀總體呈現破碎化趨勢。水域的景觀格局與林地有類似的發展傾向(圖5),景觀破碎度呈現上升趨勢,最大斑塊面積呈現下降態勢。需要特別注意的是2010—2015年,水域景觀破碎度指數的上升趨勢和最大斑塊指數的下降趨勢均出現加速特征,水域景觀整體呈現碎片化。

圖5 東湖生態旅游區2000—2015年林地和水域景觀格局變化Fig.5 Landscape pattern change of forestland and water area in East Lake ecotourism area from 2000 to 2015

3.2 東湖生態旅游區土地生態服務價值演化

2000—2015年間東湖生態旅游區土地生態系統服務價值呈前期降低較緩慢,后期降低較快的變化趨勢(表4)。其中2000—2010年間,東湖生態旅游區土地生態系統服務總價值由79602.99萬元降低至2010年的76508.92萬元,年均降低309.41萬元;而2010—2015年由76508.92萬元下降到73354.18萬元,年均減少630.95萬元。表明2010年后,武漢城市化進程加快,東湖生態旅游區內生態服務價值較高的水域和耕地被不合理轉化,而無生態服務價值的建設用地面積快速增長,致使東湖生態旅游區生態系統服務總價值的下降趨勢加劇。區域生態系統服務價值的主體地類依次為：水域>林地>耕地>未利用地>草地,其中水域是主要的價值提供地類,總價值占比達80%左右。

從生態系統服務功能角度看,2000—2015年間東湖生態旅游區土地生態系統各服務功能價值整體呈下降趨勢(表5)。15年來東湖生態旅游區土地生態系統各項服務功能價值的次序保持較穩定,依次為：水源涵養>廢物處理>生物多樣性保護>娛樂文化>氣候調節>土壤形成與保護>氣體調節>原材料>食物生產。其中2010—2015年,提供主要生態服務價值的5項服務功能價值變化尤為明顯,其中水源涵養功能由26670.66萬元降低到25386.44萬元,廢物處理功能由21035.98萬元降低到19978.22萬元,娛樂文化功能由9070.28萬元降低到8651.46萬元,生物多樣性保護功能由6668.03萬元降低到6455.60萬元。

表4 東湖生態旅游區2000—2015年土地生態系統服務價值

表5 東湖生態旅游區2000—2015年各項生態服務價值/萬元

3.3 東湖生態旅游區碎片化土地利用對生態系統服務價值的影響

由前文可知,東湖生態旅游區土地生態系統服務價值總體呈下降趨勢,與土地利用碎片化的上升趨勢呈負相關關系。將土地利用變化和土地景觀格局兩類因素作為自變量,生態系統各服務功能價值及總價值作為因變量,運用SPSS軟件對研究變量分別進行雙變量相關性分析,依次得到土地利用類型和景觀格局對生態系統服務價值的影響結果(表6、表7)。

3.3.1土地利用變化因素

(1)草地和耕地的面積變化與生態系統服務中的氣體調節、氣候調節、土壤形成與保護等調節性功能和糧食生產、原材料等功能存在顯著正相關,其中草地與水源涵養、土壤形成與保護等功能高度顯著相關,耕地與氣體調節、糧食生產等功能高度顯著相關,均達0.995以上(表6)。東湖生態旅游區位于城市建成區,區內的草地與耕地的覆被植物發揮著凈化空氣、保持水土、降解廢棄物等重要功能,其調節性和支持性功能服務價值均較高。2000年以來,草地和耕地面積大量縮減,成為調節性及支持性功能服務價值不斷下降的重要影響因素。

(2)水域的面積變化與生態系統服務中的水源涵養、廢物處理等支持性功能和娛樂文化功能存在顯著正相關,其中,與水源涵養和娛樂文化等服務高度顯著相關,達0.995以上(表6)。水域是單位面積生態服務價值當量最高的地類,水體中的水生植物及微生物作用對廢棄污染物有強大的凈化能力,對東湖生態系統凈化作用突出;同時,湖泊型水域具有較高的游憩價值和景觀美學價值。自2000年以來,隨著水域的萎縮,東湖生態旅游區的凈化功能受到干擾,生態系統中支持性功能的服務價值也隨之降低;同時,水體游憩和景觀美學價值受到影響,水域面積縮小成為文化性功能服務價值下降的主要影響因素。

(3)水域和未利用地的面積變化與生態系統服務總價值存在顯著正相關,其中水域與總價值相關性最高,達0.969(表6)。水體是湖泊型生態旅游區分布最廣泛的景觀,其在生態系統服務中占主導地位。2000至2015年間,水域在東湖生態旅游區的面積占比從50.26%下降到47.33%,對區域生態系統服務產生影響,成為生態系統服務總價值下降的關鍵因素;同時,城市發展促使密集型用地需求,大量未利用地轉化為不具備生態服務價值的建設用地,對生態系統服務產生消極影響,成為生態系統服務總價值下降的重要影響因素。

表6 東湖生態旅游區各土地利用類型變化與生態系統各項服務價值的相關性

**P≤0.01,*P≤0.05

表7 東湖生態旅游區土地景觀格局變化與生態系統各項服務價值的相關性

**P≤0.01,*P≤0.05

3.3.2土地景觀格局因素

(1)土地景觀斑塊密度指數和景觀多樣性指數變化與氣候調節、生物多樣性保護、食物生產等服務功能價值均呈顯著負相關關系,其中與生物多樣性保護相關性最高,均達-0.990以上(表7)。自2000年東湖生態旅游區獲評全國首批4A級景區后,吹笛、磨山、聽濤等景區對多處連片自然景觀重新規劃建設;2005年后,科教院所環繞的吹笛和磨山景區,擴大基礎設施建設,水域、耕地、未利用地遭到剖解,碎片化趨勢明顯。景觀的碎片化破壞生態系統的完整性,降低生態服務功能的整體優勢,進而消減生態系統服務價值;同時景觀碎片化對小氣候調節、集約型產出等造成不良影響,導致生物棲息地萎縮,成為生態系統生物多樣性服務功能不斷下降的重要影響因素。

(2)林地的景觀破碎指數變化與水源涵養、廢物處理和娛樂文化等服務功能價值呈顯著正相關關系,其中與娛樂文化相關性最高,達0.991(表7)。林地是東湖生態系統服務價值的重要提供者,2000—2010年間,景區建設致使小片狀林地被逐漸轉化,引起林地破碎度指數略微下降;2011年武漢提出建設生態文明城市,景區內行道樹、林木景觀小品的建設使得小片林地分布范圍擴大,致使林地破碎度迅速回升。森林具有涵養水源、育土固碳等生態功能,林木小品及森林景觀蘊含較好的觀光游憩價值,因此,林地碎片化成為影響支持性和娛樂文化功能價值的重要因素。

(3)水域景觀最大斑塊指數與水源涵養、廢物處理、娛樂文化等功能價值呈顯著正相關關系,其中與娛樂文化相關性最高,達0.995;水域景觀破碎指數與氣候調節、生物多樣性保護、食物生產等功能價值和生態系統服務總價值呈顯著負相關關系,其中與生物多樣性保護相關性最高,達-0.992(表7)。2010—2015年間,東湖隧道開工建設,圍堰明挖的施工方法對東湖水生生物群體產生較大危害,隧道配套設施建設侵占了水域空間;通過Google Earth高清影像發現,2012年后湖心的環湖大道和親水堤改造拓寬,至2015年達150 m左右。這些建設行為導致水域的碎片化趨勢加速,損害水域景觀的生態支持功能和觀光價值,致使區域生態系統服務總價值縮減。因此,水域碎片化成為生態系統服務價值下降的重要影響因素。

4 結論與討論

以武漢東湖生態旅游區為研究對象,從時空維度系統分析土地利用碎片化趨勢,進而探究土地利用碎片化對生態系統服務價值的影響,得出如下結論：

(1)2000至2015年,東湖生態旅游區各地類呈現明顯“去自然化”趨向,耕地、水域、未利用地呈遞減的趨勢,建設用地逐步增多。土地利用景觀整體呈現碎片化趨勢,斑塊密度由1.67上升到1.96,景觀多樣性指數則由1.59增加到1.71。主要地類中的林地和水域景觀格局也呈碎片化趨向。

(2)2000至2015年,東湖生態旅游區土地生態系統服務價值整體呈逐年下降的趨勢,從79602.99萬元下降到73354.18萬元,15年間減少6248.81萬元。貢獻東湖生態旅游區生態系統服務價值的主體地類依次為：水域>林地>耕地>未利用地>草地,水域是東湖生態旅游區生態系統服務價值的主要提供者,占總體的80%左右。從土地生態系統服務功能的價值構成來看,各項服務功能整體呈現下降趨勢,價值次序為：水源涵養>廢物處理>生物多樣性保護>娛樂文化>氣候調節>土壤形成與保護>氣體調節>原材料>食物生產。

(3)在土地利用碎片化對生態系統服務價值影響的探究中,分別從土地利用變化及土地景觀格局兩類因素角度切入,發現：一方面,隨著“去自然化”的地類轉移,草地、耕地和水域面積變化與生態系統部分調節性、供給性、支持性和文化性功能的價值變化顯著正相關,水域和未利用地的萎縮對生態系統服務總價值下降的作用較顯著。另一方面,隨著景區內規劃改造及城市基建等影響,東湖生態旅游區主體景觀碎片化趨向明顯。分析發現區域景觀斑塊密度指數和景觀多樣性指數的增大對氣候調節、生物多樣性保護等功能價值下降具有消極作用,林地和水域的破碎化也一定程度推動了支持性和文化性功能的價值下降;主體地類水域的碎片化,成為東湖觀光游憩等文化性功能價值及生態系統服務總價值下降的關鍵因素。

文章的評估和分析有利于強化對都市生態旅游區土地景觀變化的認識,且對微小尺度的都市生態旅游區生態系統服務的研究是對當前宏觀尺度相關研究的有益補充。隨著城市建設擴張,其對域內生態系統服務的影響問題愈加顯著。研究發現都市生態旅游區土地利用碎片化的主要原因是城市建設盲目發展,由此帶來土地利用的不合理轉化,耕地、水域和未利用地等自然地類被分割轉變為建設用地,致使土地景觀趨于碎片化,最終導致都市生態旅游區生態系統服務價值逐漸下降。鑒于此,相關政府部門有必要強化都市生態旅游區規劃與管理,劃定生態用地紅線,嚴格控制生態旅游區內土地不合理轉化,以維護都市生態系統平衡。由于獲取的土地利用數據量較少,文章對生態系統服務價值變化的影響因素僅進行了統計性的相關分析,未來可適當增加數據量,通過數理建模等方法提高影響因素分析的科學性。都市生態旅游區承載著生態觀光和休閑娛樂等功能,而旅游發展使景區難以得到合理的利用與保護。因此,土地利用碎片化對都市生態旅游區旅游業持續發展的互動機制是未來值得深入研究的一個方向。