基于價值評估的黃山市生境質(zhì)量時空演變特征分析

彭 建,吳 見,徐飛雄,呂 儉

1 湖南師范大學(xué)旅游學(xué)院,長沙 410081 2 滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院,滁州 239000

生境也稱棲息地[1],為生物個體、種群或群落生活、繁衍的具體地段[2],主要包括土壤、地形、氣候等環(huán)境因子。生境質(zhì)量是指區(qū)域環(huán)境(自然環(huán)境)為個體和種群的持續(xù)生存與發(fā)展提供適宜條件的能力[3],是生物多樣性的重要反映[4],是保障區(qū)域生態(tài)安全、可持續(xù)發(fā)展與提升人類福祉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5-6]。對于特定區(qū)域的生境質(zhì)量評價,國外早期較多關(guān)注野生動物棲息地質(zhì)量[7],評價方法主要采用實地測量棲息地本身的屬性指標(biāo)或者動物數(shù)量的方式[8-10],但該方法獲得的多為小區(qū)域單一時段的數(shù)據(jù),且在單個指標(biāo)是否正確指示生境質(zhì)量方面存在爭議[3]。隨著土地利用/覆被變化成為全球變化的核心研究問題,國內(nèi)外學(xué)者開始廣泛關(guān)注土地利用變化對區(qū)域生境質(zhì)量的影響[11-12]。同時隨著學(xué)者對生境質(zhì)量內(nèi)涵認(rèn)識的深入,生境質(zhì)量評價方法體系不斷被完善,主要分為模型法與指標(biāo)體系評價法[13- 14]。目前生境質(zhì)量評價InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊因其在數(shù)據(jù)、方法上的諸多優(yōu)勢應(yīng)用最為廣泛[13,15],我國學(xué)者2010年開始運用該模型對城市群、自然區(qū)、流域等特定區(qū)域的生境質(zhì)量進行了評價,并對其時空格局進行分析[16-19],但在典型人地互動區(qū)域類型的旅游區(qū)還鮮少應(yīng)用,且該模型也存在一定局限性[20],因而學(xué)者又轉(zhuǎn)向綜合模型構(gòu)建。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值指從生態(tài)系統(tǒng)中人類可獲得的各種直接和間接利益[21],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念已有30多年,隨著研究的深入,部分學(xué)者在評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時把生境質(zhì)量作為重要組成部分,通過構(gòu)建生境質(zhì)量系數(shù)調(diào)整不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[15,22],同時也有學(xué)者提出將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值作為本底生境質(zhì)量的表征評價生境優(yōu)劣,獲得較好的效果[19],綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值模型,采用價值法對生境質(zhì)量進行評估既考慮為人類提供利益又最接近自然狀態(tài)[23]。

旅游業(yè)發(fā)展促進城鎮(zhèn)化是城市化的一種重要模式,然而旅游經(jīng)濟發(fā)展中資源利用過程存在顯著的負(fù)外部性[24],黃山市是典型的旅游城市[25],旅游的發(fā)展使得城鎮(zhèn)擴張[26],同時也對地區(qū)生態(tài)造成干擾[27],基于此,本文以黃山市為例,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、生境質(zhì)量指數(shù)、InVEST生境質(zhì)量模塊三方面構(gòu)建綜合生境質(zhì)量模型對黃山市1987、1997、2007、2017年生境質(zhì)量進行評價,運用熱點分析、空間自相關(guān)等分析方法對生境質(zhì)量時空格局進行分析,并選擇與黃山市生境質(zhì)量密切相關(guān)的城市、旅游等方面總結(jié)生境質(zhì)量時空變化規(guī)律,以期為旅游地生態(tài)環(huán)境保護與空間優(yōu)化、可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)安全格局構(gòu)建提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃山市位于安徽省最南端,轄屯溪區(qū)、徽州區(qū)、黃山區(qū)3區(qū)和祁門縣、歙縣、黟縣、休寧縣4縣(圖1),共105個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),土地面積約9686 km2,截止2017年年末,全市總?cè)丝?48.46萬人,常住人口138.4萬人。境內(nèi)地貌復(fù)雜,地表起伏大,海拔相對高差達(dá)1700 m多,為典型的山地丘陵區(qū)。黃山市屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,四季分明,雨水充沛,年均溫15.5—16.4℃,年降水量在1395—1702 mm之間。水系主要以太平湖和新安江為主,新安江發(fā)源黟縣與休寧縣,往東流經(jīng)屯溪區(qū)、歙縣匯入錢塘江。黃山市擁有獨特的自然風(fēng)光,豐富的人文資源,以黃山享譽全世界,森林覆蓋率高,為多種野生珍惜動植物棲息地,近年來城市發(fā)展迅速帶來的生境問題不容忽視。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

遙感影像來源于地理數(shù)據(jù)空間云公開的分辨率為30 m的landsat數(shù)據(jù),根據(jù)研究需要選取1987、1997、2007、2017四期5—10月云量覆蓋低的影像(行列號：121/39、120/39、120/40),在ENVI軟件中進行拼接、裁剪與校準(zhǔn)；矢量邊界從安徽省測繪局下載的1∶400萬安徽省圖在ArcGIS中矢量化提取獲得；DEM數(shù)據(jù)來源于91衛(wèi)圖下載的Google earth高程,分辨率為30 m；旅游等統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于黃山市統(tǒng)計年鑒、安徽省統(tǒng)計年鑒、安徽省志：旅游志、黃山市統(tǒng)計公報；賓館、購物店、餐飲店位置數(shù)據(jù)來源于百度地圖POI興趣點；氣象數(shù)據(jù)為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)及安徽省氣象臺資料信息共享平臺提供。

利用ENVI軟件采用面向?qū)ο蠓诸惙ǜ鶕?jù)研究需要及土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2017)將黃山市遙感影像分為：林地(有林地、疏林地、灌木林地)、草地、耕地(水田、旱地)、建設(shè)用地(城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點、工礦用地、交通用地)、水域(湖泊與水庫、河流、灘涂濕地)、未利用地,以2017年的影像分類結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過實地調(diào)研、天地圖高清影像、Google earth高清影像對分類結(jié)果進行目視校正,并建立影像分類依據(jù),對2007、1997、1987年的影像利用ENVI軟件進行解譯、校正,獲得黃山市2007、1997、1987年的土地利用分類結(jié)果。

1.3 研究方法

1.3.1生境質(zhì)量評估

生境質(zhì)量評估方法根據(jù)數(shù)據(jù)來源大致可以分為模型評價法和指標(biāo)測量法。指標(biāo)測量法多采用野外實地調(diào)查的方法對小區(qū)域的河流、海洋、森林等生境類型的單一物種或群落提取該物種或環(huán)境相關(guān)因子建立指標(biāo)體系進行生境質(zhì)量評價[7,14]。該方法僅限于小區(qū)域范圍,難以對不同類型、地區(qū)生境質(zhì)量進行全面監(jiān)測。模型評價法多采用遙感影像獲得地類斑塊數(shù)據(jù),融合生態(tài)模型、GIS技術(shù)等方法對大、中型區(qū)域生境質(zhì)量進行定量、可視化評價、模擬[16- 19]。相對于傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù),以地類斑塊為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行生境質(zhì)量評估易于操作,可獲得研究區(qū)時空可視化結(jié)果,更適用于監(jiān)測研究區(qū)生境質(zhì)量的全面變化[4]?；诖?本文以地類斑塊數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建綜合生境質(zhì)量評估模型。根據(jù)生境質(zhì)量含義[3],以地類斑塊為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行生境質(zhì)量評估時考慮三個層面因素：不同地類的生境價值差異；不同區(qū)域的地類生境能力差異；外部威脅對地類生境能力產(chǎn)生的影響。

(1)不同地類的本底生境質(zhì)量價值

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量高的地類是優(yōu)質(zhì)生境的表征,可為物種提供更好的生境能力[19],故以地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值作為本底生境質(zhì)量值。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法采用基于單位面積當(dāng)量因子法,地類的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量及生物量修正因子參考相關(guān)學(xué)者研究成果[28-29],1個當(dāng)量的經(jīng)濟價值按照研究區(qū)1公頃農(nóng)田每年的主要自然糧食(大米、小麥、豆類、玉米)產(chǎn)值確定[28],由計算可得研究區(qū)1當(dāng)量經(jīng)濟價值為858.6元/hm2。為方便比較,1987、1997、2007年均統(tǒng)一使用2017年值。根據(jù)土地利用分類結(jié)果、不同地類當(dāng)量因子表、當(dāng)量價值在ArcGIS中計算獲得黃山市本底生境質(zhì)量柵格分布結(jié)果(Q1)。

(2)同種地類不同區(qū)域的生境能力

不同區(qū)域因氣候等環(huán)境相異導(dǎo)致同種地類的提供服務(wù)的能力大小不一[30],植被覆蓋度(NDVI)與植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)均為植被與環(huán)境綜合作用的結(jié)果,可作為區(qū)域生境生產(chǎn)能力的體現(xiàn),由NDVI與NPP組成的生境質(zhì)量指數(shù)模型計算公式為[30]：

(1)

(2)

式中,柵格i的植被覆蓋度、植被覆蓋度均值、植被凈初級生產(chǎn)力、凈初級生產(chǎn)力的均值分別表示為yi、ymean、NPPi、NPPmean,NDVImax與NDVImin為研究區(qū)NDVI最大值與最小值,NPP((t DM hm-2a-1))依據(jù)氣候—植被相關(guān)成果[31]計算,采用克里金插值法取得空間分布結(jié)果,NDVI為遙感影像近紅外與紅光波段反射率波段組合比值,其中水體統(tǒng)一定義值為1,根據(jù)公式計算得到研究區(qū)生境能力指數(shù)空間柵格分布結(jié)果(Q2)。

(3)基于外部威脅的地類生境質(zhì)量

生境退化主要受人類活動的影響,人類土地利用強度越大對生境造成的干擾也越強[19],InVEST模型生境質(zhì)量模塊是基于生物多樣性威脅因素開發(fā)的,該模型中不同地類為不同生境類型,人類集中利用的土地類型定義為威脅因子,生境類型j中柵格x所受到的總威脅水平Dxj[18]為：

(3)

最終土地覆蓋類型j中的斑塊x的生境質(zhì)量Qxj表示為[18]：

(4)

式中,R表示威脅因子總數(shù),r表示某威脅因子,Yr指r威脅柵格圖上的所有柵格,y指威脅柵格圖上的某柵格,ry是威脅r在柵格y中的值,wr是威脅因子引起生境退化的歸一化威脅權(quán)重,irxy為威脅r與生境柵格x之間的距離,Sjr為生境j對威脅r的相對敏感性,βx是生境x的受保護程度,Hj為地類j的生境適宜性,z默認(rèn)為2.5,k為半飽和常數(shù),通常設(shè)定為Dxj最大值的一半,本文為0.034,Hj、wr、Sjr及威脅因子的最大影響距離通過綜合參考相關(guān)文獻(xiàn)[18]及專家訪談結(jié)果獲得。本文中城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點、水田、工礦地、旱地、交通用地、裸地設(shè)定為威脅因子。將土地利用類型圖等數(shù)據(jù)導(dǎo)入InVEST模型得到基于威脅指數(shù)的黃山市生境質(zhì)量空間柵格分布結(jié)果(Q3)。

(4)綜合生境質(zhì)量模型

研究區(qū)綜合生境質(zhì)量評估模型最終表示為本底生境質(zhì)量價值、基于生境能力的生境質(zhì)量指數(shù)、基于威脅因素計算的生境質(zhì)量系數(shù)的乘積,用價值方式表示研究區(qū)綜合生境質(zhì)量,使得生境質(zhì)量評估既考慮最接近自然狀態(tài)又考慮為人類提供的利益[23],計算公式為：

Q=Q1×Q2×Q3

(5)

1.3.2空間自相關(guān)與熱點分析

空間自相關(guān)與熱點分析是研究要素空間分布問題最常用的方法[5]?？臻g自相關(guān)用來檢驗?zāi)骋氐哪骋粚傩栽诓煌臻g位置上的相互關(guān)聯(lián)程度[31],分全局自相關(guān)和局部自相關(guān)分析,本文采用全局自相關(guān)Moran′sI指數(shù)與局域空間自相關(guān)(Local indicators of Spatial association,LISA)集聚圖來識別研究區(qū)不同年份生境質(zhì)量在空間上的聚集與離散。熱點分析用來識別某要素在空間分布上是否存在統(tǒng)計意義上顯著的高值與低值[5],為局部聚類分析方法之一,文中采用Getis-Ord Gi*值來獲得研究區(qū)生境質(zhì)量空間分布的熱點和冷點。

研究區(qū)不同年份Moran′sI指數(shù)運用Geoda軟件運算獲得,LISA與Getis-Ord Gi*值分布圖依托ArcGIS平臺完成。

2 結(jié)果分析

2.1 黃山市生境質(zhì)量時空格局變化分析

2.1.1黃山市生境質(zhì)量時空分布特征

根據(jù)研究方法通過ArcGIS柵格運算得到分辨率為30 m的黃山市綜合生境質(zhì)量1987—2017空間分布圖,為直觀比較生境質(zhì)量變化情況,依據(jù)黃山市生境實際情況以1987年的生境質(zhì)量值為基礎(chǔ),將像元生境質(zhì)量值分為：低—1級(0)、較低—2級(0—1000)、中等—3級(1000—2000)、較高—4級(2000—3000)、高—5級(>3000)等5個等級,級別越高,生境質(zhì)量越好(圖2),統(tǒng)計不同年份各等級柵格面積與比例(表1)。

圖2 1987—2017年黃山市生境質(zhì)量空間分布Fig.2 The spatial distribution of habitat quality in Huangshan City from 1987 to 2017

黃山市生境質(zhì)量總值1987年為1.97×1010元,每公頃平均值為20403元,1997年總值下降到1.85×1010元,2007年生境質(zhì)量總值持續(xù)下降,為1.72×1010元,2017年黃山市生境質(zhì)量總值回升,為1.84×1010,每公頃生境質(zhì)量值為18627元。生境質(zhì)量最高值分布在北部太平湖區(qū)域,最低值分布在各縣區(qū)主城區(qū),其中屯溪區(qū)、徽州區(qū)、休寧縣、歙縣城區(qū)在2017年連成低值片區(qū),為黃山市生境質(zhì)量最差區(qū)域。1987—2017年黃山生境質(zhì)量呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢,2017年黃山市生境質(zhì)量優(yōu)于2007年得益于黃山市政府近年執(zhí)行的生態(tài)保護政策,近5年森林覆蓋率逐步提高,然而利用InVEST模型基于外部威脅計算的生境質(zhì)量結(jié)果表明,黃山市生境質(zhì)量受到的威脅是逐漸增加的,因此,生境質(zhì)量評估需關(guān)注多個方面指標(biāo)。

表1 1987—2017年黃山市生境質(zhì)量各等級面積及所占百分比

從生境質(zhì)量等級面積變化表可知(表1),1987年到2017年像元值為0的等級生境比例在30年間逐漸增加,面積增加了3倍；第5等級的生境比例變化不大；第4等級的生境面積1987—2007年顯著減少,2017年有所增加,1987年、1997年、2017年第4等級生境面積占比最高,其次是第3等級,2007年相反,3等級生境面積占比高于第4等級。

2.1.2黃山市生境質(zhì)量等級時空轉(zhuǎn)移分析

為進一步了解黃山市生境質(zhì)量格局時空變化,根據(jù)上文黃山市生境質(zhì)量分的等級對不同年份生境質(zhì)量等級相互轉(zhuǎn)化情況進行統(tǒng)計,制成生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)化圖(圖3)。

圖3 1987—2017年黃山市生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移圖Fig.3 Habitat quality grade transfer map of Huangshan City from 1987 to 2017

1987—1997年黃山市62%的柵格生境質(zhì)量等級不變,13.8%的柵格生境質(zhì)量等級升高,生境狀況變好,以2、3等級向3、4等級轉(zhuǎn)變?yōu)橹?主要散布在西部山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；24.3%的柵格生境質(zhì)量等級下降,生境狀況變差,其中4等級轉(zhuǎn)為3等級柵格最多,分布在各大縣區(qū)城區(qū)與周邊山區(qū)交界處,其次是3等級向2等級轉(zhuǎn)變,分布在各大縣區(qū)城區(qū)的城鄉(xiāng)結(jié)合帶。

1997—2007年黃山市43%的柵格生境質(zhì)量等級發(fā)生轉(zhuǎn)移,其中15.6%的柵格生境質(zhì)量等級升高,仍然以第2、3等級向3、4等級轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳎簧迟|(zhì)量等級下降的柵格比例較高,為27.9%,其中19.4%為第4等級轉(zhuǎn)向第2等級,主要分布在西部、北部山區(qū),其次為3等級轉(zhuǎn)為2等級,分布在主城區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域。

2007—2017年黃山市45%的柵格生境質(zhì)量等級發(fā)生轉(zhuǎn)變,生境質(zhì)量等級升高的柵格比例高于降低的比例,與前兩個時期相異,其中26.7%的柵格等級比例上升,以3轉(zhuǎn)向4、2轉(zhuǎn)向3為主；19.1%的柵格生境等級下降,以4、3等級轉(zhuǎn)向3、2等級為主。

1987—2017年黃山市29%柵格生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移中,生境質(zhì)量等級下降的柵格占21.6%,其中9.7%的柵格由4等級轉(zhuǎn)變?yōu)?等級,轉(zhuǎn)移比例最高,分布較分散,主要表現(xiàn)為由林地變?yōu)槠渌仡?其次是3等級轉(zhuǎn)為2等級,圍繞城區(qū)分布。

2.2 基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)的黃山市生境質(zhì)量時空格局分析

2.2.1黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)生境質(zhì)量值變化分析

鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)是我國最基礎(chǔ)的行政單位,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位分析生境質(zhì)量變化有助于對生境進行治理。對黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)1987年、2017年的生境質(zhì)量像元均值進行統(tǒng)計,并采用自然斷裂法制成生境質(zhì)量均值變化分類圖(圖4)。1987年到2017年,黃山市105個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)中有84個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)生境質(zhì)量有所下降,其中17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)每像元值下降在330—730元之間,主要分布在東部區(qū)域,14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)每像元值下降了175—330元,分布較為分散,為黃山區(qū)城區(qū)、祁門縣城區(qū)及屯溪、歙縣城區(qū)的外圍區(qū)。像元均值增加區(qū)域主要分布在北部太平湖區(qū)域、中部休寧縣西北部、徽州區(qū)北部鄉(xiāng)鎮(zhèn),其中北部新豐鄉(xiāng)、永豐鄉(xiāng)、新華鄉(xiāng)生境質(zhì)量值增加最多。

2.2.2黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)生境質(zhì)量空間自相關(guān)分析

為理清黃山市生境質(zhì)量時空分布格局,首先在GeoDa中對黃山市各年份生境質(zhì)量進行空間全局自相關(guān)Moran′sI指數(shù)計算,并從鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度識別生境質(zhì)量空間關(guān)聯(lián)性,統(tǒng)計各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生境質(zhì)量像元均值,以此作為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量的表征,運用ArcGIS軟件進行LISA聚類分析與Gi*值熱點分析。

由全局自相關(guān)結(jié)果可知,1987、1997、2007、2017年黃山市生境質(zhì)量Moran′sI指數(shù)分別為0.136、0.112、0.150、0.133,P值均為0,表示黃山市生境質(zhì)量在空間上呈正相關(guān)性,呈現(xiàn)集聚分布。其中2007年空間集聚程度最高。

1987—2017年四期LISA聚類(圖5)圖中,1987年與1997年鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量“高高”型聚集區(qū)為北部的太平湖鎮(zhèn)和新華鄉(xiāng),2007年與2017年增加了永豐鄉(xiāng)和龍門鄉(xiāng),主要分布在環(huán)太平湖水域,太平湖及周邊區(qū)域生境較好,可為黃山市生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),但太平湖風(fēng)景區(qū)已為國家4A級旅游區(qū),近年來隨著旅游的發(fā)展,相鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用強度增大,為保護生境,旅游開發(fā)必須進行嚴(yán)格分區(qū)控制；鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量“低低”型聚集區(qū)主要分布在中部偏東南各鎮(zhèn),以屯溪區(qū)各鎮(zhèn)為核心向南北擴散,西南到商山鎮(zhèn),東北到桂林鎮(zhèn),1997、2007、2017年生境質(zhì)量“低低”型聚集區(qū)向東南王村鎮(zhèn)擴展,說明黃山市城市的擴張對生境質(zhì)量有較大的威脅,導(dǎo)致低值聚集區(qū)擴散,后續(xù)發(fā)展中,應(yīng)利用優(yōu)良的生境本底,實現(xiàn)花園城市的建設(shè)。

圖4 1987—2017年黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量像元均值變化圖Fig.4 Mean pixel change map of habitat quality in villages and towns (street) of Huangshan City from 1987 to 2017

圖5 1987—2017年黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)生境質(zhì)量局部空間自相關(guān)聚類圖Fig.5 Local indicators of Spatial association cluster diagram of habitat quality in villages and towns (street) of Huangshan City from 1987 to 2017

2.2.3黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)生境質(zhì)量熱點分析

對黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量進行Gi*值分析(圖6),結(jié)果顯示1987、1997年黃山市生境質(zhì)量熱點區(qū)域(99%置信水平)主要分布在北部和西南部鄉(xiāng)鎮(zhèn),北部有大面積水域太平湖,因此,北部新華鄉(xiāng)成為熱點區(qū)域,周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)成為次級熱點區(qū)域(90%或95%置信水平),生境質(zhì)量較好,西南部區(qū)域為林地,鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林覆蓋率高,且人口較少,成為次級熱點區(qū)。冷點區(qū)域(99%置信水平)分布在中部偏東南屯溪盆地鄉(xiāng)鎮(zhèn),是屯溪區(qū)、徽州區(qū)、歙縣、休寧縣的城區(qū)聯(lián)合區(qū),主要為建設(shè)用地和耕地,生境質(zhì)量低,次級冷點(90%或95%置信水平)圍繞冷點區(qū)東北和西南角分布。2007、2017年黃山市北部太平湖周邊的熱點區(qū)域增多,但是西南區(qū)域熱點區(qū)較少,2007年西南區(qū)無熱點區(qū),冷點區(qū)域仍然集中在屯溪區(qū)、徽州區(qū)南部、歙縣、休寧縣主城區(qū)的各鎮(zhèn),并有向歙縣其他相鄰鎮(zhèn)擴展的趨勢。

圖6 1987—2017年黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)生境質(zhì)量冷熱點分布圖Fig.6 Hot spot and cold spot of habitat quality in villages and towns (street) of Huangshan City from 1987 to 2017

2.3 基于中心點的黃山市生境質(zhì)量時空變化分析

2.3.1基于城市中心點的生境質(zhì)量時空變化

城市擴張被證明對生境影響最為直接[19],為進一步分析黃山市生境質(zhì)量與城市發(fā)展的關(guān)系,選取黃山市城市中心點屯溪區(qū)黃山市百大商廈(北緯N29°42′32.65″,東經(jīng)E118°18′46.22″),以百大商廈為原點,向外畫同心圓,統(tǒng)計不同距離圈層不同年份的生境質(zhì)量等級比例及生境質(zhì)量像元均值(圖7、表2)。

圖7 1987—2017年距黃山市城市中心點不同距離的圈層生境質(zhì)量等級比例變化圖Fig.7 Variation of the proportion of habitat quality grades at different distances from the center of Huangshan City from 1987 to 2017

由圖7可知,1等級生境面積占比基本符合距離衰減規(guī)律,距離城市中心點越近的圈層占比越高,生境質(zhì)量越差,距離城市中心點0—10 km的圈層1987年到2017年1等級生境面積增加了三倍,增幅顯著,表明黃山市主城區(qū)發(fā)展迅速；2等級生境面積占比距離城市中心點0—60 km內(nèi)的圈層符合距離衰減規(guī)律,60—70 km圈層占比增高,70—80 km圈層占比下降,但80—113 km圈層顯著增高；與城市中心點不同距離0—80km的圈層中3等級生境面積占比先上升后下降,1987、1997年3等級面積占比最高的為距離城市中心點30—40 km的圈層,2007、2017年為距離城市中心點20—30 km的圈層；1987、1997、2017年距離城市中心點0—80 km的圈層距離越遠(yuǎn),4等級生境面積占比越高,80—113圈層略有下降,2007年4等級生境占比呈波浪式上升；距離城市中心點70—80 km的圈層中5等級生境占比在所有圈層中最高,其次是距離為0—10 km、80—113 km的圈層,因水域與河流在該圈層分布最多,1987—2017年5等級面積占比變化不大。

表2 1987—2017年距黃山市城市中心點不同距離圈層生境質(zhì)量像元均值

由表2可知,四個年份中除2007年距離城市中心點50—60 km的圈層生境質(zhì)量均值略高于40—50 km圈層外,在0—80 km的其他圈層中,距城市中心點距離與生境質(zhì)量像元均值呈反比,80—113 km生境質(zhì)量均值略有下降；從年份上來看,1987年各圈層生境質(zhì)量像元均值最高,2007年除0—10 km外,其余圈層均最低。

2.3.2基于旅游中心點的生境質(zhì)量變化

旅游是黃山市城市發(fā)展的主要驅(qū)動力之一[26],因此選取旅游中心點作為原始點,向外做同心圈,黃山市的旅游發(fā)展始于世界自然與文化遺產(chǎn)黃山風(fēng)景區(qū),旅游中心點選取為黃山風(fēng)景區(qū)核心景區(qū)景點光明頂(北緯N30°07′59.18″,東經(jīng)E118°10′6.95″),統(tǒng)計不同距離圈層的生境質(zhì)量等級占比及生境質(zhì)量像元均值(圖8、表3)。

圖8 1987—2017年距黃山市旅游中心點不同距離的圈層生境質(zhì)量等級比例變化圖Fig.8 Proportion of scales of habitat quality grades at different distances from the tourist center of Huangshan City from 1987 to 2017

表3 1987—2017年距黃山市旅游中心點不同距離圈層生境質(zhì)量像元均值

1987年到2017年與旅游中心點不同距離的圈層1等級面積占比均逐漸上升,從距離上來看,1987年與旅游中心點距離40—50 km的圈層為1等級面積占比最高的圈層,而1997、2007、2017變更為30—40 km的圈層1等級面積占比最高。2等級生境面積占比各年份變化規(guī)律不明顯,空間上2等級生境面積占比基本在30—40 km圈層最高,其次是40—50 km。1987年距旅游中心點40—50 km的圈層3等級生境面積占比最高,1997、2007、2017年距旅游中心點50—60 km的圈層3等級生境面積占比最高。距離旅游中心點最遠(yuǎn)的圈層4等級生境面積占比最高。距離旅游中心點30—40 km的圈層5等級生境面積占比最高,不同年份不同等級生境面積占比變化范圍不大。

由表3可知,不同年份生境質(zhì)量像元均值在距旅游中心點10—20、30—40、40—50 km的圈層形成三個低值點,10—20 km圈層正好在黃山風(fēng)景區(qū)外圍區(qū),發(fā)展旅游接待設(shè)施,因此生境質(zhì)量較低,30—50 km為黃山市屯溪區(qū)城區(qū)、徽州區(qū)城區(qū)、休寧縣城區(qū)、歙縣城區(qū)片區(qū),因城市擴張與承接旅游集散而生境質(zhì)量低,50 km以上的距離時,生境質(zhì)量像元均值隨著圈層距離的增大逐漸增加。

2.4 基于旅游要素的黃山市生境質(zhì)量時空變化分析

為進一步識別旅游對黃山市生境質(zhì)量的影響,將百度地圖獲得的黃山市2365家賓館、4102家餐飲店、3201家旅游購物點疊加進行核密度分析,獲得黃山市旅游設(shè)施密度分布圖,同時將52家A級景區(qū)按照A級級別進行賦權(quán)的基礎(chǔ)上利用核密度方法生成旅游景區(qū)密度分布圖(圖9)。按照自然斷裂法將旅游設(shè)施密度與旅游景區(qū)密度分為5個區(qū)間,統(tǒng)計不同密度區(qū)間黃山市生境質(zhì)量各等級時空變化情況(圖10、11)。

圖9 黃山市旅游設(shè)施與旅游景區(qū)核密度空間分布Fig.9 The spatial distribution of kernel density of tourism facilities and scenic spots in Huangshan City

圖10 1987—2017年黃山市旅游設(shè)施不同密度區(qū)生境質(zhì)量各等級面積占比 Fig.10 The area percentage of different habitat quality grade in different density areas of tourism facilities in Huangshan City from 1987 to 2017

圖11 1987—2017年黃山市旅游景區(qū)不同密度區(qū)生境質(zhì)量各等級面積占比Fig.11 The area percentage of different habitat quality grade in different density areas of tourism scenic spots in Huangshan City from 1987 to 2017

1987—2017年,隨著旅游設(shè)施、旅游景區(qū)核密度增加,低等生境1、2級區(qū)域面積顯著增加,其中2007、2017趨勢表現(xiàn)更加明顯；高等生境4級區(qū)域面積顯著減少,5等級區(qū)域面積占比最低,變化規(guī)律不明顯；中等生境3級區(qū)域面積有增有減,變化幅度較少。旅游設(shè)施、旅游景區(qū)密度較低區(qū)域,4、3級生境面積占比最高,旅游設(shè)施、旅游景區(qū)密度較高區(qū)域1987—2007年2、3級生境面積占比最高,2017年2、1級生境面積占比最高。

黃山市旅游發(fā)展與城市發(fā)展具有協(xié)同性,旅游設(shè)施密集區(qū)域集中在各縣區(qū)的主城區(qū),或者圍繞旅游景區(qū)密集區(qū)分布,為主要的旅游觀光與接待中心,建設(shè)用地擴張迅速,1987到2017年低等生境質(zhì)量區(qū)域面積持續(xù)增加,較高等級生境面積持續(xù)下降。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文以典型旅游城市黃山市為案例地,基于地類斑塊綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值模型、生境能力指數(shù)模型、InVEST模型構(gòu)建綜合價值評價方法對黃山市生境質(zhì)量進行評估,并以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位通過空間自相關(guān)、空間聚類分析方法識別黃山市生境時空變化格局,選取與黃山市生境質(zhì)量密切相關(guān)的城市中心點、旅游中心點、旅游設(shè)施、旅游景區(qū)等要素詳細(xì)分析黃山市生境質(zhì)量時空格局。研究成果對黃山市及相關(guān)區(qū)域的生境質(zhì)量評估、土地優(yōu)化利用、生態(tài)安全格局構(gòu)建提供參考與借鑒。分析表明：

(1)1987—2007年黃山市生境質(zhì)量總值持續(xù)下降,2017回升,生境優(yōu)質(zhì)區(qū)分布在北部太平湖區(qū)域,低值分布在各縣區(qū)主城區(qū),其中屯溪區(qū)、徽州區(qū)、休寧縣、歙縣城區(qū)在2017年連成低值片區(qū)。2017年黃山市生境質(zhì)量總值回升,然而生境質(zhì)量值為0的柵格面積顯著增加,生境受到的威脅仍逐漸增加。1987—2017年黃山市生境柵格等級變化以4等級轉(zhuǎn)3等級為主,地類主要為林地向其他用地轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)變區(qū)域分布在城鎮(zhèn)周邊；1987—1997、1997—2007年生境等級轉(zhuǎn)移以下降為主,2007—2017年生境等級轉(zhuǎn)移升高的柵格比下降的多。

(2)1987—2017年,黃山市105個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)中有84個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)生境質(zhì)量有所下降,像元均值下降鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在東部,主要由城區(qū)發(fā)展導(dǎo)致,像元均值增加區(qū)域主要分布在北部太平湖區(qū)域、中部休寧縣西北部、徽州區(qū)北部鄉(xiāng)鎮(zhèn),這主要得益于黃山市近年來推行的“增綠增效”、生態(tài)保護、太平湖濕地保護等行動。北部環(huán)太平湖區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)也成為生境質(zhì)量“高高”型聚類區(qū)及熱點區(qū)域,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量“低低”型聚類區(qū)及冷點區(qū)域主要分布在屯溪區(qū)、徽州區(qū)南部、歙縣、休寧縣主城區(qū)的各鎮(zhèn),以屯溪區(qū)各鎮(zhèn)為核心向周邊擴散。

(3)黃山市城市發(fā)展對生境質(zhì)量影響較大,大體上距離城市中心點越近的圈層,生境質(zhì)量越差；距離黃山市旅游中心點10—20、30—40、40—50 km的三個圈層形成生境低值點,黃山市旅游與城市發(fā)展具有互助協(xié)同作用[26],旅游設(shè)施、景區(qū)核密度越高,低等生境1、2級面積顯著增加,其中2007、2017趨勢表現(xiàn)更加明顯；較高等生境4級區(qū)域面積顯著減少。

3.2 討論

3.2.1旅游發(fā)展對生境質(zhì)量影響

從空間上來看,黃山市作為典型旅游城市,旅游發(fā)展是促進城市發(fā)展的主要驅(qū)動力,旅游與城市互助發(fā)展,演化為現(xiàn)在的生境質(zhì)量格局。中部偏東南的屯溪區(qū)、徽州區(qū)、與休寧縣、歙縣主城區(qū)分布有屯溪老街、唐模、呈坎、潛口民宅等高品質(zhì)人文旅游資源,且交通發(fā)達(dá)、地勢較低,近年來區(qū)域聯(lián)動發(fā)展,建設(shè)用地擴張迅速,發(fā)展為主要的旅游接待、集散中心,生境質(zhì)量退化明顯,成為低等級生境聚集區(qū)；黃山風(fēng)景區(qū)、宏村西遞、齊云山風(fēng)景區(qū)等高等級景區(qū)分布在圍繞低值聚集區(qū)的西北部湯口鎮(zhèn)、宏村鎮(zhèn)、齊云山鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),使得該區(qū)域生境出現(xiàn)一定程度退化,然而由于高等級景區(qū)的保護、地勢等因素限制,發(fā)展為生境中值區(qū)；西部區(qū)域僅分布牯牛降風(fēng)景區(qū)等自然景區(qū),交通不便,未形成旅游集聚效應(yīng),林地覆蓋率高,成為生境優(yōu)質(zhì)區(qū)；東南部歙縣只有徽州大峽谷等個別景區(qū),生境主要受其自然條件影響,成為中等生境與高等生境交替分布區(qū)；而北部環(huán)太平湖區(qū)域為大面積水域,成為生境優(yōu)質(zhì)區(qū),近年來旅游發(fā)展使得生境出現(xiàn)一定程度退化,此外黃山區(qū)市區(qū)北有太平湖風(fēng)景區(qū),南有黃山風(fēng)景區(qū),旅游設(shè)施密集,為重要旅游集散地,成為生境低值區(qū)。

從時間上來看,黃山市旅游發(fā)展在2003年經(jīng)歷低谷,2004年緩慢恢復(fù)后,2005年進入全面發(fā)展階段(圖12),旅游的蓬勃發(fā)展使得黃山市2007年、2017年的低等級生境顯著增加,其中2017年更為明顯,黃山市旅游的快速發(fā)展同時又依賴于優(yōu)質(zhì)的生態(tài)環(huán)境,因此黃山市政府自2005年以來進行了大規(guī)模植樹造林,尤其是2011—2013年每年造林面積超過6000公頃,近五年大力發(fā)展生態(tài)旅游,治理環(huán)境,使得黃山市生境質(zhì)量總體上從1987到2007年持續(xù)下降后,2017年出現(xiàn)回升。

圖12 1900—2017年黃山市旅游人次與旅游收入Fig.12 The number of tourists and tourism revenue in Huangshan City from 1900 to 2017

現(xiàn)象上表明,黃山市生境質(zhì)量時空格局演化與旅游發(fā)展有必然的聯(lián)系,然而兩者內(nèi)部的影響機理、耦合機制仍有待進一步揭示。

3.2.2生境質(zhì)量評估方法精度

生境質(zhì)量評估方法直接影響評估結(jié)果的精確度,本文雖從三個方面構(gòu)建基于地類斑塊的生境質(zhì)量評估方法,但在InVEST模型中的相關(guān)系數(shù)設(shè)定難免存在一定主觀性,且評估結(jié)果與生境質(zhì)量實測情況是否相符難以考究,通過遙感影像反演生境質(zhì)量仍需以實測生境質(zhì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)參照,然而實地對生境質(zhì)量進行準(zhǔn)確的測量亦是一個難以操作的問題,后續(xù)研究中應(yīng)關(guān)注基于地類斑塊評估的生境質(zhì)量結(jié)果與通過指標(biāo)體系實際測量的生境質(zhì)量結(jié)果的異同,將兩種方法研究結(jié)果進行關(guān)聯(lián),構(gòu)建更為準(zhǔn)確的生境質(zhì)量評估普適方法。

同時,本文通過野外調(diào)查的方式對2017年遙感影像土地利用分類結(jié)果進行了驗證,分類精度達(dá)88%,然而,1987、1997、2007年的遙感影像分類結(jié)果僅能依據(jù)2017年和個別年份的高清影像進行判斷,不能實地驗證,由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)精度問題可能會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。