成渝地区双城经济圈生境质量对城市扩张的时空响应

刘 婷，唐燕秋，丁佳佳①，牛晋兰，耿 华

〔1.重庆市生态环境科学研究院，重庆 401147；2.国家环境规划与政策模拟重点实验室(重庆基地)，重庆 401329〕

生境质量是在一定时间和空间范围内，生态系统为适宜个体与种群提供持续生存与发展空间的能力[1]。稳定的生境是生态系统服务和功能的前提和基础，对于维持和提高生物多样性至关重要[2-3]。近20年来，中国经历了最大规模、最快速的城市化进程，城镇化率由2000年的36.22%增加至2020年的63.89%，并呈继续上升趋势。城市扩张导致的土地利用变化是造成或加剧生境破碎化、孤岛化，阻隔物质流动、能力循环和信息传递等关键生态过程的重要因素[4-5]，这给生态系统气候调节、水源涵养和固碳释氧等服务功能造成严重威胁[6-7]。研究城市扩张对生境质量的影响，探究土地利用变化与生境质量之间的关系，已成为当前生态学和地理学研究领域的热点议题[8-10]。2020年1月，习近平总书记对成渝地区双城经济圈建设作出全面部署，成渝一体化发展已上升到带动西部地区经济转型升级，参与全球竞争与合作的世界级城市群的国家战略高度。成渝地区作为西部人口最密集、产业基础最雄厚、创新能力最强、开放程度最高的区域，以不到全国2%的土地集中了全国7%的人口、6.5%的经济总量[11]，在经济社会高速发展的同时，区域产生了如城市热岛、水土流失、景观破碎化、生物多样性退化等一系列问题[12-13]，协调好发展与保护的关系对“双圈”未来发展至关重要。

生境质量评价方法历经了由单一指标静态分析逐步向多指标综合评分的指数测算转变，再向分布式模型动态评估过渡的过程。早期学者主要运用实地调查与实验数据，就特定地区单一物种生境条件分异特征及对物种的影响开展研究[14-15]。随后，研究人员开始关注河流、海岸带、保护区过渡带等生态敏感区，如郑丙辉等[16]、娄会品等[17]和VALERO等[18]采用河岸带植被指数和河流生境指数评估流域生境状况，任璘婧等[19]和TANG等[20]采用综合指标法分别评估长江口滩涂湿地和鄱阳湖地区土地景观变化对水鸟迁徙生境适宜性的影响。随着城市化进程的加快，人们对城市生态环境与生活质量的关注度不断攀升，研究者多构建HIS、ARIES、MIMES和InVEST等数学模型[21-24]开展长时间序列动态评估，进而探索城市扩张过程对自然生境的影响。其中，基于3S技术分布式算法的InVEST模型，因具有数据获取容易、空间可视化能力强、评价结果精度高的特点而被广泛应用[25]。

鉴于此，以成渝地区双城经济圈为研究区，采用土地利用程度指数、动态度指数和InVEST模型揭示成渝地区2000—2020年土地利用变化和生境质量时空演变规律，并采用双变量空间自相关模型分析生境质量与土地利用变化的空间关联特征，以期为快速城镇化区域生态用地空间调控和国土空间布局优化政策制定提供重要参考。

1 研究区概况

成渝地区双城经济圈地处长江上游，位于中国西南四川盆地，东邻湘鄂、西通青藏、南连云贵、北接陕甘，地势西部高、东部次之、中部最低，属中亚热带湿润季风气候区，具有冬暖、春旱、夏热、秋雨、云雾多、霜雪少等特征[26-27]。区域地理位置优越、自然资源丰富、生态地位突出，地处岷山-邛崃山-凉山、秦岭-大巴山、武陵山区和大娄山区生物多样性保护与水源涵养重要区4个国家重点生态功能区。同时，成渝地区作为我国老工业基地和重要的粮食及特色农产品生产基地，人口和经济总量均居西部地区首位。区域具体范围涉及重庆市中心城区及万州、涪陵等27个区(县)以及开州和云阳部分地区，四川省成都和自贡等15个市[28]，总面积为18.5万km2(图1)。2020年地区生产总值近6.64万亿元，占全国的6.53%，总人口约9 760万人，占全国的6.91%。

图1 成渝地区双城经济圈位置

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

2000、2010和2020年3期土地覆被数据为全球地表覆盖数据(GlobeLand30，http:∥www.globeland30.org/home.html?type=data)，数据采用WGS-84坐标系。分类影像包括美国陆地资源卫星(Landsat) TM5、ETM+和OLI多光谱影像以及中国环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像，2020年数据采用16 m分辨率高分一号(GF-1)多光谱影像，数据总体精度为83.50%。根据GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》，采用ArcGIS软件，结合研究需求将土地覆被类型归为耕地、林地、草地、湿地、建设用地和未利用地6类。区域行政边界数据来源于国家基础地理信息数据库(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/)，人口和GDP等社会经济和数据来源于《中国统计年鉴》《四川统计年鉴》《重庆统计年鉴》。

2.2 土地覆被类型时空演变特征

城市扩张下频繁的人类活动干扰大幅改变了土地自然属性，引入土地利用程度指数以综合反映自然环境和社会经济因素对土地利用变化的影响，计算公式[29]为

(1)

式(1)中，D为研究区土地利用程度指数；n为土地类型数；Ai为第i类土地覆被类型面积占比；Wi为不同类型土地利用程度参数，取值参照吴承祯等[30]提出的土地利用程度综合分析方法。

为揭示不同土地类型在一定时间内的数量变化规律及扩张或萎缩程度，引入单一类型动态度模型。为反映区域土地利用变化整体稳定性程度，引入综合土地利用动态度模型[31]。单一类型动态度模型和综合土地利用动态度模型计算公式分别为

(2)

(3)

式(2)～(3)中，K为研究时段内某种土地类型的变化动态度；Ub和Ua分别为某种土地类型在研究时段末期和初期面积，km2；CL为研究时段区域综合土地利用动态度；Ui为研究时段初期第i类土地类型面积，km2；ΔUi-j为研究时段内第i类土地类型转为非i类的面积绝对值，km2；n为土地类型数；T为时间跨度。

为进一步分析土地利用相互转化的空间动态过程，引入马尔科夫转移矩阵模型量化土地利用转化的去向和来源，以便更加直观分析土地利用变化条件下生境质量演变，其计算公式为

(4)

式(4)中，Sij为i类土地类型经空间计算转为j类的面积，km2；n为土地类型数量。

2.3 InVEST模型生境质量评估

参照InVEST模型用户指导手册[32]，首先根据土地覆被数据对生境和非生境进行划分，再采用生境适宜度、胁迫因子影响距离与权重、各生境类型对胁迫因子的敏感性计算生境退化度，进而评估生境质量得分[24]。生境退化度计算公式为

(5)

(6)

(7)

式(5)～(7)中，Dxj为土地类型j中栅格x的生境退化度；r为生境威胁源；R为威胁源数；Yy为威胁源栅格数；ry为栅格y胁迫值；wr为威胁源r权重；irxy为威胁源r在栅格x的生境对栅格y的影响；βx为生境保护程度；sjr为生境类型j对威胁因子r的相对敏感性；dxy为栅格x与y的线性距离；drmax为威胁因子r的最大作用距离。

生境质量计算公式为

(8)

式(8)中，Hj为土地类型j的生境适宜性分值；k为半饱和常数，设为0.5；z为模型默认常数，其取值一般为2.5。生境质量指数取值范围为0～1，值越接近1，表明生境质量越好，生物多样性维持就越好。

基于研究区土地覆被实际状况，考虑建设用地是所有土地覆被中受人类活动干扰最强的类型，耕地是人类活动较集中的类型，而未利用地基本无植被覆盖，生态环境恶劣，将上述3种类型定义为非生境，并将林地(含灌木地)、草地、湿地和水体等自然生态系统定义为生境。此外，参考文献[7,24,33]，结合成渝地区城镇和经济发展水平，并综合生态领域专家意见，确定相关参数(表1～2)。

表1 威胁源最大影响距离及相对影响权重

2.4 双变量空间自相交模型

空间自相关是某些变量在同一个分布区内的观测数据之间潜在的相互依赖性[34]。为揭示土地利用程度对生境质量的影响程度，引入双变量Moran′sI指数，采用GeoDa软件制作Moran散点图和LISA聚类地图分析土地利用程度(单位面积土地利用程度指数)与生境质量的空间关联特征[35]。

Moran′sI指数取值范围为[-1,1]，其值大于0时为正相关，小于0时为负相关，接近0时则为随机分布，不存在空间自相关。计算结果可分为高土地利用程度-高生境质量(H-H)、低土地利用程度-低生境质量(L-L)、高土地利用程度-低生境质量(H-L)和低土地利用程度-高生境质量(L-H)4种聚类类型。

3 结果与分析

3.1 土地覆被时空演变特征

如图2所示，成渝地区土地类型以耕地为主，其次为林地，两者面积占比超过研究区总面积的86%。如图3所示，林草地主要分布在研究区西南部及东部边缘山地区域，耕地和建设用地主要分布在地势平坦的中部平原及东部低山丘陵地区。

表2 生境适宜度及对不同威胁源的相对敏感程度

图2 成渝地区双城经济圈土地利用类型面积变化及动态度

图3 成渝地区双城经济圈土地利用类型空间分布

2000—2020年研究区耕地和草地面积连续下降，降幅分别为3.10%和21.04%；林地和湿地面积略微增加，增幅分别为2.74%和14.46%，建设用地和未利用地面积显著增加，增幅分别达148.88%和56.19%。另外，各研究时段耕地和草地动态度指数均为负值，其他类型则均为正值。相较于2000—2010年，2010—2020年综合土地利用动态度增加2倍，各类土地扩张或萎缩程度变大，整体稳定性有所降低，呈现土地利用强度不断加大、后备土地资源减少的趋势。其中，建设用地动态度指数增加4.46个百分点，耕地和草地动态度指数分别降低1.06和1.93个百分点，表明建设用地的扩张往往伴随着耕地、草地等生态用地的减少。从行政区划来看，四川成都、自贡和德阳以及重庆市中心城区、涪陵、长寿、黔江和永川等市(区)土地利用变化较为剧烈。

由表3可知，2000—2010年土地利用变化方式较为简单，以耕地向建设用地和林地转化为主，两者分别占耕地转出面积的70.47%和20.81%。转入的建设用地主要分布在四川成都、德阳、绵阳和南充以及重庆中心城区和南川等地，林地主要分布在四川内江、宜宾和南充以及重庆万州等地。2010—2020年，土地利用相互转化关系较为复杂，耕地转出面积为26 029.90 km2，主要流向林地和建设用地，分别占耕地转出总量的62.88%和17.57%；林地转出面积为20 194.62 km2，主要流向耕地和草地，分别占林地转出总量的81.30%和13.97%；草地转出面积为8 546.52 km2，主要流向林地和耕地，分别占草地转出总量的48.82%和48.39%；此外，湿地和建设用地转出面积相对较少，两种类型转为耕地的面积比例均超过70%；未利用地转出面积最少，近50%的未利用地转为林地。

表3 成渝地区双城经济圈土地利用转移矩阵

3.2 生境质量时空演变特征

参照文献[3,25,35]，采用自然断点法将生境质量指数分为差(0～0.2)、较差(>0.2～0.4)、中等(>0.4～0.6)、较优(>0.6～0.8)和优(>0.8～1.0)5个等级。如表4所示，在时间尺度上，成渝地区2000、2010和2020年生境质量指数平均值分别为0.596、0.582和0.573，总体处于中等及以上水平，且呈略微下降趋势。各研究时段处于中等、较优和优生境质量等级面积占比分别达60.98%、6.89%和29.16%，这与成渝地区耕地面积广阔，林草地、河流和湖泊等自然生境面积较大紧密相关。近20年来，生境质量不变、下降和提高区域面积占比分别为72.52%、22.70%和4.78%。此外，生境质量指数下降区域中，有78.87%的区域生境质量指数下降0～0.3，有14.55%的区域下降>0.3～0.6，有6.58%的区域下降>0.6，表明生境质量下降区域中有超过20%的地区为高等级生境栖息地。

表4 成渝地区双城经济圈各等级生境质量面积占比

在空间分布上，成渝地区以成都大都市区、重庆中心城区为发展核心，在离心式的城市扩张模式下，生境质量呈现“双圈”低、中部一般、四周高的环状分布格局(图4)。较高生境质量区域主要分布在林草地集中的四周边缘地带，如四川雅安、乐山、泸州和宜宾以及重庆黔江、南川、丰都和涪陵等地，生境质量指数平均值为0.71。较低生境质量区域聚集程度较高，主要分布在人类活动频繁、经济相对发达、城市开发程度较高的成都大都市区和重庆中心城区，生境质量指数平均值为0.35。中等生境质量区域主要分布在四川资阳、内江和自贡以及重庆潼南、荣昌、合川、大足和永川等轴带地区，生境质量指数平均值为0.46，该地区与耕地土地利用类型分布区具有较高一致性。

图4 成渝地区双城经济圈生境质量空间分布及其变化

3.3 生境质量与土地利用程度相关性分析

为了在更小尺度上揭示土地利用程度对生境质量的影响，根据行政单元大小及计算量，采用网格法对成渝地区进行9 km×9 km幅度采样，共形成2 544个网格，并采用GeoDa软件计算每个网格单位面积土地利用程度指数与平均生境质量指数的相关性。

双变量局部Moran′sI空间自相关结果(图5)显示，2000、2010和2020年Moran′sI指数分别为-0.781、-0.785和-0.793，散点主要分布在2(L-H)和4(H-L)象限，表明土地利用程度与生境质量在空间上具有显著负相关，且相关性不断增强。

图5 成渝地区双城经济圈土地利用程度与生境质量的Moran散点图

LISA聚类分析(图6)显示，成渝地区土地利用程度与生境质量聚集形态以高程度-低生境、低程度-高生境为主，高程度-低生境区主要分布在成都平原经济区“内圈”(即成德眉资同城圈)、重庆中心城区以及连接“双城”的内江、自贡、遂宁、南充、泸州、潼南、合川、大足、荣昌和永川等轴带城市，低程度-高生境区主要分布在西北部龙门山脉和雅安、乐山、达州以及重庆黔江、南川和江津等地，高程度-高生境区和低程度-低生境区分布较为零散。20年来，高程度-低生境、低程度-低生境区面积持续下降，其面积占比由25.57%和1.48%分别下降为25.01%和0.57%，变化明显区域主要分布在四川自贡和达州以及重庆中心城区等地；低程度-高生境区面积略微增加，其面积占比由15.37%增至15.78%，区域变化不明显；高程度-高生境区面积先降后增，其面积占比由0.42%降至0.30%再增至0.43%。

图6 成渝地区双城经济圈土地利用程度与生境质量的LISA聚类图

4 讨论与结论

4.1 讨论

成渝地区生境质量空间差异受生境类型空间分布差异的影响，研究区西部、东部、东北部和东南部生态屏障区以山地为主，土地覆被类型以林地为主，不易受人类活动干扰。此外，近年来由于“退耕还林还草”“山水林田湖草一体化保护和修复”“国土绿化提升”等生态工程的实施，研究区2020年林地面积比2000年增加1 361.57 km2，因此，雅安、乐山、泸州、宜宾、达州、黔江、南川、綦江和丰都等地生境质量整体较高。区域中部地势平坦，除重庆“四山”外，多为低山丘陵平原，土地覆被类型以耕地为主，受城市扩张、经济社会发展、人口增加的影响，约5 622.72 km2耕地转为建设用地，不断扩张的城镇用地又对邻近地区生境产生胁迫影响，因此研究区生境质量整体呈下降趋势。此外，生境质量空间变化分布差异同样受到区域经济发展不平衡的影响。成渝地区生境质量较差区域主要分布在重庆中心城区、荣昌、大足、永川、铜梁、璧山、长寿、梁平和垫江以及四川成都、宜宾、达州、德阳、绵阳和遂宁等地，这些区域多为川渝毗邻地区，经济发展较快，GDP相对较高。近20年来，重庆中心城区GDP增加15.92倍，成都GDP增加12.49倍，其中，璧山、荣昌、梁平和大足等地GDP增加近20倍。而雅安、黔江等地经济发展、土地利用程度均相对较慢，因此，生境质量受损情况较为轻微。

当前，成渝地区工业化、城镇化进程不断加快，万达开川渝统筹发展示范区、川南渝西融合发展试验区、川渝高竹新区、合广长协同发展示范区和遂潼一体化发展先行区等区域合作新样板正加快形成，土地利用程度高、生境质量相对较低的成德眉资同城圈、重庆中心城区以及连接“双城”的内江、自贡、遂宁、南充、泸州、潼南、合川、大足、荣昌和永川等轴带城市的交通、能源、水利基础设施的规模化建设将对区域生态安全格局构建、生物多样性维护等带来较大压力。未来，两地应在重点资源空间布局、重点要素空间配置上形成共识，强化农业空间、生态空间、城镇空间的土地要素配置指引，统筹实施“三线一单”生态环境分区管控制度。同时，研究区要协同保护好长江、嘉陵江、乌江、岷江、沱江和涪江生态廊道，共划生态修复重点区域，持续开展城市绿色空间体系建设，进而不断优化空间保护和开发格局。此外，东部岷山-邛崃山-凉山、东南部大娄山、东部武陵山和东北部秦岭-大巴山等生态屏障区域土地利用程度低，生境质量相对较高，应持续加强天然林资源保护力度，综合实施封山育林、人工造林、森林抚育和退化林修复等森林质量精准提升措施，使区域生境质量长期保持在较优及以上水平。

基于长时间序列土地覆被数据和生境质量评估模型，全面分析了成渝地区近20年城市扩张对自然生境质量的影响，对优化区域国土空间格局、制定差异化空间管控措施有一定参考价值。但笔者研究仍存在以下不足。一方面，由于InVEST模型中威胁源最大影响距离、生境敏感度等参数设置没有统一标准，具有一定主观性，还需结合地面实测与实证数据，进一步提高模型评估精度。另一方面，地形地貌、植被覆盖、自然气候和社会经济条件也在一定程度上对区域生境质量产生影响，笔者仅从土地利用变化角度开展分析，后续研究需加强多因素综合评价。

4.2 结论

(1)成渝地区主要用地类型为耕地和林地，两者面积占比超过研究区总面积的86%。近20年来，研究区耕地和草地面积连续下降，林地和湿地面积略微增加，建设用地和未利用地面积显著增加。相较于2000—2010年，2010—2020年土地利用相互转化较为复杂，综合土地利用动态度增加2倍，各类土地扩张或萎缩程度变大，整体稳定性有所下降。

(2)成渝地区生境质量总体处于中等及以上水平，呈现“双圈”低、中部一般、四周高的环状分布格局。近20年来，生境质量不变、下降和提高区域面积占比分别为72.52%、22.70%和4.78%，生境质量下降区域中，有超过20%的地区为高等级生境栖息地，这些下降区域丧失生态功能。

(3)成渝地区土地利用程度与生境质量在空间上呈显著负相关，且相关性不断增强。研究区以高程度-低生境、低程度-高生境相关聚集类型为主，前者主要分布在成都平原经济区“内圈”(即成德眉资同城圈)、重庆中心城区以及连接“双城”的内江、自贡、遂宁、南充、泸州、潼南、合川、大足、荣昌和永川等轴带城市，后者主要分布在西北部龙门山脉和雅安、乐山、达州以及重庆黔江、南川和江津等地。