成渝地區雙城經濟圈生態安全格局構建

趙 偉,鄒欣怡,蒲海霞

成渝地區雙城經濟圈生態安全格局構建

趙 偉1,2*,鄒欣怡3,蒲海霞1,2

(1.重慶工商大學公共管理學院,重慶 400067；2.重慶工商大學長江上游經濟研究中心,重慶 400067；3.重慶工商大學環境與資源學院,重慶 400067)

以成渝雙城經濟圈為研究對象,基于土地利用數據及生態重要性評價,綜合選取生態源地;利用GIS空間分析、最小累積阻力以及夜間燈光優化等方法,構建區域生態綜合阻力面;再利用重力模型識別重要生態廊道及生態夾點,最終構建成渝雙城經濟圈生態安全空間格局.結果表明:成渝雙城經濟圈生態源地面積占比24.8%,呈半包圍圈分布于研究區西南東三面;識別生態廊道193條,總長6441.81km,呈現東密西疏的狀態,其中重要廊道占比46.56%,集中在研究區東北方位的達州及巫山巫溪等地;“點-線-面”生態網格構建成渝雙城經濟區“雙核-兩軸-半包圍”結構的生態安全格局.

成渝地區雙城經濟圈；生態安全格局；最小累積阻力模型；重力模型

重慶、成都是長江上游重要的中心城市,以其為核心的“成渝雙城經濟區”建設已上升為國家戰略.區域具有優良的自然資源稟賦,社會經濟發展對長江流域生態環境有直接影響,在筑牢長江上游重要生態屏障工作中有著舉足輕重的地位.成渝地區是西部地區工業發展起步較早的城市,隨著工業化與城鎮化發展,早期的單目標城市發展方式一定程度上造成了成渝地區城市系統與生態系統的不協調發展,目前在國家級經濟圈戰略發展背景下,人口產業等要素的可預見性快速增長與流入對其環境承載力帶來了嚴峻的挑戰.城市建設直接表現為土地利用方式、效率等的轉變,進而影響空間結構,導致生態系統格局及生態系統功能與效益發生改變.在加強經濟圈建設的同時,要重視生態環境的可持續發展,而構建生態安全空間格局是規范制約各種行為活動的基礎,從空間結構上協調生態產業經濟布局,在資源與環境的雙重約束下實現生態經濟協調發展.

生態安全格局作為溝通生態系統服務與人類社會發展的橋梁,被視為區域生態安全保障和人類福祉提升的關鍵環節[1],是協調生態環境與社會經濟可持續發展的重要空間途徑之一,已有了大量學者從景觀[2-5]、生態承載力[6]、生態足跡[7-9]以及其他生態安全指數等評價體系[10-12]多方位多角度進行生態安全格局研究,構建了“源地識別—阻力面構建—廊道提取”的生態安全格局主流范式[13-15].識別生態源地、設定阻力因素以及如何有效提取廊道仍是目前研究的熱點.此外在生態安全格局研究尺度主要分為大中小3個層級,小尺度研究區域主要是地級市以下的風景名勝區、糧食基地以及農業污染等區域[16-18];中尺度研究以城市化水平較高的城市與生態脆弱的城市為主,該尺度也是目前生態安全格局研究區域選擇的重點尺度[19-21];而大尺度范圍的生態安全格局研究區域相對較少[22-24].

伴隨著各大都市區和城市群一體化發展趨勢,立足于區域城市群尺度上的研究已成為當前迫切需要解決的問題.推進成渝雙城經濟圈生態安全格局,著眼于全域國土空間規劃,打破傳統行政邊界限制,促進不同行政單位間的合作建設,堅持生態優先,統籌把握大尺度范圍的生態安全問題,可為制定成渝雙城生態建設宏觀區域性政策提供依據,為其他相關區域提供樣板參考.

1 研究區概況

圖1 研究區區位圖

成渝雙城經濟圈,位于長江上游,地處中國西南四川盆地,東鄰湘鄂、西通青藏、南連云貴、北接陜甘,以成都、重慶為中心,涵蓋四川15個市和重慶29個區縣,總面積20.85萬km2.成渝雙城經濟圈是我國西部地區發展水平最高、發展潛力較大的區域,是實施“長江經濟帶”和“一帶一路”戰略的重要組成部分.社會經濟水平發展略低于中國東部3個城市群,生態水平較高,研究區位于長江流域范圍內,其中重慶更是地處三峽庫區腹地,整個研究區在長江上游重要生態屏障中具有舉足輕重的地位(圖1).

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及預處理

以2018年土地利用數據為研究基礎數據,參照土地分類系統將土地利用分為6個類別:耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地,利用Arcgis10.1建立研究區土地利用數據庫;生態源地評價篩選所用DEM數據分辨率30m,來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/);用于優化土地利用阻力面的夜間燈光數據來源于中國科學院遙感與數字地球研究所;社會經濟數據來源于《四川統計年鑒》[25]及《重慶統計年鑒》[26].為優化生態安全格局分布,參考文獻[27],本文選取200m分辨率格網數據進行研究,以得到生態連通性更優、應用價值更高的生態安全格局劃定結果.

2.2 研究方法

2.2.1 生態源地識別 生態源地是土地利用系統中具有較高生態系統服務價值以及持續提供高值生態輸出的地塊,是維持生態系統穩定性的重要組成成分.物種的承載力、區域生物多樣性以及景觀異質性等均與斑塊大小面積密切相關,面積越大的斑塊其生態保育、物種豐度均越高[28].綜合考慮研究區流域生態安全的重要性,以水源藍色保護空間以及林地綠色保護空間為目標[29],選取斑塊面積大于1km2的水域作為藍色生態空間保護備選源地,選取斑塊面積大于3km2的林地作為區域綠色生態空間保護備選源地,并考慮生態重要性相關評價結果,對區域內生態源地進行識別篩選.

生態重要性評價主要是針對成渝雙城經濟圈中地塊所提供的生態服務價值進行評估,參考謝高地等[30]制定的中國陸地生態系統單位面積服務價值當量表,以平均糧食單產市場價值的1/7來確定1個生態服務價值當量因子的經濟價值量.以研究區糧食單位面積產量5520.71kg/hm2為基準糧食單位產量,以2018年糧食平均收購價格2.54元/kg為基準價格,測算研究區單位面積生態系統糧食生產服務的經濟價值,進而估算研究區生態系統服務價值,選取生態價值較高斑塊.為避免斑塊由于面積差異大而導致價值差異,利用ArcGIS10.1“創建漁網”工具將研究區劃分2km×2km正方形網格單元,共計53000余個,以高生態服務價值單元網格為參照選取生態斑塊.

式中:ESV表示總生態系統服務價值,元;表示第類土地利用類型;表示第類生態系統服務功能; ESV、ESV分別為第土地利用類型的生態服務價值與第項生態服務功能的價值;表示土地面積, hm2;VC為不同土地利用類型的不同生態功能單位面積的生態系統服務價值,元.

考慮到斑塊形狀越規整,其生態重要性越高[28],形狀指數表示斑塊形狀與圓形相較的規整程度,本文以形狀指數作為斑塊生態重要程度的參考指標,選取生態源地時,在圖斑面積及生態系統服務價值相當時,參考該指標選取更為規整的圖斑作為生態源地,公式為:

式中:指斑塊的形狀指數;指斑塊面積,m2;指斑塊輪廓周長,m.

2.2.2 最小阻力面模型 土地利用方式、地形地貌特征和人類社會活動均會影響空間系統中生態過程物質流動和能量傳遞.參照已有成果[28],綜合考慮研究區特殊地理位置,選取土地利用類型以及地形地貌兩大類阻力因子(表1).隨著經濟社會發展城市化推進,人類活動對生態過程的干擾進一步加強,為了衡量人類活動對生態行為的影響,以夜間燈光數據來表征土地開發強度,對土地利用阻力進行修正,進一步體現土地利用開發強度對土地利用類型阻力的影響[28].

表1 最小阻力因子及指標權重表

利用夜間燈光數據表征人類活動開發程度對土地利用的影響,修正公式如下:

式中:C代表柵格中土地利用類型阻力值;’代表柵格經夜間燈光數據修正后的阻力值;TLL表示第柵格所屬地第種土地利用類型范圍內的平均夜間燈光指數,TLL表示柵格所在的斑塊的平均燈光指數.

2.2.3 生態廊道識別 利用最小累計阻力模型識別生態源地間生態阻力最小的潛在連接通道,構建保護生態廊道有助于生態系統物質能量流通,保護物種多樣性.為獲取生態源地間相互聯系,利用GIS面轉點工具將生態源地轉換為生態源點[31],以源點為中心,更好的識別生態連接通道,利用最小路徑分析工具計算每個生態源點到其余生態源點群間最小累積阻力路徑(式6)[32].此外為進一步探究生態廊道的重要等級,采用重力模型,構建生態源地間重力相互作用矩陣,依據相互作用矩陣區分重要廊道與普通廊道,構建有層次性的生態廊道網絡(式7).

式中:G表示生態源地到源地之間的相互作用力;N、N表示、兩塊生態斑塊的權重大小;C表示、兩斑塊之間潛在生態廊道阻力的標準化值;表示斑塊的阻力值;代表面積大小;表示斑塊間廊道的阻力累積值,max表示研究區范圍內所有廊道的最大累積阻力值[33].

3 結果與分析

3.1 生態源地綜合提取

3.1.1 生態備選源地提取 2018年研究區耕地與林地為最主要的土地利用類型,耕地面積119465.17km2,占比達57.29%;林地面積62061.32km2,占比29.76%;水域面積3232.36km2,占比1.55%.空間分布上,耕地主要分布在研究區中部,地勢平坦,多為低山丘陵平原地區;林地草地主要分布在研究區范圍邊緣,地勢較高,多為山地區域(圖2).

圖2 2018年研究區土地利用空間分布

利用GIS聚合工具減少破碎圖斑對生態源地選取的影響,以1km2作為藍色生態源地的閾值,3km2為綠色生態空間源地篩選閾值.從5843塊水體斑塊中篩選得到藍色生態空間備選源地146塊,總面積2691.62km2,其中最大斑塊面積1847.42km2,研究區內廣泛分布;從61700余塊林地斑塊中篩選得到綠色生態空間備選源地693塊,面積51380.82km2,其中最大斑塊面積達5590.33km2,空間上位于四川省西南方雅安、眉山等地(圖3).

圖3 研究區備選生態源地空間分布

3.1.2 生態重要性評價 采用前文所述的生態重要性評價方法,得到各土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數(表2),計算得到研究區2018年生態系統服務價值總量為6069.64億元,其中林地生態系統服務價值貢獻量最高,占總價值量57.6%,其次為耕地占比31.15%.根據自然斷點法將生態價值高低分為Ⅰ級(低值區,ESV￡213.97萬元),Ⅱ級(較低值區,213.97萬元 1613萬元).

ESV空間分布上(圖4),Ⅴ級區域主要位于四川西部邊緣,重慶東部邊緣以及重慶四山地區(縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山);Ⅰ級區域主要位于成都市、達州市以及重慶主城區;Ⅱ級區域主要位于四川遂寧市,宜賓市以及重慶萬州區,忠縣涪陵區等地;研究區范圍內中部區域主要為Ⅲ級分布區.

表2 研究區不同土地類型單位面積生態服務價值系數(元/hm2)

圖4 研究區生態系統服務價值空間分布

3.1.3 生態源地識別 生態源地的面積大小與生態過程穩定性、生態保育功能等密切相關,綜合生態空間保護目標及斑塊生態服務價值貢獻量篩選出20塊生態源地(圖5),面積51724km2,占研究區面積24.8%.其中四川范圍生態源地面積為39991.1km2,占總生態源地面積77.32%.雅安市生態源地占四川范圍生態源地面積四分之一,綿陽市以及達州市次之.重慶范圍生態源地面積11732.92km2,占比22.68%,源地面積最多的依次為石柱縣、江津區、豐都縣等(圖6).

圖5 研究區生態源地空間分布

圖6 研究區各行政區生態源地占比

空間分布上研究區生態源地呈西南東三方向的半包圍圈狀態,連通性較好.研究區西部生態源地分布較集中數量較少,東部分布較為分散數量多,北部生態源地較為缺乏;而研究區中部地區,僅有重慶四山(縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山)地區有少許分布,呈現中空外包圍的狀態.

3.2 最小阻力面構建

經夜間燈光數據優化的土地利用生態阻力面呈現雙中心向四周輻射的狀態,以成都市與重慶主城區為主要高值中心,向周圍遞減,研究區邊緣地帶阻力值最低(圖7a).坡度阻力面以及地表起伏度阻力面分布特征較為一致,均呈東西高中部低的狀態,阻力值由東西兩側向中部過渡的“碗狀”分布(圖7b,圖7c).依照權重疊加計算得到綜合生態阻力面(圖7d),以成都市以及重慶市主城區為主要高值阻力點,區域內部均勻零星分布阻力次高值點,阻力呈發散狀向四周遞減.

圖7 研究區生態阻力面

3.3 生態廊道及生態夾點分析

生態廊道具有良好的物質能量流動性能,連接不同區域以形成生態網絡,維護生態系統穩定性,提高生態服務價值.依據最小成本原理,識別出研究區20個生態源點間193條最小成本路徑,總長6441.81km.利用相互作用矩陣(表3),提取相互作用力大于12的38條廊道作為重要廊道,構建成渝雙城經濟圈生態線條網格系統(圖8).

數量上研究區重要廊道長度2999.38km,占總廊道長度46.56%.在研究區東部即重慶巫山巫溪等地以及達州市較為密集,其中65%為重要廊道;其次為研究區南部即瀘州市及宜賓市,廊道長度占比19.13%,其中36%左右為重要廊道;研究區中部以北地區廊道分布較少,主要為河道天然廊道(圖9).

空間上西部地區生態廊道呈東南向分布,東側呈東北向分布,有效連通東西南3方生態源地.重要廊道主要分布在研究區東北部達州市以及重慶長壽區以北的區縣,呈由南側向東北方向延伸,研究區西部的雅安市、樂山市也有少許重要廊道分布;普通廊道主要集中在研究區西北以及南部,走勢從西北向東南方延伸.廊道整體分布特征主要受研究區范圍內河流走向的影響,以長江為例,作為天然生態廊道,能夠很好地串聯研究區西南區域,且水流方向為物質能量流通的穩定低阻力地帶,但由于長江河面較寬,對河流兩岸的物種遷移有一定的阻隔,主要起到屏障保護作用;研究區中部以及西北地區向東南方向延伸的嘉陵江、岷江、沱江(綿遠河)以及涪江等天然生態廊道,與長江形成互補,連接西北與東南,減少西南與東北的阻力,進而協調整個區域能量物質溝通功能.

潛在生態廊道的交點在生態結構中起到溝通各生態源點交流的中轉作用,同時為生物遷移提供暫歇功能[34],依據生態廊道的走向交匯情況,篩選出42個生態夾點(圖8).其數量及空間分布特征與生態廊道相同,集中在研究區東西兩側地區,而北部以及中部地區由于生態廊道主要依托天然河道且數量較少,夾點分布也較少.

整體上研究區生態網格覆蓋面較廣,研究區北部生態線條網格以及夾點覆蓋量少,生態連通性稍弱.生態源地的包圍型分布,依托河道形成的天然生態廊道,有效提高各區域間生態點的空間連通性,生態廊道保護與藍色水域保護發展目標一致,跨行政區連接各大城市主體,保障城市生態綠色發展.

圖8 研究區“點-線-面”生態安全網格

圖9 研究區各行政區生態廊道分布

表3 研究區生態源地相互作用矩陣

注:帶*數據表示兩生態源點相互作用力較高,即該潛在生態廊道為重要廊道;編號1～20表示生態源點.

3.4 成渝雙城經濟圈生態安全格局建立

生態安全格局以本底自然資源為基礎,根據生態保護及經濟發展目標,結合景觀單元聯系所構成的保持或恢復區域生態功能及支撐社會經濟發展功能的空間格局,構建成渝雙城經濟圈生態源地阻力面,并參照自然斷點法階段性閾值將生態安全分為4級,從低到高依次為生態源地、生態緩沖區、生態過渡區以及城市發展區(圖8).參考行政單元邊界對研究區進行更直觀地生態安全區域劃分,將生態源地作為保護區域,生態緩沖區及生態過渡區劃分為生態過渡走廊,城市發展區劃為都市生態發展區,構建成渝雙城經濟圈生態安全格局(圖10).統計3類分區中生態源地及生態廊道的比重(表4),比重越大越有利于該區域生態過程流動.

圖10 研究區生態安全格局

成渝雙城經濟圈生態安全格局整體呈“雙核-兩軸-半包圍”的形態.“雙核”指都市生態發展區呈現以成都及重慶主城區為中心的雙核心發展狀態,與其周圍的副發展中心相互連通,呈現圈層發展態勢.以“雙核”為都市生態發展中心向外輻射社會經濟發展引力,逐步形成圈層協調發展,應在重視經濟發展的同時,降低城市擴張速度,做好生態修復與保護,構建現代化生態文明城市.

“兩軸”代表研究區中部東南走向以及東北走向的生態廊道,東南方向走廊主要依托嘉陵江、岷江、沱江等天然生態廊道進行生態過程交流,東北方向走廊主要依托重慶四山(縉云山、中梁山、銅鑼山以及明月山山脈),從研究區南部向東北方向延伸,連接研究區南部及東北角.東南走向生態過渡走廊相對脆弱,維穩功能較低,應加強重視保護其生態過渡功能;東北走向生態過渡走廊“點-線”網格相對密集,應在發揮其生態功能的基礎上,保護提升其生態價值輸送能力,重視生態過渡走廊生態保護與經濟發展的可持續發展,更好為都市生態發展區提供生態支持.

表4 研究區各行政區源地廊道比

“半包圍”指生態源地呈半包圍狀環繞研究區西南東3個方向,北部存在生態源地缺口.生態源地的“半包圍”結構對成渝雙城經濟圈起到了很好的生態保護與生態輸出作用,但研究區北部生態源地缺乏,應加強多方聯系,確保生態價值功能的暢通性.源地廊道比上,生態保護區高于生態過渡走廊,再高于都市生態發展區;東南向生態走廊源地廊道比整體低于東北向生態走廊,東南向生態走廊距離長,生態夾點少,點-線生態安全網格薄弱,容易受到外力影響;而東北向生態走廊生態夾點與重要廊道密集,其點-線生態網格縱橫交互,具有很好的穩定性及連通性,能更有效地傳遞生態功能與物質能量.

從空間上協調生態與發展,通過識別成渝地區雙城經濟圈基于“源地-廊道-夾點”的“點-線-面”生態格網結構統籌各類自然與人文因素,均衡要素分布與能量流動,構建“雙核-兩軸-半包圍”結構的生態安全格局,維持生態系統功能和結構完整性,保障生態功能與社會經濟的相互協調發展,為城市國土空間發展規劃提供生態依據.生態文明發展大背景下,應以生態建設優先,積極響應國家對成渝雙城經濟圈建設,充分體現生態文明城市建設的理念.力求在宏觀層面上謀求社會經濟需求與生態安全的平衡,推動自然生態系統和社會經濟系統長期協調發展,達到生態經濟效益最大化,實現區域生態安全目標.

4 結論

4.1 結合區域生態保護目標以及生態重要性評價,篩選出成渝雙城經濟圈生態源地20塊,面積51724km2,占研究區總面積24.8%.空間上呈西南東三方向的半包圍圈,集中在研究區東西部邊緣以及重慶四山地帶,與生態系統服務功能價值高值分布區較為一致.

4.2 區域綜合阻力以成都市及重慶主城區為主要高值阻力中心,呈發散狀向四周降低.以夜間燈光數據對土地利用阻力面進行優化,體現人類開發活動對土地利用的影響;坡度阻力面及地表起伏度阻力面均呈現四周高中部低的“碗狀”分布.

4.3 識別生態廊道193條,總長6441.81km,其中重要廊道占比46.56%,集中在研究區東北方位達州及巫山巫溪等地;識別生態夾點42個,與生態源地共同構成研究區“點-線-面”生態網格.研究區東部生態廊道以東南方向延伸為主,主要為嘉陵江、岷江等天然河流廊道,距離長且穩定性較弱,應加強對河流水道的保護,強化生態建設,構建交織型生態廊道;西部生態廊道主要向東北方向延伸,呈現東密西疏的空間分布,夾點及生態廊道交互性好,生態連接與穩定性強.

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Construction of ecological security pattern in Chengdu-Chongqing Twin-City Economic Circle.

ZHAO Wei1,2*, ZOU Xin-yi3, PU Hai Xia1,2

(1.College of PublicAdministration , Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China；2.Research Center for Economy of Upper Reaches of the Yangtze River, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China；3.College of Environment and Resources, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)., 2021,41(5)：2423～2433

Took Chengdu-Chongqing Twin-City Economic Circle (CCTCEC) as the research object, and the ecological source areas were firstly identified based on Land-use datasets and the evaluation of ecosystem importance. The GIS spatial analysis technology, minimum cumulative resistance (MCR) model and night lighting optimization method then were applied to establish the regional ecological resistance surface.Finally, gravity model was used to identify key ecological corridors and ecological nodes to construct the ecological security pattern of the study area. The results showed that the ecological sources of CCTEC cover 24.8% of the total territory and mainly located on the east, south and west areas. 193 ecological corridors with the length of 6441.81km were successfully identified, and the density decreases from the east to the west in space. The key corridors account for 46.56% of the total identified corridors, which mainly distributed in the Northeast of study area including Dazhou, Wushan and Wuxi. Comprehensively, the “dual cores-two axes -half surrounded” spatial pattern had appeared.

Chengdu-Chongqing Twin-City Economic Circle (CCTCEC)；ecological security pattern；minimum cumulative resistance model；gravity model

X321

A

1000-6923(2021)05-2423-11

趙 偉(1982-),男,江蘇連云港人,副教授,博士,主要研究方向為生態環境與可持續發展.發表論文30余篇.

2020-10-14

重慶市教委人文社科項目(20SKGH099);重慶市教委哲學社會科學重大理論研究課題(19SKZDZX10)

* 責任作者, 副教授, zw@ctbu.edu.cn