成渝地区双城经济圈生态安全格局构建

赵 伟,邹欣怡,蒲海霞

成渝地区双城经济圈生态安全格局构建

赵 伟1,2*,邹欣怡3,蒲海霞1,2

(1.重庆工商大学公共管理学院,重庆 400067；2.重庆工商大学长江上游经济研究中心,重庆 400067；3.重庆工商大学环境与资源学院,重庆 400067)

以成渝双城经济圈为研究对象,基于土地利用数据及生态重要性评价,综合选取生态源地;利用GIS空间分析、最小累积阻力以及夜间灯光优化等方法,构建区域生态综合阻力面;再利用重力模型识别重要生态廊道及生态夹点,最终构建成渝双城经济圈生态安全空间格局.结果表明:成渝双城经济圈生态源地面积占比24.8%,呈半包围圈分布于研究区西南东三面;识别生态廊道193条,总长6441.81km,呈现东密西疏的状态,其中重要廊道占比46.56%,集中在研究区东北方位的达州及巫山巫溪等地;“点-线-面”生态网格构建成渝双城经济区“双核-两轴-半包围”结构的生态安全格局.

成渝地区双城经济圈；生态安全格局；最小累积阻力模型；重力模型

重庆、成都是长江上游重要的中心城市,以其为核心的“成渝双城经济区”建设已上升为国家战略.区域具有优良的自然资源禀赋,社会经济发展对长江流域生态环境有直接影响,在筑牢长江上游重要生态屏障工作中有着举足轻重的地位.成渝地区是西部地区工业发展起步较早的城市,随着工业化与城镇化发展,早期的单目标城市发展方式一定程度上造成了成渝地区城市系统与生态系统的不协调发展,目前在国家级经济圈战略发展背景下,人口产业等要素的可预见性快速增长与流入对其环境承载力带来了严峻的挑战.城市建设直接表现为土地利用方式、效率等的转变,进而影响空间结构,导致生态系统格局及生态系统功能与效益发生改变.在加强经济圈建设的同时,要重视生态环境的可持续发展,而构建生态安全空间格局是规范制约各种行为活动的基础,从空间结构上协调生态产业经济布局,在资源与环境的双重约束下实现生态经济协调发展.

生态安全格局作为沟通生态系统服务与人类社会发展的桥梁,被视为区域生态安全保障和人类福祉提升的关键环节[1],是协调生态环境与社会经济可持续发展的重要空间途径之一,已有了大量学者从景观[2-5]、生态承载力[6]、生态足迹[7-9]以及其他生态安全指数等评价体系[10-12]多方位多角度进行生态安全格局研究,构建了“源地识别—阻力面构建—廊道提取”的生态安全格局主流范式[13-15].识别生态源地、设定阻力因素以及如何有效提取廊道仍是目前研究的热点.此外在生态安全格局研究尺度主要分为大中小3个层级,小尺度研究区域主要是地级市以下的风景名胜区、粮食基地以及农业污染等区域[16-18];中尺度研究以城市化水平较高的城市与生态脆弱的城市为主,该尺度也是目前生态安全格局研究区域选择的重点尺度[19-21];而大尺度范围的生态安全格局研究区域相对较少[22-24].

伴随着各大都市区和城市群一体化发展趋势,立足于区域城市群尺度上的研究已成为当前迫切需要解决的问题.推进成渝双城经济圈生态安全格局,着眼于全域国土空间规划,打破传统行政边界限制,促进不同行政单位间的合作建设,坚持生态优先,统筹把握大尺度范围的生态安全问题,可为制定成渝双城生态建设宏观区域性政策提供依据,为其他相关区域提供样板参考.

1 研究区概况

图1 研究区区位图

成渝双城经济圈,位于长江上游,地处中国西南四川盆地,东邻湘鄂、西通青藏、南连云贵、北接陕甘,以成都、重庆为中心,涵盖四川15个市和重庆29个区县,总面积20.85万km2.成渝双城经济圈是我国西部地区发展水平最高、发展潜力较大的区域,是实施“长江经济带”和“一带一路”战略的重要组成部分.社会经济水平发展略低于中国东部3个城市群,生态水平较高,研究区位于长江流域范围内,其中重庆更是地处三峡库区腹地,整个研究区在长江上游重要生态屏障中具有举足轻重的地位(图1).

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及预处理

以2018年土地利用数据为研究基础数据,参照土地分类系统将土地利用分为6个类别:耕地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用地,利用Arcgis10.1建立研究区土地利用数据库;生态源地评价筛选所用DEM数据分辨率30m,来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/);用于优化土地利用阻力面的夜间灯光数据来源于中国科学院遥感与数字地球研究所;社会经济数据来源于《四川统计年鉴》[25]及《重庆统计年鉴》[26].为优化生态安全格局分布,参考文献[27],本文选取200m分辨率格网数据进行研究,以得到生态连通性更优、应用价值更高的生态安全格局划定结果.

2.2 研究方法

2.2.1 生态源地识别 生态源地是土地利用系统中具有较高生态系统服务价值以及持续提供高值生态输出的地块,是维持生态系统稳定性的重要组成成分.物种的承载力、区域生物多样性以及景观异质性等均与斑块大小面积密切相关,面积越大的斑块其生态保育、物种丰度均越高[28].综合考虑研究区流域生态安全的重要性,以水源蓝色保护空间以及林地绿色保护空间为目标[29],选取斑块面积大于1km2的水域作为蓝色生态空间保护备选源地,选取斑块面积大于3km2的林地作为区域绿色生态空间保护备选源地,并考虑生态重要性相关评价结果,对区域内生态源地进行识别筛选.

生态重要性评价主要是针对成渝双城经济圈中地块所提供的生态服务价值进行评估,参考谢高地等[30]制定的中国陆地生态系统单位面积服务价值当量表,以平均粮食单产市场价值的1/7来确定1个生态服务价值当量因子的经济价值量.以研究区粮食单位面积产量5520.71kg/hm2为基准粮食单位产量,以2018年粮食平均收购价格2.54元/kg为基准价格,测算研究区单位面积生态系统粮食生产服务的经济价值,进而估算研究区生态系统服务价值,选取生态价值较高斑块.为避免斑块由于面积差异大而导致价值差异,利用ArcGIS10.1“创建渔网”工具将研究区划分2km×2km正方形网格单元,共计53000余个,以高生态服务价值单元网格为参照选取生态斑块.

式中:ESV表示总生态系统服务价值,元;表示第类土地利用类型;表示第类生态系统服务功能; ESV、ESV分别为第土地利用类型的生态服务价值与第项生态服务功能的价值;表示土地面积, hm2;VC为不同土地利用类型的不同生态功能单位面积的生态系统服务价值,元.

考虑到斑块形状越规整,其生态重要性越高[28],形状指数表示斑块形状与圆形相较的规整程度,本文以形状指数作为斑块生态重要程度的参考指标,选取生态源地时,在图斑面积及生态系统服务价值相当时,参考该指标选取更为规整的图斑作为生态源地,公式为:

式中:指斑块的形状指数;指斑块面积,m2;指斑块轮廓周长,m.

2.2.2 最小阻力面模型 土地利用方式、地形地貌特征和人类社会活动均会影响空间系统中生态过程物质流动和能量传递.参照已有成果[28],综合考虑研究区特殊地理位置,选取土地利用类型以及地形地貌两大类阻力因子(表1).随着经济社会发展城市化推进,人类活动对生态过程的干扰进一步加强,为了衡量人类活动对生态行为的影响,以夜间灯光数据来表征土地开发强度,对土地利用阻力进行修正,进一步体现土地利用开发强度对土地利用类型阻力的影响[28].

表1 最小阻力因子及指标权重表

利用夜间灯光数据表征人类活动开发程度对土地利用的影响,修正公式如下:

式中:C代表栅格中土地利用类型阻力值;’代表栅格经夜间灯光数据修正后的阻力值;TLL表示第栅格所属地第种土地利用类型范围内的平均夜间灯光指数,TLL表示栅格所在的斑块的平均灯光指数.

2.2.3 生态廊道识别 利用最小累计阻力模型识别生态源地间生态阻力最小的潜在连接通道,构建保护生态廊道有助于生态系统物质能量流通,保护物种多样性.为获取生态源地间相互联系,利用GIS面转点工具将生态源地转换为生态源点[31],以源点为中心,更好的识别生态连接通道,利用最小路径分析工具计算每个生态源点到其余生态源点群间最小累积阻力路径(式6)[32].此外为进一步探究生态廊道的重要等级,采用重力模型,构建生态源地间重力相互作用矩阵,依据相互作用矩阵区分重要廊道与普通廊道,构建有层次性的生态廊道网络(式7).

式中:G表示生态源地到源地之间的相互作用力;N、N表示、两块生态斑块的权重大小;C表示、两斑块之间潜在生态廊道阻力的标准化值;表示斑块的阻力值;代表面积大小;表示斑块间廊道的阻力累积值,max表示研究区范围内所有廊道的最大累积阻力值[33].

3 结果与分析

3.1 生态源地综合提取

3.1.1 生态备选源地提取 2018年研究区耕地与林地为最主要的土地利用类型,耕地面积119465.17km2,占比达57.29%;林地面积62061.32km2,占比29.76%;水域面积3232.36km2,占比1.55%.空间分布上,耕地主要分布在研究区中部,地势平坦,多为低山丘陵平原地区;林地草地主要分布在研究区范围边缘,地势较高,多为山地区域(图2).

图2 2018年研究区土地利用空间分布

利用GIS聚合工具减少破碎图斑对生态源地选取的影响,以1km2作为蓝色生态源地的阈值,3km2为绿色生态空间源地筛选阈值.从5843块水体斑块中筛选得到蓝色生态空间备选源地146块,总面积2691.62km2,其中最大斑块面积1847.42km2,研究区内广泛分布;从61700余块林地斑块中筛选得到绿色生态空间备选源地693块,面积51380.82km2,其中最大斑块面积达5590.33km2,空间上位于四川省西南方雅安、眉山等地(图3).

图3 研究区备选生态源地空间分布

3.1.2 生态重要性评价 采用前文所述的生态重要性评价方法,得到各土地利用类型单位面积生态系统服务价值系数(表2),计算得到研究区2018年生态系统服务价值总量为6069.64亿元,其中林地生态系统服务价值贡献量最高,占总价值量57.6%,其次为耕地占比31.15%.根据自然断点法将生态价值高低分为Ⅰ级(低值区,ESV£213.97万元),Ⅱ级(较低值区,213.97万元 1613万元).

ESV空间分布上(图4),Ⅴ级区域主要位于四川西部边缘,重庆东部边缘以及重庆四山地区(缙云山、中梁山、铜锣山、明月山);Ⅰ级区域主要位于成都市、达州市以及重庆主城区;Ⅱ级区域主要位于四川遂宁市,宜宾市以及重庆万州区,忠县涪陵区等地;研究区范围内中部区域主要为Ⅲ级分布区.

表2 研究区不同土地类型单位面积生态服务价值系数(元/hm2)

图4 研究区生态系统服务价值空间分布

3.1.3 生态源地识别 生态源地的面积大小与生态过程稳定性、生态保育功能等密切相关,综合生态空间保护目标及斑块生态服务价值贡献量筛选出20块生态源地(图5),面积51724km2,占研究区面积24.8%.其中四川范围生态源地面积为39991.1km2,占总生态源地面积77.32%.雅安市生态源地占四川范围生态源地面积四分之一,绵阳市以及达州市次之.重庆范围生态源地面积11732.92km2,占比22.68%,源地面积最多的依次为石柱县、江津区、丰都县等(图6).

图5 研究区生态源地空间分布

图6 研究区各行政区生态源地占比

空间分布上研究区生态源地呈西南东三方向的半包围圈状态,连通性较好.研究区西部生态源地分布较集中数量较少,东部分布较为分散数量多,北部生态源地较为缺乏;而研究区中部地区,仅有重庆四山(缙云山、中梁山、铜锣山、明月山)地区有少许分布,呈现中空外包围的状态.

3.2 最小阻力面构建

经夜间灯光数据优化的土地利用生态阻力面呈现双中心向四周辐射的状态,以成都市与重庆主城区为主要高值中心,向周围递减,研究区边缘地带阻力值最低(图7a).坡度阻力面以及地表起伏度阻力面分布特征较为一致,均呈东西高中部低的状态,阻力值由东西两侧向中部过渡的“碗状”分布(图7b,图7c).依照权重叠加计算得到综合生态阻力面(图7d),以成都市以及重庆市主城区为主要高值阻力点,区域内部均匀零星分布阻力次高值点,阻力呈发散状向四周递减.

图7 研究区生态阻力面

3.3 生态廊道及生态夹点分析

生态廊道具有良好的物质能量流动性能,连接不同区域以形成生态网络,维护生态系统稳定性,提高生态服务价值.依据最小成本原理,识别出研究区20个生态源点间193条最小成本路径,总长6441.81km.利用相互作用矩阵(表3),提取相互作用力大于12的38条廊道作为重要廊道,构建成渝双城经济圈生态线条网格系统(图8).

数量上研究区重要廊道长度2999.38km,占总廊道长度46.56%.在研究区东部即重庆巫山巫溪等地以及达州市较为密集,其中65%为重要廊道;其次为研究区南部即泸州市及宜宾市,廊道长度占比19.13%,其中36%左右为重要廊道;研究区中部以北地区廊道分布较少,主要为河道天然廊道(图9).

空间上西部地区生态廊道呈东南向分布,东侧呈东北向分布,有效连通东西南3方生态源地.重要廊道主要分布在研究区东北部达州市以及重庆长寿区以北的区县,呈由南侧向东北方向延伸,研究区西部的雅安市、乐山市也有少许重要廊道分布;普通廊道主要集中在研究区西北以及南部,走势从西北向东南方延伸.廊道整体分布特征主要受研究区范围内河流走向的影响,以长江为例,作为天然生态廊道,能够很好地串联研究区西南区域,且水流方向为物质能量流通的稳定低阻力地带,但由于长江河面较宽,对河流两岸的物种迁移有一定的阻隔,主要起到屏障保护作用;研究区中部以及西北地区向东南方向延伸的嘉陵江、岷江、沱江(绵远河)以及涪江等天然生态廊道,与长江形成互补,连接西北与东南,减少西南与东北的阻力,进而协调整个区域能量物质沟通功能.

潜在生态廊道的交点在生态结构中起到沟通各生态源点交流的中转作用,同时为生物迁移提供暂歇功能[34],依据生态廊道的走向交汇情况,筛选出42个生态夹点(图8).其数量及空间分布特征与生态廊道相同,集中在研究区东西两侧地区,而北部以及中部地区由于生态廊道主要依托天然河道且数量较少,夹点分布也较少.

整体上研究区生态网格覆盖面较广,研究区北部生态线条网格以及夹点覆盖量少,生态连通性稍弱.生态源地的包围型分布,依托河道形成的天然生态廊道,有效提高各区域间生态点的空间连通性,生态廊道保护与蓝色水域保护发展目标一致,跨行政区连接各大城市主体,保障城市生态绿色发展.

图8 研究区“点-线-面”生态安全网格

图9 研究区各行政区生态廊道分布

表3 研究区生态源地相互作用矩阵

注:带*数据表示两生态源点相互作用力较高,即该潜在生态廊道为重要廊道;编号1～20表示生态源点.

3.4 成渝双城经济圈生态安全格局建立

生态安全格局以本底自然资源为基础,根据生态保护及经济发展目标,结合景观单元联系所构成的保持或恢复区域生态功能及支撑社会经济发展功能的空间格局,构建成渝双城经济圈生态源地阻力面,并参照自然断点法阶段性阈值将生态安全分为4级,从低到高依次为生态源地、生态缓冲区、生态过渡区以及城市发展区(图8).参考行政单元边界对研究区进行更直观地生态安全区域划分,将生态源地作为保护区域,生态缓冲区及生态过渡区划分为生态过渡走廊,城市发展区划为都市生态发展区,构建成渝双城经济圈生态安全格局(图10).统计3类分区中生态源地及生态廊道的比重(表4),比重越大越有利于该区域生态过程流动.

图10 研究区生态安全格局

成渝双城经济圈生态安全格局整体呈“双核-两轴-半包围”的形态.“双核”指都市生态发展区呈现以成都及重庆主城区为中心的双核心发展状态,与其周围的副发展中心相互连通,呈现圈层发展态势.以“双核”为都市生态发展中心向外辐射社会经济发展引力,逐步形成圈层协调发展,应在重视经济发展的同时,降低城市扩张速度,做好生态修复与保护,构建现代化生态文明城市.

“两轴”代表研究区中部东南走向以及东北走向的生态廊道,东南方向走廊主要依托嘉陵江、岷江、沱江等天然生态廊道进行生态过程交流,东北方向走廊主要依托重庆四山(缙云山、中梁山、铜锣山以及明月山山脉),从研究区南部向东北方向延伸,连接研究区南部及东北角.东南走向生态过渡走廊相对脆弱,维稳功能较低,应加强重视保护其生态过渡功能;东北走向生态过渡走廊“点-线”网格相对密集,应在发挥其生态功能的基础上,保护提升其生态价值输送能力,重视生态过渡走廊生态保护与经济发展的可持续发展,更好为都市生态发展区提供生态支持.

表4 研究区各行政区源地廊道比

“半包围”指生态源地呈半包围状环绕研究区西南东3个方向,北部存在生态源地缺口.生态源地的“半包围”结构对成渝双城经济圈起到了很好的生态保护与生态输出作用,但研究区北部生态源地缺乏,应加强多方联系,确保生态价值功能的畅通性.源地廊道比上,生态保护区高于生态过渡走廊,再高于都市生态发展区;东南向生态走廊源地廊道比整体低于东北向生态走廊,东南向生态走廊距离长,生态夹点少,点-线生态安全网格薄弱,容易受到外力影响;而东北向生态走廊生态夹点与重要廊道密集,其点-线生态网格纵横交互,具有很好的稳定性及连通性,能更有效地传递生态功能与物质能量.

从空间上协调生态与发展,通过识别成渝地区双城经济圈基于“源地-廊道-夹点”的“点-线-面”生态格网结构统筹各类自然与人文因素,均衡要素分布与能量流动,构建“双核-两轴-半包围”结构的生态安全格局,维持生态系统功能和结构完整性,保障生态功能与社会经济的相互协调发展,为城市国土空间发展规划提供生态依据.生态文明发展大背景下,应以生态建设优先,积极响应国家对成渝双城经济圈建设,充分体现生态文明城市建设的理念.力求在宏观层面上谋求社会经济需求与生态安全的平衡,推动自然生态系统和社会经济系统长期协调发展,达到生态经济效益最大化,实现区域生态安全目标.

4 结论

4.1 结合区域生态保护目标以及生态重要性评价,筛选出成渝双城经济圈生态源地20块,面积51724km2,占研究区总面积24.8%.空间上呈西南东三方向的半包围圈,集中在研究区东西部边缘以及重庆四山地带,与生态系统服务功能价值高值分布区较为一致.

4.2 区域综合阻力以成都市及重庆主城区为主要高值阻力中心,呈发散状向四周降低.以夜间灯光数据对土地利用阻力面进行优化,体现人类开发活动对土地利用的影响;坡度阻力面及地表起伏度阻力面均呈现四周高中部低的“碗状”分布.

4.3 识别生态廊道193条,总长6441.81km,其中重要廊道占比46.56%,集中在研究区东北方位达州及巫山巫溪等地;识别生态夹点42个,与生态源地共同构成研究区“点-线-面”生态网格.研究区东部生态廊道以东南方向延伸为主,主要为嘉陵江、岷江等天然河流廊道,距离长且稳定性较弱,应加强对河流水道的保护,强化生态建设,构建交织型生态廊道;西部生态廊道主要向东北方向延伸,呈现东密西疏的空间分布,夹点及生态廊道交互性好,生态连接与稳定性强.

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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

赵 伟(1982-),男,江苏连云港人,副教授,博士,主要研究方向为生态环境与可持续发展.发表论文30余篇.

2020-10-14

重庆市教委人文社科项目(20SKGH099);重庆市教委哲学社会科学重大理论研究课题(19SKZDZX10)

* 责任作者, 副教授, zw@ctbu.edu.cn