劉 婷，唐燕秋，丁佳佳①，牛晉蘭，耿 華

〔1.重慶市生態(tài)環(huán)境科學研究院，重慶 401147；2.國家環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室(重慶基地)，重慶 401329〕

生境質量是在一定時間和空間范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)為適宜個體與種群提供持續(xù)生存與發(fā)展空間的能力[1]。穩(wěn)定的生境是生態(tài)系統(tǒng)服務和功能的前提和基礎，對于維持和提高生物多樣性至關重要[2-3]。近20年來，中國經(jīng)歷了最大規(guī)模、最快速的城市化進程，城鎮(zhèn)化率由2000年的36.22%增加至2020年的63.89%，并呈繼續(xù)上升趨勢。城市擴張導致的土地利用變化是造成或加劇生境破碎化、孤島化，阻隔物質流動、能力循環(huán)和信息傳遞等關鍵生態(tài)過程的重要因素[4-5]，這給生態(tài)系統(tǒng)氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)和固碳釋氧等服務功能造成嚴重威脅[6-7]。研究城市擴張對生境質量的影響，探究土地利用變化與生境質量之間的關系，已成為當前生態(tài)學和地理學研究領域的熱點議題[8-10]。2020年1月，習近平總書記對成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈建設作出全面部署，成渝一體化發(fā)展已上升到帶動西部地區(qū)經(jīng)濟轉型升級，參與全球競爭與合作的世界級城市群的國家戰(zhàn)略高度。成渝地區(qū)作為西部人口最密集、產(chǎn)業(yè)基礎最雄厚、創(chuàng)新能力最強、開放程度最高的區(qū)域，以不到全國2%的土地集中了全國7%的人口、6.5%的經(jīng)濟總量[11]，在經(jīng)濟社會高速發(fā)展的同時，區(qū)域產(chǎn)生了如城市熱島、水土流失、景觀破碎化、生物多樣性退化等一系列問題[12-13]，協(xié)調好發(fā)展與保護的關系對“雙圈”未來發(fā)展至關重要。

生境質量評價方法歷經(jīng)了由單一指標靜態(tài)分析逐步向多指標綜合評分的指數(shù)測算轉變，再向分布式模型動態(tài)評估過渡的過程。早期學者主要運用實地調查與實驗數(shù)據(jù)，就特定地區(qū)單一物種生境條件分異特征及對物種的影響開展研究[14-15]。隨后，研究人員開始關注河流、海岸帶、保護區(qū)過渡帶等生態(tài)敏感區(qū)，如鄭丙輝等[16]、婁會品等[17]和VALERO等[18]采用河岸帶植被指數(shù)和河流生境指數(shù)評估流域生境狀況，任璘婧等[19]和TANG等[20]采用綜合指標法分別評估長江口灘涂濕地和鄱陽湖地區(qū)土地景觀變化對水鳥遷徙生境適宜性的影響。隨著城市化進程的加快，人們對城市生態(tài)環(huán)境與生活質量的關注度不斷攀升，研究者多構建HIS、ARIES、MIMES和InVEST等數(shù)學模型[21-24]開展長時間序列動態(tài)評估，進而探索城市擴張過程對自然生境的影響。其中，基于3S技術分布式算法的InVEST模型，因具有數(shù)據(jù)獲取容易、空間可視化能力強、評價結果精度高的特點而被廣泛應用[25]。

鑒于此，以成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈為研究區(qū)，采用土地利用程度指數(shù)、動態(tài)度指數(shù)和InVEST模型揭示成渝地區(qū)2000—2020年土地利用變化和生境質量時空演變規(guī)律，并采用雙變量空間自相關模型分析生境質量與土地利用變化的空間關聯(lián)特征，以期為快速城鎮(zhèn)化區(qū)域生態(tài)用地空間調控和國土空間布局優(yōu)化政策制定提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈地處長江上游，位于中國西南四川盆地，東鄰湘鄂、西通青藏、南連云貴、北接陜甘，地勢西部高、東部次之、中部最低，屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，具有冬暖、春旱、夏熱、秋雨、云霧多、霜雪少等特征[26-27]。區(qū)域地理位置優(yōu)越、自然資源豐富、生態(tài)地位突出，地處岷山-邛崍山-涼山、秦嶺-大巴山、武陵山區(qū)和大婁山區(qū)生物多樣性保護與水源涵養(yǎng)重要區(qū)4個國家重點生態(tài)功能區(qū)。同時，成渝地區(qū)作為我國老工業(yè)基地和重要的糧食及特色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，人口和經(jīng)濟總量均居西部地區(qū)首位。區(qū)域具體范圍涉及重慶市中心城區(qū)及萬州、涪陵等27個區(qū)(縣)以及開州和云陽部分地區(qū)，四川省成都和自貢等15個市[28]，總面積為18.5萬km2(圖1)。2020年地區(qū)生產(chǎn)總值近6.64萬億元，占全國的6.53%，總人口約9 760萬人，占全國的6.91%。

圖1 成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈位置

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2000、2010和2020年3期土地覆被數(shù)據(jù)為全球地表覆蓋數(shù)據(jù)(GlobeLand30，http:∥www.globeland30.org/home.html?type=data)，數(shù)據(jù)采用WGS-84坐標系。分類影像包括美國陸地資源衛(wèi)星(Landsat) TM5、ETM+和OLI多光譜影像以及中國環(huán)境減災衛(wèi)星(HJ-1)多光譜影像，2020年數(shù)據(jù)采用16 m分辨率高分一號(GF-1)多光譜影像，數(shù)據(jù)總體精度為83.50%。根據(jù)GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》，采用ArcGIS軟件，結合研究需求將土地覆被類型歸為耕地、林地、草地、濕地、建設用地和未利用地6類。區(qū)域行政邊界數(shù)據(jù)來源于國家基礎地理信息數(shù)據(jù)庫(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/)，人口和GDP等社會經(jīng)濟和數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《四川統(tǒng)計年鑒》《重慶統(tǒng)計年鑒》。

2.2 土地覆被類型時空演變特征

城市擴張下頻繁的人類活動干擾大幅改變了土地自然屬性，引入土地利用程度指數(shù)以綜合反映自然環(huán)境和社會經(jīng)濟因素對土地利用變化的影響，計算公式[29]為

(1)

式(1)中，D為研究區(qū)土地利用程度指數(shù)；n為土地類型數(shù)；Ai為第i類土地覆被類型面積占比；Wi為不同類型土地利用程度參數(shù)，取值參照吳承禎等[30]提出的土地利用程度綜合分析方法。

為揭示不同土地類型在一定時間內(nèi)的數(shù)量變化規(guī)律及擴張或萎縮程度，引入單一類型動態(tài)度模型。為反映區(qū)域土地利用變化整體穩(wěn)定性程度，引入綜合土地利用動態(tài)度模型[31]。單一類型動態(tài)度模型和綜合土地利用動態(tài)度模型計算公式分別為

(2)

(3)

式(2)～(3)中，K為研究時段內(nèi)某種土地類型的變化動態(tài)度；Ub和Ua分別為某種土地類型在研究時段末期和初期面積，km2；CL為研究時段區(qū)域綜合土地利用動態(tài)度；Ui為研究時段初期第i類土地類型面積，km2；ΔUi-j為研究時段內(nèi)第i類土地類型轉為非i類的面積絕對值，km2；n為土地類型數(shù)；T為時間跨度。

為進一步分析土地利用相互轉化的空間動態(tài)過程，引入馬爾科夫轉移矩陣模型量化土地利用轉化的去向和來源，以便更加直觀分析土地利用變化條件下生境質量演變，其計算公式為

(4)

式(4)中，Sij為i類土地類型經(jīng)空間計算轉為j類的面積，km2；n為土地類型數(shù)量。

2.3 InVEST模型生境質量評估

參照InVEST模型用戶指導手冊[32]，首先根據(jù)土地覆被數(shù)據(jù)對生境和非生境進行劃分，再采用生境適宜度、脅迫因子影響距離與權重、各生境類型對脅迫因子的敏感性計算生境退化度，進而評估生境質量得分[24]。生境退化度計算公式為

(5)

(6)

(7)

式(5)～(7)中，Dxj為土地類型j中柵格x的生境退化度；r為生境威脅源；R為威脅源數(shù)；Yy為威脅源柵格數(shù)；ry為柵格y脅迫值；wr為威脅源r權重；irxy為威脅源r在柵格x的生境對柵格y的影響；βx為生境保護程度；sjr為生境類型j對威脅因子r的相對敏感性；dxy為柵格x與y的線性距離；drmax為威脅因子r的最大作用距離。

生境質量計算公式為

(8)

式(8)中，Hj為土地類型j的生境適宜性分值；k為半飽和常數(shù)，設為0.5；z為模型默認常數(shù)，其取值一般為2.5。生境質量指數(shù)取值范圍為0～1，值越接近1，表明生境質量越好，生物多樣性維持就越好。

基于研究區(qū)土地覆被實際狀況，考慮建設用地是所有土地覆被中受人類活動干擾最強的類型，耕地是人類活動較集中的類型，而未利用地基本無植被覆蓋，生態(tài)環(huán)境惡劣，將上述3種類型定義為非生境，并將林地(含灌木地)、草地、濕地和水體等自然生態(tài)系統(tǒng)定義為生境。此外，參考文獻[7,24,33]，結合成渝地區(qū)城鎮(zhèn)和經(jīng)濟發(fā)展水平，并綜合生態(tài)領域專家意見，確定相關參數(shù)(表1～2)。

表1 威脅源最大影響距離及相對影響權重

2.4 雙變量空間自相交模型

空間自相關是某些變量在同一個分布區(qū)內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)之間潛在的相互依賴性[34]。為揭示土地利用程度對生境質量的影響程度，引入雙變量Moran′sI指數(shù)，采用GeoDa軟件制作Moran散點圖和LISA聚類地圖分析土地利用程度(單位面積土地利用程度指數(shù))與生境質量的空間關聯(lián)特征[35]。

Moran′sI指數(shù)取值范圍為[-1,1]，其值大于0時為正相關，小于0時為負相關，接近0時則為隨機分布，不存在空間自相關。計算結果可分為高土地利用程度-高生境質量(H-H)、低土地利用程度-低生境質量(L-L)、高土地利用程度-低生境質量(H-L)和低土地利用程度-高生境質量(L-H)4種聚類類型。

3 結果與分析

3.1 土地覆被時空演變特征

如圖2所示，成渝地區(qū)土地類型以耕地為主，其次為林地，兩者面積占比超過研究區(qū)總面積的86%。如圖3所示，林草地主要分布在研究區(qū)西南部及東部邊緣山地區(qū)域，耕地和建設用地主要分布在地勢平坦的中部平原及東部低山丘陵地區(qū)。

表2 生境適宜度及對不同威脅源的相對敏感程度

圖2 成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈土地利用類型面積變化及動態(tài)度

圖3 成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈土地利用類型空間分布

2000—2020年研究區(qū)耕地和草地面積連續(xù)下降，降幅分別為3.10%和21.04%；林地和濕地面積略微增加，增幅分別為2.74%和14.46%，建設用地和未利用地面積顯著增加，增幅分別達148.88%和56.19%。另外，各研究時段耕地和草地動態(tài)度指數(shù)均為負值，其他類型則均為正值。相較于2000—2010年，2010—2020年綜合土地利用動態(tài)度增加2倍，各類土地擴張或萎縮程度變大，整體穩(wěn)定性有所降低，呈現(xiàn)土地利用強度不斷加大、后備土地資源減少的趨勢。其中，建設用地動態(tài)度指數(shù)增加4.46個百分點，耕地和草地動態(tài)度指數(shù)分別降低1.06和1.93個百分點，表明建設用地的擴張往往伴隨著耕地、草地等生態(tài)用地的減少。從行政區(qū)劃來看，四川成都、自貢和德陽以及重慶市中心城區(qū)、涪陵、長壽、黔江和永川等市(區(qū))土地利用變化較為劇烈。

由表3可知，2000—2010年土地利用變化方式較為簡單，以耕地向建設用地和林地轉化為主，兩者分別占耕地轉出面積的70.47%和20.81%。轉入的建設用地主要分布在四川成都、德陽、綿陽和南充以及重慶中心城區(qū)和南川等地，林地主要分布在四川內(nèi)江、宜賓和南充以及重慶萬州等地。2010—2020年，土地利用相互轉化關系較為復雜，耕地轉出面積為26 029.90 km2，主要流向林地和建設用地，分別占耕地轉出總量的62.88%和17.57%；林地轉出面積為20 194.62 km2，主要流向耕地和草地，分別占林地轉出總量的81.30%和13.97%；草地轉出面積為8 546.52 km2，主要流向林地和耕地，分別占草地轉出總量的48.82%和48.39%；此外，濕地和建設用地轉出面積相對較少，兩種類型轉為耕地的面積比例均超過70%；未利用地轉出面積最少，近50%的未利用地轉為林地。

表3 成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈土地利用轉移矩陣

3.2 生境質量時空演變特征

參照文獻[3,25,35]，采用自然斷點法將生境質量指數(shù)分為差(0～0.2)、較差(>0.2～0.4)、中等(>0.4～0.6)、較優(yōu)(>0.6～0.8)和優(yōu)(>0.8～1.0)5個等級。如表4所示，在時間尺度上，成渝地區(qū)2000、2010和2020年生境質量指數(shù)平均值分別為0.596、0.582和0.573，總體處于中等及以上水平，且呈略微下降趨勢。各研究時段處于中等、較優(yōu)和優(yōu)生境質量等級面積占比分別達60.98%、6.89%和29.16%，這與成渝地區(qū)耕地面積廣闊，林草地、河流和湖泊等自然生境面積較大緊密相關。近20年來，生境質量不變、下降和提高區(qū)域面積占比分別為72.52%、22.70%和4.78%。此外，生境質量指數(shù)下降區(qū)域中，有78.87%的區(qū)域生境質量指數(shù)下降0～0.3，有14.55%的區(qū)域下降>0.3～0.6，有6.58%的區(qū)域下降>0.6，表明生境質量下降區(qū)域中有超過20%的地區(qū)為高等級生境棲息地。

表4 成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈各等級生境質量面積占比

在空間分布上，成渝地區(qū)以成都大都市區(qū)、重慶中心城區(qū)為發(fā)展核心，在離心式的城市擴張模式下，生境質量呈現(xiàn)“雙圈”低、中部一般、四周高的環(huán)狀分布格局(圖4)。較高生境質量區(qū)域主要分布在林草地集中的四周邊緣地帶，如四川雅安、樂山、瀘州和宜賓以及重慶黔江、南川、豐都和涪陵等地，生境質量指數(shù)平均值為0.71。較低生境質量區(qū)域聚集程度較高，主要分布在人類活動頻繁、經(jīng)濟相對發(fā)達、城市開發(fā)程度較高的成都大都市區(qū)和重慶中心城區(qū)，生境質量指數(shù)平均值為0.35。中等生境質量區(qū)域主要分布在四川資陽、內(nèi)江和自貢以及重慶潼南、榮昌、合川、大足和永川等軸帶地區(qū)，生境質量指數(shù)平均值為0.46，該地區(qū)與耕地土地利用類型分布區(qū)具有較高一致性。

圖4 成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈生境質量空間分布及其變化

3.3 生境質量與土地利用程度相關性分析

為了在更小尺度上揭示土地利用程度對生境質量的影響，根據(jù)行政單元大小及計算量，采用網(wǎng)格法對成渝地區(qū)進行9 km×9 km幅度采樣，共形成2 544個網(wǎng)格，并采用GeoDa軟件計算每個網(wǎng)格單位面積土地利用程度指數(shù)與平均生境質量指數(shù)的相關性。

雙變量局部Moran′sI空間自相關結果(圖5)顯示，2000、2010和2020年Moran′sI指數(shù)分別為-0.781、-0.785和-0.793，散點主要分布在2(L-H)和4(H-L)象限，表明土地利用程度與生境質量在空間上具有顯著負相關，且相關性不斷增強。

圖5 成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈土地利用程度與生境質量的Moran散點圖

LISA聚類分析(圖6)顯示，成渝地區(qū)土地利用程度與生境質量聚集形態(tài)以高程度-低生境、低程度-高生境為主，高程度-低生境區(qū)主要分布在成都平原經(jīng)濟區(qū)“內(nèi)圈”(即成德眉資同城圈)、重慶中心城區(qū)以及連接“雙城”的內(nèi)江、自貢、遂寧、南充、瀘州、潼南、合川、大足、榮昌和永川等軸帶城市，低程度-高生境區(qū)主要分布在西北部龍門山脈和雅安、樂山、達州以及重慶黔江、南川和江津等地，高程度-高生境區(qū)和低程度-低生境區(qū)分布較為零散。20年來，高程度-低生境、低程度-低生境區(qū)面積持續(xù)下降，其面積占比由25.57%和1.48%分別下降為25.01%和0.57%，變化明顯區(qū)域主要分布在四川自貢和達州以及重慶中心城區(qū)等地；低程度-高生境區(qū)面積略微增加，其面積占比由15.37%增至15.78%，區(qū)域變化不明顯；高程度-高生境區(qū)面積先降后增，其面積占比由0.42%降至0.30%再增至0.43%。

圖6 成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈土地利用程度與生境質量的LISA聚類圖

4 討論與結論

4.1 討論

成渝地區(qū)生境質量空間差異受生境類型空間分布差異的影響，研究區(qū)西部、東部、東北部和東南部生態(tài)屏障區(qū)以山地為主，土地覆被類型以林地為主，不易受人類活動干擾。此外，近年來由于“退耕還林還草”“山水林田湖草一體化保護和修復”“國土綠化提升”等生態(tài)工程的實施，研究區(qū)2020年林地面積比2000年增加1 361.57 km2，因此，雅安、樂山、瀘州、宜賓、達州、黔江、南川、綦江和豐都等地生境質量整體較高。區(qū)域中部地勢平坦，除重慶“四山”外，多為低山丘陵平原，土地覆被類型以耕地為主，受城市擴張、經(jīng)濟社會發(fā)展、人口增加的影響，約5 622.72 km2耕地轉為建設用地，不斷擴張的城鎮(zhèn)用地又對鄰近地區(qū)生境產(chǎn)生脅迫影響，因此研究區(qū)生境質量整體呈下降趨勢。此外，生境質量空間變化分布差異同樣受到區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不平衡的影響。成渝地區(qū)生境質量較差區(qū)域主要分布在重慶中心城區(qū)、榮昌、大足、永川、銅梁、璧山、長壽、梁平和墊江以及四川成都、宜賓、達州、德陽、綿陽和遂寧等地，這些區(qū)域多為川渝毗鄰地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展較快，GDP相對較高。近20年來，重慶中心城區(qū)GDP增加15.92倍，成都GDP增加12.49倍，其中，璧山、榮昌、梁平和大足等地GDP增加近20倍。而雅安、黔江等地經(jīng)濟發(fā)展、土地利用程度均相對較慢，因此，生境質量受損情況較為輕微。

當前，成渝地區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程不斷加快，萬達開川渝統(tǒng)籌發(fā)展示范區(qū)、川南渝西融合發(fā)展試驗區(qū)、川渝高竹新區(qū)、合廣長協(xié)同發(fā)展示范區(qū)和遂潼一體化發(fā)展先行區(qū)等區(qū)域合作新樣板正加快形成，土地利用程度高、生境質量相對較低的成德眉資同城圈、重慶中心城區(qū)以及連接“雙城”的內(nèi)江、自貢、遂寧、南充、瀘州、潼南、合川、大足、榮昌和永川等軸帶城市的交通、能源、水利基礎設施的規(guī)?；ㄔO將對區(qū)域生態(tài)安全格局構建、生物多樣性維護等帶來較大壓力。未來，兩地應在重點資源空間布局、重點要素空間配置上形成共識，強化農(nóng)業(yè)空間、生態(tài)空間、城鎮(zhèn)空間的土地要素配置指引，統(tǒng)籌實施“三線一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控制度。同時，研究區(qū)要協(xié)同保護好長江、嘉陵江、烏江、岷江、沱江和涪江生態(tài)廊道，共劃生態(tài)修復重點區(qū)域，持續(xù)開展城市綠色空間體系建設，進而不斷優(yōu)化空間保護和開發(fā)格局。此外，東部岷山-邛崍山-涼山、東南部大婁山、東部武陵山和東北部秦嶺-大巴山等生態(tài)屏障區(qū)域土地利用程度低，生境質量相對較高，應持續(xù)加強天然林資源保護力度，綜合實施封山育林、人工造林、森林撫育和退化林修復等森林質量精準提升措施，使區(qū)域生境質量長期保持在較優(yōu)及以上水平。

基于長時間序列土地覆被數(shù)據(jù)和生境質量評估模型，全面分析了成渝地區(qū)近20年城市擴張對自然生境質量的影響，對優(yōu)化區(qū)域國土空間格局、制定差異化空間管控措施有一定參考價值。但筆者研究仍存在以下不足。一方面，由于InVEST模型中威脅源最大影響距離、生境敏感度等參數(shù)設置沒有統(tǒng)一標準，具有一定主觀性，還需結合地面實測與實證數(shù)據(jù)，進一步提高模型評估精度。另一方面，地形地貌、植被覆蓋、自然氣候和社會經(jīng)濟條件也在一定程度上對區(qū)域生境質量產(chǎn)生影響，筆者僅從土地利用變化角度開展分析，后續(xù)研究需加強多因素綜合評價。

4.2 結論

(1)成渝地區(qū)主要用地類型為耕地和林地，兩者面積占比超過研究區(qū)總面積的86%。近20年來，研究區(qū)耕地和草地面積連續(xù)下降，林地和濕地面積略微增加，建設用地和未利用地面積顯著增加。相較于2000—2010年，2010—2020年土地利用相互轉化較為復雜，綜合土地利用動態(tài)度增加2倍，各類土地擴張或萎縮程度變大，整體穩(wěn)定性有所下降。

(2)成渝地區(qū)生境質量總體處于中等及以上水平，呈現(xiàn)“雙圈”低、中部一般、四周高的環(huán)狀分布格局。近20年來，生境質量不變、下降和提高區(qū)域面積占比分別為72.52%、22.70%和4.78%，生境質量下降區(qū)域中，有超過20%的地區(qū)為高等級生境棲息地，這些下降區(qū)域喪失生態(tài)功能。

(3)成渝地區(qū)土地利用程度與生境質量在空間上呈顯著負相關，且相關性不斷增強。研究區(qū)以高程度-低生境、低程度-高生境相關聚集類型為主，前者主要分布在成都平原經(jīng)濟區(qū)“內(nèi)圈”(即成德眉資同城圈)、重慶中心城區(qū)以及連接“雙城”的內(nèi)江、自貢、遂寧、南充、瀘州、潼南、合川、大足、榮昌和永川等軸帶城市，后者主要分布在西北部龍門山脈和雅安、樂山、達州以及重慶黔江、南川和江津等地。