重慶市南岸區城市邊界擴張及生態環境效應研究

鄒欣怡, 趙 偉, 蒲海霞, 周佳松

(1.重慶工商大學 環境與資源學院, 重慶 400067; 2.重慶工商大學長江上游經濟研究中心, 重慶 400067; 3.四川省土地統征整理事務中心, 成都 610041)

黨的十八大以來，生態文明體制建設已經成為新時代中國發展的大背景，目前中國城市化正處于快速城市化時期，單目標規劃使迅速膨脹的城市系統與生態環境之間未經歷良好的磨合與適應，從而不可避免地造成了兩系統的脫節與失衡，擴張與生態保護之間的矛盾是急需解決的問題。

國內學者對城市擴展與生態效應的研究主要基于兩個研究視角，其一是城市用地擴展對某種生態環境單因素影響的分析研究，主要包括城市用地擴張對氣候、大氣環境、水資源等單因素脅迫作用影響分析，如張蘇等[1]、韋亮英[2]運用遙感反演方法測度環境參數間的相關性，來研究擴展對大氣的影響；吳宏安等[3]學者通過對城鎮擴展導致的水域的減少及用水量的變化等來進行城鎮擴張對水環境的影響研究。其二是區域綜合生態環境影響分析和評價，主要包括從景觀生態學的角度來分析評價城市擴展土地利用變化生態環境效應，探索土地利用格局與生態過程的互相影響機理；從生態敏感性、生態安全的角度來探討城市空間的增長界線；以及構建綜合評價指標定量分析和評價城市邊界擴展的生態環境效益并探索其二者的耦合機制[4-9]。如：崔佳等[4]學者利用景觀格局指數和生態環境質量指數兩種生態環境效應評價指數，定量對比分析土地利用變化帶來的生態環境效應；趙丹陽等[5]通過構建城市用地擴張的生態環境效應綜合評價模型來進行城市擴展的生態研究?？偟膩碚f現有研究關于城市擴展對生態單要素的影響方面已經有了較深入且全面的研究，而對綜合生態環境效益影響的研究較少，加之綜合研究的復雜性及定量分析的重要性，對土地利用變化環境效應的綜合定量分析和評價仍處于探索中；此外國內學者的研究尺度多為大城市、城市群以及生態脆弱敏感地區等中大尺度，對中小城市的關注較少。

伴隨著重慶成為直轄市、西部大開發政策的實施、兩江新區的建設，南岸區作為重慶主城九區之一，城市化發展給南岸區帶來了巨大的變化。城市化快速發展為地區社會經濟發展提供強勁動能的同時也深刻影響著土地利用與區域生態環境，且其特殊的依山臨江位置，區域生態環境較為敏感，人類活動易產生較大影響。因此，本文以重慶市南岸區為對象，研究結合城市邊界擴張研究生態環境效益，宏觀把握小尺度范圍的城市發展規律，客觀反映城市擴張對生態的影響，以期對優化城市空間發展模式、促進社會生態的協調持續發展，建設生態城市提供理論支撐。

1 研究區概況

1.1 研究區區位

重慶市南岸區位于東經106°3′14″—106°47′2″、北緯29°27′2″—29°37′2″，重慶市西南部，是重慶主城區、大都市區之一。區域東南部與巴南區相接，西臨九龍坡區、渝中區，北瀕江北區、渝北區，轄區面積達265 km2。南岸區位于川東平行嶺谷區，背斜、向斜平行分布，構成低山、丘陵、平壩、河流的組合地貌特征[10]。南岸區作為典型山地城市，城市的擴展受到自然地貌環境制約的同時，對生態環境也產生了極大的影響。

1.2 研究區經濟情況

截至2016年全區生產總值(GDP)總量745.5億元，增長10.8%。其中一產業實現增加值4.3億元，下降6.8%；二產業實現增加值433.8億元，增長11.3%；三產業實現增加值307.4億元，增長10.3%。三次產業經濟結構從2015年的0.7︰59.2︰40.1調整為0.6︰58.2︰41.2，提高了第三產業的占比。城鄉居民收入繼續增加，2016年居民人均可支配收入32 160元，同比增長8.5%，其中城鎮常住居民人均可支配收入32 983元，增長8.3%，農村常住居民人均可支配收入17 839元，增長9.0%。城鄉居民收入比縮小到1.85︰1。

1.3 生態環境現狀

2016年南岸區政府有力推進宜居南岸建設,繼續深入“藍天、碧水、寧靜、綠地、田園”環保五大行動，全區環境保護力度進一步加強。2016年全區空氣質量優良天數為295 d；二氧化硫年平均濃度為15 μg/m3；二氧化氮年平均濃度為38 μg/m3；可吸入顆粒物(PM10)年平均濃度為73 μg/m3；細顆粒物年平均濃度為49 μg/m3。與上年相比：空氣質量優良天數增加5 d，二氧化硫濃度下降11.8%，二氧化氮濃度下降2.6%，可吸入顆粒物濃度下降11.0%，細顆粒物濃度下降7.5%?？傮w來說為實現社會經濟可持續發展，生態環境質量持續改善，努力打造生態南岸。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及處理

本研究城市邊界擴展研究數據所用遙感圖像來源于地理空間數據云。獲取1996年、2004年、2009年、2016年4期重慶市TM遙感影像圖，采用ERDAS 9.3對影像進行融合、矯正，運用目視解譯法提取出建成區柵格數據，利用ArcGIS 10.2.2進行柵格矢量化，得到南岸區城市建成區圖斑，最后提取建成區規模面積，并對各年數據進行相關分析；生態環境研究中所需數據主要來源于《重慶市統計年鑒》、《重慶市水資源公報》、《重慶市環境狀況公報》、《重慶市南岸區統計公報》以及南岸區政府網站等，從中直接獲取或經過一定計算得到。由于數據的可獲取性，生態研究部分利用的是2000年、2004年、2009年和2016年的數據。

2.2 研究方法

為研究南岸區城市邊界擴展的生態環境效益，首先對南岸區的城市邊界擴張進行分析，并建立以擴展為主線的DPSR綜合生態評價模型，定量評價城市用地擴張的生態環境效應，最后通過SPSS軟件利用回歸分析的方法識別城市用地擴張系統與生態環境系統交互作用的主要因素。

2.2.1 城市邊界擴張研究方法 主要運用建設用地擴張速度、擴張強度、人口彈性系數來研究城市邊界擴展數量變化以及運用緊湊度、分形維數來研究城市邊界擴展的形態變化(表1)。

2.2.2 城市邊界擴張的生態環境效益研究方法

(1) 指標體系構建?！癙-S-R”模型別學者廣泛地應用于環境質量評價中，最初由加拿大統計學家David J.Rapport和Tony Friend于1979年提出，后由經濟合作與發展組織(OECD)和聯合國環境規劃署(UNEP)用于研究環境問題的框架體系P-S-R(Pressure-State-Response)即壓力—狀態—響應模型；而后UNCSD將PSR改進為DSR(驅動力—狀態—響應)框架，將人類活動的過程與形態納入可持續發展指標體系[18-19]；1993年由歐洲環境署首次提出DPSIR框架模型。后有學者構建了“DPSR”模型，即驅動力、壓力、狀態、響應為評價目標的模型，多用來評價生態安全等。本文參照了一些學者的“DPSR”模型，根據實際數據的可獲得性，構建了以擴張為主線的“DPSR改進模型”：從“擴張的驅動力、擴張的壓力、擴張的狀態以及擴張的生態響應”來考慮，選取了15項指標，構建城市邊界擴展的生態環境效應D-P-S-R模型，計算生態環境綜合指數REI來評價城市擴展對生態環境效應的影響[13,20]。

(2) 數據無量綱化處理。由于各項數據數值相差很大，計量單位也不同，采用極差正規劃法進行無綱量化處理，根據正向指標值越高越好，負向指標值越低越好的原則，分為兩種計算方法：

(6)

(7)

式中：Sij為第i個對象的第j個指標的數值。

(3) 熵值法求取權重。熵值法是一種客觀賦權法，其根據各項指標觀測值所提供的信息的大小來確定指標權重。設有i個待評方案，j項評價指標，形成原始指標數據矩陣，對于某項指標，指標值的差距越大，則該指標在綜合評價中所起的作用越大；如果某項指標的指標值全部相等，則該指標在綜合評價中不起作用。首先，為了便于計算和優選分析，消除指標間由于量綱不同而帶來比較上的困難，先利用標準化公式將決策矩陣轉化為標準化決策矩陣Xij，然后利用i方案在j屬性下的貢獻度形成新的矩陣P，公式如下[21-22]：

(8)

再用Ej來表示所有方案對屬性Xj的貢獻總量：

(9)

式中：常數K=1/lnm，這樣能保證0≤Ej≤1，即Ej

最大為1。當某個屬性下各方案的貢獻度趨于一致，Ej趨于1；dj為第j屬性下各方案貢獻度的一致性程度。dj=1-Ej，利用上面求得的Ej，可以得到dj；各屬性權重為對應的dj與所有dj和的商。

指標權重公式：

(10)

最后得到評價模型以及指標權重見表2。

表2 生態綜合分值REI評價模型及指標權重

2.2.3 城市邊界擴展生態響應影響因素分析方法 通過SPSS 19軟件采用回歸分析中一次與二次曲線擬合的方法來探討社會經驅動力、擴展壓力、土地利用狀態對空間擴展的生態環境響應的影響，影響因素分析模型如下[16]：

Y=a0+a1X+ε

(11)

Y=a0+a1X+a2X2+ε

(12)

式中：Y為因變量，綜合生態環境效益分值；X為自變量，分別為人均國內生產總值(X1)、社會固定資產投資(X2)、第三產業占GDP比重(X3)、建設用地擴展強度(X4)、非農業人口比重(X5)、單位生產總值能源消費量(X6)、城鎮化率(X7)、人均公共綠地面積(X8)、每hm2耕地化肥施用量(X9)、城市擴展人口彈性系數(X10)、城市用地緊湊度(X11)。

根據公式，利用SPSS軟件分別對Y與X1—X11進行一次及二次回歸曲線擬合，來分析城市空間擴展生態環境響應的影響因素。

3 結果與分析

3.1 城市邊界擴張研究方法

3.1.1 重慶南岸區建成區數量變化特征分析

(1) 南岸區城市用地面積變化(表3)。1996年重慶市南岸區建成區面積為33.03 km2，此時城市建成區主要集中于西南方向，東北部峽口鎮、廣陽鎮以及迎龍鎮建成區極少；2004年建成區面積為44.24 km2，增長39.89%，大多分布于長生橋鎮，峽口、廣陽、迎龍鎮依然較少；2009年南岸區建成區面積為79.27 km2，較2004年增加了33.06 km2，南坪鎮以及長生橋鎮擴張較快，共增加18.47 km2，西北部3鎮也開始擴張；2016年建成區面積122.39 km2，增長54.4%。這個時間段南岸區建成區快速擴展，較2009年增長了43.12 km2，此時南坪鎮建成區能增長面積已很有限，因此增長較少，南岸區擴展方向主要為東北方向的廣陽鎮峽口鎮，擴展35.05 km2。

(2) 擴展強度和速度分析(表4)。南岸區城市擴展速度以及強度都呈現先增后降的狀態。1996—2009年建成區擴展多為向外擴張，速度高、強度較大；2009—2016年，城市用地朝集約方向發展，建設用地擴展速度放慢，不同鄉鎮強度有增有減，較前一段時間，建成區擴展總體表現偏向于內部填充調整。其中2004—2009年擴展速度、擴展強度都為最大，是南岸的快速發展時期，強度指數達到2.52，為1996—2004年階段的3倍。重慶直轄后，由于三峽庫區的建設，重慶當下主要任務為轉移安置三峽庫區群眾，這期間建設用地增長較為緩慢，擴展強度只有0.63；后隨著三峽移民安置工作不斷完成，重慶經濟迅速發展，城市邊界擴展明顯。

表3 南岸區各鄉鎮1996-2016年建成區面積 km2

表4 近20 a重慶市南岸區擴展強度與擴展速度

(3) 城市擴展人口彈性系數(表5)。南岸區人口彈性系數由1996年的較低水平經歷上升及下降發展到接近中國最適宜城市擴展人口彈性系數。1996—2004年人口彈性系數為0.816，低于1.12最適宜水平，此時南岸區發展較為緩慢，城市化進程不高，土地利用方式較為粗放；2004—2009年，在此階段城市化進程較快，建設用地擴展速度迅速，經濟發展也相對較快，人口彈性系數增長到1.31，土地利用程度高于最適宜狀態；2009—2016年彈性系數降為1.16，更接近于1.12，表明南岸區近段時間城市化發展更加合理。

表5 南岸1996-2016年城市擴展人口彈性系數

3.1.2 重慶南岸區城市空間形態變化特征

(1) 各階段重慶南岸區建成區空間分布。南岸建成區空間分布由最初的僅西部片區即銅鑼山脈以西，發展為西部成片、銅鑼一線以及中部聚集東部小分散的狀態。1996年，南岸區建成區主要集中于銅鑼山脈以西，南坪鎮、南山街道辦事處以及涂山鎮，其余鎮區位于銅鑼山脈以東，明月山脈以西，由于地理位置特殊，建成區分布稀少；2004年，位于銅鑼山脈明月山脈正中的長生橋鎮出現連片建成區，峽口、廣陽、迎龍鎮建成區依然很少且空間分布分散；2009年南岸區銅鑼山脈以西南坪鎮以及涂山鎮逐漸填充接近飽和，明月山脈西北部三鎮也開始擴張但建成區面積仍較小，南岸區處于“西部大連片、中東部小分散”狀態；到2016年南岸區銅鑼山脈以西的鎮區已經接近飽和狀態，中部建成區為連片聚集的形態，靠近明月山脈東部的迎龍與廣陽鎮也出現了小范圍的連片建成區，但距離飽和狀態還有一段距離，今后南岸建成區向外擴展方向主要集中在銅鑼山脈以東以及明月山脈以西，具體分布情況見圖1。

圖1 1996年、2004年、2009年、2016年4期南岸區建成區空間分布

(2) 緊湊度及分維數分析(表6)。南岸區1996—2016年城市緊湊度先下降后輕微上升再趨于水平。1996—2004年緊湊度最大，此時建成區主要集中在南坪鎮以及長生橋鎮，建成區集中，其他鄉鎮建成區少，為“大分散小聚積”狀態；2004—2009年，緊湊度降到0.063，此時建成區擴張較快南岸區東北部鄉鎮建成區增多，比較分散，緊湊度降低；2009—2016年，發展較充分，緊湊度無太大變化。

對于分形維數，南岸區1996—2016年城市分形維數與緊湊度相反，先上升再下降后趨于平緩。1996—2004年分維數上升，此時城市以外部擴展為主；2004—2009年，此時建成區擴張較快南岸區東北部鄉鎮建設用地增多，比較分散，分維數也有輕微下降，城市穩定性增強；2009—2016年，南岸區發展已經較為充分，分維數也無太大變化，南岸西南方向多為內部填充發展，東北方向向外擴展為主，內部填充為輔，發展較為穩定。

3.2 南岸區城市邊界擴展生態環境效益評價結果分析

利用加權求和分別計算經濟社會驅動力D、擴展壓力P、土地利用狀態S、生態環境響應R以及城市用地擴張的生態環境效應綜合指數REI(表7)。

表6 南岸區緊湊度及分維數

表7 南岸區城市邊界擴展生態環境效益評價系統得分

2000—2016年重慶南岸區生態環境效應綜合指數呈逐步上升的趨勢，各系統中生態環境響應得分逐步上升、經濟社會驅動力有所下降、擴展壓力以及土地利用狀態總體為上升。2000—2004年REI上升較緩慢增長近0.1，達到0.454，這期間經濟社會驅動力下降近0.1，但壓力上升0.33，提高了2004年的綜合生態分值；2004—2009年綜合指數上升趨勢加大，除壓力較2004年有輕微下降外，驅動力、狀態、響應均上升0.15以上，尤其生態響應系統上升力度最大為0.23，南岸區改善了2004年快速擴展的勢頭，同時注重生態環境的保護與改善，2009年環保投資占GDP比例為近年來最高，政府開始重視發展與生態環境的可持續性發展有了較大的成果；2009—2016年綜合生態環境效益分值比較穩定，僅增長0.006，這期間驅動力、擴展壓力、土地利用狀態系統分值均下降，2016年城市擴展部分鄉鎮已經達到飽和狀態，為內部填充擴張，加大了建成區的密度造成土地利用狀態分值下降，但生態環境響應分值繼續保持較高的上升趨勢，增長0.32，南岸區對生態環境的重視很大程度上改善了生存環境，如對南山生態帶的建設與保護，對生態保護紅線劃定的重視，以及南岸區“生態屏障區生態林低效林”改造以及對生態環境損害賠償制度的試行等，環境污染也得到了很大的改善，SO2年平均濃度從最開始的0.156 mg/m3降到0.015 mg/m3，但工業固廢處置等還有待提高；總體來說，經濟社會驅動力處于下降趨勢，擴展壓力先上升后下降總體為上升，土地利用狀態分值先上升后下降總體有所改善，生態響應系統分值一直處于上升趨勢，且上升力度逐年加大，南岸區生態環境效應綜合指數呈逐步上升，在0.6左右穩定。

3.3 南岸區城市邊界擴展生態環境效益影響因素分析

根據公式、利用SPSS軟件分別對Y與X1—X11進行一次及二次回歸曲線擬合，來分析城市空間擴展生態環境響應的影響因素，分析結果見表8。

表8 南岸區城市擴展的生態環境響應影響因素分析

注：*表示10%水平下顯著，**表示5%水平下顯著，***表示1%水平下顯著。

一次二次回歸分析結果表示，R2衡量了回歸方程整體的擬合度，越接近1說明回歸直線對觀測值的擬合程度越好，反之越差?；貧w結果中大多R2都處于大于0.9的水平，表明各項指標與生態環境效應指數擬合程度都較高。且人均國內生產總值、非農業人口比重這兩項指標為在1%水平下顯著；社會固定資產投資、建設用地擴展強度、城鎮化率、每hm2耕地化肥施用量、城市用地緊湊度為5%水平下顯著，人均公共綠地面積、第三產業占GDP比重以及城市擴展人口彈性系數在10%水平下也有較為顯著的回歸關系。

(1) 非農業人口比重增長、經濟發展是影響生態環境指數的重要因素。非農業人口比重與生態環境效應指數之間表現出顯著回歸關系，隨著比重的上升，環境指數有先上升再下降的趨勢，非農業人口增長使城市建設用地的需求量變大，進而改變土地使用類型以及規模，隨之影響土地利用狀態以及生態環境；經濟發展是一個地區的命脈，隨著人均國內生產總值不斷增大，生態環境指數也呈現先升后減的趨勢，經濟的正常增長是生態環境維持良好的保障，人均國內生產總值擬合曲線與非農業人口比重擬合曲線相似，理論上社會經濟發展與生態環境變化之間存在倒U型曲線關系[16-17]，在重慶剛直轄時，經濟增長緩慢對生態環境并無太大改善作用，后隨著社會經濟的發展，逐漸改善了噪音、大氣污染等狀況，提高了生態環境效應指數，注重經濟生態的平衡，促進可持續發展。

(2) 建設用地擴展等指標對生態環境有負面影響。建設用地擴展強度、城鎮化率以及城市用地緊湊度對生態環境指數也有顯著影響，隨著人口增長、城市化快速推進帶來了建成區規模的快速擴展，是影響土地利用變化、生態環境的重要因素，南岸區建成區面積從1996年33.03 km2增長到122.39 km2，擴展強度也從0.63增長到2.35，2000年前后居民生活水平、城鎮化水平還處于較低的階段，對資源的消耗也不大，但利用效率不高浪費較大，總體來說對環境破壞力度較小，但2000年生態環境指數只有0.359，處于較差的水平，說明當時南岸區的發展已經對生態造成了嚴重的影響；城市化進程的推進，經濟技術的發展，對生態環境的修復改善作用大于對生態的利用破壞程度，2009年之后，隨著經濟發展、建成區擴展加快，生態環境指數改善的勢頭逐漸變緩，負面作用開始明顯，對資源的消耗、耕地林地面積的壓縮等都會使生態環境負向演化，且南岸區部分鄉鎮仍然處于建成區快速擴張的狀態，意味著耕地、林地等農用地還會繼續減少，生存環境會有繼續下降風險。

4 結論與建議

(1) 重慶市南岸區在研究期間內，城市邊界擴展明顯，建成區規模逐年增長，由西部單中心連片發展成為西部成片、銅鑼一線以及東部小分散的狀態。1996—2016年南岸區建成區面積增長3.7倍，尤其是在2004年之后政府工作重心由三峽庫區移民轉移到社會經濟發展，南岸區建成區規模開始成倍增長?？臻g分布上，1996年南岸區處于“西多東少、西部集中東部零星”的狀態，由于山脈的限制，建成區主要集中在銅鑼山山脈以西，到2016年，發展成為中西部兩中心集中分布、東部零星小面積分布。

(2) 擴張速度強度以及城市形態方面，南岸區中部以及西部地區擴張速度以及強度最大，西部后期以內部填充為主，中部地區向外擴展趨勢大。研究期內，中部以及西部增長速度最快，中部擴展強度最大；南岸區緊湊度為凹曲線，分形維數為凸曲線，都趨于穩定，近20 a城市發展主要以向外擴展為主，城市形態處于較穩定的狀態；城市邊界擴展人口彈性系數逐步趨于合理，城市擴展速度與人口發展相適應。但擴展速度仍然較快，合理規劃好城市發展，控制建成區擴展勢頭。

(3) 南岸區綜合生態環境效益處于中等水平，總體為上升趨勢但強度逐漸降低。南岸建成區不斷擴張，影響土地利用狀態進而對生態環境產生負面作用，但經過經濟社會驅動力、土地利用狀態等系統效益疊加，環境綜合指數呈現不斷增加的趨勢。在未來發展中加強生態文明建設力度、控制建設用地擴展速度、增加環保設施投入等，合理規劃城市發展兼顧生態系統，實現“城市—生態”和諧穩定發展。

(4) 社會經濟發展以及建成區擴展各指標對生態環境效應指數有明顯的影響作用。非農業人口比重增長、建設用地擴展強度、城鎮化率以及城市用地緊湊度對生態環境指數有顯著影響，經濟發展是一個地區的命脈也是生態環境保護改善的保障，但建成區的擴展對生態環境有負面影響作用，在擴大城鎮規模的同時保護好生態環境，重點把握影響顯著的一些指標，切實保護生態環境，堅持綠色發展、協調發展、共同發展。