周 浪, 李明慧, 周启刚, 孟浩斌, 彭春花, 刘栩位

(1.重庆工商大学 环境与资源学院, 重庆 400067; 2.生态环境空间信息数据挖掘与大数据集成重庆市重点实验室,重庆 401320； 3.重庆工商大学 公共管理学院, 重庆 400067)

近年来，我国经济与社会的飞速发展加快了城镇的扩张步伐。而快速城市化因其不合理的开发利用行为势必将对城市地域的生态环境基底造成深刻影响[1]，并致使空气质量恶化、生物多样性锐减、城市热岛效应加剧等生态问题，严重威胁区域生态安全[2]。通过识别和提取对维持区域生态系统安全稳定具有重要意义的空间要素，对其系统结构及空间格局提出切实有效的优化指导，是缓解紧张人地关系，保障城市—自然复合生态系统可持续高效运转的关键性格局[3]。

生态安全格局构建作为一个多学科交叉的新兴研究主题，受到国内外学者的高度关注并在该领域展开了大量研究[4-5]。国内俞孔坚首次从生物多样性保护的切入点开展景观生态安全格局研究[6]，之后优化Forman的景观利用格局理论[7]，提出“生态源地识别—阻力面建立—生态廊道构建”，逐渐成为生态安全格局构建的主流范式[8]。针对城市这类经济高度发达，人口相对集中，人地关系较为紧张的研究区域，学者对广州[9]、北京[10]等平原城市根据其差异化的研究区状况，从生态系统服务、生态敏感性及景观功能等多角度选取评价指标，并选用拟合程度较高的数学模型进行分析，最终构建城市生态安全格局。对于山地城市而言，构建山地生态安全格局是城市与生态和谐发展的基础，同时也是为维持山地城市生态稳定、平衡生态系统的重要手段[11]，但当前针对空间结构复杂的山地城市生态安全格局的构建鲜有研究。

生态安全格局中的廊道大多采用最小累积阻力模型识别[12-13]，但其仅能体现源地间的最小成本距离，不能有效反映生态过程的流通性。McRaeB[14]首次将物理学中的电路理论融入景观生态学、景观遗传学领域，将景观面看作一个电导面，用电子在电路中随机流动的特性来模拟物种个体或基因在景观中的迁移扩散过程，从而预测物种的扩散和迁移运动规律、识别景观面中多条具有一定宽度的可替代路径，同时电路理论可通过源地之间电流的强弱确定生境斑块和廊道的相对重要性[15]，有效反映生态过程的流通性，能够快速、精准地识别生态廊道更为科学的构建生态安全格局[16-17]。

综上，针对重庆市都市区这一空间结构较为复杂的山地城市，本文以建立山地城市生态安全格局为目标，采用粒度反推法确定研究区的数据最优尺度，依次识别生态源地、判定阻力面，并将电路理论的随机游走特性运用至生态廊道的提取，从而构建重庆市都市区生态安全格局。本文旨在探索重庆市生态保护策略差异化的同时，为特大山地城市生态安全研究体系提供研究基础。

1 研究区概况

重庆市地处川东平行岭谷地区，地形起伏较大，以低山、丘陵为主，市区四周地势高，中心地势低，导致热场不易扩散，地表增热明显，是一个典型的山地城市[18]。同时重庆市都市区(东经106°03′22″—107°01′19″，北纬29°09′12″—30°07′09″)是承载政治、经济、文化等多要素的中心，其范围包括渝北区、渝中区、江北区、北碚区、沙坪坝区、大渡口区、南岸区、九龙坡区、大渡口区、巴南区共9个行政区单元，辖区总面积达5 472.68 km2。“两江四山”构成了重庆都市区生态基底，气候为亚热带季风性湿润气候，夏季高温闷热，都市区热岛效应显著。本研究以重庆市都市区为研究对象，以此为构建山地城市生态安全格局提供重要依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究涉及到的数据包括2018年的重庆市都市区土地利用数据、DEM数据、气象数据、土壤数据及NDVI等数据类型。其中研究区土地利用数据来源于美国地质勘测局(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)的Landsat8 OLI遥感影像解译，划分为水域、草地、耕地、未利用地、建设用地和林地6类，数据空间分辨率为30 m×30 m；DEM来源于地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)，生成高程数据和坡度数据的空间分辨率为30 m×30 m；气象数据来源于中国气象科学数据共享服务(http:∥data.cma.cn/)；土壤数据来源于寒区旱区科学数据中心的1∶100万世界土壤数据库(HWSD)中国土壤数据集；通过Landsat8 OLI遥感数据反演出NDVI。

2.2 研究方法

2.2.1 粒度反推法 粒度反推法是一种通过景观格局的连通性和整体性分析自动选择生态源地的方法[19]。此方法源于数学的反证法，先假设研究区存在多种生态源地结构，在不同粒度的栅格下测算生态源地整体连通性，从形成的多种生态景观组分结构结果中择取最优景观组分结构，选择整体连通性最高对应的栅格粒度，从而可以确定最优的生态源地结构[20]。

2.2.2 生态源地识别 生态源地是指研究区域中具有较高生态系统服务价值的斑块，能对景观过程发展产生较大价值的景观组分[21]，生态源地是生态系统相对稳定的区域，对维持生物多样性具有重要的生态学意义。长江与嘉陵江交汇于重庆市都市区内，是两江流域的重要水源涵养区，生物多样性丰富，同时具有复杂的自然生态条件和社会经济特征[22]。针对本研究区域的生态本底状况，从植被覆盖、地形地貌、水体、保护区和多种生态服务能力角度考虑，来构建生态敏感性评价体系和生态系统服务重要性评价体系，通过两个评价体系进行叠加分析，采用变异系数法确定指标权重，按照自然断点法对计算结果进行综合划分，将识别出的最优生态斑块作为本研究区的生态源地。

(1) 生态敏感性评价体系。生态敏感性评价是指当生态系统受到外界不良影响干扰时，其发生生态环境问题的可能性大小，是生态环境评价的重要组成部分[23]。本研究根据研究区山地资源、河流资源丰富的特点，按照主导因素综合性和代表性原则[24]，选取植被覆盖度、高程、坡度、土地利用类型、水体、生态保护区6项指标构建生态因子敏感性评价体系，并对6类生态因子运用变异系数法进行加权叠加计算，以自然断点法划分等级，最终获得评价结果。计算公式如下：

式中：Pi为生态敏感性综合评价得分;Wi为第i个因子影响权重;Fi为第i个因子的生态敏感性指数。

(2) 生态系统服务重要性评价体系。生态系统服务重要性评价是针对区域生态系统典型生态服务功能能力的评估，包括对生态系统服务功能的区域分异规律分析，以及对生态系统服务功能重要区域的识别[25]。结合重庆市都市区的环境特征，选择生物多样性保护、土壤保持、水源涵养3种生态系统服务功能指标来构建评价体系(表1)。

表1 生态系统服务重要性评价体系

2.2.3 生态综合阻力面构建 物种在水平空间上运动、扩散，在斑块之间的流动与传递，在很大程度上受到地形因子、土地利用类型以及人为活动干扰的影响[26]。其中，土地利用类型和地形是生态“源”向外扩散遭遇阻力的主要影响因素[21]。研究区域集复杂性、脆弱性、敏感性于一体的生态环境特征，参考相关研究[27-28]，选取地貌因子和土地利用类型作为主要阻力因子，利用ArcGIS软件对各阻力面加权叠加得到综合阻力面。由于不同的阻力因子干扰能力不同，影响景观生态安全格局源地扩散的阻力也不同，变异系数法可以客观准确地确定权重，本研究采用该方法来确定研究区各阻力值的权重。

2.2.4 生态廊道识别 生态廊道是沟通生态源地物种、信息和能量流动的重要桥梁，是生态源地间最容易联系的低阻力生态通道，可以增强景观组分之间的联系和防护等功能，对于景观格局连通性具有重要作用。电路理论中的连接模型与随机游走相结合能够较好地评价最小成本路径，其原理见图1[29]。本研究基于电路理论来识别研究区的生态廊道，生态廊道是相邻“源”间生态流的低阻力生态通道，可通过电路理论中的电流密度来识别廊道，电流密度较高的区域，表明该区域的连接度较好，生态通道阻力较低。本研究利用Circuitscape软件与ArcGIS的Linkage Mapper Toolkit插件来识别生态廊道。

图1 电路理论原理

3 结果与分析

3.1 生态源地识别

3.1.1 不同粒度水平下的生态源地连通性 生态源地的识别是指提供重要生态系统服务与生态敏感的斑块。针对区域典型生态系统，定量评估生态系统服务的供给能力与生态敏感性，识别生态系统服务供给的重要区域与生态敏感区域，两者叠加可以作为源地识别的有效方法[30]。在识别生态源地之前，需要确定研究区最优生态源地结构，因此根据粒度反推法的原理，从不同粒度水平的整体连通性判断出最优的生态源地结构[31]。从生态系统服务重要性和生态敏感性叠加结果中提取一级生态源地，运用Conefor软件计算30，50，100，200，300，400，500 m共6种不同粒度下生态源地的整体连通性，最终确定最优生态源地结构，其中500 m粒度下融合较多，生态源地数量大幅减少，无法与其他粒度下的源地数量保持一致，故不分析500 m粒度下的生态源地结构，其余选取各粒度下的50个核心区域计算核心区域整体连通性结果见图2。200 m粒度下，整体连通性起伏较大，其余粒度整体连通性较为平缓。不同粒度下生态源地的整体连通性平均值大小随粒度的增加呈抛物线式，其中200 m粒度下生态源地的整体连通性的平均值最大达到峰值，结合核心区域的整体连通性的波动范围确定200 m粒度时连通性最优。

图2 研究区整体连通性

3.1.2 生态源地的确定 由上述可知200 m粒度是生态源地整体连通性最好的参照，因此，将各数据栅格化，并将栅格大小统一为200 m×200 m。基于研究区水土保持、水源涵养、生境质量3类生态系统服务功能叠加结果形成生态系统服务功能重要性评价结果，运用自然断点法将评价结果划分为极重要区、高等重要区、中等重要区、较重要区、一般重要区，形成重庆市都市区生态系统服务空间格局(图3A)，不同级别重要区面积及占比见表2。极重要区域面积22.38 km2，占研究区总面积的0.44%，分散分布于研究区的各山脉处。高度重要区域面积452.53 km2，占研究区总面积的8.33%。中等重要区域与较重要区域面积相差不大，分别为1 843.87，18 677.00 km2，共占研究区总面积的68.29%。一般重要面积1 248.29 km2，占研究区总面积的22.97%。

图3 特大山地城市都市区生态系统重要态敏感性空间格局等级

表2 生态系统服务重要性与生态因子敏感性评价结果

对坡度、海拔、水域、土地利用类型、植被覆盖度、生态保护区6类生态因子的生态敏感性进行单因子评价，将单因子评价结果叠加形成生态敏感性评价结果，运用自然断点法将评价结果划分为极敏感、高度敏感性、中度敏感、一般敏感、不敏感，形成重庆市都市区生态敏感性空间格局(图3B)，不同级别敏感区面积及占比见表2。极敏感区域面积619.97 km2，占研究区总面积的11.41%，分散分布于研究区以坡度大、海拔高的生态保护区的林地范围内。高度敏感区域面积47.35 km2，面积占比最大，占研究区总面积的47.35%。中度敏感区域面积2 035.34 km2，占研究区总面积的37.46%。轻度敏感区域面积较小，为200.55 km2，共占研究区总面积的3.69%。不敏感区域面积最小，为23.95 km2，仅占研究区总面积的0.09%。

由上述分析可知，研究区的生态系统重要性整体较低，生态敏感性整体较高，对研究区生态系统服务重要性与生态因子敏感性的分析结果等权叠加，将研究共计区划分4级区域，1级区域面积最小共计824.69 km2，2，3级区域面积分别为1 375.07，1 217.631 km2，4级区域面积共计2 016.68 km2。在划分出的4级区域中剔除小于10 km2的碎小图斑，最终确定生态源地图斑数为14，面积合计1 616.98 km2，占研究区总面积的29.76%，其空间分布见图4。总体来看研究区单块生态源地面积较大，宽度较宽，形态多以条带状为主，主要沿缙云山、中梁山、南山等山脉分布，呈现六纵空间格局，符合典型的山地城市山脉生态系统服务功能强，生态敏感性高的特点，而山脉之间较平缓的区域，城市发展良好，主要体现城市功能。

图4 生态源地

3.2 最小累积模型判定的生态阻力面

基于特大山地城市都市区的土地利用类型构建生态阻力面，在土地利用类型上反映出城市的建设用地对生态阻力值最大，水体的生态阻力值最低。在空间上阻力面的分布是以组团的形式存在，被区域内其他阻力值较低的土地利用类型所分割；基于坡度和起伏度的生态阻力面构建，起伏度生态阻力值与坡度的生态阻力值的空间分布特征一致，在空间分布上阻力值较大的区域成条带状分布，特大山地城市都市区的起伏度生态阻力值大小空间分布上呈现由西到东生态阻力值由最低值增加再降低的变化规律；坡度生态阻力值在空间分布上呈现出由西到东先增加后降低的变化规律，其中在城市建设区内坡度和起伏度的生态阻力值较低。运用最小累积模型形成综合阻力面(图5)，在空间分布上综合生态阻力值差异明显，高阻力值集中在研究区的中部、东部和东南部，在研究区的北部和东北部阻力值最低。

图5 综合阻力面

3.3 基于电路理论的生态廊道识别与生态安全格局构建

生态廊道通过连接不同生态斑块，增加区域景观连通性和获取生态效益，是维护区域生态安全的基本骨架[32]。基于生态源地与生态阻力面，结合电路理论结果(表3)，对重庆市都市区生态廊道进行识别(图6)。结合电路理论识别出活跃和非活跃的生态廊道。

表3 生态源地成对模式下的累计电流密度

图6 重庆市都市区生态廊道分布

从生态廊道数量特征上看，由于重庆市都市区生态源地较为破碎，生态阻力大，因此呈现出短小的特点。连接14块生态源地有29条生态廊道，关键廊道22条，总长度约为50.83 km，潜在廊道7条，总长度约为108.21 km。关键廊道中，大于1 km的廊道共12条，长度为46.69 km，是源地之间连接的主要廊道。潜在廊道中，大于10 km的廊道共5条，长度为95.05 km。部分关键廊道和潜在廊道在某些位置重合，可能是因该区域斑块阻力值较小导致[31]。

从生态廊道空间分布来看，结合图7研究区各下辖区关键和潜在廊道长度柱状图，关键廊道分布在渝北区、北碚区、南岸区及巴南区，其长度分别占关键廊道总长度的0.35%，1.50%，5.04%，93.11%。潜在廊道分布在九龙坡区、南岸区及巴南区，其长度分别占潜在廊道总长度的6.8%，18.19%，75.01%。

图7 重庆市关键廊道及潜在廊道分布

从图7可以看出，研究区西部和北部仅存在一条关键廊道，主要是因为位处缙云山、中梁山和龙王洞山的生态源地横跨7个重庆市下辖区域，三者之间形成了一条宽阔的带状生态源地，宽度大、面积大的特点使其面临的生态压力相对较低。同时，由于巴南区生态源地数量多、较为破碎，因此绝大部分的关键廊道和潜在廊道主要分布在重庆市巴南区南部，并且由该区域向外发散至整个研究区。

生态安全格局是对区域生态空间进行国土空间格局优化的空间配置方案，由一系列功能各异、相对独立的景观单元结合生态廊道构成，对维护景观格局整体性及区域生态安全具有重要意义[33]。以生态源地作为缓冲区面要素，根据每个生态源地的面积大小，分别设置1，2，3 km等不同宽度的缓冲区作为生态源地的辐射区(图8)。经统计，现有生态源地的辐射面积为4 543.92 km2，达到研究区总面积的83.32%。现状生态源地辐射未覆盖区域除了分布在研究区边缘，在研究区中部和南部也存在较大范围的未覆盖区。

图8 生态安全格局

基于对重庆市都市区生态源地、关键廊道和潜在廊道的分析，本文提出构建“一圈两带两中心”生态安全格局。其中，“一圈”指研究区所形成的都市生态圈，“两带”指研究区生态源地未辐射的生态提升带，“两中心”指以巴南区东南部向北散射的廊道中心与研究区北部向南散射的生态源地中心。生态提升带需要重点新增生态源地，加快绿色基础设施建设，控制城市开发边界，高效利用城市生产、生活空间，保护生态空间范围，以优化城市生态安全结构。生态源地中心林业资源丰富，可发展旅游业、绿色产业，为研究区提供水源涵养、土壤保持等多种服务功能。廊道中心主要承担物种迁移的传输通道、生物生存繁殖的生境等基础功能[25]，物质流动频繁，需加强生态保护，保证都市生态圈的生态过程的畅通性。

4 结论与讨论

(1) 200 m粒度下连通性最优，生态源地在空间分布上呈现六纵分布态势。从不同粒度水平的整体连通性判断出200 m粒度下生态源地结构最优；研究区生态源地面积1 616.98 km2，占研究区总面积的29.76%，研究区单块生态源地面积较大，宽度较宽，形态多以条带状为主，主要沿缙云山、中梁山、南山等山脉分布，呈现六纵空间分布态势。

(2) 生态廊道长度较短，主要分布与研究区的南部区域。生态廊道共计29条，关键廊道22条，总长度约为50.83 km，潜在廊道7条，总长度约为108.21 km。绝大部分的关键廊道和潜在廊道主要分布在重庆市巴南区南部，并且由该区域向外发散至整个研究区。

(3) 以生态源地辐射范围和生态廊道共同构建以“一圈两带两中心”生态安全格局。现有生态源地的辐射面积为4 543.92 km2，达到研究区总面积的83.32%。现状生态源地辐射未覆盖区域的中部与南部区域作为生态提升带，切实保护区域生态空间。

本文以生态系统服务重要性与生态敏感性共同确定生态源地，以随机游走与最小成本路径结合的电路理论识别关键生态廊道与潜在生态廊道，结合生态源地的辐射范围共同构建生态安全格局，进而提出优化策略，保障研究区生态质量，提升居民的居住满意度，对生态宜居城市建设具有重要参考意义。但受数据获取的限制，本文仅从静态视角，识别生态源地与生态廊道，而生态要素与城市发展的动态变动时生态源地和廊道的情况有待进一步探讨。