重庆市南岸区城市边界扩张及生态环境效应研究

邹欣怡, 赵 伟, 蒲海霞, 周佳松

(1.重庆工商大学 环境与资源学院, 重庆 400067; 2.重庆工商大学长江上游经济研究中心, 重庆 400067; 3.四川省土地统征整理事务中心, 成都 610041)

党的十八大以来，生态文明体制建设已经成为新时代中国发展的大背景，目前中国城市化正处于快速城市化时期，单目标规划使迅速膨胀的城市系统与生态环境之间未经历良好的磨合与适应，从而不可避免地造成了两系统的脱节与失衡，扩张与生态保护之间的矛盾是急需解决的问题。

国内学者对城市扩展与生态效应的研究主要基于两个研究视角，其一是城市用地扩展对某种生态环境单因素影响的分析研究，主要包括城市用地扩张对气候、大气环境、水资源等单因素胁迫作用影响分析，如张苏等[1]、韦亮英[2]运用遥感反演方法测度环境参数间的相关性，来研究扩展对大气的影响；吴宏安等[3]学者通过对城镇扩展导致的水域的减少及用水量的变化等来进行城镇扩张对水环境的影响研究。其二是区域综合生态环境影响分析和评价，主要包括从景观生态学的角度来分析评价城市扩展土地利用变化生态环境效应，探索土地利用格局与生态过程的互相影响机理；从生态敏感性、生态安全的角度来探讨城市空间的增长界线；以及构建综合评价指标定量分析和评价城市边界扩展的生态环境效益并探索其二者的耦合机制[4-9]。如：崔佳等[4]学者利用景观格局指数和生态环境质量指数两种生态环境效应评价指数，定量对比分析土地利用变化带来的生态环境效应；赵丹阳等[5]通过构建城市用地扩张的生态环境效应综合评价模型来进行城市扩展的生态研究。总的来说现有研究关于城市扩展对生态单要素的影响方面已经有了较深入且全面的研究，而对综合生态环境效益影响的研究较少，加之综合研究的复杂性及定量分析的重要性，对土地利用变化环境效应的综合定量分析和评价仍处于探索中；此外国内学者的研究尺度多为大城市、城市群以及生态脆弱敏感地区等中大尺度，对中小城市的关注较少。

伴随着重庆成为直辖市、西部大开发政策的实施、两江新区的建设，南岸区作为重庆主城九区之一，城市化发展给南岸区带来了巨大的变化。城市化快速发展为地区社会经济发展提供强劲动能的同时也深刻影响着土地利用与区域生态环境，且其特殊的依山临江位置，区域生态环境较为敏感，人类活动易产生较大影响。因此，本文以重庆市南岸区为对象，研究结合城市边界扩张研究生态环境效益，宏观把握小尺度范围的城市发展规律，客观反映城市扩张对生态的影响，以期对优化城市空间发展模式、促进社会生态的协调持续发展，建设生态城市提供理论支撑。

1 研究区概况

1.1 研究区区位

重庆市南岸区位于东经106°3′14″—106°47′2″、北纬29°27′2″—29°37′2″，重庆市西南部，是重庆主城区、大都市区之一。区域东南部与巴南区相接，西临九龙坡区、渝中区，北濒江北区、渝北区，辖区面积达265 km2。南岸区位于川东平行岭谷区，背斜、向斜平行分布，构成低山、丘陵、平坝、河流的组合地貌特征[10]。南岸区作为典型山地城市，城市的扩展受到自然地貌环境制约的同时，对生态环境也产生了极大的影响。

1.2 研究区经济情况

截至2016年全区生产总值(GDP)总量745.5亿元，增长10.8%。其中一产业实现增加值4.3亿元，下降6.8%；二产业实现增加值433.8亿元，增长11.3%；三产业实现增加值307.4亿元，增长10.3%。三次产业经济结构从2015年的0.7︰59.2︰40.1调整为0.6︰58.2︰41.2，提高了第三产业的占比。城乡居民收入继续增加，2016年居民人均可支配收入32 160元，同比增长8.5%，其中城镇常住居民人均可支配收入32 983元，增长8.3%，农村常住居民人均可支配收入17 839元，增长9.0%。城乡居民收入比缩小到1.85︰1。

1.3 生态环境现状

2016年南岸区政府有力推进宜居南岸建设,继续深入“蓝天、碧水、宁静、绿地、田园”环保五大行动，全区环境保护力度进一步加强。2016年全区空气质量优良天数为295 d；二氧化硫年平均浓度为15 μg/m3；二氧化氮年平均浓度为38 μg/m3；可吸入颗粒物(PM10)年平均浓度为73 μg/m3；细颗粒物年平均浓度为49 μg/m3。与上年相比：空气质量优良天数增加5 d，二氧化硫浓度下降11.8%，二氧化氮浓度下降2.6%，可吸入颗粒物浓度下降11.0%，细颗粒物浓度下降7.5%。总体来说为实现社会经济可持续发展，生态环境质量持续改善，努力打造生态南岸。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究城市边界扩展研究数据所用遥感图像来源于地理空间数据云。获取1996年、2004年、2009年、2016年4期重庆市TM遥感影像图，采用ERDAS 9.3对影像进行融合、矫正，运用目视解译法提取出建成区栅格数据，利用ArcGIS 10.2.2进行栅格矢量化，得到南岸区城市建成区图斑，最后提取建成区规模面积，并对各年数据进行相关分析；生态环境研究中所需数据主要来源于《重庆市统计年鉴》、《重庆市水资源公报》、《重庆市环境状况公报》、《重庆市南岸区统计公报》以及南岸区政府网站等，从中直接获取或经过一定计算得到。由于数据的可获取性，生态研究部分利用的是2000年、2004年、2009年和2016年的数据。

2.2 研究方法

为研究南岸区城市边界扩展的生态环境效益，首先对南岸区的城市边界扩张进行分析，并建立以扩展为主线的DPSR综合生态评价模型，定量评价城市用地扩张的生态环境效应，最后通过SPSS软件利用回归分析的方法识别城市用地扩张系统与生态环境系统交互作用的主要因素。

2.2.1 城市边界扩张研究方法 主要运用建设用地扩张速度、扩张强度、人口弹性系数来研究城市边界扩展数量变化以及运用紧凑度、分形维数来研究城市边界扩展的形态变化(表1)。

2.2.2 城市边界扩张的生态环境效益研究方法

(1) 指标体系构建。“P-S-R”模型别学者广泛地应用于环境质量评价中，最初由加拿大统计学家David J.Rapport和Tony Friend于1979年提出，后由经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)用于研究环境问题的框架体系P-S-R(Pressure-State-Response)即压力—状态—响应模型；而后UNCSD将PSR改进为DSR(驱动力—状态—响应)框架，将人类活动的过程与形态纳入可持续发展指标体系[18-19]；1993年由欧洲环境署首次提出DPSIR框架模型。后有学者构建了“DPSR”模型，即驱动力、压力、状态、响应为评价目标的模型，多用来评价生态安全等。本文参照了一些学者的“DPSR”模型，根据实际数据的可获得性，构建了以扩张为主线的“DPSR改进模型”：从“扩张的驱动力、扩张的压力、扩张的状态以及扩张的生态响应”来考虑，选取了15项指标，构建城市边界扩展的生态环境效应D-P-S-R模型，计算生态环境综合指数REI来评价城市扩展对生态环境效应的影响[13,20]。

(2) 数据无量纲化处理。由于各项数据数值相差很大，计量单位也不同，采用极差正规划法进行无纲量化处理，根据正向指标值越高越好，负向指标值越低越好的原则，分为两种计算方法：

(6)

(7)

式中：Sij为第i个对象的第j个指标的数值。

(3) 熵值法求取权重。熵值法是一种客观赋权法，其根据各项指标观测值所提供的信息的大小来确定指标权重。设有i个待评方案，j项评价指标，形成原始指标数据矩阵，对于某项指标，指标值的差距越大，则该指标在综合评价中所起的作用越大；如果某项指标的指标值全部相等，则该指标在综合评价中不起作用。首先，为了便于计算和优选分析，消除指标间由于量纲不同而带来比较上的困难，先利用标准化公式将决策矩阵转化为标准化决策矩阵Xij，然后利用i方案在j属性下的贡献度形成新的矩阵P，公式如下[21-22]：

(8)

再用Ej来表示所有方案对属性Xj的贡献总量：

(9)

式中：常数K=1/lnm，这样能保证0≤Ej≤1，即Ej

最大为1。当某个属性下各方案的贡献度趋于一致，Ej趋于1；dj为第j属性下各方案贡献度的一致性程度。dj=1-Ej，利用上面求得的Ej，可以得到dj；各属性权重为对应的dj与所有dj和的商。

指标权重公式：

(10)

最后得到评价模型以及指标权重见表2。

表2 生态综合分值REI评价模型及指标权重

2.2.3 城市边界扩展生态响应影响因素分析方法 通过SPSS 19软件采用回归分析中一次与二次曲线拟合的方法来探讨社会经驱动力、扩展压力、土地利用状态对空间扩展的生态环境响应的影响，影响因素分析模型如下[16]：

Y=a0+a1X+ε

(11)

Y=a0+a1X+a2X2+ε

(12)

式中：Y为因变量，综合生态环境效益分值；X为自变量，分别为人均国内生产总值(X1)、社会固定资产投资(X2)、第三产业占GDP比重(X3)、建设用地扩展强度(X4)、非农业人口比重(X5)、单位生产总值能源消费量(X6)、城镇化率(X7)、人均公共绿地面积(X8)、每hm2耕地化肥施用量(X9)、城市扩展人口弹性系数(X10)、城市用地紧凑度(X11)。

根据公式，利用SPSS软件分别对Y与X1—X11进行一次及二次回归曲线拟合，来分析城市空间扩展生态环境响应的影响因素。

3 结果与分析

3.1 城市边界扩张研究方法

3.1.1 重庆南岸区建成区数量变化特征分析

(1) 南岸区城市用地面积变化(表3)。1996年重庆市南岸区建成区面积为33.03 km2，此时城市建成区主要集中于西南方向，东北部峡口镇、广阳镇以及迎龙镇建成区极少；2004年建成区面积为44.24 km2，增长39.89%，大多分布于长生桥镇，峡口、广阳、迎龙镇依然较少；2009年南岸区建成区面积为79.27 km2，较2004年增加了33.06 km2，南坪镇以及长生桥镇扩张较快，共增加18.47 km2，西北部3镇也开始扩张；2016年建成区面积122.39 km2，增长54.4%。这个时间段南岸区建成区快速扩展，较2009年增长了43.12 km2，此时南坪镇建成区能增长面积已很有限，因此增长较少，南岸区扩展方向主要为东北方向的广阳镇峡口镇，扩展35.05 km2。

(2) 扩展强度和速度分析(表4)。南岸区城市扩展速度以及强度都呈现先增后降的状态。1996—2009年建成区扩展多为向外扩张，速度高、强度较大；2009—2016年，城市用地朝集约方向发展，建设用地扩展速度放慢，不同乡镇强度有增有减，较前一段时间，建成区扩展总体表现偏向于内部填充调整。其中2004—2009年扩展速度、扩展强度都为最大，是南岸的快速发展时期，强度指数达到2.52，为1996—2004年阶段的3倍。重庆直辖后，由于三峡库区的建设，重庆当下主要任务为转移安置三峡库区群众，这期间建设用地增长较为缓慢，扩展强度只有0.63；后随着三峡移民安置工作不断完成，重庆经济迅速发展，城市边界扩展明显。

表3 南岸区各乡镇1996-2016年建成区面积 km2

表4 近20 a重庆市南岸区扩展强度与扩展速度

(3) 城市扩展人口弹性系数(表5)。南岸区人口弹性系数由1996年的较低水平经历上升及下降发展到接近中国最适宜城市扩展人口弹性系数。1996—2004年人口弹性系数为0.816，低于1.12最适宜水平，此时南岸区发展较为缓慢，城市化进程不高，土地利用方式较为粗放；2004—2009年，在此阶段城市化进程较快，建设用地扩展速度迅速，经济发展也相对较快，人口弹性系数增长到1.31，土地利用程度高于最适宜状态；2009—2016年弹性系数降为1.16，更接近于1.12，表明南岸区近段时间城市化发展更加合理。

表5 南岸1996-2016年城市扩展人口弹性系数

3.1.2 重庆南岸区城市空间形态变化特征

(1) 各阶段重庆南岸区建成区空间分布。南岸建成区空间分布由最初的仅西部片区即铜锣山脉以西，发展为西部成片、铜锣一线以及中部聚集东部小分散的状态。1996年，南岸区建成区主要集中于铜锣山脉以西，南坪镇、南山街道办事处以及涂山镇，其余镇区位于铜锣山脉以东，明月山脉以西，由于地理位置特殊，建成区分布稀少；2004年，位于铜锣山脉明月山脉正中的长生桥镇出现连片建成区，峡口、广阳、迎龙镇建成区依然很少且空间分布分散；2009年南岸区铜锣山脉以西南坪镇以及涂山镇逐渐填充接近饱和，明月山脉西北部三镇也开始扩张但建成区面积仍较小，南岸区处于“西部大连片、中东部小分散”状态；到2016年南岸区铜锣山脉以西的镇区已经接近饱和状态，中部建成区为连片聚集的形态，靠近明月山脉东部的迎龙与广阳镇也出现了小范围的连片建成区，但距离饱和状态还有一段距离，今后南岸建成区向外扩展方向主要集中在铜锣山脉以东以及明月山脉以西，具体分布情况见图1。

图1 1996年、2004年、2009年、2016年4期南岸区建成区空间分布

(2) 紧凑度及分维数分析(表6)。南岸区1996—2016年城市紧凑度先下降后轻微上升再趋于水平。1996—2004年紧凑度最大，此时建成区主要集中在南坪镇以及长生桥镇，建成区集中，其他乡镇建成区少，为“大分散小聚积”状态；2004—2009年，紧凑度降到0.063，此时建成区扩张较快南岸区东北部乡镇建成区增多，比较分散，紧凑度降低；2009—2016年，发展较充分，紧凑度无太大变化。

对于分形维数，南岸区1996—2016年城市分形维数与紧凑度相反，先上升再下降后趋于平缓。1996—2004年分维数上升，此时城市以外部扩展为主；2004—2009年，此时建成区扩张较快南岸区东北部乡镇建设用地增多，比较分散，分维数也有轻微下降，城市稳定性增强；2009—2016年，南岸区发展已经较为充分，分维数也无太大变化，南岸西南方向多为内部填充发展，东北方向向外扩展为主，内部填充为辅，发展较为稳定。

3.2 南岸区城市边界扩展生态环境效益评价结果分析

利用加权求和分别计算经济社会驱动力D、扩展压力P、土地利用状态S、生态环境响应R以及城市用地扩张的生态环境效应综合指数REI(表7)。

表6 南岸区紧凑度及分维数

表7 南岸区城市边界扩展生态环境效益评价系统得分

2000—2016年重庆南岸区生态环境效应综合指数呈逐步上升的趋势，各系统中生态环境响应得分逐步上升、经济社会驱动力有所下降、扩展压力以及土地利用状态总体为上升。2000—2004年REI上升较缓慢增长近0.1，达到0.454，这期间经济社会驱动力下降近0.1，但压力上升0.33，提高了2004年的综合生态分值；2004—2009年综合指数上升趋势加大，除压力较2004年有轻微下降外，驱动力、状态、响应均上升0.15以上，尤其生态响应系统上升力度最大为0.23，南岸区改善了2004年快速扩展的势头，同时注重生态环境的保护与改善，2009年环保投资占GDP比例为近年来最高，政府开始重视发展与生态环境的可持续性发展有了较大的成果；2009—2016年综合生态环境效益分值比较稳定，仅增长0.006，这期间驱动力、扩展压力、土地利用状态系统分值均下降，2016年城市扩展部分乡镇已经达到饱和状态，为内部填充扩张，加大了建成区的密度造成土地利用状态分值下降，但生态环境响应分值继续保持较高的上升趋势，增长0.32，南岸区对生态环境的重视很大程度上改善了生存环境，如对南山生态带的建设与保护，对生态保护红线划定的重视，以及南岸区“生态屏障区生态林低效林”改造以及对生态环境损害赔偿制度的试行等，环境污染也得到了很大的改善，SO2年平均浓度从最开始的0.156 mg/m3降到0.015 mg/m3，但工业固废处置等还有待提高；总体来说，经济社会驱动力处于下降趋势，扩展压力先上升后下降总体为上升，土地利用状态分值先上升后下降总体有所改善，生态响应系统分值一直处于上升趋势，且上升力度逐年加大，南岸区生态环境效应综合指数呈逐步上升，在0.6左右稳定。

3.3 南岸区城市边界扩展生态环境效益影响因素分析

根据公式、利用SPSS软件分别对Y与X1—X11进行一次及二次回归曲线拟合，来分析城市空间扩展生态环境响应的影响因素，分析结果见表8。

表8 南岸区城市扩展的生态环境响应影响因素分析

注：*表示10%水平下显著，**表示5%水平下显著，***表示1%水平下显著。

一次二次回归分析结果表示，R2衡量了回归方程整体的拟合度，越接近1说明回归直线对观测值的拟合程度越好，反之越差。回归结果中大多R2都处于大于0.9的水平，表明各项指标与生态环境效应指数拟合程度都较高。且人均国内生产总值、非农业人口比重这两项指标为在1%水平下显著；社会固定资产投资、建设用地扩展强度、城镇化率、每hm2耕地化肥施用量、城市用地紧凑度为5%水平下显著，人均公共绿地面积、第三产业占GDP比重以及城市扩展人口弹性系数在10%水平下也有较为显著的回归关系。

(1) 非农业人口比重增长、经济发展是影响生态环境指数的重要因素。非农业人口比重与生态环境效应指数之间表现出显著回归关系，随着比重的上升，环境指数有先上升再下降的趋势，非农业人口增长使城市建设用地的需求量变大，进而改变土地使用类型以及规模，随之影响土地利用状态以及生态环境；经济发展是一个地区的命脉，随着人均国内生产总值不断增大，生态环境指数也呈现先升后减的趋势，经济的正常增长是生态环境维持良好的保障，人均国内生产总值拟合曲线与非农业人口比重拟合曲线相似，理论上社会经济发展与生态环境变化之间存在倒U型曲线关系[16-17]，在重庆刚直辖时，经济增长缓慢对生态环境并无太大改善作用，后随着社会经济的发展，逐渐改善了噪音、大气污染等状况，提高了生态环境效应指数，注重经济生态的平衡，促进可持续发展。

(2) 建设用地扩展等指标对生态环境有负面影响。建设用地扩展强度、城镇化率以及城市用地紧凑度对生态环境指数也有显著影响，随着人口增长、城市化快速推进带来了建成区规模的快速扩展，是影响土地利用变化、生态环境的重要因素，南岸区建成区面积从1996年33.03 km2增长到122.39 km2，扩展强度也从0.63增长到2.35，2000年前后居民生活水平、城镇化水平还处于较低的阶段，对资源的消耗也不大，但利用效率不高浪费较大，总体来说对环境破坏力度较小，但2000年生态环境指数只有0.359，处于较差的水平，说明当时南岸区的发展已经对生态造成了严重的影响；城市化进程的推进，经济技术的发展，对生态环境的修复改善作用大于对生态的利用破坏程度，2009年之后，随着经济发展、建成区扩展加快，生态环境指数改善的势头逐渐变缓，负面作用开始明显，对资源的消耗、耕地林地面积的压缩等都会使生态环境负向演化，且南岸区部分乡镇仍然处于建成区快速扩张的状态，意味着耕地、林地等农用地还会继续减少，生存环境会有继续下降风险。

4 结论与建议

(1) 重庆市南岸区在研究期间内，城市边界扩展明显，建成区规模逐年增长，由西部单中心连片发展成为西部成片、铜锣一线以及东部小分散的状态。1996—2016年南岸区建成区面积增长3.7倍，尤其是在2004年之后政府工作重心由三峡库区移民转移到社会经济发展，南岸区建成区规模开始成倍增长。空间分布上，1996年南岸区处于“西多东少、西部集中东部零星”的状态，由于山脉的限制，建成区主要集中在铜锣山山脉以西，到2016年，发展成为中西部两中心集中分布、东部零星小面积分布。

(2) 扩张速度强度以及城市形态方面，南岸区中部以及西部地区扩张速度以及强度最大，西部后期以内部填充为主，中部地区向外扩展趋势大。研究期内，中部以及西部增长速度最快，中部扩展强度最大；南岸区紧凑度为凹曲线，分形维数为凸曲线，都趋于稳定，近20 a城市发展主要以向外扩展为主，城市形态处于较稳定的状态；城市边界扩展人口弹性系数逐步趋于合理，城市扩展速度与人口发展相适应。但扩展速度仍然较快，合理规划好城市发展，控制建成区扩展势头。

(3) 南岸区综合生态环境效益处于中等水平，总体为上升趋势但强度逐渐降低。南岸建成区不断扩张，影响土地利用状态进而对生态环境产生负面作用，但经过经济社会驱动力、土地利用状态等系统效益叠加，环境综合指数呈现不断增加的趋势。在未来发展中加强生态文明建设力度、控制建设用地扩展速度、增加环保设施投入等，合理规划城市发展兼顾生态系统，实现“城市—生态”和谐稳定发展。

(4) 社会经济发展以及建成区扩展各指标对生态环境效应指数有明显的影响作用。非农业人口比重增长、建设用地扩展强度、城镇化率以及城市用地紧凑度对生态环境指数有显著影响，经济发展是一个地区的命脉也是生态环境保护改善的保障，但建成区的扩展对生态环境有负面影响作用，在扩大城镇规模的同时保护好生态环境，重点把握影响显著的一些指标，切实保护生态环境，坚持绿色发展、协调发展、共同发展。