重庆市地处中国西南、长江上游地区,位于105°11'—110°11'E,28°10'—32°13'N,属亚热带季风湿润性气候,气候温和,降水丰富,位于“一带一路”和长江经济带的重要联结点^[22]。重庆市生态保护红线面积为20 446.69 km²,占重庆市行政区总面积的24.81%; 自然保护地由国家级自然保护地和市级自然保护地组成,包括自然保护区、风景名胜区、森林公园、湿地公园、地质公园、生态公园等,面积11 526.8 km²,占重庆市行政区总面积的13.99%。两类区域叠合形成重庆市重要生态空间,总面积为23 765.80 km²,占重庆市行政区总面积的28.84%。重要生态空间在重庆市38个区(自治县)、万盛经开区均有一定分布(图1)。

本研究基于Landsat卫星搭载的TM传感器和OLI_TIRS传感器获取2002年、2006年、2010年、2014年、2018年的重庆市遥感影像,覆盖整个重庆市需要8景影像,5 a共需40景影像。由于卫星所采集到的影像数据会受到诸如气候、地貌、太阳高度角以及传感器内部结构等的影响而引起遥感影像失真,因此影像数据在使用前须进行预处理^[23]。预处理过程主要通过ArcMap 10.3,ERDAS 9.1和ENVI 5.3软件进行,主要预处理过程包括对影像进行波段合成、辐射定标、大气校正、影像裁剪等处理。

图1 重庆市重要生态空间分布

重庆市重要生态空间以2018年7月发布的《重庆市人民政府关于发布重庆市生态保护红线的通知》(渝府发[2018]25号)和重庆市认定的各类自然保护地作为矢量范围,采用30 m×30 m的栅格作为评价单元,通过计算和评价重要生态空间相关指标及生境质量,进而得到重庆市重要生态空间现状。

归一化植被指数能够反映区域覆被情况,一般来说,在不受其他因子影响的情况下,归一化植被指数高的区域,其生态环境质量较好,反之,生态环境质量较差^[24-25]。运用Landsat影像的归一化植被指数反映植被覆盖度,计算公式为:

NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED) (1)

式中:对于Landsat 4～5卫星,NIR为第4波段,Red为第3波段; 对于Landsat 8卫星,NIR为第5波段,Red为第4波段。NDVI范围介于[-1,1],其中NDVI≤0时,通常表示地表由水、雪、岩石和裸地等非植被覆盖,NDVI为>0时,通常表示地表有一定数量的植被覆盖。

归一化建筑指数是用于反映区域内建设用地信息的指标,其可以准确地反映建筑用地信息,建筑指数低的区域,其生态环境质量较好,反之建筑用地比例越高,建筑密度越高,生态环境质量越差^[26-27]。计算公式为:

NDBI=(MIR-NIR)/(MIR+NIR) (2)

式中:NIR为近红外波段的反射率; MIR为中红外波段的反射率。NDBI值范围分布在[-1,1],高值区反映的是建筑物和硬化路面,建筑密度高,中低值区一般表示为林地,水域和耕地表现为低建筑指数。

图斑破碎度指数可用于反映区域内斑块的破碎化程度,其数值的高低对重要生态空间质量有较为明显的影响。当重要生态空间斑块破碎度指数越大时,表示该区域的图斑越呈长条状,生态质量较差,当破碎度指数越小时,表示该区域的图斑较大块,生态质量较好。计算公式为^[28]:

FI=C/S (3)

式中:C为图斑的周长; S为图斑面积。

对归一化植被指数、归一化建筑指数和图斑破碎度进行标准化,使其取值范围处于[0,100]。具体方法如下:

NDVI_分数=((NDVI_像元值+1)/2)×100×(100)/(NDVI_{像元最大值}) (4)

式中:NDVI_分数为对植被覆盖度的评分,植被覆盖度越高得分越高; NDVI_像元值为栅格的植被覆盖度原始值。

NDBI_分数=((NDBI_像元值+1)/2)×100×(100)/(NDBI_{像元最大值}) (5)

式中:先对建筑指数正向化,NDBI_分数为对归一化建筑指数的评分; NDBI_像元值为栅格的归一化建筑指数原始值。

FI_分数=[FI_像元值×(-1)+10]×(100)/(FI_{破碎度最大值}) (6)

式中:首先对破碎度值进行正向化; FI_分数为对图斑破碎度的评分; FI_破碎度值为重要生态空间每个图斑的破碎度值。

通过对植被覆盖度、归一化建筑指数和图斑破碎度的评分,认定3个指标值对重要生态空间生境质量同样重要,分别对其赋予相同的权重(表1)。

表1 重要生态空间生境质量指标权重

EI_分数=(NDVI_分数×W_i)+(NDBI_分数×W_i)+(FI_分数×W_i) (7)

式中:EI_分数为区县最终生境质量评价分数; NDVI_分数为归一化植被指数分数; NDBI_分数为归一化建筑指数分数; FI_分数为图斑破碎度分数; W_i为指标权重,W_i=0.333。

根据生境质量模型计算出的分数运用自然断点法进行等级划分,总共将其划分为4个等级,见表2。

表2 重要生态空间生境质量等级划分

重庆市重要生态空间归一化植被指数呈现“升—降—升”的变化趋势,2018年NDVI较2002年提高了5.04%,增幅较大,这与叶勤玉^[29]、张兰^[30]等分别对重庆市三峡库区植被覆盖的研究结论较为一致。2010年研究区全域NDVI的下降可能由于2009年秋季至2012年春季西南地区连续干旱抑制了植被生长^[31]。2010年后因重庆市实行的“退耕还林”和各项环境工程的逐渐显现,加之重庆市重要生态空间大多位于海拔较高、地形起伏大的区域,受自然地形条件制约的影响,此类区域受人类影响程度低,林、草地等植被覆盖区生态结构稳定,因此重庆市重要生态空间植被覆盖度均值逐渐得到改善。从5期的时空变化角度而言,重庆市主城区生态空间的植被覆盖度变化最大,这与区域人类活动及相关建设活动频繁有关,因此主城区附近生态空间的生态质量出现波动变化。渝东南地区是重庆典型喀斯特地貌,生态环境虽然较脆弱,但原生生态保持较好,生态空间内部植被生态稳定。渝东北区丘陵多山,原生生态环境同样良好,生态空间分布密集,分布面积广,具有较强的抗干扰能力。

重庆市重要生态空间归一化建筑指数2018年NDBI数值较2002年降低了52.67%,呈现“降—升—降”的变化趋势,高值区主要存在于重庆市主城区范围附近,这主要是由于主城区经济发展迅速,以各行政区建成区中心向外扩展,建设用地面积急剧增加^[32],会不可避免地影响到周边的重要生态空间。2011年后国家水利局、林业局、环保局划定了各自职能范围内的红线,将资源的利用置于在可控的范围内,2013年党的十八届三中全会正式提出“划定生态保护红线,改善环境质量”的要求,2014年研究区生态空间建筑指数出现大幅降低,重庆市在2016年11月正式印发了《生态保护红线划定方案》,重要生态空间归一化建筑指数进一步降低。

破碎度与地块完整性相关联,通常比较完整的大规模生态空间地块更能发挥其重要生态功能。大足区、合川区、梁平区、渝北区生态空间地块破碎,完整性低,生态功能发挥效果较差。城口县、綦江区、潼南区、巫山县、秀山县、渝中区破碎度较低,生态功能发挥效果较好。这说明重庆市各区县的图斑破碎度具有明显的区域异质性,因此区域在调整或新增生态红线时,需考虑斑块的完整性,从而降低图斑破碎度,提升生态功能发挥效果。

研究年限间重要生态空间生境质量评分虽在波动变化,但全市生境质量呈现波动上升趋势。根据重要生态空间质量的变化情况来看,发现其存在较为明显的规律性:城口县、巫山县、秀山县、南川区、綦江区、黔江6个区县的生境质量研究年限内一直处于生境质量Ⅰ级,而渝北区、大足区、梁平区、合川区4个区县的生境质量一直处于生境质量Ⅳ级,剩余Ⅱ级和Ⅲ级的各区县则反复出现上升或下降的情况,这可能与该区域持续波动的生态空间稳定性有关,说明这些区域内部的生境质量仍存在一定的退化可能。而从重要生态空间生境质量不同级别的空间分布来看,其也具有一定的规律性:在主城区和渝西区域的各区县中,每个年份均至少存在3个Ⅳ级生境质量区,这说明重庆市主城区的快速发展影响到了周边区县生境质量,导致部分区县出现生境质量退化甚至恶化的情况,渝东北和渝东南区域生境质量变化则较为稳定。因此,亟需采取相关措施以控制和提升主城区周边范围的重要生态空间生态环境质量。

目前重庆市生态空间分布存在一定的失衡,区县间生态空间数量差异较大。因此,为了更好地协调部分区县因为保护生态空间而制约经济发展的情况,可按照 “谁开发、谁保护,谁破坏、谁恢复,谁受益、谁补偿,谁污染、谁付费”的原则建立生态补偿机制,保障因保护生态空间而受到经济发展限制的区县能够进一步发展。同时,建立起一套政策、法律法规、公众参与、技术支撑全方位生态空间监控体系,形成 “市县镇三级联动”,清晰定位各级组织的职能分工,科学制定业务发展考核方式,合理调整工作模式,实行生态空间管理流程的优化重组。充分发挥“天—空—地”一体化技术优势,对生态空间进行时间和空间上全方位、多层次监控,切实掌握对生态空间管控策略落实情况,及时发现问题,解决问题。

本研究通过选取归一化植被指数模型、归一化建筑指数模型、图斑破碎度模型以及生境质量评价模型,对重庆市重要生态空间植被覆盖、建筑指数、图斑破碎度进行分析,在此基础上再通过生境质量评价模型进行评分定级,以总结重庆市重要生态空间的空间分布特征和变化规律,并提出了重庆市重要生态空间生态保护建设与环境管理对策。由于可利用的数据和技术限制,本文选用了3种指标对研究区生境质量进行评价,存在一定的不全面性。因此在后续研究中,可根据不同的实地情况适当增选影响因子(如生态系统服务功能和自然生态指标),在更长的时间尺度上综合评价生态空间质量,从而实现对生态空间的精准把控和预测,为重庆及其他城市重要生态空间生态保护提供决策支持。