基于生境質(zhì)量的綠洲城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展模擬研究
——以黑河中游地區(qū)為例

李騫國(guó),王錄倉(cāng),嚴(yán)翠霞,劉海洋

西北師范大學(xué),地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

改革開放以來,快速城鎮(zhèn)化已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要特征。城鎮(zhèn)化水平由1978年17.9%提高到2015年的56.1%,預(yù)測(cè)至2030年,中國(guó)的城鎮(zhèn)化水平將達(dá)到70%[1]。城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展是城鎮(zhèn)化作用于地理空間的直接表現(xiàn)形式,其引起的城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)及土地利用變化是土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change, LUCC)的重要研究?jī)?nèi)容[2]。然而,伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn),城鎮(zhèn)用地面積大幅增加,導(dǎo)致城鎮(zhèn)周邊大量具有重要生態(tài)功能用地(如耕地、林地等)被侵占[3],由此帶來生境退化、濕地減少、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失、生物多樣性降低等一系列生態(tài)環(huán)境安全問題[4- 5],已經(jīng)嚴(yán)重影響到人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此,如何實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化和區(qū)域生態(tài)安全的“雙贏”？一直以來是地理學(xué)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)提供給個(gè)體或種群持續(xù)發(fā)展生存條件的能力,被視為區(qū)域生物多樣性和生態(tài)服務(wù)水平的重要表征[6]。城鎮(zhèn)化過程形成的土地利用劇烈變化,通過改變生境結(jié)構(gòu)與組成要素,使生境的生產(chǎn)能力和服務(wù)功能逐漸下降,進(jìn)而影響區(qū)域氣候、植被和生物棲息地等生態(tài)環(huán)境[7]。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞城鎮(zhèn)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系,主要開展了以下幾個(gè)方面研究：(1)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展對(duì)某種生態(tài)環(huán)境要素的影響研究,包括對(duì)氣候[8]、水文[9]、土壤性質(zhì)的影響[10]等。(2)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)研究,如對(duì)自然生境的作用[11]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化[12- 13]、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)[14]等。(3)通過對(duì)影響生態(tài)敏感性、生態(tài)適宜性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性等因子進(jìn)行評(píng)價(jià)[15- 16],構(gòu)建生態(tài)安全格局,來倒逼城鎮(zhèn)空間增長(zhǎng)界限,優(yōu)化城鎮(zhèn)空間布局[17]。(4)采用城市演化動(dòng)態(tài)模型對(duì)城鎮(zhèn)土地利用變化過程進(jìn)行模擬,預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展過程中的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[18- 19]?？傮w來看,已有研究對(duì)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展與生態(tài)環(huán)境影響的單向評(píng)價(jià)較多,而將城鎮(zhèn)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)有機(jī)結(jié)合起來,對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量約束下的城鎮(zhèn)自組織增長(zhǎng)規(guī)律研究較少,缺乏將生境質(zhì)量融入到城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展中的前置性應(yīng)用研究。

黑河流域是我國(guó)西北干旱區(qū)典型的內(nèi)陸河流域,地處河西走廊中部,即是國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略布局的重要節(jié)點(diǎn),也是甘肅省祁連山內(nèi)陸河生態(tài)安全屏障的關(guān)鍵區(qū)域。黑河中游地區(qū)是全流域綠洲分布最為集中、開發(fā)條件較好的區(qū)域。隨著水土資源利用和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn),不斷加劇的人類活動(dòng)導(dǎo)致流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)退化[20]。如何在推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,確保綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域面臨的重大問題。本文以黑河中游地區(qū)為研究區(qū),以該地區(qū)綠洲城鎮(zhèn)為研究對(duì)象。在對(duì)研究區(qū)生境質(zhì)量及其退化狀況進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上,將其評(píng)估結(jié)果融入到城鎮(zhèn)擴(kuò)展模型中,來模擬適宜生境閾值下的城鎮(zhèn)規(guī)模,并從城鎮(zhèn)擴(kuò)展占用地類和景觀格局指數(shù)兩方面深入探討有(無)生境質(zhì)量約束下的城鎮(zhèn)擴(kuò)展差異性,進(jìn)而揭示不同等級(jí)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的基本規(guī)律和格局特征,為綠洲城鎮(zhèn)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黑河中游是指從鶯落峽至正義峽之間的河段,長(zhǎng)約185 km,地理位置介于98°57′—100°52′E和38°39′—39°59′N,南臨祁連山,北依合黎山。行政邊界包括甘州區(qū)、臨澤縣和高臺(tái)縣,總面積為10737.71 km2。黑河貫穿全境,蘭新鐵路、G30連霍高速、G312等主要交通干線經(jīng)過。屬溫帶大陸性干旱氣候,年降雨量為50—250 mm,年蒸發(fā)量為2000—3500 mm。土壤類型以灰棕漠土和灰漠土為主,植被為小灌木、半灌木等荒漠植被。地勢(shì)南高北低,東高西低,自南向北分為山前洪積扇區(qū)、綠洲平原區(qū)和戈壁荒漠區(qū)。該地區(qū)現(xiàn)有36個(gè)城鎮(zhèn)(圖1),主要分布在黑河沿岸和綠洲核心區(qū),且沿黑河干流和交通道路呈串珠狀展布,表現(xiàn)出典型的“親水性”和“親路性”特征。1992—2015年城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積從22.33 km2增加至82.53 km2,年均增長(zhǎng)率為5.85%。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于1992年和2000年Landsat5 TM、2008年Landsat7 ETM+、2015年Landsat8 OLI影像(行帶號(hào)33/133、33/134)、ASTER GDEM(30 m分辨率),下載自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)。應(yīng)用ENVI 4.7和ArcGIS 10.2軟件對(duì)影像進(jìn)行幾何校正、波段融合、圖像增強(qiáng)、拼接等處理。解譯時(shí)以研究區(qū)2015年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),首先對(duì)2015年遙感影像進(jìn)行人工目視解譯,再參照2015年解譯結(jié)果對(duì)1992年、2000年和2008年遙感影像進(jìn)行解譯,統(tǒng)一采用WGS_1984坐標(biāo)系,最后通過野外抽樣驗(yàn)證和谷歌地球高清影像驗(yàn)證,四期分類數(shù)據(jù)判讀精度高于92%。根據(jù)研究需要,參考土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010—2007)及研究區(qū)土地利用特點(diǎn),建立二級(jí)土地利用類型分類體系(表1)。

2 研究方法

2.1 生境質(zhì)量評(píng)估模型

InVEST模型的生境質(zhì)量模塊(Habitat Quality)常被用于區(qū)域生境質(zhì)量的定量評(píng)估[21- 22]。該模型將土地利用/覆被類型與威脅源建立聯(lián)系,通過對(duì)各威脅因子的敏感性和外界威脅強(qiáng)度來模擬評(píng)估生境質(zhì)量。其建模思路是基于人類活動(dòng)影響因子進(jìn)行評(píng)價(jià),通過生境適應(yīng)度、生境對(duì)各威脅因子的敏感性、威脅因子的影響距離和權(quán)重、土地受法律保護(hù)的程度四個(gè)因素來計(jì)算生境退化度和生境質(zhì)量。首先計(jì)算生境退化度：

表1 土地利用分類體系

(1)

(2)

(3)

式中,Dxj為土地利用/覆被類型j中x柵格的生境退化度；R為威脅源個(gè)數(shù)；wr為威脅源r的權(quán)重；Yr為威脅源的柵格數(shù)；ry為柵格y的脅迫值；irxy為柵格y的脅迫值ry對(duì)柵格x的脅迫水平；βx為威脅源對(duì)柵格x的可達(dá)性(受法律保護(hù)的區(qū)域?yàn)?,其余區(qū)域?yàn)?)；Sjr為土地利用/覆被類型j對(duì)威脅源r的敏感度；dxy為柵格x與柵格y的直線距離；drmax為威脅源r的最大脅迫距離。

在此基礎(chǔ)上計(jì)算生境質(zhì)量,其計(jì)算公式為：

(4)

式中,Qxj為土地利用/覆被類型j中x柵格的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為土地利用/覆被類型j的生境適宜度,值域?yàn)閇0,1]；Dxj為土地利用/覆被類型j中x柵格的生境退化度；k為半飽和常數(shù),取Dxj最大值的一半；z為歸一化常量,通常設(shè)為2.5。

本文以2015年土地利用/覆被數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),假定土地的法律保護(hù)處于有效狀態(tài),將耕地、林地、草地和水域等作為生境,選取人類活動(dòng)較強(qiáng)的城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、交通用地和耕地作為生境威脅源。參考模型說明[23]和研究區(qū)實(shí)際情況,對(duì)威脅源的最大影響距離及權(quán)重、不同類型生境的適宜度及各生境對(duì)威脅因子的敏感性進(jìn)行設(shè)置(表2、表3)。

2.2 城鎮(zhèn)擴(kuò)展模擬模型

SLEUTH模型能從中觀到宏觀尺度上模擬城市增長(zhǎng),且可以考慮政策規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)等不同城市發(fā)展理念,具有較強(qiáng)的普適性和兼容性,在國(guó)內(nèi)外一些城市廣泛應(yīng)用[24- 26]。該模型假設(shè)歷史增長(zhǎng)趨勢(shì)是持續(xù)的,未來的現(xiàn)象可以由過去真實(shí)演變數(shù)據(jù)模擬得到,通過對(duì)歷史時(shí)期城市范圍數(shù)據(jù)反復(fù)訓(xùn)練得到的五個(gè)系數(shù)(散布系數(shù)、繁殖系數(shù)、擴(kuò)展系數(shù)、坡度系數(shù)、道路引力系數(shù))模擬城市的4 種增長(zhǎng)方式(自發(fā)增長(zhǎng)、新擴(kuò)展中心增長(zhǎng)、邊緣增長(zhǎng)與道路引力增長(zhǎng))。模型的運(yùn)行分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、校準(zhǔn)階段、預(yù)測(cè)階段。

表2 威脅源及其最大威脅距離、權(quán)重及衰減類型

表3 生境適宜度及其對(duì)不同威脅源的相對(duì)敏感程度

模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段要求至少一個(gè)坡度層(slope)、兩個(gè)土地利用層(landuse)、一個(gè)排除層(exclude)、四個(gè)城市范圍層(urban)、兩個(gè)交通道路層(transport)和一個(gè)山體陰影層(hillshade)。坡度層和陰影層通過對(duì)研究區(qū)DEM邊界裁剪后,在ArcGIS 10.2中經(jīng)空間分析后所得；土地利用層采用1992年和2015土地利用現(xiàn)狀；從1992、2000、2008、2015年土地利用中提取城鎮(zhèn)建設(shè)用地作為城鎮(zhèn)范圍層；根據(jù)遙感影像和張掖市綜合交通現(xiàn)狀圖,經(jīng)幾何校正后數(shù)字化,提取高速公路、鐵路、國(guó)省道、縣鄉(xiāng)道路以及城鎮(zhèn)主干道、次干道形成1992、2015年交通道路層；將保護(hù)區(qū)和河流、水庫(kù)等禁止城市化區(qū)域作為排除層。所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為模型需要的GIF格式柵格數(shù)據(jù),柵格大小30 m×30 m,且保持相同的空間范圍和統(tǒng)一的投影坐標(biāo)系(圖2)。

圖2 SLEUTH模型需要的輸入圖層數(shù)據(jù)Fig.2 Input layer data used for the SLEUTH model

模型校準(zhǔn)階段是模擬歷史年份城市增長(zhǎng)過程,得到一套反映城市演變規(guī)律的最優(yōu)參數(shù)。模型采用蒙特卡洛迭代方法,分粗校準(zhǔn)、精校準(zhǔn)、終校準(zhǔn)和預(yù)測(cè)參數(shù)獲取四個(gè)階段進(jìn)行。在校準(zhǔn)的每個(gè)階段,通過計(jì)算Lee-Salee指數(shù)或OSM指數(shù)對(duì)系數(shù)組合進(jìn)行排序,逐步縮小5個(gè)增長(zhǎng)系數(shù)的取值范圍。最后取步長(zhǎng)為1,進(jìn)行 100次蒙特卡羅迭代,得到研究區(qū)最佳增長(zhǎng)系數(shù)組合,模型校準(zhǔn)的具體參數(shù)設(shè)置見表4。本文通過加載土地利用層同時(shí)校準(zhǔn)UGM模型和LCD模型,將1992年數(shù)據(jù)圖層作為模型校準(zhǔn)的初始圖層,以2000、2008、2015年3個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)圖層作為校準(zhǔn)圖層,導(dǎo)入模型進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn),并選用OSM指數(shù)[23]作為參數(shù)區(qū)間縮小的主要依據(jù),經(jīng)過四個(gè)階段校準(zhǔn)后,最終得到5個(gè)最佳系數(shù)值(表4)。利用最佳系數(shù)初始化模型的預(yù)測(cè)模塊,反演研究區(qū)1992—2015年城鎮(zhèn)土地利用變化過程,運(yùn)用ROC曲線對(duì)2015年模擬圖與實(shí)際圖的一致性進(jìn)行精度驗(yàn)證。ROC曲線根據(jù)其下方面積(Area Under Curve,AUC)來判斷各用地類型的擬合度,AUC的取值范圍在0.5—1之間,值大于0.7時(shí),模型擬合效果較好[27]。

表4 SLEUTH模型校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置表

模型預(yù)測(cè)階段通過修改增長(zhǎng)系數(shù)、調(diào)整排除圖層來設(shè)置不同情景方案,模擬未來城鎮(zhèn)土地利用變化。為探究生境質(zhì)量對(duì)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的影響,通過修改排除層分別設(shè)置有(無)生境質(zhì)量約束兩種情景(圖2),來模擬2015—2030年城鎮(zhèn)擴(kuò)展的土地利用變化格局。排除層取值在0—100之間,值越大,城市化概率越小。在不考慮城鎮(zhèn)擴(kuò)展中的生境質(zhì)量約束情景下(情景一),僅將河流、水庫(kù)、黑河濕地保護(hù)區(qū)和東大山自然保護(hù)區(qū)等禁止建設(shè)區(qū)域值設(shè)為100形成排除層；在考慮城鎮(zhèn)擴(kuò)展中的生境質(zhì)量約束情景下(情景二),借助ArcGIS 10.2空間分析的柵格計(jì)算器工具,將InVEST模型輸出的生境質(zhì)量圖中各地塊單元生境值(0—1)轉(zhuǎn)化為0—100之間,并疊加黑河濕地保護(hù)區(qū)和東大山自然保護(hù)區(qū)(值設(shè)為100)形成排除層,重疊區(qū)域取像元最大值。

2.3 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)通過高度濃縮景觀格局信息,來定量描述斑塊、斑塊類別間以及整個(gè)景觀的空間特征和異質(zhì)性[28]。研究以體現(xiàn)景觀空間的破碎度、連接性與復(fù)雜性為依據(jù)來選擇景觀格局指數(shù),從景觀類型和景觀水平兩方面對(duì)比分析有(無)生境質(zhì)量約束情景下城鎮(zhèn)擴(kuò)展特征。選擇的景觀格局指數(shù)有斑塊數(shù)目、斑塊密度、平均斑塊面積、面積加權(quán)平均分維數(shù)、平均鄰近指數(shù)、聚集度。具體計(jì)算由Fragstats4.2軟件完成。各指數(shù)含義如表5所示。

表5 景觀格局指數(shù)及其含義

NP:斑塊數(shù)目Number of Patches;ED:邊界密度Edge Density;MPI:平均鄰近度Mean Proximity Index;AI:聚集度指數(shù)Aggregation Index;AREA_MN:平均斑塊面積Mean of Patch Area;FRAC_AM:面積加權(quán)平均分維數(shù)Area-Weighted Patch Fractal Dimension

3 結(jié)果分析

3.1 生境質(zhì)量整體較低,質(zhì)量階序和退化程度分異明顯

運(yùn)行InVEST模型,輸出黑河中游地區(qū)2015年生境質(zhì)量和生境退化度圖(圖3),通過計(jì)算,平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.32,整體生境質(zhì)量值較低。為便于比較生境質(zhì)量空間分布狀況,采用ArcGIS 10.2軟件的自然斷裂法將研究區(qū)生境質(zhì)量劃分為高[0.8—1.0]、中[0.4—0.8)、低[0—0.4)3個(gè)等級(jí)。發(fā)現(xiàn)綠洲平原區(qū)和山前洪積扇生境質(zhì)量存在明顯的空間分異,且生境退化程度由綠洲邊緣區(qū)向核心區(qū)遞增。高等級(jí)生境質(zhì)量集中分布在黑河干流沿線和植被較好的區(qū)域,以水域和林地、草地為主,僅占總面積的5.69%,但出現(xiàn)了一定程度的退化；而在綠洲核心區(qū),受長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)活動(dòng)和城鎮(zhèn)村建設(shè)等威脅源干擾,生境出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的退化,尤其是在綠洲腹地的耕作區(qū)和城鎮(zhèn)周邊,生境質(zhì)量值為中等,占總面積的32.77%；低等級(jí)生境質(zhì)量區(qū)域主要分布在城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)和綠洲外圍的戈壁荒漠區(qū),占總面積的61.54%,以裸地、荒草地和沙地為主,其退化程度低。由此可見,研究區(qū)生境質(zhì)量和退化程度在空間上不匹配,城鎮(zhèn)發(fā)育區(qū)域生境質(zhì)量較好,但退化程度也高,城鎮(zhèn)發(fā)展對(duì)生境產(chǎn)生了較強(qiáng)的脅迫性。因此,為了保證綠洲區(qū)域生境質(zhì)量狀況,必須扼制城鎮(zhèn)建設(shè)用地的無序蔓延。

圖3 研究區(qū)生境質(zhì)量和退化度空間分布Fig.3 Spatial distribution of habitat quality and habitat degradation in the study area

3.2 有(無)生境質(zhì)量約束情景下,城鎮(zhèn)擴(kuò)展差異很大

3.2.1SLEUTH模型校準(zhǔn)結(jié)果與精度驗(yàn)證

由表4可見,模型校準(zhǔn)最終得到的5個(gè)最佳系數(shù)值中,擴(kuò)展系數(shù)(81)和道路引力系數(shù)(75)較大,說明城鎮(zhèn)主要以邊緣擴(kuò)展和道路引力擴(kuò)展為主,受已有城鎮(zhèn)斑塊及交通牽引帶動(dòng)作用較強(qiáng)；坡度系數(shù)僅為5,說明城鎮(zhèn)擴(kuò)展較少受地形、坡度因素的制約,這與多數(shù)城鎮(zhèn)位于綠洲平原區(qū)有關(guān)；散步系數(shù)控制著城鎮(zhèn)的自發(fā)增長(zhǎng)程度,其值為55,表明出現(xiàn)新的城鎮(zhèn)斑塊的隨機(jī)性較大；繁殖系數(shù)為47,說明自發(fā)增長(zhǎng)形成的城鎮(zhèn)斑塊有可能成為新的城鎮(zhèn)增長(zhǎng)中心。使用ROC曲線對(duì)2015年土地利用模擬圖與現(xiàn)狀圖進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示,不同土地利用類型的AUC值中,林地(0.88)>未利用地(0.86)>城鎮(zhèn)建設(shè)用地(0.83)>水域(0.80)>耕地(0.80)>其他建設(shè)用地(0.75)>草地(0.74),除其他建設(shè)用地和草地的AUC值較低外,其他用地類型均達(dá)到0.8以上,說明該模型能較好地用于模擬研究區(qū)城鎮(zhèn)土地利用變化過程。

3.2.2城鎮(zhèn)擴(kuò)展占用地類差異

以2015年土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ),輸入各數(shù)據(jù)圖層及最佳增長(zhǎng)系數(shù),調(diào)用SLEUTH 模型預(yù)測(cè)模塊,得到2030年城鎮(zhèn)擴(kuò)展的土地利用變化模擬圖(圖4),可見,有生境質(zhì)量約束情景下,城鎮(zhèn)擴(kuò)展規(guī)模較小,空間形態(tài)較為緊湊,有效地抑制了城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)兩種情景下城鎮(zhèn)擴(kuò)展占用地類情況(表6),發(fā)現(xiàn)無生境質(zhì)量約束情景下,城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積為181.82 km2,年均增長(zhǎng)率為5.41%,與歷史時(shí)期基本持平,其中占用耕地、林地、草地和水域面積分別為47.53 km2、3.62 km2、2.64 km2和1.83 km2,使具有生態(tài)功能的用地被較多侵占；有生境質(zhì)量約束情景下,城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積為132.58 km2,年均增長(zhǎng)率為3.21%,較歷史時(shí)期降低了2.64%,相比較無生境質(zhì)量約束情景,占用了較少的生態(tài)用地,分別減少了61.58%、68.89%、95.83%和57.38%。由此可見,生境質(zhì)量約束情景下,能夠有效地控制城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的數(shù)量與速度,避免了對(duì)綠洲生態(tài)用地的大量占用,有利于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

圖4 2030年不同情景下城鎮(zhèn)土地利用變化模擬圖Fig.4 Simulation map of urban land use change under different scenarios in 2030

表6 2030年不同情景下城鎮(zhèn)擴(kuò)展占用地類面積/km2

Table 6 Area of different kinds of land occupied by urban expansion under different scenarios in 2030

土地利用類型Land use type耕地 Cultivated land林地Wood land草地Grass land水域Water area建設(shè)用地Construction land未利用地Unutilized land總計(jì)Total無生境質(zhì)量約束Non-habitat quality constraint47.533.622.641.836.6537.0299.29有生境質(zhì)量約束Habitat quality constraint18.261.090.110.783.9525.8650.05

3.2.3城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模式差異

采用景觀格局指數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)年份城鎮(zhèn)斑塊進(jìn)行分析,定量對(duì)比有(無)生境質(zhì)量約束情景下的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展特征(表7)。無生境質(zhì)量約束情景的斑塊數(shù)目NP是有生境質(zhì)量約束情景的1.3倍,但平均斑塊面積AREA_MN僅為有生境質(zhì)量約束情景的0.6倍,且邊界密度ED是有生境質(zhì)量約束情景的1.4倍,表明無生境質(zhì)量約束情景下的城鎮(zhèn)斑塊增長(zhǎng)速度較快,具有一定程度的破碎性。比較兩種情景下的平均鄰近度MPI和聚集度AI,發(fā)現(xiàn)有生境質(zhì)量約束情景的值都要大于無生境質(zhì)量約束情景,說明其相鄰城鎮(zhèn)斑塊之間距離較近,斑塊間的連接性較好,新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地集聚程度較高,以“填充式”擴(kuò)展為主,有利于保護(hù)綠洲生態(tài)空間；無生境質(zhì)量約束情景的FRAC_AM值也較大,說明城鎮(zhèn)斑塊形狀更加復(fù)雜與不規(guī)則,新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地的隨機(jī)性較強(qiáng),以“蔓延式”擴(kuò)展為主,對(duì)綠洲生境質(zhì)量產(chǎn)生較強(qiáng)的脅迫性,是一種不可持續(xù)的擴(kuò)展方式。

表7 2030年不同情景下城鎮(zhèn)建設(shè)用地景觀格局指數(shù)

3.3 生境質(zhì)量對(duì)研究區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)展的影響

以有生境質(zhì)量約束情景下的2030年城鎮(zhèn)土地利用模擬圖為對(duì)象,統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)城鎮(zhèn)新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積(表8)。發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)年份一級(jí)城鎮(zhèn)新增面積為30.86 km2,較2015年增長(zhǎng)了59.47%；二級(jí)城鎮(zhèn)新增面積為14.66 km2,較2015年增長(zhǎng)了77.40%；重點(diǎn)鎮(zhèn)新增面積為1.01 km2,較2015年增長(zhǎng)了24.4%；一般集鎮(zhèn)新增面積為3.52 km2,較2015年增長(zhǎng)了46.56%。將不同等級(jí)城鎮(zhèn)新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地與生境質(zhì)量分布圖進(jìn)行疊置分析,發(fā)現(xiàn)占用高等級(jí)生境質(zhì)量面積為0.88 km2,僅占新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地的1.76%,而占用中、低等級(jí)生境質(zhì)量面積為17.46 km2、31.71 km2,分別占新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地的34.88%、63.36%(表9)。具體來看,一級(jí)城鎮(zhèn)主要占用中(33.54%)、低(65.68%)等級(jí)生境質(zhì)量；二級(jí)城鎮(zhèn)主要占用低等級(jí)生境質(zhì)量(74.56%)；重點(diǎn)鎮(zhèn)(71.29%)和一般集鎮(zhèn)(84.38%)主要占用中等級(jí)生境質(zhì)量,但是增長(zhǎng)面積有限,僅占研究區(qū)新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地總面積的7.37%。由此可見,城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展總體體現(xiàn)了生境質(zhì)量的要求,預(yù)測(cè)年份新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地以占用中、低等級(jí)生境質(zhì)量為主,并且低等級(jí)生境質(zhì)量是城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的主要區(qū)域。

從新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間分布來看(表8),綠洲平原區(qū)生境質(zhì)量約束性較強(qiáng),城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展速度緩慢,其中：綠洲核心區(qū)新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積為30.55 km2,較2015年增長(zhǎng)了52.01%,黑河干流沿岸新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積為4.89 km2,較2015年僅增長(zhǎng)了48.8%；而位于荒漠-綠洲過渡帶的綠洲邊緣區(qū),生境質(zhì)量約束性較低,且受過境交通牽引力作用,城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展速度較快,主要體現(xiàn)在城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的增長(zhǎng),新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積為14.18 km2,較2015年增長(zhǎng)了110.18%；山前洪積扇區(qū)城鎮(zhèn)距綠洲核心區(qū)較遠(yuǎn),且并未處于主要交通沿線,城鎮(zhèn)發(fā)展相對(duì)孤立,在局地生境約束下,新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積僅為0.43 km2,較2015年增長(zhǎng)了48.31%。

表8 2030年不同等級(jí)城鎮(zhèn)新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積和增長(zhǎng)率

括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為城鎮(zhèn)人口/萬,來源于張掖市城市總體規(guī)劃(2012—2020年)

表9 2030年不同等級(jí)城鎮(zhèn)新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地占用地類生境質(zhì)量

4 討論

研究采用InVEST模型的生境質(zhì)量模塊,定量評(píng)估了受人類活動(dòng)影響的生境質(zhì)量狀況,突破了以往對(duì)區(qū)域生態(tài)空間質(zhì)量的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)主義認(rèn)識(shí)。同時(shí),在設(shè)置城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的情景模擬時(shí)將其轉(zhuǎn)化為SLEUTH模型排除層的概率值,改變了以往人為主觀設(shè)置的隨意性,也提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究所得的生境質(zhì)量評(píng)估值及不同等級(jí)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展特征,將為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策和城鎮(zhèn)發(fā)展路徑提供重要依據(jù)。

干旱區(qū)水資源短缺決定了綠洲脆弱的生態(tài)環(huán)境狀況,為解決綠洲城鎮(zhèn)發(fā)展過程中的生態(tài)環(huán)境問題,可通過整合區(qū)域性的生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間,實(shí)施差異化的空間管制策略,以尋求可持續(xù)的綠洲城鎮(zhèn)發(fā)展模式。即引導(dǎo)大規(guī)模、高強(qiáng)度的生產(chǎn)性活動(dòng)向生境質(zhì)量約束力較低的區(qū)域轉(zhuǎn)移,降低高、中等級(jí)生境質(zhì)量區(qū)域的城鎮(zhèn)開發(fā)強(qiáng)度,使其主要承擔(dān)生活服務(wù)功能和生態(tài)保育功能。研究區(qū)的綠洲邊緣地帶,有生境質(zhì)量相對(duì)較低的戈壁、荒灘等未利用地,引導(dǎo)城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)先向滿足建設(shè)條件的該區(qū)域布局,既可以解決城鎮(zhèn)發(fā)展中的用地問題,也可以將其對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響降到最低。而在綠洲平原區(qū)應(yīng)充分發(fā)揮城鎮(zhèn)集聚效應(yīng),促進(jìn)區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)和服務(wù)等生活性要素向城鎮(zhèn)聚集,以減輕人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的壓力。同時(shí),必須實(shí)施集約化的城鎮(zhèn)擴(kuò)展模式,避免低效率的零散式擴(kuò)展,引導(dǎo)城鎮(zhèn)空間形態(tài)呈團(tuán)聚狀分布,減少其對(duì)綠洲生境的影響。

5 結(jié)論

本文以典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域黑河中游地區(qū)為例,采用InVEST模型對(duì)研究區(qū)生境質(zhì)量及其退化狀況進(jìn)行定量評(píng)估,并將評(píng)估結(jié)果融入到SLEUTH模型中,對(duì)未來城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的土地利用變化格局進(jìn)行模擬,分析生境質(zhì)量對(duì)綠洲城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的影響。主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)生境質(zhì)量評(píng)估結(jié)果,研究區(qū)整體生境質(zhì)量較低,高等級(jí)生境質(zhì)量?jī)H占5.69%,主要分布在黑河干流和植被較好的區(qū)域；中等級(jí)生境質(zhì)量占32.77%,主要分布在綠洲核心區(qū),退化程度嚴(yán)重；低等級(jí)生境質(zhì)量占61.54%,主要分布在城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)和綠洲外圍的戈壁荒漠區(qū)。

(2)對(duì)比兩種情景下城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)無生境質(zhì)量約束,城鎮(zhèn)擴(kuò)展速度較快,斑塊破碎化顯著,以“蔓延式”為主。而在有生境質(zhì)量約束下,城鎮(zhèn)擴(kuò)展速度減緩,城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積和占用生態(tài)用地總面積分別減少了27.08%、63.61%,并且,城鎮(zhèn)空間形態(tài)緊湊,城鎮(zhèn)斑塊間連接性較好、以“填充式”擴(kuò)展為主。

(3)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展總體體現(xiàn)了生境質(zhì)量的要求,新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地占用中、低等級(jí)生境質(zhì)量。綠洲平原區(qū)和山前洪積扇區(qū)生境質(zhì)量約束性強(qiáng),城鎮(zhèn)擴(kuò)展速度緩慢,新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積分別為35.44 km2、0.43 km2；綠洲邊緣區(qū)生境質(zhì)量約束性較低,城鎮(zhèn)擴(kuò)展速度較快,新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積為14.18 km2。

快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展往往會(huì)凌駕于生態(tài)環(huán)境保護(hù)之上,城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展愈發(fā)強(qiáng)烈。后續(xù)研究中需要進(jìn)一步探究生境質(zhì)量的演化過程及其影響機(jī)制,以不斷調(diào)整和優(yōu)化生境結(jié)構(gòu)與組成要素,科學(xué)判斷生態(tài)環(huán)境所能承載的最大城鎮(zhèn)規(guī)模,劃定城鎮(zhèn)空間增長(zhǎng)邊界,有效地控制城鎮(zhèn)擴(kuò)展規(guī)模。此外,本文是基于“生態(tài)優(yōu)先”理念,將生境質(zhì)量結(jié)果融入到城鎮(zhèn)擴(kuò)展模擬模型中,來研究未來城鎮(zhèn)空間自組織增長(zhǎng)規(guī)律。但是,城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展受社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政策等多因素和多微觀主體博弈的綜合作用過程,存在許多不確定性。因此,綜合考慮影響城鎮(zhèn)發(fā)展各類因子,建立融合多因子的地理模擬系統(tǒng),模擬未來城鎮(zhèn)發(fā)展趨勢(shì),將是未來研究的重要議題。