絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城市景觀格局變化分析
——以阿克蘇市主城區(qū)為例

米爾古麗·蘇力坦，阿里木江·卡斯木

（絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心/新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054）

“一帶一路”的倡議提出，旨在促進(jìn)歐亞各國的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、文化交流、信息交換，同時(shí)，促進(jìn)并加強(qiáng)中國與周邊及世界其他地區(qū)國家之間的合作關(guān)系。中國新疆在絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上具有獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢、資源和文化優(yōu)勢，是中國向西開放的橋頭堡，是中國在“絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶中亞段重要的交通樞紐和商業(yè)貿(mào)易物流中心。絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶新疆段綠洲城市在“一帶一路”倡議的大背景下，迎來了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史性機(jī)遇。新疆阿克蘇市是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上重要的交通樞紐和商業(yè)重鎮(zhèn)，具有屯墾固邊的戰(zhàn)略意義和干旱區(qū)綠洲城市發(fā)展的代表性，為此，本研究選取絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶新疆段典型綠洲城市——阿克蘇市主城區(qū)為研究區(qū)，研究“一帶一路”倡議背景下的絲路阿克蘇市景觀格局變化，以期為“一帶一路”倡議下絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城市群的戰(zhàn)略研究提供參考。

景觀格局及其演變是自然和人為要素綜合作用的結(jié)果，景觀格局的時(shí)空變化研究不僅揭示生態(tài)過程的驅(qū)動(dòng)因子還可以指示生態(tài)過程的發(fā)展趨勢［1］，隨著人們對美好生活需要的不斷提高，對土地的開發(fā)利用需求也增加。景觀格局（Landscape pattern）是指景觀要素在空間上分散或者聚集的分布，是在景觀內(nèi)部的自然條件約束和人為活動(dòng)影響的雙重作用下，為了適應(yīng)特定的景觀功能要求而形成的一種景觀整體結(jié)構(gòu)。在景觀生態(tài)學(xué)中通過研究景觀的尺度結(jié)構(gòu)來分析景觀組分的空間分布和特征表現(xiàn)［2］。利用3S 技術(shù)研究城市土地利用結(jié)構(gòu)以及分析土地利用變化過程中，景觀生態(tài)學(xué)不但形成了比較成熟的生態(tài)規(guī)劃理論支撐，并成為當(dāng)今全球土地利用配置中的研究熱點(diǎn)題目之一。目前，國內(nèi)外學(xué)者對景觀生態(tài)學(xué)方面的研究很廣泛，主要有景觀格局變化特征與驅(qū)動(dòng)力分析［3-6］、景觀生態(tài)評價(jià)［7-9］、生態(tài)功能［10］、運(yùn)用CA-Markov 模型分析土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)變化并預(yù)測其變化模式［11］等。

就絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶新疆段而言，在土地利用/覆蓋（LUCC）等方面的研究占比較多。在城市規(guī)模擴(kuò)張過程中城市生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，影響景觀類型與變化趨勢。有學(xué)者對阿克蘇市土地利用變化與驅(qū)動(dòng)力方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析［12-16］，也有些學(xué)者對阿克蘇市土地利用總體規(guī)劃和效益方面進(jìn)行研究［17，18］，其他學(xué)者對阿克蘇綠洲的生態(tài)安全生態(tài)承載力［19］、城市綠地變化與人口之間的關(guān)系［20］等方面進(jìn)行研究以及建立建設(shè)用地模擬［21］。阿迪來·烏甫等［22］研究了阿克蘇市城市化發(fā)展與耕地資源之間的協(xié)調(diào)性。

綜上所述，針對阿克蘇市景觀格局變化方面的研究不多。為此，本研究以阿克蘇市主城區(qū)近30 年的Landsat 遙感影像作為數(shù)據(jù)源，借助GIS、RS 技術(shù)和景觀生態(tài)學(xué)原理，分析阿克蘇市主城區(qū)景觀格局變化規(guī)律與變化特征，實(shí)現(xiàn)土地利用的最大效率，在此基礎(chǔ)上有效調(diào)整阿克蘇市經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市規(guī)劃，為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城市景觀格局變化研究提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇市位于南疆北部，塔里木盆地北緣，是南疆鐵路、高速公路沿線上聯(lián)接庫爾勒、喀什、伊寧的樞紐。歷史上，阿克蘇市是古絲綢之路新疆段北道的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和貿(mào)易中心區(qū)。阿克蘇市是全國重要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，新疆重要的棉花交易集散地，輕紡工業(yè)聚集地。作為“中國棉都”和“中國長絨棉之鄉(xiāng)”，棉花產(chǎn)量持續(xù)占全疆的1/3，占全國的1/8，長絨棉占全國總產(chǎn)量的93%。阿克蘇市優(yōu)越的地理位置和濃厚的歷史文化對主城區(qū)景觀類型變化以及擴(kuò)展形態(tài)起著重要的作用。

阿克蘇市北接溫宿縣，南連阿瓦提縣，東南部延伸到塔克拉瑪干大沙漠的中部，北與伊犁哈薩克自治州毗鄰，西北以天山山脈中梁與吉爾吉斯斯坦共和國、哈薩克斯坦共和國交界。東西最長513 km，南北最寬處約386 km，總面積13.25 萬km2。本文主要研究阿克蘇市主城區(qū) 80°6′—80°25′E，40°59′—41°16′N 之間的區(qū)域，屬于大陸性干旱性氣候，年平均降水量43.9～65.3 mm，年平均氣溫9.8～11.4 ℃。

2 數(shù)據(jù)處理與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究選用來自美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）與美國航天局（NASA）共同管理的陸地衛(wèi)星Landsat 系列所提供的 1989 年 8 月 22 日、2000 年 8 月 12 日、2010年 7 月 15 日 、2018 年 7 月 27 日 4 個(gè) 時(shí) 期 的 Landsat TM/ETM+/OLI 遙感影像，所選擇的數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m×30 m，云量均低于10%，遙感影像質(zhì)量較好，為了獲取優(yōu)質(zhì)、高精度并滿足研究需要的圖像資料，對衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行鑲嵌、裁剪、圖像融合等預(yù)處理。在遙感圖像處理軟件ENVI5.1 的支撐下對研究區(qū)4 個(gè)時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合成和圖像增強(qiáng)，按照國家出臺(tái)的《全國土地分類（試行）》（2002年標(biāo)準(zhǔn)），利用最大值似然法結(jié)合目視解譯方法對處理過的景象用監(jiān)督分類法，分為建設(shè)用地、水體、林地、耕地和未利用地等類型。將分類影像導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 中，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算，獲得土地利用/土地覆蓋結(jié)構(gòu)特征變化數(shù)據(jù)。最后利用Fragstats4.2 軟件對研究區(qū)的景觀格局變化進(jìn)行分析，計(jì)算景觀指數(shù)。進(jìn)而，從研究區(qū)面積動(dòng)態(tài)變化，景觀類型的變化幅度、變化速度，景觀格局的變化特征等方面對阿克蘇市主城區(qū)的景觀格局演變進(jìn)行初步探討。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀類型動(dòng)態(tài)變化分析

1）景觀類型選擇。在遙感影像分類過程中無法避免出現(xiàn)“同物異譜和異物同譜”的現(xiàn)象，需要對分類后的結(jié)果進(jìn)行后處理?？紤]研究區(qū)總體情況，景觀類型分為5 個(gè)類型（表1）。

為了保證各時(shí)期遙感影像分類結(jié)果的可靠性，對分類后處理結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)。得出4 期的分類精度均達(dá)到85%以上，Kappa 系數(shù)均在0.9 以上。

2）景觀類型變化幅度分析。為了分析景觀類型在某時(shí)間段內(nèi)具體面積的變化及幅度，引入景觀類型變化幅度。景觀類型變化幅度主要是反映不同景觀類型的面積變化總體趨勢。公式如下：

式中，Kt表示某時(shí)段內(nèi)研究區(qū)某一地類變化幅度，Ua和Ub分別表示研究初期與后期某一景觀類型面積。

3）景觀類型變化速度分析。景觀類型變化速度可以單一景觀類型動(dòng)態(tài)度定量表示。公式如下：

式中，K表示研究時(shí)段內(nèi)某一景觀類型動(dòng)態(tài)度，Ua和Ub分別表示研究初期與后期某一景觀類型面積，T表示研究時(shí)間段。

4）景觀類型空間轉(zhuǎn)移分析。隨著時(shí)間的推移，不同景觀類型之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)為一種景觀類型面積在某時(shí)間段內(nèi)向其他類型轉(zhuǎn)換或者其他類型面積轉(zhuǎn)換到這類景觀要素，從而面積發(fā)生變化。因此，本研究利用ArcGIS 軟件計(jì)算不同景觀類型之間的相互面積轉(zhuǎn)移矩陣，來研究不同景觀要素的動(dòng)態(tài)變化過程。

2.2.2 景觀格局特征分析 借鑒其他學(xué)者關(guān)于景觀格局指標(biāo)選取的研究成果和結(jié)論，本文在斑塊類型水平上和景觀水平上對阿克蘇市主城區(qū)景觀變化進(jìn)行評價(jià)與分析。選取的景觀指標(biāo)見表2。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型變化結(jié)果分析

運(yùn)用ENVI5.1、ArcGIS10.2 軟件對阿克蘇市主城區(qū) 1989、2000、2010、2018 年的景觀要素進(jìn)行分類，分類圖見圖1。

3.1.1 景觀要素規(guī)模變化分析 從表3 可以看出，研究區(qū)1989—2018 年的景觀類型面積均發(fā)生了變化。近30 年以來，研究區(qū)景觀類型空間上的面積變化和時(shí)間上的階段性等特征顯著體現(xiàn)人類活動(dòng)在城市化過程中對土地的開發(fā)利用。城市建設(shè)用地面積1989 年為 4.54 km2，2018 年擴(kuò)張到 20.16 km2，整體保持遞增趨勢。反之，未利用地面積呈遞減趨勢。耕地面積從1989 年的7.17 km2增長到2018 年的11.30 km2，說明研究區(qū)在近30 年內(nèi)開墾了大量的農(nóng)耕用地。

表1 阿克蘇市主城區(qū)景觀分類及遙感影像特征

表2 阿克蘇市主城區(qū)景觀格局指數(shù)的選取

由于城市擴(kuò)展過程中對水資源需求的增加導(dǎo)致研究區(qū)水體面積逐漸減少，在研究期內(nèi)阿克蘇市主城區(qū)內(nèi)水體變化呈遞減趨勢。結(jié)合圖1 可以看出，1989—2018 年研究區(qū)景觀類型變化是以未利用地、建設(shè)用地和水體的顯著變化為主，其中，建設(shè)用地的面積擴(kuò)張主要體現(xiàn)在對未利用地的開發(fā)利用和林地面積的占用。

圖1 1989—2018 年阿克蘇市主城區(qū)景觀要素分類

3.1.2 景觀要素空間動(dòng)態(tài)變化分析 從表4 可以看出，研究區(qū)近30 年來景觀類型的變化幅度和變化速度特征如下：①1989—2000 年，建設(shè)用地和耕地的年動(dòng)態(tài)度絕對值比較大，分別為5.44%、2.32%，表明研究前期內(nèi)，建設(shè)用地和耕地的面積變化較大，未利用地和林地和水體的變化較小。②2000—2010 年，相比1989—2000 年的景觀類型變化速度較快，其中建設(shè)用地、耕地和水體的動(dòng)態(tài)變化大于林地和未利用地。③2010—2018 年，主城區(qū)景觀類型的變化得到同步發(fā)展，其中建設(shè)用地面積擴(kuò)展比較顯著。④1989—2018 年，建設(shè)用地、水體和耕地的變化速度最大，絕對值分別為11.86%、2.07%和1.99%，反映出阿克蘇市城市化進(jìn)程速度推進(jìn)。這說明在此期間建設(shè)用地與未利用地變化速度速加快，林地和未利用地變化速度緩慢，建設(shè)用地的擴(kuò)展速度和水資源的利用率提高。

3.1.3 景觀要素空間轉(zhuǎn)移分析 從表5 可以看出，1989—2000 年，從未利用地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地和林地的面積為 10.98、20.39 km2。2000—2010 年，從林地轉(zhuǎn)換為耕地和建設(shè)用地的面積分別為20.53、19.37 km2，從未利用地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地、林地和水體的面積分別為 10.45、17.29 和 14.94 km2。2010—2018 年，從耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地和林地的面積為11.39、52.03 km2，從林地轉(zhuǎn)換為耕地和建設(shè)用地的面積分別為20.45、20.47 km2，從未利用地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的面積為12.54 km2。近30 年研究區(qū)城市建設(shè)用地的擴(kuò)展由林地和未利用地面積變化而來。其中，耕地總面積呈先減少后增加的趨勢，建設(shè)用地和林地面積保持增長趨勢，水體和未利用地面積保持遞減趨勢。

表4 1989—2018 年阿克蘇市主城區(qū)景觀類型變化幅度與變化速度

表5 阿克蘇市主城區(qū)景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

3.2 景觀格局特征分析

3.2.1 景觀類型上的景觀變化分析 景觀空間格局、景觀功能和景觀動(dòng)態(tài)是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容，而對景觀格局進(jìn)行定量分析則是研究格局與過程相互關(guān)系的基礎(chǔ)，也是研究景觀動(dòng)態(tài)和景觀功能的關(guān)鍵［23］。此外，景觀格局分析還在資源管理和生物多樣性保護(hù)等方面起著重要作用［12］。對于不同類型的景觀格局變化進(jìn)行研究并且分析各景觀類型相應(yīng)的變化規(guī)律，有助于揭示和分析并且理解其他景觀指數(shù)的變化特征，計(jì)算研究區(qū)近30 年的景觀水平上的景觀格局指數(shù)，從而可以全面地表示城市的總體景觀格局演變特征及其變化規(guī)律。

圖2 所示，阿克蘇市主城區(qū)研究期內(nèi)各景觀類型面積排列依次為建設(shè)用地、耕地、未利用地、林地和水體。研究區(qū)林地和耕地的斑塊數(shù)量及斑塊密度指數(shù)最大并且在研究期間內(nèi)不斷增大，說明1989—2018 年，研究區(qū)建設(shè)用地、林地和耕地的景觀空間異質(zhì)性程度以及景觀斑塊的破碎化程度在不斷加深，表明隨著城市建設(shè)用地面積的擴(kuò)張，其景觀的破碎化程度也隨之增加。而未利用地和水體的斑塊數(shù)量和密度保持遞減趨勢，表明未利用地和水體的破碎化程度在逐漸緩解。1989—2018 年，最大斑塊指數(shù)占優(yōu)勢并主導(dǎo)地位的是未利用地，這結(jié)果與干旱區(qū)荒漠為基礎(chǔ)的景觀類型保持一致。在研究期內(nèi)，林地的最大斑塊指數(shù)呈先增加后減少趨勢，未利用地和水體的最大斑塊指數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢。2010—2018 年，建設(shè)用地和耕地的最大斑塊數(shù)量保持遞增趨勢，說明在研究前中期內(nèi)，其景觀類型在整體景觀中所占的優(yōu)勢度大，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對建設(shè)用地的影響也不斷明顯，而未利用地和水體在整體中所占優(yōu)勢度小，說明人類活動(dòng)對該景觀類型的影響加深。

圖2 1989—2018 年阿克蘇市主城區(qū)景觀類型景觀格局指數(shù)的變化

3.2.2 景觀水平上的景觀格局分析 從表6 可見，1989—2018年阿克蘇市主城區(qū)在景觀水平上發(fā)生了顯著變化。斑塊數(shù)量（NP）和斑塊密度（PD）呈遞增趨勢。分離度指數(shù)（SPLIT）先增加后減少。最大斑塊指數(shù)（LPI）呈先增加后減少趨勢，說明人類活動(dòng)對景觀類型的直接影響在增加，間接影響在下降。1989—2018 年，整個(gè)景觀的香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）在逐漸增加，即香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）均大于1，香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）均大于0.5，說明研究區(qū)優(yōu)勢度較低，景觀中沒有明顯的優(yōu)勢類型，景觀斑塊類型在景觀中保持均衡化趨勢分布，斑塊豐富度增高，研究區(qū)景觀破碎化程度也隨之變高。

表6 1989—2018年阿克蘇市主城區(qū)景觀水平上景觀格局指數(shù)

4 小結(jié)與討論

在GIS 技術(shù)與景觀生態(tài)學(xué)理論的支持下，以阿克蘇市主城區(qū)的景觀格局特征為基礎(chǔ)，對研究區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下。

1）1989—2018 年阿克蘇市主城區(qū)景觀類型變化的總體趨勢是：主城區(qū)建設(shè)用地和耕地面積呈遞增趨勢，未利用地和水體面積保持遞減趨勢，林地面積呈先增加后減少趨勢。各景觀類型面積增長大小為建設(shè)用地＞耕地＞林地>水體＞未利用地。從研究區(qū)轉(zhuǎn)移矩陣變化情況來看，研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地的面積從未利用地和林地面積轉(zhuǎn)換而來。

2）從景觀類型水平來看，建設(shè)用地和耕地NP和PD保持遞增趨勢，其景觀空間異質(zhì)性程度以及景觀斑塊的破碎化程度在不斷加劇，而未利用地和水體的NP和PD保持遞減趨勢，說明在城市發(fā)展過程中建設(shè)用地范圍在不斷擴(kuò)張，而且在其他景觀類型面積擴(kuò)大是以占用未利用地面積得來。最大斑塊指數(shù)占主導(dǎo)地位的是未利用地和綠地（包括林地和耕地）。未利用地和綠地的最大斑塊指數(shù)呈先增加后減少趨勢。

3）從研究區(qū)景觀水平來看，1989—2018 年NP和PD呈遞增趨勢，SPLIT先增加后減少，SHDI和SHEI在逐漸增加，說明在研究期內(nèi)，研究區(qū)發(fā)展進(jìn)程中景觀異質(zhì)性和破碎化程度在增高，景觀中沒有明顯的優(yōu)勢類型，景觀斑塊類型在景觀中保持均衡化趨勢分布，景觀斑塊豐富度增高，這意味著人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響程度在逐漸增高。

景觀空間格局分析能夠高度濃縮景觀格局信息、反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間分布特征［24］。在土地利用覆被變化與景觀格局特征［25］、景觀生態(tài)安全［26］、景觀生態(tài)規(guī)劃與建設(shè)［27］中得到了廣泛應(yīng)用。阿克蘇地區(qū)是新疆商品棉花產(chǎn)地，在大量開墾耕地過程中對水資源的需求不斷增大，導(dǎo)致研究區(qū)水體面積逐漸減少。20 世紀(jì)80 年代在阿克蘇“柯柯牙綠化工程”的驅(qū)使下，綠地（包括林地和耕地）面積逐漸增長?！耙粠б宦贰背h的提出為阿克蘇市城市發(fā)展帶來了快速擴(kuò)張機(jī)會(huì)。很多學(xué)者從時(shí)空變化、驅(qū)動(dòng)因素和生態(tài)影響評價(jià)方面研究了阿克蘇市的土地利用情況，利用景觀生態(tài)學(xué)理論對阿克蘇土地利用時(shí)空變化為基礎(chǔ)的城市建成區(qū)的景觀格局變化進(jìn)行了分析，更詳細(xì)地揭示了斑塊的總體變化趨勢，在此基礎(chǔ)上有效調(diào)整阿克蘇市經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市規(guī)劃。在景觀生態(tài)學(xué)理論的基礎(chǔ)上應(yīng)該綜合考慮自然和人為因素對景觀格局變化的影像，但本文在研究中所使用的數(shù)據(jù)僅限于Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)，未采用人文因素和自然因素的數(shù)據(jù)。在接下來的研究中將從人文和自然因素相結(jié)合來探討其驅(qū)動(dòng)因子。