“三生空間”視角下西部綠洲城市土地利用功能轉(zhuǎn)型的時空格局演變分析*
——以烏魯木齊市為例

張芊芊，邵戰(zhàn)林，林娟，孟玲

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學管理學院，烏魯木齊市，830052；2.新疆自然資源規(guī)劃研究院，烏魯木齊市，830001；3.新疆第二測繪院，烏魯木齊市，830001)

0 引言

隨著環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展觀點的提出，不同用地功能的相關(guān)研究開始受到國內(nèi)學者的關(guān)注[1-3]。自此，基于生態(tài)保護視角下“三生空間”的相關(guān)研究開始顯現(xiàn)。目前，國內(nèi)學者對“三生空間”的研究具有跨多學科領域以及研究尺度廣泛的特點，研究內(nèi)容主要集中在理論架構(gòu)、“三生空間”劃定等方面[4-7]。

隨著國外“土地利用/覆被變化”研究萌芽的逐漸顯現(xiàn)，國內(nèi)部分學者將其引入[8-9]。最初國內(nèi)對其概念認識都是基于對“土地利用/覆被變化”研究而開始[10-14]。學者龍花樓[15-16]針對土地利用轉(zhuǎn)型的內(nèi)涵進行更為深入的解讀，在城市社會和經(jīng)濟發(fā)展與更替的催化下，在特定的區(qū)域和時期內(nèi)，某種土地經(jīng)歷人為活動使得土地變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過程。

目前，國內(nèi)外已有的研究成果為本研究構(gòu)建“三生”空間土地利用分類體系提供了有益的借鑒和基礎，但這些研究成果仍有不足之處[17-19]。一是，大部分有關(guān)土地利用變化的研究成果其尺度多以較大的流域以及地區(qū)，或較小的縣以及鎮(zhèn)為例，以大中尺度的城市為研究區(qū)域的成果較少[20-22]；二是，大部分研究在對用地功能轉(zhuǎn)型進行分區(qū)時，僅以單一的利用類型為主，對用地的多功能性缺乏認識[23-25]；三是，從國內(nèi)研究成果中選擇的區(qū)域來看，主要以東部沿海地區(qū)城市群、海岸帶或中部山區(qū)、丘陵區(qū)等作為研究區(qū)域，以西北地區(qū)城市作為研究區(qū)域的成果較少[26-29]。因此，本研究基于“三生空間”視角下，以西北部綠洲城市烏魯木齊市為例，探究其土地利用功能轉(zhuǎn)型的時空演變特征，并提出可供參考的優(yōu)化建議。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于中國西北部干旱區(qū)新疆維吾爾自治區(qū)的北部，2018年烏魯木齊城市人口激增至222.26萬人，導致城市用地需求迅速增加，在一定程度上導致中心城區(qū)界限不斷地向外延伸，建成區(qū)面積增至458.36 km2，城市內(nèi)外土地利用變化程度日益顯著。受地形地貌、氣候及水資源的限制，2018年烏魯木齊水資源總量為1.085×109m3，地表水為1.031×109m3，可開采的地下水極其少。另外，人居及工業(yè)生產(chǎn)活動加重城市土地壓力，2018年城市污水排放量達到2.36×108m3，工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量達到9 763.6 kt，加之土壤易受破壞、侵蝕以及土地易受各種因素的影響，導致理化性狀發(fā)生改變，使得土地的綜合生產(chǎn)潛力下降、自然資源環(huán)境污染、自然災害頻發(fā)、生物多樣性下降等矛盾日益顯現(xiàn)。此外，局部區(qū)域土地荒漠化和生態(tài)環(huán)境脆弱的狀況仍然較為嚴重，維護土地生態(tài)環(huán)境的壓力日益增大。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要來源于2004、2011、2018年的Landsat遙感影像。應用ENVI 5.3在幾何校正等數(shù)據(jù)預處理基礎上，采用面向?qū)ο蠼庾g軟件eCognition對影像進行解譯，獲取其研究區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.5隨機選取100個點，通過計算Kappa系數(shù)進行精度檢驗，檢驗得出結(jié)果達到85%以上，符合研究需要。

建立合理的“三生空間”是支撐研究的基礎，人類經(jīng)濟活動和土地生態(tài)環(huán)境相互影響下形成巨大、復雜且多變的系統(tǒng)，其包涵多種功能[30]。由于人們生產(chǎn)生活的需要導致土地利用的方式及強度各有不同，使得土地呈現(xiàn)出“生產(chǎn)—生活—生態(tài)”三種功能[31]?；诖?，本研究主要以參考2017年《土地利用現(xiàn)狀分類》、以烏魯木齊市的土地利用主導功能以及秦方、戴文遠等相關(guān)研究為依據(jù)，確定其分類體系[32-34]，如表1所示。

表1 基于“三生”功能的烏魯木齊市土地利用分類體系

2 “三生空間”用地功能時序分析指標

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型

在特定的時間段內(nèi)，該模型主要用來表示分類體系內(nèi)，各類用地在不同時間段內(nèi)互換的方向以及數(shù)量，利用ArcGIS軟件對特定的兩個年份采用匯總、空間疊加等技術(shù)進行處理，反映出烏魯木齊市在研究時段內(nèi)土地利用在空間維度的轉(zhuǎn)換情況，如式(1)所示。

(1)

式中：S——面積；

n——土地利用類型的數(shù)量；

i——研究初期的土地利用類型；

j——研究末期的土地利用類型。

2.2 土地利用動態(tài)度

2.2.1 單一土地利用動態(tài)度

利用該模型用來測算分類體系內(nèi)，烏魯木齊市某類功能用地在不同時間段內(nèi)的轉(zhuǎn)型速度，如式(2)所示。

(2)

式中：K——整個時段內(nèi)某類功能用地的動態(tài)度；

Ua——研究區(qū)域初期某類功能用地的面積；

Ub——研究區(qū)域末期某類功能用地的面積；

T——研究初期至末期的時段長度。

2.2.2 綜合土地利用動態(tài)度

利用該模型用來測算烏魯木齊市某一用地類型在所有時間段內(nèi)的變化速度，如式(3)所示。

(3)

式中：LC——某一用地類型的綜合動態(tài)度；

LUij——研究初期i類用地類型轉(zhuǎn)移為后期j類用地類型的面積；

LUi——研究初期i類用地類型面積。

2.3 土地利用開發(fā)及耗減度

2.3.1 土地利用開發(fā)度

利用該模型測算烏魯木齊市某一功能用地在不同研究時段實際新開發(fā)的程度，如式(4)所示。

(4)

式中：LUD——某一用地類型的開發(fā)度；

Dab——研究初期至末期某一功能用地的轉(zhuǎn)入量。

2.3.2 土地利用耗減度

利用該模型測算烏魯木齊市某一用地類型在不同研究時段被實際耗損的程度，如式(5)所示。

(5)

式中：LUC——某一功能用地的耗減度；

Cab——研究初期至末期某一類功能用地的轉(zhuǎn)出量。

3 結(jié)果與分析

3.1 “三生”用地轉(zhuǎn)型時序演變特征分析

3.1.1 “三生空間”各類功能用地轉(zhuǎn)移方向分析

利用ArcGIS軟件得到烏魯木齊市3個時期土地利用主導功能用地轉(zhuǎn)型的方向和數(shù)量，對不同時期用地類型的功能轉(zhuǎn)型變化展開分析。

為了深入探析烏魯木齊市“三生”用地功能轉(zhuǎn)型的特征，基于表2數(shù)據(jù)構(gòu)建“三生”用地轉(zhuǎn)移矩陣，如表3所示，烏魯木齊市生活生產(chǎn)空間增加主要是來自于對生態(tài)空間和生產(chǎn)生態(tài)空間的占用。在其空間內(nèi)居住用地對未利用地、耕地、草地、園地的占用面積分別為194.82 km2、131.43 km2、22.68 km2和18.47 km2，且居住用地占用未利用地、耕地、園地面積隨時間推移呈現(xiàn)明顯上升的趨勢，以2011年為節(jié)點居住用地占用未利用地(由前期的15.82%增加為后期的17.97%)的面積(東北方向的米東區(qū)、部分水磨溝區(qū)的未利用地)和耕地(由前期的10.45%增加為后期的18.12%)的面積迅速增加(主要占用范圍包括城市的西北方向頭屯河區(qū)、新市區(qū)北部的耕地)。15年間工交用地的增加主要來自于對未利用地、耕地的占用，分別為110.73 km2、33.23 km2。生態(tài)生產(chǎn)空間規(guī)模的增加主要來自對濕地和工交用地的占用(面積分別為13.33 km2和10.39 km2)，生產(chǎn)生態(tài)空間規(guī)模增加主要來自對未利用地的占用，面積為113.29 km2。

表2 2004—2018年烏魯木齊市土地利用基礎數(shù)據(jù)表

表3 2004—2018年烏魯木齊市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

綜上分析，作為西北地區(qū)城市化發(fā)展迅速的典型城市，15年來烏魯木齊市“三生”用地功能轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)在三個方面：一是生活生產(chǎn)空間呈持續(xù)蔓延的態(tài)勢，在一定程度上導致生態(tài)環(huán)境的各項功能不斷衰退；二是烏魯木齊市中心城區(qū)的規(guī)劃以控制城區(qū)南部為主，而規(guī)劃調(diào)整為輔；城區(qū)北部是城市未來向外擴展的主要方向；城區(qū)西部根據(jù)發(fā)展實際用地需求適度調(diào)整；東部為預留空間。頭屯河區(qū)工業(yè)園、新市區(qū)和水磨溝區(qū)等區(qū)域因經(jīng)濟發(fā)展以及人口增長的需要，不斷開發(fā)和建設，促使烏魯木齊市的“三生”功能轉(zhuǎn)型規(guī)模尤為顯著；三是“三生”用地功能轉(zhuǎn)型受規(guī)劃政策驅(qū)動影響較大，后期烏魯木齊市規(guī)劃建設的米東化工園區(qū)、紅光山地區(qū)等一系列重點項目對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定帶來極大的挑戰(zhàn)。

3.1.2 “三生空間”各類用地轉(zhuǎn)型速度分析

根據(jù)上述研究可知，2004—2018年烏魯木齊市“三生”用地轉(zhuǎn)型變化明顯，因此，本研究以2004—2011年，2011—2018年兩個研究時段，測算整個時段內(nèi)的單一土地利用動態(tài)度指數(shù)。

如表4所示，有林地、居住用地以及工交用地在2004—2011年、2011—2018年這兩個時段均為正值，可得證這三類不同用地在2004—2018年均呈現(xiàn)出持續(xù)增長的態(tài)勢。其中工交用地在整個時段的單一動態(tài)度最高為7.92%，其次是居住用地的單一動態(tài)度為6.39%，表明在2004—2018年內(nèi)生活生產(chǎn)空間一直處于持續(xù)擴張的狀態(tài)，隨著城市發(fā)展的步伐逐年加快，烏魯木齊市逐漸開始完善工交基礎設施，建設烏魯木齊新客站、烏西至烏北聯(lián)絡線等鐵路建設項目，并且隨著人口的不斷增加，居住用地需求不斷擴大導致其用地持續(xù)增長。有林地在15年間的單一動態(tài)度為正值(前期為3.51%，后期為0.13%)，說明有林地在15年間整體呈現(xiàn)出不斷增長的狀態(tài)，后期增速有所放緩。

表4 2004—2018年烏魯木齊市土地利用動態(tài)度

濕地、灌木林地、疏林地以及園地在2004—2018年間均由負轉(zhuǎn)正，可以證得這四類用地由減少轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲩L的趨勢。但從整體來看濕地、灌木林地的變化速率很小，所以在整個時段的單一動態(tài)度均呈現(xiàn)出負值，在2004—2018年，濕地的單一動態(tài)度為-4.03%(前期為-8.14%，后期為1.70%)，灌木林地的單一動態(tài)度為-1.69%(前期-6.89%，后期8.30%)，烏魯木齊市逐漸開始規(guī)劃和保護林地及濕地資源，并積極擴大林地面積，可在一定程度上緩解生態(tài)壓力，但規(guī)模性林地生期長，致使變化速率不明顯。濕地以控制其他用途土地占用為主，并以合理開采水源為前提擴大湖水面積，進而改善湖域周圍的生態(tài)環(huán)境，因此其動態(tài)度變化不明顯。疏林地和園地的變化速率較大，整體呈現(xiàn)為正值，分別為1.08%、2.42%。

草地、未利用地、鹽田、耕地以及養(yǎng)殖水域均在前期為正值，后期為負值，可以證明這五類用地在15年間的下降幅度劇烈，其中養(yǎng)殖水域變動幅度較大，總體來看為正值0.37%(前期為8.88%，后期為-4.79%)；2004—2018年生態(tài)空間中草地、未利用地的單一動態(tài)度為-2.06%、-0.06%，其中草地變動幅度較大，由前期的2.18%下降至后期的-5.14%；2004—2018年在生產(chǎn)生態(tài)空間中耕地單一動態(tài)度為-1.11%(前期為2.03%，后期為-3.54%)可以驗得耕地面積在15年間下降幅度較大。

為進一步探討烏魯木齊市“三生”用地轉(zhuǎn)型變化情況，根據(jù)以上公式，計算烏魯木齊市2004—2011年，2011—2018年兩個研究時段的綜合土地利用轉(zhuǎn)型速度，如表5所示。

表5 2004—2018年烏魯木齊市綜合土地利用轉(zhuǎn)型速度

15年間烏魯木齊市的生態(tài)空間和生活生產(chǎn)空間中部分用地的轉(zhuǎn)型速度存在不同程度的下降，綜合動態(tài)度下降明顯，可見烏魯木齊市其空間內(nèi)各類用地的轉(zhuǎn)型速度隨著時間的更迭而逐漸放緩，人居活動對烏魯木齊市其空間內(nèi)各類用地功能的影響呈下降趨勢。其中，生態(tài)空間中的有林地、濕地、灌木林地和疏林地的綜合動態(tài)度分別為4.84%、4.78%、3.77%、4.77%；生活生產(chǎn)空間中的居住用地和工交用地的綜合動態(tài)度分別為1.75%、4.96%，這兩個空間在2004—2011年、2011—2018年兩個時間段內(nèi)都有不同程度的下降，尤其濕地、灌木林地的下降速度明顯，濕地前后期綜合動態(tài)度分別為4.78%和2.84%，灌木林地前后期綜合動態(tài)度分別為4.11%和2.86%?？傮w來看，在2004—2018年期間，烏魯木齊市生態(tài)生產(chǎn)空間以及生產(chǎn)生態(tài)空間中的各類用地呈現(xiàn)出不同程度的增長狀態(tài)，其中生態(tài)生產(chǎn)空間中的養(yǎng)殖水域和鹽田的增長速度最為顯著，綜合動態(tài)度分別為5.31%和5.75%；另外，未利用地整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，綜合動態(tài)度為0.80%。

3.1.3 “三生空間”各類用地開發(fā)度及耗減度分析

2004—2018年間烏魯木齊市有林地開發(fā)度明顯高于耗減度，前期處于上升狀態(tài)后期放緩；濕地、灌木林地和疏林地的開發(fā)度與耗減度相較，前后呈現(xiàn)出“急劇下降—快速上升”的“V”型變化趨勢，前期開發(fā)度低于耗減度，后期開發(fā)度快速增加而耗減度略微有所下降，整體來看濕地和灌木林地耗減度仍高于開發(fā)度，疏林地的開發(fā)度與耗減度基本持平；草地的開發(fā)度與耗減度相較前后呈現(xiàn)出“緩慢上升—急劇下降”的倒“V”型變化趨勢，前期開發(fā)度較耗減度緩慢上升，后期開發(fā)度驟降，整體來看草地開發(fā)度仍略低于耗減度；未利用地的開發(fā)度和耗減度一直處于基本持平狀態(tài)，如表6所示。

表6 烏魯木齊市生態(tài)空間土地利用開發(fā)度及耗減度

2004—2018年，烏魯木齊市養(yǎng)殖水域開發(fā)度和耗減度分別為6.04%、5.66%，兩者呈現(xiàn)出相反的趨勢，開發(fā)度前后期呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢，由于后期耗減度快速上升，從整體來看養(yǎng)殖水域在近15年間基本持平；鹽田的開發(fā)度和耗減度分別為4.32%、6.13%，變化趨勢同養(yǎng)殖水域一致，但從整體來看耗減度較高，如表7所示。

表7 烏魯木齊市生態(tài)生產(chǎn)空間土地利用開發(fā)度及耗減度

2004—2018年，耕地的開發(fā)度前后期呈現(xiàn)出持續(xù)下降的狀態(tài)，而耗減度與之相反，整體來看其耗減度略微高于開發(fā)度，說明該類用地實際被耗減的速率要超過新開發(fā)的速率，可得出耕地受生態(tài)空間、生活生產(chǎn)空間中部分用地擴張的影響較大；園地的開發(fā)度和耗減度一直處于增長的趨勢，尤其土地利用開發(fā)度急劇上升，但從整體來看園地的開發(fā)度占主導作用，說明這一期間該類用地實際更多用于新開發(fā)，如表8所示。

表8 烏魯木齊市生產(chǎn)生態(tài)空間土地利用開發(fā)度及耗減度

2004—2018年，烏魯木齊市居住用地的開發(fā)度和耗減度分別為8.26%、1.87%，工交用地的開發(fā)度和耗減度分別為13.22%、5.30%，總體來看，15年間居住用地和工交用地的開發(fā)度遠高于耗減度，前后期這兩類用地的耗減度均下降，說明生活生產(chǎn)空間內(nèi)土地利用實際新開發(fā)速率逐漸超過被耗減速率，如表9所示。

表9 烏魯木齊市生活生產(chǎn)空間土地利用開發(fā)度及耗減度

3.2 “三生”用地轉(zhuǎn)型空間演變特征分析

3.2.1 “三生空間”用地功能重心轉(zhuǎn)移特征分析

本研究采用ArcGIS的空間分析功能，通過分析各類功能用地分布重心的變化情況，探尋各類用地功能的空間轉(zhuǎn)型特征。經(jīng)過對比研究初期和末期的各類功能用地的分布重心，從而推出整個時段內(nèi)烏魯木齊市土地利用的空間變化規(guī)律。因此，基于土地利用重心轉(zhuǎn)移模型測度烏魯木齊市“三生空間”的變化情況，將大范圍的區(qū)域分割為小范圍的區(qū)域，依據(jù)不同功能用地類型的布局情況、地形特征設定每一小范圍區(qū)域幾何中心的地理坐標，橫縱坐標分別乘以其小范圍區(qū)域內(nèi)某一功能用地的面積，之后累加并除以整個研究區(qū)域某一功能用地的總面積。模型表示如式(6)所示。

(6)

h——某小范圍內(nèi)區(qū)域的平面單元個數(shù)；

(Xq，Yq)——第q個單元的地理中心坐標；

Zq——平面單元的某用地功能的面積。

重心移動距離

(7)

式中：Dm——基礎年份的重心與另一節(jié)點年份重心之間的直線距離。

以烏魯木齊市小區(qū)域圖斑為基本單元，利用ArcGIS軟件，通過重心轉(zhuǎn)移模型對不同時段的各類功能用地進行分析，計算出不同年份各功能用地的重心。

如圖1所示，生態(tài)空間內(nèi)六類用地的重心基本落在烏魯木齊縣東北方向、達坂城區(qū)西北方向以及水磨溝東南方向，2004—2018年間有林地、疏林地以及灌木林地重心較為集中，大致向西南方向偏移，在2004—2011年間由于前期人類活動頻繁，因此偏移距離較大，后期該區(qū)域山脈、森林等自然資源位置的天然固定性起主導作用，加之生態(tài)意識以及環(huán)境保護措施的不斷增強，偏移距離逐漸縮小。2004—2018年間草地的重心逐漸從東部方向偏移到西北方向，受地形影響，主要分布在山地平緩處，后期為西北方向的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)以及城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展建立起較為穩(wěn)定的生態(tài)屏障。濕地在前期偏移幅度最大，向達坂城區(qū)西北部邊緣迅速偏移，前期城市擴張，為滿足城市社會經(jīng)濟水平的需要，濕地面積急劇縮小，后期在2011—2018年間，城市已初定規(guī)模，為城市未來可持續(xù)發(fā)展而考慮，生態(tài)環(huán)境作為城市發(fā)展的重要地帶，濕地作為生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)的重要因素應重點關(guān)注，尤其對烏拉泊濕地、青格達湖濕地、柴窩堡湖濕地以及位于達坂城的白楊河中游等濕地實施保護，濕地后期偏移距離大幅縮小并有向東南方向偏移的趨勢。

圖1 2004—2018年烏魯木齊市各功能用地重心動態(tài)變化

生態(tài)生產(chǎn)空間內(nèi)養(yǎng)殖水域重心在米東區(qū)北部，2004—2011年養(yǎng)殖水域的重心由米東區(qū)西部向東北方向偏移，后期開始向東南方向偏移，且偏移距離逐漸變大，主要原因是受南部地形的限制，生活生產(chǎn)空間向北部轉(zhuǎn)移，工交用地逐漸向米東區(qū)外圍擴張，致使養(yǎng)殖水域逐漸偏向米東區(qū)東北部周圍。因受鹽湖等水域資源的固定性以及開發(fā)力度較小等因素的影響，15年間鹽田的重心都在達坂城區(qū)的西南方向，略微有向西北方向偏移的趨勢。

生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)耕地和園地的重心偏移距離都較小，耕地重心落在沙依巴克區(qū)西北部，2004—2011年由西北部邊緣逐漸向東南方向偏移，后期逐漸重心軌跡反向偏移，因耕地在前期開發(fā)度較高，且后期耗減度大幅提高，導致重心出現(xiàn)反向偏移。園地重心在米東區(qū)西北部，后期逐漸向西南方向偏移，根據(jù)土地利用動態(tài)度變化分析結(jié)果可知，后期園地開發(fā)度急劇增加，明顯開發(fā)程度較耗減度增大，因此后期重心偏移軌跡幅度變大。

生活生產(chǎn)空間內(nèi)居住用地的重心在新市區(qū)、沙依巴克區(qū)、天山區(qū)以及水磨溝區(qū)的交匯中心，2004—2018年間偏移距離較小，前期向北部轉(zhuǎn)移，后期略微向南偏移，整體偏移幅度不大，說明居住用地布局較為均勻，并且城市擴張速度有向西北方向蔓延的趨勢。工交用地在前后期的重心偏移距離都較小，前期向水磨溝區(qū)西北邊緣偏移，后期沿周圍向新市區(qū)與沙依巴克區(qū)交匯處的西南方向偏移，從整體來看工交用地較為分散，重心主要偏向居住用地與城市中心附近。

3.2.2 “三生”用地功能空間轉(zhuǎn)型特征分析

將2004年、2011年、2018年三期數(shù)據(jù)進行疊加分析，不僅可以反映研究時段內(nèi)各功能用地的數(shù)量變化和空間分布及演變過程。結(jié)合土地利用變化的空間擴展強度指數(shù)，探尋各類功能用地在空間維度上的擴張(收縮)強度，該模型反映在研究時段的某一空間單元內(nèi)，城市在利用土地的過程中向外擴張的面積及占比，指數(shù)越大，表示擴展強度越大，模型表示如式(8)。

(8)

式中：UII——擴展強度指數(shù)；

ULAl,t+p、ULAl,t——空間單元l在t+p以及t年時某土地利用類型的面積；

TLAl——空間單元l的總面積。

測算結(jié)果如表10所示，2004—2018年，生態(tài)空間內(nèi)的有林地和生活生產(chǎn)空間內(nèi)的居住用地和工交用地的擴展強度指數(shù)均為正值，說明該類用地在15年間均表現(xiàn)為空間持續(xù)擴展的趨勢；生態(tài)空間內(nèi)的濕地、灌木林地、疏林地和生產(chǎn)生態(tài)空間的園地表現(xiàn)為先收縮，后擴展的空間變化趨勢；生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)的耕地、生態(tài)生產(chǎn)空間以及生態(tài)空間內(nèi)的草地、未利用地在15年間的空間變化特征呈現(xiàn)為先擴展、后收縮的空間變化趨勢。烏魯木齊市在15年間的空間擴展強度較低，整體都出現(xiàn)緩慢變化的狀態(tài)。其中，生活生產(chǎn)空間的居住用地的擴展強度最高，前期為0.09%，后期為0.19%；生態(tài)空間內(nèi)的草地收縮強度最大，前期為0.12%，后期為-0.32%。

表10 烏魯木齊市土地利用空間分異指數(shù)

分別提取2004年、2011年、2018年三個時期烏魯木齊市“三生”用地數(shù)據(jù)層，在軟件平臺Arcgis10.5 中形成疊合圖，以便反映出2004—2018年間烏魯木齊市這“三生”用地的空間變化規(guī)律。

如圖2所示，2004—2018年生態(tài)空間布局是以2004年的生態(tài)空間的各類用地圖像為基底，疊加2011年和2018年兩期生態(tài)空間的各類用地圖像。15年間生態(tài)空間在空間維度上變化幅度較小，呈現(xiàn)出由城市中心向外輻射擴散的趨勢，占比從2004年的90.52%降低至2018年的88.08%。如圖3所示，生態(tài)生產(chǎn)空間布局是以2004年的生態(tài)生產(chǎn)空間的各類用地圖為基底，疊加2011年和2018年兩期生態(tài)空間的各類用地圖像，生態(tài)生產(chǎn)空間均表現(xiàn)為零星分布，并無一定規(guī)律的收縮和擴張，且變化范圍較大，從2004—2018年的擴張速度基本維持不變，占比穩(wěn)定在0.2%。

圖2 2004—2018年烏魯木齊市生態(tài)空間布局

圖3 2004—2018年烏魯木齊市生態(tài)生產(chǎn)空間布局

如圖4所示，2004—2018年的生產(chǎn)生態(tài)空間布局圖是以2004年的生產(chǎn)生態(tài)空間的各類用地圖為基底，疊加2011年和2018年兩期生產(chǎn)生態(tài)空間的各類用地圖像。生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)耕地和園地從2004—2018年間逐漸趨于集中，面積明顯縮小，15年間整體集中在頭屯河區(qū)、新市區(qū)、米東區(qū)北部和沙依巴克區(qū)的西南部、烏魯木齊縣的東北部，后期在達坂城區(qū)零星分布，生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)耕地的占比由2004年的5.35%降至2018年的4.46%；園地的占比由2004年的0.84%增至2018年的1.14%。

圖4 2004—2018年烏魯木齊市生產(chǎn)生態(tài)空間布局

如圖5所示，2004—2018年生活生產(chǎn)空間布局是以2004年的生活生產(chǎn)空間的各類用地圖為基底，疊加2011年和2018年兩期生活生產(chǎn)空間的各類用地圖像。生活生產(chǎn)空間逐漸趨于集中，空間占比由2004年的3.34%增加至6.11%，2004—2018年擴張的主要區(qū)域分布在西北部(頭屯河南部、米東區(qū)西南部、烏魯木齊縣北部、水磨溝區(qū)西部)，15年間烏魯木齊市對老城區(qū)以實施更新改造為重點，進行城北新區(qū)開發(fā)建設、以高鐵片區(qū)、紅光山國際會展中心、空港片區(qū)、米東片區(qū)、頭屯河片區(qū)為重點開發(fā)區(qū)域，發(fā)展生產(chǎn)性服務業(yè)，進行產(chǎn)業(yè)用地布局調(diào)整，建設工業(yè)園區(qū)及其他開發(fā)區(qū)發(fā)展用地，并且為了完善城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建設高鐵新客站，并對國際機場進行擴建等重點項目工程的實施，成為生活生產(chǎn)空間持續(xù)擴張的原因之一。

圖5 2004—2018年烏魯木齊市生活生產(chǎn)空間布局

4 結(jié)論

基于“三生空間”視角下，以烏魯木齊市作為研究區(qū)域，采用數(shù)理統(tǒng)計法和空間統(tǒng)計法，探討西北干旱區(qū)綠洲城市烏魯木齊市的土地利用功能轉(zhuǎn)型的時空演變特征，系統(tǒng)梳理“三生空間”內(nèi)各類用地在不同時間和空間維度內(nèi)的協(xié)調(diào)與平衡問題，并提出可供參考的建議，主要結(jié)論如下：

1)從轉(zhuǎn)型時序變化來看，烏魯木齊市生態(tài)空間在2004—2018年間整體規(guī)模持續(xù)下降，疏林地和有林地土地利用動態(tài)度呈正值，開發(fā)度分別為6.17%、7.13%，耗減度分別為5.08%、5.16%，灌木林地、濕地、草地呈負向變化且下降幅度劇烈，耗減度大幅高于開發(fā)度，分別為4.03%、5.10%、5.90%，消減方向主要來自于生態(tài)空間內(nèi)部及居住用地；生態(tài)生產(chǎn)空間15年間整體呈波動式下降趨勢，轉(zhuǎn)型速度較大，養(yǎng)殖水域及鹽田的轉(zhuǎn)型速度分別為5.31%、5.75%；生產(chǎn)生態(tài)空間在2004—2018年間整體呈下降趨勢，面積減少83.73 km2，以2011年為節(jié)點，后期園地的開發(fā)度急劇上升，耕地耗減度超過開發(fā)度達到5.91%，主要被居住用地、未利用地占用；15年間生活生產(chǎn)空間規(guī)模急劇上升，轉(zhuǎn)型速度最高且呈現(xiàn)出持續(xù)擴張的趨勢，居住用地和工交用地的轉(zhuǎn)型速度分別為1.75%、4.96%，前后期的開發(fā)度持續(xù)超出耗減度，以占用耕地、未利用地和園地為主，表明研究期間，城市出現(xiàn)了將耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設用地的“蔓延式”擴張現(xiàn)象，為未來烏魯木齊市的耕地保護提出了新的挑戰(zhàn)。

2)從轉(zhuǎn)型空間格局變化來看，生態(tài)空間內(nèi)各類用地的重心軌跡轉(zhuǎn)移變化較大，因地形以及自然資源的特性影響，主要在烏魯木齊縣東北方向、達坂城區(qū)西北方向以及水磨溝東南方向；生態(tài)生產(chǎn)空間呈零星狀分散布局，主要落在米東區(qū)北部以及達坂城區(qū)西南部，因地形以及城市擴張的影響，分別向米東區(qū)東南部和達坂城區(qū)西北部偏移；生產(chǎn)生態(tài)空間在各區(qū)均有分布，耕地重心主要落在沙依巴克區(qū)西北部和米東區(qū)西北部，后期耕地重心出現(xiàn)反向偏移；生活生產(chǎn)空間分布最為集中，且呈現(xiàn)出逐年持續(xù)擴張的趨勢，空間內(nèi)的居住用地和工交用地的重心都在城市中心，且偏移軌跡距離最小。

3)從轉(zhuǎn)移驅(qū)動因素來看，一方面受前期人為開發(fā)建設以及自然資源恢復時限長的特性，后期環(huán)境保護措施增強的影響，因此生態(tài)空間持續(xù)下降，但幅度逐漸放緩。因老城改造和新城開發(fā)建設，交通設施和路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷完善，以及重大項目開發(fā)建設等因素，導致生活生產(chǎn)空間在15年間持續(xù)向外蔓延。

4)烏魯木齊市作為西北干旱地區(qū)快速城鎮(zhèn)化的典型區(qū)域，未來應考慮城市生態(tài)底線和調(diào)整城市內(nèi)部各功能對人居環(huán)境的影響，優(yōu)化推進“三生空間”的最佳布局；優(yōu)先規(guī)劃重點生態(tài)空間、一般生態(tài)空間以及生態(tài)容納空間，重點保護其空間內(nèi)的林地、草地以及濕地等重點調(diào)節(jié)生態(tài)用地，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供最佳的保護屏障；協(xié)調(diào)各類建設用地與耕地保護空間關(guān)系，充分發(fā)揮城市的生產(chǎn)、生態(tài)、景觀間隔和環(huán)境保護的綜合功能；高效集約利用生活、生產(chǎn)功能用地，提高土地的社會效益、經(jīng)濟效益以及生態(tài)效益。

綜上，本研究通過構(gòu)建“三生空間”用地功能分類體系，闡明西部綠洲城市烏魯木齊市土地利用功能轉(zhuǎn)型的方向、速度、開發(fā)度及耗減度等時序演變特征，結(jié)合土地利用重心轉(zhuǎn)移模型以及空間疊加分析，探析“三生空間”用地功能的重心軌跡偏移方向和空間變化特征及規(guī)律，并分析導致其變化的因素并提出優(yōu)化建議，能夠在一定程度上為西北部城市協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供有意義的實證參考。由于土地利用功能轉(zhuǎn)型存在一定的規(guī)律，如何更好的把握這一發(fā)展規(guī)律，并運用更精確的分析方法進行有效分析，并且對于西北部地區(qū)其他具有代表性的城市的用地結(jié)構(gòu)進行，提高用地效率，在未來研究中亟待深入探討。