三生空間視角下新疆維吾爾自治區(qū)景觀生態(tài)安全評價

馬 鈞，焦 黎

（新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054）

土地資源是人類賴以生存與發(fā)展的生產(chǎn)資料，是社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有總量有限性、區(qū)位差異性、不可再生性等特征，其開發(fā)與利用貫穿于人類生產(chǎn)、生活與社會活動的各個領(lǐng)域［1］。改革開放以來，中國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化取得了舉世矚目的成就，但也帶來了一系列可持續(xù)發(fā)展的問題，如社會經(jīng)濟和資源環(huán)境的矛盾日益突出、區(qū)域發(fā)展差距不斷擴大、土地利用粗放嚴重等。尤其是隨著城鄉(xiāng)建設用地不斷擴張，農(nóng)業(yè)和生態(tài)用地空間受到擠壓，城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)空間矛盾加劇，不同空間尺度存在人和自然、生產(chǎn)和生活、自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部之間的矛盾。黨的十八大報告指出“促進生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的總體要求，將優(yōu)化國土空間開發(fā)格局作為生態(tài)文明建設的首要舉措［2］。

景觀既是土地利用類型的具體化表現(xiàn)，與土地類型緊密連接，也是人類改造自然與資源開發(fā)的主要對象［3］。近年來，生態(tài)安全已被納入與國家安全同等重要的四大安全體系，受到廣泛關(guān)注，而從景觀生態(tài)學角度研究生態(tài)安全并構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局，在較大尺度上優(yōu)化和解釋生態(tài)安全問題已成為研究熱點［4，5］。相關(guān)研究在尺度上分布廣泛，包括省域、特大城市群、市域、縣域尺度，張貝爾等［6］采用PSR 法結(jié)合熵權(quán)法與層次分析法對安徽省景觀生態(tài)安全進行評價與預警。方然等［7］采用最小阻力模型（MCR）評價了武漢市生態(tài)安全并構(gòu)建了生態(tài)安全格局。陳影等［8］以河北省懷來縣為例研究了冀西北山間盆地景觀生態(tài)格局的變化。相關(guān)研究對象豐富，主要聚焦于流域、湖泊、海島、濕地、生態(tài)脆弱區(qū)等［9-13］。研究方法復雜多樣，目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范與標準，主要研究方法包括景觀格局指數(shù)構(gòu)建法、利用3S 技術(shù)構(gòu)建模型、MCR 模型、最小阻力模型等，用于評價景觀生態(tài)安全［5，14，15］。

新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡稱新疆）地處西北內(nèi)陸，土地資源廣袤、景觀類型豐富，是中國重要糧食儲備區(qū)，也是絲綢之路核心區(qū)，受獨特的地理、氣候、水文與人為影響，生態(tài)環(huán)境脆弱［16］。近年來，隨著城鎮(zhèn)化加快、人口增長與經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，新疆面臨人地矛盾、水資源短缺、土壤鹽漬化、綠洲生態(tài)安全受到嚴重威脅等問題，生態(tài)、生產(chǎn)與生活空間不協(xié)調(diào)，限制了新疆現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟的發(fā)展［17］。因此，本研究基于三生空間視角，以新疆為研究尺度、結(jié)合土地利用變化，采用景觀生態(tài)安全指數(shù)構(gòu)建生態(tài)安全評價模型，探討新疆景觀生態(tài)安全規(guī)律與時空分布差異，為新疆生態(tài)環(huán)境保護、空間格局優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處東經(jīng)73°40′—96°18′，北緯34°25′—48°10′，是典型的干旱、半干旱荒漠區(qū)，生態(tài)環(huán)境具有干旱性、封閉性、多樣性、脆弱性等特征，山地、綠洲與沙漠并存。全區(qū)可利用土地少，沙漠、礫漠、鹽堿面積大，占全疆62%的土地，102.33 萬km2是荒漠，其中42.1 萬km2是沙漠。氣候干旱少雨風沙大，降雨量少時空分布不均，山區(qū)降水大于平原，北疆大于南疆，且多集中在7、8 月。由于新疆水土矛盾突出，建設用地利用較為粗放，土地荒漠化現(xiàn)象嚴重，景觀較為脆弱，生態(tài)保護難度較大，景觀生態(tài)安全受到社會各界的廣泛關(guān)注。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究涉及數(shù)據(jù)主要選取1980—2018 年新疆土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)，其中，DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，空間分辨率為30 m；土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于新疆土地利用變更數(shù)據(jù)庫，根據(jù)最新《土地利用現(xiàn)狀分類》與研究區(qū)土地利用特點，參考張紅旗等［18］關(guān)于“三生用地”的研究，以土地利用主導功能為依據(jù)，將土地利用分類系統(tǒng)分為9 個二級土地利用空間，具體分類情況見表1。

表1 土地利用功能分類

1.3 研究方法

1.3.1 評價單元劃分 為合理劃分評價單元以及可視化表達新疆景觀生態(tài)安全指數(shù)，考慮到景觀空間異質(zhì)性和斑塊大小及研究區(qū)實際情況，本研究利用ArcGIS 10.2 軟件中的漁網(wǎng)分割工具，依據(jù)研究區(qū)景觀斑塊平均面積3~6 倍的原則進行等間距系統(tǒng)采樣，將研究區(qū)劃分成30 km2×30 km2的網(wǎng)格即評價單元，共得到1 950 個評價單元。利用Fragstats 4.2 軟件分別計算每個評價單元的生態(tài)安全指數(shù)，以此作為評價單元中心點的生態(tài)安全水平。

1.3.2 景觀生態(tài)安全評價模型構(gòu)建 景觀生態(tài)安全評價是生態(tài)風險評價在區(qū)域尺度的重要組分，景觀格局則反映了人類對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響方式和程度，是揭示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況及空間變異的有效手段，景觀格局指數(shù)則對景觀格局的分布與組成進行定量化描述，其中景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)常用來衡量景觀生態(tài)環(huán)境的因果關(guān)系。基于此，本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合研究區(qū)實際情況，從區(qū)域景觀格局出發(fā)，選取景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全評價模型，計算公式如下。

式中，ESIk為第k個評價單元的景觀生態(tài)安全指數(shù)；LDIi為景觀干擾度指數(shù)；LVIi為景觀脆弱度指數(shù)；m為各單元內(nèi)景觀類型的數(shù)量；k為評價單元的個數(shù)；Aki為第k個評價單元i類景觀類型的面積；Ak為第k個評價單元的總面積；Ci為景觀破碎度；Hi為多樣性指數(shù)；Fi為分割度指數(shù)；Ni為景觀類型i的斑塊個數(shù)；Ai為景觀類型i的面積；Pi為景觀類型i的周長；Mi為景觀類型i占總面積的比重；x、y、z分別是破碎度、多樣性、分割度的權(quán)重，x+y+z=1。參考前人研究成果［19］，分別賦值為x=0.5，y=0.3，z=0.2。

景觀脆弱度指數(shù)的大小與生態(tài)系統(tǒng)對外部干擾時的抵御強度有關(guān)，抵御強度越大，則受干擾程度越小，生態(tài)脆弱度也越小，表明生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。根據(jù)研究區(qū)實際狀況，并參考其他相關(guān)研究［20］，選用專家打分法，將研究區(qū)各土地利用類型的脆弱性進行歸一化處理并由低到高排序，結(jié)果見表2。

表2 各類景觀脆弱度及歸一化處理

1.3.3 空間自相關(guān)分析 空間自相關(guān)分析通常包括全局自相關(guān)分析和局部自相關(guān)分析，全局自相關(guān)從宏觀上判斷某些空間變量在整個研究區(qū)有無聚集性，局部自相關(guān)從微觀上根據(jù)各區(qū)域空間計量指標的相似性判斷空間集聚或擴散狀況。本研究利用OpenGeoDa 軟件，選用Moran’I 指標測量景觀生態(tài)安全值整體的集聚程度，選取局部空間關(guān)聯(lián)指數(shù)（LISA）表示某一評價單元自身生態(tài)安全值與周邊地區(qū)生態(tài)安全值的空間集聚狀況，通過對1980—2018 年各評價單元生態(tài)安全值的Moran’I 指數(shù)和LISA 指數(shù)進行分析，揭示新疆整體及區(qū)域生態(tài)安全格局的時空變化特征及演變規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 “三生空間”土地利用類型演變

根據(jù)最新《土地利用現(xiàn)狀分類》與研究區(qū)土地利用特點，以土地利用主導功能為依據(jù)，將土地利用分類系統(tǒng)分為9 個二級土地利用空間，結(jié)合最新的新疆土地變更數(shù)據(jù)得到新疆1980—2018 年土地利用類型演變及占比。

從新疆1980—2018 年土地利用類型結(jié)構(gòu)及面積分析（表3）可知，新疆景觀類型以牧草生態(tài)空間和其他生態(tài)空間為主導，其中牧草生態(tài)空間占總面積的29%以上，其他生態(tài)空間占總面積的60%以上，兩者共占總面積的90%左右，構(gòu)成新疆的主要土地利用類型。從各土地利用類型的面積變化來看，整體來說，生產(chǎn)空間在不斷增加，生態(tài)空間在不斷減小，生活空間變化幅度不明顯。其中，生產(chǎn)空間中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間面積從1980年的56 623.25 km2增長到2018年的90 161.07 km2，增長了33 537.82 km2。工礦生產(chǎn)面積也增加了1 087.08 km2。生活空間中，城鎮(zhèn)生活空間面積略有增加，增加了1 643.68 km2，相應的農(nóng)村生活空間減少了916.00 km2，其他生活空間增加了1 131.84 km2。生態(tài)空間整體所占面積都在不斷縮小，其中林地生態(tài)空間面積和水域生態(tài)空間面積減少的較多，分別減少了10 734.10、15 178.34 km2。牧草生態(tài)空間以及其他生態(tài)空間也呈一定的減小趨勢。改革開放以來，國家一系列政策的扶持為新疆的發(fā)展提供了動力，西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施促進了新疆水利、交通等基礎(chǔ)設施的構(gòu)建，特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，旅游業(yè)得到空前發(fā)展。在新疆40 年發(fā)展中，輕重工業(yè)發(fā)展脫節(jié)，重工業(yè)偏重，輕工業(yè)偏輕。教育水平落后于內(nèi)地沿海發(fā)達地區(qū)，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，土地沙漠化嚴重。

表3 1980—2018 年新疆各土地利用類型及占比

2.2 生態(tài)安全時空變化

根據(jù)公式（1）計算每個評價單元的景觀生態(tài)安全指數(shù)，并對各評價單元進行Kriging 插值，采用自然斷點法進行分類，將景觀生態(tài)安全指數(shù)劃分為5個 等 級：Ⅰ級（0＜ESI≤0.29），Ⅱ級（0.29＜ESI≤0.38），Ⅲ級（0.38＜ESI≤0.47），Ⅳ級（0.47＜ESI≤0.56），Ⅴ級（0.56＜ESI≤0.77），以此得到新疆景觀生態(tài)安全等級分布（圖1）和生態(tài)安全等級面積變化（表4）。

圖1 景觀生態(tài)安全等級分布

從景觀生態(tài)安全等級分布來看，整體呈現(xiàn)趨勢為天山中部高，南北低，綠洲城市高，荒漠地區(qū)低。新疆北部地區(qū)阿勒泰、富蘊等地從不安全區(qū)、較不安全區(qū)轉(zhuǎn)為基本安全區(qū)，準格爾盆地出現(xiàn)從較安全區(qū)轉(zhuǎn)為基本安全區(qū)的趨勢，塔城地區(qū)、克拉瑪依等地安全等級有所下降。新疆中部綠洲城市群變化不明顯，有略微浮動。伊寧城市區(qū)域從較安全區(qū)到安全區(qū)變化明顯。新疆南部部分地區(qū)從較不安全區(qū)轉(zhuǎn)為基本安全區(qū)，如于田、且末等地。巴州地區(qū)安全等級有所降低。

從1980—2018 年新疆景觀生態(tài)安全等級面積變化來看（表4），景觀安全等級面積及其占比較為均衡，出現(xiàn)小幅度變化，其中不安全區(qū)面積增加最為明顯，研究期間增加了339 959 km2，較1980 年增加了5.09 個百分點，較不安全區(qū)維持不變，基本安全區(qū)、較安全區(qū)、安全區(qū)占比分別下降了2.24、1.43、1.46 個百分點，說明研究區(qū)40 年間，生態(tài)安全狀況未能改善，一方面原因可能是人們?yōu)榱松a(chǎn)與生活的需要，強調(diào)經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化的加快，導致生態(tài)空間被壓縮；另一方面可能是由于新疆獨特的氣候、地形及水土環(huán)境，加劇了干旱缺水、土壤鹽漬化和荒漠化程度，導致綠洲林地、草地、水域等生態(tài)空間不斷減少。

表4 1980—2018 年新疆景觀生態(tài)安全等級面積變化

2.3 景觀生態(tài)安全空間自相關(guān)分析

利用OpenGeoDa 軟件計算各評價單元景觀生態(tài)安全指數(shù)的全局自相關(guān)Moran’s I 指數(shù)，如圖2 所示。計算得出1980、2018 年Moran’s I 指數(shù)分別為0.452 286、0.506 131，且均為正值，通過P=0.05 的顯著性水平檢驗，說明在研究期間研究區(qū)景觀生態(tài)安全在空間上存在正相關(guān)關(guān)系，空間分布具有集聚特征。研究區(qū)1980—2018 年Moran’s I 指數(shù)呈上升趨勢，說明空間自相關(guān)性關(guān)系有所提升，在象限分布上，主要集中于第一、第三象限上，屬于高-高、低-低生態(tài)安全聚集模式。其中，第一象限的散點分布比較集中，即高安全區(qū)域差距不大，這說明新疆綠洲城市發(fā)展較為均衡，發(fā)展過程中注重城市內(nèi)部綠化與周邊防護林的建設。

圖2 新疆景觀生態(tài)安全值Moran’s I 指數(shù)

為了解研究區(qū)局部自相關(guān)關(guān)系，利用OpenGeo?Da 軟件計算各評價單元景觀生態(tài)安全指數(shù)的局部自相關(guān)LISA 聚集結(jié)果，如圖3 所示。由圖3 可以看出，新疆景觀生態(tài)安全值的高-高值區(qū)、低-低值區(qū)集聚現(xiàn)象比較明顯，而高-低值區(qū)、低-高值區(qū)則分布較為零散。與景觀生態(tài)安全等級分布圖比較來說，高-高值區(qū)域與景觀生態(tài)安全等級圖中安全區(qū)具有很高的一致性，主要分布于天山以北準格爾盆地四周的城市群，低-低值區(qū)域與不安全區(qū)基本一致，主要分布于天山以南的塔里木盆地沙漠人煙稀少區(qū)以及新疆東部的哈密、吐魯番地區(qū)。從網(wǎng)格數(shù)來看，研究區(qū)高-高值區(qū)、低-低值區(qū)網(wǎng)格數(shù)目均遠大于低-高、高-低值區(qū)，這說明新疆地區(qū)景觀生態(tài)安全分布以高-高、低-低值區(qū)集聚類型為主。

圖3 新疆景觀生態(tài)安全值LISA 指數(shù)

3 討論

本研究以新疆作為研究區(qū)，探究其在三生空間視角下典型干旱區(qū)景觀的生態(tài)安全。利用ArcGIS、Frastrate、Geoda 等技術(shù)工具，研究在30 km 格網(wǎng)尺度下新疆1980—2018 年景觀生態(tài)安全的變化。首先，與前人研究相比，本研究數(shù)據(jù)來源于中國土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，比遙感解譯更加精準。其次，景觀生態(tài)安全是一個動態(tài)概念，影響因素有人口、經(jīng)濟、自然資源、經(jīng)濟、政治等，本研究主要針對景觀生態(tài)安全進行評價分析，至于后期的預警調(diào)控，如何從不安全區(qū)到安全區(qū)的轉(zhuǎn)化是未來研究的重點，可作為一項長期工作來展開。關(guān)于三生空間的研究處于初步階段，尚未形成統(tǒng)一的三生空間土地利用分類體系，研究時需根據(jù)研究區(qū)實際情況進行合理分析。景觀生態(tài)安全模型構(gòu)建中，一般選用干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)，但脆弱度是相對概念，具有不確定性和復雜性，需要結(jié)合研究區(qū)概況進行主觀賦值，不具有一般客觀性，因為研究區(qū)不同會產(chǎn)生不同結(jié)果。因此，三生空間分類體系的構(gòu)建，景觀生態(tài)安全評價的指標選取，準確客觀定性景觀脆弱度，還需要進一步研究。

4 小結(jié)

從新疆土地利用類型演變結(jié)果可以看出，1980—2018 年以來，新疆景觀類型以牧草生態(tài)空間和其他生態(tài)空間為主導，其中牧草生態(tài)空間占總面積的29%以上，其他生態(tài)空間占總面積的60%以上，兩者共占總面積的90%左右，構(gòu)成新疆的主要土地利用類型。從各土地利用類型的面積變化來看，整體來說，生產(chǎn)空間在不斷增加，生態(tài)空間在不斷減小，生活空間變化幅度不太明顯。生產(chǎn)空間中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間面積增長了33 537.82 km2，林地生態(tài)空間和水域生態(tài)空間面積減少了10 734.10、15 178.34 km2。

從新疆景觀生態(tài)安全等級來看，不安全區(qū)與較不安全區(qū)所占面積在35%~40%，低于基本安全區(qū)和更高等級安全區(qū)，說明新疆的景觀生態(tài)安全目前處于基本安全區(qū)域，但不安全區(qū)和較不安全區(qū)的占比從1980 年的36.64%上升到2018 年的41.77%，新疆景觀生態(tài)安全呈下降趨勢。

新疆1980 年、2018 年Moran’sⅠ指數(shù)分別為0.452 286、0.506 131，且均為正值，通過P=0.05 的顯著性水平檢驗，說明在研究期間研究區(qū)景觀生態(tài)安全在空間上存在正相關(guān)關(guān)系，空間分布具有集聚特征。全局空間自相關(guān)水平呈顯著上升趨勢，局部空間自相關(guān)存在顯著的高-高值區(qū)、低-低值區(qū)聚集現(xiàn)象。