“三生空間”視角下烏魯木齊市土地利用功能轉型及其生態(tài)服務價值研究*

張芊芊 邵戰(zhàn)林# 林 娟 孟 玲

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

當前，國內(nèi)外己有的研究成果仍在研究尺度、土地利用功能分區(qū)等方面存在不足之處[5-13]。當前大部分相關研究對用地進行劃分以及分析時，多以經(jīng)濟功能、社會功能、生態(tài)功能等單一的功能為主，較少以生態(tài)為研究重點，對“三生空間”的多功能性質缺乏考慮。聚焦于土地利用結構、數(shù)量變化所引發(fā)的生態(tài)效應，立足于“三生空間”視角，深入分析土地利用功能轉型及生態(tài)效應的研究較少。本研究以土地利用功能轉型為切入點，將具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能、水域養(yǎng)殖功能、生活生產(chǎn)功能與生態(tài)功能相聯(lián)系，并著重分析生態(tài)價值較高的生態(tài)空間，探尋新型城鎮(zhèn)化背景下的土地利用功能轉型產(chǎn)生的生態(tài)效應，為實現(xiàn)土地資源合理利用和城鎮(zhèn)化水平高度協(xié)調(diào)提供一種新思路，更為直觀地認識土地利用功能轉型及其與生態(tài)環(huán)境效應之間的關系，對未來協(xié)調(diào)烏魯木齊市多樣化的土地生態(tài)系統(tǒng)，提高土地資源的整體效益以及可持續(xù)利用發(fā)展水平，促進資源環(huán)境優(yōu)化配置具有重要的實踐意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市坐落于我國西北地區(qū)，是新疆維吾爾自治區(qū)的首府城市，位于亞歐大陸的內(nèi)陸，是南疆與北疆相互聯(lián)系的關鍵交通環(huán)節(jié)，同時也是我國與中亞、西亞以及歐洲聯(lián)系的重要通信樞紐。近幾年城市人口激增，城市用地需求迅速增加，導致中心城區(qū)界線不斷向外延伸，城市內(nèi)外土地利用變動幅度增大。從自然因素來看，烏魯木齊市作為一個典型的溫帶半干旱綠洲城市，自然植被分布零星稀疏，受沙化災害的影響逐年嚴重，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱。

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大氣校正等影像預處理的基礎上，利用eCognition對3期影像進行解譯，再進行影像分割，并基于樣本進行監(jiān)督分類，獲取其研究區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS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Kappa系數(shù)達到85%以上，符合研究需要。其他相關研究數(shù)據(jù)主要來自相應年份烏魯木齊市統(tǒng)計年鑒和全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編。

2 研究方法

2.1 建立“三生空間”土地利用功能分類體系

本研究參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)，以烏魯木齊市的土地利用主導功能以及相關研究[14-17]為依據(jù)，確定烏魯木齊市土地利用分類體系(見表1)。

表1 基于“三生空間”功能的烏魯木齊市土地利用分類體系

2.2 土地利用轉移矩陣

在特定的時段內(nèi)，土地利用轉移矩陣(S，見式(1))主要用來表示分類體系中，土地利用類型在不同時段相互轉換的方向以及數(shù)量，采用ArcGIS的空間分析功能對特定的兩個年份進行匯總、空間疊加等處理，能反映出研究區(qū)域內(nèi)不同時段內(nèi)土地利用類型在空間轉移的情況。

(1)

式中：sij為土地利用類型i轉變?yōu)閖的面積，km2；i和j分別為研究初期與末期的土地利用類型；n為土地利用類型總數(shù)。

2.3 生態(tài)服務價值(ESV)評估

謝高地課題組[18-19]對部分用地的ESV當量因子進行計算，根據(jù)計算結果對土地利用類型的ESV進行評估。將本研究中有林地、未利用地和耕地的ESV當量因子分別與上述研究中的森林、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田的結果相對應；灌木林地、疏林地的ESV當量因子測算根據(jù)郁閉度的不同進行適當調(diào)整；濕地、草地、園地的ESV當量因子參考文獻[16]；養(yǎng)殖水域、鹽田、居住用地、工交用地的ESV當量因子參考文獻[20]至文獻[21]的研究成果。烏魯木齊市ESV當量因子匯總于表2。計算不同土地利用類型的ESV時，根據(jù)當?shù)厍闆r進行修正(修正系數(shù)為0.58)[22]。

保寧醋是四川麩醋的典型代表，以麩皮為主要原料，小麥、玉米、大米及幾十種中草藥為輔料，用生料制成藥曲并加入黑曲組成糖化劑，與酵母等混勻后加入發(fā)酵池中，采用生料固態(tài)開放式多菌種混合發(fā)酵，使糖化、酒化和醋化同時在發(fā)酵池中進行發(fā)酵周期1個月以上[24]。四川麩醋采用藥曲生料固態(tài)開放式多菌混合發(fā)酵工藝[25,26]， 它是碳水化合物、乙醇、乙酸逐步轉化的過程，這一切的源動力都來源于微生物菌相[27]。

表2 烏魯木齊市ESV當量因子

根據(jù)烏魯木齊市2004—2018年的糧食總產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量以及糧食價格，測算出烏魯木齊市的單位面積農(nóng)田產(chǎn)糧價值為1 096.80元/hm2。基于此，校驗研究區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型ESV當量因子，再測算ESV，計算方法見式(2)。

IESV,k=∑Ak×VCk

(2)

式中：IESV,k為研究區(qū)域內(nèi)某一年份某土地利用類型k的ESV，元；Ak為土地利用類型k在研究區(qū)域內(nèi)分布的面積，hm2；VCk為土地利用類型k的ESV當量因子，元/(hm2·a)。

為檢驗測算ESV的準確性，采用敏感性指數(shù)(CS)來反映ESV當量因子對ESV的影響程度。若CS大于1，則說明ESV對ESV當量因子的彈性程度較高，測算修正后的結果準確性較低。CS計算方法見式(3)。

(3)

式中：VCj和VCi的調(diào)整幅度設定為-50%～50%。

如圖1所示，敏感度分析結果表明，研究區(qū)域內(nèi)ESV對所采用的ESV當量因子依賴度較低，可知本研究所選擇的ESV當量因子具有準確性，修正測算結果在本研究區(qū)具有可信性。

圖1 烏魯木齊市ESV敏感度指數(shù)

3 結果與分析

3.1 “三生空間”土地利用功能轉型特征

以烏魯木齊市2004—2018年3期的土地利用數(shù)據(jù)為依據(jù)，并以2011年為節(jié)點將研究時段分為前后兩期，探討烏魯木齊市“三生空間”格局及演變特征，結果見圖2。隨著城市化進程的步伐不斷加快，烏魯木齊市的生活生產(chǎn)空間規(guī)模不斷向外擴散，15年間面積增加437.91 km2；生產(chǎn)生態(tài)空間面積前期(2004—2011年)增加98.91 km2，后期(2011—2018年)下降182.63 km2，呈先增加后下降的趨勢；前期生態(tài)生產(chǎn)空間面積增加15.41 km2，后期面積減少19.85 km2；而生態(tài)空間表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，2004—2018年下降面積共計351.24 km2。

圖2 2004—2018年烏魯木齊市“三生空間”格局分布特征

如表3所示，烏魯木齊市生活生產(chǎn)空間的面積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，居住用地對未利用地、耕地、草地、園地進行侵占，未利用地、耕地、草地、園地對其面積增加的貢獻率分別為29.66%、20.01%、3.45%和2.81%，且居住用地侵占未利用地、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)和耕地的面積(主要侵占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)迅速增加。工交用地擴張主要來自于對未利用地、耕地的侵占，未利用地、耕地對其面積增加的貢獻率分別為51.68%和15.51%。生態(tài)生產(chǎn)空間規(guī)模的增加主要體現(xiàn)為養(yǎng)殖水域和鹽田占用了工交用地和濕地，生產(chǎn)生態(tài)空間規(guī)模增加主要體現(xiàn)在耕地和園地對未利用地的占用。

表3 2004—2018年烏魯木齊市土地利用轉移矩陣

3.2 ESV時空變化

根據(jù)表4可知，烏魯木齊市在2004、2011和2018年的ESV分別達到36.47億、31.23億、31.41億元，其中，生態(tài)空間所帶來的ESV的貢獻量均占總量的90%以上。前期烏魯木齊市的ESV有小幅降低，后期又稍有回升，但總體呈下降趨勢，2018年相比2004年下降了13.87%。

表4 2004—2018年烏魯木齊市“三生空間”ESV變化

生態(tài)生產(chǎn)空間和生產(chǎn)生態(tài)空間ESV變化趨勢與整體區(qū)域變化情況相反，前期ESV有所上升，以2011年為拐點降速明顯。從整個時段來看，烏魯木齊市生產(chǎn)生活空間的ESV持續(xù)下降，后期降速明顯。后期生態(tài)空間ESV增加2.29億元，有林地和疏林地面積的不斷增加是其空間擴張的主要原因，這使得生態(tài)空間ESV有所提高。濕地、居住用地、灌木林地以及草地的ESV衰減量較大，分別為3.81億、1.67億、1.45億、1.08億元，工交用地、耕地、未利用地和鹽田的ESV也有所下降。

采用自然斷裂點法將烏魯木齊市ESV空間分為5個等級，結果見圖3。2004—2011年間烏魯木齊市的ESV低級區(qū)域主要集中在中心城區(qū)內(nèi)，以沙依巴克區(qū)、天山區(qū)、水磨溝區(qū)為主，2011—2018年ESV低級區(qū)域隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展呈明顯向米東區(qū)、頭屯河區(qū)及以北部擴散的趨勢。從空間分布形態(tài)上來看，烏魯木齊市ESV較低級區(qū)域與園地、養(yǎng)殖水域分布格局較為吻合；ESV中級區(qū)域前期分布面積較大，后期集中在城區(qū)北部；ESV較高級區(qū)域前期分布在耕地、林地、水域等覆蓋率較大的區(qū)域，后期覆蓋大部分區(qū)域；ESV高級區(qū)域集中分布在西南部具有旅游性質的開發(fā)區(qū)、風景區(qū)及東北部山地區(qū)域，其分布形態(tài)與灌木林地、有林地等郁閉度較高的區(qū)域較為吻合。

圖3 2004—2018年烏魯木齊市ESV時空變化

3.3 “三生空間”土地利用功能轉型對ESV的影響

如圖4所示，2004—2018年生態(tài)空間內(nèi)烏魯木齊市有林地ESV差值降低幅度最大，有林地被生態(tài)空間內(nèi)部未利用地、灌木林地、草地、疏林地以及生活生產(chǎn)空間內(nèi)居住用地占用，轉型后ESV當量因子明顯下降，對生態(tài)效益產(chǎn)生負向影響，說明烏魯木齊市未來需要重點考慮對林地資源的保護，維護基礎性生態(tài)用地空間，保護城市內(nèi)部各類生態(tài)系統(tǒng)特殊地帶。

圖4 2004—2018年“三生空間”土地利用功能轉型前后ESV衰減情況

濕地占烏魯木齊市總量較小，但ESV下降總量較大，濕地主要轉型方向為未利用地、鹽田、居住用地。根據(jù)土地利用功能轉型面積總量來看，整體轉型規(guī)模較小，但實際ESV下降總量卻很大，說明未來對濕地應基于生態(tài)環(huán)境安全的需要進行針對性維護，如將重點濕地保護區(qū)、河湖資源區(qū)、重要水源保護區(qū)作為基礎性的生態(tài)用地區(qū)進行維護。其次，未利用地轉向生活生產(chǎn)空間，ESV下降總量較大，說明烏魯木齊市在持續(xù)擴張的過程中，未利用地被占用對生態(tài)效益產(chǎn)生的負向影響較為明顯，對未來發(fā)展可持續(xù)型城市提出挑戰(zhàn)。

生態(tài)生產(chǎn)空間內(nèi)養(yǎng)殖水域ESV下降總量最大，向生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)的耕地(ESV差值為-0.08億元)、生活生產(chǎn)空間內(nèi)的居住用地(差值為-0.02×105元)和生態(tài)空間內(nèi)的未利用地(差值為-0.02億元)轉型。雖然養(yǎng)殖水域轉向耕地的面積較小，但耕地與養(yǎng)殖水域相比ESV當量因子較低，因此對養(yǎng)殖水域整體ESV下降有一定影響。

生產(chǎn)生態(tài)空間被生活生產(chǎn)空間占用，導致耕地ESV下降1.62億元，園地ESV下降0.27億元，這說明烏魯木齊市未來應擴展城市的生態(tài)安全綠色空間，維護城郊地帶的耕地和園地，發(fā)揮生產(chǎn)生態(tài)空間的景觀、間隔功能，進而提升整個城市的生態(tài)效益。

如圖5所示，2004—2018年間，生態(tài)空間內(nèi)有林地、疏林地、草地ESV增加量分別為6.38億、3.25億、1.47億元，占生態(tài)空間ESV增加總量的50.04%、25.47%、11.55%。這表明能提高烏魯木齊市ESV的重要功能用地是林地以及草地資源，未來烏魯木齊市在發(fā)展及規(guī)劃過程中，應保護西部綠洲城市林地及草地資源，使生態(tài)區(qū)布局達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，重點對荒漠地帶的林地進行封育和保護，適度擴展林地和草地生態(tài)區(qū)規(guī)模。

圖5 2004—2018年“三生空間”土地利用功能轉型前后ESV增加情況

生態(tài)生產(chǎn)空間內(nèi)提高烏魯木齊市ESV的主要土地利用功能轉型方向是鹽田轉變?yōu)闈竦?，ESV增加量為0.04億元，占生態(tài)生產(chǎn)空間ESV增加總量的92.46%。這表明濕地資源對生態(tài)效益起重要作用，但濕地受地形地貌、氣候及水資源承載力、環(huán)境容量的限制較大，未來應重點保護河湖、沼澤等濕地資源。

生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)提高烏魯木齊市ESV的主要土地利用功能轉型方向是耕地轉變?yōu)閳@地，可帶來ESV增加量0.37億元，占生產(chǎn)生態(tài)空間ESV增加總量的85.34%。未來應考慮生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)部各功能用地的布局，促進城鄉(xiāng)生態(tài)功能空間的完善和都市農(nóng)業(yè)發(fā)展。

居住用地轉變?yōu)樯鷳B(tài)空間內(nèi)的有林地帶來的ESV增加量為0.12億元，轉變?yōu)樯a(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)的耕地和園地總計提高ESV達0.28億元。工交用地轉變?yōu)槲蠢玫?、養(yǎng)殖水域、耕地提高的ESV分別為0.18億、0.19億、0.12億元。這表明生活生產(chǎn)空間對生態(tài)用地的退讓有利于提升整個城市的生態(tài)效益。

4 結 語

烏魯木齊市生產(chǎn)生態(tài)空間以及生態(tài)生產(chǎn)空ESV出現(xiàn)倒“V”形變化，生態(tài)空間面積總體持續(xù)下降。生活生產(chǎn)空間的持續(xù)擴張主要來自于對未利用地、草地、耕地以及園地的占用，烏魯木齊市城區(qū)不斷向外蔓延是導致“三生空間”土地利用類型變化的主要原因。

2004—2018年間烏魯木齊市ESV整體呈下降趨勢，居住用地和工交用地的快速擴張破壞了基本穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，造成整個區(qū)域內(nèi)的生態(tài)效益呈現(xiàn)負向趨勢。生態(tài)空間中部分土地利用類型的轉變，生活生產(chǎn)空間對其他空間的占用，導致烏魯木齊市ESV持續(xù)下降，另外，具有水域生態(tài)功能、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能的土地利用類型對區(qū)域生態(tài)效益具有一定的助推作用。

未來應考慮優(yōu)化推進“三生空間”的最佳布局；重點保護林地、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；提升生態(tài)生產(chǎn)空間以及生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)部的各項生態(tài)服務功能，降低因城市發(fā)展導致的生態(tài)失衡；高效集約利用生活、生產(chǎn)功能用地，提高其社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。