新疆博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境變化對(duì)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的響應(yīng)

約日古麗卡斯木，孜比布拉·司馬義，王 蕾，肖合來(lái)提·巴義

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新疆博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境變化對(duì)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的響應(yīng)

約日古麗卡斯木1,3，孜比布拉·司馬義1,2,3※，王 蕾1,3，肖合來(lái)提·巴義1,2,3

（1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046；3. 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046）

城市化進(jìn)程不斷加快帶來(lái)一系列的環(huán)境問(wèn)題，其中，以城市生態(tài)惡化為表現(xiàn)形式的“城市病”越來(lái)越受到政府和社會(huì)的關(guān)注。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確、快速地探究生態(tài)環(huán)境演變對(duì)城市擴(kuò)張的響應(yīng)顯得尤為重要。該研究基于遙感生態(tài)指數(shù)（remote sensing ecological index, RSEI）分析博樂(lè)市2000―2016年生態(tài)環(huán)境變化情況并通過(guò)引入城市擴(kuò)張強(qiáng)度、重心位移模型等方法，對(duì)博樂(lè)市城市空間擴(kuò)張強(qiáng)度與形態(tài)進(jìn)行分析，揭示城市生態(tài)環(huán)境變化對(duì)城市用地?cái)U(kuò)張的響應(yīng)。結(jié)果表明：1）RSEI不僅適用于城市主城區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)而且以行政邊界為界限的整個(gè)城區(qū)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中同樣可行；2）2000―2016年間博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有一定程度的惡化趨勢(shì)，即RSEI均值從2000―2011年下降4.97%；從2011―2016年下降15.4%；3）生態(tài)環(huán)境變好的區(qū)域主要分布在山前平原區(qū)，老城區(qū)及其周?chē)簧鷳B(tài)環(huán)境惡化的區(qū)域主要分布在主城區(qū)的外圍地區(qū)，沿博爾塔拉河兩岸帶狀分布；4）城市擴(kuò)張的區(qū)域與RSEI評(píng)價(jià)結(jié)果顯示的生態(tài)環(huán)境狀況惡化的區(qū)域基本重合。

土地利用；生態(tài)；環(huán)境；建設(shè)用地；城市擴(kuò)張；RSEI；博樂(lè)市；新疆

0 引 言

自20世紀(jì)起，全球城市化呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。伴隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市人口持續(xù)增長(zhǎng)，城市建筑群規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市氣候、環(huán)境問(wèn)題日益突出[1]。為響應(yīng)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，在20世紀(jì)90年代起實(shí)行“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略以來(lái)，中國(guó)西部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，為此推動(dòng)了中國(guó)西部干旱區(qū)工業(yè)化和城市化的發(fā)展進(jìn)程。因工業(yè)化及城市化發(fā)展引起的大量建設(shè)用地的增多會(huì)導(dǎo)致劇烈的土地利用/土地覆被（LUCC）變化，這種現(xiàn)象在城市擴(kuò)張過(guò)程中較為普遍，且當(dāng)其作為關(guān)鍵因素集中作用于某一區(qū)域時(shí)會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境變化帶來(lái)重大影響，如：生物多樣性、全球變暖、城市熱島效應(yīng)和水資源供應(yīng)緊張等[2-4]。隨著城市化水平的提高，中國(guó)西部?jī)?nèi)陸干旱綠洲也成為人地關(guān)系較緊張的區(qū)域之一，干旱的自然環(huán)境決定了其生態(tài)系統(tǒng)的敏感性，而脆弱的生態(tài)環(huán)境及突出的生態(tài)問(wèn)題己成為制約西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[5]。要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須對(duì)生態(tài)狀況和變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，以發(fā)現(xiàn)這些復(fù)雜的問(wèn)題，從而保護(hù)生態(tài)完整性[6]；但遙感技術(shù)和GIS技術(shù)的日益發(fā)展為解決此問(wèn)題提供了快速識(shí)別環(huán)境時(shí)空變化的工具[7-8]。

經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，人類(lèi)改變地球表面的速度、幅度和空間范圍是史無(wú)前例的。隨著國(guó)家對(duì)新疆地區(qū)的各種優(yōu)惠政策的實(shí)施，中國(guó)西部地區(qū)土地利用發(fā)生了巨大的變化，如環(huán)塔里木地區(qū)綠洲城市、天山北坡經(jīng)濟(jì)帶、吐魯番哈密綠洲城市等。這些地區(qū)在經(jīng)濟(jì)改革之后，工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快和人口的增加，通過(guò)建成區(qū)和城市擴(kuò)張對(duì)土地利用變化產(chǎn)生很大的影響。

近年來(lái)，城市生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的研究也有很大發(fā)展，主要側(cè)重于利用遙感技術(shù)從土地利用變化[9-10]、城市熱島效應(yīng)[11-12]、不透水面蓋度[13-14]、植被徑流變化[15]、等生態(tài)因子角度開(kāi)展城市生態(tài)效應(yīng)影響評(píng)價(jià)。與其他數(shù)據(jù)相比，遙感(RS)數(shù)據(jù)具有記錄完全覆蓋陸地表面時(shí)空數(shù)據(jù)的獨(dú)特能力。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域[16]。以往的研究中，這些應(yīng)用主要集中在單方面的單個(gè)生態(tài)因子的生態(tài)狀況，如：歸一化植被指數(shù)（NDVI）[16]、地表溫度（LST）、凈初級(jí)生產(chǎn)量（NPP）、歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)等。由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，要較全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，需要用綜合指標(biāo)全面考慮各種因素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)方面開(kāi)展了大量研究工作[17-21]。在此基礎(chǔ)上，Reza等[22]開(kāi)發(fā)了一個(gè)綜合的區(qū)域生態(tài)完整性的方法； Gupta等[23]提出城市鄰里綠色指數(shù)（UNGI），通過(guò)監(jiān)測(cè)城市綠地質(zhì)量來(lái)反映城市生態(tài)環(huán)境。這些大多數(shù)為定性研究，或者基于單個(gè)生態(tài)因子的研究[24]，同時(shí)主要側(cè)重于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大城市的生態(tài)環(huán)境研究，而在干旱綠洲小城市開(kāi)展遙感生態(tài)變化研究基本沒(méi)有。本研究選取新型綜合生態(tài)指數(shù)RSEI法，對(duì)典型綠洲小城市博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的響應(yīng)進(jìn)行分析，為干旱綠洲小城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

博樂(lè)市位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部（圖1），東臨艾比湖，天山西段北麓，東北與準(zhǔn)噶爾盆地相接，即（44.57°N，82.08°E）。其為博爾塔拉蒙古自治州首府，是絲綢之路上的要塞，行政區(qū)面積7 790 km2，有“中國(guó)西部第一門(mén)戶(hù)”之稱(chēng)[25]。博樂(lè)市城鎮(zhèn)化率達(dá)到55.64%，城鎮(zhèn)化水平已達(dá)全國(guó)平均城市化水平，在西北地區(qū)具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究選取軌道號(hào)為146/29和147/29的2景Landsat遙感影像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源（地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站http://glovis.usgs.gov，如表1所示），數(shù)據(jù)獲取日期分別為：2000年8月17日（TM），2011年9月23日（ETM）和2016年8月16日（OLI）（表1）。數(shù)據(jù)質(zhì)量完好，滿(mǎn)足研究需要。

根據(jù)解譯需要，對(duì)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、大氣校正、波段組合、圖像鑲嵌等預(yù)處理工作。對(duì)Landsat8OLI發(fā)布的數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行了幾何校正，無(wú)需重復(fù)操作，誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。為了減少誤差，將所有數(shù)據(jù)以墨卡托投影（UTM）和世界大地測(cè)量系統(tǒng)（WGS-1984）為基準(zhǔn)。結(jié)合室內(nèi)判讀與野外調(diào)查的方法，參考中國(guó)土地利用二次分類(lèi)方案，按照研究區(qū)實(shí)際情況，將經(jīng)過(guò)幾何校正的TM/OLI影像，經(jīng)過(guò)波段的最優(yōu)化處理，把TM543和OLI652生成標(biāo)準(zhǔn)加彩色合成，組合后使影像上的地物具有代表性[26]。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源

建設(shè)用地的提取，結(jié)合研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)和研究目標(biāo)，將其土地利用分為林草地、水域、耕地、城鎮(zhèn)用地和裸地5類(lèi)。通過(guò)野外調(diào)查建立解譯標(biāo)志，進(jìn)而在ENVI5.3軟件平臺(tái)上采用最大似然法監(jiān)督分類(lèi)，完成對(duì)遙感數(shù)據(jù)的解譯，得到博樂(lè)市（2000―2016年）三期的土地利用變化圖。三期影像監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果精度分別為88.7%、84.3%、82.9%，Kappa系數(shù)值為0.87、0.837、0.809可滿(mǎn)足研究需求。再運(yùn)用ArcGIS軟件，提取博樂(lè)市城鎮(zhèn)用地類(lèi)型，以便在空間上準(zhǔn)確識(shí)別其空間動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)）的提取，采用ENVI5.3軟件的Band math功能實(shí)現(xiàn)（計(jì)算公式及過(guò)程見(jiàn)圖2）。

2 研究方法

2.1 遙感生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，本研究使用基于遙感信息的且集成多種指標(biāo)因素的遙感綜合生態(tài)指數(shù)RSEI。其獲取指標(biāo)的過(guò)程及方法參考文獻(xiàn)[27-31]。RSEI計(jì)算流程如圖2所示。

圖中，B、G、R、NIR、SWIR1、SWIR2分別代表TM的1、2、3、4、5、7波段以及OLI的Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2波段的反射率。具體計(jì)算系數(shù)參考文獻(xiàn)[32-34]。

2.2 綜合指數(shù)的構(gòu)建

本研究監(jiān)測(cè)博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境，參考徐涵秋指出的遙感綜合生態(tài)指數(shù)（RSEI），綜合指數(shù)中提出的這4種指標(biāo)是人類(lèi)直觀感覺(jué)生態(tài)質(zhì)量好壞的典型因素，因此，這綜合指數(shù)常被用在生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中[35]，而且這4個(gè)指標(biāo)可以從遙感圖像中快速提取出來(lái)。計(jì)算綜合生態(tài)指數(shù)的公式和具體步驟參考文獻(xiàn)[36-37]。

注：RSEI表示遙感生態(tài)指數(shù)，NDVI表示綠度，WET表示濕度，NDBSI表示熱度，LST表示地表溫度。DN 為像元灰度值，gain和 bias 分別為波段增益值和偏置值，L6/10分別為 TM/TIRS 熱紅外波段像元在傳感器處的輻射值，SI表示裸地指數(shù)，IBI表示建筑指數(shù)，T表示傳感器處溫度值，K1,K2表示定標(biāo)參數(shù)，λ表示熱紅外波段的中心波長(zhǎng)，e為地物的比輻射率。B、G、R、NIR、SWIR1、SWIR2分別代表TM的1、2、3、4、5、7波段以及OLI的Blue、Green、Red、NIR、SWIR1、SWIR2波段的反射率。

2.3 城市擴(kuò)展特點(diǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)

2.3.1 擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)

年均城市用地?cái)U(kuò)展面積/土地總面積。通過(guò)計(jì)算城市擴(kuò)展強(qiáng)度，能揭示不同時(shí)期城市擴(kuò)張的強(qiáng)弱及趨勢(shì)[38]。

式中AGR代表城市年均擴(kuò)張強(qiáng)度，UA+i和UA分別代表第+年和第年城市土地面積(km2)，以年為單位。

2.3.2 城市重心轉(zhuǎn)移模型

1）城市重心坐標(biāo)

本文運(yùn)用ArcGIS10.3軟件對(duì)博樂(lè)市在不同時(shí)期的建設(shè)用地圖層進(jìn)行融合分析，計(jì)算出重心坐標(biāo)，進(jìn)而分析重心轉(zhuǎn)移情況[39]。計(jì)算公式如下

式中X、Y分別為時(shí)城市用地重心坐標(biāo)；X、Y為第塊城市用地的幾何中心坐標(biāo)；C為第個(gè)片區(qū)面積(km2)。

2）重心轉(zhuǎn)移距離

根據(jù)城市重心坐標(biāo)，計(jì)算2個(gè)不同時(shí)期內(nèi)的城市建設(shè)用地重心的轉(zhuǎn)移距離，然后對(duì)城市重心轉(zhuǎn)移特點(diǎn)進(jìn)行定量描述。計(jì)算公式如下

式中是城市重心之間的轉(zhuǎn)移距離；1、1是城市建設(shè)用地初期的重心坐標(biāo)；2、2是城市建設(shè)用地后期的重心坐標(biāo)[40]。

3 結(jié)果與分析

3.1 博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

從表2（各年份指標(biāo)及RSEI均值、PC1荷載值）可知，博樂(lè)市的RSEI均值從2000年0.703到2011年的0.688，下降4.97%；從2011年的0.668再到2016年的0.565，下降15.4%，最近幾年下降的幅度較大。在過(guò)去的16a間，博樂(lè)市RSEI指數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。相應(yīng)地，這種情況在圖3（博樂(lè)市遙感生態(tài)指數(shù)RSEI影像圖）有所體現(xiàn)，2000―2016年，城市生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域面積逐漸在擴(kuò)大，繼而取代生態(tài)環(huán)境優(yōu)的區(qū)域。

表2 各年份指標(biāo)及RSEI均值、PC1荷載值變化

同時(shí)，從表2中各年不同指標(biāo)的PC1載荷值進(jìn)行對(duì)比可知，濕度（WET）和綠度（NDVI）值為正值，表明二者對(duì)生態(tài)環(huán)境有促進(jìn)作用，干度（NDSI）和熱度（LST）載荷值為負(fù)值，這兩者對(duì)生態(tài)環(huán)境有阻礙作用，該結(jié)果與實(shí)際情況相符。本研究進(jìn)一步對(duì)各年份各指標(biāo)的PC1的絕對(duì)值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，干度和熱度對(duì)結(jié)果的貢獻(xiàn)都較大，并呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這表明建設(shè)用地的變化對(duì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果影響較大。

為了更明確的體現(xiàn)RSEI的生態(tài)效應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行定量化、可視化分析，將各年份的結(jié)果以0.2為間隔分為5個(gè)等級(jí)[41]：差、較差、中、優(yōu)、良（如圖4）。同時(shí)，對(duì)2000年、2011年、2016年的每個(gè)等級(jí)所占面積比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表3）。由表3可知，從2000—2016年，博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境具有明顯的變化，2000年博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境中、良、優(yōu)的區(qū)域占總面積的81.78%；2011年占比為76.8%；到2016年占比降到64.15%；在這17a間下降了17.63個(gè)百分點(diǎn)。說(shuō)明博樂(lè)市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量每年平均下降1個(gè)百分點(diǎn)，生態(tài)質(zhì)量逐年下降。同時(shí)，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況為差、較差的區(qū)域面積比例從2000年的18.22%上升到2011年的23.15%和2016年的35.85%，可以說(shuō)明博樂(lè)市生態(tài)質(zhì)量逐漸下滑的趨勢(shì)。

圖3 博樂(lè)市遙感生態(tài)指數(shù)圖

從圖4可知，2000年表示博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境良和中的區(qū)域占研究區(qū)總面積的比例較大，包括林草地、耕地等土地利用類(lèi)型，生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域主要集中在以人民公園和南城區(qū)為中心的居民住宅及建設(shè)用地，這時(shí)博樂(lè)市生態(tài)差的區(qū)域面積不大。2011年開(kāi)始隨著博樂(lè)市城鎮(zhèn)建設(shè)用地的逐步擴(kuò)大，生態(tài)質(zhì)量差和較差的面積逐漸擴(kuò)大，主要分布在博爾塔拉河兩岸。這時(shí)期出現(xiàn)生態(tài)質(zhì)量較差的面積明顯比2000年增加，主要受政府政策的影響，擴(kuò)大城市規(guī)模，隨之出現(xiàn)生態(tài)質(zhì)量下降的趨勢(shì)。這時(shí)，博樂(lè)市生態(tài)狀況差的區(qū)域面積擴(kuò)散而不集中。

圖4 RSEI結(jié)果等級(jí)圖

表3 博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境等級(jí)面積與比例

到2016年，生態(tài)差和較差的區(qū)域面積明顯增加，主要分布在博爾塔拉河?xùn)|西兩岸，尤其河流東岸擴(kuò)張面積明顯增加，受政策的影響建設(shè)大規(guī)模的城市新區(qū)，新增化工業(yè)、輕工制造業(yè)等不同類(lèi)型的企業(yè)。博樂(lè)市生態(tài)差的區(qū)域面積較大且集中。

為了更明確博樂(lè)市17 a間的生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，基于以上5種等級(jí)的劃分，對(duì)博樂(lè)市各年份RSEI結(jié)果兩兩進(jìn)行差值變化監(jiān)測(cè)。

由表4可知，2000—2016年間，生態(tài)環(huán)境變好的面積為1 051.65 km2（占比13.50%）；生態(tài)環(huán)境變差的面積為3 064.59 km2（占比39.34%）。這說(shuō)明這17a間，博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境總體呈現(xiàn)惡化的趨勢(shì)，但仍有部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善。從圖4可知，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良的區(qū)域主要分布在山前平原區(qū)，博樂(lè)老城區(qū)及周?chē)驗(yàn)槭苷叩挠绊懮角捌皆屠铣菂^(qū)大量植樹(shù)還林、園林綠化，因此，此地環(huán)境有改善的趨勢(shì)；其中，從2012年開(kāi)始博樂(lè)市以創(chuàng)建國(guó)家園林城市和全國(guó)文明城市為目標(biāo)，實(shí)施“種大樹(shù)、大種樹(shù)”，見(jiàn)縫插針、見(jiàn)空插綠，不斷增加城市綠量；黨的十八大把生態(tài)文明建設(shè)納入到中國(guó)特色社會(huì)主義偉大事業(yè)之后，博爾塔拉蒙古自治州啟動(dòng)“生態(tài)立州”計(jì)劃，因此，優(yōu)化了主城區(qū)的生態(tài)環(huán)境；生態(tài)環(huán)境基本穩(wěn)定的區(qū)域主要集中在阿拉套山和崗吉格山等山地、丘陵地區(qū)和賽里木湖及周?chē)膮^(qū)域以及分布在博樂(lè)市北部的農(nóng)田區(qū)域，這些區(qū)域因?yàn)槠渲脖桓采w率高，生態(tài)沒(méi)被嚴(yán)重破壞；生態(tài)環(huán)境惡化的區(qū)域主要分布在主城區(qū)的外圍地區(qū)，沿博樂(lè)河兩岸帶狀分布，其主要原因是博樂(lè)市大規(guī)模的城鎮(zhèn)建設(shè)與擴(kuò)張。

表4 博樂(lè)市生態(tài)等級(jí)與面積比例變化

3.2 博樂(lè)市城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)分析

3.2.1 博樂(lè)市建成區(qū)面積變化

按城市發(fā)展速度博樂(lè)市的發(fā)展過(guò)程可以分為2個(gè)階段：2000—2011年，低中速發(fā)展階段：這個(gè)階段博樂(lè)市的建設(shè)用地面積有了較穩(wěn)步地增加。2000年和2011年從遙感影像提取的建設(shè)用地面積分別13.1和15.23 km2，12a間建成區(qū)占總面積的比例分別為和0.17%和0.21%。從計(jì)算結(jié)果看，博樂(lè)市建設(shè)用地一直保持持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2000年到2011年博樂(lè)市建成區(qū)面積增加了2.13km2，增加幅度不大。2011—2016年，快速發(fā)展階段：博樂(lè)市建設(shè)用地面積分別為15.23 km2和24.14 km2，6a間博樂(lè)市建成區(qū)面積占總面積的比例分別為0.21%和0.39%。這說(shuō)明僅僅5 a的時(shí)間里博樂(lè)市建成區(qū)面積有明顯增加的趨勢(shì)，從2011年到2016年建成區(qū)面積增加了8.91 km2，增長(zhǎng)速度較快。17 a間博樂(lè)市建成區(qū)面積共增加了11.04 km2。相應(yīng)地，從圖5可知，從2000—2016年博樂(lè)市建設(shè)用地面積變化呈現(xiàn)出逐漸擴(kuò)張的趨勢(shì)。

3.2.2 博樂(lè)市建成區(qū)重心轉(zhuǎn)移分析

城市重心位移結(jié)果如圖5所示，從2000—2011年博樂(lè)市以帶狀方式擴(kuò)張，城市重心向東南方向（SE）位移了2.13 km；2011—2016年，城市重心向東北方向（NE）位移了5.17 km，城市以面狀方式擴(kuò)張；2000—2016年，城市除了往南北方向小幅度擴(kuò)張外，更多的是大幅度地向東、小幅度的向西以面狀方式擴(kuò)張。

城市重心轉(zhuǎn)移的主要驅(qū)動(dòng)因素為：自然因素、老城區(qū)的改造和建設(shè)。博樂(lè)市城市重心的轉(zhuǎn)移也是由多因素共同作用下產(chǎn)生的。其中起主導(dǎo)作用的是國(guó)家對(duì)新疆的土地和產(chǎn)業(yè)政策的扶持。政策推動(dòng)下博樂(lè)市增加了城市用地類(lèi)型，即一些荒地納入到建設(shè)用地范圍內(nèi)，這導(dǎo)致博樂(lè)市城市建設(shè)向多方向擴(kuò)張。

3.3 生態(tài)環(huán)境對(duì)城市擴(kuò)張的響應(yīng)

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市不透水面的快速擴(kuò)展，導(dǎo)致極具生態(tài)價(jià)值的植被和水體等生態(tài)資源用地日漸縮小和破碎[41-43]。從2016年開(kāi)始博樂(lè)市實(shí)施“城市更新”運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)主城區(qū)中心繼續(xù)向周邊城鎮(zhèn)輻射的影響力。在政策引導(dǎo)下，伴隨博樂(lè)市近16余年來(lái)經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展，城市擴(kuò)張展現(xiàn)出一定的規(guī)模性和方位性。如圖5所示，博樂(lè)市以主城區(qū)為中心向東南擴(kuò)張，以南城區(qū)為中心向東北擴(kuò)張，向東北擴(kuò)張的區(qū)域主要沿著交通干線和博爾塔拉河擴(kuò)展。

圖5 博樂(lè)市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張趨勢(shì)與重心位移圖

從圖3、4、5看出，博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境變化對(duì)城市擴(kuò)張的響應(yīng)，這種響應(yīng)總體上呈現(xiàn)出一種“脅迫”的趨勢(shì)。如圖5所示的博樂(lè)市城市擴(kuò)張?jiān)谝孕》鹊耐媳狈较蛑鸩綌U(kuò)張的同時(shí)以較大幅度的往東和西方向擴(kuò)張，其中往東擴(kuò)展的區(qū)域面積較大。圖3所示的綜合生態(tài)指數(shù)RSEI呈現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境差的區(qū)域面積逐步擴(kuò)大，其中往東擴(kuò)張的幅度較大。圖4所示的綜合生態(tài)指數(shù)RSEI等級(jí)中，在博樂(lè)市中部和東部表示差和較差的區(qū)域面積最大。總之，圖5所示的城市用地?cái)U(kuò)張的區(qū)域和方位與圖3、4所示的遙感生態(tài)指數(shù)RSEI及等級(jí)，生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示的生態(tài)環(huán)境差、惡化的區(qū)域基本吻合。這說(shuō)明建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致城市植被綠地降低、地表溫度升高等問(wèn)題，從而造成城市生態(tài)環(huán)境日益惡化。

4 結(jié) 論

采用Landsat遙感數(shù)據(jù)，基于遙感生態(tài)指數(shù)RSEI方法，提取NDVI（綠度）、LST（熱度）、Wet(濕度)、NDBSI（干度）等城市生態(tài)系統(tǒng)典型的4個(gè)指標(biāo)；客觀、定量的評(píng)價(jià)博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境17 a間的生態(tài)環(huán)境變化情況。同時(shí)，引入城市擴(kuò)張強(qiáng)度、重心位移模型等方法，對(duì)博樂(lè)市城市空間擴(kuò)張強(qiáng)度與形態(tài)進(jìn)行分析。本研究的主要結(jié)果如下：

1）2000—2016年間，博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體上呈逐年下降趨勢(shì)。研究區(qū)內(nèi)生態(tài)狀況為優(yōu)、良的區(qū)域占總面積的比例在2000—2016年間下降了17.63個(gè)百分點(diǎn)。

2）2000—2016 年間，博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境變好的區(qū)域主要分布在山前平原區(qū)；生態(tài)環(huán)境變差的區(qū)域沿博爾塔拉河兩岸帶狀分布，主要分布在主城區(qū)的外圍地區(qū)；山地、林草地和耕地等地類(lèi)分布的區(qū)域生態(tài)環(huán)境保持穩(wěn)定。

3）2000—2011年為博樂(lè)市建成區(qū)面積的緩慢增長(zhǎng)期；2011—2016年為快速增長(zhǎng)期。從2000—2011年，博樂(lè)市以帶狀方式擴(kuò)張，城市重心向東南方向位移；2011—2016年，城市重心向東北方向（NE）位移，城市以面狀方式擴(kuò)張。

4）2000—2016年，博樂(lè)市城市擴(kuò)張方向、形態(tài)和區(qū)域等與遙感生態(tài)指數(shù)RSEI評(píng)價(jià)結(jié)果顯示的生態(tài)環(huán)境狀況惡化的區(qū)域基本吻合，表明該研究區(qū)建設(shè)用地增加是導(dǎo)致城市生態(tài)環(huán)境惡化的主要驅(qū)動(dòng)。

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Response of ecological environment change to urban construction land expansion in Bole City of Xinjiang

Yueriguli Kasimu1,3, Zibibula Simayi1,2,3※, Wang Lei1,3, Xohrat Bayi1,2,3

(1.830046,; 2.830046,; 3.830046,)

At present, China is in the rapid development stage of urbanization, while urbanization is exerting its positive effect, and it inevitably brings negative effects. The “urban social problems” in the form of urban ecological deterioration is becoming more and more concerned by the government and the society. Therefore, it is very important for timely, accurately and quickly detecting the ecological changes which caused by the urban expansion. Four evaluation indices, such as humidity (Wet), green degree (NDVI), dry degree (NDBI) and heat degree (LST) were extracted from Landsat remote sensing images (2000—2016), and the integrated index method was used to deal with the normalized environmental factors, and the final evaluation results of the ecological environment of Bole City were obtained. And the spatial expansion pattern of Bole City was analyzed by using the urban expansion intensity index and the gravity center displacement model. The results showed that the ecological environment quality of Bole City had deteriorated to some extent during 2000—2016. The remote sensing ecological index (RSEI)values of the Bole city decreased from 0.703 in 2000 to 0.688 in 2011 and 0.565 in 2016. The RSEI level of the ecosystem ranged from 81.78% in 2000 to 76.8% in 2011, and then to 64.15% in 2016. During 2000—2016, the area of improved ecological environment was 1 051.65 km2(accounting for 13.50%), and the area of deteriorated ecological environment was 3 064.59 km2(accounting for 39.34%). It indicated that the ecological environment of Bole City was deteriorating during 2000—2016, but some parts of the ecological environment was improved. Spatial analysis showed that, the areas where had healthy ecological environment were mainly distributed in the front of the mountain plain, the old city and its surrounding areas; the ecological environment poor region was mainly distributed in the outlying areas of the main urban area and along the banks of Bortala River. Further analysis showed that the built-up area had increased by 11.04 km2, showing a trend of gradual expansion. During the entire study period (2000—2016), gravity center of Bole City had shifted to different directions; During 2000—2011, the gravity center of the city was moved to the southeast direction (SE) by 2.13 km; During 2011—2016, the gravity center of the city was shifted to the Northeast (NE) direction about 5.17 km; The city expanded in a planar distribution during 2000—2016, the gravity center of the city moved to the east in a large scale, as well as showed small scale transformation to the north, south and westward in a planar distribution. The areas where were affected by urban expansion, characteristic of extension and RSEI results further indicated city expansion was a predominate factor of ecological environment deterioration in the study area. In a word, this paper used remote sensing ecological index to comprehensively evaluate the ecological changes of Bole with multi-index, large-scale and multi-phase, and discussed the response of ecological environment to the urban land expansion. On the one hand, it can serve the ecological environment monitoring and ecological city construction of Bole city; on the other hand, it can test the applicability and effectiveness of RSEI in arid areas.

land use; ecology; environment; construction land; urban expansion; RSEI; Bole City; Xinjiang

2018-05-08

2018-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“艾比湖稀缺資料流域水文變化分析與水資源利用安全范式”（批準(zhǔn)號(hào)：U1603241)

約日古麗卡斯木，博士生，研究方向：干旱區(qū)土地利用與資源環(huán)境。Email：1005818758@qq.com

孜比布拉·司馬義，教授，主要從事資源利用與城鄉(xiāng)規(guī)劃研究。Email：zibibulla3283@sina.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.031

P327

A

1002-6819(2019)-01-0252-08

約日古麗卡斯木，孜比布拉·司馬義，王 蕾，肖合來(lái)提·巴義. 新疆博樂(lè)市生態(tài)環(huán)境變化對(duì)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的響應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(1)：252－259. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.031 http://www.tcsae.org

Yueriguli Kasimu, Zibibula Simayi, Wang Lei, Xohrat Bayi. Response of ecological environment change to urban construction land expansion in Bole City of Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 252－259. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.031 http://www.tcsae.org