烏魯木齊市2000-2018年“三生”空間格局演變及其風險評價

王娟娟, 毋兆鵬,2

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室, 新疆 烏魯木齊 830054)

早在2005年，章仁彪[1]就把城市的基本功能明確概括為生活、生產和生態3個功能。之后，國內眾多學者對“三生”空間的內涵和分類體系進行了闡述[2-4]，生產空間是用于生產經營活動的場所，以承載工業農業生產和服務功能為主；生活空間是以提供人類居住、消費、休閑和娛樂等為主導功能的場所；生態空間是為城市提供生態產品和生態服務的區域。隨著研究的深入，學者們在研究視角方面不斷豐富，包括生態系統服務價值視角[5]、沖突視角[6]、生態風險視角[7]等。多采用如狀態空間法[8]、GIS空間分析法[9]、數據包絡分析法[10]、景觀生態指數法[7]、空間功能定量測度模型[9]、構建指標體系[11]、協調指數模型[12]等方法進行研究?？v觀相關研究，現階段中國“三生”空間的研究仍處于起步階段。

為此，本文將在研究“三生”空間格局變化的基礎上對其生態風險進行評估。生態風險是生態系統及其組分在自然或人類活動的干擾下所承受的風險,指一定區域內具有不確定性的事故或災害對生態系統的結構和功能可能產生的不利影響[13-14],是評估區域內生態環境可持續性的重要指標。中國西北地區經濟較為落后、生態環境脆弱，尤其是中國西北部的干旱地區，荒漠包圍綠洲，高山環繞盆地，干旱區內陸的生態系統單一，人與生態環境的相互作用敏感[15]。因此，對于綠洲土地的生態風險研究是實現綠洲三生空間土地資源可持續利用的必要措施。

烏魯木齊市作為新疆維吾爾自治區的政治、經濟和文化中心，屬典型干旱區綠洲城市，在其城市化發展進程中， “三生”空間格局發生了較大改變，處于相對不穩定態勢。基于“三生”空間動態演化格局探討城市生態風險,在一定程度上豐富了城市生態風險研究的案例,對城市后續的建設方向具有一定的啟示意義。因此，本文基于景觀生態學角度的評價模式，以格網為評價單元，對研究區生態風險等級的時空演變特征及空間關聯特征進行定量分析，為烏魯木齊市土地利用決策和生態系統優化提供科學參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

烏魯木齊市(86°37′33″—88°58′24″E，42°45′32″—45°00′00″N)位于新疆維吾爾自治區天山山脈中段北麓地區，北部主要為低山河谷及沖積平原地域，南部為天山山區，海拔在412～5 426 m，起伏較為懸殊，兼備山地城市和平原城市屬性。由于深居內陸，遠離海洋，屬于典型的溫帶半干旱大陸性氣候，常年干燥少雨，晝夜溫差較大。烏魯木齊市是新疆維吾爾自治區首府，全市轄七區一縣，總行政面積1.40×104km2。它是中國擴大向西開放，開展對外經濟文化交流的重要窗口，也是第二座亞歐大陸橋經濟帶和中國西部地區重要的經濟中心。

1.2 數據來源與處理

利用2000年9月2日、2010年8月13日Landsat-TM/ETM+遙感影像和2018年9月4日Landsat-8OLI遙感影像3期，借助ENVI 5.1和ArcGIS 10.5軟件平臺，在完成波段合成、圖像鑲嵌、裁剪、幾何糾正、判讀解譯等處理工作后，依據國家標準《土地利用現狀分類(GB/T21010-2017)》，結合研究區實際土地利用狀況，最終得到烏魯木齊市2000，2010和2018年3期的土地利用現狀圖和基礎空間數據庫。混淆矩陣驗證解譯精度均在92%以上，滿足研究分類標準精度。

2 研究方法

2.1 “三生”空間分類及其變化度量指標

對于“三生”空間的分類體系的研究，中國學者以其內在理念為基礎，做出了很多研究。相關學者將中國用地空間分為生產空間、生活空間和生態空間3大類，分類體系缺乏對用地復合功能的考慮。后來，張紅旗等[3]將中國用地變化類型分為4大類，充分考慮用地復合功能，是現如今較為完善的“三生”空間分類體系。本研究遵循實用性和繼承性的原則，根據已有研究成果和用地功能的屬性確定“三生”空間類型[16]。結合烏魯木齊市的土地利用類型特征，充分考慮用地的復合功能，構建出適宜研究區的“三生”空間分類體系(表1)。

表1 烏魯木齊市“三生”空間分類體系

為了研究“三生”空間的變化強度，采用綜合“三生”空間變化動態度和單一“三生”空間類型變化動態度進行分析[17]。

(1)

(2)

式中：LC為研究時段內區域綜合“三生”空間動態度； ΔLUi=j表示研究期內第i類“三生”空間類型面積轉為第j類“三生”空間類型面積的絕對值； LUi為研究初期第i類“三生”空間類型的面積；T為研究時段；L表示研究時段內單一“三生”空間類型的動態度；Ua，Ub分別表示研究初期和末期某一“三生”空間類型的面積。

為了進一步了解“三生”空間在空間上的變化過程，本文借助重心遷移模型[18]，并通過其重心遷移的方向和距離描述不同類型“三生”空間的總體變化趨勢和空間變化特征。

(3)

式中：Xt，Yt分別為第t年某類“三生”空間重心的經、緯度坐標；n為第t年該類“三生”空間的斑塊數;Cti為第t年該類“三生”空間第i個斑塊的面積；Xti，Yti分別為第t年該類“三生”空間第i個斑塊的幾何中心經、緯度坐標。區域重心空間區位年際移動距離的測度計算公式為[19]。

(4)

式中：D為兩個年份間某類“三生”空間重心移動的距離;s，k分別為兩個不同年份; (Xs，Ys)，(Xk，Yk)分別為第s年和第k年某類“三生”空間重心所在空間的地理坐標(經度值，緯度值) ；C為常數，取值111.11，是把地理坐標(經緯度)換算成平面距離(km)的系數。

2.2 “三生”空間生態風險評價

為了清楚“三生”空間中可能存在的生態風險，從而優化研究區“三生”空間結構，本文基于網格采樣法(根據研究區范圍，運用0.60 km×0.60 km的正方形單元網格進行等間距采樣，共劃分風險小區39 693個)，通過計算各樣區內的“三生”空間面積比例來構建生態風險指數，將“三生”空間結構轉化為生態風險值，構建起“三生”空間與生態風險之間的關系模型[20]。

(5)

Ri=Si·Vi

(6)

式中：ERIi為風險小區i的景觀生態風險指數，該值越大表示生態風險程度越高，反之，生態風險程度越高；Aki為第k個風險小區中景觀類型i的面積；Ak為第k個風險小區的面積；Ri為第i類景觀的景觀損失度指數[20-22]，表示各類型景觀遭遇干擾時所受到生態損失的差別，即其自然屬性損失的程度；Si為景觀干擾度指數[22]；Vi為景觀脆弱度指數[22]。

2.3 生態風險對“三生”空間變化的響應度

為了揭示生態風險對“三生”空間變化的敏感程度，本文借鑒微觀經濟學中的彈性理論，引入彈性系數分析烏魯木齊市生態風險對“三生”空間變化的響應彈性特征[23]。

(7)

式中：ERC表示研究時段內生態風險對“三生”空間類型變化的響應彈性系數； ERIb，ERIa分別表示研究末期和初期生態風險指數； LC為研究時段內綜合“三生”空間動態度。

3 結果與分析

3.1 “三生”空間時空格局變化

2000—2018年，烏魯木齊市“三生”空間格局變化十分明顯(圖1)，隨著研究區城市化進程加快，社會經濟快速發展，生活生產空間明顯擴張，近20 a間面積增長了606.99 km2(圖2)，增長率達到169.78%；生態生產空間面積增加了121.61 km2，上升趨勢較為平緩；與之相對應，生態空間和生產生態空間呈逐年減少態勢，2000—2018年，分別減少了503.52 km2，225.09 km2，下降率分別達到4.27%和21.79%。

圖1 研究區“三生”空間格局分布

圖2 研究區“三生”空間結構變化

研究區近20 a來，生活生產空間的增長速率最快，動態度最高(表2)，為9.43%，生活生產空間的增長主要依托原有斑塊向其周邊生態空間中的草地以及生產生態空間進行一定范圍的擴張(表3)，侵占面積分別為366.33 和255.90 km2，主要發生在中心城區的周邊區域；生態生產空間的動態度較低，變化速度相對較為平緩。2000—2018年，生態空間作為研究區的主要空間類型，面積減少的最多，但其動態度僅有-0.24%，與其面積較大有關。其包含的2種用地類型存在相互轉移狀況；此外，生態空間向其他空間類型均存在不同程度的轉移，主要表現為生態空間中的草地向生活生產空間以及生態生產空間中的林地面積轉移了366.33和219.56 km2。生產生態空間面積減少的最快，動態度達到-1.21%，這一現象在中心城區北部表現較為明顯。值得注意的是生產生態空間面積遠低于生態空間，動態度卻是生態空間的5倍，其面積的減少主要表現為耕地的減少，所造成的直接后果就是糧食的減產，這也為該地區的糧食與耕地問題敲響了警鐘，需要引起重視。研究區近20 a“三生”空間綜合動態度達到0.40%，后期用地變化的速率相比于前期速率減慢，表明烏魯木齊市 “三生”空間演變速度呈放緩趨勢。

表2 研究區不同時期“三生”空間用地類型動態度

表3 研究區主要“三生”空間用地類型面積轉移矩陣

重心遷移結果表明，近20 a，研究區生態空間重心向南遷移了0.009 7°，向西遷移了0.002 9°，整體向西南遷移了1.10 km。此外，其他“三生”空間類型均呈現向東南遷移趨勢，其中，由于綠洲城市擴張，生活生產空間重心向南遷移了0.013 3°，向東遷移了0.001 2°，整體向東南遷移了1.47 km。2000—2010年，生態生產空間重心向北遷移了0.001 3°，向西遷移了0.003 0°；2010—2018年，生態生產空間重心向南遷移了0.010 8°，向東遷移了0.008 8°，整體向東南遷移了1.17 km。生產生態空間重心向南遷移了0.033 4°，向東遷移了0.067 9°，整體向東南遷移了6.63 km。生產生態空間相較于其他空間遷移距離最為明顯(圖3)。

圖3 研究區“三生”空間重心遷移變化

3.2 “三生”空間生態風險評價

3.2.1 生態風險時空變化 利用公式(5)計算各年份各樣區的生態風險值，可以得到2000—2018年研究區36 963個風險小區的生態風險平均值，分別為0.840 9，0.852 4和0.849 3，風險水平呈先增后減趨勢，表明自2010年后該區域的生態安全狀況趨于好轉。為了進一步研究該區域生態風險的空間異質性特征，借助地統計學中的半方差函數進行區域生態風險的空間分析(表4)。結果表明，2000，2010和2018年C0/(C0+C)分別為37.37%，41.14%和42.42%，呈持續上升的趨勢，說明在600 m以下的小尺度上，風險指數的隨機變異性較大。目前，人類活動對生態環境影響程度日益增加，意味著生態風險指數在小尺度上的隨機變異程度也在不斷加大。

表4 生態風險變異函數的擬合模型參數

為了更好地呈現生態風險的空間分布特征，選取指數模型和相關參數設置，對2000，2010和2018年的生態風險指數進行克里金插值。采用自然斷點法將生態風險值劃分為5級[24-25]，即低風險區(ERI≤0.45)、較低風險區(0.450.95)(圖4)。并對研究區不同“三生”空間類型的生態風險指數的分級所占的面積進行了統計(圖5)。結果表明，研究期間，生態空間生態脆弱度較高、生態環境脆弱，存在較大的生態風險，該空間類型內始終以高、較高風險等級為主，占比達92.15%。其中，高風險區面積呈逐年遞減趨勢，近20 a減少了410.08 km2，主要發生在中心城區生活生產空間周邊。2000—2010年，較高風險區減少了66.73 km2，主要發生在南部山區；到2018年，這一類型區域面積增加了161.24 km2，明顯分布在中心城區西南部的生產生態空間附近。其他空間內風險等級相對較低，生態生產空間始終以低和較低風險等級為主。2000—2018年，隨著生活生產空間的擴張，其空間范圍由低風險等級升級為中風險等級，生態風險等級加劇，且隨著時間推移，中風險區面積持續增加了589.78 km2。受生活生產空間擴張影響，2000—2010年生產生態空間風險等級升級，空間內以較低風險區為主，中、較高、高風險區面積均有不同程度增加；2010—2018年，空間內生態風險等級下降，北部區域的低風險區增加。

圖4 研究區生態風險空間分布

圖5 研究區“三生”空間的生態風險面積變化

生態風險等級之間轉化的結果表明，2000—2018年，研究區生態風險大體呈明顯上升趨勢(圖6)，風險等級上升的區域面積為1 852.93 km2，風險等級下降的面積為1 711.45 km2，生態風險等級發生變化的區域面積約占總面積的25.57%。在2000—2010年，生態風險等級上升的面積為1 972.81 km2，主要是生活生產空間以及生產生態空間內低、較高風險等級上升；在2010—2018年，達到399.18 km2，較明顯的是生活空間北部較低風險的上升；前一時段是后一時段的4.94倍。生態風險等級下降的面積在前一階段為1 376.83 km2，主要是高風險等級的下降，而后一時段風險等級下降的面積為779.14 km2。2010—2018年，生態風險等級下降的面積是風險等級上升面積的1.95倍，說明該區域的生態風險程度有所減緩。

圖6 研究區各生態風險等級變化分布

3.2.2 生態風險空間聚集分析 對近20 a“三生”空間生態風險值的Moran’sI值進行全局空間自相關檢驗，2000，2010，2018年Moran’sI值分別為0.731 0，0.708 9和0.698 8。各期Moran’sI狀態統計值均在267.97以上，遠大于0.001置信水平下的3.290 5臨界值，且顯著性檢驗p值均為0.001，明顯小于顯著性水平 0.05。說明研究區景觀生態風險的空間分布不是隨機模式，而是呈集聚分布模式，具有明顯的空間正相關性。即風險值高的區域，周邊區域的風險值也高；風險值低的區域，周邊區域的風險值也低?；贚ISA指數，研究區“三生”空間生態風險的“熱點”“冷點”分布十分突出(圖7)。2000—2018年，LISA的低值聚集區主要集中分布在生活生產空間、生產生態空間以及生態生產空間。隨著研究區經濟快速發展，中心城區不斷擴張，低值聚集區范圍不斷擴大；南部山區的低值聚集區具有較明顯的空間變化。高值聚集區主要位于草地生態空間，逐漸由中心城區邊緣地區向其周邊地區收縮，南部山區的高值聚集區呈逐年減少趨勢。整體來看，近20 a研究區生態風險的局部集聚特征變化并不明顯。

圖7 研究區“三生”空間生態風險LISA聚集圖

3.3 生態風險對“三生”空間變化的響應彈性分析

2000—2018年，烏魯木齊市生態風險對“三生”空間變化的響應彈性呈現出空間分異特征(圖8)。其中新市區和頭屯河區的彈性系數始終為正，是正響應,即研究區內 “三生”空間變化會引起生態風險的增加，且彈性較大，說明較小的“三生”空間變化則會造成生態風險的明顯增加,生態環境脆弱。沙依巴克區彈性系數兩個時期皆為負,是負響應,即“三生”空間變化有利于生態風險的降低；后期彈性指數減少，“三生”空間變化對生態風險的影響減弱。其他區域生態風險對“三生”空間變化的響應前期為正響應，后期為負響應。天山區的“三生”空間變化對生態風險的影響始終很強，是生態風險變化的主要驅動力；與之相反，達坂城區、烏魯木齊縣和米東區的“三生”空間變化對生態風險的影響始終很弱。整體來看，2000—2018年，烏魯木齊市彈性指數呈現下降趨勢，雖然隨著城市化的快速發展，建設生活用地擴張會造成烏魯木齊市生態風險提高,但生態風險對“三生”空間變化的響應彈性降低，這表明影響生態風險的因素呈現多樣化的特征。

圖8 生態風險對“三生”空間變化的響應

4 討 論

在國土空間格局演變方面，以烏魯木齊市為研究對象的相關成果多認為生活空間是變化最劇烈的空間類型，生產生態空間與生活空間存在比較嚴峻的矛盾關系，難以實現同步協調發展[26-27]，這與本文的結果相吻合。總的來說，是因為近年來烏魯木齊市始終以服務型經濟為重點發展產業，大量的產業集中區聚集在中心城區周邊，對生活生產空間的需求增多，就會通過掠奪生產生態空間以及生態空間等空間類型來滿足發展需要，從而使得生活空間明顯擴張。但自《烏魯木齊市城市總體規劃(2011—2020年)》所引導構建的城市用地“南控、北擴、先兩延、后東進”的空間布局實施以來，生活生產空間擴張受到限制。需要注意的是耕地的大量減少必會影響到糧食的產量，這是現代經濟增長情況下難以避免的趨勢，政府要把控好經濟發展與耕地保護的平衡點，保證耕地面積的底線。2000—2010年，由于米東區“500水庫”的修建，生態生產空間重心向西北方向遷移。同時，隨著烏魯木齊縣休閑旅游場所的開發，致使南部空間類型更替較為劇烈 “三生”空間重心則整體向南遷移。由此可見，人類對土地資源的改造是空間類型更替變化的主要誘因。

干旱區綠洲城市限制人類生產活動的生態空間，由于其內部的空間類型較為單一，本身的生態脆弱度指數很高，作為主要輸出空間類型，它的景觀損失度指數是最大的，因此生態空間的風險值也較高，這與張月[28]、潘竟虎[29]等的研究結果基本一致。得益于《烏魯木齊市土地利用總體規劃(2006—2020年)調整完善方案》中加強對耕地特別是基本農田的保護、優化建設用地結構和布局、劃定生態保護“紅線”等政策的提出，2010—2018年，研究區生態風險區等級明顯下降，生態風險程度有所放緩。并且生態風險對“三生”空間變化的響應程度也在減弱，影響生態風險的因素不再只是“三生”空間的類型變化，逐漸呈現多樣化的特征。而隨著生態風險影響因素的復雜化，在生態風險指數的構建上,就需要從多方面進行綜合考慮，在后續的研究中將進一步完善和補充。

5 結 論

(1) 2000—2018年，伴隨著區域內人類活動的加強，烏魯木齊市生活生產空間明顯增加，增長率達到169.78%，生態生產空間面積平緩上升，生態空間和生產生態空間下降明顯，下降率達到4.27%和21.79%；生活生產空間的增速一直處于最大狀態，增長主要來自對生態空間中的草地以及生產生態空間的侵占。研究區近20 a間的綜合動態度達到0.40%?！叭笨臻g四種類型均呈現重心向南遷移趨勢，而生產生態空間相較于其他空間遷移最為明顯。

(2) 2000，2010和2018年烏魯木齊市的生態風險均值分別為0.840 9，0.852 4和0.849 3，呈先增后減趨勢。通過空間自相關分析與半方差分析可知，生態風險集聚程度減弱，近20 a間，生態空間內以高、較高風險等級為主，占比達92.15%；其他空間內風險等級相對較低，風險等級變化較明顯的是生活生產空間和生產生態空間，區域內風險等級上升。

(3) 研究期間，研究區生態風險大體呈明顯上升趨勢，生態風險等級上升的面積略高于生態風險等級下降的面積。但2010—2018年以生態風險等級下降為主，是生態風險等級上升面積的1.95倍，說明該區域的生態風險程度有所減緩。

(4) 烏魯木齊市生態風險對“三生”空間變化的響應具有時空分異特征。2000—2018年，研究區彈性指數呈現下降趨勢，生態風險對“三生”空間變化的響應彈性降低，這表明影響生態風險的因素呈現多樣化的特征。