絲綢之路經濟帶城市景觀格局變化分析
——以阿克蘇市主城區為例

米爾古麗·蘇力坦，阿里木江·卡斯木

（絲綢之路經濟帶城鎮化發展研究中心/新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054）

“一帶一路”的倡議提出，旨在促進歐亞各國的經濟貿易、文化交流、信息交換，同時，促進并加強中國與周邊及世界其他地區國家之間的合作關系。中國新疆在絲綢之路經濟帶上具有獨特的區位優勢、資源和文化優勢，是中國向西開放的橋頭堡，是中國在“絲綢之路”經濟帶中亞段重要的交通樞紐和商業貿易物流中心。絲綢之路經濟帶新疆段綠洲城市在“一帶一路”倡議的大背景下，迎來了經濟發展的歷史性機遇。新疆阿克蘇市是絲綢之路經濟帶上重要的交通樞紐和商業重鎮，具有屯墾固邊的戰略意義和干旱區綠洲城市發展的代表性，為此，本研究選取絲綢之路經濟帶新疆段典型綠洲城市——阿克蘇市主城區為研究區，研究“一帶一路”倡議背景下的絲路阿克蘇市景觀格局變化，以期為“一帶一路”倡議下絲綢之路經濟帶城市群的戰略研究提供參考。

景觀格局及其演變是自然和人為要素綜合作用的結果，景觀格局的時空變化研究不僅揭示生態過程的驅動因子還可以指示生態過程的發展趨勢［1］，隨著人們對美好生活需要的不斷提高，對土地的開發利用需求也增加。景觀格局（Landscape pattern）是指景觀要素在空間上分散或者聚集的分布，是在景觀內部的自然條件約束和人為活動影響的雙重作用下，為了適應特定的景觀功能要求而形成的一種景觀整體結構。在景觀生態學中通過研究景觀的尺度結構來分析景觀組分的空間分布和特征表現［2］。利用3S 技術研究城市土地利用結構以及分析土地利用變化過程中，景觀生態學不但形成了比較成熟的生態規劃理論支撐，并成為當今全球土地利用配置中的研究熱點題目之一。目前，國內外學者對景觀生態學方面的研究很廣泛，主要有景觀格局變化特征與驅動力分析［3-6］、景觀生態評價［7-9］、生態功能［10］、運用CA-Markov 模型分析土地利用景觀格局動態變化并預測其變化模式［11］等。

就絲綢之路經濟帶新疆段而言，在土地利用/覆蓋（LUCC）等方面的研究占比較多。在城市規模擴張過程中城市生態環境發生變化，影響景觀類型與變化趨勢。有學者對阿克蘇市土地利用變化與驅動力方面進行了詳細的分析［12-16］，也有些學者對阿克蘇市土地利用總體規劃和效益方面進行研究［17，18］，其他學者對阿克蘇綠洲的生態安全生態承載力［19］、城市綠地變化與人口之間的關系［20］等方面進行研究以及建立建設用地模擬［21］。阿迪來·烏甫等［22］研究了阿克蘇市城市化發展與耕地資源之間的協調性。

綜上所述，針對阿克蘇市景觀格局變化方面的研究不多。為此，本研究以阿克蘇市主城區近30 年的Landsat 遙感影像作為數據源，借助GIS、RS 技術和景觀生態學原理，分析阿克蘇市主城區景觀格局變化規律與變化特征，實現土地利用的最大效率，在此基礎上有效調整阿克蘇市經濟發展以及城市規劃，為絲綢之路經濟帶城市景觀格局變化研究提供相應的參考依據。

1 研究區概況

阿克蘇市位于南疆北部，塔里木盆地北緣，是南疆鐵路、高速公路沿線上聯接庫爾勒、喀什、伊寧的樞紐。歷史上，阿克蘇市是古絲綢之路新疆段北道的政治、經濟、軍事和貿易中心區。阿克蘇市是全國重要的優質棉生產基地，新疆重要的棉花交易集散地，輕紡工業聚集地。作為“中國棉都”和“中國長絨棉之鄉”，棉花產量持續占全疆的1/3，占全國的1/8，長絨棉占全國總產量的93%。阿克蘇市優越的地理位置和濃厚的歷史文化對主城區景觀類型變化以及擴展形態起著重要的作用。

阿克蘇市北接溫宿縣，南連阿瓦提縣，東南部延伸到塔克拉瑪干大沙漠的中部，北與伊犁哈薩克自治州毗鄰，西北以天山山脈中梁與吉爾吉斯斯坦共和國、哈薩克斯坦共和國交界。東西最長513 km，南北最寬處約386 km，總面積13.25 萬km2。本文主要研究阿克蘇市主城區 80°6′—80°25′E，40°59′—41°16′N 之間的區域，屬于大陸性干旱性氣候，年平均降水量43.9～65.3 mm，年平均氣溫9.8～11.4 ℃。

2 數據處理與方法

2.1 數據來源與處理

本研究選用來自美國地質調查局（USGS）與美國航天局（NASA）共同管理的陸地衛星Landsat 系列所提供的 1989 年 8 月 22 日、2000 年 8 月 12 日、2010年 7 月 15 日 、2018 年 7 月 27 日 4 個 時 期 的 Landsat TM/ETM+/OLI 遙感影像，所選擇的數據空間分辨率為30 m×30 m，云量均低于10%，遙感影像質量較好，為了獲取優質、高精度并滿足研究需要的圖像資料，對衛星遙感影像進行鑲嵌、裁剪、圖像融合等預處理。在遙感圖像處理軟件ENVI5.1 的支撐下對研究區4 個時期的遙感影像數據進行波段合成和圖像增強，按照國家出臺的《全國土地分類（試行）》（2002年標準），利用最大值似然法結合目視解譯方法對處理過的景象用監督分類法，分為建設用地、水體、林地、耕地和未利用地等類型。將分類影像導入地理信息系統軟件ArcGIS 中，經過統計分析和計算，獲得土地利用/土地覆蓋結構特征變化數據。最后利用Fragstats4.2 軟件對研究區的景觀格局變化進行分析，計算景觀指數。進而，從研究區面積動態變化，景觀類型的變化幅度、變化速度，景觀格局的變化特征等方面對阿克蘇市主城區的景觀格局演變進行初步探討。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀類型動態變化分析

1）景觀類型選擇。在遙感影像分類過程中無法避免出現“同物異譜和異物同譜”的現象，需要對分類后的結果進行后處理。考慮研究區總體情況，景觀類型分為5 個類型（表1）。

為了保證各時期遙感影像分類結果的可靠性，對分類后處理結果進行精度評價。得出4 期的分類精度均達到85%以上，Kappa 系數均在0.9 以上。

2）景觀類型變化幅度分析。為了分析景觀類型在某時間段內具體面積的變化及幅度，引入景觀類型變化幅度。景觀類型變化幅度主要是反映不同景觀類型的面積變化總體趨勢。公式如下：

式中，Kt表示某時段內研究區某一地類變化幅度，Ua和Ub分別表示研究初期與后期某一景觀類型面積。

3）景觀類型變化速度分析。景觀類型變化速度可以單一景觀類型動態度定量表示。公式如下：

式中，K表示研究時段內某一景觀類型動態度，Ua和Ub分別表示研究初期與后期某一景觀類型面積，T表示研究時間段。

4）景觀類型空間轉移分析。隨著時間的推移，不同景觀類型之間發生相互轉換，這種轉換呈現為一種景觀類型面積在某時間段內向其他類型轉換或者其他類型面積轉換到這類景觀要素，從而面積發生變化。因此，本研究利用ArcGIS 軟件計算不同景觀類型之間的相互面積轉移矩陣，來研究不同景觀要素的動態變化過程。

2.2.2 景觀格局特征分析 借鑒其他學者關于景觀格局指標選取的研究成果和結論，本文在斑塊類型水平上和景觀水平上對阿克蘇市主城區景觀變化進行評價與分析。選取的景觀指標見表2。

3 結果與分析

3.1 景觀類型變化結果分析

運用ENVI5.1、ArcGIS10.2 軟件對阿克蘇市主城區 1989、2000、2010、2018 年的景觀要素進行分類，分類圖見圖1。

3.1.1 景觀要素規模變化分析 從表3 可以看出，研究區1989—2018 年的景觀類型面積均發生了變化。近30 年以來，研究區景觀類型空間上的面積變化和時間上的階段性等特征顯著體現人類活動在城市化過程中對土地的開發利用。城市建設用地面積1989 年為 4.54 km2，2018 年擴張到 20.16 km2，整體保持遞增趨勢。反之，未利用地面積呈遞減趨勢。耕地面積從1989 年的7.17 km2增長到2018 年的11.30 km2，說明研究區在近30 年內開墾了大量的農耕用地。

表1 阿克蘇市主城區景觀分類及遙感影像特征

表2 阿克蘇市主城區景觀格局指數的選取

由于城市擴展過程中對水資源需求的增加導致研究區水體面積逐漸減少，在研究期內阿克蘇市主城區內水體變化呈遞減趨勢。結合圖1 可以看出，1989—2018 年研究區景觀類型變化是以未利用地、建設用地和水體的顯著變化為主，其中，建設用地的面積擴張主要體現在對未利用地的開發利用和林地面積的占用。

圖1 1989—2018 年阿克蘇市主城區景觀要素分類

3.1.2 景觀要素空間動態變化分析 從表4 可以看出，研究區近30 年來景觀類型的變化幅度和變化速度特征如下：①1989—2000 年，建設用地和耕地的年動態度絕對值比較大，分別為5.44%、2.32%，表明研究前期內，建設用地和耕地的面積變化較大，未利用地和林地和水體的變化較小。②2000—2010 年，相比1989—2000 年的景觀類型變化速度較快，其中建設用地、耕地和水體的動態變化大于林地和未利用地。③2010—2018 年，主城區景觀類型的變化得到同步發展，其中建設用地面積擴展比較顯著。④1989—2018 年，建設用地、水體和耕地的變化速度最大，絕對值分別為11.86%、2.07%和1.99%，反映出阿克蘇市城市化進程速度推進。這說明在此期間建設用地與未利用地變化速度速加快，林地和未利用地變化速度緩慢，建設用地的擴展速度和水資源的利用率提高。

3.1.3 景觀要素空間轉移分析 從表5 可以看出，1989—2000 年，從未利用地轉換為建設用地和林地的面積為 10.98、20.39 km2。2000—2010 年，從林地轉換為耕地和建設用地的面積分別為20.53、19.37 km2，從未利用地轉換為建設用地、林地和水體的面積分別為 10.45、17.29 和 14.94 km2。2010—2018 年，從耕地轉換為建設用地和林地的面積為11.39、52.03 km2，從林地轉換為耕地和建設用地的面積分別為20.45、20.47 km2，從未利用地轉換為建設用地的面積為12.54 km2。近30 年研究區城市建設用地的擴展由林地和未利用地面積變化而來。其中，耕地總面積呈先減少后增加的趨勢，建設用地和林地面積保持增長趨勢，水體和未利用地面積保持遞減趨勢。

表4 1989—2018 年阿克蘇市主城區景觀類型變化幅度與變化速度

表5 阿克蘇市主城區景觀類型面積轉移矩陣 （單位：km2）

3.2 景觀格局特征分析

3.2.1 景觀類型上的景觀變化分析 景觀空間格局、景觀功能和景觀動態是景觀生態學研究的核心內容，而對景觀格局進行定量分析則是研究格局與過程相互關系的基礎，也是研究景觀動態和景觀功能的關鍵［23］。此外，景觀格局分析還在資源管理和生物多樣性保護等方面起著重要作用［12］。對于不同類型的景觀格局變化進行研究并且分析各景觀類型相應的變化規律，有助于揭示和分析并且理解其他景觀指數的變化特征，計算研究區近30 年的景觀水平上的景觀格局指數，從而可以全面地表示城市的總體景觀格局演變特征及其變化規律。

圖2 所示，阿克蘇市主城區研究期內各景觀類型面積排列依次為建設用地、耕地、未利用地、林地和水體。研究區林地和耕地的斑塊數量及斑塊密度指數最大并且在研究期間內不斷增大，說明1989—2018 年，研究區建設用地、林地和耕地的景觀空間異質性程度以及景觀斑塊的破碎化程度在不斷加深，表明隨著城市建設用地面積的擴張，其景觀的破碎化程度也隨之增加。而未利用地和水體的斑塊數量和密度保持遞減趨勢，表明未利用地和水體的破碎化程度在逐漸緩解。1989—2018 年，最大斑塊指數占優勢并主導地位的是未利用地，這結果與干旱區荒漠為基礎的景觀類型保持一致。在研究期內，林地的最大斑塊指數呈先增加后減少趨勢，未利用地和水體的最大斑塊指數呈現遞減趨勢。2010—2018 年，建設用地和耕地的最大斑塊數量保持遞增趨勢，說明在研究前中期內，其景觀類型在整體景觀中所占的優勢度大，人類經濟活動對建設用地的影響也不斷明顯，而未利用地和水體在整體中所占優勢度小，說明人類活動對該景觀類型的影響加深。

圖2 1989—2018 年阿克蘇市主城區景觀類型景觀格局指數的變化

3.2.2 景觀水平上的景觀格局分析 從表6 可見，1989—2018年阿克蘇市主城區在景觀水平上發生了顯著變化。斑塊數量（NP）和斑塊密度（PD）呈遞增趨勢。分離度指數（SPLIT）先增加后減少。最大斑塊指數（LPI）呈先增加后減少趨勢，說明人類活動對景觀類型的直接影響在增加，間接影響在下降。1989—2018 年，整個景觀的香農多樣性指數（SHDI）和香農均勻度指數（SHEI）在逐漸增加，即香農多樣性指數（SHDI）均大于1，香農均勻度指數（SHEI）均大于0.5，說明研究區優勢度較低，景觀中沒有明顯的優勢類型，景觀斑塊類型在景觀中保持均衡化趨勢分布，斑塊豐富度增高，研究區景觀破碎化程度也隨之變高。

表6 1989—2018年阿克蘇市主城區景觀水平上景觀格局指數

4 小結與討論

在GIS 技術與景觀生態學理論的支持下，以阿克蘇市主城區的景觀格局特征為基礎，對研究區景觀格局動態變化進行了分析，得出結論如下。

1）1989—2018 年阿克蘇市主城區景觀類型變化的總體趨勢是：主城區建設用地和耕地面積呈遞增趨勢，未利用地和水體面積保持遞減趨勢，林地面積呈先增加后減少趨勢。各景觀類型面積增長大小為建設用地＞耕地＞林地>水體＞未利用地。從研究區轉移矩陣變化情況來看，研究區內建設用地的面積從未利用地和林地面積轉換而來。

2）從景觀類型水平來看，建設用地和耕地NP和PD保持遞增趨勢，其景觀空間異質性程度以及景觀斑塊的破碎化程度在不斷加劇，而未利用地和水體的NP和PD保持遞減趨勢，說明在城市發展過程中建設用地范圍在不斷擴張，而且在其他景觀類型面積擴大是以占用未利用地面積得來。最大斑塊指數占主導地位的是未利用地和綠地（包括林地和耕地）。未利用地和綠地的最大斑塊指數呈先增加后減少趨勢。

3）從研究區景觀水平來看，1989—2018 年NP和PD呈遞增趨勢，SPLIT先增加后減少，SHDI和SHEI在逐漸增加，說明在研究期內，研究區發展進程中景觀異質性和破碎化程度在增高，景觀中沒有明顯的優勢類型，景觀斑塊類型在景觀中保持均衡化趨勢分布，景觀斑塊豐富度增高，這意味著人類經濟活動影響程度在逐漸增高。

景觀空間格局分析能夠高度濃縮景觀格局信息、反映景觀結構組成和空間分布特征［24］。在土地利用覆被變化與景觀格局特征［25］、景觀生態安全［26］、景觀生態規劃與建設［27］中得到了廣泛應用。阿克蘇地區是新疆商品棉花產地，在大量開墾耕地過程中對水資源的需求不斷增大，導致研究區水體面積逐漸減少。20 世紀80 年代在阿克蘇“柯柯牙綠化工程”的驅使下，綠地（包括林地和耕地）面積逐漸增長。“一帶一路”倡議的提出為阿克蘇市城市發展帶來了快速擴張機會。很多學者從時空變化、驅動因素和生態影響評價方面研究了阿克蘇市的土地利用情況，利用景觀生態學理論對阿克蘇土地利用時空變化為基礎的城市建成區的景觀格局變化進行了分析，更詳細地揭示了斑塊的總體變化趨勢，在此基礎上有效調整阿克蘇市經濟發展以及城市規劃。在景觀生態學理論的基礎上應該綜合考慮自然和人為因素對景觀格局變化的影像，但本文在研究中所使用的數據僅限于Landsat 遙感影像數據，未采用人文因素和自然因素的數據。在接下來的研究中將從人文和自然因素相結合來探討其驅動因子。