基于生態安全的烏魯木齊市土地利用沖突識別

王珊珊，毋兆鵬

（新疆師范大學地理科學與旅游學院/新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室，烏魯木齊 830054）

十九大明確提出“人與自然和諧共生”的理念，必須堅持節約優先、保護優先，守住自然生態安全邊界，這也使得城市發展重點逐漸由促進經濟發展需求轉向保障土地生態安全。生態安全是對生態系統完整性和整體健康水平的反映，保障生態安全對生態脆弱區更有特殊意義［1］。在不斷加快的城市化進程中，不合理的土地開發利用所導致的生態問題日益嚴峻，土地利用沖突加劇且不可避免，也因此成為了國內外研究的熱點［2］。

生態安全視角下的土地利用沖突，主要表現為同一區位上由于農業耕作、城鎮擴張而產生對于生態安全空間資源的競爭與博弈現象［3］。近年來，國內外學者主要從土地利用沖突的產生原因、沖突識別、沖突管制等方面展開研究。如Campbell 等［4］將土地利用沖突解釋為各種土地利用方式對于稀缺水土資源的競爭。Carr 等［5］利用 GIS 適應性分析創建LUCIS 模型識別潛在土地利用沖突。Adam 等［6］得出制度、社會與經濟環境等因素使得土地利用沖突不斷演變，并呈現出一定的生命周期。Andrew［7］論述了土地利用沖突特征及成因并提出土地利用沖突管理調解機制。國內學者如于伯華等［8］、馬學廣等［9］對土地利用沖突概念以及形成機制進行解析。楊永芳等［10］基于PSR 模型計算景觀生態指數，對土地利用沖突強度進行測度。譚術魁等［11］通過建立征地沖突后果評價和預警的指標體系，對沖突進行診斷評價并提出相應的管理對策。縱觀相關研究，主要集中在經濟發達地區的城市群［12］和城市密集區［13］等宏觀尺度，對于典型的生態脆弱區，尤其是西北干旱區綠洲城鎮涉及較少，因此開展相關研究十分必要。

烏魯木齊市作為新疆的政治、經濟和文化中心，屬典型干旱區綠洲城市，在工業化、城市化快速發展中，適宜城市建設發展的空間與周邊耕地和基本農田分布高度重疊，導致城市在發展用地布局上頻頻掣肘。加之局部地區土地退化和土地污染現象較為嚴重，區域農業發展、生態保護與城市化發展之間的矛盾日益尖銳［14］。因此，對其土地利用沖突進行識別，既可以為烏魯木齊市土地利用規劃管理提供參考依據，也可為類似區域協調經濟社會發展與生態保護提供方法途徑。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

烏魯木齊市地處（86°46′10″—88°59′48″E，42°54′16″—44°58′16″N），轄 7 區 1 縣（天山區、沙依巴克區、新市區、水磨溝區、頭屯河區、米東區、達坂城區、烏魯木齊縣）和2 個開發區（高新技術開發區和經濟技術開發區），總面積13 942.78 km2。研究區東、西、南三面環山，地勢由南向西北方向逐漸降低，北部為廣闊沖積平原，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（圖1）。

圖1 研究區結構

1.2 數據來源

研究所使用的DEM 數據采用ASTER GDEM 數據產品，空間分辨率為30 m，來源于地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/），通過 GIS 空間分析工具提取坡度、地形復雜度等信息；土地利用數據使用 2018 年 9 月 份 的 Landsat-8OLI_TIRS 影 像 ，空 間分辨率為30 m，云量低于5%。將遙感影像進行波段合成、圖像拼接、裁剪等預處理，基于TM-destripe工具對影像進行了條帶修復處理。基于監督分類（最大似然分類法）與目視解譯相結合的方法，配合并借助Google earth 軟件和研究區的基本土地利用狀況對比輔助糾正，將地類重新歸并為林地、耕地、草地、建設用地、水域及未利用地6 大地類。通過野外實地采樣對分類結果進行評價，分類的總精度為93.6（Kappa 系數為87.6）；社會經濟數據主要來源于新疆統計年鑒。

2 研究方法

2.1 生態安全空間構建

2.1.1 生態源地提取 源地一般為生境質量較高的區域，對生態環境具有正向推動作用，是物種維持和擴散的起始點和生態保護底線。由于生態系統服務重要性是防止生態系統退化的關鍵，因此參考相關研究［15-17］，結合烏魯木齊市的實際情況，選取生物保護、人類干擾防護、災害防護、水源涵養4 個一級指標建立生態系統重要性指標體系（表1）。

表1 生態系統重要性指標體系與等級劃分

烏魯木齊市作為典型干旱區綠洲景觀城市，自然景觀較好。生物保護指標中選取植被覆蓋度、坡向2 項指標進行識別；由于研究區地形地質條件限制及水土資源空間分布不平衡，在城市化快速發展中，已無法按照“以水定地”原則實現耕地占補平衡［18］，因此本研究人類干擾防護指標主要是反映人類活動對生態資源的干擾程度，共選取了人口聚集度和距離建設用地距離2 項指標進行空間識別；研究區地貌類型較多，海拔落差較大，災害防護指標選取了地形位指數進行識別；水資源是制約干旱區生態安全的關鍵因子，水資源時空分布的高度異質性決定了其生態系統的脆弱性，因此選取距離河流水系距離指標進行識別，并對6 個二級指標進行等級劃分［19］。

對單項生態系統重要性的評價采用幾何平均數模型計算重要性指數［20］，計算公式如下。

式中，Sj為評價單元第j類生態重要性指數，j=1，2，3，…，n；Cij為第j類生態重要性第i項評價指標的重要性程度得分值；n為第j類生態重要性對應的評價指標個數。評價結果利用自然斷裂點法從高至低分為極重要、重要、較重要及一般重要4 個級別。提取生態重要性等級最高的柵格單元為本研究的生態源地。

2.1.2 生態阻力面構建 生態系統中物種的遷徙及物質能量的流動與傳遞，需要克服自然地理、地形條件以及土地覆被狀態等阻力來實現。參考相關研究［21-24］，選擇土地利用類型、坡向、高程及坡度為阻力因子（表2）。阻力系數的確定需要考慮研究區的實際情況和研究目標，參考文獻［17］確定生態源地擴張阻力系數與權重。最后，通過疊加計算得到生態源地擴張過程中的阻力面，隨著源地向外擴張受到的最小累積阻力值逐漸變大，代表生物進行遷徙所需克服的阻力越來越大，生態重要性逐漸降低。

表2 模型阻力因子系數及權重

2.1.3 生態廊道構建 生態廊道是連通生態源地、維持能量流動與物種交流的重要通道。最小累積阻力模型主要利用生物通過不同景觀類型克服阻力而形成的耗費成本來反映通行可達性的一種模型。本研究利用最小累積阻力模型（MCR）完成生態廊道的確定［25］，公式如下。

式中，MCR表示從生態源斑塊j在空間中擴散至某點的最小累積阻力值；f為MCR與變量間乘積（DijRi）的函數；n為源的總數；m為景觀單元的總數；Dij表示目標斑塊源j至其他斑塊源i所經過的空間距離；Ri表示斑塊源i在空間中某一方向上的擴散阻力系數；min 表示評價單元對于不同源的累積阻力取最小值。

式（2）中生物多樣性源地的確定，選用Conefor軟件，通過整體連通性（IIC，式3）、可能連通性（PC，式 4）以及斑塊重要性（dPC，式5）3 個景觀指數［26］，其中，將面積大于10 km2且dPC≥0.02 的斑塊作為核心區，共提取出10 個大型核心斑塊作為區域生物多樣性的生態源地。

式中，n表示區域內斑塊的總數；ai和aj分別為斑塊i和j的 面積為斑塊i與斑塊j之間全部路徑概率的乘積最大值；AL為研究區景觀的總面積；PC表示某一斑塊在研究區景觀中的可能連接度指數，0≤PC≤1，PC值越大，表明斑塊連接程度越高；dPC表示斑塊的重要性，PCremove表示去除該斑塊后的可能連接度指數。

以綜合阻力面作為MCR 模型的成本數據，基于ArcGIS 軟件平臺，通過使用Distance 中的Cost Path模塊計算從源到目標斑塊的最小成本路徑，從而生成了研究區的45 條潛在廊道。進一步利用重力模型（式6）計算10 個核心斑塊間的相互作用，提取出相互作用力大于400 的10 條廊道為重要廊道。

式中，Gab是核心斑塊a和b之間的相互作用力，Na、Nb是兩斑塊的權重值，Dab是a、b兩斑塊間潛在廊道阻力的標準化值，Pa為斑塊a阻力值，Sa是斑塊a的面積，Lab是斑塊a、b之間廊道的累積阻力值，Lmax是研究區中所有廊道累積阻力的最大值。

2.1.4 綜合生態安全空間構建 以生態源地作為源數據，確定阻力因子和阻力值后，利用ArcGIS 中的Cost distance 模塊計算出生態源地到目標點的最小累積阻力分布。隨著生態源地向外擴展，需要克服的阻力越大，說明與生態源地的功能差距越來越大，越不適宜進行與生態源地相同的土地利用方式。因此，根據最小累積阻力計算結果，利用ArcGIS 空間分析中重分類（Reclassify）工具，選擇其中的幾何間隔（Geometrical Interval）分類模型，劃分生態安全空間［27-29］。同時，考慮到土地利用沖突識別體系中生態廊道與生態源地的同等重要性，以及生態廊道具有的生物多樣性保護、大型生物遷移通道、動物對于水源的需求等功能，選取優化后10 條重要廊道的200 m 緩沖區作為生態廊道的保護區域［30，31］，與生態安全空間分別進行疊加分析，最終構建烏魯木齊市生態源地及廊道空間、生態緩沖空間、低阻力空間、中阻力空間和高阻力空間5 個安全水平的綜合生態安全空間（表3）。

2.2 土地利用沖突識別與分類

以上述表3 所劃定綜合生態安全空間為基礎，定義生態安全視角的土地利用沖突為：多利益主體因農業耕作（耕地）、城鎮擴張（建設用地）等經濟建設活動對生態安全空間的不合理占用，由此引發的土地資源競爭結果。本研究參考孫丕苓［32］的研究，構建土地利用沖突識別體系，首先，將土地利用沖突定義為耕地生態沖突、建設用地生態沖突和耕地建設生態綜合沖突三大類型。耕地生態沖突和建設生態沖突分別指農業耕作和城鎮開發建設對綜合生態安全空間的不合理占用。耕地建設生態綜合沖突則是指耕地、建設用地二者同時與綜合生態安全空間發生疊加沖突效應的綜合體現。其次，確定土地利用沖突等級，將土地利用類型柵格單元（30 m×30 m）分別與生態源地及廊道空間、生態緩沖空間、低阻力空間、中阻力空間和高阻力空間柵格單元進行疊加分析，依次將土地利用沖突劃定為極嚴重、嚴重、較嚴重、一般、不沖突5 個等級（圖2）。

表3 最小累積阻力值劃分綜合生態安全空間區間

圖2 土地利用沖突分類體系

3 結果與分析

3.1 生態系統服務重要性評價結果

單項生態系統服務功能重要性在研究區內的空間分布差異較為明顯（圖3）。其中，生物保護、人類干擾防護、災害防護和水源涵養功能的極重要區，在整個研究區的占比依次為49.68%、59.53%、8.70%、3.53%（表4）。生物保護和災害防護高值區主要分布于研究區西南和東南部（圖3a、圖3c），該區域地勢較高，與平原地區相比災害風險發生率較低，加之植被覆蓋度水平高，生物生境質量也較高。人類干擾防護能力強的地區則主要集中在主建城區南部（圖3b），人口較為稀疏。水源涵養高值區多分布在湖泊、河流水系附近（圖3d）。

圖3 單項生態系統服務重要性空間分布

表4 生態系統服務重要性評價結果占比（單位：%）

3.2 綜合生態安全空間構建

將綜合生態系統服務重要性評價結果的極重要區作為生態源地，得到2018 年生態源地面積為2 640.58 km2，占總面積的18.94%，主要分布于西南部和東南部的山地及湖泊、河流水系附近（圖4a）。綜合高程、土地利用類型、坡向和坡度阻力因子系數的設定結果，獲取生態源地擴張的阻力面（圖4b）。在此基礎上，運用最小累積阻力模型計算源地在擴張過程中克服阻力所耗費代價大小的分布，生成最小累積阻力表面，中高值區主要分布于研究區北部、中部以及南部（圖4c）。

圖4 綜合阻力面與最小累積距離表面

45 條生態廊道網絡全長2 715.36 km，其中，優化后的10 條重要廊道長度為332.25 km，35 條一般廊道長度為2 383.11 km，可以充分滿足物種在源地之間的遷徙與能量的流動（圖5）。在上述生態源地、阻力面、生態廊道基礎上劃定研究區綜合生態安全空間，其中，生態源地及廊道空間面積為2 712.21 km2，占研究區總面積的19.45%，包括生態源地與生態廊道200 m 內的保護區，主要分布在研究區西南部及東部；中阻力空間面積為3 660.71 km2，占比最大，為26.26%，主要分布于研究區中、南部平原山地周圍。生態緩沖空間面積為1 371.83 km2，占比最小，為9.84%，主要分布于西南部及東部山地丘陵地帶周圍。高阻力空間面積為3 263.75 km2，占研究區總面積的23.41%，主要分布在研究區北、南部未利用地以及中部建成區周圍。值得注意的是，低阻力空間面積為2 932.53 km2，占比21.04%，雖不是最大，但是主要分布于研究區建成區外圍平原地帶，與農田的分布相契合，所以該區域不容忽視。

圖5 生態廊道網絡與綜合生態安全空間

3.3 土地利用沖突空間格局分析

耕地生態沖突分布相對分散，主要由于研究區地勢起伏懸殊，山地面積大，水土資源分布不均，耕地面積小，具有分散性（圖6）。不沖突、一般沖突、較嚴重沖突、嚴重沖突和極嚴重沖突等級面積為35.90、215.76、285.68、129.21 和 139.17 km2。一般沖突、不沖突區主要分布在新市區、沙依巴克區、天山區、水磨溝區；嚴重沖突、較嚴重沖突區主要分布在米東區、頭屯河區；極嚴重沖突區主要分布在烏魯木齊縣、達坂城區。主要是由于該地區人口密集度較低，距離烏魯木齊市社會經濟中心較遠，靠近研究區內重要的水源涵養區，其生態服務功能較高，更適于發展生態安全用地，所以耕地矛盾突出。

圖6 土地利用沖突空間分布

建設用地生態沖突較為集中，分布于研究區中部的沖積平原。不沖突、一般沖突、較嚴重沖突、嚴重沖突和極嚴重沖突等級面積為292.46、510.98、132.44、12.24 和 5.73 km2。一般沖突、不沖突區主要分布在主城區中部；嚴重沖突和較嚴重沖突區主要分布在主城區東部及北部；極嚴重沖突區主要分布在米東區、頭屯河區。主要是由于這些區域地勢相對比較平坦，人口密集度較高。生態系統服務功能重要性較低，不適宜作為生態用地，反而適宜于城市建設用地，所以建設用地生態沖突中，極嚴重沖突和嚴重沖突并不明顯。

耕地建設生態綜合沖突中，各沖突等級面積表現為一般沖突＞較嚴重沖突＞不沖突＞極嚴重沖突＞嚴重沖突。其中，極嚴重沖突、嚴重沖突和較嚴重沖突主要發生在耕地生態沖突中，占比均達到65%以上，所以耕地生態沖突問題較為突出（圖7）。主要分布在米東區、頭屯河區、烏魯木齊縣和達坂城區。這些區域土地利用以建設用地、耕地為主，受人類活動影響，從而引發水土流失、土地退化和土壤污染問題，導致土地利用沖突較嚴重。一般沖突和不沖突主要發生在建設用地生態沖突中，占比為70.31%和89.07%，主要分布在主城區中部的新市區、沙依巴克區、天山區、水磨溝區，這些區域為烏魯木齊市社會經濟建設開發較早的區域，其自然地理條件適宜于人類進行開發建設，且經濟發達，生態環境保護和治理得較好，土地利用沖突不明顯。

圖7 耕地建設生態綜合沖突占比雷達

4 小結與討論

在GIS 技術的支持下，基于生態系統重要性評價結果提取生態源地，通過最小累積阻力模型運算，構建烏魯木齊市綜合生態安全空間，并對耕地生態沖突、建設用地生態沖突和耕地建設生態綜合沖突進行識別，得出以下主要結論。

（1）烏魯木齊生態源地面積為2 640.58 km2，占研究區總面積的18.94%，主要分布于西南部和東南部的山地及湖泊、河流水系附近。生態源地是保障區域生態安全的底線生態用地，將源地提取結果與《烏魯木齊市土地利用總體規劃（2006—2020）》中已劃定的自然保護區進行對比，發現自然保護區多處于生態源地空間范圍內，表明生態源地的識別結果與現實情況基本相符。45 條生態廊道網絡全長2 715.36 km，優化后的10條重要廊道長度為332.25 km，應避免人類活動對其占用。

（2）生態源地及廊道空間以及生態緩沖空間總占比為29.29%，是維護區域生態穩定的核心區域，人類活動會對其造成較大的破壞，因此需要執行嚴格的保護政策。中阻力空間以及高阻力空間總占比49.67%，生態水平穩定，可以進行合理的建設活動。

（3）土地利用沖突分布特征差異顯著，耕地生態沖突分布相對分散，以較嚴重沖突為主，占耕地總面積的35.46%；要在不得破壞土壤耕作層的前提下，提高耕地質量，逐步開發沙漠地區，積極發展沙漠旅游產業；建設用地生態沖突分布較為集中，以一般沖突為主，占建設用地總面積的53.57%；要按照“南控、北擴、先兩延、后東進”的空間發展戰略，優化提升城市功能，控制新增建設用地規模。耕地建設生態綜合沖突中，各沖突等級面積大小為一般沖突、較嚴重沖突、不沖突、極嚴重沖突、嚴重沖突，耕地生態沖突是導致極嚴重沖突、嚴重沖突和較嚴重沖突發生的主導因素，需要對米東區、頭屯河區、烏魯木齊縣和達坂城區的沖突高發區加強管理。