三生空間視角下新疆維吾爾自治區景觀生態安全評價

馬 鈞，焦 黎

（新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054）

土地資源是人類賴以生存與發展的生產資料，是社會發展的物質基礎，具有總量有限性、區位差異性、不可再生性等特征，其開發與利用貫穿于人類生產、生活與社會活動的各個領域［1］。改革開放以來，中國工業化和城鎮化取得了舉世矚目的成就，但也帶來了一系列可持續發展的問題，如社會經濟和資源環境的矛盾日益突出、區域發展差距不斷擴大、土地利用粗放嚴重等。尤其是隨著城鄉建設用地不斷擴張，農業和生態用地空間受到擠壓，城鎮、農業、生態空間矛盾加劇，不同空間尺度存在人和自然、生產和生活、自然生態系統內部之間的矛盾。黨的十八大報告指出“促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的總體要求，將優化國土空間開發格局作為生態文明建設的首要舉措［2］。

景觀既是土地利用類型的具體化表現，與土地類型緊密連接，也是人類改造自然與資源開發的主要對象［3］。近年來，生態安全已被納入與國家安全同等重要的四大安全體系，受到廣泛關注，而從景觀生態學角度研究生態安全并構建景觀生態安全格局，在較大尺度上優化和解釋生態安全問題已成為研究熱點［4，5］。相關研究在尺度上分布廣泛，包括省域、特大城市群、市域、縣域尺度，張貝爾等［6］采用PSR 法結合熵權法與層次分析法對安徽省景觀生態安全進行評價與預警。方然等［7］采用最小阻力模型（MCR）評價了武漢市生態安全并構建了生態安全格局。陳影等［8］以河北省懷來縣為例研究了冀西北山間盆地景觀生態格局的變化。相關研究對象豐富，主要聚焦于流域、湖泊、海島、濕地、生態脆弱區等［9-13］。研究方法復雜多樣，目前還沒有統一的規范與標準，主要研究方法包括景觀格局指數構建法、利用3S 技術構建模型、MCR 模型、最小阻力模型等，用于評價景觀生態安全［5，14，15］。

新疆維吾爾自治區（以下簡稱新疆）地處西北內陸，土地資源廣袤、景觀類型豐富，是中國重要糧食儲備區，也是絲綢之路核心區，受獨特的地理、氣候、水文與人為影響，生態環境脆弱［16］。近年來，隨著城鎮化加快、人口增長與經濟的持續發展，新疆面臨人地矛盾、水資源短缺、土壤鹽漬化、綠洲生態安全受到嚴重威脅等問題，生態、生產與生活空間不協調，限制了新疆現代農業與經濟的發展［17］。因此，本研究基于三生空間視角，以新疆為研究尺度、結合土地利用變化，采用景觀生態安全指數構建生態安全評價模型，探討新疆景觀生態安全規律與時空分布差異，為新疆生態環境保護、空間格局優化提供理論依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

新疆地處東經73°40′—96°18′，北緯34°25′—48°10′，是典型的干旱、半干旱荒漠區，生態環境具有干旱性、封閉性、多樣性、脆弱性等特征，山地、綠洲與沙漠并存。全區可利用土地少，沙漠、礫漠、鹽堿面積大，占全疆62%的土地，102.33 萬km2是荒漠，其中42.1 萬km2是沙漠。氣候干旱少雨風沙大，降雨量少時空分布不均，山區降水大于平原，北疆大于南疆，且多集中在7、8 月。由于新疆水土矛盾突出，建設用地利用較為粗放，土地荒漠化現象嚴重，景觀較為脆弱，生態保護難度較大，景觀生態安全受到社會各界的廣泛關注。

1.2 數據來源及處理

研究涉及數據主要選取1980—2018 年新疆土地利用現狀數據和DEM 數據，其中，DEM 數據來源于地理空間數據云平臺，空間分辨率為30 m；土地利用現狀數據來源于新疆土地利用變更數據庫，根據最新《土地利用現狀分類》與研究區土地利用特點，參考張紅旗等［18］關于“三生用地”的研究，以土地利用主導功能為依據，將土地利用分類系統分為9 個二級土地利用空間，具體分類情況見表1。

表1 土地利用功能分類

1.3 研究方法

1.3.1 評價單元劃分 為合理劃分評價單元以及可視化表達新疆景觀生態安全指數，考慮到景觀空間異質性和斑塊大小及研究區實際情況，本研究利用ArcGIS 10.2 軟件中的漁網分割工具，依據研究區景觀斑塊平均面積3~6 倍的原則進行等間距系統采樣，將研究區劃分成30 km2×30 km2的網格即評價單元，共得到1 950 個評價單元。利用Fragstats 4.2 軟件分別計算每個評價單元的生態安全指數，以此作為評價單元中心點的生態安全水平。

1.3.2 景觀生態安全評價模型構建 景觀生態安全評價是生態風險評價在區域尺度的重要組分，景觀格局則反映了人類對自然生態系統的影響方式和程度，是揭示區域生態系統狀況及空間變異的有效手段，景觀格局指數則對景觀格局的分布與組成進行定量化描述，其中景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數常用來衡量景觀生態環境的因果關系。基于此，本研究在已有研究的基礎上，充分結合研究區實際情況，從區域景觀格局出發，選取景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數構建區域生態安全評價模型，計算公式如下。

式中，ESIk為第k個評價單元的景觀生態安全指數；LDIi為景觀干擾度指數；LVIi為景觀脆弱度指數；m為各單元內景觀類型的數量；k為評價單元的個數；Aki為第k個評價單元i類景觀類型的面積；Ak為第k個評價單元的總面積；Ci為景觀破碎度；Hi為多樣性指數；Fi為分割度指數；Ni為景觀類型i的斑塊個數；Ai為景觀類型i的面積；Pi為景觀類型i的周長；Mi為景觀類型i占總面積的比重；x、y、z分別是破碎度、多樣性、分割度的權重，x+y+z=1。參考前人研究成果［19］，分別賦值為x=0.5，y=0.3，z=0.2。

景觀脆弱度指數的大小與生態系統對外部干擾時的抵御強度有關，抵御強度越大，則受干擾程度越小，生態脆弱度也越小，表明生態系統越穩定。根據研究區實際狀況，并參考其他相關研究［20］，選用專家打分法，將研究區各土地利用類型的脆弱性進行歸一化處理并由低到高排序，結果見表2。

表2 各類景觀脆弱度及歸一化處理

1.3.3 空間自相關分析 空間自相關分析通常包括全局自相關分析和局部自相關分析，全局自相關從宏觀上判斷某些空間變量在整個研究區有無聚集性，局部自相關從微觀上根據各區域空間計量指標的相似性判斷空間集聚或擴散狀況。本研究利用OpenGeoDa 軟件，選用Moran’I 指標測量景觀生態安全值整體的集聚程度，選取局部空間關聯指數（LISA）表示某一評價單元自身生態安全值與周邊地區生態安全值的空間集聚狀況，通過對1980—2018 年各評價單元生態安全值的Moran’I 指數和LISA 指數進行分析，揭示新疆整體及區域生態安全格局的時空變化特征及演變規律。

2 結果與分析

2.1 “三生空間”土地利用類型演變

根據最新《土地利用現狀分類》與研究區土地利用特點，以土地利用主導功能為依據，將土地利用分類系統分為9 個二級土地利用空間，結合最新的新疆土地變更數據得到新疆1980—2018 年土地利用類型演變及占比。

從新疆1980—2018 年土地利用類型結構及面積分析（表3）可知，新疆景觀類型以牧草生態空間和其他生態空間為主導，其中牧草生態空間占總面積的29%以上，其他生態空間占總面積的60%以上，兩者共占總面積的90%左右，構成新疆的主要土地利用類型。從各土地利用類型的面積變化來看，整體來說，生產空間在不斷增加，生態空間在不斷減小，生活空間變化幅度不明顯。其中，生產空間中農業生產空間面積從1980年的56 623.25 km2增長到2018年的90 161.07 km2，增長了33 537.82 km2。工礦生產面積也增加了1 087.08 km2。生活空間中，城鎮生活空間面積略有增加，增加了1 643.68 km2，相應的農村生活空間減少了916.00 km2，其他生活空間增加了1 131.84 km2。生態空間整體所占面積都在不斷縮小，其中林地生態空間面積和水域生態空間面積減少的較多，分別減少了10 734.10、15 178.34 km2。牧草生態空間以及其他生態空間也呈一定的減小趨勢。改革開放以來，國家一系列政策的扶持為新疆的發展提供了動力，西部大開發戰略的實施促進了新疆水利、交通等基礎設施的構建，特色優勢產業得到快速發展，旅游業得到空前發展。在新疆40 年發展中，輕重工業發展脫節，重工業偏重，輕工業偏輕。教育水平落后于內地沿海發達地區，生態環境遭到破壞，土地沙漠化嚴重。

表3 1980—2018 年新疆各土地利用類型及占比

2.2 生態安全時空變化

根據公式（1）計算每個評價單元的景觀生態安全指數，并對各評價單元進行Kriging 插值，采用自然斷點法進行分類，將景觀生態安全指數劃分為5個 等 級：Ⅰ級（0＜ESI≤0.29），Ⅱ級（0.29＜ESI≤0.38），Ⅲ級（0.38＜ESI≤0.47），Ⅳ級（0.47＜ESI≤0.56），Ⅴ級（0.56＜ESI≤0.77），以此得到新疆景觀生態安全等級分布（圖1）和生態安全等級面積變化（表4）。

圖1 景觀生態安全等級分布

從景觀生態安全等級分布來看，整體呈現趨勢為天山中部高，南北低，綠洲城市高，荒漠地區低。新疆北部地區阿勒泰、富蘊等地從不安全區、較不安全區轉為基本安全區，準格爾盆地出現從較安全區轉為基本安全區的趨勢，塔城地區、克拉瑪依等地安全等級有所下降。新疆中部綠洲城市群變化不明顯，有略微浮動。伊寧城市區域從較安全區到安全區變化明顯。新疆南部部分地區從較不安全區轉為基本安全區，如于田、且末等地。巴州地區安全等級有所降低。

從1980—2018 年新疆景觀生態安全等級面積變化來看（表4），景觀安全等級面積及其占比較為均衡，出現小幅度變化，其中不安全區面積增加最為明顯，研究期間增加了339 959 km2，較1980 年增加了5.09 個百分點，較不安全區維持不變，基本安全區、較安全區、安全區占比分別下降了2.24、1.43、1.46 個百分點，說明研究區40 年間，生態安全狀況未能改善，一方面原因可能是人們為了生產與生活的需要，強調經濟的發展，城鎮化的加快，導致生態空間被壓縮；另一方面可能是由于新疆獨特的氣候、地形及水土環境，加劇了干旱缺水、土壤鹽漬化和荒漠化程度，導致綠洲林地、草地、水域等生態空間不斷減少。

表4 1980—2018 年新疆景觀生態安全等級面積變化

2.3 景觀生態安全空間自相關分析

利用OpenGeoDa 軟件計算各評價單元景觀生態安全指數的全局自相關Moran’s I 指數，如圖2 所示。計算得出1980、2018 年Moran’s I 指數分別為0.452 286、0.506 131，且均為正值，通過P=0.05 的顯著性水平檢驗，說明在研究期間研究區景觀生態安全在空間上存在正相關關系，空間分布具有集聚特征。研究區1980—2018 年Moran’s I 指數呈上升趨勢，說明空間自相關性關系有所提升，在象限分布上，主要集中于第一、第三象限上，屬于高-高、低-低生態安全聚集模式。其中，第一象限的散點分布比較集中，即高安全區域差距不大，這說明新疆綠洲城市發展較為均衡，發展過程中注重城市內部綠化與周邊防護林的建設。

圖2 新疆景觀生態安全值Moran’s I 指數

為了解研究區局部自相關關系，利用OpenGeo?Da 軟件計算各評價單元景觀生態安全指數的局部自相關LISA 聚集結果，如圖3 所示。由圖3 可以看出，新疆景觀生態安全值的高-高值區、低-低值區集聚現象比較明顯，而高-低值區、低-高值區則分布較為零散。與景觀生態安全等級分布圖比較來說，高-高值區域與景觀生態安全等級圖中安全區具有很高的一致性，主要分布于天山以北準格爾盆地四周的城市群，低-低值區域與不安全區基本一致，主要分布于天山以南的塔里木盆地沙漠人煙稀少區以及新疆東部的哈密、吐魯番地區。從網格數來看，研究區高-高值區、低-低值區網格數目均遠大于低-高、高-低值區，這說明新疆地區景觀生態安全分布以高-高、低-低值區集聚類型為主。

圖3 新疆景觀生態安全值LISA 指數

3 討論

本研究以新疆作為研究區，探究其在三生空間視角下典型干旱區景觀的生態安全。利用ArcGIS、Frastrate、Geoda 等技術工具，研究在30 km 格網尺度下新疆1980—2018 年景觀生態安全的變化。首先，與前人研究相比，本研究數據來源于中國土地利用現狀數據，比遙感解譯更加精準。其次，景觀生態安全是一個動態概念，影響因素有人口、經濟、自然資源、經濟、政治等，本研究主要針對景觀生態安全進行評價分析，至于后期的預警調控，如何從不安全區到安全區的轉化是未來研究的重點，可作為一項長期工作來展開。關于三生空間的研究處于初步階段，尚未形成統一的三生空間土地利用分類體系，研究時需根據研究區實際情況進行合理分析。景觀生態安全模型構建中，一般選用干擾度指數和脆弱度指數，但脆弱度是相對概念，具有不確定性和復雜性，需要結合研究區概況進行主觀賦值，不具有一般客觀性，因為研究區不同會產生不同結果。因此，三生空間分類體系的構建，景觀生態安全評價的指標選取，準確客觀定性景觀脆弱度，還需要進一步研究。

4 小結

從新疆土地利用類型演變結果可以看出，1980—2018 年以來，新疆景觀類型以牧草生態空間和其他生態空間為主導，其中牧草生態空間占總面積的29%以上，其他生態空間占總面積的60%以上，兩者共占總面積的90%左右，構成新疆的主要土地利用類型。從各土地利用類型的面積變化來看，整體來說，生產空間在不斷增加，生態空間在不斷減小，生活空間變化幅度不太明顯。生產空間中農業生產空間面積增長了33 537.82 km2，林地生態空間和水域生態空間面積減少了10 734.10、15 178.34 km2。

從新疆景觀生態安全等級來看，不安全區與較不安全區所占面積在35%~40%，低于基本安全區和更高等級安全區，說明新疆的景觀生態安全目前處于基本安全區域，但不安全區和較不安全區的占比從1980 年的36.64%上升到2018 年的41.77%，新疆景觀生態安全呈下降趨勢。

新疆1980 年、2018 年Moran’sⅠ指數分別為0.452 286、0.506 131，且均為正值，通過P=0.05 的顯著性水平檢驗，說明在研究期間研究區景觀生態安全在空間上存在正相關關系，空間分布具有集聚特征。全局空間自相關水平呈顯著上升趨勢，局部空間自相關存在顯著的高-高值區、低-低值區聚集現象。