西北干旱區三類國土空間分類及格局演變特征分析

張云霞 ，高敏華 ，趙 娟

（新疆大學，a.資源與環境科學學院；b.綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046）

改革開放至今，國民經濟高速增長推動中國城市化進程，鄉鎮企業萌芽打破了城鄉之間的界限，促使城市化形成以小城鎮快速擴張、人口就地城市化為主要特征［1］，城鄉建設用地的急速擴張推進中國國土空間開發利用方式發生轉型。隨著城鎮空間的急劇增加，生態空間與農業空間面積受到擠占而產生緊張的人地關系與土地利用格局不協調問題，因而優化國土空間開發格局、建立科學合理的空間規劃體系、統籌兼顧城鎮、農業、生態3 類空間，可持續發展成為國土空間亟待攻克的難題［2］。中國共產黨十八大報告指出“要優化國土空間開發格局，生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”，使得三生空間成為國土空間規劃的新方向［3］；2015 年，國家發展和改革委員會、國家測繪地理信息局聯合下發《關于印發市縣經濟社會發展總體規劃技術規范與編制導則的通知》，以完善健全市縣空間規劃體系為目標，提出3 類空間理論及劃分標準，相較于三生空間，3 類空間易于劃定與實施管理，后者是在前者基礎上提出，對國土空間、主體功能區區劃有更深層次的認識，更有利于實踐；2017 年1 月國務院印發《全國國土規劃綱要（2016—2030 年）》，為規范國土空間開發格局明確城鎮、農業、生態3 類空間開發管制體系［4，5］。以促進新疆經濟結構戰略性調整為目標、規范空間規劃秩序及區域協調發展，新疆以《全國主體功能區規劃》為依據實施《新疆維吾爾自治區主體功能區規劃》，旨在構建高效、合理、可持續的國土空間開發格局并提出優化城鎮、農業、生態3 類空間結構。

目前，針對國土空間規劃的大量研究聚焦于三生空間，而對3 類空間分類、格局異質性及演變特征研究較少且處于初步階段。國內學者對三生空間的關注自2012 年納入研究領域以來文獻數量逐年遞增［6］。截至當前研究成果豐碩、研究內容涉及廣泛，包括三生空間理論內涵［7-9］、三生空間功能識別與分類體系建立［10-14］、三生空間格局變化趨勢［15，16］及空間優化評價［17-20］。李廣東等［21］詳細闡述了三生功能的內涵與分類依據，從理論與實踐兩方面入手，借助生態系統服務、景觀功能及土地功能分析法構建三大空間功能體系。針對3 類空間的研究主要集中在理論內涵、國土空間開發適宜性評價及空間分類。趙筱青等［2］從土地功能空間分類入手研究撫仙湖流域3 類空間的分類體系，并為國土空間優化提供科學對策；劉仨［22］以眉縣為研究對象，結合永久基本農田與生態保護紅線對其進行開發適宜性評價，為縣域空間規劃提供實踐指導；閏記影等［23］、鄭明波等［24］以“多規合一”為指導借助地理空間信息對墊江縣3 類空間劃定展開研究。這些成果為3 類空間的深度研究提供了參考，也可為國土空間規劃提供科學依據。已有研究中，3類空間的分類體系通過功能空間分類與量化識別2 種方法建立，后者以土地利用現狀數據為基礎，根據土地利用功能進行分類，前者通過建立指標體系完成城鎮、生態、農業空間的量化識別，這是因為區域差異性不適用所有地區［16，21］。現有研究對象多以中國中、東部區域為主，對西北干旱區綠洲縣域關注度較低。基于此，本研究從小尺度層面，選取新疆麥蓋提縣為研究對象，以2009、2015、2019 年 3 期遙感影像為數據源，借助 GIS、FRAGSTATS 4.2 軟件研究麥蓋提縣3 類空間分類、時空演變及景觀格局變化特征，以期為西北干旱區國土空間合理布局、區域可持續發展提供科學參考。

1 研究區概況

麥蓋提縣位于新疆維吾爾自治區南部，地處塔克拉瑪干沙漠西南邊緣、喀喇昆侖山北麓、葉爾羌河中游，地理坐標處于東經 77°28′—79°05′和北緯38°25′—39°22′。東部隔大漠與和田地區皮山縣相連，北接巴楚縣，西接莎車縣，南連葉城縣，東南與和田地區毗鄰，海拔1 155～1 195 m，全年平均氣溫為13.3 ℃，降水量為43.1 mm，是塔克拉瑪干沙漠西部的一片綠洲。縣城距首府烏魯木齊市1 410 km，距喀什市175 km，位于葉爾羌河流域5 個縣的中心，是毗鄰葉爾羌河中游的一顆明珠，有“小金三角”之稱。2019 年末麥蓋提縣總人口為236 939 人，其中城鎮人口70 493 人，鄉村人口166 446 人，鄉村人口占總人口的70.25%。縣域轄9 個鄉1 個鎮，全年實現生產總值（GDP）582 777 萬元，以一三產業為主。麥蓋提縣是離沙漠最近的一個縣，直面土地沙漠化的威脅，沙地面積占土地總面積的80.48%。全縣正處于人口總量持續增長、城市化水平不斷提高的快速發展階段，在保護耕地和生態環境的雙重壓力下，有效解決城鎮空間的供需矛盾及協調城鎮空間、農業空間與生態空間三者可持續發展已成為迫切需要。

2 數據來源與研究方法

2.1 基于土地利用主導功能的分類方法

土地利用方式存在多功能性，單一土地具有多種使用用途，但根據土地屬性強度與主觀用地目的使土地利用類型具備主導功能［25-28］。城鎮、農業、生態空間與主體功能區規劃提出的城市化、農業和生態安全三大戰略格局相對應，中國“多規合一”試點市縣在劃定“三類空間”方面取得科學成果。城鎮空間以城鎮建設與城鎮經濟發展為主要功能，為城鎮居民生產生活提供場所；農業空間以農產品生產與農村生活為主要功能，保障糧食安全生產；生態空間主要以提供生態系統服務、保護生態環境、維護物種多樣性為主要功能，是城鎮、農業空間發展的基礎［29，30］。現有 3 類空間的研究處于探索階段，對 3 類空間分類未形成統一標準。因此，結合麥蓋提縣土地利用特征實際情況，根據趙筱青等［2］、魏偉等［29］相關3 類空間格局劃分的成果，基于土地利用主導功能構建麥蓋提縣3 類空間分類體系（表1）（本研究不包括沙漠區域）。其中，農業空間由農業生產空間與農村生活空間（農村道路、農村宅基地）構成，生態空間由綠色生態空間與其他生態空間（裸土地、沙地、鹽堿地）構成。

表1 麥蓋提縣土地地類主導功能

2.2 數據來源與處理

2009、2015、2019 年土地利用現狀數據來源于土地利用變更數據庫，由麥蓋提縣自然資源局提供，數據為矢量格式且數據屬性完整；2009—2019 年統計公報來源于麥蓋提縣統計局；麥蓋提縣土地利用總體規劃（2010—2020 年）來源于麥蓋提縣自然資源局；社會經濟數據來源于《新疆維吾爾自治區統計年鑒》與《中國城市統計年鑒》；縣域矢量數據來源于中國基礎地理信息數據。

2.3 研究方法

2.3.1 單一動態度指數 單一動態度指數以各類國土空間面積為基礎，探討一定時期內不同功能國土空間變化幅度，反映各功能空間在國土總空間利用的變化速度［31］。表達式如下。

式中，G為麥蓋提縣某一類國土空間的單一動態度指數；Si表示發生變化后的某類國土空間面積；Sj表示未發生變化的該類國土空間；T為研究的時間尺度。

2.3.2 洛倫茲曲線 美國經濟統計學家Lorenz 1907 年提出洛倫茲曲線理論，反映某一區域經濟收入分配的均勻度［32］。其中，實際曲線距離絕對平均線越短，下凹幅度越小，所構成的曲面面積越小，反映收入分配均勻；反之，表明分配不均勻。

本研究將洛倫茲曲線理論應用于探索麥蓋提縣3 類國土空間分布的均勻程度。以土地總面積累計百分比為X軸，以某種3 類國土空間面積累計百分比為Y軸，首先計算各鄉、鎮某類國土空間類型的區位熵（Q），表示該類國土空間類型在各鄉、鎮的專門化程度［33］；其次以升序排列該類空間的區位熵，統計各鎮、鄉土地總面積累計百分比與該類空間面積累計百分比繪制3 類國土空間的曲線圖。通過洛倫茲曲線空間圖表明，曲線距離絕對平均線越近、下凹程度越小則分布均勻；反之，麥蓋提縣3 類國土空間分布離散。Q表達式如下。

式中，Q為某類國土空間的區位熵；C1表示某鄉、鎮該類3 類國土空間面積；C2表示該研究區3 類國土空間面積總和；C3表示某鄉、鎮土地總面積；C4表示研究區面積總和。

2.3.3 基尼系數 洛倫茲曲線圖將3 類國土空間分布均勻程度可視化，卻缺乏定量分析。引入基尼系數定量分析3 類國土空間分布均勻度［34］。以基尼系數來劃分，＜0.2 表示分布絕對平均；［0.2，0.3）表示分布相對平均；［0.3，0.4）表示分布合理；［0.4，0.5］表示分布差距大；＞0.5 表示分布不均衡。表達式如下。

式中，G為基尼系數；Mi表示某鄉、鎮某類 3 類國土空間面積的累計百分比；Qi表示某鄉、鎮土地面積占研究區土地總面積的累計百分比。

2.3.4 景觀格局指數 景觀格局指數從整體景觀格局與局部景觀斑塊類型2 個維度反映景觀在時間尺度上的動態變化特征［35］。景觀格局空間構成是人類活動、生態環境演變與生物活動共同作用的產物，其變化規律也備受地理學、生態學關注［36］。麥蓋提縣國土空間由景觀斑塊組成，通過景觀格局變化揭示3 類國土空間的變化特征。結合麥蓋提縣3 類國土空間景觀特征，從景觀水平與斑塊類型方面選取9 個描述指標展開分析，見表2。

表2 景觀格局指數公式及含義

3 結果與分析

3.1 麥蓋提縣3 類國土空間類型格局

2009—2019 年麥蓋提縣生態空間、農業空間與城鎮空間面積如表3 所示，其中農業空間在整個縣域國土空間占比最大且逐年呈遞增趨勢，2009、2015、2019 年所占比重依次為 54.29%、55.21%、69.36%；生態空間所占比例次之，但逐年下降，麥蓋提縣處于城鎮化、工業化快速發展階段，建設用地的緊張需求對生態空間造成擠壓；城鎮空間面積所占比例逐年大幅度上漲。

表3 2009—2019 年麥蓋提縣3 類國土空間類型的面積及占比

3.1.1 城鎮空間 2009、2015、2019 年麥蓋提縣城鎮空間堅持中心城區、重點鄉鎮、一般鄉鎮三頭并舉的方針，以麥蓋提鎮為中心，沿著重點鄉鎮面積逐年擴大。2009 年主要分布在麥蓋提鎮中心城區；2015年中心城區面積向周邊延伸，以央塔克鄉、庫木庫薩爾鄉和希依提墩鄉為發展重點，城鎮空間零星分布，規模較小；2019 年城鎮空間呈規模分布、緊湊度高，為加快城鄉一體化發展，新增特色小城鎮與富民安居工程，逐步改變農村用地散而亂的特征（圖1）。

3.1.2 農業空間 2009、2015、2019 年麥蓋提縣農業空間分布格局基本一致，主要集中在央塔克鄉、吐曼塔勒鄉、尕孜庫勒鄉、克孜勒阿瓦提鄉、庫爾瑪鄉等水利設施相對較好，灌排能力較強的重點區域，規模大、呈連片狀分布，貫穿麥蓋提縣南北（圖1）。

3.1.3 生態空間 2009、2015、2019 年麥蓋提縣生態空間面積遞減幅度大，希依提墩鄉、尕孜庫勒鄉、克孜勒阿瓦提鄉與吐曼塔勒鄉減少顯著。主要包括葉爾羌河沿岸生態保護區和塔克拉瑪干沙漠防護林等，防護林生態保護區、河流、防護林地在全縣呈“帶狀”布局（圖1）。

圖1 麥蓋提縣3 類國土空間分布格局

3.2 麥蓋提縣3 類國土空間動態變化特征分析

3.2.1 時間變化特征 比較分析2009—2019 年麥蓋提縣3 類國土空間面積變化，借助單一動態度指數計算各類空間在國土總空間利用的變化速度。2009—2019 年城鎮空間面積增加3 002.57 hm2，動態度為19.59%/年，在3 類國土空間中增幅最大；農業空間呈穩定上升趨勢，動態度為2.78%/年；生態空間減少 26 348.15 hm2，動態度為-3.8%/年。圖 2 直觀反映麥蓋提縣2009、2019 年3 類國土空間相互轉換狀態，其中，麥蓋提鎮作為全縣經濟發展中心城鎮空間增加明顯，由農業空間、生態空間轉入3 509.73 hm2；農業空間的增加貫穿整個麥蓋提縣，主要由生態空間轉換而來，集中分布在克孜勒阿瓦提鄉、尕孜庫勒鄉、庫木庫薩爾鄉、央塔克鄉、吐曼塔勒鄉及昂格特勒克鄉；農業空間、城鎮空間轉換為生態空間的面積較小，零星散落在各個鄉鎮，退耕還林等政策有效保障生態保護紅線不被擠壓。

圖2 2009—2019 年麥蓋提縣3 類國土空間面積變化

3.2.2 空間變化特征 本研究借助洛倫茲曲線理論與基尼系數探索麥蓋提縣3 類空間分布的均勻程度。由圖3 可以看出，農業空間曲線距離絕對平均線最短，表明農業空間在國土總空間分布均勻；生態空間曲線距離絕對平均線變化幅度小，表明生態空間分布均勻且穩定；城鎮空間曲線變化劇烈，其曲線下凹程度逐年遞減，表明城鎮空間2009 年分布離散、集聚度低，由于麥蓋提縣位于葉爾羌河流域5 個縣的中心，絲綢之路經濟帶建設使麥蓋提縣成為葉爾羌河流域范圍內的交通樞紐中心和商貿物流中心，因而至2019 年城鎮空間均衡性增強。以10 個鄉鎮為評價單元得出基尼系數，2009—2019 年農業空間與生態空間基尼系數均小于0.200，說明縣域內分布絕對均勻；2009 年城鎮空間基尼系數為0.787，2019 年減至0.456，城鎮空間分布差距懸殊但以遞減趨勢為主，表明其面積擴張相對集中，空間分布趨于均衡。

圖3 2009—2019 年麥蓋提縣3 類國土空間洛倫茲曲線

3.3 麥蓋提縣3類國土空間景觀格局演變特征分析

3.3.1 斑塊層面景觀特征 借助Fragstats 4.2 軟件提取麥蓋提縣3 類國土空間景觀格局指數，從斑塊層次選取描述指標進行各個景觀格局指數特征分析，探討3 類國土空間景觀斑塊類型變化特征及規律。由圖4 可以看出，2009—2019 年城鎮空間景觀指數變化較大，斑塊密度2009 年為0.25，2019 年增長至3.90，說明城鎮空間斑塊面積逐年擴張；面積指數、最大斑塊面積指數及景觀形狀指數均呈不同程度的上漲趨勢，分別增加1.90、0.60、43.00，說明2009—2019 年城鎮空間斑塊類型占比增加，斑塊形狀復雜且離散程度高；散布與并列指數（IJI）、聚集度指數波動下降，說明城鎮空間斑塊之間相互臨近性較低，絲綢之路經濟帶的建設為麥蓋提縣城鎮空間拓展提供了機遇，因而城鎮空間以麥蓋提鎮集聚分布、重點鄉鎮散落分布為格局。由于近11 年城鎮空間與農業空間擴張導致生態空間面積受到擠占，其面積指數、最大斑塊面積指數逐年降低，2009—2019年分別減少16.8、15.8，聚集度指數從93.8 變化為87.2，說明生態空間斑塊數量占比減少、景觀多樣性及優勢度減弱；景觀形狀指數2009—2015 年小幅度上漲、2009—2019 年大幅度增加；散布與并列指數穩定增長反映生態空間斑塊之間相互臨近且整體離散分布貫穿整個研究區域。麥蓋提縣以糧食生產核心區建設為契機，根據麥蓋提縣經濟社會發展規劃和麥蓋提縣農用地分等成果，優化基本農田布局，農業空間面積指數、斑塊密度指數、景觀形狀指數、集聚度指數、散布與并列指數及最大斑塊面積指數以穩固上漲為發展趨勢并均高于城鎮空間與生態空間，在人類活動影響下豐富了其斑塊類型的多樣性，內部排列緊湊度增加，整體斑塊形狀不規則。

圖4 2009—2019 年麥蓋提縣3 類國土空間斑塊層面景觀指數

3.3.2 景觀層面景觀特征 從景觀層面選取蔓延度指數、香濃多樣性指數、香濃均勻度指數、散布與并列指數、聚合度指數5 個指標分析整體景觀均勻度與聯系性。由表4 可以看出，香農多樣性指數、香農均度指數2009—2015 年增加、2015—2019 年減少，表明隨著人類活動的加強3 類國土空間景觀類型變化強烈，發展方向趨于均衡化與多樣化；蔓延度指數、聚集度指數呈小幅下降趨勢，散布與并列指數增加33.612 1，表明各類型景觀的臨近性提高、相同類型景觀集聚度降低、各類景觀優勢度愈加明顯，其3類國土空間的聯系也隨之加深。

表4 2009—2019 年麥蓋提縣3 類國土空間景觀水平指數

4 小結與討論

3 類國土空間的提出與發展是建立、健全國土空間規劃體系的重要進程，基于土地利用主導功能的3 類國土空間分類隨著人類活動對土地干擾程度的加劇應用愈加廣泛。通過對麥蓋提縣展開3 類國土空間分類與格局分布、結合時空尺度進行不同時期3 類國土空間動態變化分析及探討其景觀格局演變特征。結果表明，①農業空間。2009—2019 年農業空間面積逐年穩固增加，占麥蓋提縣國土空間最大比重，主要分布在水利設施、灌排能力較強的鄉鎮且涉及面積廣泛，農業空間的增加主要由生態空間轉入。根據洛倫茲曲線與基尼系數表明其在研究區內分布絕對均勻。由景觀格局指數得出，各類指數以上升趨勢為主，斑塊類型分布緊密且聚集度高。農業是民生之本，麥蓋提縣以農業為主進一步保護和開發農業空間，保障全縣糧食生產水平穩中有升。②城鎮空間。2009—2019 年城鎮空間面積增加3 002.57 hm2，主要分布在中心城區及各個鄉鎮中心，其面積增加來源于生態空間與農業空間的轉化。由于中央提升新疆戰略地位、絲綢之路經濟帶建設，進一步推動了麥蓋提縣城鎮建設。因此城鎮空間分布格局由不均衡變為相對均衡，其分布差距懸殊的狀態得到改善。從景觀格局指數得出城鎮空間斑塊面積逐年增加但離散度高，并且城鎮空間斑塊類型之間連續性較低。③生態空間。在新型工業化、新型城鎮化、農牧業現代化、信息化建設和基礎設施現代化建設進程中農業空間與城鎮空間面積大量增加造成生態空間面積逐年減少，主要以防護林生態保護區分布在研究區內。2009—2019 年其基尼系數＜0.2，表明其分布絕對均勻，生態空間景觀多樣性與優勢度隨著斑塊面積減少而降低。

結合本研究區實際情況，借鑒已有的3 類國土空間劃定成果，基于土地利用的主導功能完成麥蓋提縣3 類國土空間分類體系與格局分析，如何優化3類國土空間布局、緩解尖銳的土地供需矛盾、統籌生態保護紅線、永久基本農田保護紅線與城鎮開發邊界線是今后探索的方向。