烏魯木齊市生境質量時空演變特征及預測

摘 要：【目的】評估烏魯木齊市生境質量的演變特征。【方法】運用PLUS模型和InVEST模型對烏魯木齊市土地利用類型和生境質量進行預測、評估。【結果】①2000—2022年烏魯木齊市出現“四增二減”趨勢，建設用地、未利用地面積擴張趨勢明顯，林地、水域面積略有增加，草地、耕地面積縮減較大。②研究區生境質量與土地利用類型關系緊密，生境質量高值區主要分布于天山林地，低值區主要分布于人類活動聚集區和古爾班通古特沙漠和達坂城區戈壁灘。③研究期內烏魯木齊市生境質量整體較低并呈現持續下降趨勢，退化區集中在烏魯木齊城區周圍、達坂城戈壁沿線;在自然情景下，2030年烏魯木齊市生境持續惡化，在生態保護情景下，會有一定程度改善。【結論】研究結果對未來烏魯木齊市生態治理工作和優化國土空間布局具有一定的參考價值。

關鍵詞：土地利用變化；生境質量；InVEST模型；烏魯木齊市

中圖分類號：X321 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）16-0098-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.020

The Spatiotemporal Evolution Characteristics and Prediction of Habitat Quality in Urumqi

LI Chenzeng1，2 ZHANG Yongfu1，2

（1.School of Geography and Remote Sensing Science， Xinjiang University， Urumqi 830017， China;

2.Key Laboratory of Oasis Ecology， Ministry of Education， Xinjiang University， Urumqi 830017， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to evaluate the evolutionary characteristics of habitat quality in Urumqi. [Methods]The PLUS model and InVEST model were used to predict and evaluate the land use types and habitat quality in Urumqi . [Findings] ① From 2000 to 2022， Urumqi experienced a trend of "four increases and two decreases"， with a significant expansion trend of construction and unused land areas， a slight increase in forest and water areas， and a significant reduction in grassland and cultivated land areas.② The relationship between habitat quality and land use types is closely related in the research area. High value areas of habitat quality are mainly distributed in the Tianshan forest， while low value areas are mainly distributed in human activity gathering areas， such as the Gurbantunggut Desert， and the Gobi Desert in Dabancheng District. ③ During the research period， the overall habitat quality in Urumqi was relatively low and showed a continuous downward trend. The degraded areas were concentrated around the urban area of Urumqi and along the Gobi Desert in Dabancheng District. In natural scenarios， the habitat in Urumqi will continue to deteriorate by 2030， and there will be some improvement in ecological protection scenarios.[Conclusions] The research results have certain reference value for future ecological governance work and optimization of land spatial layout in Urumqi.

Keywords： land use change; habitat quality; InVEST model; Urumqi

0 引言

生境質量是衡量生態系統服務功能的重要指標，也是生物多樣性維持能力的重要表征，準確預測生境質量的演變對于推動區域生態環境的高質量發展至關重要［1］。土地作為自然環境和社會環境的物質基礎與承載空間，其利用變化是人與自然交互過程中最直接的表現之一，也是引起生境質量發生改變的主要原因［2］。

土地利用的變化包含數量結構和空間結構分布的演變，模型的選擇必須具備定量預測和空間模擬能力［3］。目前土地利用預測模型種類繁多，CLUE-S模型［4，5］、CA-Markov模型［6，7］、FLUS模型［8，9］等已得到廣泛應用。井云清等［10］以1998、2006年Landsat TM影像和2014年Landsat OLI影像的土地利用/覆被分類結果為輸入數據，采用CA-Markov模型，預測研究區未來的土地利用。張廷等［11］運用PLUS模型對2030年哈爾濱市自然發展情景、耕地保護情景、生態保護情景、城鎮發展情景下的土地利用預測均取得了較好效果。

生境質量是指生態系統為個體和種群的可持續發展提供適宜生活條件的能力，在一定程度上可以反映生物多樣性［12］。國內外學者主要采用SoIVES模型［13］、ARIES模型［14］、InVEST模型［15］、MxaEnt模型［16］等對其評估。其中，InVEST模型因空間分析與可視化能力強、參數獲取便捷、評估精度高得到廣泛應用。劉美娟等［17］運用InVEST模型及地理探測器方法，模擬青海湖流域產水服務、評估產水量空間分異特征、剖析其空間異質性歸因。

烏魯木齊市作為我國西北干旱地區經濟最活躍、人口最集中的區域之一，發展進程中始終面臨著生態保育與經濟建設的協調問題。因此，本研究從土地利用變化角度出發，研究烏魯木齊市生境質量時空演變規律，為促進其生態治理及土地資源可持續利用提供參考。

1 數據來源與方法

1.1 研究區概況

烏魯木齊市地處亞洲中部大陸腹地（如圖1所示），位于我國西北內陸遠離海洋，屬于溫帶大陸性干旱氣候區，全年干旱少雨。寒暑變化劇烈，晝夜溫差大，是典型的干旱區綠洲城市。其地勢起伏大地貌復雜多樣，南部、東北部高，中部、北部低，分布有山地、山間盆地、丘陵、沙漠戈壁等地貌特征。作為中國西北地區最大城市之一，烏魯木齊總面積為1.38萬 km2，常住人口為408.24萬人，隨著經濟快速發展，區域內土地利用類型在迅速改變。

1.2 數據來源

土地利用數據來源于武漢大學CLCD數據集［18］；高程數據來源于地理空間數據云（http： //www.gscloud.cn/）；行政區界線、道路等來源于中國基礎地理信息數據庫；人口密度、GDP公里網格數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（https： //www.resdc.cn/）；年降水量來源于《中國1980年以來逐年年降水量空間插值數據集》［19］。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化分析。土地轉移矩陣可表示研究期內各類土地轉出流入的面積，具體反映各土地利用類型之間的轉移方向，具體公式為式（1）。

[Sij]=[S11 S12 S13 S1nS21 S22 S23 S2n... ... ... ...Sn1 Sn2 Sn3 Snn] （1）

式中：[Sij]表示初期與末期土地利用的轉變形態；i表示初期土地利用類型；j表示末期土地利用類型；n為土地利用類型數。

1.3.2 PLUS模型。PLUS模型是基于土地擴張分析策略（LEAS）的規則挖掘框架和基于多類型隨機種子（CARS）的CA模型，通過LEAS可分析兩期不同土地利用數據間的變化情況，并可通過隨機森林算法得到各個驅動因子對土地利用類型的貢獻率。在自然情景下，基于烏魯木齊市2010—2020年土地利用變化規律，不加限制條件，模擬自然情景下2030年土地利用情況；在生態保護情景下，結合前人研究［14，19］，將耕地、林地、草地向建設用地轉移概率降低50%，耕地、未利用地向林地轉移概率提高20%、耕地、未利用地向草地轉移概率分別提高30%、40%。

1.3.3 生境質量分析。InVEST模型具有空間分析與可視化表達能力強、評估精度高、參數獲取便捷等優勢，模型生境質量公式為式（2）。

[Qxj]=[Hj]［1-（[DzxjDzxj+kz]）］ （2）

式中：[Hj]為j類土地利用類型的生境適宜度；[Dzxj]為j類生境在柵格x處受到的威脅程度；z是常數，默認值為2.5；k是半飽和系數，默認為0.5；棲息地質量由棲息地質量指數衡量，該指數介于0和1之間，該值越高，棲息地質量越好。

本研究選取耕地、建設用地、未利用地、鐵路作為威脅因子，結合前人研究［20-21］依次設置威脅因子相應參數（見表1），并對不同土地利用類型的生境適宜性及對威脅因子的敏感性進行賦值（見表2）。

1.3.4 生態貢獻率。研究區內不同時期土地利用類型的改變所導致的生境質量的變化被稱為土地利用轉型的生態貢獻率，從中可以看出各類土地利用變化對生境的影響程度［22-23］，計算公式為式（3）。

LEI=（[LE1?LE0]）*LA/TA （3）

式中：LEI為其中一類土地利用變化下的生態貢獻率；[LE1]、[LE0]分別為代變化初期、末期該類土地利用類型的生境質量指數；LA為該類土地利用類型面積，TA為研究區總面積。

2 結果與分析

2.1 2000—2022年烏魯木齊土地利用變化分析

烏魯木齊市2000—2022年土地利用面積變化情況見表3。由表3可知，烏魯木齊市土地利用類型主要以草地、未利用地為主，占比超過80%，其次依次為耕地、建設用地、水域。草地分布范圍較廣主要集中于烏魯木齊縣、水磨溝區米東區南部和達坂城山地，未利用地主要分布在北部的古爾班通古特沙漠和達坂城區南部（如圖2所示）。研究期內，烏魯木齊市未利用地、草地、建設用地、耕地面積變化幅度較大，其中，未利用地面積增加815.82 km2，建設用地面積增加219.45 km2，草地面積減少922.11 km2，耕地面積減少212.0 5 km2，林地、水域面積變化較小，但由于受荒山改造、全球氣候變暖和冰川消融加劇等影響，林地、水域面積均呈現增長趨勢。通過土地利用轉移弦圖（如圖3所示）可知，近20年間烏魯木齊市土地利用類型主要在耕地、草地、未利用地之間相互轉換，其中耕地、未利用地向草地轉出面積分別為279.38 km2和236.66 km2草地向未利用地轉出面積為1 066.86 km2。

2.2 不同情景下烏魯木齊市2030年土地利用模擬預測

在運用CA-Markov和PLUS耦合模型預測烏魯木齊2030年土地利用情況之前，基于2010年土地利用現狀模擬2020年土地利用空間分布情況。通過計算Kappa系數為0.81，其中耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地Kappa系數分別為0.68、0.79、0.84、0.76、0.74、0.91，其模擬效果較好，實用性較好。在此基礎上以2020年為基期年模擬2030年烏魯木齊市土地利用變化情況（如圖4所示）。烏魯木齊市2022—2030年土地利用面積變化情況見表4，由表4可以看出在無約束和人為干預的自然發展情景下，相較于2022年，建設源地擴展較明顯，未利用地面積增加顯著（分別為79.37 km2、360.36 km2），由轉移矩陣可以看出建設用地面積增加主要來源于耕地、草地，表明經濟的增長在一定程度上限制了其他土地利用類型的增長，大面積草地退化為未利用地，若不加以人為干預，生態環境

可能會進一步惡化。在生態保護情景下，相較于2022年草地面積增加158.28 km2、林地增加20.37 km2，耕地減少91.85 km2未利用地減少109.1 km2，草地增加面積主要由耕地、未利用地轉出。從分布上看，主要分布于原有耕地周圍，若未來繼續實施退耕還林及生態保護工程，持續推進國土綠化，厚植高質量發展生態底色，未來烏魯木齊市生態環境質量將得到持續改善。

2.3 生境質量變化分析

生境是區域地形、氣候、水文、土壤和植被的綜合，生態環境和土地利用類型的變化會導致生境的演替.根據Invest模型生境質量模塊運行結果得到研究區生境質量分布如圖5所示。為更直觀地顯示，本研究按自然斷點法將生境質量指數劃分為低、較低、中等、較高、高5個等級，統計每個等級面積和間隔期生境質量指數平均值如圖6所示。

從時間尺度上，研究區生境質量指數平均值在50%以下，且近20年來生境質量指數平均值呈現下降趨勢，研究區總體上生境質量偏低，低值區由2000年的5 087.27 km2增加到2022年的6 129.34 km2占比逐年增加，較高值區域由2000年的5 137.29 km2下降至2022年的4 413.16 km2面積不斷下降。從空間尺度上可看出低值區域主要分布于北部的古爾班通古特沙漠和達坂城區南部的低值區，以烏魯木齊市城區和達坂城區南部未利用地分布集中區域為中心向外擴張（如圖5所示），生境質量高值區主要分布于山區及山間河谷人煙稀少，人為干擾較少變化幅度較小。由于經濟發展和人類活動對原有植被的破壞，分布于耕地，建設用地周邊的中等質量生境區域面積也呈現逐年減少趨勢。

以2022年為基礎對2030年的兩種發展情景進行分析。在自然發展情景下，由于經濟發展和人類活動的影響，建筑用地持續增加耕地面積減少，草地退化，以及沒有采取積極的治沙對策，未利用地面積的進一步擴大給生境質量帶來了較大的負面作用，因而在自然情景下2030年生境質量出現降低趨勢。在生態保護情景下降低了草地向未利用地轉化、耕地向建設用地轉化的概率，并且荒山綠化的不斷踐行使得部分未利用地得到有效改善，在此情境下，生境質量水平有所提高。由表6可知，烏魯木齊市生境質量降低主要是大面積草地轉化為未利用地導致，其貢獻率占比達75%。

2.4 烏魯木齊市生境退化研究

生境退化是指在人類活動或者自然因素改變等影響下，所導致的棲息地質量下降和支持生物群落的能力減弱的現象。作為生境質量的衡量標準，其對維護區域生物多樣性和促進經濟社會發展具有重要影響。通過疊加分析得到烏魯木齊市研究期內生境質量退化情況（如圖7所示），2000—2022年，烏魯木齊市大部分區域生境質量較為穩定，托里鄉西北部由于人為開荒，未利用地轉變為耕地生境質量有所上升。米東區中部古爾班通古特沙漠綠洲附近由于生態治理的實施，生境也有提升。生境退化顯著區主要分布在烏魯木齊中心城區、甘泉堡工業園、達坂城戈壁沿線。城區和工業園區周邊大量建設，耕地轉變為建設用地導致其生境退化最為嚴重。達坂城戈壁外沿由于草地不斷退化為未利用地，給當地生態環境的保護造成了一定的壓力。

3 討論與結論

烏魯木齊市主要土地利用類型為草地、未利用地，占總面積的80%以上，2000—2020年耕地、草地面積分別減少24%、12%。近20年間，烏魯木齊經濟迅速發展，城區面積不斷擴大，建筑用地面積漲幅達91%。由于降水量減少、過度放牧不合理開發等因素影響，研究期內烏魯木齊市未利用地面積增加815.82 km2、增加17%并且呈持續增加趨勢。通過PLUS模型模擬自然情景和生態保護情景下的2030年烏魯木齊市土地利用變化情況可以看出：自然情景下，建設用地、未利用地增加明顯、草地退化加劇；生態保護情景下，建設用地增速得到控制，耕地更多轉為生態用地，未利用地面積縮減109.1 km2，草地增加158.28 km2，荒漠化得到一定控制。

2000—2022年，烏魯木齊市生境質量整體較低，低值區域分布有明顯聚集性，集中于北部古爾班通古特沙漠、中部城區和達坂城戈壁。生境退化程度逐年增高，若放任不管，在自然發展情景下，生境質量將不斷降低，若加以控制采取合理措施，在生態保護情景下，烏魯木齊市生態環境會得到有效治理，生境質量也會得到提升。后期應堅持當前的生態政策，繼續推行退耕還林還草、荒山綠化工程，經濟發展要堅持適度擴展原則和耕地保護原則，抑制耕地向建設用地流出速度，保護耕地紅線，防止荒漠進一步擴大。

本研究將PLUS和InVEST模型相結合，預測了烏魯木齊市兩種情景下土地利用和生境質量的時空格局演變，為烏魯木齊市生態環境保護和可持續發展提供了依據和參考。但本研究也存在一定的不足：首先，在使用PLUS模型預測氣候情景的過程中使用了多源數據。其中，人口、地區生產總值、氣溫和降水數據是在全國范圍內的，數據的準確性和數據之間的差異匹配程度需要進一步考慮。其次，盡管本研究考慮了指標的空間平衡和數據的可用性，并從自然條件和社會經濟的角度選擇了驅動因素，但仍然不夠全面。在未來的研究中地方政策制定中，應考慮更合理的土地利用需求，提高模型模擬預測的準確性。

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