基于DPSIR模型的乌鲁木齐城市扩张的生态效应分析

谢璐迪， 史磊， 玉米提·哈力克*， 田奥磊

(1.新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830017；2.新疆绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830017)

随着城市化快速发展，尽管社会经济水平逐渐提高，但也带来诸多“城市问题”[1-2]，尤其以城市扩张及其“水土气生”生态效应最为严重，引起了国内外学者的广泛关注[3-4]。目前对城市扩张的生态效应研究主要集中在以下几个方面：(1)通过人口、产业、经济等指标研究其空间结构[5-6]；(2)通过“3S”技术、地理过程建模等方法，对土地利用变化与生态环境的相互作用进行动态模拟与预测[7-8]；(3)城市土地利用变化的生态环境效益评价，揭示二者关联的动力学机制[9-10]。研究方法主要通过DPSIR模型(驱动力-压力-状态-影响-响应)来评估城市扩张、水资源、农业的可持续发展，并将其应用于土地生态安全评价、生态系统健康评价等领域[11-16]。值得注意的是，国内外学者的研究对象多为发达城市或城市群，而针对干旱区绿洲城市的研究较少。干旱区绿洲城市因其生态系统的脆弱性，历经西部大开发战略，生态本底和社会经济与东部城市相异。东部发达地区的评估指标难以直接套用于西部干旱半干旱区[17-18]，同时由于干旱区绿洲城市生态系统自身的复杂性以及研究方法的不同，基于完整的多维指标来研究城市扩张和生态效应的文章较少，针对西北干旱半干旱区城市扩张及驱动机制尚不明确。

鉴于此，本研究结合城市扩张、社会经济发展与生态环境之间的多元复杂关系，以我国西北干旱区典型绿洲城市—乌鲁木齐市为研究区，借助DPSIR模型，构建代表城市扩张的社会经济压力、土地利用状态和生态效应多维指标体系，综合评价乌鲁木齐市城市土地利用变化的生态效应，以期为城市土地利用规划、生态环境管理和资源保护提供理论依据和实践参考，促进城市可持续发展。

1 研究区概况

乌鲁木齐市(86°37′—88°58′ E，42°45′—45°00′ N)位于我国西北极端干旱区，属中温带大陆性干旱气候，四季分明，气候干燥，蒸发强烈，年均气温6.4 ℃，年均降水量280 mm，潜在蒸发高达2 830 mm[19]。全市行政区域土地面积14 216 km2，建成区面积约438 km2，占全市总面积的3.08%[20]，城区绿化覆盖面积3.60×104hm2，绿地面积3.32×104hm2，人均公园绿地面积10.82 m2[19]。随着西部大开发战略和“一带一路”倡议的持续推进，新疆全力推进丝绸之路经济带核心区“五大中心”建设，乌鲁木齐市的城市化进程迎来了新的发展机遇。1980—2017年，乌鲁木齐市建成区面积从37 km2增加到438 km2；GDP从1.12×109元增长到273.07×109元；全市户籍总人口从1.19×106人增长到2.23×106人，其中城镇人口从0.91×106人增长到1.98×106人[19]，快速城市化引发一系列生态环境问题。

2 数据和方法

2.1 数据来源

基于Landsat TM/ETM 30 m分辨率影像，采用监督分类方法，解译1980—2017年乌鲁木齐市各土地利用类型，将土地利用分类为耕地、林地、草地、水体、城市用地和未利用地[4]，采用Kappa系数对解译精度进行验证，精度均高于80%。社会经济统计数据包括GDP、城镇人口、建成区面积、各产业产值等均来自乌鲁木齐市统计年鉴(1980—2017年)。由于统计年鉴部分数据缺失，园林绿地面积、建成区绿化覆盖率和公园绿地面积起始年限为1990年；城镇居民人均可支配收入、污水年排放量、工业废气排放总量、工业固体废弃物综合利用量和生活垃圾无害化处理量起始年限为1995年；污水处理率起始年限为1996年；废气治理设施处理能力起始年限为2001年。

2.2 研究方法

基于前人研究成果，结合干旱区绿洲城市城市化和生态环境特征，基于DPSIR模型构建24个指标对研究区城市扩张进行综合评价[4,21-23]，分析城市化扩张的级联效应，各指标计算公式及含义见表1所示。

表1 城市扩张驱动力、压力、状态、影响、响应指标Table 1 Drivers, pressure, status, impact and response indicators of urban expansion

研究采用ArcGIS10.1软件绘制乌鲁木齐市1980—2017年土地利用类型变化图，通过面积汇总得到1980—2017年各土地利用类型面积及比例，探索城市化扩张空间变化程度；采用主成分分析方法筛选研究区6个主导驱动因子(GDP、城市人口、粮食总播种面积和第一、第二及第三产业产值)，结合最小二乘回归方法深入揭示驱动因子和城市扩张之间的关系，采用相关系数(R2)评估相关关系。

3 结果与分析

3.1 乌鲁木齐市城市扩张及生态效应变化

1980—2017年乌鲁木齐市城市用地面积由1.89 km2增加到8.24 km2，占比从1.30%增加到5.68%(表2)。其中1980—1990年和2010—2017年增长趋势明显，分别增加2.49 km2和2.84 km2；未利用土地面积从35.58 km2增加到43.25 km2，占比从24.52%增长到29.81%，增长幅度较大；耕地面积从12.4 km2减少到11.15 km2，占比从8.55%下降至7.68%；生态土地面积从95.23 km2减少到82.45 km2，占比从65.63%下降至56.83%，其中林地、草地和水域面积分别减少2.57 km2、8.39 km2和1.82 km2。研究区扩张以新市区、水磨沟区和沙依巴克区北部为中心向四周呈“辐射扩散”，基本呈“北宽南窄”T字形向西北和东北延伸(图1)。

图1 1980—2017年乌鲁木齐土地利用类型空间分布图Figure 1 Spatial distribution of land use types in Urumqi from 1980 to 2017

针对城市扩张各驱动因子而言，建成区面积与GDP、城市人口、三大产业产值之间呈明显正相关关系，与粮食总播种面积呈负相关。随着GDP、城市人口和三大产业产值的增加，粮食总播种面积减少，建成区面积随之增加。在GDP增长过程中，建成区面积增加呈现幂指数正相关关系，建成区面积增加速率先大后小，呈现出“先快后慢”趋势(图2a)。城市人口增加，导致住房需求同时增大，城市建成区面积随之增加(图2b)。粮食总播种面积与建成区面积呈显著负相关，随着建成区面积的增加，粮食总播种面积减少(图2c)。三大产业产值与建成区面积均呈正相关关系，其中第三产业产值与建成区面积的拟合度最高，R2为0.983 6，第二产业产值次之(图2def)。

城市化扩张影响因子可分为两个主成分，共同解释99.7%的信息(图3)。其中PC1解释66.90%，PC2解释32.80%。GDP、第三产业产值和城市人口为PC1的主要指标，GDP与PC1相关性最高。城市人口与PC2有较强相关性，第一产业产值、第二产业产值和粮食总播种面积与PC2为负相关。GDP、城市人口和第三产业产值能较好的解释乌鲁木齐市的城市扩张，是研究区城市扩张的主导驱动因子。

表2 1980—2017年乌鲁木齐土地利用类型面积变化Table 2 Change of land use types in Urumqi from 1980 to 2017

图2 1980—2017年乌鲁木齐市城市建成区面积与GDP、城市人口、粮食总播种面积和三大产业产值的关系Figure 2 Relationship between built-up area and GDP, urban population, total grain sown area, output value of three major sectors of Urumqi city from 1980 to 2017

图3 城市扩张驱动因子的主成分分析Figure 3 Principal Component Analysis of driving factors of urban expansion

图4 1990—2017乌鲁木齐城市扩张的生态效应Figure 4 The ecological effects of urban expansion in Urumqi from 1990 to 2017

图4揭示了乌鲁木齐市城市扩张的生态效应：1990—2017年，乌鲁木齐市园林绿化面积、建成区绿化覆盖率及公园绿地面积呈波动式上升趋势；污水处理率在1998年到达峰值后下降，在2017年回升至98.73%；废气治理设施处理能力和工业固体废弃物综合利用量分别在2008年、2012年到达峰值后缓慢回落；生活垃圾无害化处理量在2007年降至最低然后回升。这表明：随着乌鲁木齐持续推进园林城市及生态文明城市建设，城市绿地数量明显上升，但人均绿地数量及质量仍需进一步探究；水、气、固体颗粒物废弃物及垃圾无害化处理水平较高，表明相关科技水平发展为生态环境安全提供技术保障。

3.2 乌鲁木齐市城市扩张的驱动力、压力、状态和 响应指标分析

3.2.1 乌鲁木齐市城市扩张驱动力指标分析

1980—2017年研究区人均地区生产总值和城镇居民人均可支配收入均呈明显增长趋势，且增长速度逐渐增大，增幅明显；城镇化率在1980—2015年维持在75%左右，在2015年增至最高值91.95%。揭示了研究区经济状况和人民生活水平提高，人口逐渐向城市聚集(图5)。

图5 1980—2017年乌鲁木齐城市扩张的驱动力指标Figure 5 Drivers indicators of urban expansion in Urumqi from 1980 to 2017

3.2.2 乌鲁木齐市城市扩张压力指标分析

1980—2017年研究区EIPI和ERPI值分别为0.18 km2/a和9.60%/a。其中，1980—1990年和2010—2017年EIPI和ERPI增长趋势明显，分别为0.23 km2/a、0.26 km2/a、12.00%/a和4.78%/a，其它年份增长较缓，但均为正值；农林牧渔业总产值、污水年排放量、工业废气排放总量、原煤产量和发电量5类指标中，除原煤产量在2010年后明显减少外，其余指标均呈明显的波动上升趋势，表明乌鲁木齐农业生产规模、区域污染、能源和电力压力逐渐增大(图6)。

3.2.3 乌鲁木齐市城市扩张状态指标分析

1980—2017年EDSI值从0.59×109元/km2增长至33.14×109元/km2，增长56倍，表明1980—2017年乌市城市扩张促使经济加速发展；PCSI值从0.48×106人/km2下降至0.24×106人/km2。FSSI值从6.56降至1.35，主要由于乌鲁木齐市耕地面积有所下降，导致粮食安全性降低；ECSI值逐年递减，从50.39下降至10.01，表明乌鲁木齐市生态环境建设受到严重制约(图7)。

图6 1980—2017年乌鲁木齐城市扩张的压力指标Figure 6 Pressure indicators of urban expansion in Urumqi from 1980 to 2017

图7 1980—2017年乌鲁木齐城市扩张的状态指标Figure 7 State indicators of urban expansion in Urumqi from 1980 to 2017

3.2.4 乌鲁木齐市城市扩张响应指标分析

1980—2017年乌鲁木齐市卫生机构床位数和高校在校学生数匀速上升，增长趋势明显，但教育支出占公共预算支出比例在1982年到达最高值29.93%，其余年份在10%～20%之间波动变化。表明乌鲁木齐医疗水平和政策响应愈发完善，但教育投资成本有待进一步提高(图8)。

图8 1980—2017年乌鲁木齐城市扩张的响应指标Figure 8 Response indicators of urban expansion in Urumqi from 1980 to 2017

4 讨论

4.1 乌鲁木齐市城市扩张现状及生态效应分析

乌鲁木齐市城市扩张主要以西北和东北方向为主，建筑用地和未利用土地面积增加，耕地和生态土地面积均减少，这与姚远、马桂等[24-25]研究结果呈现差异性，具体表现为林地面积的增加，因其研究起始年限为2000年，而我国在2002年实行“退耕还林”政策，大量山地、坡地及不适宜耕作的农田被改为林地，短期内林地面积增加，时间尺度的不同导致结果呈现差异性。近十年来，乌鲁木齐市进入高速发展阶段，对于建成区、水利设施、交通运输用地的需求增加，促使更多耕地和生态土地转变为建筑用地。驱动力分析进一步揭示GDP、城市人口和三大产业产值是乌鲁木齐城市扩张主要驱动因子，这与张占录、胡瀚文等在北京、上海所做研究结果相似[26-27]。房地产业在驱动北京城市扩张中发挥重要作用，究其原因是北京作为我国首都，住房需求量庞大，城市改造拆迁活动频繁，导致房地产业成为北京市近年来支柱产业，在驱动城市扩张中发挥主导作用；上海作为我国城市化水平最高的城市，发展迅速，人口、经济、政策、交通等多因素交互共同推进上海城市扩张。而同属西北干旱区的兰州市，其城市扩张主要驱动因子为政策引导下的招商引资，这是由于郭德弘等[28]研究区为兰州新区，作为2010年成立的国家级新区，建设初期，政策导向对其扩张起决定性作用。在本研究中，乌鲁木齐市GDP增长与城市建成区面积显著相关，经济增长必然会导致人口迁移、结构变动和产业聚集，促进城市扩张；城市人口的不断增长，促使乌鲁木齐市周边土地转变为城市建筑用地，从而增大城市扩张速度；近年来产业结构改革也使得城市更新、建设速度加快，建成区面积不断增加。在未来发展中，要充分发挥经济增长对城市扩张的驱动作用，调节产业结构，着力促进第三产业大力发展，加快产业转型升级；此外充分规划协调各类用地，调节用地矛盾，保障耕地和生态土地面积，科学合理规划城市格局。

截止2017年，乌鲁木齐市建成区绿化覆盖率为41.8%，根据《城市园林绿化评价标准(GB50563—2010)》[29]，已达一级水平(40%)。有研究表明，建成区绿化覆盖率对城市生态效益有较大贡献[22]。因此，在一定程度上缓解了乌鲁木齐市生态环境压力。未来要进一步提升园林绿化质量，加快构建城市生态文明景观格局。城市对废气、废水、废渣及生活垃圾的处理回收能力综合表征该地区为生态环境安全所采取的行动力度及科学技术水平，目前乌鲁木齐污水处理率达98.73%，但对于其它废弃物回收处理技术水平有待进一步提升。相关研究表明，政府科技投资力度会影响清洁能源产业的发展，对减少环境污染具有重要作用[30]。因此要提高科学技术支出、节能环保支出占公共预算支出比例，在城市扩张、人口增长、资源消耗等矛盾基础上，加速废弃物回收利用，促进清洁能源开发，提高科学技术研发水平，减少环境污染及资源浪费，充分发挥城市生态效应。

4.2 基于DPSIR模型的多维指标分析

DPSIR模型多维指标体系揭示：驱动力指标增长趋势明显，城市扩张推动区域经济发展及人民生活水平提高。截止2017年底，乌鲁木齐市城镇化率高达89.03%(图5)。这表明在西部大开发及“一带一路”战略持续推进下，乌鲁木齐市迎来了史无前例的大规模城镇化，但高度城镇化必然会导致环境污染加剧、生态系统退化、各种生态问题频发。这与崔馨月等[22,31]研究结果相似。未来要根据《乌鲁木齐都市圈国土空间规划(2020—2035)》，结合城镇吸纳能力、基础设施完善程度、资源环境承载力以及城镇管理水平来积极稳妥推进城市化，避免“冒进”态势，要将生态文明融入城镇化进程中，节约利用土地、水、能源等资源，强调环境保护和生态修复，构建“节能环保型和生态稳定型”城市[32]。有研究表明，驱动力和压力指标之间存在高度相关性，经济促进城市化发展必然会对城市生态系统造成巨大压力[33]，而本研究EIPI、ERPI指标及废气、废水排放量也表明乌鲁木齐市城市生态系统、环境、能源等面临诸多挑战。该结果与陈奇霞等[34]研究成果呈现差异性，主要由于城市化与生态环境之间的耦合关系随着时间而变化，不同时空尺度及指标体系呈现差异化结果。在人均资源有限的国情条件下，尤其在极端干旱的乌鲁木齐市，更要强调构建“资源节约型和环境友好型”城市，注重提高其生态环境承载能力，促进废弃物治理与回收，同时优化能源结构，提高生物能、风能、太阳能等可再生能源比例。同时状态指标中PCSI、FSSI和ECSI指标的持续下降也表明目前乌鲁木齐市人口承载力、粮食安全性及生态安全受到制约，这与Liu等[4]研究结果相似。这是由于在城市建设过程中，吸引大批农民工进入城市，导致失地或部分失地农民数量上升，粮食安全受到影响。同时大量流动人口会导致城镇化率虚高，直接加剧城市建设与人口承载之间矛盾。因此，在生态脆弱的干旱区绿洲城市，更需平衡城市经济发展与人口增长和生态安全之间的矛盾，加大农业投入，打造以生态平衡为前提的现代农业发展模式，提高人类福祉和区域可持续性发展。响应指标表明目前乌鲁木齐市政策响应逐渐完善，但教育支出占公共预算支出比例未见增长趋势，教育资本的提高既能作为经济发展的推动力，又有助于缓解人口压力，促进生态环境良性发展[35]。因此，乌鲁木齐市应加大教育资金投入力度，扩大高等教育发展规模，且作为新疆政治、经济、人口、文化及科教服务中心，对于教育资本相对较低或水平相对较弱的南疆地区，应加强人才流动，合理配置教育资源，有助于新疆维吾尔自治区生态安全水平全面提高。

5 结论

为揭示乌鲁木齐市生态安全现状，为区域生态建设提供数据支撑，本文基于遥感和统计年鉴多源数据类别，采用主成分分析和DSPIR模型揭示乌鲁木齐市城市扩张驱动力及其生态效应，主要结论如下：

(1)1980—2017年，乌鲁木齐市城市建筑用地持续扩张，逐渐挤占以林草水为主的生态用地，生态环境呈现退化趋势。

(2)主成分分析和DSPIR模型进一步揭示了扩张主要驱动因子是GDP、城市人口和第三产业产值，间接导致耕地和生态土地面积减少。

(3)未来发展需基于干旱区资源承载力和生态系统脆弱性特征，严守“三线一单”，大力推进生态城市建设。