2009~2020年拜城县土地利用与“三生空间”时空变化研究

贺忠发，曹月娥，何浩天，姜云璐，赵 敏，许仲林

（1.新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；3.上海师范大学 环境与地理科学学院，上海 200234）

0 前言

土地系统是区域社会经济发展和生态环境建设之间的重要纽带，土地利用方式的变化是决定区域生态系统稳定性的重要因素之一，其合理的配置有利于协调经济社会与生态环境系统之间的平衡关系[1]。绿洲是一种局部优化的人类生存环境，是干旱区能量流、物流最集中的区域，也是维系干旱区人类生存、活动和发展的场所，同时也是干旱区生态环境最为敏感的部分。干旱区绿洲是干旱地区独特的生态单元，它以荒漠为背景，根据水环境生长各种植被，加上人工林网和人工草场，构成了十分复杂的景观格局[2]。绿洲地区的土地利用研究对于社会经济发展与生态环境系统之间的平衡稳定发展有着更加重要的意义。

目前，“三生（生产—生活—生态）空间”划定通过对土地利用现状数据进行分类，属于定性分析，具有操作简单等特点[3]。2012年党的十八大报告提出“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的总体要求；2017年党的十九大报告再次强调“实施乡村振兴战略是重中之重”。自此，乡村“三生空间”成为构建空间规划体系、完善国土空间开发保护制度和各类尺度空间落实主体功能区规划的重要基础[4]。

在遥感和GIS技术支撑下，对拜城县土地利用类型及景观格局变化进行了分析，阐明了土地资源利用方式与程度、土地利用类型的区域分布及总体变化趋势和各景观斑块类型的特点，剖析了土地利用类型、“三生空间”时空动态变化的原因及未来变化趋势[5]。南疆干旱区的绿洲地带是人类适宜生存的聚居地，但是这些聚居地的生态环境也往往是最脆弱的。社会经济的持续发展伴随着社会生产和生活空间的不断扩大，必然也将压缩生态空间的用地，对其时空变化的特点和影响因子的分析，关乎今后如何处理好拜城县土地资源类型合理配置实现可持续发展的重要问题，亦为其他类似的干旱区绿洲土地利用提供借鉴。

1 研究区概况

拜城县隶属于新疆维吾尔自治区阿克苏地区，位于天山中段南麓、却勒塔格山北缘的山间盆地，渭干河流上游地带。地理坐标介于80°37′39″~83°02′25″E、41°24′08″~42°38′52″N。北隔天山，与伊犁地区的昭苏县、特克斯县相望；南隔却勒塔格山，与新和县相连；向东毗邻库车县；西与温宿县接壤（图1）。

图1 研究区概况图

拜城县四周群山环抱，为带状盆地。西北高、东南低，自然坡坡降较大，地形复杂。气候特点属于温带大陆性干旱型气候，冬季寒冷，夏季凉爽，年均气温7.6 ℃，极端最高气温38.3 ℃，极端最低气温-28 ℃，无霜期133~163 d，年均日照时数为2789.7 h，年均降水量为171.13 mm。拜城县境内有木扎提河、喀普斯浪河、喀拉苏河、克孜勒河等水系。

辖区内共有1个中心镇、3个建制镇、10个乡镇场、2个国营农牧场。2018年末，拜城县行政区域面积为15553 km2，人口总数达到240339人，其中，城镇人口51856人，乡村人口188483人，地区生产总值689522万元。

2 数据来源与处理方法

2.1 数据来源

研究所涉及数据主要包括2009、2016和2020年拜城县土地利用现状数据、研究区的DEM数据（分辨率30 m）以及拜城县县级行政边界数据。其中，土地利用现状数据来自于拜城县土地利用变更数据库，研究区的DEM数据（分辨率30 m）来源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn/），拜城县县级行政边界数据来自于中国科学院与中国资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/）。依据全国土地分类标准（GB/TY 21010-2017），结合研究内容，将研究区划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类[6]。

2.2 处理方法

2.2.1 单一土地利用动态度（K） 单一土地利用动态度是指在一定时间范围内研究区的某一类土地的数量变化情况，用来表示该土地利用类型在一定时间内的变化速度，其表达式为[7]：

式（1）中，Aia为研究初期第i类土地的面积；Aib为研究末期第i类土地的面积；K表示土地利用动态度；T表示研究时段长。

2.2.2 土地利用程度（LUE） 自然及人为因素是影响土地利用度的主要原因，土地利用度一般用来反映研究区域内人类活动对土地的利用状况。例如，土地利用率、土地垦殖率、复种指数、林地指数、水面利用率、耕地复种指数均是反映一个地区人类活动对土地利用状况影响的综合指标。不同元素的空间分异决定了土地利用的空间分异[8]，其表达式为:

式（2）中，∑ΔAj-i表示在研究期内土地利用类型i转变为其他土地利用类型j的面积总和。

2.2.3 土地利用转移矩阵（LCC） 土地利用转移矩阵主要用来描述区域内不同土地利用类型之间的过渡，可以清楚地反映以下变化：2个时期内各种土地类型面积的变化，土地利用类型从前期转移到后期的转化比率，后期土地利用类型与前期土地利用类型的比率[9]。土地利用变化分析的转移矩阵能够完全描述耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等不同地类之间的相互转换关系，可以具体、全面地体现出研究区各土地利用类型变化的结构特征与变化方向，其计算公式为[10]：

式（3）中，LCC为土地利用变化分析的转移矩阵；Cn为研究区土地利用变化前分类结果；Cn+1为研究区土地利用变化后分类结果，数学表达形式为[11]：

式（4）中，S为面积；n为转移前后的土地利用类型数；ij分别为研究期期初与期末的土地利用类型；Sij为研究期初的i地类转换成期末的j地类的面积。

2.2.4 景观格局指数 景观格局指数是能够高度浓缩景观格局信息、反映其结构组成和空间配置等方面特征的定量指标[12]。现在运用的分类标准是以景观生态学原理为基础，将景观格局指数主要分为斑块水平类型和景观水平类型。本研究从斑块类型尺度水平选取的景观指数包括斑块面积（CA）、斑块数量（NP）、最大斑块占景观面积比例（LPI）、斑块分散指数（IJI）、斑块聚合度指数（AI）5项指数；从景观类型尺度水平选取的景观指数有：景观周长面积分维数（PAFRAC）、蔓延度指数(CONTAG）、结合度指数（COHESION）、分散指数（SPLIT）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）5个指数。通过Fragstats 4.2软件可计算得到各指数，具体解释参考相关文献[13-14]。

2.2.5 “三生空间”变化情况 “三生空间”是对生产、生活和生态三类空间的总称，这三类空间构成了不同空间尺度的主体要素。其中，生产空间是进行物质资料生产而获取产品与服务的空间，生活空间是为人类生存和发展提供空间承载、保障人居功能的空间，而生态空间则是以调节、维持和保障生态安全功能的空间，是前两类空间实现自身功能的前提[15]。本文研究的“三生空间”分类在借鉴已有研究分类的基础之上，将不同地类分类为农业生产空间、工矿生产空间、城镇生活空间、农村生活空间、其他生活空间、林地生态空间、牧草生态空间、水域生态空间和其他生态空间等九类[16]。具体如表1所示。

表1 土地利用主导分类

3 结果与分析

3.1 单一土地利用动态度分析

根据土地利用变更数据库中得到的拜城县2009、2016、2020年3个时期的土地利用数据，结合研究区地类的实际情况，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类（图2）。利用ArcGis 10.2软件对3期土地利用影像图进行数据矢量化，然后通过统计分析和计算得到拜城县土地利用/土地覆被变化数据。

图2 拜城县2009、2016、2020年土地利用现状

根据拜城县2009、2016和2020年3个时期土地利用变更数据库中得到的土地利用分类结果，计算得出3个时期的土地利用类型面积及变化情况。不同地类的土地利用动态度在一定程度上体现了该地区经济社会发展对于不同土地利用类型的影响[17]。

由表2可知，2009~2016年拜城县的耕地、建设用地面积逐年增加，耕地面积增加1.55 km2，建设用地面积增幅更加明显，增加了约4.34 km2；林地、草地、水域和未利用地面积在减少，分别减少了0.16、4.67、0.09、4.06 km2；草地和未利用地的减少与建设用地的增加符合区域发展的现状，也说明了拜城县虽然处在阿克苏地区的北部盆地边缘，但是地区建设不断向前发展。2016~2020年拜城县的耕地、林地、草地、水域、建设用地面积都在增加，尤其是耕地和林地面积增加了168.38和140.21 km2，表明拜城县的生态环境基础在向好发展，同时，建设用地也持续扩大，增加了85.01 km2。在经济、社会稳步向前发展的同时，通过积极响应国家对生态文明建设的号召，使得生态环境得到了进一步的恢复与改善。

表2 拜城县2009~2020年土地利用面积及其变化情况

3.2 土地利用程度分析

土地利用率是指已利用的土地面积与土地总面积之比，一般用百分数表示，是反映土地利用程度的数量指标[18]。由表3可知，2009~2020年拜城县草地一直是该区域土地利用率最高的土地利用类型，稳步占据了45%的比例，拜城县境内的大部分地区属于山地，有着广阔的天然牧草地。2009~2016年草地利用率有稍微减缓的趋势，但2016~2020年利用率却增长了0.76个百分点；耕地、林地、水域与建设用地的利用率不断增加，未利用地利用率逐渐减小。当地社会经济发展要求建设用地面积不断增加，同时，建设用地的扩张导致耕地、生态用地被挤占，但后期对于生态环境的恢复和改善，又带来了草地、林地和水域等生态用地的比例不断增加。

表3 拜城县2009~2020年土地利用面积及土地利用率变化情况

3.3 土地利用转移矩阵分析

从表4的土地利用转移矩阵来看，2009~2016年拜城县草地转出2.4328和0.9914 km2变成了耕地和建设用地，耕地转出1.1596 km2变成了建设用地，林地、水域和未利用地对耕地和建设用地都有所转出，其中未利用地约有9.1463 km2转为了建设用地。说明此阶段，拜城县的发展方向主要是进行经济建设，从而扩大了耕地和建设用地的面积。

表4 拜城县2009~2020年土地利用转移矩阵 km2

2016~2020年间，各地类之间均有转换，相较于前一时间段，此时间段内的地类转换显示草地向各地类皆有转换，尤其向未利用地转换最多，约461.955 km2；耕地则向草地转移最多，约为150.6144 km2；建设用地则向耕地转移最多，约为61.4042 km2；林地向草地转移了约195.5806 km2，水域向未利用地转移了约276.0141 km2；未利用地转向水域的约为152.7294 km2。这期间的地类变换表明拜城县在经济建设的同时逐步恢复了地区生态环境。

3.4 景观格局指数分析

本研究基于斑块类型尺度水平与景观类型尺度水平，利用Fragstats 4.2软件计算了研究区2009、2016和2020年3个时期的景观格局指数，对各类型景观空间格局变化特征及演变趋势进行了分析，计算结果如表5所示。

表5 2009~2020年拜城县土地利用斑块尺度水平指数

从各景观类型斑块面积（CA）的变化（表5）可以看出，拜城县的耕地面积、建设用地面积与水域面积在2009~2020年间呈持续增加的趋势；未利用地面积在减少；林草地面积则在2009~2016年间不断减少，而2016~2020年间则不断增加。总体来看，2009~2020年拜城县境内，草地、未利用地、水域以及耕地的斑块面积最大，说明这4种景观是拜城县境内主要的景观类型。由斑块数量（NP）可以看出，2009~2020年内，拜城县境内林地、建设用地、水域和未利用地景观的斑块数量呈不断增加的趋势；耕地与草地面积都是先减后增。2009~2020年间，最大斑块指数（LPI）较大的有草地、未利用地与水域这3类景观。2个时间段内，LPI最大的都是草地，未利用地与水域次之，表明在2009~2020年间，草地、未利用地与水域都是该区域比较占优势的景观类型，这与该地区这3类景观面积广阔有关。由散布与并列指数（IJI）可以看出，2009~2020年间，拜城县境内仅有未利用地的IJI呈现增长趋势，而其余的景观类型则总体呈现减少趋势，说明与未利用地斑块相邻的景观类型逐渐增多，而与其余各景观斑块相邻的景观类型在减少。2009~2020年间，聚合度（AI）指数中未利用地的聚合度一直是最大的，说明拜城县境内未利用地景观分布最为集中，呈连片分布；耕地、林地、草地、建设用地和水域的AI则在不断下降，说明这些景观的分布较为分散，但相较于建设用地，耕地、林地、草地和水域还是较为集中。

由表6可知，2009~2020年间，拜城县境内景观的PAFRAC呈现上升趋势，从2009年的1.3549上升至2020年的1.4095，表明拜城县境内的景观形状由简单化趋向复杂化。2009~2020年间，拜城县境内景观的CONTAG不断下降，说明研究区内各类型景观之间的聚集程度在下降。2009~2020年间，拜城县境内景观的COHESION不断增加，说明研究区内各景观类型之间的连通性不断增强。2009~2020年间，拜城县境内景观的SPLIT不断上升，从2009年的6.4286上升到2020年的7.9405，说明研究区内的景观分散度不断增强。2009~2020年间，拜城县境内景观的SHDI不断上升，从2009年的1.2118上升到2020年的1.4138，说明研究区内的景观多样性不断上升。从香农均匀度指数（SHEI）可知，2009~2020年间，拜城县境内景观的SHEI不断上升，数值倾向于1，2016~2020年间的变化幅度较大，说明研究区内的景观有较为显著的优势类型。

表6 2009~2020年拜城县土地利用景观尺度水平指数

3.5 “三生空间”时空变化分析

拜城县“三生空间”面积在不断变化，由图3可以看出，生产空间、生活空间和生态空间在2009~2020年间都有着明显的变化，生产空间和生活空间不断扩大，而尤以生产空间面积增加最为明显，这也表明拜城县的社会经济建设在不断向前发展，人民生活水平得到不断改善；而生态空间面积却呈现下降状态，这是因为生产空间和生活空间的扩张压缩了生态空间的面积，是发展所不可避免的，关键是如何处理好“三生空间”之间的关系，即如何处理好发展与保护之间的关系。

图3 拜城县2009~2020年三类空间面积时间变化

从构成“三生空间”的各类空间面积的变化可以看出（表7），2009~2016年间，生产空间和生活空间在微微收缩，而生态空间在不断扩大；2016~2020年间，大部分空间类型在不断扩大，但城镇生活空间和农村生活空间在减少，研究区内生产空间和生活空间的收缩，是为了将粗放的土地利用更加集约化和集中化，一方面将那些分布散乱或者已经荒废的建设用地进行整合集中，另一方面将已退出的地类进行生态恢复，进行集约、集中发展，提高土地利用效率，保护当地生态环境。

表7 拜城县2009~2020年三类空间面积变化情况

3.6 驱动力因素的分析

3.6.1 政策因素 2014~2019年，中央财政对新疆自治区和新疆生产建设兵团转移支付从2636.9亿元增长到4224.8亿元，年均增长10.04%，6年合计支持新疆2万多亿元。19个援疆省市全面加强了经济、科技、教育、医疗卫生、干部人才等全方位对口支援，累计投入援疆资金（含兵团）964亿元，实施援疆项目1万余个，中央企业投资超过7000亿元，吸纳当地劳动力就业30余万人。各种产业在拜城县的落地，使得拜城县境内的基础设施得到不断建设与完善。随着新疆旅游资源的大力开发，拜城县政府也积极发展旅游产业，各种生态资源得到了包装和利用，配套设施不断完善。随着生态文明转型理念的提出，通过坚持“山水林田湖草”生命共同体，对生态资源与生态环境脆弱的区域进行了环境的恢复与保护，生态空间进一步得到保护。

3.6.2 社会经济因素 社会经济的发展会引起土地资源的重新配置，导致土地利用方式的变化，也造成了生产、生活和生态空间的迁移变化。拜城县作为天山南坡的重要城市，近年来，社会经济发展动力得到提升。根据《新疆维吾尔自治区统计年鉴》，2009年拜城县GDP为23.42亿元，第一、二、三产业的生产总值分别是5.81亿、10.06亿和7.53亿元，到2018年底，拜城县GDP达到了68.95亿元，第一、二、三产业的生产总值分别达到了13.27亿、36.76亿和18.90亿元，生产总值提高了1.9倍，第一、二、三产业分别提高了1.28倍、2.65倍和1.50倍。2009~2020年间，耕地面积从899.77 km2增加到1069.70 km2，建设用地面积由118.89 km2扩张到208.23 km2，这与拜城县社会经济、城镇化的快速发展，基础设施的不断完善，以及产业扩张有着密不可分的关联。随着耕地与建设用地的扩张，必然侵占其他类型土地，从而引起土地利用景观格局的改变。

3.6.3 人口因素 人口数量的变动及其行为方式是影响区域土地利用类型改变的主要驱动因素之一[19]。从《新疆维吾尔自治区统计年鉴》中得到的数据显示，拜城县2009年人口总数为22.91万人，城镇人口为4.85万人，非城镇人口为18.06万人，城镇化率为21.17%；到2018年，总人口增加到24.04万人，城镇人口为5.19万人，非城镇人口为18.85万人，城镇化率为27.53%。总体来看，总人口增长1.13万人，增长率为4.93%，接近于同时期全疆人口增长率5.78%，城镇化率增长了6.36个百分点。从上述数据能够看出，拜城县作为干旱区绿洲城市，尽管水土条件差、气候环境较为恶劣，但是近年来随着国家西部援建计划的实施，拜城县的基础设施和生活条件不断得到改善，人口稳步增长，耕地面积也由2009年的899.77 km2增加到2020年的1069.70 km2，为使新增人口能够更好地生产生活，耕地和产业化用地的需求必然上升，从而使拜城县境内的土地利用结构发生改变。

4 结论与讨论

通过对拜城县2009、2016和2020年3期土地利用数据的综合研究，得出如下结论。

（1）从土地利用类型上来看，研究区主要以草地和未利用地为主。而土地利用类型结构的转变分2个时间段进行分析，2009~2016年间，耕地、建设用地面积在增加，尤其以建设用地面积增加最多，约为4.34 km2，草地、林地、水域和未利用地的面积在减少，也是因为建设用地的扩张而使得这些地类面积有所减少。2016~2020年间，耕地、林地、草地、水域、建设用地面积都有所增加，尤其是耕地和林地面积增加了168.38 km2和140.21 km2，说明拜城县地区在注重发展的同时开始注重对被破坏环境的恢复和改善。

（2）从景观格局指数变化特征来看，斑块类型尺度水平指数表明，拜城县的耕地面积、建设用地面积与水域面积呈持续增加的趋势，未利用地面积在减少，林草地面积则在2009~2016年间不断减少，而在2016~2020年间则不断增加。总体来看，2009~2020年拜城县境内，草地、未利用地、水域以及耕地的斑块面积最大，说明这4种景观是拜城县境内主要的景观类型，草地、未利用地与水域都是该区域比较占优势的景观类型，这与该地区这3类景观面积广阔有关系。未利用地斑块相邻的景观类型逐渐增多，而与其余各景观斑块相邻的景观类型则逐步减少。未利用地的聚合度也一直是最大的，说明拜城县境内未利用地景观分布最为集中，呈连片分布；耕地、林地、草地、建设用地和水域的聚合度则不断下降，说明这些景观的分布较为分散，但相较于建设用地，耕地、林地、草地和水域较为集中。景观尺度水平指数表明，拜城县境内的景观形状由简单化趋向复杂化，各类型景观之间的聚集程度不断下降，各个景观类型之间的连通性不断增强，景观分散度不断增强。从香农多样性指数可以看出，研究区内的景观多样性不断上升。从香农均匀度指数可知，拜城县境内景观的香农均匀度指数不断上升，数值倾向于1，说明研究区内的景观有较为显著的优势类型。

（3）从“三生空间”的变化特征来看，生产空间和生活空间的面积不断扩大，生态空间的面积不断减小，这是由于区域的发展占据了生态空间的用地。拜城县持续的人口增长和经济社会发展必然会带来生产空间和生活空间的扩大，但是生态空间的不良挤占是不合理的，应该重视对于拜城县生态空间的合理保护和修复。“三生空间”与地方经济社会的发展有着密切的关系，“三生空间”下土地资源的合理利用与分配，对于拜城县可持续发展和生态文明的建设有着至关重要的作用。

（4）拜城县处在塔里木盆地北缘的一个相对封闭的小盆地，生态环境发育相对较好，也导致其生态环境对外敏感性和脆弱性强。因此，在土地利用类型的转变过程中，区域经济社会发展活动对其有很大的影响。其土地利用类型变化的主要影响因素就是区域内人口的增长，社会经济的不断发展，对建设用地、耕地的需求不断增大，加之西部援疆政策使得拜城县落地布局了各色产业，生产生活空间不断扩大，但在促进社会经济快速发展的同时忽略了生态用地的保护，挤占了生态空间，后期因为生态文明理念的深入，开始转变发展理念，这对土地利用类型的转变产生了重要影响。

本文通过对拜城县2009、2016和2020年3期土地利用类型数据的分析和研究，认为拜城县前期处于经济社会的发展时期，忽视了对生态环境的保护，以牺牲生态空间换取生产生活用地进而促进经济发展的模式，导致土地利用结构进一步失衡，土地生态趋向恶化。后期随着生态文明理念的不断深入，拜城县在推进经济社会发展的基础上注重恢复和改善生态环境，进而在生态文明理念下对生态空间用地的恢复和保护使得林地、草地面积开始不断增长。生态空间的面积不断恢复、扩大，建设用地面积与耕地面积也在不断稳步增长，使区域的发展呈现协调、可持续的特点。在脱贫攻坚如期完成的当下，紧接着要做好与乡村振兴工作的衔接，而如何利用好土地资源、保护和恢复生态空间对拜城县的可持续发展具有重要意义。