三生空间视角下新疆维吾尔自治区景观生态安全评价

马 钧，焦 黎

（新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054）

土地资源是人类赖以生存与发展的生产资料，是社会发展的物质基础，具有总量有限性、区位差异性、不可再生性等特征，其开发与利用贯穿于人类生产、生活与社会活动的各个领域［1］。改革开放以来，中国工业化和城镇化取得了举世瞩目的成就，但也带来了一系列可持续发展的问题，如社会经济和资源环境的矛盾日益突出、区域发展差距不断扩大、土地利用粗放严重等。尤其是随着城乡建设用地不断扩张，农业和生态用地空间受到挤压，城镇、农业、生态空间矛盾加剧，不同空间尺度存在人和自然、生产和生活、自然生态系统内部之间的矛盾。党的十八大报告指出“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，将优化国土空间开发格局作为生态文明建设的首要举措［2］。

景观既是土地利用类型的具体化表现，与土地类型紧密连接，也是人类改造自然与资源开发的主要对象［3］。近年来，生态安全已被纳入与国家安全同等重要的四大安全体系，受到广泛关注，而从景观生态学角度研究生态安全并构建景观生态安全格局，在较大尺度上优化和解释生态安全问题已成为研究热点［4，5］。相关研究在尺度上分布广泛，包括省域、特大城市群、市域、县域尺度，张贝尔等［6］采用PSR 法结合熵权法与层次分析法对安徽省景观生态安全进行评价与预警。方然等［7］采用最小阻力模型（MCR）评价了武汉市生态安全并构建了生态安全格局。陈影等［8］以河北省怀来县为例研究了冀西北山间盆地景观生态格局的变化。相关研究对象丰富，主要聚焦于流域、湖泊、海岛、湿地、生态脆弱区等［9-13］。研究方法复杂多样，目前还没有统一的规范与标准，主要研究方法包括景观格局指数构建法、利用3S 技术构建模型、MCR 模型、最小阻力模型等，用于评价景观生态安全［5，14，15］。

新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）地处西北内陆，土地资源广袤、景观类型丰富，是中国重要粮食储备区，也是丝绸之路核心区，受独特的地理、气候、水文与人为影响，生态环境脆弱［16］。近年来，随着城镇化加快、人口增长与经济的持续发展，新疆面临人地矛盾、水资源短缺、土壤盐渍化、绿洲生态安全受到严重威胁等问题，生态、生产与生活空间不协调，限制了新疆现代农业与经济的发展［17］。因此，本研究基于三生空间视角，以新疆为研究尺度、结合土地利用变化，采用景观生态安全指数构建生态安全评价模型，探讨新疆景观生态安全规律与时空分布差异，为新疆生态环境保护、空间格局优化提供理论依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

新疆地处东经73°40′—96°18′，北纬34°25′—48°10′，是典型的干旱、半干旱荒漠区，生态环境具有干旱性、封闭性、多样性、脆弱性等特征，山地、绿洲与沙漠并存。全区可利用土地少，沙漠、砾漠、盐碱面积大，占全疆62%的土地，102.33 万km2是荒漠，其中42.1 万km2是沙漠。气候干旱少雨风沙大，降雨量少时空分布不均，山区降水大于平原，北疆大于南疆，且多集中在7、8 月。由于新疆水土矛盾突出，建设用地利用较为粗放，土地荒漠化现象严重，景观较为脆弱，生态保护难度较大，景观生态安全受到社会各界的广泛关注。

1.2 数据来源及处理

研究涉及数据主要选取1980—2018 年新疆土地利用现状数据和DEM 数据，其中，DEM 数据来源于地理空间数据云平台，空间分辨率为30 m；土地利用现状数据来源于新疆土地利用变更数据库，根据最新《土地利用现状分类》与研究区土地利用特点，参考张红旗等［18］关于“三生用地”的研究，以土地利用主导功能为依据，将土地利用分类系统分为9 个二级土地利用空间，具体分类情况见表1。

表1 土地利用功能分类

1.3 研究方法

1.3.1 评价单元划分 为合理划分评价单元以及可视化表达新疆景观生态安全指数，考虑到景观空间异质性和斑块大小及研究区实际情况，本研究利用ArcGIS 10.2 软件中的渔网分割工具，依据研究区景观斑块平均面积3~6 倍的原则进行等间距系统采样，将研究区划分成30 km2×30 km2的网格即评价单元，共得到1 950 个评价单元。利用Fragstats 4.2 软件分别计算每个评价单元的生态安全指数，以此作为评价单元中心点的生态安全水平。

1.3.2 景观生态安全评价模型构建 景观生态安全评价是生态风险评价在区域尺度的重要组分，景观格局则反映了人类对自然生态系统的影响方式和程度，是揭示区域生态系统状况及空间变异的有效手段，景观格局指数则对景观格局的分布与组成进行定量化描述，其中景观干扰度指数和景观脆弱度指数常用来衡量景观生态环境的因果关系。基于此，本研究在已有研究的基础上，充分结合研究区实际情况，从区域景观格局出发，选取景观干扰度指数和景观脆弱度指数构建区域生态安全评价模型，计算公式如下。

式中，ESIk为第k个评价单元的景观生态安全指数；LDIi为景观干扰度指数；LVIi为景观脆弱度指数；m为各单元内景观类型的数量；k为评价单元的个数；Aki为第k个评价单元i类景观类型的面积；Ak为第k个评价单元的总面积；Ci为景观破碎度；Hi为多样性指数；Fi为分割度指数；Ni为景观类型i的斑块个数；Ai为景观类型i的面积；Pi为景观类型i的周长；Mi为景观类型i占总面积的比重；x、y、z分别是破碎度、多样性、分割度的权重，x+y+z=1。参考前人研究成果［19］，分别赋值为x=0.5，y=0.3，z=0.2。

景观脆弱度指数的大小与生态系统对外部干扰时的抵御强度有关，抵御强度越大，则受干扰程度越小，生态脆弱度也越小，表明生态系统越稳定。根据研究区实际状况，并参考其他相关研究［20］，选用专家打分法，将研究区各土地利用类型的脆弱性进行归一化处理并由低到高排序，结果见表2。

表2 各类景观脆弱度及归一化处理

1.3.3 空间自相关分析 空间自相关分析通常包括全局自相关分析和局部自相关分析，全局自相关从宏观上判断某些空间变量在整个研究区有无聚集性，局部自相关从微观上根据各区域空间计量指标的相似性判断空间集聚或扩散状况。本研究利用OpenGeoDa 软件，选用Moran’I 指标测量景观生态安全值整体的集聚程度，选取局部空间关联指数（LISA）表示某一评价单元自身生态安全值与周边地区生态安全值的空间集聚状况，通过对1980—2018 年各评价单元生态安全值的Moran’I 指数和LISA 指数进行分析，揭示新疆整体及区域生态安全格局的时空变化特征及演变规律。

2 结果与分析

2.1 “三生空间”土地利用类型演变

根据最新《土地利用现状分类》与研究区土地利用特点，以土地利用主导功能为依据，将土地利用分类系统分为9 个二级土地利用空间，结合最新的新疆土地变更数据得到新疆1980—2018 年土地利用类型演变及占比。

从新疆1980—2018 年土地利用类型结构及面积分析（表3）可知，新疆景观类型以牧草生态空间和其他生态空间为主导，其中牧草生态空间占总面积的29%以上，其他生态空间占总面积的60%以上，两者共占总面积的90%左右，构成新疆的主要土地利用类型。从各土地利用类型的面积变化来看，整体来说，生产空间在不断增加，生态空间在不断减小，生活空间变化幅度不明显。其中，生产空间中农业生产空间面积从1980年的56 623.25 km2增长到2018年的90 161.07 km2，增长了33 537.82 km2。工矿生产面积也增加了1 087.08 km2。生活空间中，城镇生活空间面积略有增加，增加了1 643.68 km2，相应的农村生活空间减少了916.00 km2，其他生活空间增加了1 131.84 km2。生态空间整体所占面积都在不断缩小，其中林地生态空间面积和水域生态空间面积减少的较多，分别减少了10 734.10、15 178.34 km2。牧草生态空间以及其他生态空间也呈一定的减小趋势。改革开放以来，国家一系列政策的扶持为新疆的发展提供了动力，西部大开发战略的实施促进了新疆水利、交通等基础设施的构建，特色优势产业得到快速发展，旅游业得到空前发展。在新疆40 年发展中，轻重工业发展脱节，重工业偏重，轻工业偏轻。教育水平落后于内地沿海发达地区，生态环境遭到破坏，土地沙漠化严重。

表3 1980—2018 年新疆各土地利用类型及占比

2.2 生态安全时空变化

根据公式（1）计算每个评价单元的景观生态安全指数，并对各评价单元进行Kriging 插值，采用自然断点法进行分类，将景观生态安全指数划分为5个 等 级：Ⅰ级（0＜ESI≤0.29），Ⅱ级（0.29＜ESI≤0.38），Ⅲ级（0.38＜ESI≤0.47），Ⅳ级（0.47＜ESI≤0.56），Ⅴ级（0.56＜ESI≤0.77），以此得到新疆景观生态安全等级分布（图1）和生态安全等级面积变化（表4）。

图1 景观生态安全等级分布

从景观生态安全等级分布来看，整体呈现趋势为天山中部高，南北低，绿洲城市高，荒漠地区低。新疆北部地区阿勒泰、富蕴等地从不安全区、较不安全区转为基本安全区，准格尔盆地出现从较安全区转为基本安全区的趋势，塔城地区、克拉玛依等地安全等级有所下降。新疆中部绿洲城市群变化不明显，有略微浮动。伊宁城市区域从较安全区到安全区变化明显。新疆南部部分地区从较不安全区转为基本安全区，如于田、且末等地。巴州地区安全等级有所降低。

从1980—2018 年新疆景观生态安全等级面积变化来看（表4），景观安全等级面积及其占比较为均衡，出现小幅度变化，其中不安全区面积增加最为明显，研究期间增加了339 959 km2，较1980 年增加了5.09 个百分点，较不安全区维持不变，基本安全区、较安全区、安全区占比分别下降了2.24、1.43、1.46 个百分点，说明研究区40 年间，生态安全状况未能改善，一方面原因可能是人们为了生产与生活的需要，强调经济的发展，城镇化的加快，导致生态空间被压缩；另一方面可能是由于新疆独特的气候、地形及水土环境，加剧了干旱缺水、土壤盐渍化和荒漠化程度，导致绿洲林地、草地、水域等生态空间不断减少。

表4 1980—2018 年新疆景观生态安全等级面积变化

2.3 景观生态安全空间自相关分析

利用OpenGeoDa 软件计算各评价单元景观生态安全指数的全局自相关Moran’s I 指数，如图2 所示。计算得出1980、2018 年Moran’s I 指数分别为0.452 286、0.506 131，且均为正值，通过P=0.05 的显著性水平检验，说明在研究期间研究区景观生态安全在空间上存在正相关关系，空间分布具有集聚特征。研究区1980—2018 年Moran’s I 指数呈上升趋势，说明空间自相关性关系有所提升，在象限分布上，主要集中于第一、第三象限上，属于高-高、低-低生态安全聚集模式。其中，第一象限的散点分布比较集中，即高安全区域差距不大，这说明新疆绿洲城市发展较为均衡，发展过程中注重城市内部绿化与周边防护林的建设。

图2 新疆景观生态安全值Moran’s I 指数

为了解研究区局部自相关关系，利用OpenGeo⁃Da 软件计算各评价单元景观生态安全指数的局部自相关LISA 聚集结果，如图3 所示。由图3 可以看出，新疆景观生态安全值的高-高值区、低-低值区集聚现象比较明显，而高-低值区、低-高值区则分布较为零散。与景观生态安全等级分布图比较来说，高-高值区域与景观生态安全等级图中安全区具有很高的一致性，主要分布于天山以北准格尔盆地四周的城市群，低-低值区域与不安全区基本一致，主要分布于天山以南的塔里木盆地沙漠人烟稀少区以及新疆东部的哈密、吐鲁番地区。从网格数来看，研究区高-高值区、低-低值区网格数目均远大于低-高、高-低值区，这说明新疆地区景观生态安全分布以高-高、低-低值区集聚类型为主。

图3 新疆景观生态安全值LISA 指数

3 讨论

本研究以新疆作为研究区，探究其在三生空间视角下典型干旱区景观的生态安全。利用ArcGIS、Frastrate、Geoda 等技术工具，研究在30 km 格网尺度下新疆1980—2018 年景观生态安全的变化。首先，与前人研究相比，本研究数据来源于中国土地利用现状数据，比遥感解译更加精准。其次，景观生态安全是一个动态概念，影响因素有人口、经济、自然资源、经济、政治等，本研究主要针对景观生态安全进行评价分析，至于后期的预警调控，如何从不安全区到安全区的转化是未来研究的重点，可作为一项长期工作来展开。关于三生空间的研究处于初步阶段，尚未形成统一的三生空间土地利用分类体系，研究时需根据研究区实际情况进行合理分析。景观生态安全模型构建中，一般选用干扰度指数和脆弱度指数，但脆弱度是相对概念，具有不确定性和复杂性，需要结合研究区概况进行主观赋值，不具有一般客观性，因为研究区不同会产生不同结果。因此，三生空间分类体系的构建，景观生态安全评价的指标选取，准确客观定性景观脆弱度，还需要进一步研究。

4 小结

从新疆土地利用类型演变结果可以看出，1980—2018 年以来，新疆景观类型以牧草生态空间和其他生态空间为主导，其中牧草生态空间占总面积的29%以上，其他生态空间占总面积的60%以上，两者共占总面积的90%左右，构成新疆的主要土地利用类型。从各土地利用类型的面积变化来看，整体来说，生产空间在不断增加，生态空间在不断减小，生活空间变化幅度不太明显。生产空间中农业生产空间面积增长了33 537.82 km2，林地生态空间和水域生态空间面积减少了10 734.10、15 178.34 km2。

从新疆景观生态安全等级来看，不安全区与较不安全区所占面积在35%~40%，低于基本安全区和更高等级安全区，说明新疆的景观生态安全目前处于基本安全区域，但不安全区和较不安全区的占比从1980 年的36.64%上升到2018 年的41.77%，新疆景观生态安全呈下降趋势。

新疆1980 年、2018 年Moran’sⅠ指数分别为0.452 286、0.506 131，且均为正值，通过P=0.05 的显著性水平检验，说明在研究期间研究区景观生态安全在空间上存在正相关关系，空间分布具有集聚特征。全局空间自相关水平呈显著上升趋势，局部空间自相关存在显著的高-高值区、低-低值区聚集现象。