绿洲城市“三生空间”的景观生态风险时空演变格局及其影响因子*

刘珊珊 吴文婕 菊春燕 卢永荣

(新疆农业大学公共管理学院,新疆 乌鲁木齐 830052)

随着工业化、城镇化进程加快,随之而来的是人口、资源和环境问题日益突出,随之又引发土地资源利用方式转变,进而导致土地资源的空间功能冲突和生态功能破坏,使得区域景观生态风险加剧[1]。2019年《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》提出科学合理规划生产、生活及生态空间(“三生空间”)的发展目标[2],因此科学布局、合理配置区域“三生空间”并与区域经济、社会、生态协调发展具有重要意义。

生态风险是指在一定区域内,生态系统及其组分受到的外界威胁,这些外界威胁最终可能导致生态系统结构和功能的严重损害,从而危及整个生态系统的稳定[3]。生态风险评价是基于具有危害和不确定性的各种外界因素及人类干扰,对生态系统结构与功能可能造成的危害进行定量化的评估[4-5]。景观格局变化能够直接影响整个区域中各种生态环境,导致空间异质性加剧[6-7]。因此,景观生态风险评价可以有效评估不同土地利用类型对区域生态环境的潜在风险[8-11]。基于土地利用类型对景观生态风险的时空分异特征进行相关研究可为区域经济增长与生态环境协调发展提供科学依据[12-13]。

绿洲是中国西北干旱、半干旱区人类生产和生活的核心区,但其生态系统比较脆弱。乌鲁木齐市位于欧亚大陆腹地的新疆中北部,是典型的绿洲城市。近年,在气候变化和人类干扰的影响下,严峻的生态环境风险成为限制乌鲁木齐市社会经济发展的一个重要因素。本研究基于“三生空间”视角深入调研乌鲁木齐市土地利用情况和景观生态风险空间分异规律,识别景观生态风险的影响因素,以期优化乌鲁木齐市“三生空间”,防止景观生态风险升级,促进区域可持续发展。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

乌鲁木齐市南倚北天山,北邻准噶尔盆地,市区三面环山,平均海拔800 m,属中温带半干旱大陆性气候,年均气温6.4 ℃,常年干燥少雨,年均降水量只有236 mm,现辖7区1县,土地面积1.38万km2,2021年的常住人口为407万,其中城镇人口占90%以上。在“一带一路”倡议影响下,乌鲁木齐市的城市化进程进一步加快,对土地资源的加速开发导致“三生空间”景观格局剧变,本就脆弱的自然环境面临着更大的生态安全威胁。

1.2 数据来源与处理

研究区2000、2010、2020年的土地利用遥感监测数据、地貌类型空间分布数据、国内生产总值(GDP)空间分布网格数据、归一化植被指数(NDVI)数据、气温数据、降水量数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/);人口密度数据来自WorldPop(https://www.worldpop.org/);数字高程模型(DEM)数据来自地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/);土地利用强度数据根据庄大方等[14]提出的土地利用强度测度模型测度得到。

根据《土地利用现状分类》( GB/T 21010—2017),并参考文献[15],以“三生空间”为主导,将乌鲁木齐市土地利用类型按表1进行划分。

表1 乌鲁木齐市“三生空间” 土地利用类型分类Table 1 Classification of land use types for “production-living-ecology spaces” in Urumqi

2 研究方法

2.1 基于土地利用的景观生态风险评价

景观破碎度可用来描述一定时间内某种土地利用类型被分裂的破碎化程度;景观分离度可用来描述一定时间内某种土地利用类型的分离程度;景观优势度可用来描述一定时间内某种土地利用类型对整个景观格局形成和变化的影响程度。它们的计算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:Ct,i为t期土地利用二级分类i的景观破碎度;nt,i为t期土地利用二级分类i的斑块数;St,i为t期土地利用二级分类i的总面积,km2;At,i为t期土地利用二级分类i的景观分离度;S为研究区总面积,km2;Dt,i为t期土地利用二级分类i的景观优势度;Qt,i为t期含有土地利用二级分类i的评价单元数比例;Mt,i为t期含有土地利用二级分类i的斑块数比例;Lt,i为t期土地利用二级分类i的面积比例。

采用2 km×2 km的正方形网格将研究区划分为3 731个评价单元,然后利用式(4)计算每个评价单元的景观生态风险指数[16]。

(4)

式中:Ik,t为第k个评价单元t期的景观生态风险指数;Sk,t,i为第k个评价单元t期土地利用二级分类i的面积,km2;Sk为第k个评价单元的总面积,km2;Et,i为t期土地利用二级分类i的景观干扰度指数;Fi为土地利用二级分类i的景观脆弱度指数。

其中,景观干扰度指数根据式(5)计算;景观脆弱度指数越大,表示对外界干扰的抵御能力越弱,研究区6种土地利用二级分类赋值如下:其他生态空间=6、水域生态空间=5、农业生产空间=4、牧草生态空间=3、林地生态空间=2、城乡生活空间=1,并用归一化结果表示[17]。

Et,i=aCt,i+bAt,i+cDt,i

(5)

式中:a、b、c分别为相应的权重,干旱区[18]、黄土丘陵区[19]、县域[20]景观研究中均依次赋值为0.5、0.3、0.2,本研究也按此赋值。

整个研究区t期土地利用二级分类i的景观生态风险指数(It,i)按式(6)进行计算。

(6)

2.2 “三生空间”土地利用类型转换的景观生态风险贡献率

“三生空间”土地利用类型转换的景观生态风险贡献率将某种土地利用类型转换为其他类型对区域景观生态风险的影响进行了量化,能够反映造成景观生态风险变化的主要原因[21]。其公式为:

(7)

式中:Yi为土地利用二级分类i转换为其他类型的生态风险贡献率,%;It2,i、It1,i分别为t2、t1期土地利用二级分类i的景观生态风险指数;ΔSi为发生转变的土地利用二级分类i的面积,km2。

2.3 地理探测器

空间分异性是地理现象的基本特征,地理探测器可以作为空间分异现象分析的有力工具[22]。本研究选取高程、地貌类型、NDVI、气温、降水量、人口密度、GDP、土地利用强度8个影响因子,使用地理探测器的因子探测和交互探测来分别识别不同因子对景观生态风险的影响程度以及各因子的交互作用对景观生态风险的影响程度。因子探测方法参考文献[23]。交互探测通过空间叠加来识别不同因子之间的交互作用。

3 结果与分析

3.1 乌鲁木齐市“三生空间”土地利用类型演变

由表2可见,2000—2020年乌鲁木齐市“三生空间”总体变化情况呈现“一增两减”的特征,即生活空间迅速扩张,由349.24 km2增至841.52 km2,而生产空间和生态空间减少。从二级分类来看,牧草生态空间和其他生态空间是乌鲁木齐市主要的土地利用类型。由此可见,生产空间、生态空间向生活空间转换,而生态空间中林地生态空间、牧草生态空间和水域生态空间都减少,其他生态空间增多。

绿洲城镇化、工业化发展引起“三生空间”土地利用类型转换,人口大量向城市流动,土地供需矛盾加剧,建设用地不断侵占周边裸地、耕地、草地等。同时,过度放牧加剧了乌鲁木齐市北部米东区草地的荒漠化。随着乌鲁木齐市进一步发展经济和建设城市,这种转化状态将继续延续。总体来说,城乡生活空间、其他生态空间面积不断增加,而林地生态空间、牧草生态空间、水域生态空间和农业生产空间减少在一定程度上意味着乌鲁木齐市景观生态风险有增加的可能。

3.2 乌鲁木齐市“三生空间”景观生态风险时空变化

3.2.1 “三生空间”综合景观生态风险时空变化

采用克里金插值法得到乌鲁木齐市“三生空间”综合景观生态风险的空间分布并用ArcGIS自然断裂法[24]以2020年“三生空间”综合景观生态风险为标准划分为5个等级(见图1):低风险(≤0.104 1)、较低风险(>0.104 1～0.161 8)、中风险(>0.161 8～0.248 4)、较高风险(>0.248 4～0.447 0)、高风险(>0.447 0)。

图1 2000—2020乌鲁木齐市“三生空间”综合景观生态风险等级空间分布Fig.1 Spatial distribution of comprehensive landscape ecological risk levels of “production-living-ecology spaces” in Urumqi from 2000 to 2020

表3统计了2000—2020年乌鲁木齐市“三生空间”综合景观生态风险不同等级的面积和比例。可以看到,以低、较低风险为主,但需要警惕,低、较低风险区面积在缩小,中、较高、高风险区面积在扩大,不过这种变化主要发生在2000—2010年。2011年,《国家环境保护“十二五”规划》(国发〔2011〕42号)颁布,2012年中央把生态环境保护放在了“五位一体”的总体布局中统筹考虑,并将生态环境保护工作作为生态文明建设的主阵地和主战场来抓,而且人们对生态环境保护工作的重视与日俱增,乌鲁木齐市也出台了《乌鲁木齐市城市总体规划(2011—2020)》,大力推进荒山绿化、水系改造、环城生态圈建设、老城区改造提升等一系列生态和城市修补工程,特别是对南部林草集中地,进行了生活空间扩展控制,因此在2010年以后这种变化大幅减缓。

表3 综合景观生态风险等级统计Table 3 Comprehensive landscape ecological risk levels statistics

3.2.2 “三生空间”分类景观生态风险时空变化

图2为2000—2020年乌鲁木齐市“三生空间”分类景观生态风险等级空间分布。

图2 2000—2020年乌鲁木齐市“三生空间”分类景观生态风险等级空间分布Fig.2 Spatial distribution of each landscape ecological risk levels of “production-living-ecology spaces” in Urumqi from 2000 to 2020

生产空间景观生态风险上升趋势较为明显,2000年生产空间主要以较低风险为主,2010、2020年则主要以中风险为主了。生产空间主要分布在乌鲁木齐市中心城区北郊、乌鲁木齐县南山城镇组群及达坂城镇组群。近年,由于城乡生活空间在扩张过程中侵占耕地,人口猛增,导致景观支离破碎,生态系统的整体性和稳定性受到破坏。

生活空间景观生态风险总体呈下降趋势,以低风险为主,中心城区边缘的城乡交错带零星有中风险存在。2000年以来,中心城区的城镇用地按照“南控、北扩、先西延、后东进”的原则不断扩展。受地形、水源、城市发展战略等因素影响,乌鲁木齐市建设用地集中成片,结构稳定,景观分布复杂度和敏感度较低,且本身的景观脆弱性低,不易受外界变化和人类活动的干扰,所以其景观生态风险低。但生活空间扩展势必会压缩其他空间,增加相邻区域土地利用类型的破碎化程度,使其景观生态风险升高。

2000—2020年乌鲁木齐市生态空间景观生态风险整体呈上升趋势。低生态风险主要存在于牧草生态空间,连片的草地景观优势明显,形成了较为稳定的景观结构,生态状况较好。乌鲁木齐市北部的米东区以盆地和沙漠为主,受气候变化和过度放牧影响,植被进一步减少,导致大面积低风险区转变为较低风险区,山地和草原荒漠化加剧。较低风险区主要在北部古尔班通古特沙漠和达坂城区谷地等风沙较大的区域;以沙地、戈壁和裸岩石质地为主的区域,大部分未开发利用,主要为低风险。这些区域食物链结构简单,生态环境普遍较为恶劣,因此敏感度高,一旦受到人类活动或其他风险源干扰和破坏,受害生态系统恢复重建较为困难。达坂城区西部大量废弃工矿用地以及环境恶化后新增的荒漠、戈壁就是极好的反面案例。较高风险主要分布在东部和西南部山区生态旅游景区,特别是乌鲁木齐县的水西沟镇、永丰乡、板房沟乡等。较高风险区的外围往往还有一圈中等风险区。20世纪末,乌鲁木齐县旅游业快速发展,2014年,乌鲁木齐市确定乌鲁木齐县为首府六大产业基地之“南山旅游产业基地”。旅游业快速发展是导致这些区域景观生态风险增加的重要原因。高风险主要分布于水域生态空间。米东区的“500”水库、达坂城区的柴窝堡湖及其东部的冰川和积雪的景观生态风险从2000年到2020年逐渐由较高风险转变为高风险,达坂城区的盐湖、黑沟河、白杨河及乌鲁木齐县西南部的冰川积雪也达到较高风险。乌鲁木齐市作为典型的干旱区绿洲城市,区域内稀缺而分散的水具有很高的敏感性,而且城市的发展必然需要用到水资源,因此水域生态空间受到人类活动干扰较大,风险等级高。

3.3 “三生空间”土地利用类型转换对景观生态风险的影响

2000—2020年乌鲁木齐市“三生空间”土地利用类型转换的主要景观生态风险贡献率如表4所示。牧草生态空间转换为其他生态空间是乌鲁木齐市景观生态风险加剧的主导因素,贡献率达到59.28%;水域生态空间转换为其他生态空间、其他生态空间转换为牧草生态空间则在一定程度上改善乌鲁木齐市的生态环境,两者的贡献率分别为34.52%、49.85%。可以看到,牧草生态空间在影响研究区景观生态风险过程中起着举足轻重的作用。

表4 2000—2020年乌鲁木齐市“三生空间”土地利用类型转换的影响Table 4 Transformation effect of “production-living-ecology spaces” land use in Urumqi from 2000 to 2020

近年,乌鲁木齐市由于城市建设和土地开发使得生态环境不可避免地受到损害,不合理地利用天然草地势必造成草地退化。同时,城市化使得生活空间面积越来越大,城市化表现为人类活动导致土地利用类型发生转换,人类往往通过掠夺生态空间来满足发展需求,进而引起景观破碎化和环境质量下降,从而导致景观生态风险上升[25-26]。因此,城乡生活空间在积极扩展的同时,应合理布局“三生空间”,实现与绿洲城市协调发展。

3.4 景观生态风险空间分异影响因子分析

由图3可知,每个影响因子对景观生态风险的解释力平均值从大到小依次为高程、土地利用强度、地貌类型、GDP、降水量、NDVI、气温、人口密度,可见自然因素中高程是影响景观生态风险的主导因素,社会经济因素中土地利用强度对景观生态风险的影响最大。乌鲁木齐市三面环山,北部是准噶尔盆地和古尔班通古特沙漠,高程起伏大,人类的生产生活主要聚集在地势平坦、坡度较小的西部山前丘陵和平原区绿洲城镇。土地利用强度反映了人类对土地的干扰强弱,人类的土地利用强度主要是促成生产、生活空间形成,进而影响生态环境。

图3 2000—2020年乌鲁木齐市景观生态风险的影响因子解释力Fig.3 Impact factors’ explanation ability of landscape ecological risk in Urumqi from 2000 to 2020

由表5可见,影响因子之间的交互作用对景观生态风险的影响程度解释力明显高于图3的单一影响因子,交互类型有双因子增强和非线性增强两种,主要是非线性增强,说明乌鲁木齐市景观生态风险空间分异的结果主要不是由单一影响因子造成的,而是由多个影响因子交互作用的结果。2000、2010、2020年作用最强烈的交互影响因子分别为高程∩土地利用强度、气温∩土地利用程度、地貌类型∩人口密度,均为自然因素与社会经济因素交互作用。乌鲁木齐市作为丝绸之路经济带核心区的中心区和连通亚欧两大经济圈的重要枢纽,具有“东联西出”“西引东来”的绝佳地缘优势,应抓住国家“一带一路”建设的历史机遇,加快推进“一港、两区、五大中心、口岸经济带”建设,积极服务和融入新发展格局,谋划和培育“乌鲁木齐都市圈”。同时作为典型的干旱区绿洲城市,生态系统脆弱,人地关系极为敏感,城市发展受到生态承载力制约,所以必须充分考虑“三生空间”土地利用类型合理转换。

表5 2000—2020年乌鲁木齐市景观生态风险的交互影响因子解释力1)Table 5 Interaction impact factors’ explanation ability of landscape ecological risk in Urumqi from 2000 to 2020

4 结论与建议

4.1 结 论

(1) 2000—2020年,乌鲁木齐市生活空间迅速扩张,而生产空间和生态空间减少,其中牧草生态空间的转换对生态环境风险起着举足轻重的作用。

(2) 2000—2020年乌鲁木齐市“三生空间”综合景观生态风险以低、较低风险为主,但有上升趋势,主要是生产空间和生态空间的景观生态风险呈上升趋势。

(3) 影响乌鲁木齐市景观生态风险的主要因子存在明显的交互作用,是自然因素与社会经济因素共同作用的结果。自然因素中最主要的影响因子是高程,社会经济因素中最主要的影响因子是土地利用强度。

4.2 建 议

乌鲁木齐市城市发展需要可继续实行“北扩”原则向城北扩展,以缓解主城区人口压力,但同时应遵循生活空间有序、适度发展的原则,避免城市化过快。针对生态空间面积减少的问题,应有针对性地进行优化治理。中心城区南部的生态涵养区可以合理利用天然草场资源,严格控制载畜量,保持草原良好的自然生态恢复力。南部和东部的山地以针叶林和高山草甸草原为主,应综合实施封山育林、减牧休牧政策,规范生态旅游业发展,同时加强对分散的水源地进行环境监管,集中整治环境安全隐患。此外,乌鲁木齐市南部山区保存有特殊但又脆弱的冰川景观,也是当地的重要水源,应注重冰川保护,遏制沙漠化扩张,提高区域生态安全性。

建议把握不同区域的资源禀赋与发展特点,有针对性地制定政策措施,形成相辅相成、互相支撑、优势互补的区域间发展格局,优化与重组中心城区的“三生空间”。乌鲁木齐市的城市规划,以新市区南部、水磨沟区为主的城南老城区,重点推进产业转型、人口疏解、环境改善;以新市区北部、头屯河区、米东区古牧地片区为主的城北地区,加大开发力度,建设高水平的产城融合区,并保留一定规模的农田作为生态屏障区,打造“城在田园”的生态宜居环境。可以借助环城生态圈建设,坚持构建“四区、四廊、一环”生态保护空间格局,努力打造南部生态涵养、中部水源保护、北部生态屏障的稳定生态安全格局。