朱亞楠, 蒲春玲

烏魯木齊市土地利用景觀格局變化及生態(tài)安全分析

朱亞楠1, 蒲春玲2,*

1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院, 烏魯木齊 830052 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究中心, 烏魯木齊 830052

通過對(duì)烏魯木齊市1990—2017年間的土地利用景觀格局時(shí)空變化特征以及生態(tài)安全進(jìn)行分析, 以烏魯木齊市1990、2000、2010和2017年4期的遙感影像作為數(shù)據(jù)源, 借助ERDAS和ArcGIS軟件對(duì)4期遙感圖像進(jìn)行解譯分析, 并通過FRAGSTAT軟件分析得出烏魯木齊市景觀格局指數(shù), 結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的理論, 分析得出烏魯木齊市土地利用、景觀格局及生態(tài)安全變化情況。結(jié)果表明: (1)烏魯木齊市土地利用/覆被發(fā)生較為明顯的變化, 草地景觀占主導(dǎo)地位, 面積占土地利用總面積的56.22%, 但是草地景觀的優(yōu)勢(shì)度逐漸降低, 未利用地面積僅次于草地, 占土地利用總面積的28.84%。與此同時(shí), 景觀之間以耕地、林地和草地景觀轉(zhuǎn)出和建設(shè)用地和未利用地景觀的轉(zhuǎn)入為主; (2)烏魯木齊市整體土地利用變化速度逐漸加快, 由 3.13% 上升至 6.57%, 同時(shí)土地利用程度由1990年的226.53 上升至 2017 年的 235.08, 說明人類活動(dòng)對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)影響逐漸加深; (3)烏魯木齊市景觀格局變化明顯, 受人類干擾程度加強(qiáng), 景觀破碎化程度逐漸加深, 景觀斑塊更加不規(guī)則和復(fù)雜化, 景觀多樣性和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性逐漸增加; (4)烏魯木齊市生態(tài)安全度由1990年的0.56下降至2017年的0.48, 說明城市生態(tài)脆弱性逐漸加深。該研究結(jié)果對(duì)烏魯木齊市未來的土地合理利用, 景觀格局優(yōu)化以及城市生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考。

土地利用; 景觀格局; 生態(tài)安全; 烏魯木齊

0 前言

土地是人類賴以生存和發(fā)展最基本的物質(zhì)保障, 為人類從事一切社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)提供基礎(chǔ)場(chǎng)所[1-2]。隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展, 土地利用/土地覆蓋變化(Land Use/Land Cover Change, LUCC)問題引起了國際社會(huì)的普遍關(guān)注。與此同時(shí), 土地利用/土地覆蓋變化研究不僅對(duì)深入了解全球環(huán)境變化起到了重要的作用, 也影響著土地利用景觀格局的變化。將土地利用變化與景觀格局研究相結(jié)合, 可以深入了解土地利用景觀格局變化的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì), 對(duì)促進(jìn)人類更好地理解社會(huì)與自然環(huán)境的相互關(guān)系有重要意義[3-5]。近年來, 運(yùn)用ArcGIS、Erdas和Fragstats軟件相結(jié)合的對(duì)土地利用景觀格局變化的研究已在國內(nèi)外大量展開, 并且研究的尺度由大范圍綜合研究逐步向小范圍深入研究轉(zhuǎn)變[6]。同時(shí), 對(duì)區(qū)域土地景觀生態(tài)安全進(jìn)行分析, 有利于揭示區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境的變化趨勢(shì)及生態(tài)安全等級(jí), 對(duì)未來區(qū)域土地合理利用和開發(fā), 以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有較為深遠(yuǎn)的意義[7]。

黨的十九大報(bào)告指出, 要加快生態(tài)文明體制改革, 要推進(jìn)綠色發(fā)展, 著力解決突出環(huán)境問題。烏魯木齊市是坐落在綠洲上的城市, 生態(tài)環(huán)境十分脆弱。烏魯木齊成為國家第三批入選“城市雙修”的試點(diǎn)城市, 通過對(duì)烏魯木齊市土地利用景觀格局的動(dòng)態(tài)變化及生態(tài)安全程度進(jìn)行分析, 揭示近30年烏魯木齊市土地利用景觀格局變化的規(guī)律、生態(tài)安全變化趨勢(shì), 對(duì)未來解決城市發(fā)展過程中所帶來的諸多景觀生態(tài)問題具有重要意義。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊, 地處東經(jīng)86°46′10′′—88°59′48′′, 北緯42°54′16′′—44°58′16′′, 土地總面積為14192.78 hm2[16], 是新疆維吾爾自治區(qū)的首府, 是新疆的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教和交通中心, 是亞歐大陸的“橋頭堡”。烏魯木齊市位于中國西北、新疆中部、亞歐大陸腹地, 地處北天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣, 東西南三面環(huán)山, 北部為廣闊沖積平原, 地勢(shì)由南向西北方向逐漸降低。烏魯木齊市由于深居內(nèi)陸, 遠(yuǎn)離海洋, 屬于典型的溫帶半干旱大陸性氣候, 常年干燥少雨, 晝夜溫差較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

通過烏魯木齊市1990年、2000年、2010年和2017年云量低于0.5的遙感影像圖(見表1), 利用Erdas 9.2軟件對(duì)四期遙感影像圖進(jìn)行波段組合、圖像拼接、幾何校正等處理, 根據(jù)研究區(qū)邊界范圍對(duì)已處理完成的遙感影像圖進(jìn)行圖像裁剪, 并從中提取研究區(qū)所需的遙感影像數(shù)據(jù)。

依據(jù)國家于2007年公布的《土地利用現(xiàn)狀分類》分類標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)合烏魯木齊市的實(shí)際情況, 利用Erdas 9.2中的監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法將烏魯木齊市土地利用情況進(jìn)行分類。通過分類將烏魯木齊市土地利用景觀類型劃分為7類, 分別是耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地, 分類結(jié)果如圖1和圖2所示。為保證分類結(jié)果的準(zhǔn)確性, 通過對(duì)4期遙感影像分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn), 其Kappa系數(shù)均達(dá)到0.83以上, 說明解譯結(jié)果的可靠性, 可以滿足本次研究的需求。

同時(shí), 利用ArcGIS 10.2軟件的空間疊加分析和統(tǒng)計(jì)分析功能對(duì)4期烏魯木齊市土地利用圖進(jìn)行空間疊加分析, 獲取研究期內(nèi)烏魯木齊市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用類型空間變化圖, 基于此對(duì)烏魯木齊市不同時(shí)期的不同地類的時(shí)空變化進(jìn)行分析。將解譯所得的遙感影像圖的柵格格式的烏魯木齊市4期土地利用景觀類型圖, 借助Fragstats 4.2軟件計(jì)算和分析烏魯木齊市4個(gè)不同時(shí)期景觀指數(shù), 從景觀層次分析烏魯木齊市土地利用景觀格局變化情況。

表1 烏魯木齊市影像資料特征

2 研究方法

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 土地利用時(shí)空變化分析

通過在ArcGIS 10.2中完成4期土地利用類型圖的疊加分析, 結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析功能, 獲取1990—2017年烏魯木齊市土地利用景觀變化圖以及土地景觀利用轉(zhuǎn)移矩陣, 以此對(duì)烏魯木齊市不同時(shí)期的土地利用景觀類型時(shí)空變化進(jìn)行分析。

2.1.2 土地利用變化速度分析

通過計(jì)算烏魯木齊市各類土地景觀利用類型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度、開發(fā)度和耗減度, 從而可以進(jìn)一步對(duì)烏魯木齊市土地景觀利用類型的動(dòng)態(tài)變化速度進(jìn)行分析。

單一土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式如下[8]:

式中,U為研究初期某種土地利用類型的面積,U為研究末期某種土地利用類型的面積,為研究時(shí)段。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式如下[9]:

式中,LU表示為第類土地利用類型轉(zhuǎn)為非類土地利用類型面積的絕對(duì)值,LU表示為研究初期某一土地利用類型的總面積,為研究時(shí)段。

土地利用開發(fā)度指在某一時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型新開發(fā)的程度, 即揭示各土地利用類型增加的速率, 其中該指數(shù)不適用于未利用地, 計(jì)算公式如下[10]:

式中, Dab表示由a到b時(shí)段某種土地利用類型新開發(fā)土地的面積, 即由其他土地利用類型轉(zhuǎn)移到該土地利用類型的土地總面積, Ua為a時(shí)刻某土地利用類型的總面積。

Figure 1 Landscape changes of land use in Urumqi from 1990 to 2000

圖2 烏魯木齊市2010—2017年土地利用景觀變化圖

Figure 2 Landscape changes of land use in Urumqi from 2010 to 2017

土地利用耗減度是指在某一時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型實(shí)際消耗的程度, 即揭示各土地利用類型減少的速率, 計(jì)算公式如下[10]:

式中,C表示由到時(shí)段某種土地利用類型轉(zhuǎn)移到其他土地利用類型的總面積,U為時(shí)刻某土地利用類型的土地總面積。

2.1.3 土地利用程度分析

根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)[11]所提出的綜合分析法, 結(jié)合烏魯木齊市實(shí)際情況, 分別將烏魯木齊市土地利用程度劃分為4個(gè)級(jí)別, 第1等級(jí)為園地和水域, 第2等級(jí)為耕地、林地和草地, 第3等級(jí)為未利用地, 第4等級(jí)為建設(shè)用地, 計(jì)算公式如下:

式中,表示為土地利用程度綜合指數(shù),A表示為第級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù),C表示為第級(jí)土地利用類型面積的比例。

土地利用程度變化模型計(jì)算公式如下:

式中,L表示為土地利用程度變化量,L與L表示為研究初期和研究末期的土地利用綜合程度指數(shù),表示為土地利用程度的變化率。如果, 式中的L＞0或者＞0, 則表示該區(qū)域土地利用正處在發(fā)展期, 如果L＜0或者＜0, 則表示該區(qū)域土地利用正處于衰退期或者調(diào)整期。

2.2 景觀格局指數(shù)選取

景觀格局指數(shù)是能夠反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo), 能夠高度濃縮的景觀信息[12-15]。景觀格局的分析主要是由斑塊、斑塊類型和景觀水平3個(gè)水平指數(shù)構(gòu)成。由于斑塊水平指數(shù)只是計(jì)算其他景觀的指數(shù)的基礎(chǔ), 對(duì)景觀格局變化分析無意義, 所以本文以景觀水平和斑塊類型為基礎(chǔ), 選取相關(guān)景觀格局指數(shù), 分析研究區(qū)土地利用景觀格局變化特征和趨勢(shì)。

2.3 景觀生態(tài)安全分析指數(shù)構(gòu)建

本文在對(duì)烏魯木齊市景觀格局變化分析的基礎(chǔ)上, 通過了解和掌握景觀格局指數(shù)所具有的生態(tài)學(xué)涵義, 擬采用景觀破碎度、景觀分離度、景觀優(yōu)勢(shì)度等基本判別指數(shù)的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建景觀干擾度和景觀脆弱度指數(shù), 與景觀生態(tài)安全度之間建立定量化表大, 以期研究烏魯木齊市土地生態(tài)安全的時(shí)空分異特征。

2.3.1 景觀干擾度指數(shù)

在自然以及人為活動(dòng)的干擾下, 使得景觀由最初的單一、均質(zhì)和連續(xù)逐漸趨向復(fù)雜、異質(zhì)以及不連續(xù)的斑塊鑲嵌體。本文通過將景觀破碎度、分離度以及優(yōu)勢(shì)度指數(shù)進(jìn)行疊加構(gòu)建景觀干擾度指數(shù), 計(jì)算公式如下[17]:

式中,U為景觀干擾度,C為景觀破碎度,D為景觀優(yōu)勢(shì)度,分別為景觀破碎度、分離度和優(yōu)勢(shì)度的權(quán)重,L為景觀類型相對(duì)密度,P為景觀類型相對(duì)蓋度,分別為景觀類型相對(duì)密度和相對(duì)蓋度的權(quán)重,S為景觀類型距離指數(shù),N為景觀斑塊數(shù)量,為景觀斑塊總數(shù),A為景觀斑塊面積,為景觀總面積。

權(quán)重反映了各個(gè)景觀指數(shù)對(duì)景觀生態(tài)環(huán)境不同的影響程度, 根據(jù)前人的研究成果同時(shí)與研究區(qū)實(shí)際情況相結(jié)合, 綜合分析不同的景觀指數(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)程度, 分析得出在景觀干擾度的計(jì)算中認(rèn)為景觀的優(yōu)勢(shì)度最為重要, 其次是分離度和破碎度, 其權(quán)重分別賦值為0.5、0.3和0.2, 在景觀優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算中認(rèn)為相對(duì)蓋度的權(quán)重為0.6, 相對(duì)密度的權(quán)重為0.4[18]。

2.3.2 景觀脆弱度指數(shù)

景觀脆弱度是指不同景觀類型所代表的生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)受到外界干擾后的易損性, 景觀脆弱度值的大小是由景觀在自然演替中所處的階段決定的[18–20]。土地利用程度變化不僅受到土地本身自然屬性的影響, 同時(shí)反映了人為因素和自然因素的綜合干擾的結(jié)果。研究中將土地利用類型與景觀脆弱性相聯(lián)系, 結(jié)合前人的研究成果[19]與研究區(qū)現(xiàn)狀, 分別將土地利用類型賦值如下: 草地-7、耕地-6、未利用地-5、林地-4、水域-3、園地-2、建設(shè)用地-1, 其中草地最為脆弱, 建設(shè)用地最為穩(wěn)定, 通過對(duì)其進(jìn)行分等定級(jí)并標(biāo)準(zhǔn)化處理后作為景觀脆弱度指數(shù)的賦值。

生態(tài)安全程度的值是由景觀干擾度和景觀脆弱度指數(shù)來表示, 計(jì)算公式如下[17]:

(14)

式中,ES為景觀類型生態(tài)安全度,U為景觀干擾度,Q為景觀脆弱度,為景觀安全度,為景觀類型個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

基于對(duì)烏魯木齊市四期遙感影像進(jìn)行分析, 獲得烏魯木齊市各類土地利用變化情況。通過分析得出, 烏魯木齊市土地利用占比較大的是草地和未利用地, 占比分別為56.22%和28.84%。1990—2017年耕地、林地和草地的面積有所減少, 分別減少了30870.9公頃、9669.24公頃和58065.84公頃, 其中草地面積減少的比例尤為明顯。同時(shí), 園地、水域、建設(shè)用地和未利用地的面積有所增加, 分別增加了455.13公頃、1790.46公頃、27151.47公頃和69208.92公頃。在西部大開發(fā)以及城市化不斷發(fā)展的背景下, 烏魯木齊市建設(shè)用地面積有了明顯的增加, 米東區(qū)荒漠面積較大, 受土地荒漠化的影響, 導(dǎo)致未利用地面積有所增加。

3.1.2 土地利用時(shí)空變化分析

對(duì)研究區(qū)土地景觀利用變化分析不僅體現(xiàn)在不同時(shí)段土地景觀類型面積的變化上, 還體現(xiàn)在不同土地景觀利用類型面積的相互轉(zhuǎn)化中。通過ArcGIS軟件將不同時(shí)期土地景觀利用類型圖進(jìn)行疊加分析, 獲得烏魯木齊市土地景觀利用類型轉(zhuǎn)移矩陣, 以此分析烏魯木齊市土地景觀利用時(shí)空變化情況(見表3)。

通過分析得出烏魯木齊市整體景觀類型面積以耕地、林地、草地景觀類型轉(zhuǎn)出和建設(shè)用地、未利用地景觀類型的轉(zhuǎn)入為主。1990—2000年, 烏魯木齊市耕地、林地和牧草地的轉(zhuǎn)出面積分別為11140.2公頃、1402.56公頃和12339公頃; 建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)入面積分別為8945.46公頃和13027.59公頃。2000—2010年, 烏魯木齊市耕地、林地和牧草地的轉(zhuǎn)出面積分別為19160.82公頃、7573.32公頃和52363.26公頃; 建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)入面積分別為6576.84公頃和11613.78公頃。2010—2017年, 烏魯木齊市耕地、林地和牧草地的轉(zhuǎn)出面積分別為14167.44公頃、7824.96公頃和36567.81公頃; 建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)入面積分別為2191.86公頃和6692.31公頃。

表2 1990—2017年烏魯木齊市土地利用結(jié)構(gòu)變化

表3 1990—2017年烏魯木齊市景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣(ha)

通過對(duì)烏魯木齊市土地景觀利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析, 烏魯木齊市土地景觀利用類型轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在耕地與草地、耕地與建設(shè)用地、耕地與未利用地、林地與草地、草地與建設(shè)用地、草地與未利用地、建設(shè)用地與未利用地之間相互轉(zhuǎn)化, 1990—2017年, 耕地、林地與草地轉(zhuǎn)出面積最大, 轉(zhuǎn)出面積分別為40060.8公頃、13227.57公頃和81921.24公頃。建設(shè)用地與未利用地轉(zhuǎn)入面積最多, 轉(zhuǎn)入面積分別為30786.84公頃和75324.69公頃。

在西部大開發(fā)政策影響下, 烏魯木齊市城市化進(jìn)程的速度不斷加快, 建設(shè)用地面積也不斷, 主要是以耕地、草地和未利用地的轉(zhuǎn)入為主。其中, 未利用地轉(zhuǎn)入面積相對(duì)較少, 主要是由于烏魯木齊市是綠洲上的城市, 未利用地大多是沙漠, 可利用面積相對(duì)較少。同時(shí), 未利用地面積有明顯的增加, 絕大部分是由耕地和草地轉(zhuǎn)為未利用地, 在城市快速發(fā)展的背景下, 人口大量向城市流動(dòng), 烏魯木齊市對(duì)耕地和草地過度開發(fā)利用, 城市生態(tài)環(huán)境較為脆弱, 耕地撂荒嚴(yán)重, 過度放牧加劇草地荒漠化, 從而致使未利用地面積增加。總體來說, 烏魯木齊土地景觀利用是以建設(shè)用地和未利用地面積增加, 耕地、林地和草地面積減少為特征。

3.1.3 土地利用速度變化分析

不同時(shí)期內(nèi)土地景觀利用類型變化速度存在明顯差異, 由表4分析可知, 烏魯木齊市1990—2017年綜合土地動(dòng)態(tài)度呈上升趨勢(shì), 由3.13%上升至6.57%, 說明烏魯木齊市土地景觀利用年變化率處于一個(gè)較高的水平。其中, 建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)度和開發(fā)度均最高, 開發(fā)度由1990—2000年的4.18%上升至2000—2010年的5.24%, 雖然2010—2017年建設(shè)用地的開發(fā)度有所下降, 但與其他土地景觀類型相比仍處于較高水平, 說明隨著城市不斷發(fā)展, 建設(shè)用地增加速度明顯上升。1990—2017年烏魯木齊市耕地、林地和草地的變化速度呈下降趨勢(shì), 且土地利用耗減度大于土地利用開發(fā)度, 說明烏魯木齊市耕地、林地和草地減少的速度大于增加的速度。園地、水域的開發(fā)度都呈上升的趨勢(shì), 說明園地和水域面積的增加速度有了明顯的提升。烏魯木齊市未利用地1990—2010年變化速度和耗減度呈上升趨勢(shì), 2010—2017年變化速度和耗減度呈下降趨勢(shì), 但整體變化速度較慢, 說明雖然未利用地面積得以利用, 但是由于烏魯木齊市未利用地多為沙漠、荒灘, 所以可利用面積較少。

綜合分析, 烏魯木齊市土地景觀利用類型在研究后期變化幅度趨于平緩, 說明研究后期烏魯木齊市土地景觀利用變化逐漸平穩(wěn)。

表4 1990—2017年烏魯木齊市土地景觀利用類型速度變化指數(shù)(%)

注: 表格中代表單一土地動(dòng)態(tài)度;代表綜合土地利用動(dòng)態(tài)度;代表土地利用開發(fā)度;代表土地利用耗減度。

3.1.4 土地利用程度分析

由表5可知, 烏魯木齊市1990—2017年土地利用程度由226.53上升至235.08, 說明隨著城市的發(fā)展需求, 對(duì)城市土地開發(fā)和利用程度逐漸增加, 人類活動(dòng)對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)影響也逐漸加深。同時(shí)1990—2017年烏魯木齊市土地利用程度變化量和土地利用程度變化率均大于0, 說明烏魯木齊市土地利用正處于發(fā)展期。

3.2 景觀格局時(shí)空變化分析

3.2.1 景觀斑塊類型格局變化分析

通過對(duì)景觀斑塊類型相關(guān)指數(shù)變化進(jìn)行分析, 有利于了解各景觀類型在城市變化過程中的演變趨勢(shì)和城市景觀整體變化規(guī)律。由圖3可見, 烏魯木齊市27年間城市景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大程度上的變化。耕地的斑塊總數(shù)由1990年的2605增加到2017年的11626, 平均斑塊大小由1990年的54.5 ha減少為2017年的9.4 ha, 說明耕地景觀破碎化程度逐漸增大。最大斑塊指數(shù)由1990年的7.67%減少為2017年的1.62%, 說明耕地在城市景觀的優(yōu)勢(shì)度在逐漸降低, 同時(shí)景觀形狀指數(shù)、邊緣密度由1990年的58.33和6.1 ha增加為2017年的114.92和10.66 ha, 說明耕地景觀斑塊形狀更加不規(guī)則以及邊界形狀趨于復(fù)雜。平均形狀指數(shù)、平均斑塊分維度和景觀連通度指數(shù)都存在不同程度的減少, 說明耕地景觀斑塊由聚集趨于分散, 受人類的干擾逐漸增大。

園地景觀由于所占面積較少, 景觀斑塊個(gè)數(shù)無明顯變化, 但是其平均斑塊大小、景觀連通度由1990年的54 ha和96.24%增加為2017年的82.1 ha和97%, 說明園地景觀破碎化程度逐漸降低, 景觀結(jié)合更為緊密, 同時(shí)平均斑塊分維度更趨近于1, 說明景觀形狀更簡(jiǎn)單, 景觀分布更為集中。

林地景觀的斑塊總數(shù)由1990年的7630減少為2017年的6531, 同時(shí)林地最大斑塊指數(shù)也有一定程度的增加, 說明林地景觀破碎化程度降低, 景觀優(yōu)勢(shì)度增強(qiáng)。與此同時(shí), 景觀形狀指數(shù)和邊緣密度分別由99.4、6.44 ha減少為93.1和5.8 ha, 說明景觀的自然特征和內(nèi)部生態(tài)過程增強(qiáng), 斑塊復(fù)雜程度降低。景觀斑塊分維指數(shù)和連通度由1.16和97%增加為1.2和98%, 說明原本分離的斑塊之前出現(xiàn)了連接的廊道, 林地趨向于均衡分布的空間結(jié)構(gòu)。

草地景觀是烏魯木齊市主要景觀之一, 通過分析該景觀斑塊總數(shù)由1990年6632增加為2017年的24490, 同時(shí)平均斑塊大小也由129.07 ha減少32.54 ha, 斑塊總數(shù)和平均斑塊大小都有大幅度的增減和減少, 說明隨著城市的發(fā)展草地景觀破碎化程度呈大幅度地增大。景觀形狀指數(shù)、邊緣密度、平均形狀指數(shù)以及斑塊分維指數(shù)均有所增加, 說明草地景觀斑塊更加不規(guī)則, 景觀形狀趨于復(fù)雜, 景觀受人類干擾水平增加。1990—2017年間草地景觀最大斑塊指數(shù)和景觀連通度分別由56.44%和99.97%減少為51.8%和99.95%, 說明景觀優(yōu)勢(shì)度和聚集度降低, 但是相較于其他景觀草地景觀的優(yōu)勢(shì)度和聚集程度仍處于較高水平。

水域景觀1990—2017年斑塊總數(shù)由1990年的165增加至2017年的267, 平均斑塊大小和最大斑塊指數(shù)由34.6和0.21%減少至28和0.19%, 說明水域景觀破碎化程度有所增加, 同時(shí)景觀優(yōu)勢(shì)度逐漸降低。邊緣密度、景觀形狀指數(shù)和平均形狀指數(shù)由有所增加, 說明水域景觀斑塊受人類影響更加不規(guī)則和復(fù)雜化, 例如水庫、人造湖等景觀的修建。同時(shí), 景觀斑塊分維指數(shù)和連通度都有所增加, 斑塊分維指數(shù)趨于1, 水域景觀分布較為集中。

建設(shè)用地景觀斑塊總數(shù)由1990年的4150減少至2017年的2778, 同時(shí)連通度由99.38%增加至99.75%, 說明建設(shè)用地景觀更加聚集。由于受人類活動(dòng)和城市化水平的不斷提升, 導(dǎo)致景觀邊緣密度和平均斑塊大小的值有所增加, 說明景觀破碎化程度隨著城市活動(dòng)的加強(qiáng)逐漸增加。與此同時(shí), 1990—2017年建設(shè)用地景觀形狀指數(shù)、平均形狀指數(shù)以及斑塊分維指數(shù)都有所增加, 說明受人類活動(dòng)干擾, 景觀斑塊更加不規(guī)則和復(fù)雜化。最大斑塊指數(shù)由1990年的1.04%增加至2017年的2.8%, 說明隨著城市的不斷擴(kuò)張和發(fā)展, 建設(shè)用地的景觀優(yōu)勢(shì)度逐漸增加。

表5 烏魯木齊市1990—2017年土地利用程度變化

注: NP—斑塊總數(shù), LPI—最大斑塊指數(shù), LSI—景觀形狀指數(shù), ED—邊緣密度, MPS—平均斑塊面積, AWMSI—平均形狀指數(shù), AWMPDF—平均斑塊分維指數(shù), COHESION—景觀連通度。

Figure 3 Landscape pattern index change of various landscape types in Urumqi from 1990 to 2017

未利用地景觀斑塊總數(shù)由1990年的4218增加為2017年的13320, 平均斑塊大小由80.65減小為30.72, 說明未利用地景觀破碎化程度不斷加劇。同時(shí)景觀形狀指數(shù), 平均形狀指數(shù)以及邊緣密度值均有所增加, 說明景觀斑塊更加不規(guī)則, 復(fù)雜化程度逐漸增加, 同1990—2017年間景觀斑塊分維指數(shù)由1.2增加至1.3, 說明未利用地受人類的干預(yù)程度較大。同時(shí)最大斑塊指數(shù)由13.62%增加至16%, 說明受人類活動(dòng)的影響, 加之城市生態(tài)環(huán)境脆弱, 導(dǎo)致土地荒漠化程度加劇, 景觀優(yōu)勢(shì)度也有所增加。由于地域的特殊性, 以及受到氣候的影響, 烏魯木齊市可利用土地面積較少, 未利用地多為戈壁和沙漠, 可利用的土地面積較少, 主要集中在烏魯木齊市北部和中部地區(qū)。

3.2.2 景觀水平格局變化分析

通過分析表6可知, 烏魯木齊市1990—2017年景觀水平尺度格局發(fā)生明顯的變化。景觀斑塊總數(shù)、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、周長(zhǎng)面積分維數(shù)、景觀分離指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)呈上升趨勢(shì), 而最大斑塊指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)以及連通度指數(shù)逐漸呈下降趨勢(shì)。這表明了烏魯木齊市景觀破碎化程度逐漸增高, 景觀優(yōu)勢(shì)度不斷降低, 尤其是以草地為主導(dǎo)的景觀格局正在發(fā)生較大變化, 建設(shè)用地不斷擴(kuò)張逐步侵占草地、耕地及其他用地, 景觀異質(zhì)性逐漸增加, 斑塊形狀趨于復(fù)雜化。通過分析得出, 人類活動(dòng)對(duì)烏魯木齊市景觀格局的干擾度不斷增加, 景觀格局逐漸復(fù)雜化, 景觀逐漸趨向離散分布, 結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性逐漸加大, 景觀自我調(diào)節(jié)的能力不斷降低。目前, 烏魯木齊市的城市化過程逐步加快, 從而對(duì)于城市的可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境以及生物多樣性的保護(hù)帶來較大的挑戰(zhàn)。

3.3 景觀生態(tài)安全分析

由圖4可知, 烏魯木齊市27年間耕地、草地和未利用地的生態(tài)安全度有所下降, 由1990年的0.746、0.371和0.747下降為2017年的0.449、0.268和0.663, 主要由于城市化過程不斷加快, 建設(shè)用地不斷擴(kuò)張導(dǎo)致耕地、草地面積不斷減少, 土地利用程度不斷提升, 導(dǎo)致耕地、草地等自然景觀受干擾程度增加, 生態(tài)安全度降低。同時(shí), 烏魯木齊市受地域的影響, 生態(tài)環(huán)境較為脆弱, 人為干擾導(dǎo)致城市土地荒漠化程度加劇, 耕地撂荒、草地退化, 使得未利用地面積增加, 生態(tài)安全度降低。林地和水域呈倒“V”字變化, 說明城市自然景觀逐漸被人工景觀所代替, 如人造水庫、園林綠化等工程, 這種人為干擾對(duì)人工景觀的影響是有利的, 但隨著城市化水平的不斷提升, 高效益經(jīng)濟(jì)作物土地種植面積的增加, 以及建設(shè)用地需求的增長(zhǎng), 導(dǎo)致建設(shè)用地和園地的生態(tài)安全度有所增加。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[17-19]并結(jié)合烏魯木齊市實(shí)際研究結(jié)果, 將研究區(qū)景觀格局生態(tài)安全劃為4個(gè)等級(jí): 重警區(qū)[0—0.3]、預(yù)警區(qū)[0.3—0.5]、較安全區(qū)[0.5—0.8]、安全區(qū)[0.8—1.0]。

通過對(duì)表7、8分析, 27年間, 烏魯木齊市景觀類型安全等級(jí)發(fā)生了較的變化, 重警區(qū)和預(yù)警區(qū)的面積有所增加, 較安全區(qū)和安全區(qū)的面積有所減少。其中重警區(qū)和預(yù)警區(qū)增加的總面積為42671.07 ha。其中, 草地景觀的安全等級(jí)由預(yù)警區(qū)變?yōu)橹鼐瘏^(qū), 耕地景觀的安全等級(jí)由較安全區(qū)變?yōu)轭A(yù)警區(qū), 建設(shè)用地景觀由較安全區(qū)變?yōu)榘踩珔^(qū)。由于人類活動(dòng)的干擾, 加之烏魯木齊市生態(tài)的脆弱性, 導(dǎo)致草地、耕地和建設(shè)用地的安全等級(jí)發(fā)生了明顯變化。

表6 1990—2017年烏魯木齊市景觀水平格局變化指數(shù)

注:—斑塊總數(shù),—斑塊密度,—景觀形狀指數(shù),—周長(zhǎng)面積分維數(shù),—最大斑塊指數(shù),—景觀分離度,—景觀連通度,—香濃多樣性指數(shù),—香濃均勻度指數(shù),—景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。

圖4 烏魯木齊市土地景觀類型生態(tài)安全度

Figure 4 Ecological security of land landscape types in Urumqi

將各景觀類型生態(tài)安全度與該景觀類型脆弱度的乘積合計(jì), 可得出烏魯木齊市景觀格局生態(tài)安全的整體水平。如圖5所示, 烏魯木齊市景觀生態(tài)安全度呈波動(dòng)下降的趨勢(shì), 由1990年處于較安全區(qū)的0.56下降為2017年處于預(yù)警區(qū)的0.48, 說明烏魯木齊市生態(tài)脆弱性逐漸加深, 生態(tài)安全度有明顯的下降趨勢(shì)。

4 討論

1990—2017年間烏魯木齊市土地利用發(fā)生較明顯變化, 園地、水域、建設(shè)用地和未利用地面積呈上升趨勢(shì), 耕地、林地和草地面積呈下降趨勢(shì), 尤其是草地面積下降幅度較大, 所占的比例下降4.09%。同時(shí), 土地景觀類型面積以耕地、林地和草地轉(zhuǎn)出和建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)入為主, 烏魯木齊市土地利用正處于發(fā)展期且土地景觀利用年變化率處于一個(gè)較高的水平。隨著城市化進(jìn)程以及經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 人口不斷增加對(duì)建設(shè)用地的需求也相應(yīng)增加, 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加導(dǎo)致耕地、林地和草地面積有所減少。引起景觀相關(guān)指數(shù)變化的主要原因是人類活動(dòng)的干擾, 受干擾程度不同景觀指數(shù)也有不同程度的變化。在景觀斑塊類型格局變化上, 耕地、草地景觀的優(yōu)勢(shì)度逐漸降低, 邊界和形狀逐漸趨于復(fù)雜化, 破碎化程度增加, 連通度下降, 受人類干擾較大, 但草地景觀仍是優(yōu)勢(shì)景觀。與此同時(shí), 受“城市園林綠化工程”等政府政策措施的影響, 林地景觀破碎化程度降低, 景觀優(yōu)勢(shì)度和連通度增加。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展, 建設(shè)用地優(yōu)勢(shì)度和聚集度逐漸增加, 受人類活動(dòng)干擾, 景觀斑塊更加不規(guī)則和復(fù)雜化。在城市土地開發(fā)與城鎮(zhèn)發(fā)展的加快的背景下, 人類活動(dòng)加劇了城市土地荒漠化程度, 從而導(dǎo)致城市未利用地景觀優(yōu)勢(shì)度上升。在景觀水平格局變化上, 分析得出人類活動(dòng)對(duì)烏魯木齊市景觀格局的干擾度不斷增加, 景觀格局逐漸復(fù)雜化, 景觀逐漸趨向離散分布, 結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性逐漸加大, 景觀自我調(diào)節(jié)的能力不斷降低。烏魯木齊市27年間耕地、草地和未利用地的生態(tài)安全度有所下降, 同時(shí)研究區(qū)內(nèi)處于重警區(qū)和預(yù)警區(qū)的面積逐漸增加, 處于較安全區(qū)和安全區(qū)的面積逐漸減少。草地景觀的安全等級(jí)由預(yù)警區(qū)變?yōu)橹鼐瘏^(qū), 耕地景觀的安全等級(jí)由較安全區(qū)變?yōu)轭A(yù)警區(qū), 建設(shè)用地景觀由較安全區(qū)變?yōu)榘踩珔^(qū)。烏魯木齊市總體景觀生態(tài)安全度呈波動(dòng)下降的趨勢(shì), 由0.56下降為0.48, 說明烏魯木齊市生態(tài)脆弱性逐漸加深, 生態(tài)安全度有明顯的下降趨勢(shì)。

表7 1990—2000年烏魯木齊市土地景觀格局生態(tài)安全預(yù)警

表8 2010—2017年烏魯木齊市土地景觀格局生態(tài)安全預(yù)警

圖5 烏魯木齊市整體景觀格局生態(tài)安全度

Figure 5 Ecological security of the overall landscape pattern in Urumqi

本文是通過土地利用、景觀格局變化和生態(tài)安全對(duì)烏魯木齊市土地景觀類型變化進(jìn)行梳理和分析, 研究結(jié)果對(duì)烏魯木齊市未來的土地合理利用, 景觀格局優(yōu)化以及城市生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考。但考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性本文選擇四個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析, 并非持續(xù)性時(shí)間數(shù)據(jù), 獲得的結(jié)果也具有一定的局限性。與此同時(shí), 區(qū)域生態(tài)安全主要是由自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等因素共同構(gòu)成的, 景觀格局是其重要影響因素之一, 本文構(gòu)建的景觀生態(tài)安全度分析不具有絕對(duì)性, 未來可以利用數(shù)學(xué)模型或生態(tài)模型等方法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)烏魯木齊市生態(tài)安全從自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等影因素完善對(duì)烏魯木齊市生態(tài)安全的分析。但是人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)景觀格局的變化會(huì)產(chǎn)生重要的影響, 因此, 本文選用景觀空間結(jié)構(gòu)來研究烏魯木齊市的生態(tài)安全也有重要的意義。

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Analysis on landscape pattern change and ecological security of land use in Urumqi

ZHU Yanan1, PU Chunling2,*

1. School of management of Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China 2. Research Center for Economic and Social Development, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China

Based on the analysis of the spatial and temporal changes of land use landscape pattern and ecological security in Urumqi from 1990 to 2017, using the remote sensing images of Urumqi in 1990, 2000, 2010 and 2017 as the data source, the remote sensing images of Urumqi were interpreted and analyzed by ERDAS and ArcGIS software, and the landscape pattern index of Urumqi was obtained by FRAGSTAT software. Combined with the theory of landscape ecology, the changes of land use, landscape pattern and ecological security in Urumqi were analyzed. The results showed that: (1) The land use/cover change was obvious in Urumqi; the grassland landscape was dominant, accounting for 56.22% of the total land use area, but the dominance of grassland landscape decreased gradually; the unused land area was second only to grassland, accounting for 28.84% of the total land use area. At the same time, the transfer of cultivated land, woodland and grassland landscape and the transfer of construction land and unused land landscape were the main landscape types. (2) The change rate of land use in Urumqi was gradually accelerated from 3.13% to 6.57%, and the degree of land use was increased from 226.53 in 1990 to 235.08 in 2017, which indicated that the impact of human activities on land ecosystem was gradually deepened. (3) The change of landscape pattern in Urumqi was obvious, the degree of landscape fragmentation was gradually deepened, the landscape patches were more irregular and complicated, and the diversity and instability of landscape structure were gradually increased. (4) The ecological security degree of Urumqi decreased from 0.56 in 1990 to 0.48 in 2017, which indicated that the ecological vulnerability of Urumqi was gradually deepened. The results of this study will provide some reference for the future rational land use, landscape pattern optimization, urban ecological construction and sustainable development in Urumqi.

land use; landscape pattern; ecological security; Urumqi

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.017

S731.2

A

1008-8873(2020)02-133-12

2019-06-18;

2019-07-31

國家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(14XGL005); 國家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(08BJY061)

朱亞楠(1995—), 女, 新疆烏魯木齊人, 碩士研究生, 主要從事土地資源利用研究, E-mail:727526126@qq.com

蒲春玲(1961—), 女, 新疆阿克蘇人, 教授, 主要從事土地資源可持續(xù)利用和區(qū)域經(jīng)濟(jì)研究, E-mail:puchunling@163.com

朱亞楠, 蒲春玲. 烏魯木齊市土地利用景觀格局變化及生態(tài)安全分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(2): 133–144.

ZHU Yanan, PU Chunling. Analysis on landscape pattern change and ecological security of land use in Urumqi[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 133–144.