烏魯木齊市土地利用景觀格局變化及生態安全分析

朱亞楠, 蒲春玲

烏魯木齊市土地利用景觀格局變化及生態安全分析

朱亞楠1, 蒲春玲2,*

1. 新疆農業大學管理學院, 烏魯木齊 830052 2. 新疆農業大學經濟社會發展研究中心, 烏魯木齊 830052

通過對烏魯木齊市1990—2017年間的土地利用景觀格局時空變化特征以及生態安全進行分析, 以烏魯木齊市1990、2000、2010和2017年4期的遙感影像作為數據源, 借助ERDAS和ArcGIS軟件對4期遙感圖像進行解譯分析, 并通過FRAGSTAT軟件分析得出烏魯木齊市景觀格局指數, 結合景觀生態學的理論, 分析得出烏魯木齊市土地利用、景觀格局及生態安全變化情況。結果表明: (1)烏魯木齊市土地利用/覆被發生較為明顯的變化, 草地景觀占主導地位, 面積占土地利用總面積的56.22%, 但是草地景觀的優勢度逐漸降低, 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, 景觀之間以耕地、林地和草地景觀轉出和建設用地和未利用地景觀的轉入為主; (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, 說明人類活動對土地生態系統影響逐漸加深; (3)烏魯木齊市景觀格局變化明顯, 受人類干擾程度加強, 景觀破碎化程度逐漸加深, 景觀斑塊更加不規則和復雜化, 景觀多樣性和結構的不穩定性逐漸增加; (4)烏魯木齊市生態安全度由1990年的0.56下降至2017年的0.48, 說明城市生態脆弱性逐漸加深。該研究結果對烏魯木齊市未來的土地合理利用, 景觀格局優化以及城市生態建設和可持續發展提供一定的參考。

土地利用; 景觀格局; 生態安全; 烏魯木齊

0 前言

土地是人類賴以生存和發展最基本的物質保障, 為人類從事一切社會經濟活動提供基礎場所[1-2]。隨著城市化進程的快速發展, 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的普遍關注。與此同時, 土地利用/土地覆蓋變化研究不僅對深入了解全球環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合, 可以深入了解土地利用景觀格局變化的發展現狀及趨勢, 對促進人類更好地理解社會與自然環境的相互關系有重要意義[3-5]。近年來, 運用ArcGIS、Erdas和Fragstats軟件相結合的對土地利用景觀格局變化的研究已在國內外大量展開, 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變[6]。同時, 對區域土地景觀生態安全進行分析, 有利于揭示區域土地生態環境的變化趨勢及生態安全等級, 對未來區域土地合理利用和開發, 以及生態環境的保護具有較為深遠的意義[7]。

黨的十九大報告指出, 要加快生態文明體制改革, 要推進綠色發展, 著力解決突出環境問題。烏魯木齊市是坐落在綠洲上的城市, 生態環境十分脆弱。烏魯木齊成為國家第三批入選“城市雙修”的試點城市, 通過對烏魯木齊市土地利用景觀格局的動態變化及生態安全程度進行分析, 揭示近30年烏魯木齊市土地利用景觀格局變化的規律、生態安全變化趨勢, 對未來解決城市發展過程中所帶來的諸多景觀生態問題具有重要意義。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區概況

烏魯木齊, 地處東經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的首府, 是新疆的政治、經濟、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、準噶爾盆地南緣, 東西南三面環山, 北部為廣闊沖積平原, 地勢由南向西北方向逐漸降低。烏魯木齊市由于深居內陸, 遠離海洋, 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 數據來源與處理

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軟件對四期遙感影像圖進行波段組合、圖像拼接、幾何校正等處理, 根據研究區邊界范圍對已處理完成的遙感影像圖進行圖像裁剪, 并從中提取研究區所需的遙感影像數據。

依據國家于2007年公布的《土地利用現狀分類》分類標準, 結合烏魯木齊市的實際情況, 利用Erdas 9.2中的監督分類與目視解譯相結合的方法將烏魯木齊市土地利用情況進行分類。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、建設用地和未利用地, 分類結果如圖1和圖2所示。為保證分類結果的準確性, 通過對4期遙感影像分類結果進行精度檢驗, 其Kappa系數均達到0.83以上, 說明解譯結果的可靠性, 可以滿足本次研究的需求。

同時, 利用ArcGIS 10.2軟件的空間疊加分析和統計分析功能對4期烏魯木齊市土地利用圖進行空間疊加分析, 獲取研究期內烏魯木齊市土地利用轉移矩陣和土地利用類型空間變化圖, 基于此對烏魯木齊市不同時期的不同地類的時空變化進行分析。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軟件計算和分析烏魯木齊市4個不同時期景觀指數, 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, 結合統計分析功能, 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移矩陣, 以此對烏魯木齊市不同時期的土地利用景觀類型時空變化進行分析。

2.1.2 土地利用變化速度分析

通過計算烏魯木齊市各類土地景觀利用類型的單一土地利用動態度、開發度和耗減度, 從而可以進一步對烏魯木齊市土地景觀利用類型的動態變化速度進行分析。

單一土地利用動態度計算公式如下[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,為研究時段。

綜合土地利用動態度計算公式如下[9]:

式中,LU表示為第類土地利用類型轉為非類土地利用類型面積的絕對值,LU表示為研究初期某一土地利用類型的總面積,為研究時段。

土地利用開發度指在某一時段內某一土地利用類型新開發的程度, 即揭示各土地利用類型增加的速率, 其中該指數不適用于未利用地, 計算公式如下[10]:

式中, Dab表示由a到b時段某種土地利用類型新開發土地的面積, 即由其他土地利用類型轉移到該土地利用類型的土地總面積, Ua為a時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段內某種土地利用類型實際消耗的程度, 即揭示各土地利用類型減少的速率, 計算公式如下[10]:

式中,C表示由到時段某種土地利用類型轉移到其他土地利用類型的總面積,U為時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

根據劉紀遠[11]所提出的綜合分析法, 結合烏魯木齊市實際情況, 分別將烏魯木齊市土地利用程度劃分為4個級別, 第1等級為園地和水域, 第2等級為耕地、林地和草地, 第3等級為未利用地, 第4等級為建設用地, 計算公式如下:

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

土地利用程度變化模型計算公式如下:

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,表示為土地利用程度的變化率。如果, 式中的L＞0或者＞0, 則表示該區域土地利用正處在發展期, 如果L＜0或者＜0, 則表示該區域土地利用正處于衰退期或者調整期。

2.2 景觀格局指數選取

景觀格局指數是能夠反映景觀結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標, 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個水平指數構成。由于斑塊水平指數只是計算其他景觀的指數的基礎, 對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, 選取相關景觀格局指數, 分析研究區土地利用景觀格局變化特征和趨勢。

2.3 景觀生態安全分析指數構建

本文在對烏魯木齊市景觀格局變化分析的基礎上, 通過了解和掌握景觀格局指數所具有的生態學涵義, 擬采用景觀破碎度、景觀分離度、景觀優勢度等基本判別指數的基礎上, 構建景觀干擾度和景觀脆弱度指數, 與景觀生態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安全的時空分異特征。

2.3.1 景觀干擾度指數

在自然以及人為活動的干擾下, 使得景觀由最初的單一、均質和連續逐漸趨向復雜、異質以及不連續的斑塊鑲嵌體。本文通過將景觀破碎度、分離度以及優勢度指數進行疊加構建景觀干擾度指數, 計算公式如下[17]:

式中,U為景觀干擾度,C為景觀破碎度,D為景觀優勢度,分別為景觀破碎度、分離度和優勢度的權重,L為景觀類型相對密度,P為景觀類型相對蓋度,分別為景觀類型相對密度和相對蓋度的權重,S為景觀類型距離指數,N為景觀斑塊數量,為景觀斑塊總數,A為景觀斑塊面積,為景觀總面積。

權重反映了各個景觀指數對景觀生態環境不同的影響程度, 根據前人的研究成果同時與研究區實際情況相結合, 綜合分析不同的景觀指數對生態環境的貢獻程度, 分析得出在景觀干擾度的計算中認為景觀的優勢度最為重要, 其次是分離度和破碎度, 其權重分別賦值為0.5、0.3和0.2, 在景觀優勢度的計算中認為相對蓋度的權重為0.6, 相對密度的權重為0.4[18]。

2.3.2 景觀脆弱度指數

景觀脆弱度是指不同景觀類型所代表的生態系統當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, 同時反映了人為因素和自然因素的綜合干擾的結果。研究中將土地利用類型與景觀脆弱性相聯系, 結合前人的研究成果[19]與研究區現狀, 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、建設用地-1, 其中草地最為脆弱, 建設用地最為穩定, 通過對其進行分等定級并標準化處理后作為景觀脆弱度指數的賦值。

生態安全程度的值是由景觀干擾度和景觀脆弱度指數來表示, 計算公式如下[17]:

(14)

式中,ES為景觀類型生態安全度,U為景觀干擾度,Q為景觀脆弱度,為景觀安全度,為景觀類型個數。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用結構變化分析

基于對烏魯木齊市四期遙感影像進行分析, 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, 園地、水域、建設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。在西部大開發以及城市化不斷發展的背景下, 烏魯木齊市建設用地面積有了明顯的增加, 米東區荒漠面積較大, 受土地荒漠化的影響, 導致未利用地面積有所增加。

3.1.2 土地利用時空變化分析

對研究區土地景觀利用變化分析不僅體現在不同時段土地景觀類型面積的變化上, 還體現在不同土地景觀利用類型面積的相互轉化中。通過ArcGIS軟件將不同時期土地景觀利用類型圖進行疊加分析, 獲得烏魯木齊市土地景觀利用類型轉移矩陣, 以此分析烏魯木齊市土地景觀利用時空變化情況(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、草地景觀類型轉出和建設用地、未利用地景觀類型的轉入為主。1990—2000年, 烏魯木齊市耕地、林地和牧草地的轉出面積分別為11140.2公頃、1402.56公頃和12339公頃; 建設用地和未利用地轉入面積分別為8945.46公頃和13027.59公頃。2000—2010年, 烏魯木齊市耕地、林地和牧草地的轉出面積分別為19160.82公頃、7573.32公頃和52363.26公頃; 建設用地和未利用地轉入面積分別為6576.84公頃和11613.78公頃。2010—2017年, 烏魯木齊市耕地、林地和牧草地的轉出面積分別為14167.44公頃、7824.96公頃和36567.81公頃; 建設用地和未利用地轉入面積分別為2191.86公頃和6692.31公頃。

表2 1990—2017年烏魯木齊市土地利用結構變化

表3 1990—2017年烏魯木齊市景觀類型轉移矩陣(ha)

通過對烏魯木齊市土地景觀利用類型面積轉移矩陣進行分析, 烏魯木齊市土地景觀利用類型轉化主要發生在耕地與草地、耕地與建設用地、耕地與未利用地、林地與草地、草地與建設用地、草地與未利用地、建設用地與未利用地之間相互轉化, 1990—2017年, 耕地、林地與草地轉出面積最大, 轉出面積分別為40060.8公頃、13227.57公頃和81921.24公頃。建設用地與未利用地轉入面積最多, 轉入面積分別為30786.84公頃和75324.69公頃。

在西部大開發政策影響下, 烏魯木齊市城市化進程的速度不斷加快, 建設用地面積也不斷, 主要是以耕地、草地和未利用地的轉入為主。其中, 未利用地轉入面積相對較少, 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, 可利用面積相對較少。同時, 未利用地面積有明顯的增加, 絕大部分是由耕地和草地轉為未利用地, 在城市快速發展的背景下, 人口大量向城市流動, 烏魯木齊市對耕地和草地過度開發利用, 城市生態環境較為脆弱, 耕地撂荒嚴重, 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

不同時期內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年綜合土地動態度呈上升趨勢, 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較高的水平。其中, 建設用地的動態度和開發度均最高, 開發度由1990—2000年的4.18%上升至2000—2010年的5.24%, 雖然2010—2017年建設用地的開發度有所下降, 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展, 建設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, 且土地利用耗減度大于土地利用開發度, 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、水域的開發度都呈上升的趨勢, 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, 2010—2017年變化速度和耗減度呈下降趨勢, 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。

表4 1990—2017年烏魯木齊市土地景觀利用類型速度變化指數(%)

注: 表格中代表單一土地動態度;代表綜合土地利用動態度;代表土地利用開發度;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, 說明隨著城市的發展需求, 對城市土地開發和利用程度逐漸增加, 人類活動對土地生態系統影響也逐漸加深。同時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展期。

3.2 景觀格局時空變化分析

3.2.1 景觀斑塊類型格局變化分析

通過對景觀斑塊類型相關指數變化進行分析, 有利于了解各景觀類型在城市變化過程中的演變趨勢和城市景觀整體變化規律。由圖3可見, 烏魯木齊市27年間城市景觀結構發生了較大程度上的變化。耕地的斑塊總數由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勢度在逐漸降低, 同時景觀形狀指數、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則以及邊界形狀趨于復雜。平均形狀指數、平均斑塊分維度和景觀連通度指數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, 景觀斑塊個數無明顯變化, 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, 景觀結合更為緊密, 同時平均斑塊分維度更趨近于1, 說明景觀形狀更簡單, 景觀分布更為集中。

林地景觀的斑塊總數由1990年的7630減少為2017年的6531, 同時林地最大斑塊指數也有一定程度的增加, 說明林地景觀破碎化程度降低, 景觀優勢度增強。與此同時, 景觀形狀指數和邊緣密度分別由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部生態過程增強, 斑塊復雜程度降低。景觀斑塊分維指數和連通度由1.16和97%增加為1.2和98%, 說明原本分離的斑塊之前出現了連接的廊道, 林地趨向于均衡分布的空間結構。

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由1990年6632增加為2017年的24490, 同時平均斑塊大小也由129.07 ha減少32.54 ha, 斑塊總數和平均斑塊大小都有大幅度的增減和減少, 說明隨著城市的發展草地景觀破碎化程度呈大幅度地增大。景觀形狀指數、邊緣密度、平均形狀指數以及斑塊分維指數均有所增加, 說明草地景觀斑塊更加不規則, 景觀形狀趨于復雜, 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%, 說明景觀優勢度和聚集度降低, 但是相較于其他景觀草地景觀的優勢度和聚集程度仍處于較高水平。

水域景觀1990—2017年斑塊總數由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, 同時景觀優勢度逐漸降低。邊緣密度、景觀形狀指數和平均形狀指數由有所增加, 說明水域景觀斑塊受人類影響更加不規則和復雜化, 例如水庫、人造湖等景觀的修建。同時, 景觀斑塊分維指數和連通度都有所增加, 斑塊分維指數趨于1, 水域景觀分布較為集中。

建設用地景觀斑塊總數由1990年的4150減少至2017年的2778, 同時連通度由99.38%增加至99.75%, 說明建設用地景觀更加聚集。由于受人類活動和城市化水平的不斷提升, 導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的加強逐漸增加。與此同時, 1990—2017年建設用地景觀形狀指數、平均形狀指數以及斑塊分維指數都有所增加, 說明受人類活動干擾, 景觀斑塊更加不規則和復雜化。最大斑塊指數由1990年的1.04%增加至2017年的2.8%, 說明隨著城市的不斷擴張和發展, 建設用地的景觀優勢度逐漸增加。

表5 烏魯木齊市1990—2017年土地利用程度變化

注: NP—斑塊總數, LPI—最大斑塊指數, LSI—景觀形狀指數, ED—邊緣密度, MPS—平均斑塊面積, AWMSI—平均形狀指數, AWMPDF—平均斑塊分維指數, 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。同時景觀形狀指數, 平均形狀指數以及邊緣密度值均有所增加, 說明景觀斑塊更加不規則, 復雜化程度逐漸增加, 同1990—2017年間景觀斑塊分維指數由1.2增加至1.3, 說明未利用地受人類的干預程度較大。同時最大斑塊指數由13.62%增加至16%, 說明受人類活動的影響, 加之城市生態環境脆弱, 導致土地荒漠化程度加劇, 景觀優勢度也有所增加。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。

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生明顯的變化。景觀斑塊總數、斑塊密度、景觀形狀指數、周長面積分維數、景觀分離指數、Shannon多樣性指數和均勻度指數呈上升趨勢, 而最大斑塊指數、優勢度指數以及連通度指數逐漸呈下降趨勢。這表明了烏魯木齊市景觀破碎化程度逐漸增高, 景觀優勢度不斷降低, 尤其是以草地為主導的景觀格局正在發生較大變化, 建設用地不斷擴張逐步侵占草地、耕地及其他用地, 景觀異質性逐漸增加, 斑塊形狀趨于復雜化。通過分析得出, 人類活動對烏魯木齊市景觀格局的干擾度不斷增加, 景觀格局逐漸復雜化, 景觀逐漸趨向離散分布, 結構的不穩定性逐漸加大, 景觀自我調節的能力不斷降低。目前, 烏魯木齊市的城市化過程逐步加快, 從而對于城市的可持續發展、生態環境以及生物多樣性的保護帶來較大的挑戰。

3.3 景觀生態安全分析

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, 建設用地不斷擴張導致耕地、草地面積不斷減少, 土地利用程度不斷提升, 導致耕地、草地等自然景觀受干擾程度增加, 生態安全度降低。同時, 烏魯木齊市受地域的影響, 生態環境較為脆弱, 人為干擾導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, 高效益經濟作物土地種植面積的增加, 以及建設用地需求的增長, 導致建設用地和園地的生態安全度有所增加。

根據參考文獻[17-19]并結合烏魯木齊市實際研究結果, 將研究區景觀格局生態安全劃為4個等級: 重警區[0—0.3]、預警區[0.3—0.5]、較安全區[0.5—0.8]、安全區[0.8—1.0]。

通過對表7、8分析, 27年間, 烏魯木齊市景觀類型安全等級發生了較的變化, 重警區和預警區的面積有所增加, 較安全區和安全區的面積有所減少。其中重警區和預警區增加的總面積為42671.07 ha。其中, 草地景觀的安全等級由預警區變為重警區, 耕地景觀的安全等級由較安全區變為預警區, 建設用地景觀由較安全區變為安全區。由于人類活動的干擾, 加之烏魯木齊市生態的脆弱性, 導致草地、耕地和建設用地的安全等級發生了明顯變化。

表6 1990—2017年烏魯木齊市景觀水平格局變化指數

注:—斑塊總數,—斑塊密度,—景觀形狀指數,—周長面積分維數,—最大斑塊指數,—景觀分離度,—景觀連通度,—香濃多樣性指數,—香濃均勻度指數,—景觀優勢度指數。

圖4 烏魯木齊市土地景觀類型生態安全度

Figure 4 Ecological security of land landscape types in Urumqi

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

4 討論

1990—2017年間烏魯木齊市土地利用發生較明顯變化, 園地、水域、建設用地和未利用地面積呈上升趨勢, 耕地、林地和草地面積呈下降趨勢, 尤其是草地面積下降幅度較大, 所占的比例下降4.09%。同時, 土地景觀類型面積以耕地、林地和草地轉出和建設用地和未利用地轉入為主, 烏魯木齊市土地利用正處于發展期且土地景觀利用年變化率處于一個較高的水平。隨著城市化進程以及經濟快速發展, 人口不斷增加對建設用地的需求也相應增加, 經濟的發展和人口的增加導致耕地、林地和草地面積有所減少。引起景觀相關指數變化的主要原因是人類活動的干擾, 受干擾程度不同景觀指數也有不同程度的變化。在景觀斑塊類型格局變化上, 耕地、草地景觀的優勢度逐漸降低, 邊界和形狀逐漸趨于復雜化, 破碎化程度增加, 連通度下降, 受人類干擾較大, 但草地景觀仍是優勢景觀。與此同時, 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, 景觀優勢度和連通度增加。隨著經濟社會的不斷發展, 建設用地優勢度和聚集度逐漸增加, 受人類活動干擾, 景觀斑塊更加不規則和復雜化。在城市土地開發與城鎮發展的加快的背景下, 人類活動加劇了城市土地荒漠化程度, 從而導致城市未利用地景觀優勢度上升。在景觀水平格局變化上, 分析得出人類活動對烏魯木齊市景觀格局的干擾度不斷增加, 景觀格局逐漸復雜化, 景觀逐漸趨向離散分布, 結構的不穩定性逐漸加大, 景觀自我調節的能力不斷降低。烏魯木齊市27年間耕地、草地和未利用地的生態安全度有所下降, 同時研究區內處于重警區和預警區的面積逐漸增加, 處于較安全區和安全區的面積逐漸減少。草地景觀的安全等級由預警區變為重警區, 耕地景觀的安全等級由較安全區變為預警區, 建設用地景觀由較安全區變為安全區。烏魯木齊市總體景觀生態安全度呈波動下降的趨勢, 由0.56下降為0.48, 說明烏魯木齊市生態脆弱性逐漸加深, 生態安全度有明顯的下降趨勢。

表7 1990—2000年烏魯木齊市土地景觀格局生態安全預警

表8 2010—2017年烏魯木齊市土地景觀格局生態安全預警

圖5 烏魯木齊市整體景觀格局生態安全度

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安全對烏魯木齊市土地景觀類型變化進行梳理和分析, 研究結果對烏魯木齊市未來的土地合理利用, 景觀格局優化以及城市生態建設和可持續發展提供一定的參考。但考慮到數據的可獲取性本文選擇四個時段進行分析, 并非持續性時間數據, 獲得的結果也具有一定的局限性。與此同時, 區域生態安全主要是由自然、經濟和社會等因素共同構成的, 景觀格局是其重要影響因素之一, 本文構建的景觀生態安全度分析不具有絕對性, 未來可以利用數學模型或生態模型等方法構建評價指標體系對烏魯木齊市生態安全從自然、經濟和社會等影因素完善對烏魯木齊市生態安全的分析。但是人類的社會經濟活動對景觀格局的變化會產生重要的影響, 因此, 本文選用景觀空間結構來研究烏魯木齊市的生態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

國家社會科學基金項目(14XGL005); 國家社會科學基金項目(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利用和區域經濟研究, 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安全分析[J]. 生態科學, 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.