干旱區三生用地時空演變特征及空間沖突研究
——以黑河中游地區為例

韋江偉, 趙銳鋒, 李玲慧, 賈志斌

(西北師范大學 地理與環境科學學院, 蘭州 730070)

由于人口和經濟的快速增長，我國城鎮化與工業化進程不斷加快[1]。為滿足社會經濟發展對土地資源的需求，大量的生態用地及農業用地被侵占，從而造成區域景觀格局的改變[2-3]。為協調社會經濟發展與生態保護間的關系，黨的十九屆四中全會明確提出要堅定走生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路，生態保護受到國家高度重視[4]。隨著我國生態文明建設進程的加快，以三生視角出發探究區域可持續發展的研究成為眾多學者所關注的熱點[5-7]。

土地利用變化研究能夠有效揭示區域土地資源的分配狀況，對于制定合理的發展策略具有重要作用，為此眾多的研究者將焦點聚集于三生用地的動態變化[8-10]。由于不同的研究者所選取的視角及尺度不同[6,11]，因此目前尚未形成統一的三生用地的劃分標準。對“三生空間”相關理論的研究是對其進行綜合評價的基礎，最終目標是實現三生空間結構的優化與重構[12]。眾多研究表明景觀格局指數對于刻畫景觀空間結構的特征具有較高的敏感性，能夠有效捕捉由于自然和人為作用而導致的變化，因此被廣泛用于景觀格局變化分析[13-15]。空間沖突研究能夠有效揭示不同用地類型在區域景觀上的空間關系，測度三生用地在區域內的空間沖突水平對于協調社會經濟發展與生態保護間的關系具有重要的意義[16-19]。目前國內外關于空間沖突的研究主要集中于影響因素分析、演化過程的揭示、潛在沖突的識別與等級測度及協調治理等方面[20-22]，學者們在不同的時空尺度上對空間沖突問題進行研究。總的來看，不同區域由于自然環境條件與發展背景存在差異，使得空間沖突產生與發展的規律并不一致。空間沖突的產生受社會、經濟和環境等多方面因素影響，其表現形式也復雜多樣[22]，識別和預測空間沖突及判斷土地利用變化趨勢對于協調社會經濟發展與生態保護間的關系具有重要意義。

干旱區由于獨特的自然環境條件使得生態環境的保護顯得尤為重要，在人類活動干擾強度不斷加劇的背景下，生態脆弱性逐漸增強，社會經濟發展與生態保護間的矛盾日益突出。黑河中游地區是我國西北干旱區生物多樣性保護的重要基地，在社會經濟不斷發展的背景下，黑河中游地區的生態環境受到了嚴峻的威脅，眾多關于黑河中游地區生態保護的研究相繼開展[23-25]。如何協調生產、生活空間發展與生態空間保護三者的關系，合理利用有限的水、土資源成為黑河中游地區可持續發展的重要內容。

1 研究區概況

黑河中游地區位于中國西北內陸干旱區，南鄰祁連山國家級自然保護區，北接巴丹吉林沙漠，處于河西走廊的“蜂腰”地帶(38°29′—39°59′N，98°57′—100°52′E)。行政區劃上隸屬于張掖市甘州區、臨澤縣和高臺縣。氣候為典型溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷干燥，年平均氣溫6～8℃，年均降水量104～328 mm。由于地處祁連山脈與巴丹吉林沙漠的過渡地帶，生態環境較為脆弱，土地荒漠化與鹽堿化嚴重，水資源空間分布不均，人地矛盾突出，是土地利用變化的敏感地區[26]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及處理

本研究所用1975年、1987年、1992年、2001年、2010年和2016年6期土地利用與土地覆被矢量數據來源于黑河中游濕地的項目研究，課題組在獲取各期30 m分辨率TM/ETM遙感影像的基礎上利用ERDAS Imagine 9.2軟件對遙感影像進行波段選擇、圖像校正、圖像拼接、圖像增強和圖像裁剪等處理，然后對遙感影像數據進行解譯[23]。本文在土地利用/土地覆被數據二級分類的基礎上將黑河中游地區土地利用類別劃分為耕地、草地、林地、濕地、居民工礦用地和未利用地6種類型。結合GPS野外驗證點與Google earth驗證點對解譯數據進行精度檢驗，結果表明數據分類精度較好，能夠滿足研究需要[26]。

2.2 研究方法

2.2.1 三生用地的劃分 本文參考相關研究將黑河中游土地利用類別按照主次功能劃分生活生產用地、生產生態用地、生態生產用地和生態用地4種類型[11]，具體的劃分見表1。

表1 黑河中游地區三生用地的分類及含義

由于林地、草地與濕地等土地類型不僅具有調節氣候，涵養水分，維持生物多樣性的生態功能，而且還可以通過光合作用產生能夠被人類直接獲取的木材、食料及藥物等具有經濟價值的原材料，因此在本文中將其劃分為了生態生產用地。參考張紅旗[11]、鄒利林[7]等對未利用地劃分，將戈壁、裸地、沙地等未利用地劃分為生態用地。

2.2.2 景觀格局分析 本文選取了斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、平均斑塊面積(AREA_MN)、面積加權的平均分形維數(FRAC_AM)與平均形狀指數(SHAPE_MN)6個景觀格局指數在景觀及類別水平上對研究區不同時期的景觀格局變化進行分析。具體的指數計算方法及生態學意義參考軟件說明。

2.2.3 空間沖突測度模型的構建及計算 本文參考相關研究從景觀生態學角度出發，依據景觀生態風險模型構建空間沖突評價模型以量化黑河中游地區空間沖突的嚴重程度[8]。其表達式為：

SCI=CI+FI-SI

(1)

式中：SCI為空間沖突綜合指數；CI，FI，SI分別為空間復雜性指數、空間脆弱性指數以及空間穩定性指數。參考周德等[22]的研究采用等權重方法來計算空間沖突綜合指數。

空間復雜性指數(CI)：本文參考前人研究選取面積加權的分形指數度量空間復雜性[8]。其公式如下所示：

(2)

式中：Pij為第i類用地類型第j個斑塊的周長；aij為第i類用地類型第j個斑塊面積；A為空間評價單元的面積。

空間脆弱性指數(FI)：本文參考相關研究[8]，結合劃分的4種用地類型在1975—2016年期間面積的動態變化狀況對脆弱度進行賦值。雖然生活生產用地在研究期間內的動態變化較高，但主要為轉入過程，因此可判別其空間脆弱性水平較低。生態用地主要包括裸地、戈壁和荒漠等未利用地，隨著社會發展對土地資源需求的增加，臨近城鎮地區的生態用地易于被轉換為其他用地類型，因此判別其空間脆弱度最高。最后得出4種用地類型的空間脆弱度由弱到強依次為生活生產用地—1，生產生態用地—2，生態生產用地—3和生態用地—4。空間脆弱性指數的計算公式如下：

(3)

式中：n為三生用地類型總數；Fi為不同用地類型的空間脆弱度；ai為空間評價單元內i類用地的面積；A為空間評價單元的面積。

空間穩定性指數(SI)：選取景觀生態指標中的景觀破碎度作為度量空間穩定性的指數以度量空間受外界干擾而做出的響應[8]。破碎度是度量景觀破碎化程度的指標，一般用斑塊密度(PD)表示(其中PD=n/A，A為總面積；n為斑塊數量)。PD值越大表明空間破碎化程度越高，對應區域空間穩定性越弱。穩定性指數的計算公式如下：

(4)

式中：PD為空間評價單元內的斑塊密度指數；PDmax和PDmin分別為空間評價單元內斑塊密度指數的最大值與最小值。

本文利用Fragstats 4.2軟件的移動窗口法對研究區三生用地空間沖突水平進行測度，采用正方形網格作為空間評價單元。考慮到研究尺度對景觀格局指數的影響，本文參照相關研究選擇1 km×1 km窗口對研究區進行空間沖突測度[8]。其中，將研究區邊界未布滿整個單元面積的計算結果舍棄，僅分析布滿整個評價單元面積的網格。將空間復雜性、空間脆弱性和空間穩定性指數計算結果分別標準化到0～1，代入到公式(1)中計算空間沖突測度綜合指數，最后將空間沖突指數值標準化到0～1，采用等間距法將沖突等級劃分為弱空間沖突[0，0.2)、較弱空間沖突[0.2，0.4)、中等空間沖突[0.4，0.6)、較強空間沖突[0.6，0.8)、強空間沖突[0.8，1.0]5種類型[8]。

3 結果與分析

3.1 黑河中游地區三生用地時空變化

從三生用地的數量結構來看(表2)，黑河中游地區三生用地組成主要以生態用地為主，約占總面積的60%，生態生產用地與生產生態用地大約各占研究區總面積的20%，最少的為生活生產用地，約占2%左右。從4種用地類型的變化趨勢來看，黑河中游地區生態生產用地的面積連續下降，生態用地的面積先增加后減小，生活生產用地與生產生態用地的面積連續增加。

表2 1975-2016年期間黑河中游地區三生用地的面積及占比

本文使用轉移矩陣模型對三生用地的時空變化進行分析(表3)，研究結果表明在1975—1987年期間生態生產用地發生了大量的損失，由于農業用地的擴張以及荒漠化過程的加劇，林地、濕地與草地等具有較高生態系統服務的土地類型被侵占從而造成區域生態質量的降低[23]。在1987—1992年期間生態生產用地年均損失速率有所下降，生活生產用地的增加速率上升，生活生產用地的擴張導致生產生態用地發生了損失，農業用地的擴張是造成生態生產用地減少的主要原因。在1992—2001年期間，生態用地的面積由增加轉變為減少過程，生態生產用地向生態用地的轉化彌補了生產生態用地對生態用地的侵占，使得生態用地的面積在這一時期基本保持穩定，而生態生產用地仍以較高速率向生產生態用地轉化。在2001—2010年期間三生用地的轉換對象發生了改變，轉出源由生態生產用地轉變為生態用地，生態用地向生態生產用地的轉化彌補了生態生產用地向生產生態用地和生活生產用地轉化而引起的缺失，使得生態生產用地的面積在這一時期呈現出與以往不同的上升趨勢，并且在這一時期生態用地向生產生態用地與生活生產用地發生了大量的轉化。在2010—2016年期間生態用地與生態生產用地都發生了大量的損失，生產生態用地與生活生產用地面積的增長速率達到最高。

表3 不同時段內黑河中游地區三生用地的轉移矩陣及變化狀況 103 hm2

在整個研究期內生活生產用地的轉換對象主要為生產生態用地，位于城鎮及居民點附近的生態用地及生態生產用地受到城鎮擴張的影響發生了大量的轉化，部分遠離城鎮的區域由于特色產業及工業的發展導致其向生活生產用地發生了轉化，生活生產用地的增加面積主要來源于生產生態用地(附圖4)。人口的快速增長使得區域對耕地資源的需求增加，農業用地向邊緣區域的擴張導致生態用地與生態生產用地的面積減少，生產生態用地在1975—2001年期間轉入源主要為生態生產用地，即以生態功能為主林地、草地和濕地等，而在2001—2016年期間生產生態用地的轉入源主要包括生態用地和生態生產用地，并且生態用地的轉化比例要高于生態生產用地。在整個研究期內生產生態用地向生態用地的轉化水平基本保持穩定且數量較少，棄耕后的農業用地由于缺乏人工管理而導致其轉變為生態用地；受人類活動干擾程度的加劇以及自然環境因素改變的影響使得部分植被良好的自然區域的凈初級生產力下降，最終導致生態生產用地轉變為生態用地。此外，荒漠化過程也是導致生態生產用地轉變為生態用地的主要原因之一。在1975—2001年期間黑河中游地區空間轉出源主要為生態生產用地，在2001—2016年期間生態用地的轉出面積增加，逐漸成為主要的轉出對象，造成這一結果的原因可能是21世紀初期黑河中游地區環境保護力度的增加。自改革開放以來，黑河中游地區經濟和工業水平迅速發展，區域對生產空間及生活空間的需求加劇，而林地、濕地和草地等生態用地在這一時期被納入生態保護對象，因此使得生活和生產空間的侵占對象由生態生產用地轉變為裸地、沙地等間接為人類提供生態服務的生態用地。

3.2 黑河中游地區三生用地景觀格局變化

從類別水平的景觀格局指數的變化狀況來看，不同用地類型的景觀格局變化并不一致(圖1)。從斑塊數量、斑塊密度和平均斑塊面積指數的變化情況來看4種用地類型都呈破碎化趨勢發展。生態用地、生產生態用地及生態生產用地的分形維數與平均形狀指數與生態生產用地的邊緣密度指數在整個研究期內整體呈下降趨勢，這些變化趨勢的結果表明生態用地、生產生態用地與生態生產用地等在相互轉換的過程中空間結構復雜性有所減弱。

圖1 不同用地類型的景觀格局指數變化

表4為各個時期黑河中游地區景觀水平上三生用地的景觀格局指數變化狀況，通過觀察分析可知斑塊數量、斑塊密度、邊緣密度和分形維數總體上呈上升趨勢，平均斑塊面積指數表現出逐漸下降的趨勢。從景觀水平的景觀格局指數變化情況來看，除平均形狀指數外，其余景觀格局指數的變化規律表明黑河中游地區三生用地的景觀格局正處于連續的破碎化過程之中。

表4 不同時期景觀水平上黑河中游地區三生用地的景觀格局指數

3.3 黑河中游地區三生用地空間沖突分布及變化特征

從空間沖突分布的區域特征來看，強空間沖突主要分布于生活生產用地、生產生態用地、生態生產用地與生態用地的交界地帶(附圖5)，由于生態用地同其他用地類型相比較為脆弱，空間復雜性的增強使得脆弱度較高的生態用地易于被其他用地類型所侵占；弱空間沖突主要出現在生活生產用地及生產生態用地的中心地帶，由于生活生產用地與生產生態用地本身具有較低的脆弱性，且位于中心地帶的區域空間復雜性較低，所受的外部壓力較小，因此空間沖突綜合指數的值最低；較大斑塊面積的生態用地由于其較高的脆弱度和低的空間復雜性使其位于中等空間沖突水平區域；較弱的空間沖突區主要分布于脆弱性相差不大、空間復雜性程度不高的不同用地類型的邊界區；較強空間沖突多分布于景觀空間結構復雜、空間脆弱性高及破碎化程度較高的區域。

本文分析了不同等級的空間沖突在4種用地類型上的分布及變化特征，結果表明空間沖突在不同用地類型內的分布特征與變化規律存在差異。從空間沖突在不同用地類型上的分布特征來看(表5)，弱空間沖突主要出現在生產生態用地，其在生活生產用地有少量的分布；較弱空間沖突在4種用地類型上均有分布，其中主要出現在生態生產用地和生產生態用地，隨著時間的改變較弱空間沖突在這兩種用地類型上分布的比例逐漸改變，生態生產用地逐漸降低，生產生態用地逐漸升高；中等空間沖突主要出現在生態用地，在1975—2016年期間中等空間沖突在各用地類型上分布的比例變化較小，呈基本穩定狀態；較強空間沖突與強空間沖突主要出現在生態用地及生態生產用地。

表5 黑河中游地區各等級空間沖突在不同用地類型上的分布 %

本文采用空間沖突評價模型對黑河中游地區三生用地的空間沖突水平進行了測度，研究結果表明在研究期間黑河中游地區空間沖突水平整體呈下降趨勢(圖2)，強空間沖突數量較少且基本保持穩定，較強空間沖突與中等空間沖突數量呈下降趨勢，較弱空間沖突與弱空間沖突數量總體呈上升趨勢(表6)。在1992—2001年期間空間沖突由之前的遞增轉變為顯著的下降趨勢，不同的區域空間沖突變化的規律存在差異。甘州區在1975—2016年期間空間沖突水平呈現出先增加后減小的趨勢，高臺縣與臨澤縣在經歷1992—2001年的顯著降低過程之后又轉變為上升趨勢。

圖2 黑河中游地區空間沖突綜合指數變化狀況

表6 不同時期黑河中游地區不同等級空間沖突占比 %

4 討 論

4.1 黑河中游地區三生用地變化分析

與濕潤地區不同的是干旱區生態環境不僅受社會經濟發展的脅迫，而且土地的荒漠化、鹽漬化等過程也會導致生境質量降低，從而造成生態系統服務功能的衰弱，因此在探究干旱區三生用地的空間沖突時將荒漠化過程考慮在內是必要的。為此，本文基于張紅旗等提出的三生用地劃分體系探究了人類活動與自然因素等共同作用導致黑河中游地區三生用地的演變特征。研究結果表明，在1975—2016年期間城鎮用地與農業用地擴張導致生態生產用地被侵占而表現出面積減小的趨勢，這一結果與王福紅等[23]在黑河中游地區的研究結果相同，草地、濕地與林地等向生活生產用地及生產生態生產用地的轉化造成區域生態質量降低。生態用地在整個時期內呈現出先增加后減小的趨勢，生態用地的增加主要與荒漠化過程的加劇與生境質量的降低有關，農業用地與城鎮邊界的擴張是導致臨近城鎮及農田的生態用地減少的主要原因(附圖4)。在2001—2010年期間生態用地的面積迅速減少，生態用地向生態生產用地轉化了近2萬hm2，造成這一結果的原因主要與保護區的建立以及生態調水政策的實施有關，保護區的建立使得城鎮與農業用地的侵占對象由生態生產用地轉換為生態用地，生態調水的實施導致部分區域的水資源含量增加，臨近河道及農田的生態用地生態質量提升從而造成部分區域土地覆被的變化。已有許多研究對黑河中游地區土地利用變化與景觀格局改變的影響因素進行了分析，研究結果表明人口增加與社會經濟發展是導致土地利用變化和景觀格局改變的重要因素[25-26]。因此本文未對三生用地及三生用地景觀格局變化的驅動因子進行定量分析，而是通過建立空間沖突測度模型探究了不同用地類型在景觀上的空間沖突水平。

4.2 黑河中游地區空間沖突變化分析

從空間沖突的分布特征來看，甘州區空間沖突水平要顯著高于臨澤縣與高臺縣，其中高臺縣空間沖突水平最低(圖2)，這一結果表明空間沖突的產生與發展受社會經濟發展水平的影響，城鎮化率較快的區域具有更高的空間沖突水平。土地的多功能性是土地利用沖突產生的客觀原因，通過對土地進行適宜性評價可以達到識別潛在空間沖突的目的。Jiang等[24]使用多準則決策分析方法對黑河中游地區潛在的土地利用沖突進行了識別，探討了在水資源條件制約下潛在土地利用沖突的空間分布特征，研究結果表明建設用地與耕地產生沖突的可能性最高，快速的城鎮擴張與水資源短缺是影響土地利用沖突的主要因素。而本文的研究結果表明，黑河中游地區除建設用地與耕地存在較高的沖突水平外，還存在著生活生產用地—生態生產用地、生產生態用地—生態生產用地的沖突，并且荒漠化過程使得生態生產用地與生態用地也存在著較高的空間沖突水平。生態用地在4種用地類型中具有最高的空間沖突水平，這一結果與實際狀況存在偏差，鄰近居民點與農業用地的生態用地易于發生損失而具有較高的空間沖突，但對于生態用地作為主要用地類型的干旱區而言，遠離城鎮且人為干擾較少的生態用地并不具有顯著的空間沖突，因此在進行空間沖突評價時考慮人類活動對景觀的干擾程度能夠更加有效地揭示干旱區客觀存在的空間沖突。通過觀察附圖5可知空間沖突水平較高的區域主要位于農業用地的邊緣地帶以及生態用地與生態生產用地的交界地帶，這一結果表明黑河中游地區顯著的空間沖突主要是生態用地與生態生產用地的沖突以及生產生態用地與生態生產用地的沖突。

4.3 對策及建議

在1975—2016年期間，由于人類活動與自然因素共同影響，黑河中游地區生態生產用地與生態用地發生了大量的損失。為協調經濟發展、資源利用與環境保護的沖突關系，應采取措施做好空間沖突預警工作，維護黑河中游地區生態安全。

(1) 重點保護林地、濕地、草地等以生態功能為主、生產功能為輔的生態生產用地，嚴格控制建設用地與農業用地向生態生產用地的侵占。通過規劃手段確定城鎮、村莊合理布局，避免建設用地與農業用地的無序擴張。

(2) 積極開展生態修復工作，在建立自然保護區的基礎上提高管理效率，加速綠地建設。在不侵犯基本農田保護紅線的原則下進行退耕還林、還草，提高黑河中游地區生態環境質量。

(3) 嚴防水資源在農業及工業方面的過量消耗，進行水資源合理布局。為降低荒漠化過程對黑河中游地區帶來的負面效應，應增大生態用水比例，防治水污染以提高生態環境質量。

5 結論與展望

(1) 從三生用地的數量結構來看，黑河中游地區三生用地組成主要以生態用地為主，約占總面積的60%，生態生產用地與生產生態用地大約各占研究區總面積的20%，最少的為生活生產用地，約占2%。從4種用地類型的變化趨勢來看，黑河中游地區生態生產用地的面積連續下降，生態用地的面積先增加后減小，生活生產用地與生產生態用地的面積連續增加。

(2) 從景觀水平的景觀格局指數變化情況來看，黑河中游地區三生用地的景觀格局正處于連續破碎化過程之中；從類別水平來看，不同用地類型的空間結構變化并不一致。斑塊數量、斑塊密度和平均斑塊面積指數的變化情況表明4種用地類型都在朝更破碎化的趨勢發展，這與景觀水平上得出的結果相一致。然而與景觀水平不同的是，生態用地、生產生態用地及生態生產用地的分形維數與平均形狀指數與生態生產用地的邊緣密度指數在整個研究期內整體呈下降趨勢，這些指數變化的結果表明在相互轉換的過程中生態用地、生產生態用地與生態生產用地的空間結構復雜性有所減弱。

(3) 從空間沖突分布的區域特征來看，強空間沖突主要分布于生活生產用地、生產生態用地、生態生產用地與生態用地的交界地帶；弱空間沖突主要出現在生活生產用地及生產生態用地的中心地帶；較大斑塊面積的生態用地由于其較高的脆弱性和低的空間復雜性使其位于中等空間沖突水平區域；較弱的空間沖突區主要分布于脆弱性相差不大、空間復雜性程度不高的不同用地類型的邊界區；較強空間沖突多分布于景觀空間結構復雜、破碎化程度較高及脆弱性相差較大的區域。從空間沖突在不同用地類型上的分布來看，較強空間沖突與強空間沖突主要分布在生態用地及生態生產用地，弱空間沖突主要出現在生產生態用地，其在生活生產用地有少量的分布，中等空間沖突主要出現在生態用地。其中最為顯著的是生態用地和生產生態用地、生態生產用地的沖突。

(4) 研究表明在黑河中游地區三生用地空間沖突水平整體呈下降趨勢，強空間沖突數量較少且基本保持不變，較強空間沖突與中等空間沖突數量呈下降趨勢，較弱空間沖突與弱空間沖突數量總體呈上升趨勢。空間沖突水平的下降主要與農業用地的擴張以及生態用地、生態生產用地和生產生態用地空間復雜性程度的降低有關。

雖然本文對黑河中游地區空間沖突水平進行了評價，但未對空間沖突類型進行可視化識別，僅從不同用地類型的整體變化情況難以準確分析某一區域空間沖突的形成及變化機制，因此對干旱區空間沖突類型識別及形成機制的探究將會是未來空間沖突研究的重點。在研究方法方面，雖然本文與周德[22]、趙旭[8]等都依據景觀生態原理對空間沖突水平進行測度，但不同的是本文未對研究區進行網格劃分，而是采用景觀格局分析軟件Fragstats 4.2的移動窗口法對研究區的空間沖突水平進行測度。通過對比兩種空間分析方法可以發現移動窗口法能夠更好地體現研究區空間沖突的實際狀況[27]，降低了網格法對研究區分割而導致結果出現誤差的可能性。本文所采用的空間沖突測度模型仍存在一定局限，僅是以景觀生態學角度出發探究了黑河中游地區空間沖突的分布及變化規律，未從社會學和經濟學等視角對空間沖突的機制進行對比分析，并且模型中所用到的景觀格局指數受尺度與遙感數據精度的影響較大，因此適宜尺度的確定及多視角的對比研究還應進一步深入。