三生空間視角下巴里坤縣景觀生態安全時空演變及耦合分析

趙 娟，張云霞，張永福

（1.新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊830046；2.教育部綠洲生態重點實驗室，烏魯木齊830046）

生態安全是指在人的生活、健康、安全、基本權利、生活保障來源、必要資源、社會秩序和人類適應環境變化能力等方面不受威脅的狀態，它包括自然、經濟和社會生態安全，組成一個復合人工生態安全系統［1］。長期以來的生態系統開發及人口壓力，引起生態系統功能、結構破壞，致使生態問題持續加劇，對中國生態安全造成嚴重威脅［2］。景觀格局是指不同大小、不同形狀的斑塊在空間上的排列組合，是景觀空間異質性的重要表征，也是各種生態過程及生態安全評價的重要內容［3］。目前，國內外學者對景觀格局的研究大多集中在土地利用/覆被變化（LUCC）分析、景觀格局變化分析［4-7］、生態安全評價和生態風險評價［8-10］。如潘竟虎等［11］通過各種表征土地利用變化的方法和景觀格局指數構建了疏勒河流域生態安全格局并優化了該流域生態網絡；康紫薇等［12］和黃犁等［13］通過轉移矩陣和各種景觀指數定量分析了瑪河流域近40年來土地利用動態變化特性，揭示了流域景觀生態風險等級及時空分異特征；顏瑜嚴等［14］通過構建景觀生態風險指數，研究伊犁河谷近40年景觀生態風險與地形關系，揭示其景觀生態風險時空變化特征及動態變化規律，其結果對于區域生態功能安全的保障具有重要意義。黨的十八大報告正式提出推進“集約高效生產空間、宜居舒適生活空間、美麗文明生態空間”的發展目標。明確“三生空間”已成為土地資源合理配置、國土空間綜合開發、生態文明工程建設的重要依據，標志著國土空間開發方式由生產空間為主導向生產、生活、生態空間相互協調的“三生空間”模式轉變［15］。目前，對于三生空間的探討和分類還尚未形成定論，基于“三生”協調發展與區域生態安全耦合分析的探究仍較少。

哈密作為“東疆門戶”，地處缺水地帶，由于降水量少、蒸發量大、植被覆蓋率較低，天山南北土地利用存在明顯差異。巴里坤縣位于天山北側，氣候冷涼，三塘湖和淖毛湖礦產豐富，是農牧區和礦業開發區，生態環境本底較為脆弱。受自然條件差異及人為活動干預，當前正面臨著市域范圍內草地退化、湖面縮減、濕地萎縮、冰川減少、局部土地呈現出不同程度的退化等嚴峻問題。土地利用需要特別注意環境保護和生態安全。

本研究選取哈密市巴里坤縣作為研究對象，借助ArcGIS 10.2、GS+9.0、Fragstats、OpenGeoda等軟件，從“三生空間”視角，運用景觀生態學、地統計學方法，得到景觀生態安全指數及空間自相關指數，對巴里坤縣景觀生態安全進行定量評價，分別計算2013、2016、2019年巴里坤縣421個評價單元的生態安全值和耦合協調度并進行空間比較和時序分析，以揭示其耦合協調的時空變化特征及分異規律，為揭示巴里坤縣三生空間功能間的良性互動關系，實現各景觀功能協調發展，為進一步優化區域生態安全提供研究思路和有價值的參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

巴里坤哈薩克自治縣地處東疆北部東天山北坡，地理坐標為東經91°18′—94°48′、北緯43°19′—45°56′，東鄰伊吾縣，南接伊州區，西毗木壘哈薩克自治縣，北接蒙古國，中蒙國界長達309 km（圖1）。縣境東西長276.4 km，南北寬180.6 km?？h城距烏魯木齊530 km，距伊州區142 km，縣行政轄區土地總面積36 900.93 km2?？h轄四鎮八鄉一場，轄區內還有伊吾軍馬場和新疆生產建設兵團紅山農場。地處亞歐大陸腹地，平均海拔1 650 m（縣城海拔1 680 m），屬溫帶大陸性冷涼干旱氣候區，冬季嚴寒，夏季涼爽，光照充足，四季不分明。年降水量僅202 mm左右，蒸發量1 638 mm。由于巴里坤縣水土矛盾突出，建設用地利用較為粗放，牧草地超載過牧現象嚴重，景觀較為脆弱，生態保護難度較大，景觀生態安全受到社會各界的廣泛關注。

圖1 研究區概況

1.2 數據來源及處理

研究涉及數據主要選取景觀類型變化較明顯的2013—2019年巴里坤哈薩克自治縣土地利用現狀數據和DEM數據，其中，DEM數據來源于地理空間數據云平臺，空間分辨率為30 m；土地利用現狀數據來源于巴里坤哈薩克自治縣土地利用變更數據庫，根據最新《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017）與研究區土地利用特點，參考扈萬泰等［16］、張紅旗等［17］關于“三生空間”的研究，以土地利用主導功能為依據，將土地利用分類系統分為9個二級土 地利用空間，具體分類情況見表1。

表1 土地利用功能分類

1.3 研究方法

1.3.1 評價單元劃分為合理劃分評價單元以及可視化表達巴里坤縣景觀生態安全指數，考慮到景觀空間異質性、斑塊大小及研究區實際情況，利用ArcGIS 10.2軟件中的漁網分割工具，依據研究區斑塊平均面積3~6倍原則，進行等間距系統采樣將研究區劃分成421個10 km×10 km的評價單元。利用Fragstats 4.2軟件分別計算每一評價單元的生態安全指數值，以此作為評價單元中心點的生態安全水平。

1.3.2 景觀生態安全評價模型構建景觀生態安全評價是生態風險評價在區域尺度的重要組分，景觀格局則反映了人類對自然生態系統的影響方式和程度，是揭示區域生態系統狀況及空間變異的有效手段［18］，景觀格局指數則對景觀格局的分布與組成進行定量化描述，其中景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數常用來衡量景觀生態環境的因果關系［19］。基于此，本研究在已有研究的基礎上，充分結合研究區實際情況，從區域景觀格局出發，選取景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數構建區域生態安全評價模型［20］，計算公式為：

式中，ESIk為第k個評價單元的景觀生態安全指數；LDIi為景觀干擾度指數；LVIi為景觀脆弱度指數；m為各單元內的景觀類型的數量；k為評價單元的個數；Aki為第k個評價單元i類景觀類型的面積；Ak為第k個評價單元的總面積；Ci為景觀破碎度；Hi為多樣性指數；Fi為分割度指數；Ni為景觀類型i的斑塊個數；Ai為景觀類型i的面積；Mi為景觀類型i占總面積的比重；Aij表示斑塊ij的面積；A表示景觀總面積；x、y、z分別是破碎度、多樣性、分割度的權重，x+y+z=1。

參考前人的研究成果［15，20］，分別賦值為x=0.5，y=0.3，z=0.2。景觀脆弱度指數的大小與生態系統對外部干擾時的抵御強度有關，抵御強度越大，則受干擾程度越小，生態脆弱度也越小，表明生態系統越穩定。根據研究區實際狀況，并參考其他相關研究［21］，選用專家打分法將研究區各土地利用類型的脆弱性進行歸一化處理并由低到高排列，結果見表2。

表2 各類景觀脆弱度及歸一化值

1.3.3 耦合協調度模型構建在三生空間視角下，區域生態安全劃分為“生產空間”“生活空間”和“生態空間”三部分組成，計算其生態安全值，考慮景觀生態學的生態過程與空間格局耦合關聯視角，注重生態安全的時空異質性和尺度效應。研究引入物理學耦合協調度模型來表示三生空間景觀生態安全的相互作用水平及協調發展情況，從而探討三生空間景觀生態安全的耦合協調關系在不同時空間分布狀況和演變規律［22］。計算公式如下：

式中，C為耦合度；D為耦合協調度；T為區域景觀生態安全綜合評價值；W1、W2、W3分別為生產空間、生活空間、生態空間的景觀生態安全值；a、b、c為三類空間景觀生態安全對應權重。由于生產空間、生活空間和生態空間的景觀生態安全同等重要，因此，取a=b=c=1/3。

1.3.4 地統計分析

1）空間自相關分析。空間自相關分析通常包括全局自相關分析和局部自相關分析，全局自相關從宏觀上判斷某些空間變量在整個研究區有無聚集性，局部自相關從微觀上根據各個區域空間計量指標的相似性判斷空間集聚或擴散狀況［23］。本研究利用OpenGeoDa軟件，選用Moran’sⅠ指標來量算景觀生態安全值整體的集聚程度，選取局部空間關聯指數（LISA）來表示某一評價單元自身生態安全值與周邊地區生態安全值的空間集聚狀況，通過對2013—2019年各評價單元生態安全值的Moran’sⅠ指數和LISA指數分析來揭示巴里坤縣整體及區域生態安全格局的時空變化特征及演變規律。

2）半變異函數分析。景觀生態安全指數是一種典型的空間變量，其在分布上具有空間結構性和空間隨機性特征［24］，空間異質性能用地統計中半變異函數進行擬合度量，來分析不同距離尺度下各評價單元景觀生態安全值的變動情況。因此，本研究借助GS+9.0軟件半變異函數來構建擬合模型，通過比較選出最優擬合模型，然后采用ArcGIS 10.2軟件進行kriging插值，從而實現研究區域2013—2019年景觀生態安全值空間可視化。

2 結果與分析

2.1 “三生空間”土地利用類型演變

從巴里坤縣2013—2019年土地利用類型結構及面積進行分析，由表3可知，2013年研究區景觀類型以牧草生態空間和其他生態空間為主導，所占面積比例分別為52.15%和44.81%，兩者相加占總面積達96.96%。就各景觀類型面積變化而言，從2013年至2019年牧草生態空間與農村生活空間總體呈減小趨勢，其中牧草空間面積由19 245.81 km2減小到14 831.33 km2，減小了4 414.48 km2。其他各景觀類型總體呈現增加趨勢，其中林地生態空間與其他生態空間增加面積最大，分別增加了849.18、3 463.29 hm2。從各景觀類型面積變化比例分析，牧草生態空間與農村生活空間分別減少了22.94%和26.49%，其他生活空間增加比例最大，達到了321.25%，林地生態空間和工礦生產空間分別增加了155.73%、264.47%。近年來，巴里坤縣為促進經濟發展，不斷增加交通用地面積，從而改善交通環境，減少運輸距離和成本，其他生活空間的面積也由此增加。此外，牧業的過度發展必然導致草場退化，過牧超載現象嚴重，忽略牧草生態用地保護，從而導致牧草生態空間急劇縮小。

表3 2013—2019年各土地利用類型及增加比例

2.2 景觀生態安全時空變化

根據公式（1）計算每個評價單元的景觀生態安全指數，并對各評價單元進行kriging插值，采用自然斷點法進行分類，將景觀生態安全指數劃分為5個 等 級：Ⅰ級（0＜ESI≤0.416），Ⅱ級（0.416＜ESI≤0.770），Ⅲ級（0.770＜ESI≤0.873），Ⅳ級（0.873＜ESI≤0.913），Ⅴ級（0.913＜ESI≤0.982），以此得到巴里坤縣景觀生態安全等級分布圖（圖2）。

圖2 2013—2019年景觀生態安全等級空間分布

整體來說，巴里坤縣景觀生態安全整體處于較高水平，總體上呈現南部高、北部低的空間分布特征，2013、2016和2019年景觀生態安全值均值分別為0.768、0.820、0.891，呈現逐步上升趨勢，表明巴里坤縣域景觀安全度持續優化。

從景觀生態安全等級空間分布來看（圖2），不安全和較不安全區表現為由南向北轉移，2013年縣域不安全區和較不安全區主要分布在巴里坤縣南部及中部區域，2016年不安全區與較不安全區集中分布于縣域北部，到2019年不安全區和較不安全區呈零散化分布，主要分布在花園鄉、石人子鄉、伊吾軍馬場等地，且較不安全區總是沿不安全區外圍分布。安全區主要呈現分散-集中型分布，且面積持續增加，到2019年安全區主要分布在研究區西南部及中部偏東區域，主要包括大紅柳峽鄉東西部、薩爾喬克鄉、下澇壩鄉、三塘湖鄉及紅山農場南部。基本安全區2013—2019年呈現分散-集中-分散型分布，基本安全區鑲嵌在較安全區與較不安全區之間，零散分布于各鄉鎮。

從景觀生態安全等級面積變化及占比來說（表4），各時期各景觀生態安全等級面積變化及占比存在明顯差異，2019年巴里坤縣域內以基本安全區和較安全區為主，占比超過57.88%，安全區和較不安全區次之。研究期內，不安全區面積持續減少，占比由7.25%下降到1.21%。較不安全區面積持續增加，占比由6.87%增加到19.85%，增加了12.98個百分點?；景踩珔^面積變化幅度較小，穩定維持在33.60%~39.14%。較安全區面積不斷減小，由42.34%下降到24.28%，下降了18.06個百分點。安全區面積大幅度增加，占比由9.44%增加到21.05%。

表4 2013—2019年景觀生態安全等級面積變化

2.3 景觀生態安全地統計分析

2.3.1 半變異函數研究區421個景觀單元景觀風險指數符合正態分布，滿足半變異函數分析，借助GS+9.0軟件對研究區景觀生態安全值進行半變異函數模型擬合，得到最優模型（表5）。由表5可以看出，2013年和2016年最佳擬合模型均為指數模型，決定系數（R2）均為0.660，2019年線性模型擬合最佳，R2為0.817。塊金值（Co）表示隨機部分的空間異質性［25］，2013—2019年Co先減小后增大，表明隨機部分導致的空間異質性先減小后增加。基臺值（Co+C）表示景觀生態安全值波動幅度，其值越大，系統穩定性越差，2013—2019年Co+C由0.052 8下降為0.006 8，研究區生態系統變得更加穩定。塊金系數［Co/（Co+C）］表示由隨機因素導致的空間異質性與系統總變異比值，2013、2016年Co/（Co+C）值分別為0.073 9和0.083 3，說明這一時期人為活動對空間異質性影響較小，景觀結構性因素占主導地位；2016—2019年Co/（Co+C）值由0.083 3急劇上升為0.838 2，表明這一時間人為活動對空間異質性影響急劇增大，成為引起空間異質性的主導因素。變程（Ao）表示景觀空間變異的尺度范圍，2013—2019年變程由18 m增加到134 m，表明研究區空間變異尺度顯著增加。

表5 景觀生態安全指數半變異函數擬合結果

2.3.2 空間自相關分析利用OpenGeoDa軟件計算各評價單元景觀生態安全指數的全局自相關Moran’sⅠ指數。2013、2016和2019年的Moran’sⅠ值分別為0.815 151、0.861 639、0.436 333（圖3），均為正值，且通過0.01水平顯著性檢驗，表明研究期間巴里坤縣域景觀生態安全值空間上存在正向相關性，分布上呈現空間集聚效應，景觀評價單元生態安全值高則周邊高，低則周邊也低。2013—2016年Moran’sⅠ值有小幅度增加，空間表現更加集聚，呈趨同性趨勢；2016—2019年Moran’sⅠ值急劇減小，空間自相關程度大幅降低，表現為趨異性。可能由于巴里坤縣經濟發展需要，農業生產空間、工礦生產空間、城鎮生活空間和其他生活空間的增加，使得斑塊破碎化，從而導致2016—2019年該研究區空間關系呈趨異性。

圖3 景觀生態安全值Moran’sⅠ指數

利用OpenGeoDa軟件計算各評價單元景觀生態安全指數的全局自相關Lisa指數。由圖4可知，2013—2019年巴里坤縣景觀生態安全值分布均以高-高聚集和低-低聚集為主，高-低聚集、低-高聚集現象不明顯且零星分布。研究期間，變化主要發生在研究區南部和東北部?？傮w而言，高值聚集區與低值聚集區都呈現有聚集向分散演變。高-高值區域主要集中分布于薩爾喬克鄉、海子沿鄉、伊吾軍馬場等高海拔的景觀生態安全區，低-低值區域集中分布于具有河流的三塘湖鎮、大紅柳峽鄉、紅山農場、淖毛湖等景觀生態不安全區。

圖4 景觀生態安全值Lisa指數

2.4 三生空間景觀生態安全耦合特征分析

基于“三生”空間評價體系，在計算出研究區的景觀生態安全值的基礎上，運用ArcGIS 10.2的柵格計算器，引用公式（6）的耦合協調度模型，計算出研究區景觀生態安全耦合協調度，并采用自然斷點法進行分類，將耦合協調度劃分為5個等級：嚴重失調（0＜D≤0.204）、中度失調（0.204＜D≤0.333）、基本協調（0.332＜D≤0.366）、中度協調（0.366＜D≤0.375）、高度協調（D＞0.375），以此得到研究區三生空間景觀生態安全耦合協調等級分布（圖5）和三生空間景觀生態安全耦合協調各級面積統計結果（圖6）。

圖5 三生空間景觀生態安全耦合協調等級分布

圖6 三生空間景觀生態安全耦合協調各級面積

從整體上看，巴里坤縣“三生空間”景觀生態安全的耦合協調度水平中等，2013—2019年巴里坤縣景觀生態安全的耦合協調度穩步上升，說明縣域產業結構趨于合理，生態環境向好，不再單一追求經濟指標，生產、生活和生態協調有序發展。從時空分布上來看，巴里坤縣景觀生態安全的耦合協調度呈現“南部高，北部低”的空間分布特征，地域分異明顯，嚴重失調區主要分布在北部草原區，高度協調區主要分布在南部山前地帶，主要是農業灌溉區，中度失調區、基本協調和中度協調交錯分布，由南到北呈過渡性分布。

從面積變化來看，2013—2019年嚴重失調區面積減少了10 750 km2，面積占比由31.67%下降到了2.38%，面積變化主要發生在巴里坤縣直轄區、大紅柳峽鄉北部及整個三塘湖鄉（北部草原）。高度協調區面積2013—2016年間變化不明顯，2016—2019年間高度協調區面積增長了4 795.08 km2，到2019年其面積主要分布在下澇壩鄉、薩爾喬克鄉、海子沿鄉南端、黃土場開發區、巴里坤鎮、石人子鄉南部、奎蘇鎮南部、伊吾軍馬場等地（南部農業）。中度失調區呈現緩慢增長后下降趨勢，基本協調區呈現持續上升趨勢，中度協調區呈現先減后增趨勢，其中，中度失調區2013—2016年間面積增長了2 752.01 km2，2016—2019年面積減少8 242.39 km2，年際變化較為明顯；基本協調區面積持續上升，面積變化較大，到2019年，面積共增長大約8 907.15 km2；中度協調區面積2013—2016年期間減少幅度較大，減少了5 338.29 km2，2016—2019年期間面積又出現大幅度回升，增加了7 879.75 km2。總的來說，基本協調區、中度協調和高度協調區面積在不斷增加，嚴重失調區和中度失調區面積持續下降，這說明巴里坤縣三生空間的景觀生態安全綜合耦合協調能力發生很大程度的改善，但各個協調區空間分布較為分散，發展較不均衡，說明巴里坤縣三生空間的景觀生態安全相互協調關系還有待改善。

3 討論

生態安全研究的核心是生態系統安全及生態系統服務功能安全［26］，景觀格局變化能夠靈敏地反映生態系統變化，景觀生態安全評價可作為生態安全評價的重要組成［27］，最終的目的是更好地實現經濟-社會-環境的可持續發展。本研究從“三生空間”視角，運用景觀生態學、地統計學方法，對巴里坤縣景觀生態安全進行定量評價，并就“三生空間”景觀安全值進行耦合協調度分析，其結果對巴里坤縣未來三生空間功能的良性發展、景觀功能協調和區域生態安全進一步優化有一定借鑒。

研究結果發現，巴里坤縣主要景觀類型為山地草原景觀，且牧草生態空間逐年下降，這是由于干旱區半干旱區單一草地生態系統本身具有脆弱性［28］，為了其他各生態空間有序發展，最終使得生產、生活與生態更加平衡，牧草生態空間減小是必然的。總體而言，巴里坤全域景觀生態安全值不斷向好，2019年基本安全區及以上占比超過78.93%，該研究結果與徐媛等［29］的研究結果不同，這是由于生態安全作為國家安全重要組成部分越來越深入人心，巴里坤政府在制定政策與發展過程中不再追求單一經濟指標，更多地考慮了經濟、生態與生活相互協調的綜合效益。

對巴里坤縣域三生空間景觀生態安全值做耦合協調度分析發現，生產、生活及生態空間耦合協調度不斷上升。對全域景觀生態安全值進行半變異擬合發現，2013、2016年最佳擬合結果為指數模型，2019年為線性模型。對全域景觀生態安全值全局自相關和局部自相關分析也發現，2013—2016年空間自相關表現為趨同性，2016—2019表現為趨異性，且空間關系呈高—高聚集和低—低聚集狀態，說明2013—2016年各景觀類型變化不顯著，也可能由于各景觀類型變化在時間上有滯后性，2016—2019年變化顯著，且隨機因素（人為干預）引起的系統總變異程度逐年下降，到2019年各景觀類型更加復雜有序。

目前，中國的生態安全評價研究還處于探索階段，尚沒有形成系統綜合的評價指標體系，也缺乏長期定點監測的數據用于生態安全評價［30］。本研究中DEM數據來源于地理空間數據云平臺，空間分辨率為30 m；土地利用現狀數據來源于巴里坤哈薩克自治縣土地利用變更數據庫，相對可靠。然而在構建景觀生態安全評價模型中脆弱度指數來自于常規的專家打分法，可能存在一定的人為主觀影響。

4 結論

1）巴里坤縣域內牧草生態空間和其他生態空間占據主導地位，所占面積比例分別為52.15%和44.81%，兩者相加占總面積96.96%以上，2013—2019年牧草生態空間和農村生活空間面積分別減小了22.94%和26.49%，其余各生態空間面積有所增加。

2）整體來說，巴里坤縣景觀生態安全整體處于較高水平，總體上呈現南部高、北部低的空間分布特征，研究區景觀生態安全值總體呈上升趨勢，基本安全區和較安全區占比超過57.88%，表明巴里坤縣域景觀安全度持續優化，安全區面積由零散向團塊化集中分布，不安全和較不安全區表現為由南向北轉移，基本安全區2013—2019年呈現分散-集中-分散型分布，基本安全區鑲嵌在較安全區與較不安全區之間，零散分布于各鄉鎮。

3）巴里坤縣各景觀單元評價小區景觀生態安全值Moran’sⅠ指數均為正值，空間上存在正相關性，主要表現為高-高聚集和低-低聚集，其中2013—2016年表現為趨同性，2016—2019年表現為趨異性。2013年和2016年各評價單元景觀生態安全值半變異擬合最優模型為指數模型，2019年為線性模型，且隨機因素（人為活動）引起的系統總變異呈下降趨勢。

4）從整體上看，巴里坤縣“三生空間”景觀生態安全的耦合協調度表現為中等水平，三生空間景觀生態安全值耦合協調度逐年上升，其中基本協調、中度協調和高度協調區面積不斷增加，分別增加了8 907.15、2 541.46、4 797.08 km2，嚴重失調區和中度失調區分別減少了10 750、5 490.38 km2。