“三生空間”視角下烏魯木齊市土地利用功能轉型及其生態服務價值研究*

張芊芊 邵戰林# 林 娟 孟 玲

(1.新疆農業大學公共管理學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆自然資源規劃研究院，新疆 烏魯木齊 830001；3.新疆第二測繪院，新疆 烏魯木齊 830001)

當前，國內外己有的研究成果仍在研究尺度、土地利用功能分區等方面存在不足之處[5-13]。當前大部分相關研究對用地進行劃分以及分析時，多以經濟功能、社會功能、生態功能等單一的功能為主，較少以生態為研究重點，對“三生空間”的多功能性質缺乏考慮。聚焦于土地利用結構、數量變化所引發的生態效應，立足于“三生空間”視角，深入分析土地利用功能轉型及生態效應的研究較少。本研究以土地利用功能轉型為切入點，將具體的農業生產功能、水域養殖功能、生活生產功能與生態功能相聯系，并著重分析生態價值較高的生態空間，探尋新型城鎮化背景下的土地利用功能轉型產生的生態效應，為實現土地資源合理利用和城鎮化水平高度協調提供一種新思路，更為直觀地認識土地利用功能轉型及其與生態環境效應之間的關系，對未來協調烏魯木齊市多樣化的土地生態系統，提高土地資源的整體效益以及可持續利用發展水平，促進資源環境優化配置具有重要的實踐意義。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

烏魯木齊市坐落于我國西北地區，是新疆維吾爾自治區的首府城市，位于亞歐大陸的內陸，是南疆與北疆相互聯系的關鍵交通環節，同時也是我國與中亞、西亞以及歐洲聯系的重要通信樞紐。近幾年城市人口激增，城市用地需求迅速增加，導致中心城區界線不斷向外延伸，城市內外土地利用變動幅度增大。從自然因素來看，烏魯木齊市作為一個典型的溫帶半干旱綠洲城市，自然植被分布零星稀疏，受沙化災害的影響逐年嚴重，生態環境敏感脆弱。

1.2 數據來源與處理

研究數據主要來源于2004、2011、2018年的Landsat遙感影像。應用ENVI大氣校正等影像預處理的基礎上，利用eCognition對3期影像進行解譯，再進行影像分割，并基于樣本進行監督分類，獲取其研究區域的土地利用數據，利用ArcGIS隨機選取100個點，通過計算Kappa系數進行精度檢驗，檢驗得出Kappa系數達到85%以上，符合研究需要。其他相關研究數據主要來自相應年份烏魯木齊市統計年鑒和全國農產品成本收益資料匯編。

2 研究方法

2.1 建立“三生空間”土地利用功能分類體系

本研究參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)，以烏魯木齊市的土地利用主導功能以及相關研究[14-17]為依據，確定烏魯木齊市土地利用分類體系(見表1)。

表1 基于“三生空間”功能的烏魯木齊市土地利用分類體系

2.2 土地利用轉移矩陣

在特定的時段內，土地利用轉移矩陣(S，見式(1))主要用來表示分類體系中，土地利用類型在不同時段相互轉換的方向以及數量，采用ArcGIS的空間分析功能對特定的兩個年份進行匯總、空間疊加等處理，能反映出研究區域內不同時段內土地利用類型在空間轉移的情況。

(1)

式中：sij為土地利用類型i轉變為j的面積，km2；i和j分別為研究初期與末期的土地利用類型；n為土地利用類型總數。

2.3 生態服務價值(ESV)評估

謝高地課題組[18-19]對部分用地的ESV當量因子進行計算，根據計算結果對土地利用類型的ESV進行評估。將本研究中有林地、未利用地和耕地的ESV當量因子分別與上述研究中的森林、荒漠生態系統、農田的結果相對應；灌木林地、疏林地的ESV當量因子測算根據郁閉度的不同進行適當調整；濕地、草地、園地的ESV當量因子參考文獻[16]；養殖水域、鹽田、居住用地、工交用地的ESV當量因子參考文獻[20]至文獻[21]的研究成果。烏魯木齊市ESV當量因子匯總于表2。計算不同土地利用類型的ESV時，根據當地情況進行修正(修正系數為0.58)[22]。

保寧醋是四川麩醋的典型代表，以麩皮為主要原料，小麥、玉米、大米及幾十種中草藥為輔料，用生料制成藥曲并加入黑曲組成糖化劑，與酵母等混勻后加入發酵池中，采用生料固態開放式多菌種混合發酵，使糖化、酒化和醋化同時在發酵池中進行發酵周期1個月以上[24]。四川麩醋采用藥曲生料固態開放式多菌混合發酵工藝[25,26]， 它是碳水化合物、乙醇、乙酸逐步轉化的過程，這一切的源動力都來源于微生物菌相[27]。

表2 烏魯木齊市ESV當量因子

根據烏魯木齊市2004—2018年的糧食總產值、糧食產量以及糧食價格，測算出烏魯木齊市的單位面積農田產糧價值為1 096.80元/hm2。基于此，校驗研究區域內不同土地利用類型ESV當量因子，再測算ESV，計算方法見式(2)。

IESV,k=∑Ak×VCk

(2)

式中：IESV,k為研究區域內某一年份某土地利用類型k的ESV，元；Ak為土地利用類型k在研究區域內分布的面積，hm2；VCk為土地利用類型k的ESV當量因子，元/(hm2·a)。

為檢驗測算ESV的準確性，采用敏感性指數(CS)來反映ESV當量因子對ESV的影響程度。若CS大于1，則說明ESV對ESV當量因子的彈性程度較高，測算修正后的結果準確性較低。CS計算方法見式(3)。

(3)

式中：VCj和VCi的調整幅度設定為-50%～50%。

如圖1所示，敏感度分析結果表明，研究區域內ESV對所采用的ESV當量因子依賴度較低，可知本研究所選擇的ESV當量因子具有準確性，修正測算結果在本研究區具有可信性。

圖1 烏魯木齊市ESV敏感度指數

3 結果與分析

3.1 “三生空間”土地利用功能轉型特征

以烏魯木齊市2004—2018年3期的土地利用數據為依據，并以2011年為節點將研究時段分為前后兩期，探討烏魯木齊市“三生空間”格局及演變特征，結果見圖2。隨著城市化進程的步伐不斷加快，烏魯木齊市的生活生產空間規模不斷向外擴散，15年間面積增加437.91 km2；生產生態空間面積前期(2004—2011年)增加98.91 km2，后期(2011—2018年)下降182.63 km2，呈先增加后下降的趨勢；前期生態生產空間面積增加15.41 km2，后期面積減少19.85 km2；而生態空間表現出持續下降的趨勢，2004—2018年下降面積共計351.24 km2。

圖2 2004—2018年烏魯木齊市“三生空間”格局分布特征

如表3所示，烏魯木齊市生活生產空間的面積增加主要是來自于對生態空間和生產生態空間的占用，居住用地對未利用地、耕地、草地、園地進行侵占，未利用地、耕地、草地、園地對其面積增加的貢獻率分別為29.66%、20.01%、3.45%和2.81%，且居住用地侵占未利用地、耕地、園地面積隨時間推移呈現明顯上升的趨勢，以2011年為節點，居住用地占用未利用地的面積(東北方向的米東區、部分水磨溝區的未利用地)和耕地的面積(主要侵占范圍包括城市的西北方向頭屯河區、新市區北部的耕地)迅速增加。工交用地擴張主要來自于對未利用地、耕地的侵占，未利用地、耕地對其面積增加的貢獻率分別為51.68%和15.51%。生態生產空間規模的增加主要體現為養殖水域和鹽田占用了工交用地和濕地，生產生態空間規模增加主要體現在耕地和園地對未利用地的占用。

表3 2004—2018年烏魯木齊市土地利用轉移矩陣

3.2 ESV時空變化

根據表4可知，烏魯木齊市在2004、2011和2018年的ESV分別達到36.47億、31.23億、31.41億元，其中，生態空間所帶來的ESV的貢獻量均占總量的90%以上。前期烏魯木齊市的ESV有小幅降低，后期又稍有回升，但總體呈下降趨勢，2018年相比2004年下降了13.87%。

表4 2004—2018年烏魯木齊市“三生空間”ESV變化

生態生產空間和生產生態空間ESV變化趨勢與整體區域變化情況相反，前期ESV有所上升，以2011年為拐點降速明顯。從整個時段來看，烏魯木齊市生產生活空間的ESV持續下降，后期降速明顯。后期生態空間ESV增加2.29億元，有林地和疏林地面積的不斷增加是其空間擴張的主要原因，這使得生態空間ESV有所提高。濕地、居住用地、灌木林地以及草地的ESV衰減量較大，分別為3.81億、1.67億、1.45億、1.08億元，工交用地、耕地、未利用地和鹽田的ESV也有所下降。

采用自然斷裂點法將烏魯木齊市ESV空間分為5個等級，結果見圖3。2004—2011年間烏魯木齊市的ESV低級區域主要集中在中心城區內，以沙依巴克區、天山區、水磨溝區為主，2011—2018年ESV低級區域隨著城鎮化發展呈明顯向米東區、頭屯河區及以北部擴散的趨勢。從空間分布形態上來看，烏魯木齊市ESV較低級區域與園地、養殖水域分布格局較為吻合；ESV中級區域前期分布面積較大，后期集中在城區北部；ESV較高級區域前期分布在耕地、林地、水域等覆蓋率較大的區域，后期覆蓋大部分區域；ESV高級區域集中分布在西南部具有旅游性質的開發區、風景區及東北部山地區域，其分布形態與灌木林地、有林地等郁閉度較高的區域較為吻合。

圖3 2004—2018年烏魯木齊市ESV時空變化

3.3 “三生空間”土地利用功能轉型對ESV的影響

如圖4所示，2004—2018年生態空間內烏魯木齊市有林地ESV差值降低幅度最大，有林地被生態空間內部未利用地、灌木林地、草地、疏林地以及生活生產空間內居住用地占用，轉型后ESV當量因子明顯下降，對生態效益產生負向影響，說明烏魯木齊市未來需要重點考慮對林地資源的保護，維護基礎性生態用地空間，保護城市內部各類生態系統特殊地帶。

圖4 2004—2018年“三生空間”土地利用功能轉型前后ESV衰減情況

濕地占烏魯木齊市總量較小，但ESV下降總量較大，濕地主要轉型方向為未利用地、鹽田、居住用地。根據土地利用功能轉型面積總量來看，整體轉型規模較小，但實際ESV下降總量卻很大，說明未來對濕地應基于生態環境安全的需要進行針對性維護，如將重點濕地保護區、河湖資源區、重要水源保護區作為基礎性的生態用地區進行維護。其次，未利用地轉向生活生產空間，ESV下降總量較大，說明烏魯木齊市在持續擴張的過程中，未利用地被占用對生態效益產生的負向影響較為明顯，對未來發展可持續型城市提出挑戰。

生態生產空間內養殖水域ESV下降總量最大，向生產生態空間內的耕地(ESV差值為-0.08億元)、生活生產空間內的居住用地(差值為-0.02×105元)和生態空間內的未利用地(差值為-0.02億元)轉型。雖然養殖水域轉向耕地的面積較小，但耕地與養殖水域相比ESV當量因子較低，因此對養殖水域整體ESV下降有一定影響。

生產生態空間被生活生產空間占用，導致耕地ESV下降1.62億元，園地ESV下降0.27億元，這說明烏魯木齊市未來應擴展城市的生態安全綠色空間，維護城郊地帶的耕地和園地，發揮生產生態空間的景觀、間隔功能，進而提升整個城市的生態效益。

如圖5所示，2004—2018年間，生態空間內有林地、疏林地、草地ESV增加量分別為6.38億、3.25億、1.47億元，占生態空間ESV增加總量的50.04%、25.47%、11.55%。這表明能提高烏魯木齊市ESV的重要功能用地是林地以及草地資源，未來烏魯木齊市在發展及規劃過程中，應保護西部綠洲城市林地及草地資源，使生態區布局達到相對穩定的狀態，重點對荒漠地帶的林地進行封育和保護，適度擴展林地和草地生態區規模。

圖5 2004—2018年“三生空間”土地利用功能轉型前后ESV增加情況

生態生產空間內提高烏魯木齊市ESV的主要土地利用功能轉型方向是鹽田轉變為濕地，ESV增加量為0.04億元，占生態生產空間ESV增加總量的92.46%。這表明濕地資源對生態效益起重要作用，但濕地受地形地貌、氣候及水資源承載力、環境容量的限制較大，未來應重點保護河湖、沼澤等濕地資源。

生產生態空間內提高烏魯木齊市ESV的主要土地利用功能轉型方向是耕地轉變為園地，可帶來ESV增加量0.37億元，占生產生態空間ESV增加總量的85.34%。未來應考慮生產生態空間內部各功能用地的布局，促進城鄉生態功能空間的完善和都市農業發展。

居住用地轉變為生態空間內的有林地帶來的ESV增加量為0.12億元，轉變為生產生態空間內的耕地和園地總計提高ESV達0.28億元。工交用地轉變為未利用地、養殖水域、耕地提高的ESV分別為0.18億、0.19億、0.12億元。這表明生活生產空間對生態用地的退讓有利于提升整個城市的生態效益。

4 結 語

烏魯木齊市生產生態空間以及生態生產空ESV出現倒“V”形變化，生態空間面積總體持續下降。生活生產空間的持續擴張主要來自于對未利用地、草地、耕地以及園地的占用，烏魯木齊市城區不斷向外蔓延是導致“三生空間”土地利用類型變化的主要原因。

2004—2018年間烏魯木齊市ESV整體呈下降趨勢，居住用地和工交用地的快速擴張破壞了基本穩定的生態環境系統，造成整個區域內的生態效益呈現負向趨勢。生態空間中部分土地利用類型的轉變，生活生產空間對其他空間的占用，導致烏魯木齊市ESV持續下降，另外，具有水域生態功能、農業生產功能的土地利用類型對區域生態效益具有一定的助推作用。

未來應考慮優化推進“三生空間”的最佳布局；重點保護林地、草地以及濕地等重點調節生態用地，為城市的可持續發展提供最佳的保護屏障；提升生態生產空間以及生產生態空間內部的各項生態服務功能，降低因城市發展導致的生態失衡；高效集約利用生活、生產功能用地，提高其社會效益、經濟效益和生態效益。