2009~2020年拜城縣土地利用與“三生空間”時空變化研究

賀忠發，曹月娥，何浩天，姜云璐，趙 敏，許仲林

（1.新疆大學 資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.上海師范大學 環境與地理科學學院，上海 200234）

0 前言

土地系統是區域社會經濟發展和生態環境建設之間的重要紐帶，土地利用方式的變化是決定區域生態系統穩定性的重要因素之一，其合理的配置有利于協調經濟社會與生態環境系統之間的平衡關系[1]。綠洲是一種局部優化的人類生存環境，是干旱區能量流、物流最集中的區域，也是維系干旱區人類生存、活動和發展的場所，同時也是干旱區生態環境最為敏感的部分。干旱區綠洲是干旱地區獨特的生態單元，它以荒漠為背景，根據水環境生長各種植被，加上人工林網和人工草場，構成了十分復雜的景觀格局[2]。綠洲地區的土地利用研究對于社會經濟發展與生態環境系統之間的平衡穩定發展有著更加重要的意義。

目前，“三生（生產—生活—生態）空間”劃定通過對土地利用現狀數據進行分類，屬于定性分析，具有操作簡單等特點[3]。2012年黨的十八大報告提出“促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的總體要求；2017年黨的十九大報告再次強調“實施鄉村振興戰略是重中之重”。自此，鄉村“三生空間”成為構建空間規劃體系、完善國土空間開發保護制度和各類尺度空間落實主體功能區規劃的重要基礎[4]。

在遙感和GIS技術支撐下，對拜城縣土地利用類型及景觀格局變化進行了分析，闡明了土地資源利用方式與程度、土地利用類型的區域分布及總體變化趨勢和各景觀斑塊類型的特點，剖析了土地利用類型、“三生空間”時空動態變化的原因及未來變化趨勢[5]。南疆干旱區的綠洲地帶是人類適宜生存的聚居地，但是這些聚居地的生態環境也往往是最脆弱的。社會經濟的持續發展伴隨著社會生產和生活空間的不斷擴大，必然也將壓縮生態空間的用地，對其時空變化的特點和影響因子的分析，關乎今后如何處理好拜城縣土地資源類型合理配置實現可持續發展的重要問題，亦為其他類似的干旱區綠洲土地利用提供借鑒。

1 研究區概況

拜城縣隸屬于新疆維吾爾自治區阿克蘇地區，位于天山中段南麓、卻勒塔格山北緣的山間盆地，渭干河流上游地帶。地理坐標介于80°37′39″~83°02′25″E、41°24′08″~42°38′52″N。北隔天山，與伊犁地區的昭蘇縣、特克斯縣相望；南隔卻勒塔格山，與新和縣相連；向東毗鄰庫車縣；西與溫宿縣接壤（圖1）。

圖1 研究區概況圖

拜城縣四周群山環抱，為帶狀盆地。西北高、東南低，自然坡坡降較大，地形復雜。氣候特點屬于溫帶大陸性干旱型氣候，冬季寒冷，夏季涼爽，年均氣溫7.6 ℃，極端最高氣溫38.3 ℃，極端最低氣溫-28 ℃，無霜期133~163 d，年均日照時數為2789.7 h，年均降水量為171.13 mm。拜城縣境內有木扎提河、喀普斯浪河、喀拉蘇河、克孜勒河等水系。

轄區內共有1個中心鎮、3個建制鎮、10個鄉鎮場、2個國營農牧場。2018年末，拜城縣行政區域面積為15553 km2，人口總數達到240339人，其中，城鎮人口51856人，鄉村人口188483人，地區生產總值689522萬元。

2 數據來源與處理方法

2.1 數據來源

研究所涉及數據主要包括2009、2016和2020年拜城縣土地利用現狀數據、研究區的DEM數據（分辨率30 m）以及拜城縣縣級行政邊界數據。其中，土地利用現狀數據來自于拜城縣土地利用變更數據庫，研究區的DEM數據（分辨率30 m）來源于地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/），拜城縣縣級行政邊界數據來自于中國科學院與中國資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn/）。依據全國土地分類標準（GB/TY 21010-2017），結合研究內容，將研究區劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地六大類[6]。

2.2 處理方法

2.2.1 單一土地利用動態度（K） 單一土地利用動態度是指在一定時間范圍內研究區的某一類土地的數量變化情況，用來表示該土地利用類型在一定時間內的變化速度，其表達式為[7]：

式（1）中，Aia為研究初期第i類土地的面積；Aib為研究末期第i類土地的面積；K表示土地利用動態度；T表示研究時段長。

2.2.2 土地利用程度（LUE） 自然及人為因素是影響土地利用度的主要原因，土地利用度一般用來反映研究區域內人類活動對土地的利用狀況。例如，土地利用率、土地墾殖率、復種指數、林地指數、水面利用率、耕地復種指數均是反映一個地區人類活動對土地利用狀況影響的綜合指標。不同元素的空間分異決定了土地利用的空間分異[8]，其表達式為:

式（2）中，∑ΔAj-i表示在研究期內土地利用類型i轉變為其他土地利用類型j的面積總和。

2.2.3 土地利用轉移矩陣（LCC） 土地利用轉移矩陣主要用來描述區域內不同土地利用類型之間的過渡，可以清楚地反映以下變化：2個時期內各種土地類型面積的變化，土地利用類型從前期轉移到后期的轉化比率，后期土地利用類型與前期土地利用類型的比率[9]。土地利用變化分析的轉移矩陣能夠完全描述耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地等不同地類之間的相互轉換關系，可以具體、全面地體現出研究區各土地利用類型變化的結構特征與變化方向，其計算公式為[10]：

式（3）中，LCC為土地利用變化分析的轉移矩陣；Cn為研究區土地利用變化前分類結果；Cn+1為研究區土地利用變化后分類結果，數學表達形式為[11]：

式（4）中，S為面積；n為轉移前后的土地利用類型數；ij分別為研究期期初與期末的土地利用類型；Sij為研究期初的i地類轉換成期末的j地類的面積。

2.2.4 景觀格局指數 景觀格局指數是能夠高度濃縮景觀格局信息、反映其結構組成和空間配置等方面特征的定量指標[12]。現在運用的分類標準是以景觀生態學原理為基礎，將景觀格局指數主要分為斑塊水平類型和景觀水平類型。本研究從斑塊類型尺度水平選取的景觀指數包括斑塊面積（CA）、斑塊數量（NP）、最大斑塊占景觀面積比例（LPI）、斑塊分散指數（IJI）、斑塊聚合度指數（AI）5項指數；從景觀類型尺度水平選取的景觀指數有：景觀周長面積分維數（PAFRAC）、蔓延度指數(CONTAG）、結合度指數（COHESION）、分散指數（SPLIT）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI）5個指數。通過Fragstats 4.2軟件可計算得到各指數，具體解釋參考相關文獻[13-14]。

2.2.5 “三生空間”變化情況 “三生空間”是對生產、生活和生態三類空間的總稱，這三類空間構成了不同空間尺度的主體要素。其中，生產空間是進行物質資料生產而獲取產品與服務的空間，生活空間是為人類生存和發展提供空間承載、保障人居功能的空間，而生態空間則是以調節、維持和保障生態安全功能的空間，是前兩類空間實現自身功能的前提[15]。本文研究的“三生空間”分類在借鑒已有研究分類的基礎之上，將不同地類分類為農業生產空間、工礦生產空間、城鎮生活空間、農村生活空間、其他生活空間、林地生態空間、牧草生態空間、水域生態空間和其他生態空間等九類[16]。具體如表1所示。

表1 土地利用主導分類

3 結果與分析

3.1 單一土地利用動態度分析

根據土地利用變更數據庫中得到的拜城縣2009、2016、2020年3個時期的土地利用數據，結合研究區地類的實際情況，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地六大類（圖2）。利用ArcGis 10.2軟件對3期土地利用影像圖進行數據矢量化，然后通過統計分析和計算得到拜城縣土地利用/土地覆被變化數據。

圖2 拜城縣2009、2016、2020年土地利用現狀

根據拜城縣2009、2016和2020年3個時期土地利用變更數據庫中得到的土地利用分類結果，計算得出3個時期的土地利用類型面積及變化情況。不同地類的土地利用動態度在一定程度上體現了該地區經濟社會發展對于不同土地利用類型的影響[17]。

由表2可知，2009~2016年拜城縣的耕地、建設用地面積逐年增加，耕地面積增加1.55 km2，建設用地面積增幅更加明顯，增加了約4.34 km2；林地、草地、水域和未利用地面積在減少，分別減少了0.16、4.67、0.09、4.06 km2；草地和未利用地的減少與建設用地的增加符合區域發展的現狀，也說明了拜城縣雖然處在阿克蘇地區的北部盆地邊緣，但是地區建設不斷向前發展。2016~2020年拜城縣的耕地、林地、草地、水域、建設用地面積都在增加，尤其是耕地和林地面積增加了168.38和140.21 km2，表明拜城縣的生態環境基礎在向好發展，同時，建設用地也持續擴大，增加了85.01 km2。在經濟、社會穩步向前發展的同時，通過積極響應國家對生態文明建設的號召，使得生態環境得到了進一步的恢復與改善。

表2 拜城縣2009~2020年土地利用面積及其變化情況

3.2 土地利用程度分析

土地利用率是指已利用的土地面積與土地總面積之比，一般用百分數表示，是反映土地利用程度的數量指標[18]。由表3可知，2009~2020年拜城縣草地一直是該區域土地利用率最高的土地利用類型，穩步占據了45%的比例，拜城縣境內的大部分地區屬于山地，有著廣闊的天然牧草地。2009~2016年草地利用率有稍微減緩的趨勢，但2016~2020年利用率卻增長了0.76個百分點；耕地、林地、水域與建設用地的利用率不斷增加，未利用地利用率逐漸減小。當地社會經濟發展要求建設用地面積不斷增加，同時，建設用地的擴張導致耕地、生態用地被擠占，但后期對于生態環境的恢復和改善，又帶來了草地、林地和水域等生態用地的比例不斷增加。

表3 拜城縣2009~2020年土地利用面積及土地利用率變化情況

3.3 土地利用轉移矩陣分析

從表4的土地利用轉移矩陣來看，2009~2016年拜城縣草地轉出2.4328和0.9914 km2變成了耕地和建設用地，耕地轉出1.1596 km2變成了建設用地，林地、水域和未利用地對耕地和建設用地都有所轉出，其中未利用地約有9.1463 km2轉為了建設用地。說明此階段，拜城縣的發展方向主要是進行經濟建設，從而擴大了耕地和建設用地的面積。

表4 拜城縣2009~2020年土地利用轉移矩陣 km2

2016~2020年間，各地類之間均有轉換，相較于前一時間段，此時間段內的地類轉換顯示草地向各地類皆有轉換，尤其向未利用地轉換最多，約461.955 km2；耕地則向草地轉移最多，約為150.6144 km2；建設用地則向耕地轉移最多，約為61.4042 km2；林地向草地轉移了約195.5806 km2，水域向未利用地轉移了約276.0141 km2；未利用地轉向水域的約為152.7294 km2。這期間的地類變換表明拜城縣在經濟建設的同時逐步恢復了地區生態環境。

3.4 景觀格局指數分析

本研究基于斑塊類型尺度水平與景觀類型尺度水平，利用Fragstats 4.2軟件計算了研究區2009、2016和2020年3個時期的景觀格局指數，對各類型景觀空間格局變化特征及演變趨勢進行了分析，計算結果如表5所示。

表5 2009~2020年拜城縣土地利用斑塊尺度水平指數

從各景觀類型斑塊面積（CA）的變化（表5）可以看出，拜城縣的耕地面積、建設用地面積與水域面積在2009~2020年間呈持續增加的趨勢；未利用地面積在減少；林草地面積則在2009~2016年間不斷減少，而2016~2020年間則不斷增加。總體來看，2009~2020年拜城縣境內，草地、未利用地、水域以及耕地的斑塊面積最大，說明這4種景觀是拜城縣境內主要的景觀類型。由斑塊數量（NP）可以看出，2009~2020年內，拜城縣境內林地、建設用地、水域和未利用地景觀的斑塊數量呈不斷增加的趨勢；耕地與草地面積都是先減后增。2009~2020年間，最大斑塊指數（LPI）較大的有草地、未利用地與水域這3類景觀。2個時間段內，LPI最大的都是草地，未利用地與水域次之，表明在2009~2020年間，草地、未利用地與水域都是該區域比較占優勢的景觀類型，這與該地區這3類景觀面積廣闊有關。由散布與并列指數（IJI）可以看出，2009~2020年間，拜城縣境內僅有未利用地的IJI呈現增長趨勢，而其余的景觀類型則總體呈現減少趨勢，說明與未利用地斑塊相鄰的景觀類型逐漸增多，而與其余各景觀斑塊相鄰的景觀類型在減少。2009~2020年間，聚合度（AI）指數中未利用地的聚合度一直是最大的，說明拜城縣境內未利用地景觀分布最為集中，呈連片分布；耕地、林地、草地、建設用地和水域的AI則在不斷下降，說明這些景觀的分布較為分散，但相較于建設用地，耕地、林地、草地和水域還是較為集中。

由表6可知，2009~2020年間，拜城縣境內景觀的PAFRAC呈現上升趨勢，從2009年的1.3549上升至2020年的1.4095，表明拜城縣境內的景觀形狀由簡單化趨向復雜化。2009~2020年間，拜城縣境內景觀的CONTAG不斷下降，說明研究區內各類型景觀之間的聚集程度在下降。2009~2020年間，拜城縣境內景觀的COHESION不斷增加，說明研究區內各景觀類型之間的連通性不斷增強。2009~2020年間，拜城縣境內景觀的SPLIT不斷上升，從2009年的6.4286上升到2020年的7.9405，說明研究區內的景觀分散度不斷增強。2009~2020年間，拜城縣境內景觀的SHDI不斷上升，從2009年的1.2118上升到2020年的1.4138，說明研究區內的景觀多樣性不斷上升。從香農均勻度指數（SHEI）可知，2009~2020年間，拜城縣境內景觀的SHEI不斷上升，數值傾向于1，2016~2020年間的變化幅度較大，說明研究區內的景觀有較為顯著的優勢類型。

表6 2009~2020年拜城縣土地利用景觀尺度水平指數

3.5 “三生空間”時空變化分析

拜城縣“三生空間”面積在不斷變化，由圖3可以看出，生產空間、生活空間和生態空間在2009~2020年間都有著明顯的變化，生產空間和生活空間不斷擴大，而尤以生產空間面積增加最為明顯，這也表明拜城縣的社會經濟建設在不斷向前發展，人民生活水平得到不斷改善；而生態空間面積卻呈現下降狀態，這是因為生產空間和生活空間的擴張壓縮了生態空間的面積，是發展所不可避免的，關鍵是如何處理好“三生空間”之間的關系，即如何處理好發展與保護之間的關系。

圖3 拜城縣2009~2020年三類空間面積時間變化

從構成“三生空間”的各類空間面積的變化可以看出（表7），2009~2016年間，生產空間和生活空間在微微收縮，而生態空間在不斷擴大；2016~2020年間，大部分空間類型在不斷擴大，但城鎮生活空間和農村生活空間在減少，研究區內生產空間和生活空間的收縮，是為了將粗放的土地利用更加集約化和集中化，一方面將那些分布散亂或者已經荒廢的建設用地進行整合集中，另一方面將已退出的地類進行生態恢復，進行集約、集中發展，提高土地利用效率，保護當地生態環境。

表7 拜城縣2009~2020年三類空間面積變化情況

3.6 驅動力因素的分析

3.6.1 政策因素 2014~2019年，中央財政對新疆自治區和新疆生產建設兵團轉移支付從2636.9億元增長到4224.8億元，年均增長10.04%，6年合計支持新疆2萬多億元。19個援疆省市全面加強了經濟、科技、教育、醫療衛生、干部人才等全方位對口支援，累計投入援疆資金（含兵團）964億元，實施援疆項目1萬余個，中央企業投資超過7000億元，吸納當地勞動力就業30余萬人。各種產業在拜城縣的落地，使得拜城縣境內的基礎設施得到不斷建設與完善。隨著新疆旅游資源的大力開發，拜城縣政府也積極發展旅游產業，各種生態資源得到了包裝和利用，配套設施不斷完善。隨著生態文明轉型理念的提出，通過堅持“山水林田湖草”生命共同體，對生態資源與生態環境脆弱的區域進行了環境的恢復與保護，生態空間進一步得到保護。

3.6.2 社會經濟因素 社會經濟的發展會引起土地資源的重新配置，導致土地利用方式的變化，也造成了生產、生活和生態空間的遷移變化。拜城縣作為天山南坡的重要城市，近年來，社會經濟發展動力得到提升。根據《新疆維吾爾自治區統計年鑒》，2009年拜城縣GDP為23.42億元，第一、二、三產業的生產總值分別是5.81億、10.06億和7.53億元，到2018年底，拜城縣GDP達到了68.95億元，第一、二、三產業的生產總值分別達到了13.27億、36.76億和18.90億元，生產總值提高了1.9倍，第一、二、三產業分別提高了1.28倍、2.65倍和1.50倍。2009~2020年間，耕地面積從899.77 km2增加到1069.70 km2，建設用地面積由118.89 km2擴張到208.23 km2，這與拜城縣社會經濟、城鎮化的快速發展，基礎設施的不斷完善，以及產業擴張有著密不可分的關聯。隨著耕地與建設用地的擴張，必然侵占其他類型土地，從而引起土地利用景觀格局的改變。

3.6.3 人口因素 人口數量的變動及其行為方式是影響區域土地利用類型改變的主要驅動因素之一[19]。從《新疆維吾爾自治區統計年鑒》中得到的數據顯示，拜城縣2009年人口總數為22.91萬人，城鎮人口為4.85萬人，非城鎮人口為18.06萬人，城鎮化率為21.17%；到2018年，總人口增加到24.04萬人，城鎮人口為5.19萬人，非城鎮人口為18.85萬人，城鎮化率為27.53%。總體來看，總人口增長1.13萬人，增長率為4.93%，接近于同時期全疆人口增長率5.78%，城鎮化率增長了6.36個百分點。從上述數據能夠看出，拜城縣作為干旱區綠洲城市，盡管水土條件差、氣候環境較為惡劣，但是近年來隨著國家西部援建計劃的實施，拜城縣的基礎設施和生活條件不斷得到改善，人口穩步增長，耕地面積也由2009年的899.77 km2增加到2020年的1069.70 km2，為使新增人口能夠更好地生產生活，耕地和產業化用地的需求必然上升，從而使拜城縣境內的土地利用結構發生改變。

4 結論與討論

通過對拜城縣2009、2016和2020年3期土地利用數據的綜合研究，得出如下結論。

（1）從土地利用類型上來看，研究區主要以草地和未利用地為主。而土地利用類型結構的轉變分2個時間段進行分析，2009~2016年間，耕地、建設用地面積在增加，尤其以建設用地面積增加最多，約為4.34 km2，草地、林地、水域和未利用地的面積在減少，也是因為建設用地的擴張而使得這些地類面積有所減少。2016~2020年間，耕地、林地、草地、水域、建設用地面積都有所增加，尤其是耕地和林地面積增加了168.38 km2和140.21 km2，說明拜城縣地區在注重發展的同時開始注重對被破壞環境的恢復和改善。

（2）從景觀格局指數變化特征來看，斑塊類型尺度水平指數表明，拜城縣的耕地面積、建設用地面積與水域面積呈持續增加的趨勢，未利用地面積在減少，林草地面積則在2009~2016年間不斷減少，而在2016~2020年間則不斷增加。總體來看，2009~2020年拜城縣境內，草地、未利用地、水域以及耕地的斑塊面積最大，說明這4種景觀是拜城縣境內主要的景觀類型，草地、未利用地與水域都是該區域比較占優勢的景觀類型，這與該地區這3類景觀面積廣闊有關系。未利用地斑塊相鄰的景觀類型逐漸增多，而與其余各景觀斑塊相鄰的景觀類型則逐步減少。未利用地的聚合度也一直是最大的，說明拜城縣境內未利用地景觀分布最為集中，呈連片分布；耕地、林地、草地、建設用地和水域的聚合度則不斷下降，說明這些景觀的分布較為分散，但相較于建設用地，耕地、林地、草地和水域較為集中。景觀尺度水平指數表明，拜城縣境內的景觀形狀由簡單化趨向復雜化，各類型景觀之間的聚集程度不斷下降，各個景觀類型之間的連通性不斷增強，景觀分散度不斷增強。從香農多樣性指數可以看出，研究區內的景觀多樣性不斷上升。從香農均勻度指數可知，拜城縣境內景觀的香農均勻度指數不斷上升，數值傾向于1，說明研究區內的景觀有較為顯著的優勢類型。

（3）從“三生空間”的變化特征來看，生產空間和生活空間的面積不斷擴大，生態空間的面積不斷減小，這是由于區域的發展占據了生態空間的用地。拜城縣持續的人口增長和經濟社會發展必然會帶來生產空間和生活空間的擴大，但是生態空間的不良擠占是不合理的，應該重視對于拜城縣生態空間的合理保護和修復。“三生空間”與地方經濟社會的發展有著密切的關系，“三生空間”下土地資源的合理利用與分配，對于拜城縣可持續發展和生態文明的建設有著至關重要的作用。

（4）拜城縣處在塔里木盆地北緣的一個相對封閉的小盆地，生態環境發育相對較好，也導致其生態環境對外敏感性和脆弱性強。因此，在土地利用類型的轉變過程中，區域經濟社會發展活動對其有很大的影響。其土地利用類型變化的主要影響因素就是區域內人口的增長，社會經濟的不斷發展，對建設用地、耕地的需求不斷增大，加之西部援疆政策使得拜城縣落地布局了各色產業，生產生活空間不斷擴大，但在促進社會經濟快速發展的同時忽略了生態用地的保護，擠占了生態空間，后期因為生態文明理念的深入，開始轉變發展理念，這對土地利用類型的轉變產生了重要影響。

本文通過對拜城縣2009、2016和2020年3期土地利用類型數據的分析和研究，認為拜城縣前期處于經濟社會的發展時期，忽視了對生態環境的保護，以犧牲生態空間換取生產生活用地進而促進經濟發展的模式，導致土地利用結構進一步失衡，土地生態趨向惡化。后期隨著生態文明理念的不斷深入，拜城縣在推進經濟社會發展的基礎上注重恢復和改善生態環境，進而在生態文明理念下對生態空間用地的恢復和保護使得林地、草地面積開始不斷增長。生態空間的面積不斷恢復、擴大，建設用地面積與耕地面積也在不斷穩步增長，使區域的發展呈現協調、可持續的特點。在脫貧攻堅如期完成的當下，緊接著要做好與鄉村振興工作的銜接，而如何利用好土地資源、保護和恢復生態空間對拜城縣的可持續發展具有重要意義。