天山北坡城市群國土空間格局識別與時空變化分析

許金花,阿里木江·卡斯木,徐 晗,如克亞·熱合曼,魏柏浩

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院,新疆 烏魯木齊 830099;2.新疆師范大學 絲綢之路經濟帶城市發展研究中心,新疆 烏魯木齊 830099;3.新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830099)

生態文明是一種人與人、人與社會、人與自然和諧的新型文明形態[1]?！吧a空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的生態文明建設發展理念,成為優化國土空間開發格局的重要舉措[2]?！叭笨臻g規劃作為生態文明建設的重要內容之一,直接影響著社會區域經濟的可持續發展。隨著國土空間的開發方式從以生產為主導不斷轉變為生活、生產和生態空間三者的協調,“三生”空間這一概念正成為國土空間開發與治理的關鍵出發點[3]。鑒于此背景,如何有效調節“三生”空間之間的矛盾,是國土空間開發治理的重點內容之一,也是研究的熱點。尤其對于資源環境承載力水平較弱、經濟發展與生態環境之間的問題較為嚴峻的西部地區,其經濟發展、生態文明建設及國土空間的規劃調控等遠遠滯后于中東部地區。

國外學者側重于國土空間功能的分類[4]、生態安全格局的評估與構建[5]及城市結構與氣候變化關系[6],且多應用于國土空間結構功能分區[7]及景觀規劃學[8]中。國內學者緊扣實際,主要從研究尺度、方法和主題展開“三生”空間的研究。研究尺度由宏觀層面的國家尺度[9]、區域尺度[10]、省域尺度[11],到中觀層面的縣域尺度[12]乃至微觀的鄉村尺度[13]等多個空間范圍。研究方法側重于空間自相關[14]、三生功能測度模型[15]、三生空間沖突測度模型[16]、構建指標體系[17]、數據包絡分析法[18]、狀態空間法[19]。研究主題經歷了生態文明建設[20]、城鄉規劃[21]、城鎮化[22]、三生功能[23]、國土空間[24]不斷向耦合協調度[25]、土地利用轉型[26]、生態環境效益[27]、鄉村振興[28]、空間沖突[29]、生態系統[30]等方向。綜上所述,學者們關于國土空間的研究多基于小尺度城市“三生功能”和東中部一帶為主,對作為國民經濟發展有重要驅動力的城市群及其國土“三生”空間的實證與測算相對不足,對我國西部綠洲地區較強自然環境約束與限制下的國土空間合理規劃有著較強的現實意義。

城市群是新型城鎮化的核心區域,通過土地利用變化可以較為清晰地反映人類活動與自然環境相互作用下產生的生態環境變化及其特征[31]。天山北坡城市群作為新疆經濟發展的核心區,自“一帶一路”倡議以來受到了更多的關注,在穩固興疆及維護國家統一和民族團結方面發揮著不可替代的作用[32]。該區域自然環境較為惡劣,綠洲地區特殊的地理環境意味著空間形態變化及其動力機制與其他地區有著明顯的區別,有著特殊的研究價值[33]。加上人口增長及工農業進程的加速發展,使得該地區國土空間類型規模和比例變化更為明顯。鑒于此,本研究從“三生”空間的視角出發,揭示天山北坡城市群在2000-2020年間的“三生”用地隨區域發展、自然環境變化所呈現出的此消彼長的空間關系,進而整體識別天山北坡城市群在國土空間時空布局和數量組合的變化機制及變換法則,完善多尺度、多維度下綠洲地區的國土“三生”空間的研究體系,以期為綠洲地區的新時期“美麗中國”生態文明建設與區域間和諧發展提供理論參考。

1 研究區概況

1.1 研究區概況

天山北坡城市群位于新疆北疆,西至塔城烏蘇市,南至托克遜縣,北至奇臺縣,東至鄯善縣、木壘哈薩克自治縣,共包含18個市縣地區,總面積21.54 km2,占全疆面積的13%(圖1)。截止2019年底,該城市群生產總值占全疆生產總值的53%,其中第三產業占總產值的55%。該區域是典型的綠洲區,綠洲帶給城市群帶來了便利的交通,北疆鐵路、高級公路及民航廣布,成熟的交通網絡使得城市間聯系愈加緊密。其優越的區位條件、完備的基礎設施,是疆內經濟發展水平最高、城市化率最高的區域。該區域屬大陸性氣候區域,地勢南高北低,中間分布較大的沖積平原,在生態環境脆弱的新疆屬于自然資源比較豐富的區域。天山北坡城市群以其獨特的地理位置和資源優勢在“一帶一路”建設及興疆固邊發揮著極為重要的作用。

圖1 研究區地理區位Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數據來源

涉及的3期基礎數據主要包括2000、2010年和2020年的土地利用數據,來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn)。數據分辨率為30 m,分類精度一級類型達93%以上,二級類型達90%以上,基本滿足精度要求[33]。依據中國多時期土地利用/土地覆蓋遙感監測數據分類自下而上識別天山北坡城市群國土“三生”空間格局。高程、坡度、坡向3個地形因子的高程數據(DEM 30 m)來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)。

2 研究方法

2.1 研究方法

從“三生”空間變化率、空間類型轉換、土地利用程度熱點區分布及核密度分析幾個方面進行國土空間的實證與測算,從多尺度、多維度下的視角來看天山北坡城市群國土空間發展演變的脈絡。土地利用動態度可以反映出某時間內土地利用類型數量變化的幅度和速度[34]。通過單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度公式分別計算出2000-2020年間“三生”空間的變化情況;根據土地利用轉移矩陣公式得出天山北坡城市群的“三生”空間數量結構和用地類型在2000-2020年的相互轉換情況。熱點分析又稱局域Getis-Ord(G*)指數法,度量觀測值與周圍臨近區域是否存在局部空間關聯的G*統計[35]?；谕恋乩贸潭染C合指數法測算各縣域“三生”空間的土地利用程度的熱點區域分布情況。標準差橢圓(standard deviational ellipse,SDE)是可反映地理要素空間分布的形態[36]。本研究利用標準差橢圓分析方法來揭示天山北坡城市群生產、生活和生態空間時空格局分布特征及演變規律。核密度分析(kernel density estimation,KDE)是基于數據密集度函數聚類算法的一種空間密度分析方法[37];“三生”空間的規模分布和動態變化趨勢可以通過核密度反映出來,因此基于5 000×5 000的網格單元,疊加不同“三生”空間的分布,運用核密度分析方法測算“三生”空間的核密度值,進一步驗證“三生”空間演變的方向和趨勢。

2.2 國土空間與三生空間的分類銜接

國土空間是由自然環境和人類活動共同構成的人地關系空間系統[38],土地利用覆被/變化是人地關系中最為直觀的表現形式?！叭惫δ茈S著生態文明建設發展,生態功能在國土空間中發揮的作用越來越明顯,而國土空間的開發方式從以生產為主導不斷轉為生活、生產和生態空間三者的協調[39]。因此構建“三生”功能為主導的土地利用分類體系,統籌“三生”用地關系,可進一步適應國土空間規劃的需要。借鑒空間“三生”功能理論,參考前人關于“三生空間”分類研究成果[13],根據三生空間理念對天山北坡城市群國土空間進行重分類。根據“三生”空間的內涵,將國土空間分別分為生產空間、生活空間及生態空間[12]。以生產、生活、生態功能為主導,結合遙感監測數據分類系統采用三級分類系統相銜接,根據GB/T 21010-2007《土地利用現狀分類》得出天山北坡城市群國土空間分類體系(表1)。

表1 天山北坡城市群國土空間用地分類體系Table 1 Classification system of territorial and spatial land use in urban agglomeration on the northern slope of the Tianshan Mountain

3 結果與分析

3.1 三生空間格局變化分析

3.1.1 三生空間格局水平空間特征 2000-2020年天山北坡城市群生產空間主要在研究區中部,呈東北-西北條帶狀走向(圖2);生產用地面積整體呈增長趨勢,由2000年的15 628.54 km2大幅增長至2010年的21 954.84 km2,后小幅增長至2020年的23 667.41 km2;生產空間比例中農業生產空間從2000年的7.92%升高至2020年的12.21%,工礦生產空間從0.14%上升至0.61%。生活空間面積呈穩步增加的趨勢,由2000年1 359.43 km2增加到2020年的2 214.45 km2;生活用地比例中城鎮生活空間從2000年的0.28%上升至2020年的0.61%,且后期城鎮生活空間和農村生活空間兩者的面積差異越來越小。生態空間分布面積較廣,但總體呈下降趨勢,從2000年的176 890.2 km2下降至2020年的168 006.3 km2;其中,2020年牧草、其他、林地和水域生態空間占比分別為30.43%、54.16%、1.34%和0.72%。從一級分類上看,生態空間在研究區占優勢地位,其次是生產空間;從二級分類來看,其他生態空間占比最大,牧草生態空間緊跟其上。整體形成“生產空間生活空間沿著交通干線呈現東北-西北條帶狀走向、南北區域主要以生態空間為主”的特征。

圖2 天山北坡城市群2000-2020三生空間格局Fig.2 Production-living-ecological space pattern of urban agglomeration on the northern slope of the Tianshan Mountain in 2000-2020

3.1.2 三生空間格局垂直梯度特征分析 根據全國農業區劃委員會制定的《土地利用現狀調查技術規程》和天山北坡城市群地形地貌特征,將坡度劃分為5級:≤500 m(平原)、500～1 500 m(低山)、1 500～2 500 m(中山)、2 500～3 500 m(中高山)、≥3 500 m(高山);將坡度劃分為5級:平坡(0°～8°)、緩坡(8°～15°)、斜坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)和急坡(≥35°);根據坡向界定原理,劃分為北坡(315°～360°,0°～45°)、東坡(45°～135°)、南坡(135°～225°)、西坡(225°～315°)5個級別坡向,得到不同高程、坡度和坡向的三生空間類型占比情況(圖3)。

圖3 天山北坡城市群不同高程、坡度和坡向上的三生面積占比Fig.3 The proportion of the production-living-ecological space area at different elevations,slopes and aspect in the urban agglomeration on the northern slope of the Tianshan Mountain

從高程分布上看,高程>2 500 m以生態空間分布為主,城鎮生活空間(LS1)分布于500～1 500 m,農村生活空間(LS2)隨高程升高呈遞減趨勢;農業生產空間(PS1)隨高程的升高不斷減少,工礦生產空間(PS2)呈先升高后減小的趨勢;牧草生態用地(ES1)、林地生態用地(ES2)隨著高程的上升呈先增加后減少的趨勢,前者的高程分界線為500～1 500 m的低山區域,后者的分界線為1 500～2 500 m的中山區域;其他生態用地(ES4)呈先增加后減少又增加的趨勢,水域生態用地(ES3)則分布于平原和高山2個極端地區,其中以高山地區分布面積最廣。

從坡度分布上看,生活空間、工礦生產空間和林地生態空間隨坡度的增加呈反向遞減,農業生產空間則呈先減小后增加再減少的趨勢,其坡度分界線為15°～25°的斜坡地區;工礦生產用地則隨著坡度增加不斷減少;牧草生態空間先減少后增加的趨勢,水域生態空間主要分布于平坡和急坡段,其他生態空間在各坡度上均有少量分布,于緩坡上分布最廣。

從坡向分布上看,南坡和西坡的分布優勢度均大于北坡和東坡;牧草生態空間和其他生態空間的4個坡向分布差異較大,而城鎮生活空間和農村生活空間的分布差異較小。以上結果表明,三生空間類型主要分布的區域集中于中低海拔地區,坡度對生產、生活及生態空間三者的影響都比較明顯,對坡向的選擇性不強,個別空間類型有較大的選擇性。

3.1.3 三生空間數量結構變化 2000-2020年天山北坡城市群的三生空間類型的變化主要表現為生產空間、生活空間增加和生態空間持續減少。通過計算天山北坡城市群2000-2020年土地利用動態度指數,測算出各空間類型的變化速度(圖4)。結果得出,研究期間生態空間中的林地生態空間(ES2)、其他生態空間(ES4)及水域生態空間(ES3)的土地利用單一動態度為負值,說明林地生態空間和水域生態空間的面積呈減少的趨勢,尤其是其他生態空間在2010-2020年面積下降較大。除以上3個為負值外,其他空間類型的單一動態都為正值,說明受城鎮化和工業化進程的影響,對該類型用地面積的需求進一步增加。

總體上看,“三生”空間類型的綜合動態度比單一動態度的值大。其中,2000-2010年較2010-2020年不同空間類型的單一動態度相差較大,而綜合動態度在2010-2020年明顯偏高。其原因主要是西部大開發戰略的提出和實施,新疆進入了城鎮化發展的快速階段,使得人口不斷增長,城市、農村生活空間(LS1、LS2)及工礦、農村生產用地(PS1、PS2)開發不斷,生態用地擴展,導致該時段國土空間格局變化較為明顯。

3.1.4 三生空間類型相互轉換 通過弦圖來體現天山北坡城市群2000-2020年間“三生”空間用地類型相互之間的轉換關系,進而揭示該區域國土空間格局變化的特征(圖5)。 結果表明,20 a間天山北坡城市群的“三生”空間類型面積有不同程度的增減,其他生態空間(ES4)和牧草生態空間(ES1)轉出的面積最為明顯。其中牧草生態空間轉為其他生態空間和農業生產空間(PS1)分別為10 294.9、5 833.37 km2;其他生態空間轉為牧草生態空間和農業生產空間分別為15 685.02、2 238.86 km2;水域生態空間(ES3)和林地生態空間(ES2)被牧草生態空間和其他生態空間所占用,分別減少1 758.88、2 516.13 km2;城鎮生活空間總的增加647.07 km2,農村生活空間(LS1)面積的增加主要來源于農業生產空間(PS1);增加的原因是近20 a天山北坡城市群發展迅速,建設用地面積不斷擴張,不斷向農業生產空間及牧草生態空間擴張。

圖5 2000-2020年天山北坡城市群土地利用變化弦圖Fig.5 Land use change chord map for the Tianshan north slope urban agglomerate in 2000-2020

3.2 國土空間格局變化

3.2.1 國土空間利用程度變化 土地利用程度可以體現出人類對土地景觀的改造,可反映出國土空間的土地利用程度。以縣域為單位,在分析3期天山北坡城市群國土空間利用程度綜合指數的基礎上,通過自然斷點法得出國土空間利用程度熱點分布(圖6);研究期間各縣域國土空間利用程度綜合指數的熱點區域相差較大,除了阜康市、木壘哈薩克自治縣、奇臺縣、石河子市及烏魯木齊市的國土空間利用程度綜合指數呈小幅度增加或遞減外,其他縣域的利用程度呈逐年提高趨勢。其中2000-2010年熱點分布從烏蘇市轉移至中部烏魯木齊市周圍,次熱點區則分布西北區域,是土地利用程度較為理想化的年份。而2010-2020年昌吉市和阜康市下降為次熱點區,熱點縣域也有所下降,不顯著區較前2個年份明顯增多,3個時期的冷點區和次冷點區主要集中東南方向。表明20 a間的土地利用程度不斷提高,土地利用強度趨于理想化,冷熱點分布變化較大,熱點不斷從研究區西北向中部轉移。

圖6 2000-2020天山北坡城市群各縣域國土空間利用程度熱點圖Fig.6 The heat map of the land space utilization degree of each county in the Tianshan north slope urban agglomerate in 2000-2020

3.2.2 國土空間格局分布特征 標準差橢圓能較好地體現出三生用地空間擴張的方向及趨勢(圖7)。天山北坡城市群研究期間生活空間主要聚集于中心地區,生產空間主要聚集于西北方向,而生態空間的分布范圍最廣,基本占據2/3區域。

圖7 天山北坡城市群2000-2020年生產、生活、生態空間格局變化Fig.7 Changes in the spatial pattern of production-living-ecological space in Tianshan north slope urban agglomerate in 2000-2020

研究期間3個空間標準差橢圓面積和轉角變化較少,且方向性分布穩定,旋轉速度較慢。生產空間分布較為集中,重心及分布趨勢明顯沿西北方向轉移擴張。生活空間主要集中于橢圓中部地區,重心向西北方向遷移,集中于昌吉市境內,隨著城鎮化發展,以昌吉、克拉瑪依、石河子等為代表的中小城鎮得以加快發展。生態空間的分布與生產、生活空間差距較大,尤其2000-2010年生態空間的方向大幅向西北方向邁進,重心從昌吉市和呼圖壁縣交界處轉移到呼圖壁縣和瑪納斯縣交界處。2010-2020年生態空間標準差橢圓的方向、長短軸及重心轉移位置只有細微變化。由于地處干旱區綠洲地區特殊的地理位置,戈壁、裸地等為未利用地面積占比較大,而林地、草地及湖泊等生態用地占比較小,且未利用地在三生空間的分類體系中從屬生態用地范疇。

3.2.3 國土空間格局擴張形態特征 運用核密度估計方法來揭示2000-2020年天山北坡城市群國土空間格局動態演化模式。由生產空間核密度測算圖得知(圖8),從時間變化上看,2000-2010年研究區生產空間的核密度值和斑塊數量呈小幅下降,但2010-2020年的斑塊連接性較好,呈連片狀態分布。從空間分布上看,3個時期的核密度測算值的分布相似度極高,呈東南-西北條帶狀走向,中部和西北部高,而東北部、南部低的空間分布特征。核密度高值區的縣域主要有昌吉市、呼圖壁縣、瑪納斯、石河子及奎屯地區。2000-2010年,核心的位置以昌吉市、烏魯木齊市等沿著交通干線及地形較為平坦的區域為中心不斷向西北方向擴散,擴散幅度大且破碎化程度較低;2020年的高值區在不斷擴大加深,與前2個年份相比高值區未出現大面積擴散,總體上分布連片且聚集程度較高。

圖8 天山北坡城市群2000-2020生產空間核密度測算值空間分布Fig.8 Spatial distribution map of calculated value of production space kernel density in the Tianshan north slope urban agglomerate in 2000-2020

由生活空間核密度測算圖得知(圖9),時間上3個時期的生活空間核密度值在不斷變大,空間分布上則呈現以一個以烏魯木齊市為主的核心區和多個零碎的次核心區的空間格局,整體呈中部高四周低的空間分布格局?？臻g上2000年和2010年生活空間核密度高值區主要分布在交通較為便利且地勢平緩的中部,以烏魯木齊市為主高值區周圍及沿交通干線東南-西北一帶區域;低值區則主要分布在研究區東部,2020年的核密度測算值比前2 a明顯增高,且高值區的范圍有所擴大,東南部和東北部區縣有零散低值分布。2000-2010年生活空間核密度測算值中部核心區向西北和東北空間分布趨勢,擴散幅度較大,破碎化程度高;2010年和2020年核心區出現一定范圍的擴散,主要向綠洲地帶延伸,同時在高值中心區周圍衍生出許多零碎的低值點,總體分布較為破碎,空間連接性較低。說明該區域受地理環境的限制,導致城市與城市間的連通性相對較弱,分布上較為零散。

圖9 天山北坡城市群2000-2020生活空間核密度測算值空間分布Fig.9 Spatial distribution map of calculated values of living space kernel density in the Tianshan north slope urban agglomerate in 2000-2020

由生態空間核密度測算得知(圖10),生產空間核密度值隨時間變化呈增加趨勢,空間分布上隨年份從研究區東南-西北條帶狀為低值中心不斷向四周擴散。3個年份生態空間核密度高值區主要分布于南部和東北部,包括的縣域有托克遜縣、高昌區、鄯善縣及木壘哈薩克族自治縣;2000-2010年西北角的低值區在擴大而高值區縮小,說明該區域生產生活空間占比逐漸增大,城市化發展較為明顯;2010-2020年東北中心地帶低值區范圍明顯擴大,生態空間有所下降,但下降趨勢較為緩和。說明天山北坡生態空間呈集中連片分布,有較強的地域性特征。

4 討論

天山北坡城市群地處綠洲地區,如何在自然環境的約束下實現“人-地-資源”的和諧關乎城市群發展始終。通過多種方式測算出天山北坡城市群 “三生”空間土地利用發現,目前天山北坡城市群國土空間面臨著較為嚴峻的國土空間土地利用的沖突問題。

研究期間主要表現生活空間以一個中心點、多個零散點不斷向四周主要向農業空間和牧草空間方向擴張擴散;生產空間主要以農業生產空間為典型不斷向牧草生態空間蔓延;生態空間中的林地生態空間和水域生態空間被牧草和其他生態空間所侵占,20 a間面積減少最為明顯;單一土地利用度的工礦生產空間和水域生態空間呈負相關趨勢。一系列變化表明,生態環境較為脆弱的干旱區面臨著更為嚴峻的生態環境問題。因此,在政策上進一步制定規范、引導和強化“三條控制線”的管控工作的基礎上,合理規劃利用對于綠洲地區具有重要戰略意義的水域生態空間,合理開墾草地未利用地等生態空間,加大林地和水域生態空間保護措施,加大防風固沙土地退化等的治理工程,進而協調天山北坡城市群的生態文明建設與社會經濟可持續發展之間的矛盾。

研究中主要通過動態度、土地利用程度及核密度多種方法進行綜合測算,一方面可以從整體層面把握“三生”空間演變的脈絡,有利于從全局的視角來看國土空間發展的趨勢。另一方面,由于綠洲的特殊性,對于“三生”空間內涵界定及分類體系可能缺乏一定的深度與精度的探討。因此構建出維度綜合和尺度集成的指標體系評價機制,剖析城市群國土空間內部差異及導致其差異因素,并就如何有效銜接國土空間規劃體系與“多規合一”,縱深推進國土“三生”空間的研究。

5 結論

天山北坡城市群“三生”空間格局變化:“三生”空間面積分布的垂直差異較為顯著。海拔500～1 500 m、坡度0°～8°分布的國土面積最大,說明“三生”面積分布對坡向的選擇性不強;“三生”空間分布中生態空間占優勢地位,形成“生產、生活空間沿交通干線呈東北-西北條帶狀走向、南北區域主要以生態空間為主”的整體特征。綜合土地利用度呈正相關,而單一土地利用度的工礦生產空間和水域生態空間呈負相關趨勢,牧草和其他生態空間的轉換數量最大,水域和林地生態空間的轉出面積較大。

天山北坡城市群國土空間格局的演變:土地利用強度熱點分布從研究區西北部烏蘇市轉移至中部烏魯木齊市周圍,冷點區和次冷點區主要集中于東南方向;3個時點的核密度測算值呈小幅波動上升趨勢,核密度空間分布與2020年生產空間分布上呈東南-西北條帶狀走向,中部和西北部高,斑塊連接性較好;生活空間核密度測算值在高值中心區周圍衍生出許多零碎的低值點,總體分布較為破碎,空間連接性較低;生態空間呈集中連片分布于研究區東北部和南部地區。