生態安全視角下烏魯木齊市土地利用沖突時空格局演變分析

彭 婭， 王娟娟， 王珊珊， 田柳蘭， 劉 婕,4， 毋兆鵬,4

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.昌吉回族自治州自然資源局，新疆 昌吉 831100；3.新疆藝術學院附屬中等藝術學校，新疆 烏魯木齊 830054；4.新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054）

在21世紀，人類共同的目標是在全球范圍內實現社會經濟的可持續發展［1］。然而，土地利用沖突已成為土地可持續利用的主要障礙，引起了許多國家的廣泛關注［2-3］?！皼_突”一詞起源于西方社會學［4］，它代表了2 個或多個社會單位的不兼容或相互排斥，從而導致心理或行為矛盾的產生，隨著人類活動之間矛盾的加劇，學者們在資源利用領域引入了沖突，并提出了土地利用鍥約的概念［5］，而土地契約的本質是以土地沖突為形式的利益沖突［6-7］。由此，學者們對土地利用沖突概念及驅動因素進行大量研究，從而產生大量觀點［8］。20世紀60、70年代，土地利用沖突研究有了現代意義，由于世界各國土地資源的稀缺性而導致土地利用沖突發生頻繁，尤其是在擁有不均等資源的發展中國家和工業化過度化的國家［9］。土地利用沖突作為內部因素和外部因素共同作用的結果，土地資源的多適宜性和有限性是其根源［10］，城市擴張和人類需求增長等社會因素是沖突發展的主要驅動力［11］。

近幾年，土地利用沖突在研究內容上主要集中在概念、產生的原因及其診斷與評價的理論層次，實際應用研究相對不足，缺乏對綜合評價區域土地利用沖突的強度、揭示引起沖突的內在演化機理和對未來土地利用沖突的模擬預測的研究［12］；對于生態安全的研究主要是人類社會經濟發展與生態保護之間的協調關系，強調自然生態系統的保護與優化利用以實現人類社會可持續發展［13］，生態安全基于“壓力-狀態-響應”（PSR）模型和生態系統構建指標體系，主要側重生產和生活功能的協調度，但從生態安全的角度深入分析生態安全與土地利用沖突的耦合關系、土地利用沖突演化機制研究較少［14］。因此，以生態安全為切入點，在生態安全視角的基礎上展開土地利用沖突問題的討論十分有必要；在研究方法上，主要有參與式調查法［15］、PSR 模型［16］、景觀生態風險［17-18］、評價博弈論［19］和多目標規劃法［20-21］等；在研究對象上，多關注于經濟發達和人口密集的沿海地區［22］，對干旱地區的綠洲城市的研究相對較少。

隨著“十四五”時期烏魯木齊市都市圈的大力推進，急需協調城市發展、綠洲農業及生態環境三者之間多重關聯的漲落過程及耦合機制［21］，因此，本文從生態安全視角構建土地利用沖突測度方法體系，選取生態安全視角下的生態系統服務價值體系和生態風險指標與土地利用沖突進行疊加響應，剖析烏魯木齊市土地利用沖突時空演變，模擬烏魯木齊市未來不同情景下土地利用沖突空間格局，對烏魯木齊市為保障區域生態安全、協調生態保護與經濟社會發展具有重要理論意義與現實意義，也補充了土地利用沖突相關研究，拓展和豐富了土地利用變化科學的研究內容與應用范圍。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

烏魯木齊市（43°40′～44°50′N，87°10′～88°55′E）地處亞洲內陸，位于天山山脈北麓。烏魯木齊市位于中國西北部，屬于典型的干旱區綠洲城市，地貌類型復雜多樣，植被稀疏，降雨量較少，生態環境脆弱。根據第七次全國人口普查結果，2020年烏魯木齊市轄7 區1 縣，總面積約為1133.6 km2，常住人口約為258.52×104人，相比2010 年增加40.39×104人，人口密度達2278人·km-2。隨著烏魯木齊市城市化和城市人口的快速增長，城市土地利用模式迅速改變，對生態環境產生了多方面且各具影響程度的影響。烏魯木齊市作為一個城市化進程加速的代表，為滿足人類居住和發展需求，不可避免地需要不斷利用更多的土地資源。然而，這一過程也加劇了生態環境保護與綠洲土地利用之間的矛盾和沖突（圖1）。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 數據來源

本研究選取特征明顯的2000 年（嚴格保護耕地）、2010年（實施生態保護）和2020年（實施生態保護后）3期影像，所使用的空間遙感數據來源于中國地理空間數據云（http://www.gscloud.cn），其中2000、2010 年使用Landsat-5 TM 數據，2020 年為Landsat 8 TM數據，圖像空間分辨率30 m，3期數據含云量均低于5%；高程（DEM）數據源自中國地理空間數據云（http://www.gscloud.cn），空間分辨率為30 m；坡度（slope）數據在高程數據上獲取。本研究選取的行政界線、道路、區縣行政中心等數據主要來源于烏魯木齊市矢量圖層中；GDP、人口、糧食產量和糧食價格數據主要由《烏魯木齊市統計年鑒（2000—2020年）》《烏魯木齊市國民經濟和社會發展統計公報（2020 年）》《新疆統計年鑒（2020 年）》《2020 年全國農產品成本收益資料匯編》獲得。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用沖突測度模型構建生態安全視角下的土地利用沖突，主要表現為在人類劇烈活動下耕地、建設用地與生態安全空間之間錯配重疊導致的矛盾和空間競爭。利用景觀生態下的PSR 模型及其擴展模型，可評價具有復雜性的環境問題、資源安全問題及土地可持續性問題等。它能夠結合模糊數學方法，建立土地生態系統的評價標準，分析影響系統各要素之間的因果關系，監測各指標之間的連續反饋機制，具有系統性、綜合性的特點，是尋找人類活動與生態系統影響之間因果鏈的有效途徑，因而可以診斷由土地利用壓力而引起的土地生態系統的狀態和響應，可以用來分析土地利用沖突問題。

土地利用沖突指標體系主要由以下要素組成：PSR模型中的壓力（P），是指土地資源開發利用的強度及其變化趨勢，是由人文因素帶來的對耕地生態環境的沖擊和脅迫。作為土地利用沖突的主要外因及風險源，可以借助土地利用干擾度指數，來表示土地景觀抵抗外界干擾能力和自我恢復能力，以表達土地系統所受到的外部壓力。PSR模型中的狀態（S），作為反映土地生態環境要素變化的參數，可借助脆弱性指數來表達其由于缺乏適應環境和社會變化的能力，而導致自身受到損害的一種狀態［23］。PSR 模型中的響應（R），主要反映社會或個人為停止、減輕、預防或恢復不利于土地生態系統變化所采取的措施。從土地利用系統的角度看，穩定性指數既體現了在系統生產的一致性和連續性［24］，也體現了系統狀態或空間形態的連續性與遺傳性或繼承性（圖2）。

圖2 分析框架Fig.2 Analytical framework

因此，本研究在該模型的指導下，結合烏魯木齊市資源環境特征，確定從系統干擾度指數（FAWMPFD）、脆弱度指數（FFI）及穩定性指數（FSI）3方面構建土地利用沖突綜合指數（F）［25］，提出一套綜合評價方法，計算結果需標準化處理至（0, 1）范圍內。計算公式如下：

其中，土地利用干擾度指數（FAWMPFD）的大小表示景觀干擾對景觀單元影響的程度，數值越大影響程度越深，計算公式如下：

式中：Pij為第i類土地利用類型第j個斑塊的周長（km）；aij為第i類土地利用類型第j個斑塊的面積（km2）；A為區域單元內所有土地利用類型面積（km2）；m為土地利用類型總數；n為區域單元內斑塊總數。

土地利用脆弱度指數（FFI）的大小表示空間斑塊受外界壓力影響的程度，數值越大影響程度越深，土地利用沖突越大，計算公式如下：

式中：ai為區域單元內第i類土地利用類型的面積（km2）；Fi為區域單元內第i類土地利用類型的脆弱度；A為區域單元內所有土地利用類型面積（km2）；m為土地利用類型總數。建設用地、未利用地、水域、耕地、草地、林地的脆弱度賦值分別為6、5、4、3、2、1［26］。

土地利用穩定性指數（FSI）的大小表示空間單元穩定性的強弱，數值越大影響程度越強，土地利用沖突越顯著，計算公式如下：

式中：PD 為斑塊密度（個·km-2）；A為區域單元內所有土地利用類型面積（km2）；ni為區域單元內第i類土地利用類型的斑塊數目。

1.3.2 土地利用沖突空間分布預測模擬為獲取預測年份2030年的土地利用空間分布特征，本文借助FLUS 模型完成。該模型是基于神經網絡（ANN）的出現概率計算和自適應慣性競爭機制的元胞自動機（CA）2 個模塊構成［27］。首先，選取一期土地利用數據結合地理探測因子，利用ANN整合并計算各地類在每個像元上出現的概率，得到各地類的發展概率；其次，基于輪盤賭選擇的競爭機制獲得烏魯木齊市預測年份土地利用類型模擬預測圖。本研究中，模型所選取的因子包括高程、坡度、距河流距離150 m、距區縣距離150 m、距道路距離150 m、GDP和地均人口（圖3、圖4）。

圖3 自然因子空間分布Fig.3 Spatial distributions of natural factors

圖4 社會因子空間分布Fig.4 Spatial distributions of social factors

通過對2000 年和2010 年土地利用現狀圖的數據處理，采用FLUS 模型模擬計算出2010 年和2020年的土地利用空間分布狀態。將模擬結果與實際土地利用現狀數據進行分析，模型精度分別為0.87、0.89，Kappa 系數分別為0.73、0.75，模型模擬結果的精度可以滿足本文研究的需要。

1.4 土地利用沖突環境效應評價體系構建

1.4.1 生態系統服務價值評估以謝高地等［28-29］的研究成果為基礎，選取小麥、水稻、玉米三大糧食主產物計算農田生態系統的糧食產量價值，獲得標準生態系統服務價值當量因子價值量為24.5033×104元·km-2。并參考前人研究［21］獲得新疆的修正因子為0.58，修正后的烏魯木齊市標準生態系統服務價值當量因子價值量為14.702×104元·km-2。最終得到烏魯木齊市各土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數（表1）。生態系統服務價值計算公式如下：

表1 各土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數Tab.1 Ecosystem service value coefficient per unit area of each land use type /104元·km-2

式中：ESV 和ESVf分別為生態系統服務價值和第f項生態系統服務功能價值（元）；Ak為第k類土地利用類型的面積（km2）；VCk和VCfk分別為第k類土地利用類型的生態系統服務價值系數和其對應的第f種服務功能價值系數；ECf為第f種生態系統服務價值當量因子；Ea為生態系統服務價值當量因子價值量，即14.702×104元·km-2。

1.4.2 生態風險評價體系在景觀生態學中，景觀樣本面積應為斑塊平均面積的2～5 倍，才能更好地反映采樣區周圍景觀的格局信息［30］。研究區3期土地利用景觀的平均斑塊面積在0.3～0.4 km2之間，為有效識別研究區土地利用可能存在的生態風險，從而優化土地利用景觀結構，基于網格采樣法構建土地利用與生態風險之間的關系模型［31］［式（8）]，根據研究區范圍，運用0.60 km×0.60 km的正方形單元網格進行等間距采樣，共劃分風險小區39693個。

式中：ERIi為風險小區i的生態風險指數，與生態風險程度成正比；Aki為第k個風險小區中i種地類的面積（km2）；Ak為第k個風險小區的面積（km2）；Ri為第i種地類的景觀損失度指數［32-33］，表示各地類受到干擾時生態損失的差異，即其自然屬性的損失程度，計算公式如下：

式中：Si為景觀干擾度指數［33］；Vi為景觀脆弱度指數［33］。

2 結果與分析

2.1 土地利用沖突時空特征及其生態響應

2.1.1 土地利用沖突時空演變特征利用ArcGIS軟件中自然斷裂法對土地利用沖突類型進行分級，分別為：無沖突（0.00,0.30）、輕度沖突[0.30,0.36）、中度沖突[0.36,0.42）、高度沖突[0.42,0.50）、重度沖突[0.50,1.00）。由于現有研究對土地利用沖突分級精度評價方法還較少，因此引用Kappa 系數對土地利用沖突分級進行精度和一致性評價［34］，得出Kappa系數最小值為0.75，滿足研究要求（表2）。

表2 土地利用沖突分級Kappa系數Tab.2 Kappa coefficient of land use conflict classification

2000—2010 年烏魯木齊市土地利用沖突總體呈上升趨勢，2010—2020 年沖突狀況有所減緩，處于基本可控狀態（圖5、圖6）。具體而言，無沖突區域面積呈逐年減少態勢，其面積占比從2000 年的52.85%，減少至2020 年的35.77%。輕度沖突區域面積呈先減后增態勢，即2000—2010年輕度沖突區域面積減少了563.76 km2，2010—2020 年增加了584.64 km2，但整體呈小幅度增加趨勢，20 a 間凈增加量為20.88 km2，無沖突和輕度沖突區域占烏魯木齊市73%以上的面積，一躍成為烏魯木齊市的首要沖突類型。中度沖突區域面積呈逐年上升態勢，近20 a增加了1321.92 km2。高度沖突及重度沖突區域變化趨勢一致，均在經歷了2000—2010 年的增加后，再開始出現下降，但整體上高度沖突及重度沖突區域明顯增加。其中，高度沖突是20 a間增幅最大的沖突類型，高達187.35%。

圖5 土地利用沖突各沖突類型面積變化Fig.5 Changes in the area of land use conflict types

圖6 土地利用沖突類型分布格局Fig.6 Distribution pattern of land use conflict types

2.1.2 土地利用沖突局部空間異質性分析烏魯木齊市土地利用沖突冷熱點分析結果顯示，2000—2010年，土地利用沖突熱點區與2010年高沖突聚集區增加的區域高度吻合，在中心城區北部及西南部顯著聚集。至2010—2020年，熱點區范圍進一步擴張，蔓延至南部及北部山區林地周邊及達坂城區鹽湖兩側沖積扇附近。土地利用沖突冷點區與高沖突聚集區的下降方向一致，主要集中在城市周邊及東部和南部山地森林地帶。這是因為冷點的內部用地類型趨于同質化，斑塊的復雜性下降，沖突得到了緩解（圖7）。

圖7 土地利用沖突冷熱點時空演化Fig.7 Temporal and spatial evolution of cold and hot spots of land use conflict

區域土地利用沖突綜合指數作為一種空間變量，具有結構性和隨機性的空間變化特征［31-32］。因此，根據烏魯木齊市的實際情況，可以通過地統計學中半方差函數進一步探索土地利用沖突空間分異的主導因素（表3）。土地利用沖突空間異質性由結構性因素和隨機性因素綜合作用決定，隨機性因素包括人為活動等因素，結構性因素包括氣候等因素［35］。塊金值/基臺值[C0/(C0+C)]<0.20，表明變量空間自相關性較強，空間異質性則由結構性因素引起；C0/(C0+C)>0.70，表明變量空間自相關性很弱，空間異質性由隨機性因素引起；C0/(C0+C)在0.20～0.70之間，表明變量空間自相關性中等。結果表明：2000—2020 年C0/(C0+C)維持在0.21～0.49 之間且呈增加趨勢，說明在600 m 以下的小尺度上，氣候、地形地貌等自然因素仍然是該研究區土地利用沖突強度空間分異的主導因素。烏魯木齊河下游沖積平原的水熱條件適合作物生長，是當地人們社會活動以及經濟發展的主要地區。因此，初期土地利用沖突主要發生在這些區域。但后期，由于引導與調控生態保護與社會經濟發展的用地需求，使土地利用沖突在小尺度上的隨機變異程度在不斷加大，從而降低了自然因素對土地利用沖突的影響。

表3 土地利用沖突變異函數的擬合模型參數Tab.3 Fitting model parameters of land use conflict variance functions

2.1.3 土地利用沖突對生態系統服務價值的響應雙變量空間自相關（Bivariate Moran’sI）可以用來揭示空間單元屬性值與鄰近空間上其他屬性值的相關性［36］，對土地利用沖突與生態系統服務價值的雙變量空間自相關計算結果表明，東部、南部山區林地較多的區域，雖是生態系統服務價值中高值區，但由于林地與草地的自然生態更替以及人為干擾等因素，導致土地利用結構趨于不穩定，容易形成土地利用沖突。因此，該區域與重度沖突聚集的區域有著較強的空間正相關，表現為高-高聚集特征。自2010年起，在生態保護政策的實施下，高-高聚集區減少顯著，僅在天山區的烏拉泊濕地附近有所增加（圖8）。低-低聚集區分布最廣，是生態系統服務價值中值區與無沖突聚集區呈現空間正相關較強的區域，空間分布與草地區域相吻合，聚集區域有明顯增加。低-高聚集區是生態系統服務價值低值區與沖突高值聚集區，具有較強的空間負相關，主要分布于中心城區，2010 年起向中心城區周邊擴散，在烏魯木齊縣及達坂城區有明顯增加。高-低聚集區是生態服務價值高值區與沖突低值區，主要分布在烏魯木齊縣和達坂城區的林地區域。

圖8 生態系統服務價值與土地利用沖突的雙變量Lisa聚集圖Fig.8 Bivariate Lisa aggregation diagram of ecosystem service value and land use conflict

2.1.4 土地利用沖突對生態風險的響應土地利用沖突與生態風險的雙變量Lisa 聚類圖表明，草地作為高生態風險區，與無沖突聚集區有著較強的空間負相關，表現為高-低聚集特征，并呈現出逐年減少的變化趨勢，但在東部山區有所增加。低-高聚集區在2010年向中心城區北部擴散，且在烏魯木齊縣的建設用地周邊有明顯增加。2020 年東部及南部山區的低-高聚集區則明顯減少，高-高聚集零星分布在低-高聚集附近。低-低聚集區少量分布在烏魯木齊縣和達坂城區的林地周圍（圖9）。

圖9 土地利用生態風險與沖突的雙變量Lisa聚集圖Fig.9 Bivariate Lisa aggregation diagram of land use ecological risks and conflicts

2.2 土地利用沖突空間預測模擬

2030 年烏魯木齊市土地利用沖突綜合指數模擬結果表明，土地利用沖突空間分布與2020 年相似，整體上仍以無沖突區域和輕度沖突區域為主。無沖突區域增加了788.40 km2，說明烏魯木齊市土地利用沖突狀況整體有所改善。但高度沖突和重度沖突區域面積分別增加了194.40 km2、740.52 km2，說明烏魯木齊市局部土地利用沖突狀況加重。重度沖突區域面積最多，達1178.64 km2，主要在中心城區北部及南部集約經營的耕地范圍內有明顯的團狀聚集（圖10、圖11）。

圖10 2020—2030年土地利用沖突格局分布Fig.10 Distribution of land use conflict pattern from 2020 to 2030

圖11 2020—2030年土地利用沖突變化情況Fig.11 Changes in land use conflicts from 2020 to 2030

對2020—2030 年土地利用沖突的空間演變特征進行冷熱點分析（圖12），結果表明，由于建設用地向周圍的草地、耕地進行擴張，導致建設用地周圍土地地類的穩定性和連通性變差，使得熱點區域主要出現在建設用地和山區林地周圍，但面積將會減少；冷點區域受到生態交替影響，主要分布在鹽湖、柴窩堡湖及山區林地周圍。

圖12 2010—2030年土地利用沖突冷熱點時空演化Fig.12 Temporal and spatial evolution of cold and hot spots of land use conflics from 2010 to 2030

3 討論

隨著城市化進程不斷推進，研究區土地利用沖突雖有上升趨勢，但在《烏魯木齊市城市總體規劃（2011—2020年）》引導下，烏魯木齊市城市用地“南控、北擴、先兩延、后東進”的空間布局，對土地利用沖突還是產生了明顯調控成效，使得沖突狀況有所減緩，處于基本可控狀態，這與田柳蘭等［37］、王珊珊等［38］的研究結果具有一致性。在2030 年土地利用沖突綜合指數預測中，雖然研究區土地利用沖突狀況整體有進一步改善，但局部高度沖突和重度沖突區域面積還是會有所加重，尤其是在中心城區北部及南部集約經營的耕地范圍內有明顯的團狀聚集。為此，應按照生態功能不降低、面積不減少、性質不改變的思路，對已劃定的生態保護紅線實施嚴格管控。確保烏魯木齊河、水磨河、柴窩堡湖最小生態流量、水面面積及濕地面積逐步恢復，各流域生態功能保持不退化，有效管控環境風險。在資源利用上，嚴格按照國家、自治區下達的《新疆生態環境保護“十四五”規劃》中總量和強度控制目標，提高資源利用效率。同時，將飲用水源保護、生態空間維護為主的水源涵養和水土保持等生態功能單元設置為優先保護區；將城鎮建成區、工業園區和開發強度大、污染物排放強度高的工業聚集區及存在環境風險的區域設置為重點管控區。通過實施分類管控，科學協調“城市建設-農業生產-生態保護”的各類土地利用需求，有效降低土地利用沖突的發生。

土地利用沖突是多重因素作用的結果，在探究烏魯木齊市的生態風險、生態系統服務價值與土地利用沖突的疊加響應中，發現生態風險、生態系統服務價值與土地利用沖突的耦合響應關系在空間上差異明顯。建設空間和生態空間呈現高水平耦合，使土地利用空間沖突重度沖突增加過程中，生態風險、生態系統服務價值也在增加；低水平耦合零散分布于農業空間之中，即土地利用空間沖突的變化對生態風險、生態系統服務價值幾乎沒有影響，且當生態風險、生態系統服務價值發生變化時，土地利用空間發生沖突概率幾乎不會被帶動。生態與土地利用和諧發展會相互促進，在提高生態安全水平的同時，土地利用沖突的強度也隨之降低；二者發展的速度不一致不協調，則會相互制約，成為彼此發展的障礙。相對而言，土地利用沖突對生態安全有著更直接、更明顯的帶動且存在高度的正相關。因此，在后續研究過程中應結合土地利用沖突的內涵，從具體生態過程著手，剖析土地利用沖突時空演變的影響因素及驅動機制，尋求城鎮、農業及生態三者間的平衡發展策略，解決當前完善城鎮化空間布局、提升生態系統質量和穩定性、保持農業空間正常發展，針對國土空間規劃和用途，科學劃定落實生態保護紅線、永久基本農田、城鎮開發邊界等；建立健全土地利用風險評估預警和處置機制，提升土地利用、生態安全的監管和風險防范能力。

4 結論

（1）2000—2020 年，烏魯木齊市73%以上的面積是無沖突和輕度沖突區域，土地利用沖突面積雖呈逐年增加趨勢，但土地利用沖突情況基本可控。土地利用沖突的熱點區主要聚集于烏魯木齊市中心城區北部及西南地區，包括山區林地周邊、達坂城區鹽湖兩邊的沖積扇附近；冷點區主要聚集于中心城區周邊以及東、南部的山區林地范圍內。

（2）自然因素如氣候等自然因素仍然是土地利用沖突強度空間分異的主導因素，但在生態保護和社會經濟發展用地需求的調控下，土地利用沖突在小尺度上的隨機變異程度不斷加大，從而降低了自然因素對土地利用沖突的影響。

（3）生態系統服務價值與土地利用沖突之間存在空間正相關，而生態風險與土地利用沖突之間則存在顯著的空間負相關關系。

（4）2030年烏魯木齊市各土地利用類型面積總體呈現“三升三降”的變化趨勢，建設用地、林地、水域面積持續增加，草地、耕地、未利用地面積持續減少。無沖突、輕度沖突區面積占比最大，高度、重度沖突區有所增加，且高度沖突區增幅最大。