張云霞, 高敏華, 孜比布拉·司馬義

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830046; 3.智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046)

1978年至今，國民經(jīng)濟增長推動中國城鎮(zhèn)化與工業(yè)化發(fā)展，促使土地利用效率大大提升，但引發(fā)一系列國土空間沖突問題，影響到人地關(guān)系、生態(tài)安全與土地資源優(yōu)化配置[1]，因而優(yōu)化國土空間開發(fā)格局、建立科學(xué)的空間規(guī)劃體系、統(tǒng)籌兼顧城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)3類空間可持續(xù)發(fā)展成為國土空間亟待攻克的難題[2]。黨的十八大報告指出“要優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，生產(chǎn)空間集約高效，生活空間宜居適宜，生態(tài)空間山清水秀”，使得“三生空間”成為國土空間規(guī)劃的新方向[3]；2015年，以完善健全市縣空間規(guī)劃體系為目標(biāo)，國家發(fā)展改革委和國家測繪地信局提出3類空間理論，相較于“三生空間”，3類空間易于劃定與實施管理。2017年國務(wù)院印發(fā)《全國國土規(guī)劃綱要(2016—2030年)》，為規(guī)范國土空間開發(fā)格局明確城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)3類空間開發(fā)管制體系[4]。

目前，針對國土空間規(guī)劃的大量研究聚焦于“三生空間”，而對3類空間分類、格局異質(zhì)性及演變特征研究較少且處于初步階段。趙筱青等[2]從土地功能空間分類入手研究撫仙湖流域3類空間的分類體系，并為國土空間優(yōu)化提供科學(xué)對策。閏記影[5]以“多規(guī)合一”為指導(dǎo)借助地理空間信息對墊江縣3類空間劃定展開研究。鄭明波等[6]結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計與定性、定量方法對來賓市港產(chǎn)城新區(qū)3類空間進行劃定，為國土空間規(guī)劃提供參考。3類空間的分類體系通過功能空間分類與量化識別2種方法建立，后者以土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)根據(jù)土地利用功能進行分類，前者通過建立指標(biāo)體系完成城鎮(zhèn)、生態(tài)、農(nóng)業(yè)空間的量化識別，但由于區(qū)域差異性不適用所有地區(qū)[7]。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，人類對空間資源占據(jù)主導(dǎo)性，多種社會需求在空間資源利用產(chǎn)生的利益沖突是導(dǎo)致空間沖突形成的根本[8]。趙旭[9]以昌黎縣為研究區(qū)，將國土空間劃分為生產(chǎn)生活空間、生產(chǎn)生態(tài)空間、生態(tài)生產(chǎn)空間與生態(tài)空間4種類型，通過構(gòu)建沖突測度模型對研究區(qū)進行沖突強度分析。周德等[10]以環(huán)杭州灣城市群為研究對象通過計算空間沖突綜合指數(shù)將土地利用空間沖突等級劃分為一般沖突、輕度沖突、中度沖突及重度沖突并分析空間沖突格局演變特征。近年來有多種模型應(yīng)用于土地利用動態(tài)模擬，包括CA模型[11]、Markov模型[12]、CLUE-S模型與FLUS模型[13]，其中CA模型利于模擬土地利用空間位置變化狀態(tài)，Markov模型應(yīng)用于長時間序列研究，結(jié)合二者優(yōu)勢的CA-Markov模型用途更為廣泛[14]。目前有關(guān)研究多以中國中、東部區(qū)域為主，對西北干旱區(qū)，綠洲縣域關(guān)注度較低。因此，本文選取新疆麥蓋提縣為研究對象，基于土地利用數(shù)據(jù)探討3類空間格局變化特征，通過景觀格局指數(shù)構(gòu)建空間沖突模型分析2009—2019年不同級別沖突強度布局特征，運用CA-Markov模型預(yù)測2024年3類空間格局并分析空間布局與沖突水平變化，為西北干旱區(qū)國土空間合理布局、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

麥蓋提縣位于新疆維吾爾自治區(qū)南部，地處塔克拉瑪干沙漠西南邊緣、喀喇昆侖山北麓、葉爾羌河中游，降水量為43.1 mm，是塔克拉瑪干沙漠西部的一片綠洲。位于葉爾羌河流域5個縣的中心，是毗鄰葉爾羌河中游的一顆明珠，有“小金三角”之稱。麥蓋提縣是離沙漠最近的一個縣，直面土地沙漠化的威脅，沙地面積占土地總面積的80.48%，下轄10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及恰斯農(nóng)場、縣園藝場、縣五一林場，縣域內(nèi)土層深厚，以沙壤土為主，是自治區(qū)棉花種植比重最大的縣，典型的干旱大陸性氣候，全年熱量豐富，日照充足，氣溫年變幅和晝夜溫差大。根據(jù)社會發(fā)展統(tǒng)計公報，2009年和2019年麥蓋提縣國內(nèi)生產(chǎn)總值分別為15.08和58.28億元，2009年全縣總?cè)丝?0.77萬人，少數(shù)民族占88%，城鎮(zhèn)化率20%；2019年總?cè)丝跒?3.70萬人，少數(shù)民族占92.7%，城鎮(zhèn)化率30%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由2009，2014和2019年麥蓋提縣土地利用變更數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，數(shù)據(jù)來源于麥蓋提縣自然資源局；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計年鑒》；2009—2019年統(tǒng)計公報來源于麥蓋提縣統(tǒng)計局；麥蓋提縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)來源于麥蓋提縣自然資源局。

分析3類空間時空分異特征需要將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)空間可視化，對相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影為坐標(biāo)系統(tǒng)CGCS2000，采樣為相同分辨率30 m×30 m，數(shù)據(jù)完全重合使得數(shù)據(jù)行、列數(shù)相同。通過ArcGIS 10.3將2009，2014和2019年土地數(shù)據(jù)根據(jù)空間分類體系可視化，利用轉(zhuǎn)換工具將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 3類空間分類 3類空間的研究處于探索階段，其分類體系未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合麥蓋提縣土地利用實際情況，借鑒趙筱青等[2]、魏偉等[15]、巴里坤縣3類空間格局劃分成果基于土地利用主導(dǎo)功能將國土空間劃分為城鎮(zhèn)空間、農(nóng)業(yè)空間與生態(tài)空間。城鎮(zhèn)空間以城鎮(zhèn)建設(shè)與城鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展為主要功能；農(nóng)業(yè)空間以農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與農(nóng)村生活為主要功能；生態(tài)空間主要以提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、保護生態(tài)環(huán)境、維護物種多樣性為主要功能，是城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)空間發(fā)展的基礎(chǔ)。分類結(jié)果如表1所示。

表1 麥蓋提縣土地利用類型主導(dǎo)功能識別

2.2.2 構(gòu)建空間沖突測度模型 對土地利用空間沖突的研究方法有博弈論、PSR模型與景觀生態(tài)學(xué)等，其中景觀生態(tài)學(xué)方法基于景觀指數(shù)構(gòu)建沖突評估模型直觀表達空間沖突變化特征與景觀環(huán)境的變化從而得到廣泛應(yīng)用?；诳臻g系統(tǒng)的復(fù)雜性、脆弱性及穩(wěn)定性本文使用景觀生態(tài)指數(shù)構(gòu)建沖突評價模型，根據(jù)研究范圍、數(shù)據(jù)類型等特點選擇750 m×750 m格網(wǎng)劃分沖突評價的空間單元，將研究區(qū)劃分為3 033個評價單元，把位于研究范圍邊界區(qū)域的未飽和單元按照完整單元面積計算?？臻g沖突綜合水平數(shù)學(xué)公式[9]可表達為：

SCCI=SCI+SFI+SSI

(1)

式中：SCCI為空間沖突綜合水平指數(shù)； SCI為復(fù)雜性指數(shù)； SFI為脆弱性指數(shù)； SSI為穩(wěn)定性指數(shù)。

(1) 3類空間復(fù)雜性指數(shù)(SCI)。城鎮(zhèn)化進程中人類的土地開發(fā)與擴張活動加大對地理空間的干擾程度從而使景觀斑塊形狀趨于復(fù)雜與破碎化引發(fā)空間利用沖突。借鑒景觀生態(tài)指數(shù)中的面積加權(quán)平均拼塊分形指數(shù)(AWMPFD)用于評測空間景觀斑塊復(fù)雜程度，表征鄰域景觀斑塊對評價景觀斑塊的影響程度。數(shù)學(xué)表達式[9]如下：

(2)

式中：Pij表示i類空間類型第j個斑塊的周長;aij表示i類空間類型第j個斑塊的面積;i表示斑塊的空間類型;j表示斑塊數(shù)量;A表示單元面積;m表示研究區(qū)域劃分的評價單元數(shù)量;n表示空間類型的種類。

(2) 3類空間脆弱性指數(shù)(SFI)。地理空間系統(tǒng)脆弱性由空間景觀斑塊抵抗外界干擾能力決定，不同空間類型對外界的干擾力度隨時間而變化。參考張龍等的研究[16]，對各空間類型賦予脆弱度指數(shù)：城鎮(zhèn)空間1，農(nóng)村生活空間1，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間2，綠色生態(tài)空間3，其他生活空間4。數(shù)學(xué)表達式如下：

(3)

式中：Fi表示i類空間類型的脆弱度指數(shù);ai表示單元內(nèi)各類空間面積;A表示單元面積;n表示空間類型數(shù)量,n=5。

(3) 3類空間穩(wěn)定性指數(shù)(SSI)。土地空間單元穩(wěn)定性借鑒景觀破碎度指數(shù)來測算，研究區(qū)域內(nèi)空間單元越破碎則空間穩(wěn)定性越弱從而加劇空間沖突強度導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)不平衡。數(shù)學(xué)表達式如下：

(4)

式中：A表示空間單元面積;n表示空間單元內(nèi)斑塊數(shù)量; PD景觀破碎度指數(shù), PD值越大空間景觀破碎度越高而穩(wěn)定性越差; PDmax，PDmin表示景觀破碎度指數(shù)最小值、最大值。

通過計算各空間單元內(nèi)相關(guān)指數(shù)得出空間沖突綜合指數(shù)，在測算過程中將各指數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理0～1。根據(jù)已有研究沖突強度拋物線發(fā)展規(guī)律的倒“U”型曲線模型，將沖突強度通過等間距法劃分為[0.0，0.2]，(0.2，0.4]，(0.4，0.6]，(0.6，0.8]，(0.8，1.0] 5個區(qū)間，以此作為空間沖突強度的低空間沖突、較低空間沖突、中等空間沖突、較高空間沖突、高空間沖突5個強度級別。

2.2.3 CA-Markov模型

(1) CA模型。CA模型是一種在離散狀態(tài)下以時間、空間為維度模擬復(fù)雜空間系統(tǒng)時空演變的動力學(xué)模型，數(shù)學(xué)表達式如下[19]：

St+1=f(St,n)

(5)

式中：S表示元胞有限、離散的狀態(tài)集合;n表示元胞的領(lǐng)域;t,t+1表示不同時間;f表示局部轉(zhuǎn)換規(guī)則。

(2) Markov模型。通過數(shù)學(xué)模型的概率論方法分析不同時間尺度的矩陣變化并根據(jù)演變的特征規(guī)律估算未來的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。在模擬預(yù)測過程中以當(dāng)前時期空間狀態(tài)與空間結(jié)構(gòu)變化為基礎(chǔ)計算各類空間面積的轉(zhuǎn)移概率生成狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣進而模擬特定時間內(nèi)各類空間分布與變化情況，數(shù)學(xué)表達式[12]為：

An=An-1Pij

(6)

式中：An，An-1分別表示始末期各類空間狀態(tài);Pij表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣。狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣數(shù)學(xué)表達式為:

(7)

CA模型具備的復(fù)雜空間運算功能使得空間模擬效果更為直觀，通過高效分析各類空間的位置變化狀態(tài)從而模擬整個空間系統(tǒng)；Markov模型在時間尺度方面模擬各類空間的變化有明顯優(yōu)勢；結(jié)合兩者模型的時空尺度優(yōu)勢模擬2019年3類空間分布圖，通過精度檢驗便可預(yù)測2024年國土空間格局。

3 結(jié)果與分析

3.1 3類空間時空演變分析

基于空間分類體系，依托ArcGIS空間統(tǒng)計、重分類功能將各類空間進行可視化操作得到表2和圖1。

表2 研究區(qū)2009-2019年3類空間面積變化 hm2

由表2可知，2009年農(nóng)業(yè)空間84 670.06 hm2占總面積54.58%，生態(tài)空間次之所占比例44.43%，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間所占比例50.66%，綠色生態(tài)空間所占比例39.22%。2014年城鎮(zhèn)空間所占比例較2009年增加0.55%，農(nóng)業(yè)空間所占比例55.5%，生態(tài)空間所占比例減少至42.96%，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間與農(nóng)村生活空間面積均小幅增加、綠色生態(tài)空間與其他生態(tài)空間面積減少。2019年城鎮(zhèn)空間快速擴張，所占比例增加至2.95%，農(nóng)業(yè)空間面積占總面積69.25%，生態(tài)空間面積所占比例減少至27.8%，其中綠色生態(tài)空間減幅最大。由圖1可見，2009—2019年以農(nóng)業(yè)空間為主且面積逐年遞增，主要集中在央塔克鄉(xiāng)、吐曼塔勒鄉(xiāng)、尕孜庫勒鄉(xiāng)、克孜勒阿瓦提鄉(xiāng)，空間規(guī)模大、范圍廣泛呈連片狀分布；隨著富民安居工程的大力實施農(nóng)村生活空間逐年擴張；生態(tài)空間集中分布在葉爾羌河沿岸生態(tài)保護區(qū)和塔克拉瑪干沙漠防護林，呈現(xiàn)東南—西北遞減的趨勢且減幅大；城鎮(zhèn)空間面積所占比例小但增速最快，以麥蓋提鎮(zhèn)為中心、沿著重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積逐年擴大，分布格局由分散變?yōu)榫o湊集聚。

圖1 麥蓋提縣各類空間分布

3.2 空間沖突時空演變特征分析

根據(jù)公式計算空間沖突綜合指數(shù)，通過ArcGIS將空間沖突強度可視化從而分析其時空演變規(guī)律(圖2，表3)。

表3 麥蓋提縣3類空間沖突綜合指數(shù)

圖2 麥蓋提縣空間沖突水平布局

分析結(jié)果表明，2009年空間沖突強度以低空間沖突為主，空間沖突評價單元占總數(shù)的55.19%，主要分布在邊界區(qū)域、葉爾羌河沿岸生態(tài)保護區(qū)、塔克拉瑪干沙漠防護林、恰斯水庫等，呈塊狀連片集中布局、聚集度高；2014年空間沖突水平呈不同程度提高，以較低空間沖突為主，空間沖突評價單元占總數(shù)的42.43%，分布于各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；2019年空間沖突強度明顯增加，以中等空間沖突為主，評價單元占總數(shù)的56.71%，主要分布在中部和西南部平原區(qū)、西北部丘陵區(qū)以及東部生態(tài)空間區(qū)域。

3.3 麥蓋提縣2024年空間格局模擬預(yù)測分析

3.3.1 模型模擬與精度檢驗 以2014年3類空間布局?jǐn)?shù)據(jù)為基期數(shù)據(jù)，輸入2009—2014年轉(zhuǎn)移概率矩陣、時間迭代間隔設(shè)置為5并選擇5×5濾波器運行CA-Markov模塊，最終得到2019年空間分布模擬預(yù)測圖。以2019年空間分布數(shù)據(jù)為基期數(shù)據(jù)，輸入2014—2019年轉(zhuǎn)移概率矩陣并設(shè)置參數(shù)最終得到2024年空間分布模擬圖(圖3)。

圖3 研究區(qū)2019和2024年麥蓋提縣3類空間模擬

檢驗?zāi)Ｐ蛯臻g分布模擬是否達到精度要求，采用表征圖像之間一致性程度的kappa系數(shù)進行精度驗證。根據(jù)kappa系數(shù)劃分區(qū)間，kappa<0.4表示圖像之間一致性程度較低；0.4≤kappa<0.75表示圖像之間一致性程度一般；kappa≥0.75表示實際圖與模擬圖一致性較高。通過IDRISI軟件CROSSTAB工具導(dǎo)入2019年空間分類實際圖與模擬圖，得到kappa系數(shù)為0.795 8，依據(jù)其劃分區(qū)間表明模擬效果較好可用于未來各類空間分布模擬。

由圖3可知，2024年空間模擬圖相較于2019年變化顯著，其中城鎮(zhèn)空間與農(nóng)村生活空間呈擴張趨勢，城鎮(zhèn)空間以麥蓋提鎮(zhèn)為中心向四周延伸，農(nóng)村生活空間圍繞各個鄉(xiāng)農(nóng)村居民點、農(nóng)村道路擴展，其他3種空間類型以不同幅度減少。由表4可知，2024年各類空間面積所占比例排序為:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間>綠色生態(tài)空間>農(nóng)村生活空間>城鎮(zhèn)空間>其他生態(tài)空間，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間占總面積的63.08%，其他生態(tài)空間所占比例最少僅有3.61%。與2019年相比，2024年城鎮(zhèn)空間與農(nóng)村生活空間分別增加了2 981.20和5 994.18 hm2，綠色生態(tài)空間面積下降幅度最大、減量為5 819.91 hm2。

表4 研究區(qū)2019-2024年空間類型面積變化 hm2

3.3.2 2024年空間沖突水平特征分析 根據(jù)公式計算2024年空間沖突綜合指數(shù)并將其可視化，其中低空間沖突單元個數(shù)為280個，所所占比例例9.23%；較低空間沖突單元個數(shù)為440個，所所占比例例14.51%；中等空間沖突單元個數(shù)為1 827個，所所占比例例60.24%；較高空間沖突單元個數(shù)為451個，所所占比例例14.87%；高空間沖突單元個數(shù)為35個，所所占比例例1.15%。由此得出2024年以中等空間沖突、較高空間沖突為主。圖4顯示研究區(qū)北部的鄉(xiāng)村分布較高空間沖突單元，南部的鄉(xiāng)村以中等空間沖突為主，由于高質(zhì)量耕地主要分布在央塔克鄉(xiāng)、吐曼塔勒鄉(xiāng)、尕孜庫勒鄉(xiāng)、克孜勒阿瓦提鄉(xiāng)、庫爾瑪鄉(xiāng)等區(qū)域，隨著人類活動對耕地的開發(fā)利用加劇了與生態(tài)空間的矛盾。

圖4 麥蓋提縣2024年空間沖突水平布局

4 結(jié) 論

(1) 2009—2019年3類空間呈現(xiàn)“兩增一減”的變化動態(tài)，城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)空間面積呈逐年遞增趨勢，城鎮(zhèn)空間2009—2014年增長緩慢2014—2019年增幅較大；農(nóng)業(yè)空間呈穩(wěn)定逐年增長趨勢，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間面積增加最快；生態(tài)空間面積減少最多，由68 954.98 hm2減少至43 132.89 hm2。

(2) 2009—2019年空間沖突強度由低向高趨勢發(fā)展，中等空間沖突、較高空間沖突與高空間沖突評價單元逐年增加，低空間沖突與較低空間沖突評價單元逐年遞減。其中變化最大的中等空間沖突評價單元所占比例增加50.41%；其次是低空間沖突評價單元所占比例減少44.48%。工業(yè)園區(qū)、葉爾羌水利樞紐工程和飲水安全工程的建設(shè)加劇農(nóng)業(yè)空間與生態(tài)空間的土地利用沖突矛盾，導(dǎo)致空間趨于復(fù)雜、破碎度提高從而沖突程度增強。

(3) 2024年各類空間布局變化趨勢與2009—2014年、2014—2019年一致，城鎮(zhèn)空間與農(nóng)村生活空間面積增加，其他3種空間面積減少?？臻g沖突綜合指數(shù)表明2024年麥蓋提縣沖突強度整體增強，第一產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的動態(tài)變化間接推動了各類空間的相應(yīng)變化，對空間沖突水平產(chǎn)生一定影響。

隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展與人口數(shù)量增加對國土空間結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化提出挑戰(zhàn)，空間類型的轉(zhuǎn)換對當(dāng)?shù)嘏c周圍區(qū)域的經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，因此要對國土空間進行統(tǒng)籌規(guī)劃，既要保障研究區(qū)中心城區(qū)、工業(yè)園區(qū)、城東新區(qū)和北部新城建設(shè)的用地需求又要守住基本農(nóng)田保護區(qū)也要嚴(yán)格保護自然生態(tài)空間。本文基于前人研究并結(jié)合了研究區(qū)實際特征，影響土地空間類型變化的因素是多種多樣，從宏觀與微觀兩方面選取影響因素進行分析是今后需要充實的內(nèi)容；預(yù)測模型是通過IDRISI軟件實現(xiàn)，在操作過程中矢量轉(zhuǎn)柵格、柵格轉(zhuǎn)ASCII格式頻繁，在分析處理過程中易增加誤差率，克服軟件缺點是未來軟件應(yīng)用需要改進的內(nèi)容。