張芊芊，邵戰(zhàn)林，林娟，孟玲

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，烏魯木齊市，830052；2.新疆自然資源規(guī)劃研究院，烏魯木齊市，830001；3.新疆第二測(cè)繪院，烏魯木齊市，830001)

0 引言

隨著環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展觀點(diǎn)的提出，不同用地功能的相關(guān)研究開始受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注[1-3]。自此，基于生態(tài)保護(hù)視角下“三生空間”的相關(guān)研究開始顯現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)“三生空間”的研究具有跨多學(xué)科領(lǐng)域以及研究尺度廣泛的特點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容主要集中在理論架構(gòu)、“三生空間”劃定等方面[4-7]。

隨著國(guó)外“土地利用/覆被變化”研究萌芽的逐漸顯現(xiàn)，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者將其引入[8-9]。最初國(guó)內(nèi)對(duì)其概念認(rèn)識(shí)都是基于對(duì)“土地利用/覆被變化”研究而開始[10-14]。學(xué)者龍花樓[15-16]針對(duì)土地利用轉(zhuǎn)型的內(nèi)涵進(jìn)行更為深入的解讀，在城市社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展與更替的催化下，在特定的區(qū)域和時(shí)期內(nèi)，某種土地經(jīng)歷人為活動(dòng)使得土地變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過程。

目前，國(guó)內(nèi)外已有的研究成果為本研究構(gòu)建“三生”空間土地利用分類體系提供了有益的借鑒和基礎(chǔ)，但這些研究成果仍有不足之處[17-19]。一是，大部分有關(guān)土地利用變化的研究成果其尺度多以較大的流域以及地區(qū)，或較小的縣以及鎮(zhèn)為例，以大中尺度的城市為研究區(qū)域的成果較少[20-22]；二是，大部分研究在對(duì)用地功能轉(zhuǎn)型進(jìn)行分區(qū)時(shí)，僅以單一的利用類型為主，對(duì)用地的多功能性缺乏認(rèn)識(shí)[23-25]；三是，從國(guó)內(nèi)研究成果中選擇的區(qū)域來看，主要以東部沿海地區(qū)城市群、海岸帶或中部山區(qū)、丘陵區(qū)等作為研究區(qū)域，以西北地區(qū)城市作為研究區(qū)域的成果較少[26-29]。因此，本研究基于“三生空間”視角下，以西北部綠洲城市烏魯木齊市為例，探究其土地利用功能轉(zhuǎn)型的時(shí)空演變特征，并提出可供參考的優(yōu)化建議。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于中國(guó)西北部干旱區(qū)新疆維吾爾自治區(qū)的北部，2018年烏魯木齊城市人口激增至222.26萬人，導(dǎo)致城市用地需求迅速增加，在一定程度上導(dǎo)致中心城區(qū)界限不斷地向外延伸，建成區(qū)面積增至458.36 km2，城市內(nèi)外土地利用變化程度日益顯著。受地形地貌、氣候及水資源的限制，2018年烏魯木齊水資源總量為1.085×109m3，地表水為1.031×109m3，可開采的地下水極其少。另外，人居及工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加重城市土地壓力，2018年城市污水排放量達(dá)到2.36×108m3，工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量達(dá)到9 763.6 kt，加之土壤易受破壞、侵蝕以及土地易受各種因素的影響，導(dǎo)致理化性狀發(fā)生改變，使得土地的綜合生產(chǎn)潛力下降、自然資源環(huán)境污染、自然災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性下降等矛盾日益顯現(xiàn)。此外，局部區(qū)域土地荒漠化和生態(tài)環(huán)境脆弱的狀況仍然較為嚴(yán)重，維護(hù)土地生態(tài)環(huán)境的壓力日益增大。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要來源于2004、2011、2018年的Landsat遙感影像。應(yīng)用ENVI 5.3在幾何校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上，采用面向?qū)ο蠼庾g軟件eCognition對(duì)影像進(jìn)行解譯，獲取其研究區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.5隨機(jī)選取100個(gè)點(diǎn)，通過計(jì)算Kappa系數(shù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)得出結(jié)果達(dá)到85%以上，符合研究需要。

建立合理的“三生空間”是支撐研究的基礎(chǔ)，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和土地生態(tài)環(huán)境相互影響下形成巨大、復(fù)雜且多變的系統(tǒng)，其包涵多種功能[30]。由于人們生產(chǎn)生活的需要導(dǎo)致土地利用的方式及強(qiáng)度各有不同，使得土地呈現(xiàn)出“生產(chǎn)—生活—生態(tài)”三種功能[31]?；诖?，本研究主要以參考2017年《土地利用現(xiàn)狀分類》、以烏魯木齊市的土地利用主導(dǎo)功能以及秦方、戴文遠(yuǎn)等相關(guān)研究為依據(jù)，確定其分類體系[32-34]，如表1所示。

表1 基于“三生”功能的烏魯木齊市土地利用分類體系

2 “三生空間”用地功能時(shí)序分析指標(biāo)

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型

在特定的時(shí)間段內(nèi)，該模型主要用來表示分類體系內(nèi)，各類用地在不同時(shí)間段內(nèi)互換的方向以及數(shù)量，利用ArcGIS軟件對(duì)特定的兩個(gè)年份采用匯總、空間疊加等技術(shù)進(jìn)行處理，反映出烏魯木齊市在研究時(shí)段內(nèi)土地利用在空間維度的轉(zhuǎn)換情況，如式(1)所示。

(1)

式中：S——面積；

n——土地利用類型的數(shù)量；

i——研究初期的土地利用類型；

j——研究末期的土地利用類型。

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

2.2.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

利用該模型用來測(cè)算分類體系內(nèi)，烏魯木齊市某類功能用地在不同時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)型速度，如式(2)所示。

(2)

式中：K——整個(gè)時(shí)段內(nèi)某類功能用地的動(dòng)態(tài)度；

Ua——研究區(qū)域初期某類功能用地的面積；

Ub——研究區(qū)域末期某類功能用地的面積；

T——研究初期至末期的時(shí)段長(zhǎng)度。

2.2.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

利用該模型用來測(cè)算烏魯木齊市某一用地類型在所有時(shí)間段內(nèi)的變化速度，如式(3)所示。

(3)

式中：LC——某一用地類型的綜合動(dòng)態(tài)度；

LUij——研究初期i類用地類型轉(zhuǎn)移為后期j類用地類型的面積；

LUi——研究初期i類用地類型面積。

2.3 土地利用開發(fā)及耗減度

2.3.1 土地利用開發(fā)度

利用該模型測(cè)算烏魯木齊市某一功能用地在不同研究時(shí)段實(shí)際新開發(fā)的程度，如式(4)所示。

(4)

式中：LUD——某一用地類型的開發(fā)度；

Dab——研究初期至末期某一功能用地的轉(zhuǎn)入量。

2.3.2 土地利用耗減度

利用該模型測(cè)算烏魯木齊市某一用地類型在不同研究時(shí)段被實(shí)際耗損的程度，如式(5)所示。

(5)

式中：LUC——某一功能用地的耗減度；

Cab——研究初期至末期某一類功能用地的轉(zhuǎn)出量。

3 結(jié)果與分析

3.1 “三生”用地轉(zhuǎn)型時(shí)序演變特征分析

3.1.1 “三生空間”各類功能用地轉(zhuǎn)移方向分析

利用ArcGIS軟件得到烏魯木齊市3個(gè)時(shí)期土地利用主導(dǎo)功能用地轉(zhuǎn)型的方向和數(shù)量，對(duì)不同時(shí)期用地類型的功能轉(zhuǎn)型變化展開分析。

為了深入探析烏魯木齊市“三生”用地功能轉(zhuǎn)型的特征，基于表2數(shù)據(jù)構(gòu)建“三生”用地轉(zhuǎn)移矩陣，如表3所示，烏魯木齊市生活生產(chǎn)空間增加主要是來自于對(duì)生態(tài)空間和生產(chǎn)生態(tài)空間的占用。在其空間內(nèi)居住用地對(duì)未利用地、耕地、草地、園地的占用面積分別為194.82 km2、131.43 km2、22.68 km2和18.47 km2，且居住用地占用未利用地、耕地、園地面積隨時(shí)間推移呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，以2011年為節(jié)點(diǎn)居住用地占用未利用地(由前期的15.82%增加為后期的17.97%)的面積(東北方向的米東區(qū)、部分水磨溝區(qū)的未利用地)和耕地(由前期的10.45%增加為后期的18.12%)的面積迅速增加(主要占用范圍包括城市的西北方向頭屯河區(qū)、新市區(qū)北部的耕地)。15年間工交用地的增加主要來自于對(duì)未利用地、耕地的占用，分別為110.73 km2、33.23 km2。生態(tài)生產(chǎn)空間規(guī)模的增加主要來自對(duì)濕地和工交用地的占用(面積分別為13.33 km2和10.39 km2)，生產(chǎn)生態(tài)空間規(guī)模增加主要來自對(duì)未利用地的占用，面積為113.29 km2。

表2 2004—2018年烏魯木齊市土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

表3 2004—2018年烏魯木齊市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

綜上分析，作為西北地區(qū)城市化發(fā)展迅速的典型城市，15年來烏魯木齊市“三生”用地功能轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是生活生產(chǎn)空間呈持續(xù)蔓延的態(tài)勢(shì)，在一定程度上導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的各項(xiàng)功能不斷衰退；二是烏魯木齊市中心城區(qū)的規(guī)劃以控制城區(qū)南部為主，而規(guī)劃調(diào)整為輔；城區(qū)北部是城市未來向外擴(kuò)展的主要方向；城區(qū)西部根據(jù)發(fā)展實(shí)際用地需求適度調(diào)整；東部為預(yù)留空間。頭屯河區(qū)工業(yè)園、新市區(qū)和水磨溝區(qū)等區(qū)域因經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人口增長(zhǎng)的需要，不斷開發(fā)和建設(shè)，促使烏魯木齊市的“三生”功能轉(zhuǎn)型規(guī)模尤為顯著；三是“三生”用地功能轉(zhuǎn)型受規(guī)劃政策驅(qū)動(dòng)影響較大，后期烏魯木齊市規(guī)劃建設(shè)的米東化工園區(qū)、紅光山地區(qū)等一系列重點(diǎn)項(xiàng)目對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定帶來極大的挑戰(zhàn)。

3.1.2 “三生空間”各類用地轉(zhuǎn)型速度分析

根據(jù)上述研究可知，2004—2018年烏魯木齊市“三生”用地轉(zhuǎn)型變化明顯，因此，本研究以2004—2011年，2011—2018年兩個(gè)研究時(shí)段，測(cè)算整個(gè)時(shí)段內(nèi)的單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)。

如表4所示，有林地、居住用地以及工交用地在2004—2011年、2011—2018年這兩個(gè)時(shí)段均為正值，可得證這三類不同用地在2004—2018年均呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。其中工交用地在整個(gè)時(shí)段的單一動(dòng)態(tài)度最高為7.92%，其次是居住用地的單一動(dòng)態(tài)度為6.39%，表明在2004—2018年內(nèi)生活生產(chǎn)空間一直處于持續(xù)擴(kuò)張的狀態(tài)，隨著城市發(fā)展的步伐逐年加快，烏魯木齊市逐漸開始完善工交基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)烏魯木齊新客站、烏西至烏北聯(lián)絡(luò)線等鐵路建設(shè)項(xiàng)目，并且隨著人口的不斷增加，居住用地需求不斷擴(kuò)大導(dǎo)致其用地持續(xù)增長(zhǎng)。有林地在15年間的單一動(dòng)態(tài)度為正值(前期為3.51%，后期為0.13%)，說明有林地在15年間整體呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的狀態(tài)，后期增速有所放緩。

表4 2004—2018年烏魯木齊市土地利用動(dòng)態(tài)度

濕地、灌木林地、疏林地以及園地在2004—2018年間均由負(fù)轉(zhuǎn)正，可以證得這四類用地由減少轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲩L(zhǎng)的趨勢(shì)。但從整體來看濕地、灌木林地的變化速率很小，所以在整個(gè)時(shí)段的單一動(dòng)態(tài)度均呈現(xiàn)出負(fù)值，在2004—2018年，濕地的單一動(dòng)態(tài)度為-4.03%(前期為-8.14%，后期為1.70%)，灌木林地的單一動(dòng)態(tài)度為-1.69%(前期-6.89%，后期8.30%)，烏魯木齊市逐漸開始規(guī)劃和保護(hù)林地及濕地資源，并積極擴(kuò)大林地面積，可在一定程度上緩解生態(tài)壓力，但規(guī)模性林地生期長(zhǎng)，致使變化速率不明顯。濕地以控制其他用途土地占用為主，并以合理開采水源為前提擴(kuò)大湖水面積，進(jìn)而改善湖域周圍的生態(tài)環(huán)境，因此其動(dòng)態(tài)度變化不明顯。疏林地和園地的變化速率較大，整體呈現(xiàn)為正值，分別為1.08%、2.42%。

草地、未利用地、鹽田、耕地以及養(yǎng)殖水域均在前期為正值，后期為負(fù)值，可以證明這五類用地在15年間的下降幅度劇烈，其中養(yǎng)殖水域變動(dòng)幅度較大，總體來看為正值0.37%(前期為8.88%，后期為-4.79%)；2004—2018年生態(tài)空間中草地、未利用地的單一動(dòng)態(tài)度為-2.06%、-0.06%，其中草地變動(dòng)幅度較大，由前期的2.18%下降至后期的-5.14%；2004—2018年在生產(chǎn)生態(tài)空間中耕地單一動(dòng)態(tài)度為-1.11%(前期為2.03%，后期為-3.54%)可以驗(yàn)得耕地面積在15年間下降幅度較大。

為進(jìn)一步探討烏魯木齊市“三生”用地轉(zhuǎn)型變化情況，根據(jù)以上公式，計(jì)算烏魯木齊市2004—2011年，2011—2018年兩個(gè)研究時(shí)段的綜合土地利用轉(zhuǎn)型速度，如表5所示。

表5 2004—2018年烏魯木齊市綜合土地利用轉(zhuǎn)型速度

15年間烏魯木齊市的生態(tài)空間和生活生產(chǎn)空間中部分用地的轉(zhuǎn)型速度存在不同程度的下降，綜合動(dòng)態(tài)度下降明顯，可見烏魯木齊市其空間內(nèi)各類用地的轉(zhuǎn)型速度隨著時(shí)間的更迭而逐漸放緩，人居活動(dòng)對(duì)烏魯木齊市其空間內(nèi)各類用地功能的影響呈下降趨勢(shì)。其中，生態(tài)空間中的有林地、濕地、灌木林地和疏林地的綜合動(dòng)態(tài)度分別為4.84%、4.78%、3.77%、4.77%；生活生產(chǎn)空間中的居住用地和工交用地的綜合動(dòng)態(tài)度分別為1.75%、4.96%，這兩個(gè)空間在2004—2011年、2011—2018年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)都有不同程度的下降，尤其濕地、灌木林地的下降速度明顯，濕地前后期綜合動(dòng)態(tài)度分別為4.78%和2.84%，灌木林地前后期綜合動(dòng)態(tài)度分別為4.11%和2.86%?？傮w來看，在2004—2018年期間，烏魯木齊市生態(tài)生產(chǎn)空間以及生產(chǎn)生態(tài)空間中的各類用地呈現(xiàn)出不同程度的增長(zhǎng)狀態(tài)，其中生態(tài)生產(chǎn)空間中的養(yǎng)殖水域和鹽田的增長(zhǎng)速度最為顯著，綜合動(dòng)態(tài)度分別為5.31%和5.75%；另外，未利用地整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，綜合動(dòng)態(tài)度為0.80%。

3.1.3 “三生空間”各類用地開發(fā)度及耗減度分析

2004—2018年間烏魯木齊市有林地開發(fā)度明顯高于耗減度，前期處于上升狀態(tài)后期放緩；濕地、灌木林地和疏林地的開發(fā)度與耗減度相較，前后呈現(xiàn)出“急劇下降—快速上升”的“V”型變化趨勢(shì)，前期開發(fā)度低于耗減度，后期開發(fā)度快速增加而耗減度略微有所下降，整體來看濕地和灌木林地耗減度仍高于開發(fā)度，疏林地的開發(fā)度與耗減度基本持平；草地的開發(fā)度與耗減度相較前后呈現(xiàn)出“緩慢上升—急劇下降”的倒“V”型變化趨勢(shì)，前期開發(fā)度較耗減度緩慢上升，后期開發(fā)度驟降，整體來看草地開發(fā)度仍略低于耗減度；未利用地的開發(fā)度和耗減度一直處于基本持平狀態(tài)，如表6所示。

表6 烏魯木齊市生態(tài)空間土地利用開發(fā)度及耗減度

2004—2018年，烏魯木齊市養(yǎng)殖水域開發(fā)度和耗減度分別為6.04%、5.66%，兩者呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，開發(fā)度前后期呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢(shì)，由于后期耗減度快速上升，從整體來看養(yǎng)殖水域在近15年間基本持平；鹽田的開發(fā)度和耗減度分別為4.32%、6.13%，變化趨勢(shì)同養(yǎng)殖水域一致，但從整體來看耗減度較高，如表7所示。

表7 烏魯木齊市生態(tài)生產(chǎn)空間土地利用開發(fā)度及耗減度

2004—2018年，耕地的開發(fā)度前后期呈現(xiàn)出持續(xù)下降的狀態(tài)，而耗減度與之相反，整體來看其耗減度略微高于開發(fā)度，說明該類用地實(shí)際被耗減的速率要超過新開發(fā)的速率，可得出耕地受生態(tài)空間、生活生產(chǎn)空間中部分用地?cái)U(kuò)張的影響較大；園地的開發(fā)度和耗減度一直處于增長(zhǎng)的趨勢(shì)，尤其土地利用開發(fā)度急劇上升，但從整體來看園地的開發(fā)度占主導(dǎo)作用，說明這一期間該類用地實(shí)際更多用于新開發(fā)，如表8所示。

表8 烏魯木齊市生產(chǎn)生態(tài)空間土地利用開發(fā)度及耗減度

2004—2018年，烏魯木齊市居住用地的開發(fā)度和耗減度分別為8.26%、1.87%，工交用地的開發(fā)度和耗減度分別為13.22%、5.30%，總體來看，15年間居住用地和工交用地的開發(fā)度遠(yuǎn)高于耗減度，前后期這兩類用地的耗減度均下降，說明生活生產(chǎn)空間內(nèi)土地利用實(shí)際新開發(fā)速率逐漸超過被耗減速率，如表9所示。

表9 烏魯木齊市生活生產(chǎn)空間土地利用開發(fā)度及耗減度

3.2 “三生”用地轉(zhuǎn)型空間演變特征分析

3.2.1 “三生空間”用地功能重心轉(zhuǎn)移特征分析

本研究采用ArcGIS的空間分析功能，通過分析各類功能用地分布重心的變化情況，探尋各類用地功能的空間轉(zhuǎn)型特征。經(jīng)過對(duì)比研究初期和末期的各類功能用地的分布重心，從而推出整個(gè)時(shí)段內(nèi)烏魯木齊市土地利用的空間變化規(guī)律。因此，基于土地利用重心轉(zhuǎn)移模型測(cè)度烏魯木齊市“三生空間”的變化情況，將大范圍的區(qū)域分割為小范圍的區(qū)域，依據(jù)不同功能用地類型的布局情況、地形特征設(shè)定每一小范圍區(qū)域幾何中心的地理坐標(biāo)，橫縱坐標(biāo)分別乘以其小范圍區(qū)域內(nèi)某一功能用地的面積，之后累加并除以整個(gè)研究區(qū)域某一功能用地的總面積。模型表示如式(6)所示。

(6)

h——某小范圍內(nèi)區(qū)域的平面單元個(gè)數(shù)；

(Xq，Yq)——第q個(gè)單元的地理中心坐標(biāo)；

Zq——平面單元的某用地功能的面積。

重心移動(dòng)距離

(7)

式中：Dm——基礎(chǔ)年份的重心與另一節(jié)點(diǎn)年份重心之間的直線距離。

以烏魯木齊市小區(qū)域圖斑為基本單元，利用ArcGIS軟件，通過重心轉(zhuǎn)移模型對(duì)不同時(shí)段的各類功能用地進(jìn)行分析，計(jì)算出不同年份各功能用地的重心。

如圖1所示，生態(tài)空間內(nèi)六類用地的重心基本落在烏魯木齊縣東北方向、達(dá)坂城區(qū)西北方向以及水磨溝東南方向，2004—2018年間有林地、疏林地以及灌木林地重心較為集中，大致向西南方向偏移，在2004—2011年間由于前期人類活動(dòng)頻繁，因此偏移距離較大，后期該區(qū)域山脈、森林等自然資源位置的天然固定性起主導(dǎo)作用，加之生態(tài)意識(shí)以及環(huán)境保護(hù)措施的不斷增強(qiáng)，偏移距離逐漸縮小。2004—2018年間草地的重心逐漸從東部方向偏移到西北方向，受地形影響，主要分布在山地平緩處，后期為西北方向的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)以及城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展建立起較為穩(wěn)定的生態(tài)屏障。濕地在前期偏移幅度最大，向達(dá)坂城區(qū)西北部邊緣迅速偏移，前期城市擴(kuò)張，為滿足城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的需要，濕地面積急劇縮小，后期在2011—2018年間，城市已初定規(guī)模，為城市未來可持續(xù)發(fā)展而考慮，生態(tài)環(huán)境作為城市發(fā)展的重要地帶，濕地作為生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)的重要因素應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，尤其對(duì)烏拉泊濕地、青格達(dá)湖濕地、柴窩堡湖濕地以及位于達(dá)坂城的白楊河中游等濕地實(shí)施保護(hù)，濕地后期偏移距離大幅縮小并有向東南方向偏移的趨勢(shì)。

圖1 2004—2018年烏魯木齊市各功能用地重心動(dòng)態(tài)變化

生態(tài)生產(chǎn)空間內(nèi)養(yǎng)殖水域重心在米東區(qū)北部，2004—2011年養(yǎng)殖水域的重心由米東區(qū)西部向東北方向偏移，后期開始向東南方向偏移，且偏移距離逐漸變大，主要原因是受南部地形的限制，生活生產(chǎn)空間向北部轉(zhuǎn)移，工交用地逐漸向米東區(qū)外圍擴(kuò)張，致使養(yǎng)殖水域逐漸偏向米東區(qū)東北部周圍。因受鹽湖等水域資源的固定性以及開發(fā)力度較小等因素的影響，15年間鹽田的重心都在達(dá)坂城區(qū)的西南方向，略微有向西北方向偏移的趨勢(shì)。

生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)耕地和園地的重心偏移距離都較小，耕地重心落在沙依巴克區(qū)西北部，2004—2011年由西北部邊緣逐漸向東南方向偏移，后期逐漸重心軌跡反向偏移，因耕地在前期開發(fā)度較高，且后期耗減度大幅提高，導(dǎo)致重心出現(xiàn)反向偏移。園地重心在米東區(qū)西北部，后期逐漸向西南方向偏移，根據(jù)土地利用動(dòng)態(tài)度變化分析結(jié)果可知，后期園地開發(fā)度急劇增加，明顯開發(fā)程度較耗減度增大，因此后期重心偏移軌跡幅度變大。

生活生產(chǎn)空間內(nèi)居住用地的重心在新市區(qū)、沙依巴克區(qū)、天山區(qū)以及水磨溝區(qū)的交匯中心，2004—2018年間偏移距離較小，前期向北部轉(zhuǎn)移，后期略微向南偏移，整體偏移幅度不大，說明居住用地布局較為均勻，并且城市擴(kuò)張速度有向西北方向蔓延的趨勢(shì)。工交用地在前后期的重心偏移距離都較小，前期向水磨溝區(qū)西北邊緣偏移，后期沿周圍向新市區(qū)與沙依巴克區(qū)交匯處的西南方向偏移，從整體來看工交用地較為分散，重心主要偏向居住用地與城市中心附近。

3.2.2 “三生”用地功能空間轉(zhuǎn)型特征分析

將2004年、2011年、2018年三期數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，不僅可以反映研究時(shí)段內(nèi)各功能用地的數(shù)量變化和空間分布及演變過程。結(jié)合土地利用變化的空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，探尋各類功能用地在空間維度上的擴(kuò)張(收縮)強(qiáng)度，該模型反映在研究時(shí)段的某一空間單元內(nèi)，城市在利用土地的過程中向外擴(kuò)張的面積及占比，指數(shù)越大，表示擴(kuò)展強(qiáng)度越大，模型表示如式(8)。

(8)

式中：UII——擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；

ULAl,t+p、ULAl,t——空間單元l在t+p以及t年時(shí)某土地利用類型的面積；

TLAl——空間單元l的總面積。

測(cè)算結(jié)果如表10所示，2004—2018年，生態(tài)空間內(nèi)的有林地和生活生產(chǎn)空間內(nèi)的居住用地和工交用地的擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)均為正值，說明該類用地在15年間均表現(xiàn)為空間持續(xù)擴(kuò)展的趨勢(shì)；生態(tài)空間內(nèi)的濕地、灌木林地、疏林地和生產(chǎn)生態(tài)空間的園地表現(xiàn)為先收縮，后擴(kuò)展的空間變化趨勢(shì)；生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)的耕地、生態(tài)生產(chǎn)空間以及生態(tài)空間內(nèi)的草地、未利用地在15年間的空間變化特征呈現(xiàn)為先擴(kuò)展、后收縮的空間變化趨勢(shì)。烏魯木齊市在15年間的空間擴(kuò)展強(qiáng)度較低，整體都出現(xiàn)緩慢變化的狀態(tài)。其中，生活生產(chǎn)空間的居住用地的擴(kuò)展強(qiáng)度最高，前期為0.09%，后期為0.19%；生態(tài)空間內(nèi)的草地收縮強(qiáng)度最大，前期為0.12%，后期為-0.32%。

表10 烏魯木齊市土地利用空間分異指數(shù)

分別提取2004年、2011年、2018年三個(gè)時(shí)期烏魯木齊市“三生”用地?cái)?shù)據(jù)層，在軟件平臺(tái)Arcgis10.5 中形成疊合圖，以便反映出2004—2018年間烏魯木齊市這“三生”用地的空間變化規(guī)律。

如圖2所示，2004—2018年生態(tài)空間布局是以2004年的生態(tài)空間的各類用地圖像為基底，疊加2011年和2018年兩期生態(tài)空間的各類用地圖像。15年間生態(tài)空間在空間維度上變化幅度較小，呈現(xiàn)出由城市中心向外輻射擴(kuò)散的趨勢(shì)，占比從2004年的90.52%降低至2018年的88.08%。如圖3所示，生態(tài)生產(chǎn)空間布局是以2004年的生態(tài)生產(chǎn)空間的各類用地圖為基底，疊加2011年和2018年兩期生態(tài)空間的各類用地圖像，生態(tài)生產(chǎn)空間均表現(xiàn)為零星分布，并無一定規(guī)律的收縮和擴(kuò)張，且變化范圍較大，從2004—2018年的擴(kuò)張速度基本維持不變，占比穩(wěn)定在0.2%。

圖2 2004—2018年烏魯木齊市生態(tài)空間布局

圖3 2004—2018年烏魯木齊市生態(tài)生產(chǎn)空間布局

如圖4所示，2004—2018年的生產(chǎn)生態(tài)空間布局圖是以2004年的生產(chǎn)生態(tài)空間的各類用地圖為基底，疊加2011年和2018年兩期生產(chǎn)生態(tài)空間的各類用地圖像。生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)耕地和園地從2004—2018年間逐漸趨于集中，面積明顯縮小，15年間整體集中在頭屯河區(qū)、新市區(qū)、米東區(qū)北部和沙依巴克區(qū)的西南部、烏魯木齊縣的東北部，后期在達(dá)坂城區(qū)零星分布，生產(chǎn)生態(tài)空間內(nèi)耕地的占比由2004年的5.35%降至2018年的4.46%；園地的占比由2004年的0.84%增至2018年的1.14%。

圖4 2004—2018年烏魯木齊市生產(chǎn)生態(tài)空間布局

如圖5所示，2004—2018年生活生產(chǎn)空間布局是以2004年的生活生產(chǎn)空間的各類用地圖為基底，疊加2011年和2018年兩期生活生產(chǎn)空間的各類用地圖像。生活生產(chǎn)空間逐漸趨于集中，空間占比由2004年的3.34%增加至6.11%，2004—2018年擴(kuò)張的主要區(qū)域分布在西北部(頭屯河南部、米東區(qū)西南部、烏魯木齊縣北部、水磨溝區(qū)西部)，15年間烏魯木齊市對(duì)老城區(qū)以實(shí)施更新改造為重點(diǎn)，進(jìn)行城北新區(qū)開發(fā)建設(shè)、以高鐵片區(qū)、紅光山國(guó)際會(huì)展中心、空港片區(qū)、米東片區(qū)、頭屯河片區(qū)為重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域，發(fā)展生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)用地布局調(diào)整，建設(shè)工業(yè)園區(qū)及其他開發(fā)區(qū)發(fā)展用地，并且為了完善城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建設(shè)高鐵新客站，并對(duì)國(guó)際機(jī)場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)建等重點(diǎn)項(xiàng)目工程的實(shí)施，成為生活生產(chǎn)空間持續(xù)擴(kuò)張的原因之一。

圖5 2004—2018年烏魯木齊市生活生產(chǎn)空間布局

4 結(jié)論

基于“三生空間”視角下，以烏魯木齊市作為研究區(qū)域，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和空間統(tǒng)計(jì)法，探討西北干旱區(qū)綠洲城市烏魯木齊市的土地利用功能轉(zhuǎn)型的時(shí)空演變特征，系統(tǒng)梳理“三生空間”內(nèi)各類用地在不同時(shí)間和空間維度內(nèi)的協(xié)調(diào)與平衡問題，并提出可供參考的建議，主要結(jié)論如下：

1)從轉(zhuǎn)型時(shí)序變化來看，烏魯木齊市生態(tài)空間在2004—2018年間整體規(guī)模持續(xù)下降，疏林地和有林地土地利用動(dòng)態(tài)度呈正值，開發(fā)度分別為6.17%、7.13%，耗減度分別為5.08%、5.16%，灌木林地、濕地、草地呈負(fù)向變化且下降幅度劇烈，耗減度大幅高于開發(fā)度，分別為4.03%、5.10%、5.90%，消減方向主要來自于生態(tài)空間內(nèi)部及居住用地；生態(tài)生產(chǎn)空間15年間整體呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)，轉(zhuǎn)型速度較大，養(yǎng)殖水域及鹽田的轉(zhuǎn)型速度分別為5.31%、5.75%；生產(chǎn)生態(tài)空間在2004—2018年間整體呈下降趨勢(shì)，面積減少83.73 km2，以2011年為節(jié)點(diǎn)，后期園地的開發(fā)度急劇上升，耕地耗減度超過開發(fā)度達(dá)到5.91%，主要被居住用地、未利用地占用；15年間生活生產(chǎn)空間規(guī)模急劇上升，轉(zhuǎn)型速度最高且呈現(xiàn)出持續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)，居住用地和工交用地的轉(zhuǎn)型速度分別為1.75%、4.96%，前后期的開發(fā)度持續(xù)超出耗減度，以占用耕地、未利用地和園地為主，表明研究期間，城市出現(xiàn)了將耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地的“蔓延式”擴(kuò)張現(xiàn)象，為未來烏魯木齊市的耕地保護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。

2)從轉(zhuǎn)型空間格局變化來看，生態(tài)空間內(nèi)各類用地的重心軌跡轉(zhuǎn)移變化較大，因地形以及自然資源的特性影響，主要在烏魯木齊縣東北方向、達(dá)坂城區(qū)西北方向以及水磨溝東南方向；生態(tài)生產(chǎn)空間呈零星狀分散布局，主要落在米東區(qū)北部以及達(dá)坂城區(qū)西南部，因地形以及城市擴(kuò)張的影響，分別向米東區(qū)東南部和達(dá)坂城區(qū)西北部偏移；生產(chǎn)生態(tài)空間在各區(qū)均有分布，耕地重心主要落在沙依巴克區(qū)西北部和米東區(qū)西北部，后期耕地重心出現(xiàn)反向偏移；生活生產(chǎn)空間分布最為集中，且呈現(xiàn)出逐年持續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)，空間內(nèi)的居住用地和工交用地的重心都在城市中心，且偏移軌跡距離最小。

3)從轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)因素來看，一方面受前期人為開發(fā)建設(shè)以及自然資源恢復(fù)時(shí)限長(zhǎng)的特性，后期環(huán)境保護(hù)措施增強(qiáng)的影響，因此生態(tài)空間持續(xù)下降，但幅度逐漸放緩。因老城改造和新城開發(fā)建設(shè)，交通設(shè)施和路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷完善，以及重大項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)等因素，導(dǎo)致生活生產(chǎn)空間在15年間持續(xù)向外蔓延。

4)烏魯木齊市作為西北干旱地區(qū)快速城鎮(zhèn)化的典型區(qū)域，未來應(yīng)考慮城市生態(tài)底線和調(diào)整城市內(nèi)部各功能對(duì)人居環(huán)境的影響，優(yōu)化推進(jìn)“三生空間”的最佳布局；優(yōu)先規(guī)劃重點(diǎn)生態(tài)空間、一般生態(tài)空間以及生態(tài)容納空間，重點(diǎn)保護(hù)其空間內(nèi)的林地、草地以及濕地等重點(diǎn)調(diào)節(jié)生態(tài)用地，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供最佳的保護(hù)屏障；協(xié)調(diào)各類建設(shè)用地與耕地保護(hù)空間關(guān)系，充分發(fā)揮城市的生產(chǎn)、生態(tài)、景觀間隔和環(huán)境保護(hù)的綜合功能；高效集約利用生活、生產(chǎn)功能用地，提高土地的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益以及生態(tài)效益。

綜上，本研究通過構(gòu)建“三生空間”用地功能分類體系，闡明西部綠洲城市烏魯木齊市土地利用功能轉(zhuǎn)型的方向、速度、開發(fā)度及耗減度等時(shí)序演變特征，結(jié)合土地利用重心轉(zhuǎn)移模型以及空間疊加分析，探析“三生空間”用地功能的重心軌跡偏移方向和空間變化特征及規(guī)律，并分析導(dǎo)致其變化的因素并提出優(yōu)化建議，能夠在一定程度上為西北部城市協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供有意義的實(shí)證參考。由于土地利用功能轉(zhuǎn)型存在一定的規(guī)律，如何更好的把握這一發(fā)展規(guī)律，并運(yùn)用更精確的分析方法進(jìn)行有效分析，并且對(duì)于西北部地區(qū)其他具有代表性的城市的用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行，提高用地效率，在未來研究中亟待深入探討。