李春娥，何 芷

（1. 新疆測繪科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

目前針對生態(tài)空間格局的研究主要側(cè)重國土空間視角[1-3]，研究側(cè)重點主要集中在自然資源稟賦（如森林、草原、水資源等）、地表生態(tài)系統(tǒng)（如植被指數(shù)、自然保護(hù)區(qū)）[4-5]、生態(tài)特征（如生態(tài)敏感性、脆弱性）[6-8]、景觀學(xué)（如景觀破碎度）[9-11]、地形地貌（如高程、坡度）[12]等方面。本研究基于地理學(xué)、生態(tài)學(xué)和景觀學(xué)視角，運用蒙特卡洛分析法、壓力空間衰退模型等理論方法，從生態(tài)狀態(tài)、生態(tài)壓力、生態(tài)響應(yīng)3 個角度建立生態(tài)空間格局的分析評價指標(biāo)，分析研究新疆不同空間尺度的生態(tài)空間格局狀況和變化特征，較好地從地理空間視角反映了新疆生態(tài)資源的空間分布特征、生態(tài)環(huán)境的狀況及潛在風(fēng)險，對國土資源開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

新疆（34°15′～49°10′N，73°20′～96°25′E）國土面積約占我國的1/6，是我國西北生態(tài)安全屏障，呈“三山夾兩盆”地貌特征，有我國最大的內(nèi)陸盆地塔里木盆地，最大的流動沙漠塔克拉瑪干沙漠。屬典型的溫帶大陸性干旱區(qū)，降水少且分布不均勻，南疆在100 mm 以下，北疆在150～200 mm 之上，河流水系資源較豐富，有我國面積最大的內(nèi)陸淡水湖博斯騰湖、最長的內(nèi)陸河塔里木河。但由于當(dāng)?shù)厝照諘r間較長、光熱資源豐富、蒸發(fā)強烈、降水量稀少的狀況導(dǎo)致水資源較短缺。陸地生態(tài)系統(tǒng)有森林、濕地、草原和荒漠等，其中森林生態(tài)系統(tǒng)以天山、阿爾泰山為主，草原生態(tài)系統(tǒng)以阿爾泰山、天山、昆侖山等山系的草甸生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)為主，荒漠生態(tài)系統(tǒng)以準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地、東疆間山盆地及昆侖-阿爾金山高原荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主，濕地生態(tài)系統(tǒng)以塔里木河及其上游河流、額爾齊斯河、烏倫古河等主要河流的河灘生態(tài)系統(tǒng)為主。由于地處內(nèi)陸，封閉的內(nèi)陸盆地形成的干旱氣候條件導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能、物質(zhì)的輸入輸出穩(wěn)定性較低，自然生態(tài)系統(tǒng)平衡易受到破壞、且難以恢復(fù)，呈現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境極其脆弱的特征。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的數(shù)據(jù)主要包括1 km 格網(wǎng)數(shù)據(jù)、地表覆蓋、地理單元、人口等數(shù)據(jù)。其中地表覆蓋、地理單元數(shù)據(jù)來源于2016 年和2017 年新疆地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)，地表覆蓋數(shù)據(jù)涉及耕地、園地、林地、草地、房屋建筑（區(qū)）、道路與鐵路、構(gòu)筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、水域10個一級地表覆蓋類型，道路主要包括公路、鐵路、城市道路和鄉(xiāng)村道路，地理單元數(shù)據(jù)主要包括自然文化保護(hù)區(qū)、自然文化遺產(chǎn)、風(fēng)景名勝區(qū)、旅游區(qū)、森林公園、濕地保護(hù)區(qū)、地質(zhì)公園等；1 km格網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于新疆第一次地理國情普查數(shù)據(jù)；人口數(shù)據(jù)主要來源于2016年和2017年新疆統(tǒng)計年鑒。

2.2 研究方法

本研究從影響生態(tài)狀態(tài)的正向積極因素和反向抑制因素著手，考慮地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)容指標(biāo)，基于景觀自然度、人口密度、道路面積率和保護(hù)區(qū)面積占比等指標(biāo)分別建立生態(tài)狀態(tài)、生態(tài)壓力和生態(tài)響應(yīng)三方面指標(biāo)，最終形成生態(tài)空間格局綜合指數(shù)。

2.2.1 指標(biāo)與計算

1）景觀自然度。景觀自然度用于分析地表不同覆蓋類型與自然狀態(tài)之間的差距大小，差距越大越接近人工地表資源，對生態(tài)的抑制作用越大，反之差距越小越接近天然地表資源，越利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)[13]。本研究基于景觀學(xué)理論，考慮地表類型的面積大小、斑塊破碎程度建立景觀自然度指標(biāo)，并作為生態(tài)狀態(tài)指標(biāo)S，具體見公式（1）：

式中，S為景觀自然度；n為統(tǒng)計單元x內(nèi)地表覆蓋的斑塊數(shù)；axi為統(tǒng)計單元x中斑塊i的面積；ax為統(tǒng)計單元x的面積；Hi為當(dāng)前斑塊類型的景觀n自然度相對值（如表1所示）。

表1 景觀自然度相對值

2）人口密度。人口密度指人口數(shù)與單位面積的比值。由于人口統(tǒng)計口徑為行政區(qū)單元，常用方法為行政區(qū)單元人口與行政區(qū)面積比值，與人口實際分布情況相差甚遠(yuǎn)，本研究考慮到人口主要分布在人工地表區(qū)域的現(xiàn)狀，采用蒙特卡羅分析法，以人口在不同地表類型區(qū)域分布的比重作為隨機事件發(fā)生的概率估算人口在不同地表范圍內(nèi)分布的數(shù)量，得到1 km 格網(wǎng)單元的人口空間分布數(shù)據(jù)[14-16]，最終計算出人口密度。

3）道路面積率。道路面積率指路面面積與單位面積的比值。

4）壓力指標(biāo)。生態(tài)壓力對生態(tài)環(huán)境的影響是以壓力源為中心向四周逐漸衰減，基于此原理，采用冪函數(shù)表示生態(tài)壓力在地表空間傳播過程中的衰退模式。具體見公式（2）。

式中，itxy表示壓力源t的壓力空間衰退函數(shù)；x、y均表示格網(wǎng)單元；其中x表示景觀中的任一格網(wǎng)單元；y表示壓力源t所在的格網(wǎng)單元；dxy表示格網(wǎng)單元x與壓力源t中格網(wǎng)單元y之間的空間距離；dtmax表示壓力源t的最大影響距離范圍。

本研究考慮生態(tài)壓力主要源于人類對土地的開發(fā)利用活動的影響，利用人口密度、交通網(wǎng)絡(luò)的空間分布數(shù)據(jù)，對研究區(qū)進(jìn)行1km格網(wǎng)化計算生成生態(tài)壓力指標(biāo)，具體見公式（3）：

式中，Px為格網(wǎng)單元x所受的生態(tài)壓力，取值范圍[0,1]；T為壓力源的數(shù)目；Yt為壓力源t的密度分布圖中距離單元x小于壓力源t最大影響距離范圍內(nèi)的單元集合；Wt為壓力源t的影響因子，取值范圍[0,1]，所有壓力源的影響因子之和為1；dyt為壓力源t在格網(wǎng)單元y的壓力密度；itxy為干擾源t的壓力空間衰退函數(shù)。

5）受保護(hù)區(qū)面積占比。受保護(hù)區(qū)面積占比指是表征某區(qū)域生物多樣性和生態(tài)保護(hù)的重要指標(biāo)，作為生態(tài)響應(yīng)指標(biāo)R。

2.2.2 生態(tài)空間格局指數(shù)

綜合考慮生態(tài)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)指標(biāo)間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，將各指標(biāo)值域進(jìn)行歸一化處理，再參照公式（4）計算生態(tài)空間格局指數(shù)，具體如下：

式中，Qx為1 km 格網(wǎng)單元x的生態(tài)空間格局綜合指數(shù)，取值范圍為[0,100]；Sx為1 km格網(wǎng)單元x的狀態(tài)指標(biāo)；Px為1 km格網(wǎng)單元x受到的生態(tài)壓力；Rx為1 km格網(wǎng)單元x的生態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

通過地理空間數(shù)據(jù)疊加分析，以地級行政區(qū)為單元統(tǒng)計出2016、2017 年新疆各地級行政區(qū)景觀自然度、道路面積率、人口密度和受保護(hù)區(qū)面積占比情況，如圖1所示。

圖1 2016年和2017年地級行政區(qū)各指標(biāo)對比情況

3.1 生態(tài)空間格局指標(biāo)情況

1）景觀自然度。從各地行政區(qū)分析，除了自治區(qū)直轄縣級行政區(qū)和克拉瑪依市，其他地級行政區(qū)的景觀自然度均大于5，其中阿勒泰地區(qū)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州的景觀自然度均大于5.6，高于其他地級行政區(qū)，自治區(qū)直轄縣級行政區(qū)的景觀自然度最低。從2 a變化情況分析，阿勒泰地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州、博爾塔拉蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州的景觀自然度有明顯的提高，特別是阿勒泰地區(qū)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州變化最明顯，其他地級行政區(qū)均呈下降趨勢或變化不明顯，克拉瑪依市下降最明顯。

2）道路面積率。從各地行政區(qū)分析，各地級行政區(qū)道路面積率均低于2%，其中克拉瑪依市、自治區(qū)直轄縣行政區(qū)劃道路面積率較高，高于1%，巴音郭楞蒙古自治州和和田地區(qū)道路面積率較低，均低于0.1%；從2 a 變化情況分析，各地及行政區(qū)基本無變化或變化不明顯。

3）人口密度。從各地行政區(qū)分析，烏魯木齊市、伊犁哈薩克自治州直屬縣（市）的人口密度明顯高于其他地級行政區(qū)，巴音郭楞蒙古自治州、哈密市的最低，這與其較大的國土面積、較少的人口有關(guān)。從2 a變化情況分析，各地級行政區(qū)基本無變化或變化不明顯，只有自治區(qū)直轄縣級行政區(qū)有較弱的下降趨勢。

4）受保區(qū)面積占比。從各地行政區(qū)分析，博爾塔拉蒙古自治州的受保護(hù)面積占比最高，其次是巴音郭楞蒙古自治州和伊犁哈薩克自治州直屬縣（市），這與其相對較大的保護(hù)區(qū)范圍有關(guān)，阿克蘇地區(qū)和和田地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、塔城地區(qū)、吐魯番市、哈密市的占比明顯偏低，這與其相對較小的保護(hù)區(qū)范圍、較大的國土面積有關(guān)；從2 a變化情況分析，阿克蘇地區(qū)、烏魯木齊市和伊犁哈薩克自治州直屬縣（市）的占比有所增加，其他地級行政區(qū)變化不明顯。

3.2 生態(tài)空間格局綜合分析

1）基于空間角度的變化分析（圖2）。從2 a 生態(tài)空間格局綜合指數(shù)的空間分布可看出，新疆生態(tài)空間格局指數(shù)較高的區(qū)域主要分布在阿勒泰山區(qū)、額爾齊斯河流域、烏倫古河流域、天山沿線、昆侖山北麓、阿爾金山南麓；較低的區(qū)域主要分布在天山北坡、塔里木河盆地西邊、北邊的綠洲區(qū)域、塔城市東部。

圖2 2016年和2017年生態(tài)空間格局變化情況

從2 a 生態(tài)空間格局綜合指數(shù)的變化情況可看出，新疆生態(tài)空間格局指數(shù)升高的區(qū)域主要分布在準(zhǔn)格爾盆地西部、天山沿線、伊犁河谷、塔里木河流域，特別是天山北坡、喀什葛爾河流域、庫瑪拉河流域、渭干河流域、孔雀河流域的零星區(qū)域，主要為綠洲與荒漠的過渡區(qū)域，說明在綠洲及其周邊的生態(tài)保護(hù)措施已取得一定成效，如烏魯木齊周邊的濕地保護(hù)區(qū)。其他大部分區(qū)域為荒漠、戈壁區(qū)域，生態(tài)空間格局指數(shù)呈現(xiàn)一定的下降趨勢，部分綠洲區(qū)域的生態(tài)空間格局指數(shù)下降與其土地開發(fā)利用強度較大有關(guān)，如克拉瑪依市南部、塔城地區(qū)東南部、伊犁哈薩克自治州直屬縣（市）北部。隨著人為干擾程度（或開發(fā)利用強度）的相對增加，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)空間格局綜合指數(shù)的下降，而建立自然保護(hù)區(qū)可以有效抑制生態(tài)壓力的傳播，從而提升生態(tài)空間格局綜合指數(shù)。

2）基于地級行政區(qū)的變化分析。從2 a地級行政區(qū)生態(tài)空間格局指數(shù)可看出（如表2 所示），阿勒泰地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、伊犁哈薩克自治州直屬縣（市）的生態(tài)空間格局指數(shù)較高，自治區(qū)直轄縣級行政區(qū)和克拉瑪依市的指數(shù)明顯偏低；2 a相比，自治區(qū)直轄縣級行政區(qū)、克拉瑪依市和伊犁哈薩克自治州直屬縣（市）的生態(tài)空間格局指數(shù)有小幅下降。

表2 2016年和2017年地級行政區(qū)生態(tài)空間格局指數(shù)

差值（S-PS）是考慮生態(tài)狀態(tài)和生態(tài)壓力的綜合指數(shù)，表示各地及行政區(qū)生態(tài)壓力對生態(tài)狀態(tài)的影響程度，差值越大表明生態(tài)壓力的影響越大。由此看出，烏魯木齊市、克拉瑪依市和自治區(qū)直轄縣級行政區(qū)面臨的生態(tài)壓力最大，這與該地區(qū)地理位置優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口密集且交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)有較大的關(guān)系。差值（PSR-PS）是考慮生態(tài)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)措施的綜合指數(shù)，表示各地級行政區(qū)采取生態(tài)響應(yīng)措施對生態(tài)壓力的緩解效果，差值越大表明生態(tài)響應(yīng)措施越有效。由此看出，烏魯木齊市、博爾塔拉蒙古自治州和昌吉回族自治州目前所采取的生態(tài)響應(yīng)措施最為有效，其次為克拉瑪依市，但考慮到目前烏魯木齊市、克拉瑪依市所面臨的生態(tài)壓力，其生態(tài)響應(yīng)措施仍需不斷加強。

4 結(jié) 語

本研究考慮生態(tài)狀態(tài)及影響生態(tài)空間格局的正面、負(fù)面影響因素，選取生態(tài)狀態(tài)、生態(tài)壓力和生態(tài)響應(yīng)三方面指標(biāo)，通過2016 年和2017 年新疆生態(tài)空間格局指數(shù)的計算和分析研究，得出如下結(jié)論：

1）新疆生態(tài)壓力較大的區(qū)域主要分布在烏昌（烏魯木齊市和昌吉回族自治州）、哈密-吐魯番市、喀什地區(qū)及其周邊，以集中連片的形式集中在新疆比較重要的城市群周邊，這與該區(qū)域人口密度較大、交通網(wǎng)絡(luò)較發(fā)達(dá)有關(guān)。

2）新疆生態(tài)空間格局指數(shù)有所提高的區(qū)域主要分布在綠洲與荒漠的交錯帶，但伊犁河谷和南疆綠洲的零星區(qū)域的生態(tài)空間格局指數(shù)下降明顯。整體上，新疆土地資源開發(fā)利用較合理，生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面也取得了一定成效，但仍有部分區(qū)域需繼續(xù)減弱資源開發(fā)利用強度、繼續(xù)優(yōu)化生態(tài)保護(hù)措施。

3）烏魯木齊市、博爾塔拉蒙古自治州和昌吉回族自治州雖然目前的生態(tài)響應(yīng)措施比較有效，但考慮該區(qū)域所面臨的生態(tài)壓力強度，生態(tài)保護(hù)力度仍需加強。