乌鲁木齐市土地利用景观格局变化及生态安全分析

朱亚楠, 蒲春玲

乌鲁木齐市土地利用景观格局变化及生态安全分析

朱亚楠1, 蒲春玲2,*

1. 新疆农业大学管理学院, 乌鲁木齐 830052 2. 新疆农业大学经济社会发展研究中心, 乌鲁木齐 830052

通过对乌鲁木齐市1990—2017年间的土地利用景观格局时空变化特征以及生态安全进行分析, 以乌鲁木齐市1990、2000、2010和2017年4期的遥感影像作为数据源, 借助ERDAS和ArcGIS软件对4期遥感图像进行解译分析, 并通过FRAGSTAT软件分析得出乌鲁木齐市景观格局指数, 结合景观生态学的理论, 分析得出乌鲁木齐市土地利用、景观格局及生态安全变化情况。结果表明: (1)乌鲁木齐市土地利用/覆被发生较为明显的变化, 草地景观占主导地位, 面积占土地利用总面积的56.22%, 但是草地景观的优势度逐渐降低, 未利用地面积仅次于草地, 占土地利用总面积的28.84%。与此同时, 景观之间以耕地、林地和草地景观转出和建设用地和未利用地景观的转入为主; (2)乌鲁木齐市整体土地利用变化速度逐渐加快, 由 3.13% 上升至 6.57%, 同时土地利用程度由1990年的226.53 上升至 2017 年的 235.08, 说明人类活动对土地生态系统影响逐渐加深; (3)乌鲁木齐市景观格局变化明显, 受人类干扰程度加强, 景观破碎化程度逐渐加深, 景观斑块更加不规则和复杂化, 景观多样性和结构的不稳定性逐渐增加; (4)乌鲁木齐市生态安全度由1990年的0.56下降至2017年的0.48, 说明城市生态脆弱性逐渐加深。该研究结果对乌鲁木齐市未来的土地合理利用, 景观格局优化以及城市生态建设和可持续发展提供一定的参考。

土地利用; 景观格局; 生态安全; 乌鲁木齐

0 前言

土地是人类赖以生存和发展最基本的物质保障, 为人类从事一切社会经济活动提供基础场所[1-2]。随着城市化进程的快速发展, 土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Land Cover Change, LUCC)问题引起了国际社会的普遍关注。与此同时, 土地利用/土地覆盖变化研究不仅对深入了解全球环境变化起到了重要的作用, 也影响着土地利用景观格局的变化。将土地利用变化与景观格局研究相结合, 可以深入了解土地利用景观格局变化的发展现状及趋势, 对促进人类更好地理解社会与自然环境的相互关系有重要意义[3-5]。近年来, 运用ArcGIS、Erdas和Fragstats软件相结合的对土地利用景观格局变化的研究已在国内外大量展开, 并且研究的尺度由大范围综合研究逐步向小范围深入研究转变[6]。同时, 对区域土地景观生态安全进行分析, 有利于揭示区域土地生态环境的变化趋势及生态安全等级, 对未来区域土地合理利用和开发, 以及生态环境的保护具有较为深远的意义[7]。

党的十九大报告指出, 要加快生态文明体制改革, 要推进绿色发展, 着力解决突出环境问题。乌鲁木齐市是坐落在绿洲上的城市, 生态环境十分脆弱。乌鲁木齐成为国家第三批入选“城市双修”的试点城市, 通过对乌鲁木齐市土地利用景观格局的动态变化及生态安全程度进行分析, 揭示近30年乌鲁木齐市土地利用景观格局变化的规律、生态安全变化趋势, 对未来解决城市发展过程中所带来的诸多景观生态问题具有重要意义。

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区概况

乌鲁木齐, 地处东经86°46′10′′—88°59′48′′, 北纬42°54′16′′—44°58′16′′, 土地总面积为14192.78 hm2[16], 是新疆维吾尔自治区的首府, 是新疆的政治、经济、文化、科教和交通中心, 是亚欧大陆的“桥头堡”。乌鲁木齐市位于中国西北、新疆中部、亚欧大陆腹地, 地处北天山北麓、准噶尔盆地南缘, 东西南三面环山, 北部为广阔冲积平原, 地势由南向西北方向逐渐降低。乌鲁木齐市由于深居内陆, 远离海洋, 属于典型的温带半干旱大陆性气候, 常年干燥少雨, 昼夜温差较大。

1.2 数据来源与处理

通过乌鲁木齐市1990年、2000年、2010年和2017年云量低于0.5的遥感影像图(见表1), 利用Erdas 9.2软件对四期遥感影像图进行波段组合、图像拼接、几何校正等处理, 根据研究区边界范围对已处理完成的遥感影像图进行图像裁剪, 并从中提取研究区所需的遥感影像数据。

依据国家于2007年公布的《土地利用现状分类》分类标准, 结合乌鲁木齐市的实际情况, 利用Erdas 9.2中的监督分类与目视解译相结合的方法将乌鲁木齐市土地利用情况进行分类。通过分类将乌鲁木齐市土地利用景观类型划分为7类, 分别是耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地, 分类结果如图1和图2所示。为保证分类结果的准确性, 通过对4期遥感影像分类结果进行精度检验, 其Kappa系数均达到0.83以上, 说明解译结果的可靠性, 可以满足本次研究的需求。

同时, 利用ArcGIS 10.2软件的空间叠加分析和统计分析功能对4期乌鲁木齐市土地利用图进行空间叠加分析, 获取研究期内乌鲁木齐市土地利用转移矩阵和土地利用类型空间变化图, 基于此对乌鲁木齐市不同时期的不同地类的时空变化进行分析。将解译所得的遥感影像图的栅格格式的乌鲁木齐市4期土地利用景观类型图, 借助Fragstats 4.2软件计算和分析乌鲁木齐市4个不同时期景观指数, 从景观层次分析乌鲁木齐市土地利用景观格局变化情况。

表1 乌鲁木齐市影像资料特征

2 研究方法

2.1 土地利用变化分析

2.1.1 土地利用时空变化分析

通过在ArcGIS 10.2中完成4期土地利用类型图的叠加分析, 结合统计分析功能, 获取1990—2017年乌鲁木齐市土地利用景观变化图以及土地景观利用转移矩阵, 以此对乌鲁木齐市不同时期的土地利用景观类型时空变化进行分析。

2.1.2 土地利用变化速度分析

通过计算乌鲁木齐市各类土地景观利用类型的单一土地利用动态度、开发度和耗减度, 从而可以进一步对乌鲁木齐市土地景观利用类型的动态变化速度进行分析。

单一土地利用动态度计算公式如下[8]:

式中,U为研究初期某种土地利用类型的面积,U为研究末期某种土地利用类型的面积,为研究时段。

综合土地利用动态度计算公式如下[9]:

式中,LU表示为第类土地利用类型转为非类土地利用类型面积的绝对值,LU表示为研究初期某一土地利用类型的总面积,为研究时段。

土地利用开发度指在某一时段内某一土地利用类型新开发的程度, 即揭示各土地利用类型增加的速率, 其中该指数不适用于未利用地, 计算公式如下[10]:

式中, Dab表示由a到b时段某种土地利用类型新开发土地的面积, 即由其他土地利用类型转移到该土地利用类型的土地总面积, Ua为a时刻某土地利用类型的总面积。

Figure 1 Landscape changes of land use in Urumqi from 1990 to 2000

图2 乌鲁木齐市2010—2017年土地利用景观变化图

Figure 2 Landscape changes of land use in Urumqi from 2010 to 2017

土地利用耗减度是指在某一时段内某种土地利用类型实际消耗的程度, 即揭示各土地利用类型减少的速率, 计算公式如下[10]:

式中,C表示由到时段某种土地利用类型转移到其他土地利用类型的总面积,U为时刻某土地利用类型的土地总面积。

2.1.3 土地利用程度分析

根据刘纪远[11]所提出的综合分析法, 结合乌鲁木齐市实际情况, 分别将乌鲁木齐市土地利用程度划分为4个级别, 第1等级为园地和水域, 第2等级为耕地、林地和草地, 第3等级为未利用地, 第4等级为建设用地, 计算公式如下:

式中,表示为土地利用程度综合指数,A表示为第级土地利用程度分级指数,C表示为第级土地利用类型面积的比例。

土地利用程度变化模型计算公式如下:

式中,L表示为土地利用程度变化量,L与L表示为研究初期和研究末期的土地利用综合程度指数,表示为土地利用程度的变化率。如果, 式中的L＞0或者＞0, 则表示该区域土地利用正处在发展期, 如果L＜0或者＜0, 则表示该区域土地利用正处于衰退期或者调整期。

2.2 景观格局指数选取

景观格局指数是能够反映景观结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标, 能够高度浓缩的景观信息[12-15]。景观格局的分析主要是由斑块、斑块类型和景观水平3个水平指数构成。由于斑块水平指数只是计算其他景观的指数的基础, 对景观格局变化分析无意义, 所以本文以景观水平和斑块类型为基础, 选取相关景观格局指数, 分析研究区土地利用景观格局变化特征和趋势。

2.3 景观生态安全分析指数构建

本文在对乌鲁木齐市景观格局变化分析的基础上, 通过了解和掌握景观格局指数所具有的生态学涵义, 拟采用景观破碎度、景观分离度、景观优势度等基本判别指数的基础上, 构建景观干扰度和景观脆弱度指数, 与景观生态安全度之间建立定量化表大, 以期研究乌鲁木齐市土地生态安全的时空分异特征。

2.3.1 景观干扰度指数

在自然以及人为活动的干扰下, 使得景观由最初的单一、均质和连续逐渐趋向复杂、异质以及不连续的斑块镶嵌体。本文通过将景观破碎度、分离度以及优势度指数进行叠加构建景观干扰度指数, 计算公式如下[17]:

式中,U为景观干扰度,C为景观破碎度,D为景观优势度,分别为景观破碎度、分离度和优势度的权重,L为景观类型相对密度,P为景观类型相对盖度,分别为景观类型相对密度和相对盖度的权重,S为景观类型距离指数,N为景观斑块数量,为景观斑块总数,A为景观斑块面积,为景观总面积。

权重反映了各个景观指数对景观生态环境不同的影响程度, 根据前人的研究成果同时与研究区实际情况相结合, 综合分析不同的景观指数对生态环境的贡献程度, 分析得出在景观干扰度的计算中认为景观的优势度最为重要, 其次是分离度和破碎度, 其权重分别赋值为0.5、0.3和0.2, 在景观优势度的计算中认为相对盖度的权重为0.6, 相对密度的权重为0.4[18]。

2.3.2 景观脆弱度指数

景观脆弱度是指不同景观类型所代表的生态系统当受到外界干扰后的易损性, 景观脆弱度值的大小是由景观在自然演替中所处的阶段决定的[18–20]。土地利用程度变化不仅受到土地本身自然属性的影响, 同时反映了人为因素和自然因素的综合干扰的结果。研究中将土地利用类型与景观脆弱性相联系, 结合前人的研究成果[19]与研究区现状, 分别将土地利用类型赋值如下: 草地-7、耕地-6、未利用地-5、林地-4、水域-3、园地-2、建设用地-1, 其中草地最为脆弱, 建设用地最为稳定, 通过对其进行分等定级并标准化处理后作为景观脆弱度指数的赋值。

生态安全程度的值是由景观干扰度和景观脆弱度指数来表示, 计算公式如下[17]:

(14)

式中,ES为景观类型生态安全度,U为景观干扰度,Q为景观脆弱度,为景观安全度,为景观类型个数。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

3.1.1 土地利用结构变化分析

基于对乌鲁木齐市四期遥感影像进行分析, 获得乌鲁木齐市各类土地利用变化情况。通过分析得出, 乌鲁木齐市土地利用占比较大的是草地和未利用地, 占比分别为56.22%和28.84%。1990—2017年耕地、林地和草地的面积有所减少, 分别减少了30870.9公顷、9669.24公顷和58065.84公顷, 其中草地面积减少的比例尤为明显。同时, 园地、水域、建设用地和未利用地的面积有所增加, 分别增加了455.13公顷、1790.46公顷、27151.47公顷和69208.92公顷。在西部大开发以及城市化不断发展的背景下, 乌鲁木齐市建设用地面积有了明显的增加, 米东区荒漠面积较大, 受土地荒漠化的影响, 导致未利用地面积有所增加。

3.1.2 土地利用时空变化分析

对研究区土地景观利用变化分析不仅体现在不同时段土地景观类型面积的变化上, 还体现在不同土地景观利用类型面积的相互转化中。通过ArcGIS软件将不同时期土地景观利用类型图进行叠加分析, 获得乌鲁木齐市土地景观利用类型转移矩阵, 以此分析乌鲁木齐市土地景观利用时空变化情况(见表3)。

通过分析得出乌鲁木齐市整体景观类型面积以耕地、林地、草地景观类型转出和建设用地、未利用地景观类型的转入为主。1990—2000年, 乌鲁木齐市耕地、林地和牧草地的转出面积分别为11140.2公顷、1402.56公顷和12339公顷; 建设用地和未利用地转入面积分别为8945.46公顷和13027.59公顷。2000—2010年, 乌鲁木齐市耕地、林地和牧草地的转出面积分别为19160.82公顷、7573.32公顷和52363.26公顷; 建设用地和未利用地转入面积分别为6576.84公顷和11613.78公顷。2010—2017年, 乌鲁木齐市耕地、林地和牧草地的转出面积分别为14167.44公顷、7824.96公顷和36567.81公顷; 建设用地和未利用地转入面积分别为2191.86公顷和6692.31公顷。

表2 1990—2017年乌鲁木齐市土地利用结构变化

表3 1990—2017年乌鲁木齐市景观类型转移矩阵(ha)

通过对乌鲁木齐市土地景观利用类型面积转移矩阵进行分析, 乌鲁木齐市土地景观利用类型转化主要发生在耕地与草地、耕地与建设用地、耕地与未利用地、林地与草地、草地与建设用地、草地与未利用地、建设用地与未利用地之间相互转化, 1990—2017年, 耕地、林地与草地转出面积最大, 转出面积分别为40060.8公顷、13227.57公顷和81921.24公顷。建设用地与未利用地转入面积最多, 转入面积分别为30786.84公顷和75324.69公顷。

在西部大开发政策影响下, 乌鲁木齐市城市化进程的速度不断加快, 建设用地面积也不断, 主要是以耕地、草地和未利用地的转入为主。其中, 未利用地转入面积相对较少, 主要是由于乌鲁木齐市是绿洲上的城市, 未利用地大多是沙漠, 可利用面积相对较少。同时, 未利用地面积有明显的增加, 绝大部分是由耕地和草地转为未利用地, 在城市快速发展的背景下, 人口大量向城市流动, 乌鲁木齐市对耕地和草地过度开发利用, 城市生态环境较为脆弱, 耕地撂荒严重, 过度放牧加剧草地荒漠化, 从而致使未利用地面积增加。总体来说, 乌鲁木齐土地景观利用是以建设用地和未利用地面积增加, 耕地、林地和草地面积减少为特征。

3.1.3 土地利用速度变化分析

不同时期内土地景观利用类型变化速度存在明显差异, 由表4分析可知, 乌鲁木齐市1990—2017年综合土地动态度呈上升趋势, 由3.13%上升至6.57%, 说明乌鲁木齐市土地景观利用年变化率处于一个较高的水平。其中, 建设用地的动态度和开发度均最高, 开发度由1990—2000年的4.18%上升至2000—2010年的5.24%, 虽然2010—2017年建设用地的开发度有所下降, 但与其他土地景观类型相比仍处于较高水平, 说明随着城市不断发展, 建设用地增加速度明显上升。1990—2017年乌鲁木齐市耕地、林地和草地的变化速度呈下降趋势, 且土地利用耗减度大于土地利用开发度, 说明乌鲁木齐市耕地、林地和草地减少的速度大于增加的速度。园地、水域的开发度都呈上升的趋势, 说明园地和水域面积的增加速度有了明显的提升。乌鲁木齐市未利用地1990—2010年变化速度和耗减度呈上升趋势, 2010—2017年变化速度和耗减度呈下降趋势, 但整体变化速度较慢, 说明虽然未利用地面积得以利用, 但是由于乌鲁木齐市未利用地多为沙漠、荒滩, 所以可利用面积较少。

综合分析, 乌鲁木齐市土地景观利用类型在研究后期变化幅度趋于平缓, 说明研究后期乌鲁木齐市土地景观利用变化逐渐平稳。

表4 1990—2017年乌鲁木齐市土地景观利用类型速度变化指数(%)

注: 表格中代表单一土地动态度;代表综合土地利用动态度;代表土地利用开发度;代表土地利用耗减度。

3.1.4 土地利用程度分析

由表5可知, 乌鲁木齐市1990—2017年土地利用程度由226.53上升至235.08, 说明随着城市的发展需求, 对城市土地开发和利用程度逐渐增加, 人类活动对土地生态系统影响也逐渐加深。同时1990—2017年乌鲁木齐市土地利用程度变化量和土地利用程度变化率均大于0, 说明乌鲁木齐市土地利用正处于发展期。

3.2 景观格局时空变化分析

3.2.1 景观斑块类型格局变化分析

通过对景观斑块类型相关指数变化进行分析, 有利于了解各景观类型在城市变化过程中的演变趋势和城市景观整体变化规律。由图3可见, 乌鲁木齐市27年间城市景观结构发生了较大程度上的变化。耕地的斑块总数由1990年的2605增加到2017年的11626, 平均斑块大小由1990年的54.5 ha减少为2017年的9.4 ha, 说明耕地景观破碎化程度逐渐增大。最大斑块指数由1990年的7.67%减少为2017年的1.62%, 说明耕地在城市景观的优势度在逐渐降低, 同时景观形状指数、边缘密度由1990年的58.33和6.1 ha增加为2017年的114.92和10.66 ha, 说明耕地景观斑块形状更加不规则以及边界形状趋于复杂。平均形状指数、平均斑块分维度和景观连通度指数都存在不同程度的减少, 说明耕地景观斑块由聚集趋于分散, 受人类的干扰逐渐增大。

园地景观由于所占面积较少, 景观斑块个数无明显变化, 但是其平均斑块大小、景观连通度由1990年的54 ha和96.24%增加为2017年的82.1 ha和97%, 说明园地景观破碎化程度逐渐降低, 景观结合更为紧密, 同时平均斑块分维度更趋近于1, 说明景观形状更简单, 景观分布更为集中。

林地景观的斑块总数由1990年的7630减少为2017年的6531, 同时林地最大斑块指数也有一定程度的增加, 说明林地景观破碎化程度降低, 景观优势度增强。与此同时, 景观形状指数和边缘密度分别由99.4、6.44 ha减少为93.1和5.8 ha, 说明景观的自然特征和内部生态过程增强, 斑块复杂程度降低。景观斑块分维指数和连通度由1.16和97%增加为1.2和98%, 说明原本分离的斑块之前出现了连接的廊道, 林地趋向于均衡分布的空间结构。

草地景观是乌鲁木齐市主要景观之一, 通过分析该景观斑块总数由1990年6632增加为2017年的24490, 同时平均斑块大小也由129.07 ha减少32.54 ha, 斑块总数和平均斑块大小都有大幅度的增减和减少, 说明随着城市的发展草地景观破碎化程度呈大幅度地增大。景观形状指数、边缘密度、平均形状指数以及斑块分维指数均有所增加, 说明草地景观斑块更加不规则, 景观形状趋于复杂, 景观受人类干扰水平增加。1990—2017年间草地景观最大斑块指数和景观连通度分别由56.44%和99.97%减少为51.8%和99.95%, 说明景观优势度和聚集度降低, 但是相较于其他景观草地景观的优势度和聚集程度仍处于较高水平。

水域景观1990—2017年斑块总数由1990年的165增加至2017年的267, 平均斑块大小和最大斑块指数由34.6和0.21%减少至28和0.19%, 说明水域景观破碎化程度有所增加, 同时景观优势度逐渐降低。边缘密度、景观形状指数和平均形状指数由有所增加, 说明水域景观斑块受人类影响更加不规则和复杂化, 例如水库、人造湖等景观的修建。同时, 景观斑块分维指数和连通度都有所增加, 斑块分维指数趋于1, 水域景观分布较为集中。

建设用地景观斑块总数由1990年的4150减少至2017年的2778, 同时连通度由99.38%增加至99.75%, 说明建设用地景观更加聚集。由于受人类活动和城市化水平的不断提升, 导致景观边缘密度和平均斑块大小的值有所增加, 说明景观破碎化程度随着城市活动的加强逐渐增加。与此同时, 1990—2017年建设用地景观形状指数、平均形状指数以及斑块分维指数都有所增加, 说明受人类活动干扰, 景观斑块更加不规则和复杂化。最大斑块指数由1990年的1.04%增加至2017年的2.8%, 说明随着城市的不断扩张和发展, 建设用地的景观优势度逐渐增加。

表5 乌鲁木齐市1990—2017年土地利用程度变化

注: NP—斑块总数, LPI—最大斑块指数, LSI—景观形状指数, ED—边缘密度, MPS—平均斑块面积, AWMSI—平均形状指数, AWMPDF—平均斑块分维指数, COHESION—景观连通度。

Figure 3 Landscape pattern index change of various landscape types in Urumqi from 1990 to 2017

未利用地景观斑块总数由1990年的4218增加为2017年的13320, 平均斑块大小由80.65减小为30.72, 说明未利用地景观破碎化程度不断加剧。同时景观形状指数, 平均形状指数以及边缘密度值均有所增加, 说明景观斑块更加不规则, 复杂化程度逐渐增加, 同1990—2017年间景观斑块分维指数由1.2增加至1.3, 说明未利用地受人类的干预程度较大。同时最大斑块指数由13.62%增加至16%, 说明受人类活动的影响, 加之城市生态环境脆弱, 导致土地荒漠化程度加剧, 景观优势度也有所增加。由于地域的特殊性, 以及受到气候的影响, 乌鲁木齐市可利用土地面积较少, 未利用地多为戈壁和沙漠, 可利用的土地面积较少, 主要集中在乌鲁木齐市北部和中部地区。

3.2.2 景观水平格局变化分析

通过分析表6可知, 乌鲁木齐市1990—2017年景观水平尺度格局发生明显的变化。景观斑块总数、斑块密度、景观形状指数、周长面积分维数、景观分离指数、Shannon多样性指数和均匀度指数呈上升趋势, 而最大斑块指数、优势度指数以及连通度指数逐渐呈下降趋势。这表明了乌鲁木齐市景观破碎化程度逐渐增高, 景观优势度不断降低, 尤其是以草地为主导的景观格局正在发生较大变化, 建设用地不断扩张逐步侵占草地、耕地及其他用地, 景观异质性逐渐增加, 斑块形状趋于复杂化。通过分析得出, 人类活动对乌鲁木齐市景观格局的干扰度不断增加, 景观格局逐渐复杂化, 景观逐渐趋向离散分布, 结构的不稳定性逐渐加大, 景观自我调节的能力不断降低。目前, 乌鲁木齐市的城市化过程逐步加快, 从而对于城市的可持续发展、生态环境以及生物多样性的保护带来较大的挑战。

3.3 景观生态安全分析

由图4可知, 乌鲁木齐市27年间耕地、草地和未利用地的生态安全度有所下降, 由1990年的0.746、0.371和0.747下降为2017年的0.449、0.268和0.663, 主要由于城市化过程不断加快, 建设用地不断扩张导致耕地、草地面积不断减少, 土地利用程度不断提升, 导致耕地、草地等自然景观受干扰程度增加, 生态安全度降低。同时, 乌鲁木齐市受地域的影响, 生态环境较为脆弱, 人为干扰导致城市土地荒漠化程度加剧, 耕地撂荒、草地退化, 使得未利用地面积增加, 生态安全度降低。林地和水域呈倒“V”字变化, 说明城市自然景观逐渐被人工景观所代替, 如人造水库、园林绿化等工程, 这种人为干扰对人工景观的影响是有利的, 但随着城市化水平的不断提升, 高效益经济作物土地种植面积的增加, 以及建设用地需求的增长, 导致建设用地和园地的生态安全度有所增加。

根据参考文献[17-19]并结合乌鲁木齐市实际研究结果, 将研究区景观格局生态安全划为4个等级: 重警区[0—0.3]、预警区[0.3—0.5]、较安全区[0.5—0.8]、安全区[0.8—1.0]。

通过对表7、8分析, 27年间, 乌鲁木齐市景观类型安全等级发生了较的变化, 重警区和预警区的面积有所增加, 较安全区和安全区的面积有所减少。其中重警区和预警区增加的总面积为42671.07 ha。其中, 草地景观的安全等级由预警区变为重警区, 耕地景观的安全等级由较安全区变为预警区, 建设用地景观由较安全区变为安全区。由于人类活动的干扰, 加之乌鲁木齐市生态的脆弱性, 导致草地、耕地和建设用地的安全等级发生了明显变化。

表6 1990—2017年乌鲁木齐市景观水平格局变化指数

注:—斑块总数,—斑块密度,—景观形状指数,—周长面积分维数,—最大斑块指数,—景观分离度,—景观连通度,—香浓多样性指数,—香浓均匀度指数,—景观优势度指数。

图4 乌鲁木齐市土地景观类型生态安全度

Figure 4 Ecological security of land landscape types in Urumqi

将各景观类型生态安全度与该景观类型脆弱度的乘积合计, 可得出乌鲁木齐市景观格局生态安全的整体水平。如图5所示, 乌鲁木齐市景观生态安全度呈波动下降的趋势, 由1990年处于较安全区的0.56下降为2017年处于预警区的0.48, 说明乌鲁木齐市生态脆弱性逐渐加深, 生态安全度有明显的下降趋势。

4 讨论

1990—2017年间乌鲁木齐市土地利用发生较明显变化, 园地、水域、建设用地和未利用地面积呈上升趋势, 耕地、林地和草地面积呈下降趋势, 尤其是草地面积下降幅度较大, 所占的比例下降4.09%。同时, 土地景观类型面积以耕地、林地和草地转出和建设用地和未利用地转入为主, 乌鲁木齐市土地利用正处于发展期且土地景观利用年变化率处于一个较高的水平。随着城市化进程以及经济快速发展, 人口不断增加对建设用地的需求也相应增加, 经济的发展和人口的增加导致耕地、林地和草地面积有所减少。引起景观相关指数变化的主要原因是人类活动的干扰, 受干扰程度不同景观指数也有不同程度的变化。在景观斑块类型格局变化上, 耕地、草地景观的优势度逐渐降低, 边界和形状逐渐趋于复杂化, 破碎化程度增加, 连通度下降, 受人类干扰较大, 但草地景观仍是优势景观。与此同时, 受“城市园林绿化工程”等政府政策措施的影响, 林地景观破碎化程度降低, 景观优势度和连通度增加。随着经济社会的不断发展, 建设用地优势度和聚集度逐渐增加, 受人类活动干扰, 景观斑块更加不规则和复杂化。在城市土地开发与城镇发展的加快的背景下, 人类活动加剧了城市土地荒漠化程度, 从而导致城市未利用地景观优势度上升。在景观水平格局变化上, 分析得出人类活动对乌鲁木齐市景观格局的干扰度不断增加, 景观格局逐渐复杂化, 景观逐渐趋向离散分布, 结构的不稳定性逐渐加大, 景观自我调节的能力不断降低。乌鲁木齐市27年间耕地、草地和未利用地的生态安全度有所下降, 同时研究区内处于重警区和预警区的面积逐渐增加, 处于较安全区和安全区的面积逐渐减少。草地景观的安全等级由预警区变为重警区, 耕地景观的安全等级由较安全区变为预警区, 建设用地景观由较安全区变为安全区。乌鲁木齐市总体景观生态安全度呈波动下降的趋势, 由0.56下降为0.48, 说明乌鲁木齐市生态脆弱性逐渐加深, 生态安全度有明显的下降趋势。

表7 1990—2000年乌鲁木齐市土地景观格局生态安全预警

表8 2010—2017年乌鲁木齐市土地景观格局生态安全预警

图5 乌鲁木齐市整体景观格局生态安全度

Figure 5 Ecological security of the overall landscape pattern in Urumqi

本文是通过土地利用、景观格局变化和生态安全对乌鲁木齐市土地景观类型变化进行梳理和分析, 研究结果对乌鲁木齐市未来的土地合理利用, 景观格局优化以及城市生态建设和可持续发展提供一定的参考。但考虑到数据的可获取性本文选择四个时段进行分析, 并非持续性时间数据, 获得的结果也具有一定的局限性。与此同时, 区域生态安全主要是由自然、经济和社会等因素共同构成的, 景观格局是其重要影响因素之一, 本文构建的景观生态安全度分析不具有绝对性, 未来可以利用数学模型或生态模型等方法构建评价指标体系对乌鲁木齐市生态安全从自然、经济和社会等影因素完善对乌鲁木齐市生态安全的分析。但是人类的社会经济活动对景观格局的变化会产生重要的影响, 因此, 本文选用景观空间结构来研究乌鲁木齐市的生态安全也有重要的意义。

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Analysis on landscape pattern change and ecological security of land use in Urumqi

ZHU Yanan1, PU Chunling2,*

1. School of management of Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China 2. Research Center for Economic and Social Development, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China

Based on the analysis of the spatial and temporal changes of land use landscape pattern and ecological security in Urumqi from 1990 to 2017, using the remote sensing images of Urumqi in 1990, 2000, 2010 and 2017 as the data source, the remote sensing images of Urumqi were interpreted and analyzed by ERDAS and ArcGIS software, and the landscape pattern index of Urumqi was obtained by FRAGSTAT software. Combined with the theory of landscape ecology, the changes of land use, landscape pattern and ecological security in Urumqi were analyzed. The results showed that: (1) The land use/cover change was obvious in Urumqi; the grassland landscape was dominant, accounting for 56.22% of the total land use area, but the dominance of grassland landscape decreased gradually; the unused land area was second only to grassland, accounting for 28.84% of the total land use area. At the same time, the transfer of cultivated land, woodland and grassland landscape and the transfer of construction land and unused land landscape were the main landscape types. (2) The change rate of land use in Urumqi was gradually accelerated from 3.13% to 6.57%, and the degree of land use was increased from 226.53 in 1990 to 235.08 in 2017, which indicated that the impact of human activities on land ecosystem was gradually deepened. (3) The change of landscape pattern in Urumqi was obvious, the degree of landscape fragmentation was gradually deepened, the landscape patches were more irregular and complicated, and the diversity and instability of landscape structure were gradually increased. (4) The ecological security degree of Urumqi decreased from 0.56 in 1990 to 0.48 in 2017, which indicated that the ecological vulnerability of Urumqi was gradually deepened. The results of this study will provide some reference for the future rational land use, landscape pattern optimization, urban ecological construction and sustainable development in Urumqi.

land use; landscape pattern; ecological security; Urumqi

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.017

S731.2

A

1008-8873(2020)02-133-12

2019-06-18;

2019-07-31

国家社会科学基金项目(14XGL005); 国家社会科学基金项目(08BJY061)

朱亚楠(1995—), 女, 新疆乌鲁木齐人, 硕士研究生, 主要从事土地资源利用研究, E-mail:727526126@qq.com

蒲春玲(1961—), 女, 新疆阿克苏人, 教授, 主要从事土地资源可持续利用和区域经济研究, E-mail:puchunling@163.com

朱亚楠, 蒲春玲. 乌鲁木齐市土地利用景观格局变化及生态安全分析[J]. 生态科学, 2020, 39(2): 133–144.

ZHU Yanan, PU Chunling. Analysis on landscape pattern change and ecological security of land use in Urumqi[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 133–144.