丝绸之路经济带城市景观格局变化分析——以阿克苏市主城区为例

米尔古丽·苏力坦，阿里木江·卡斯木

（丝绸之路经济带城镇化发展研究中心/新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054）

“一带一路”的倡议提出，旨在促进欧亚各国的经济贸易、文化交流、信息交换，同时，促进并加强中国与周边及世界其他地区国家之间的合作关系。中国新疆在丝绸之路经济带上具有独特的区位优势、资源和文化优势，是中国向西开放的桥头堡，是中国在“丝绸之路”经济带中亚段重要的交通枢纽和商业贸易物流中心。丝绸之路经济带新疆段绿洲城市在“一带一路”倡议的大背景下，迎来了经济发展的历史性机遇。新疆阿克苏市是丝绸之路经济带上重要的交通枢纽和商业重镇，具有屯垦固边的战略意义和干旱区绿洲城市发展的代表性，为此，本研究选取丝绸之路经济带新疆段典型绿洲城市——阿克苏市主城区为研究区，研究“一带一路”倡议背景下的丝路阿克苏市景观格局变化，以期为“一带一路”倡议下丝绸之路经济带城市群的战略研究提供参考。

景观格局及其演变是自然和人为要素综合作用的结果，景观格局的时空变化研究不仅揭示生态过程的驱动因子还可以指示生态过程的发展趋势［1］，随着人们对美好生活需要的不断提高，对土地的开发利用需求也增加。景观格局（Landscape pattern）是指景观要素在空间上分散或者聚集的分布，是在景观内部的自然条件约束和人为活动影响的双重作用下，为了适应特定的景观功能要求而形成的一种景观整体结构。在景观生态学中通过研究景观的尺度结构来分析景观组分的空间分布和特征表现［2］。利用3S 技术研究城市土地利用结构以及分析土地利用变化过程中，景观生态学不但形成了比较成熟的生态规划理论支撑，并成为当今全球土地利用配置中的研究热点题目之一。目前，国内外学者对景观生态学方面的研究很广泛，主要有景观格局变化特征与驱动力分析［3-6］、景观生态评价［7-9］、生态功能［10］、运用CA-Markov 模型分析土地利用景观格局动态变化并预测其变化模式［11］等。

就丝绸之路经济带新疆段而言，在土地利用/覆盖（LUCC）等方面的研究占比较多。在城市规模扩张过程中城市生态环境发生变化，影响景观类型与变化趋势。有学者对阿克苏市土地利用变化与驱动力方面进行了详细的分析［12-16］，也有些学者对阿克苏市土地利用总体规划和效益方面进行研究［17，18］，其他学者对阿克苏绿洲的生态安全生态承载力［19］、城市绿地变化与人口之间的关系［20］等方面进行研究以及建立建设用地模拟［21］。阿迪来·乌甫等［22］研究了阿克苏市城市化发展与耕地资源之间的协调性。

综上所述，针对阿克苏市景观格局变化方面的研究不多。为此，本研究以阿克苏市主城区近30 年的Landsat 遥感影像作为数据源，借助GIS、RS 技术和景观生态学原理，分析阿克苏市主城区景观格局变化规律与变化特征，实现土地利用的最大效率，在此基础上有效调整阿克苏市经济发展以及城市规划，为丝绸之路经济带城市景观格局变化研究提供相应的参考依据。

1 研究区概况

阿克苏市位于南疆北部，塔里木盆地北缘，是南疆铁路、高速公路沿线上联接库尔勒、喀什、伊宁的枢纽。历史上，阿克苏市是古丝绸之路新疆段北道的政治、经济、军事和贸易中心区。阿克苏市是全国重要的优质棉生产基地，新疆重要的棉花交易集散地，轻纺工业聚集地。作为“中国棉都”和“中国长绒棉之乡”，棉花产量持续占全疆的1/3，占全国的1/8，长绒棉占全国总产量的93%。阿克苏市优越的地理位置和浓厚的历史文化对主城区景观类型变化以及扩展形态起着重要的作用。

阿克苏市北接温宿县，南连阿瓦提县，东南部延伸到塔克拉玛干大沙漠的中部，北与伊犁哈萨克自治州毗邻，西北以天山山脉中梁与吉尔吉斯斯坦共和国、哈萨克斯坦共和国交界。东西最长513 km，南北最宽处约386 km，总面积13.25 万km2。本文主要研究阿克苏市主城区 80°6′—80°25′E，40°59′—41°16′N 之间的区域，属于大陆性干旱性气候，年平均降水量43.9～65.3 mm，年平均气温9.8～11.4 ℃。

2 数据处理与方法

2.1 数据来源与处理

本研究选用来自美国地质调查局（USGS）与美国航天局（NASA）共同管理的陆地卫星Landsat 系列所提供的 1989 年 8 月 22 日、2000 年 8 月 12 日、2010年 7 月 15 日 、2018 年 7 月 27 日 4 个 时 期 的 Landsat TM/ETM+/OLI 遥感影像，所选择的数据空间分辨率为30 m×30 m，云量均低于10%，遥感影像质量较好，为了获取优质、高精度并满足研究需要的图像资料，对卫星遥感影像进行镶嵌、裁剪、图像融合等预处理。在遥感图像处理软件ENVI5.1 的支撑下对研究区4 个时期的遥感影像数据进行波段合成和图像增强，按照国家出台的《全国土地分类（试行）》（2002年标准），利用最大值似然法结合目视解译方法对处理过的景象用监督分类法，分为建设用地、水体、林地、耕地和未利用地等类型。将分类影像导入地理信息系统软件ArcGIS 中，经过统计分析和计算，获得土地利用/土地覆盖结构特征变化数据。最后利用Fragstats4.2 软件对研究区的景观格局变化进行分析，计算景观指数。进而，从研究区面积动态变化，景观类型的变化幅度、变化速度，景观格局的变化特征等方面对阿克苏市主城区的景观格局演变进行初步探讨。

2.2 研究方法

2.2.1 景观类型动态变化分析

1）景观类型选择。在遥感影像分类过程中无法避免出现“同物异谱和异物同谱”的现象，需要对分类后的结果进行后处理。考虑研究区总体情况，景观类型分为5 个类型（表1）。

为了保证各时期遥感影像分类结果的可靠性，对分类后处理结果进行精度评价。得出4 期的分类精度均达到85%以上，Kappa 系数均在0.9 以上。

2）景观类型变化幅度分析。为了分析景观类型在某时间段内具体面积的变化及幅度，引入景观类型变化幅度。景观类型变化幅度主要是反映不同景观类型的面积变化总体趋势。公式如下：

式中，Kt表示某时段内研究区某一地类变化幅度，Ua和Ub分别表示研究初期与后期某一景观类型面积。

3）景观类型变化速度分析。景观类型变化速度可以单一景观类型动态度定量表示。公式如下：

式中，K表示研究时段内某一景观类型动态度，Ua和Ub分别表示研究初期与后期某一景观类型面积，T表示研究时间段。

4）景观类型空间转移分析。随着时间的推移，不同景观类型之间发生相互转换，这种转换呈现为一种景观类型面积在某时间段内向其他类型转换或者其他类型面积转换到这类景观要素，从而面积发生变化。因此，本研究利用ArcGIS 软件计算不同景观类型之间的相互面积转移矩阵，来研究不同景观要素的动态变化过程。

2.2.2 景观格局特征分析 借鉴其他学者关于景观格局指标选取的研究成果和结论，本文在斑块类型水平上和景观水平上对阿克苏市主城区景观变化进行评价与分析。选取的景观指标见表2。

3 结果与分析

3.1 景观类型变化结果分析

运用ENVI5.1、ArcGIS10.2 软件对阿克苏市主城区 1989、2000、2010、2018 年的景观要素进行分类，分类图见图1。

3.1.1 景观要素规模变化分析 从表3 可以看出，研究区1989—2018 年的景观类型面积均发生了变化。近30 年以来，研究区景观类型空间上的面积变化和时间上的阶段性等特征显著体现人类活动在城市化过程中对土地的开发利用。城市建设用地面积1989 年为 4.54 km2，2018 年扩张到 20.16 km2，整体保持递增趋势。反之，未利用地面积呈递减趋势。耕地面积从1989 年的7.17 km2增长到2018 年的11.30 km2，说明研究区在近30 年内开垦了大量的农耕用地。

表1 阿克苏市主城区景观分类及遥感影像特征

表2 阿克苏市主城区景观格局指数的选取

由于城市扩展过程中对水资源需求的增加导致研究区水体面积逐渐减少，在研究期内阿克苏市主城区内水体变化呈递减趋势。结合图1 可以看出，1989—2018 年研究区景观类型变化是以未利用地、建设用地和水体的显著变化为主，其中，建设用地的面积扩张主要体现在对未利用地的开发利用和林地面积的占用。

图1 1989—2018 年阿克苏市主城区景观要素分类

3.1.2 景观要素空间动态变化分析 从表4 可以看出，研究区近30 年来景观类型的变化幅度和变化速度特征如下：①1989—2000 年，建设用地和耕地的年动态度绝对值比较大，分别为5.44%、2.32%，表明研究前期内，建设用地和耕地的面积变化较大，未利用地和林地和水体的变化较小。②2000—2010 年，相比1989—2000 年的景观类型变化速度较快，其中建设用地、耕地和水体的动态变化大于林地和未利用地。③2010—2018 年，主城区景观类型的变化得到同步发展，其中建设用地面积扩展比较显著。④1989—2018 年，建设用地、水体和耕地的变化速度最大，绝对值分别为11.86%、2.07%和1.99%，反映出阿克苏市城市化进程速度推进。这说明在此期间建设用地与未利用地变化速度速加快，林地和未利用地变化速度缓慢，建设用地的扩展速度和水资源的利用率提高。

3.1.3 景观要素空间转移分析 从表5 可以看出，1989—2000 年，从未利用地转换为建设用地和林地的面积为 10.98、20.39 km2。2000—2010 年，从林地转换为耕地和建设用地的面积分别为20.53、19.37 km2，从未利用地转换为建设用地、林地和水体的面积分别为 10.45、17.29 和 14.94 km2。2010—2018 年，从耕地转换为建设用地和林地的面积为11.39、52.03 km2，从林地转换为耕地和建设用地的面积分别为20.45、20.47 km2，从未利用地转换为建设用地的面积为12.54 km2。近30 年研究区城市建设用地的扩展由林地和未利用地面积变化而来。其中，耕地总面积呈先减少后增加的趋势，建设用地和林地面积保持增长趋势，水体和未利用地面积保持递减趋势。

表4 1989—2018 年阿克苏市主城区景观类型变化幅度与变化速度

表5 阿克苏市主城区景观类型面积转移矩阵 （单位：km2）

3.2 景观格局特征分析

3.2.1 景观类型上的景观变化分析 景观空间格局、景观功能和景观动态是景观生态学研究的核心内容，而对景观格局进行定量分析则是研究格局与过程相互关系的基础，也是研究景观动态和景观功能的关键［23］。此外，景观格局分析还在资源管理和生物多样性保护等方面起着重要作用［12］。对于不同类型的景观格局变化进行研究并且分析各景观类型相应的变化规律，有助于揭示和分析并且理解其他景观指数的变化特征，计算研究区近30 年的景观水平上的景观格局指数，从而可以全面地表示城市的总体景观格局演变特征及其变化规律。

图2 所示，阿克苏市主城区研究期内各景观类型面积排列依次为建设用地、耕地、未利用地、林地和水体。研究区林地和耕地的斑块数量及斑块密度指数最大并且在研究期间内不断增大，说明1989—2018 年，研究区建设用地、林地和耕地的景观空间异质性程度以及景观斑块的破碎化程度在不断加深，表明随着城市建设用地面积的扩张，其景观的破碎化程度也随之增加。而未利用地和水体的斑块数量和密度保持递减趋势，表明未利用地和水体的破碎化程度在逐渐缓解。1989—2018 年，最大斑块指数占优势并主导地位的是未利用地，这结果与干旱区荒漠为基础的景观类型保持一致。在研究期内，林地的最大斑块指数呈先增加后减少趋势，未利用地和水体的最大斑块指数呈现递减趋势。2010—2018 年，建设用地和耕地的最大斑块数量保持递增趋势，说明在研究前中期内，其景观类型在整体景观中所占的优势度大，人类经济活动对建设用地的影响也不断明显，而未利用地和水体在整体中所占优势度小，说明人类活动对该景观类型的影响加深。

图2 1989—2018 年阿克苏市主城区景观类型景观格局指数的变化

3.2.2 景观水平上的景观格局分析 从表6 可见，1989—2018年阿克苏市主城区在景观水平上发生了显著变化。斑块数量（NP）和斑块密度（PD）呈递增趋势。分离度指数（SPLIT）先增加后减少。最大斑块指数（LPI）呈先增加后减少趋势，说明人类活动对景观类型的直接影响在增加，间接影响在下降。1989—2018 年，整个景观的香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）在逐渐增加，即香农多样性指数（SHDI）均大于1，香农均匀度指数（SHEI）均大于0.5，说明研究区优势度较低，景观中没有明显的优势类型，景观斑块类型在景观中保持均衡化趋势分布，斑块丰富度增高，研究区景观破碎化程度也随之变高。

表6 1989—2018年阿克苏市主城区景观水平上景观格局指数

4 小结与讨论

在GIS 技术与景观生态学理论的支持下，以阿克苏市主城区的景观格局特征为基础，对研究区景观格局动态变化进行了分析，得出结论如下。

1）1989—2018 年阿克苏市主城区景观类型变化的总体趋势是：主城区建设用地和耕地面积呈递增趋势，未利用地和水体面积保持递减趋势，林地面积呈先增加后减少趋势。各景观类型面积增长大小为建设用地＞耕地＞林地>水体＞未利用地。从研究区转移矩阵变化情况来看，研究区内建设用地的面积从未利用地和林地面积转换而来。

2）从景观类型水平来看，建设用地和耕地NP和PD保持递增趋势，其景观空间异质性程度以及景观斑块的破碎化程度在不断加剧，而未利用地和水体的NP和PD保持递减趋势，说明在城市发展过程中建设用地范围在不断扩张，而且在其他景观类型面积扩大是以占用未利用地面积得来。最大斑块指数占主导地位的是未利用地和绿地（包括林地和耕地）。未利用地和绿地的最大斑块指数呈先增加后减少趋势。

3）从研究区景观水平来看，1989—2018 年NP和PD呈递增趋势，SPLIT先增加后减少，SHDI和SHEI在逐渐增加，说明在研究期内，研究区发展进程中景观异质性和破碎化程度在增高，景观中没有明显的优势类型，景观斑块类型在景观中保持均衡化趋势分布，景观斑块丰富度增高，这意味着人类经济活动影响程度在逐渐增高。

景观空间格局分析能够高度浓缩景观格局信息、反映景观结构组成和空间分布特征［24］。在土地利用覆被变化与景观格局特征［25］、景观生态安全［26］、景观生态规划与建设［27］中得到了广泛应用。阿克苏地区是新疆商品棉花产地，在大量开垦耕地过程中对水资源的需求不断增大，导致研究区水体面积逐渐减少。20 世纪80 年代在阿克苏“柯柯牙绿化工程”的驱使下，绿地（包括林地和耕地）面积逐渐增长。“一带一路”倡议的提出为阿克苏市城市发展带来了快速扩张机会。很多学者从时空变化、驱动因素和生态影响评价方面研究了阿克苏市的土地利用情况，利用景观生态学理论对阿克苏土地利用时空变化为基础的城市建成区的景观格局变化进行了分析，更详细地揭示了斑块的总体变化趋势，在此基础上有效调整阿克苏市经济发展以及城市规划。在景观生态学理论的基础上应该综合考虑自然和人为因素对景观格局变化的影像，但本文在研究中所使用的数据仅限于Landsat 遥感影像数据，未采用人文因素和自然因素的数据。在接下来的研究中将从人文和自然因素相结合来探讨其驱动因子。