基于生态安全的乌鲁木齐市土地利用冲突识别

王珊珊，毋兆鹏

（新疆师范大学地理科学与旅游学院/新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，乌鲁木齐 830054）

十九大明确提出“人与自然和谐共生”的理念，必须坚持节约优先、保护优先，守住自然生态安全边界，这也使得城市发展重点逐渐由促进经济发展需求转向保障土地生态安全。生态安全是对生态系统完整性和整体健康水平的反映，保障生态安全对生态脆弱区更有特殊意义［1］。在不断加快的城市化进程中，不合理的土地开发利用所导致的生态问题日益严峻，土地利用冲突加剧且不可避免，也因此成为了国内外研究的热点［2］。

生态安全视角下的土地利用冲突，主要表现为同一区位上由于农业耕作、城镇扩张而产生对于生态安全空间资源的竞争与博弈现象［3］。近年来，国内外学者主要从土地利用冲突的产生原因、冲突识别、冲突管制等方面展开研究。如Campbell 等［4］将土地利用冲突解释为各种土地利用方式对于稀缺水土资源的竞争。Carr 等［5］利用 GIS 适应性分析创建LUCIS 模型识别潜在土地利用冲突。Adam 等［6］得出制度、社会与经济环境等因素使得土地利用冲突不断演变，并呈现出一定的生命周期。Andrew［7］论述了土地利用冲突特征及成因并提出土地利用冲突管理调解机制。国内学者如于伯华等［8］、马学广等［9］对土地利用冲突概念以及形成机制进行解析。杨永芳等［10］基于PSR 模型计算景观生态指数，对土地利用冲突强度进行测度。谭术魁等［11］通过建立征地冲突后果评价和预警的指标体系，对冲突进行诊断评价并提出相应的管理对策。纵观相关研究，主要集中在经济发达地区的城市群［12］和城市密集区［13］等宏观尺度，对于典型的生态脆弱区，尤其是西北干旱区绿洲城镇涉及较少，因此开展相关研究十分必要。

乌鲁木齐市作为新疆的政治、经济和文化中心，属典型干旱区绿洲城市，在工业化、城市化快速发展中，适宜城市建设发展的空间与周边耕地和基本农田分布高度重叠，导致城市在发展用地布局上频频掣肘。加之局部地区土地退化和土地污染现象较为严重，区域农业发展、生态保护与城市化发展之间的矛盾日益尖锐［14］。因此，对其土地利用冲突进行识别，既可以为乌鲁木齐市土地利用规划管理提供参考依据，也可为类似区域协调经济社会发展与生态保护提供方法途径。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

乌鲁木齐市地处（86°46′10″—88°59′48″E，42°54′16″—44°58′16″N），辖 7 区 1 县（天山区、沙依巴克区、新市区、水磨沟区、头屯河区、米东区、达坂城区、乌鲁木齐县）和2 个开发区（高新技术开发区和经济技术开发区），总面积13 942.78 km2。研究区东、西、南三面环山，地势由南向西北方向逐渐降低，北部为广阔冲积平原，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（图1）。

图1 研究区结构

1.2 数据来源

研究所使用的DEM 数据采用ASTER GDEM 数据产品，空间分辨率为30 m，来源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn/），通过 GIS 空间分析工具提取坡度、地形复杂度等信息；土地利用数据使用 2018 年 9 月 份 的 Landsat-8OLI_TIRS 影 像 ，空 间分辨率为30 m，云量低于5%。将遥感影像进行波段合成、图像拼接、裁剪等预处理，基于TM-destripe工具对影像进行了条带修复处理。基于监督分类（最大似然分类法）与目视解译相结合的方法，配合并借助Google earth 软件和研究区的基本土地利用状况对比辅助纠正，将地类重新归并为林地、耕地、草地、建设用地、水域及未利用地6 大地类。通过野外实地采样对分类结果进行评价，分类的总精度为93.6（Kappa 系数为87.6）；社会经济数据主要来源于新疆统计年鉴。

2 研究方法

2.1 生态安全空间构建

2.1.1 生态源地提取 源地一般为生境质量较高的区域，对生态环境具有正向推动作用，是物种维持和扩散的起始点和生态保护底线。由于生态系统服务重要性是防止生态系统退化的关键，因此参考相关研究［15-17］，结合乌鲁木齐市的实际情况，选取生物保护、人类干扰防护、灾害防护、水源涵养4 个一级指标建立生态系统重要性指标体系（表1）。

表1 生态系统重要性指标体系与等级划分

乌鲁木齐市作为典型干旱区绿洲景观城市，自然景观较好。生物保护指标中选取植被覆盖度、坡向2 项指标进行识别；由于研究区地形地质条件限制及水土资源空间分布不平衡，在城市化快速发展中，已无法按照“以水定地”原则实现耕地占补平衡［18］，因此本研究人类干扰防护指标主要是反映人类活动对生态资源的干扰程度，共选取了人口聚集度和距离建设用地距离2 项指标进行空间识别；研究区地貌类型较多，海拔落差较大，灾害防护指标选取了地形位指数进行识别；水资源是制约干旱区生态安全的关键因子，水资源时空分布的高度异质性决定了其生态系统的脆弱性，因此选取距离河流水系距离指标进行识别，并对6 个二级指标进行等级划分［19］。

对单项生态系统重要性的评价采用几何平均数模型计算重要性指数［20］，计算公式如下。

式中，Sj为评价单元第j类生态重要性指数，j=1，2，3，…，n；Cij为第j类生态重要性第i项评价指标的重要性程度得分值；n为第j类生态重要性对应的评价指标个数。评价结果利用自然断裂点法从高至低分为极重要、重要、较重要及一般重要4 个级别。提取生态重要性等级最高的栅格单元为本研究的生态源地。

2.1.2 生态阻力面构建 生态系统中物种的迁徙及物质能量的流动与传递，需要克服自然地理、地形条件以及土地覆被状态等阻力来实现。参考相关研究［21-24］，选择土地利用类型、坡向、高程及坡度为阻力因子（表2）。阻力系数的确定需要考虑研究区的实际情况和研究目标，参考文献［17］确定生态源地扩张阻力系数与权重。最后，通过叠加计算得到生态源地扩张过程中的阻力面，随着源地向外扩张受到的最小累积阻力值逐渐变大，代表生物进行迁徙所需克服的阻力越来越大，生态重要性逐渐降低。

表2 模型阻力因子系数及权重

2.1.3 生态廊道构建 生态廊道是连通生态源地、维持能量流动与物种交流的重要通道。最小累积阻力模型主要利用生物通过不同景观类型克服阻力而形成的耗费成本来反映通行可达性的一种模型。本研究利用最小累积阻力模型（MCR）完成生态廊道的确定［25］，公式如下。

式中，MCR表示从生态源斑块j在空间中扩散至某点的最小累积阻力值；f为MCR与变量间乘积（DijRi）的函数；n为源的总数；m为景观单元的总数；Dij表示目标斑块源j至其他斑块源i所经过的空间距离；Ri表示斑块源i在空间中某一方向上的扩散阻力系数；min 表示评价单元对于不同源的累积阻力取最小值。

式（2）中生物多样性源地的确定，选用Conefor软件，通过整体连通性（IIC，式3）、可能连通性（PC，式 4）以及斑块重要性（dPC，式5）3 个景观指数［26］，其中，将面积大于10 km2且dPC≥0.02 的斑块作为核心区，共提取出10 个大型核心斑块作为区域生物多样性的生态源地。

式中，n表示区域内斑块的总数；ai和aj分别为斑块i和j的 面积为斑块i与斑块j之间全部路径概率的乘积最大值；AL为研究区景观的总面积；PC表示某一斑块在研究区景观中的可能连接度指数，0≤PC≤1，PC值越大，表明斑块连接程度越高；dPC表示斑块的重要性，PCremove表示去除该斑块后的可能连接度指数。

以综合阻力面作为MCR 模型的成本数据，基于ArcGIS 软件平台，通过使用Distance 中的Cost Path模块计算从源到目标斑块的最小成本路径，从而生成了研究区的45 条潜在廊道。进一步利用重力模型（式6）计算10 个核心斑块间的相互作用，提取出相互作用力大于400 的10 条廊道为重要廊道。

式中，Gab是核心斑块a和b之间的相互作用力，Na、Nb是两斑块的权重值，Dab是a、b两斑块间潜在廊道阻力的标准化值，Pa为斑块a阻力值，Sa是斑块a的面积，Lab是斑块a、b之间廊道的累积阻力值，Lmax是研究区中所有廊道累积阻力的最大值。

2.1.4 综合生态安全空间构建 以生态源地作为源数据，确定阻力因子和阻力值后，利用ArcGIS 中的Cost distance 模块计算出生态源地到目标点的最小累积阻力分布。随着生态源地向外扩展，需要克服的阻力越大，说明与生态源地的功能差距越来越大，越不适宜进行与生态源地相同的土地利用方式。因此，根据最小累积阻力计算结果，利用ArcGIS 空间分析中重分类（Reclassify）工具，选择其中的几何间隔（Geometrical Interval）分类模型，划分生态安全空间［27-29］。同时，考虑到土地利用冲突识别体系中生态廊道与生态源地的同等重要性，以及生态廊道具有的生物多样性保护、大型生物迁移通道、动物对于水源的需求等功能，选取优化后10 条重要廊道的200 m 缓冲区作为生态廊道的保护区域［30，31］，与生态安全空间分别进行叠加分析，最终构建乌鲁木齐市生态源地及廊道空间、生态缓冲空间、低阻力空间、中阻力空间和高阻力空间5 个安全水平的综合生态安全空间（表3）。

2.2 土地利用冲突识别与分类

以上述表3 所划定综合生态安全空间为基础，定义生态安全视角的土地利用冲突为：多利益主体因农业耕作（耕地）、城镇扩张（建设用地）等经济建设活动对生态安全空间的不合理占用，由此引发的土地资源竞争结果。本研究参考孙丕苓［32］的研究，构建土地利用冲突识别体系，首先，将土地利用冲突定义为耕地生态冲突、建设用地生态冲突和耕地建设生态综合冲突三大类型。耕地生态冲突和建设生态冲突分别指农业耕作和城镇开发建设对综合生态安全空间的不合理占用。耕地建设生态综合冲突则是指耕地、建设用地二者同时与综合生态安全空间发生叠加冲突效应的综合体现。其次，确定土地利用冲突等级，将土地利用类型栅格单元（30 m×30 m）分别与生态源地及廊道空间、生态缓冲空间、低阻力空间、中阻力空间和高阻力空间栅格单元进行叠加分析，依次将土地利用冲突划定为极严重、严重、较严重、一般、不冲突5 个等级（图2）。

表3 最小累积阻力值划分综合生态安全空间区间

图2 土地利用冲突分类体系

3 结果与分析

3.1 生态系统服务重要性评价结果

单项生态系统服务功能重要性在研究区内的空间分布差异较为明显（图3）。其中，生物保护、人类干扰防护、灾害防护和水源涵养功能的极重要区，在整个研究区的占比依次为49.68%、59.53%、8.70%、3.53%（表4）。生物保护和灾害防护高值区主要分布于研究区西南和东南部（图3a、图3c），该区域地势较高，与平原地区相比灾害风险发生率较低，加之植被覆盖度水平高，生物生境质量也较高。人类干扰防护能力强的地区则主要集中在主建城区南部（图3b），人口较为稀疏。水源涵养高值区多分布在湖泊、河流水系附近（图3d）。

图3 单项生态系统服务重要性空间分布

表4 生态系统服务重要性评价结果占比（单位：%）

3.2 综合生态安全空间构建

将综合生态系统服务重要性评价结果的极重要区作为生态源地，得到2018 年生态源地面积为2 640.58 km2，占总面积的18.94%，主要分布于西南部和东南部的山地及湖泊、河流水系附近（图4a）。综合高程、土地利用类型、坡向和坡度阻力因子系数的设定结果，获取生态源地扩张的阻力面（图4b）。在此基础上，运用最小累积阻力模型计算源地在扩张过程中克服阻力所耗费代价大小的分布，生成最小累积阻力表面，中高值区主要分布于研究区北部、中部以及南部（图4c）。

图4 综合阻力面与最小累积距离表面

45 条生态廊道网络全长2 715.36 km，其中，优化后的10 条重要廊道长度为332.25 km，35 条一般廊道长度为2 383.11 km，可以充分满足物种在源地之间的迁徙与能量的流动（图5）。在上述生态源地、阻力面、生态廊道基础上划定研究区综合生态安全空间，其中，生态源地及廊道空间面积为2 712.21 km2，占研究区总面积的19.45%，包括生态源地与生态廊道200 m 内的保护区，主要分布在研究区西南部及东部；中阻力空间面积为3 660.71 km2，占比最大，为26.26%，主要分布于研究区中、南部平原山地周围。生态缓冲空间面积为1 371.83 km2，占比最小，为9.84%，主要分布于西南部及东部山地丘陵地带周围。高阻力空间面积为3 263.75 km2，占研究区总面积的23.41%，主要分布在研究区北、南部未利用地以及中部建成区周围。值得注意的是，低阻力空间面积为2 932.53 km2，占比21.04%，虽不是最大，但是主要分布于研究区建成区外围平原地带，与农田的分布相契合，所以该区域不容忽视。

图5 生态廊道网络与综合生态安全空间

3.3 土地利用冲突空间格局分析

耕地生态冲突分布相对分散，主要由于研究区地势起伏悬殊，山地面积大，水土资源分布不均，耕地面积小，具有分散性（图6）。不冲突、一般冲突、较严重冲突、严重冲突和极严重冲突等级面积为35.90、215.76、285.68、129.21 和 139.17 km2。一般冲突、不冲突区主要分布在新市区、沙依巴克区、天山区、水磨沟区；严重冲突、较严重冲突区主要分布在米东区、头屯河区；极严重冲突区主要分布在乌鲁木齐县、达坂城区。主要是由于该地区人口密集度较低，距离乌鲁木齐市社会经济中心较远，靠近研究区内重要的水源涵养区，其生态服务功能较高，更适于发展生态安全用地，所以耕地矛盾突出。

图6 土地利用冲突空间分布

建设用地生态冲突较为集中，分布于研究区中部的冲积平原。不冲突、一般冲突、较严重冲突、严重冲突和极严重冲突等级面积为292.46、510.98、132.44、12.24 和 5.73 km2。一般冲突、不冲突区主要分布在主城区中部；严重冲突和较严重冲突区主要分布在主城区东部及北部；极严重冲突区主要分布在米东区、头屯河区。主要是由于这些区域地势相对比较平坦，人口密集度较高。生态系统服务功能重要性较低，不适宜作为生态用地，反而适宜于城市建设用地，所以建设用地生态冲突中，极严重冲突和严重冲突并不明显。

耕地建设生态综合冲突中，各冲突等级面积表现为一般冲突＞较严重冲突＞不冲突＞极严重冲突＞严重冲突。其中，极严重冲突、严重冲突和较严重冲突主要发生在耕地生态冲突中，占比均达到65%以上，所以耕地生态冲突问题较为突出（图7）。主要分布在米东区、头屯河区、乌鲁木齐县和达坂城区。这些区域土地利用以建设用地、耕地为主，受人类活动影响，从而引发水土流失、土地退化和土壤污染问题，导致土地利用冲突较严重。一般冲突和不冲突主要发生在建设用地生态冲突中，占比为70.31%和89.07%，主要分布在主城区中部的新市区、沙依巴克区、天山区、水磨沟区，这些区域为乌鲁木齐市社会经济建设开发较早的区域，其自然地理条件适宜于人类进行开发建设，且经济发达，生态环境保护和治理得较好，土地利用冲突不明显。

图7 耕地建设生态综合冲突占比雷达

4 小结与讨论

在GIS 技术的支持下，基于生态系统重要性评价结果提取生态源地，通过最小累积阻力模型运算，构建乌鲁木齐市综合生态安全空间，并对耕地生态冲突、建设用地生态冲突和耕地建设生态综合冲突进行识别，得出以下主要结论。

（1）乌鲁木齐生态源地面积为2 640.58 km2，占研究区总面积的18.94%，主要分布于西南部和东南部的山地及湖泊、河流水系附近。生态源地是保障区域生态安全的底线生态用地，将源地提取结果与《乌鲁木齐市土地利用总体规划（2006—2020）》中已划定的自然保护区进行对比，发现自然保护区多处于生态源地空间范围内，表明生态源地的识别结果与现实情况基本相符。45 条生态廊道网络全长2 715.36 km，优化后的10条重要廊道长度为332.25 km，应避免人类活动对其占用。

（2）生态源地及廊道空间以及生态缓冲空间总占比为29.29%，是维护区域生态稳定的核心区域，人类活动会对其造成较大的破坏，因此需要执行严格的保护政策。中阻力空间以及高阻力空间总占比49.67%，生态水平稳定，可以进行合理的建设活动。

（3）土地利用冲突分布特征差异显著，耕地生态冲突分布相对分散，以较严重冲突为主，占耕地总面积的35.46%；要在不得破坏土壤耕作层的前提下，提高耕地质量，逐步开发沙漠地区，积极发展沙漠旅游产业；建设用地生态冲突分布较为集中，以一般冲突为主，占建设用地总面积的53.57%；要按照“南控、北扩、先两延、后东进”的空间发展战略，优化提升城市功能，控制新增建设用地规模。耕地建设生态综合冲突中，各冲突等级面积大小为一般冲突、较严重冲突、不冲突、极严重冲突、严重冲突，耕地生态冲突是导致极严重冲突、严重冲突和较严重冲突发生的主导因素，需要对米东区、头屯河区、乌鲁木齐县和达坂城区的冲突高发区加强管理。