“三生空间”视角下乌鲁木齐市土地利用功能转型及其生态服务价值研究*

张芊芊 邵战林# 林 娟 孟 玲

(1.新疆农业大学公共管理学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆自然资源规划研究院，新疆 乌鲁木齐 830001；3.新疆第二测绘院，新疆 乌鲁木齐 830001)

当前，国内外己有的研究成果仍在研究尺度、土地利用功能分区等方面存在不足之处[5-13]。当前大部分相关研究对用地进行划分以及分析时，多以经济功能、社会功能、生态功能等单一的功能为主，较少以生态为研究重点，对“三生空间”的多功能性质缺乏考虑。聚焦于土地利用结构、数量变化所引发的生态效应，立足于“三生空间”视角，深入分析土地利用功能转型及生态效应的研究较少。本研究以土地利用功能转型为切入点，将具体的农业生产功能、水域养殖功能、生活生产功能与生态功能相联系，并着重分析生态价值较高的生态空间，探寻新型城镇化背景下的土地利用功能转型产生的生态效应，为实现土地资源合理利用和城镇化水平高度协调提供一种新思路，更为直观地认识土地利用功能转型及其与生态环境效应之间的关系，对未来协调乌鲁木齐市多样化的土地生态系统，提高土地资源的整体效益以及可持续利用发展水平，促进资源环境优化配置具有重要的实践意义。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

乌鲁木齐市坐落于我国西北地区，是新疆维吾尔自治区的首府城市，位于亚欧大陆的内陆，是南疆与北疆相互联系的关键交通环节，同时也是我国与中亚、西亚以及欧洲联系的重要通信枢纽。近几年城市人口激增，城市用地需求迅速增加，导致中心城区界线不断向外延伸，城市内外土地利用变动幅度增大。从自然因素来看，乌鲁木齐市作为一个典型的温带半干旱绿洲城市，自然植被分布零星稀疏，受沙化灾害的影响逐年严重，生态环境敏感脆弱。

1.2 数据来源与处理

研究数据主要来源于2004、2011、2018年的Landsat遥感影像。应用ENVI大气校正等影像预处理的基础上，利用eCognition对3期影像进行解译，再进行影像分割，并基于样本进行监督分类，获取其研究区域的土地利用数据，利用ArcGIS随机选取100个点，通过计算Kappa系数进行精度检验，检验得出Kappa系数达到85%以上，符合研究需要。其他相关研究数据主要来自相应年份乌鲁木齐市统计年鉴和全国农产品成本收益资料汇编。

2 研究方法

2.1 建立“三生空间”土地利用功能分类体系

本研究参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)，以乌鲁木齐市的土地利用主导功能以及相关研究[14-17]为依据，确定乌鲁木齐市土地利用分类体系(见表1)。

表1 基于“三生空间”功能的乌鲁木齐市土地利用分类体系

2.2 土地利用转移矩阵

在特定的时段内，土地利用转移矩阵(S，见式(1))主要用来表示分类体系中，土地利用类型在不同时段相互转换的方向以及数量，采用ArcGIS的空间分析功能对特定的两个年份进行汇总、空间叠加等处理，能反映出研究区域内不同时段内土地利用类型在空间转移的情况。

(1)

式中：sij为土地利用类型i转变为j的面积，km2；i和j分别为研究初期与末期的土地利用类型；n为土地利用类型总数。

2.3 生态服务价值(ESV)评估

谢高地课题组[18-19]对部分用地的ESV当量因子进行计算，根据计算结果对土地利用类型的ESV进行评估。将本研究中有林地、未利用地和耕地的ESV当量因子分别与上述研究中的森林、荒漠生态系统、农田的结果相对应；灌木林地、疏林地的ESV当量因子测算根据郁闭度的不同进行适当调整；湿地、草地、园地的ESV当量因子参考文献[16]；养殖水域、盐田、居住用地、工交用地的ESV当量因子参考文献[20]至文献[21]的研究成果。乌鲁木齐市ESV当量因子汇总于表2。计算不同土地利用类型的ESV时，根据当地情况进行修正(修正系数为0.58)[22]。

保宁醋是四川麸醋的典型代表，以麸皮为主要原料，小麦、玉米、大米及几十种中草药为辅料，用生料制成药曲并加入黑曲组成糖化剂，与酵母等混匀后加入发酵池中，采用生料固态开放式多菌种混合发酵，使糖化、酒化和醋化同时在发酵池中进行发酵周期1个月以上[24]。四川麸醋采用药曲生料固态开放式多菌混合发酵工艺[25,26]， 它是碳水化合物、乙醇、乙酸逐步转化的过程，这一切的源动力都来源于微生物菌相[27]。

表2 乌鲁木齐市ESV当量因子

根据乌鲁木齐市2004—2018年的粮食总产值、粮食产量以及粮食价格，测算出乌鲁木齐市的单位面积农田产粮价值为1 096.80元/hm2。基于此，校验研究区域内不同土地利用类型ESV当量因子，再测算ESV，计算方法见式(2)。

IESV,k=∑Ak×VCk

(2)

式中：IESV,k为研究区域内某一年份某土地利用类型k的ESV，元；Ak为土地利用类型k在研究区域内分布的面积，hm2；VCk为土地利用类型k的ESV当量因子，元/(hm2·a)。

为检验测算ESV的准确性，采用敏感性指数(CS)来反映ESV当量因子对ESV的影响程度。若CS大于1，则说明ESV对ESV当量因子的弹性程度较高，测算修正后的结果准确性较低。CS计算方法见式(3)。

(3)

式中：VCj和VCi的调整幅度设定为-50%～50%。

如图1所示，敏感度分析结果表明，研究区域内ESV对所采用的ESV当量因子依赖度较低，可知本研究所选择的ESV当量因子具有准确性，修正测算结果在本研究区具有可信性。

图1 乌鲁木齐市ESV敏感度指数

3 结果与分析

3.1 “三生空间”土地利用功能转型特征

以乌鲁木齐市2004—2018年3期的土地利用数据为依据，并以2011年为节点将研究时段分为前后两期，探讨乌鲁木齐市“三生空间”格局及演变特征，结果见图2。随着城市化进程的步伐不断加快，乌鲁木齐市的生活生产空间规模不断向外扩散，15年间面积增加437.91 km2；生产生态空间面积前期(2004—2011年)增加98.91 km2，后期(2011—2018年)下降182.63 km2，呈先增加后下降的趋势；前期生态生产空间面积增加15.41 km2，后期面积减少19.85 km2；而生态空间表现出持续下降的趋势，2004—2018年下降面积共计351.24 km2。

图2 2004—2018年乌鲁木齐市“三生空间”格局分布特征

如表3所示，乌鲁木齐市生活生产空间的面积增加主要是来自于对生态空间和生产生态空间的占用，居住用地对未利用地、耕地、草地、园地进行侵占，未利用地、耕地、草地、园地对其面积增加的贡献率分别为29.66%、20.01%、3.45%和2.81%，且居住用地侵占未利用地、耕地、园地面积随时间推移呈现明显上升的趋势，以2011年为节点，居住用地占用未利用地的面积(东北方向的米东区、部分水磨沟区的未利用地)和耕地的面积(主要侵占范围包括城市的西北方向头屯河区、新市区北部的耕地)迅速增加。工交用地扩张主要来自于对未利用地、耕地的侵占，未利用地、耕地对其面积增加的贡献率分别为51.68%和15.51%。生态生产空间规模的增加主要体现为养殖水域和盐田占用了工交用地和湿地，生产生态空间规模增加主要体现在耕地和园地对未利用地的占用。

表3 2004—2018年乌鲁木齐市土地利用转移矩阵

3.2 ESV时空变化

根据表4可知，乌鲁木齐市在2004、2011和2018年的ESV分别达到36.47亿、31.23亿、31.41亿元，其中，生态空间所带来的ESV的贡献量均占总量的90%以上。前期乌鲁木齐市的ESV有小幅降低，后期又稍有回升，但总体呈下降趋势，2018年相比2004年下降了13.87%。

表4 2004—2018年乌鲁木齐市“三生空间”ESV变化

生态生产空间和生产生态空间ESV变化趋势与整体区域变化情况相反，前期ESV有所上升，以2011年为拐点降速明显。从整个时段来看，乌鲁木齐市生产生活空间的ESV持续下降，后期降速明显。后期生态空间ESV增加2.29亿元，有林地和疏林地面积的不断增加是其空间扩张的主要原因，这使得生态空间ESV有所提高。湿地、居住用地、灌木林地以及草地的ESV衰减量较大，分别为3.81亿、1.67亿、1.45亿、1.08亿元，工交用地、耕地、未利用地和盐田的ESV也有所下降。

采用自然断裂点法将乌鲁木齐市ESV空间分为5个等级，结果见图3。2004—2011年间乌鲁木齐市的ESV低级区域主要集中在中心城区内，以沙依巴克区、天山区、水磨沟区为主，2011—2018年ESV低级区域随着城镇化发展呈明显向米东区、头屯河区及以北部扩散的趋势。从空间分布形态上来看，乌鲁木齐市ESV较低级区域与园地、养殖水域分布格局较为吻合；ESV中级区域前期分布面积较大，后期集中在城区北部；ESV较高级区域前期分布在耕地、林地、水域等覆盖率较大的区域，后期覆盖大部分区域；ESV高级区域集中分布在西南部具有旅游性质的开发区、风景区及东北部山地区域，其分布形态与灌木林地、有林地等郁闭度较高的区域较为吻合。

图3 2004—2018年乌鲁木齐市ESV时空变化

3.3 “三生空间”土地利用功能转型对ESV的影响

如图4所示，2004—2018年生态空间内乌鲁木齐市有林地ESV差值降低幅度最大，有林地被生态空间内部未利用地、灌木林地、草地、疏林地以及生活生产空间内居住用地占用，转型后ESV当量因子明显下降，对生态效益产生负向影响，说明乌鲁木齐市未来需要重点考虑对林地资源的保护，维护基础性生态用地空间，保护城市内部各类生态系统特殊地带。

图4 2004—2018年“三生空间”土地利用功能转型前后ESV衰减情况

湿地占乌鲁木齐市总量较小，但ESV下降总量较大，湿地主要转型方向为未利用地、盐田、居住用地。根据土地利用功能转型面积总量来看，整体转型规模较小，但实际ESV下降总量却很大，说明未来对湿地应基于生态环境安全的需要进行针对性维护，如将重点湿地保护区、河湖资源区、重要水源保护区作为基础性的生态用地区进行维护。其次，未利用地转向生活生产空间，ESV下降总量较大，说明乌鲁木齐市在持续扩张的过程中，未利用地被占用对生态效益产生的负向影响较为明显，对未来发展可持续型城市提出挑战。

生态生产空间内养殖水域ESV下降总量最大，向生产生态空间内的耕地(ESV差值为-0.08亿元)、生活生产空间内的居住用地(差值为-0.02×105元)和生态空间内的未利用地(差值为-0.02亿元)转型。虽然养殖水域转向耕地的面积较小，但耕地与养殖水域相比ESV当量因子较低，因此对养殖水域整体ESV下降有一定影响。

生产生态空间被生活生产空间占用，导致耕地ESV下降1.62亿元，园地ESV下降0.27亿元，这说明乌鲁木齐市未来应扩展城市的生态安全绿色空间，维护城郊地带的耕地和园地，发挥生产生态空间的景观、间隔功能，进而提升整个城市的生态效益。

如图5所示，2004—2018年间，生态空间内有林地、疏林地、草地ESV增加量分别为6.38亿、3.25亿、1.47亿元，占生态空间ESV增加总量的50.04%、25.47%、11.55%。这表明能提高乌鲁木齐市ESV的重要功能用地是林地以及草地资源，未来乌鲁木齐市在发展及规划过程中，应保护西部绿洲城市林地及草地资源，使生态区布局达到相对稳定的状态，重点对荒漠地带的林地进行封育和保护，适度扩展林地和草地生态区规模。

图5 2004—2018年“三生空间”土地利用功能转型前后ESV增加情况

生态生产空间内提高乌鲁木齐市ESV的主要土地利用功能转型方向是盐田转变为湿地，ESV增加量为0.04亿元，占生态生产空间ESV增加总量的92.46%。这表明湿地资源对生态效益起重要作用，但湿地受地形地貌、气候及水资源承载力、环境容量的限制较大，未来应重点保护河湖、沼泽等湿地资源。

生产生态空间内提高乌鲁木齐市ESV的主要土地利用功能转型方向是耕地转变为园地，可带来ESV增加量0.37亿元，占生产生态空间ESV增加总量的85.34%。未来应考虑生产生态空间内部各功能用地的布局，促进城乡生态功能空间的完善和都市农业发展。

居住用地转变为生态空间内的有林地带来的ESV增加量为0.12亿元，转变为生产生态空间内的耕地和园地总计提高ESV达0.28亿元。工交用地转变为未利用地、养殖水域、耕地提高的ESV分别为0.18亿、0.19亿、0.12亿元。这表明生活生产空间对生态用地的退让有利于提升整个城市的生态效益。

4 结 语

乌鲁木齐市生产生态空间以及生态生产空ESV出现倒“V”形变化，生态空间面积总体持续下降。生活生产空间的持续扩张主要来自于对未利用地、草地、耕地以及园地的占用，乌鲁木齐市城区不断向外蔓延是导致“三生空间”土地利用类型变化的主要原因。

2004—2018年间乌鲁木齐市ESV整体呈下降趋势，居住用地和工交用地的快速扩张破坏了基本稳定的生态环境系统，造成整个区域内的生态效益呈现负向趋势。生态空间中部分土地利用类型的转变，生活生产空间对其他空间的占用，导致乌鲁木齐市ESV持续下降，另外，具有水域生态功能、农业生产功能的土地利用类型对区域生态效益具有一定的助推作用。

未来应考虑优化推进“三生空间”的最佳布局；重点保护林地、草地以及湿地等重点调节生态用地，为城市的可持续发展提供最佳的保护屏障；提升生态生产空间以及生产生态空间内部的各项生态服务功能，降低因城市发展导致的生态失衡；高效集约利用生活、生产功能用地，提高其社会效益、经济效益和生态效益。