西北干旱区三类国土空间分类及格局演变特征分析

张云霞 ，高敏华 ，赵 娟

（新疆大学，a.资源与环境科学学院；b.绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046）

改革开放至今，国民经济高速增长推动中国城市化进程，乡镇企业萌芽打破了城乡之间的界限，促使城市化形成以小城镇快速扩张、人口就地城市化为主要特征［1］，城乡建设用地的急速扩张推进中国国土空间开发利用方式发生转型。随着城镇空间的急剧增加，生态空间与农业空间面积受到挤占而产生紧张的人地关系与土地利用格局不协调问题，因而优化国土空间开发格局、建立科学合理的空间规划体系、统筹兼顾城镇、农业、生态3 类空间，可持续发展成为国土空间亟待攻克的难题［2］。中国共产党十八大报告指出“要优化国土空间开发格局，生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”，使得三生空间成为国土空间规划的新方向［3］；2015 年，国家发展和改革委员会、国家测绘地理信息局联合下发《关于印发市县经济社会发展总体规划技术规范与编制导则的通知》，以完善健全市县空间规划体系为目标，提出3 类空间理论及划分标准，相较于三生空间，3 类空间易于划定与实施管理，后者是在前者基础上提出，对国土空间、主体功能区区划有更深层次的认识，更有利于实践；2017 年1 月国务院印发《全国国土规划纲要（2016—2030 年）》，为规范国土空间开发格局明确城镇、农业、生态3 类空间开发管制体系［4，5］。以促进新疆经济结构战略性调整为目标、规范空间规划秩序及区域协调发展，新疆以《全国主体功能区规划》为依据实施《新疆维吾尔自治区主体功能区规划》，旨在构建高效、合理、可持续的国土空间开发格局并提出优化城镇、农业、生态3 类空间结构。

目前，针对国土空间规划的大量研究聚焦于三生空间，而对3 类空间分类、格局异质性及演变特征研究较少且处于初步阶段。国内学者对三生空间的关注自2012 年纳入研究领域以来文献数量逐年递增［6］。截至当前研究成果丰硕、研究内容涉及广泛，包括三生空间理论内涵［7-9］、三生空间功能识别与分类体系建立［10-14］、三生空间格局变化趋势［15，16］及空间优化评价［17-20］。李广东等［21］详细阐述了三生功能的内涵与分类依据，从理论与实践两方面入手，借助生态系统服务、景观功能及土地功能分析法构建三大空间功能体系。针对3 类空间的研究主要集中在理论内涵、国土空间开发适宜性评价及空间分类。赵筱青等［2］从土地功能空间分类入手研究抚仙湖流域3 类空间的分类体系，并为国土空间优化提供科学对策；刘仨［22］以眉县为研究对象，结合永久基本农田与生态保护红线对其进行开发适宜性评价，为县域空间规划提供实践指导；闰记影等［23］、郑明波等［24］以“多规合一”为指导借助地理空间信息对垫江县3 类空间划定展开研究。这些成果为3 类空间的深度研究提供了参考，也可为国土空间规划提供科学依据。已有研究中，3类空间的分类体系通过功能空间分类与量化识别2 种方法建立，后者以土地利用现状数据为基础，根据土地利用功能进行分类，前者通过建立指标体系完成城镇、生态、农业空间的量化识别，这是因为区域差异性不适用所有地区［16，21］。现有研究对象多以中国中、东部区域为主，对西北干旱区绿洲县域关注度较低。基于此，本研究从小尺度层面，选取新疆麦盖提县为研究对象，以2009、2015、2019 年 3 期遥感影像为数据源，借助 GIS、FRAGSTATS 4.2 软件研究麦盖提县3 类空间分类、时空演变及景观格局变化特征，以期为西北干旱区国土空间合理布局、区域可持续发展提供科学参考。

1 研究区概况

麦盖提县位于新疆维吾尔自治区南部，地处塔克拉玛干沙漠西南边缘、喀喇昆仑山北麓、叶尔羌河中游，地理坐标处于东经 77°28′—79°05′和北纬38°25′—39°22′。东部隔大漠与和田地区皮山县相连，北接巴楚县，西接莎车县，南连叶城县，东南与和田地区毗邻，海拔1 155～1 195 m，全年平均气温为13.3 ℃，降水量为43.1 mm，是塔克拉玛干沙漠西部的一片绿洲。县城距首府乌鲁木齐市1 410 km，距喀什市175 km，位于叶尔羌河流域5 个县的中心，是毗邻叶尔羌河中游的一颗明珠，有“小金三角”之称。2019 年末麦盖提县总人口为236 939 人，其中城镇人口70 493 人，乡村人口166 446 人，乡村人口占总人口的70.25%。县域辖9 个乡1 个镇，全年实现生产总值（GDP）582 777 万元，以一三产业为主。麦盖提县是离沙漠最近的一个县，直面土地沙漠化的威胁，沙地面积占土地总面积的80.48%。全县正处于人口总量持续增长、城市化水平不断提高的快速发展阶段，在保护耕地和生态环境的双重压力下，有效解决城镇空间的供需矛盾及协调城镇空间、农业空间与生态空间三者可持续发展已成为迫切需要。

2 数据来源与研究方法

2.1 基于土地利用主导功能的分类方法

土地利用方式存在多功能性，单一土地具有多种使用用途，但根据土地属性强度与主观用地目的使土地利用类型具备主导功能［25-28］。城镇、农业、生态空间与主体功能区规划提出的城市化、农业和生态安全三大战略格局相对应，中国“多规合一”试点市县在划定“三类空间”方面取得科学成果。城镇空间以城镇建设与城镇经济发展为主要功能，为城镇居民生产生活提供场所；农业空间以农产品生产与农村生活为主要功能，保障粮食安全生产；生态空间主要以提供生态系统服务、保护生态环境、维护物种多样性为主要功能，是城镇、农业空间发展的基础［29，30］。现有 3 类空间的研究处于探索阶段，对 3 类空间分类未形成统一标准。因此，结合麦盖提县土地利用特征实际情况，根据赵筱青等［2］、魏伟等［29］相关3 类空间格局划分的成果，基于土地利用主导功能构建麦盖提县3 类空间分类体系（表1）（本研究不包括沙漠区域）。其中，农业空间由农业生产空间与农村生活空间（农村道路、农村宅基地）构成，生态空间由绿色生态空间与其他生态空间（裸土地、沙地、盐碱地）构成。

表1 麦盖提县土地地类主导功能

2.2 数据来源与处理

2009、2015、2019 年土地利用现状数据来源于土地利用变更数据库，由麦盖提县自然资源局提供，数据为矢量格式且数据属性完整；2009—2019 年统计公报来源于麦盖提县统计局；麦盖提县土地利用总体规划（2010—2020 年）来源于麦盖提县自然资源局；社会经济数据来源于《新疆维吾尔自治区统计年鉴》与《中国城市统计年鉴》；县域矢量数据来源于中国基础地理信息数据。

2.3 研究方法

2.3.1 单一动态度指数 单一动态度指数以各类国土空间面积为基础，探讨一定时期内不同功能国土空间变化幅度，反映各功能空间在国土总空间利用的变化速度［31］。表达式如下。

式中，G为麦盖提县某一类国土空间的单一动态度指数；Si表示发生变化后的某类国土空间面积；Sj表示未发生变化的该类国土空间；T为研究的时间尺度。

2.3.2 洛伦兹曲线 美国经济统计学家Lorenz 1907 年提出洛伦兹曲线理论，反映某一区域经济收入分配的均匀度［32］。其中，实际曲线距离绝对平均线越短，下凹幅度越小，所构成的曲面面积越小，反映收入分配均匀；反之，表明分配不均匀。

本研究将洛伦兹曲线理论应用于探索麦盖提县3 类国土空间分布的均匀程度。以土地总面积累计百分比为X轴，以某种3 类国土空间面积累计百分比为Y轴，首先计算各乡、镇某类国土空间类型的区位熵（Q），表示该类国土空间类型在各乡、镇的专门化程度［33］；其次以升序排列该类空间的区位熵，统计各镇、乡土地总面积累计百分比与该类空间面积累计百分比绘制3 类国土空间的曲线图。通过洛伦兹曲线空间图表明，曲线距离绝对平均线越近、下凹程度越小则分布均匀；反之，麦盖提县3 类国土空间分布离散。Q表达式如下。

式中，Q为某类国土空间的区位熵；C1表示某乡、镇该类3 类国土空间面积；C2表示该研究区3 类国土空间面积总和；C3表示某乡、镇土地总面积；C4表示研究区面积总和。

2.3.3 基尼系数 洛伦兹曲线图将3 类国土空间分布均匀程度可视化，却缺乏定量分析。引入基尼系数定量分析3 类国土空间分布均匀度［34］。以基尼系数来划分，＜0.2 表示分布绝对平均；［0.2，0.3）表示分布相对平均；［0.3，0.4）表示分布合理；［0.4，0.5］表示分布差距大；＞0.5 表示分布不均衡。表达式如下。

式中，G为基尼系数；Mi表示某乡、镇某类 3 类国土空间面积的累计百分比；Qi表示某乡、镇土地面积占研究区土地总面积的累计百分比。

2.3.4 景观格局指数 景观格局指数从整体景观格局与局部景观斑块类型2 个维度反映景观在时间尺度上的动态变化特征［35］。景观格局空间构成是人类活动、生态环境演变与生物活动共同作用的产物，其变化规律也备受地理学、生态学关注［36］。麦盖提县国土空间由景观斑块组成，通过景观格局变化揭示3 类国土空间的变化特征。结合麦盖提县3 类国土空间景观特征，从景观水平与斑块类型方面选取9 个描述指标展开分析，见表2。

表2 景观格局指数公式及含义

3 结果与分析

3.1 麦盖提县3 类国土空间类型格局

2009—2019 年麦盖提县生态空间、农业空间与城镇空间面积如表3 所示，其中农业空间在整个县域国土空间占比最大且逐年呈递增趋势，2009、2015、2019 年所占比重依次为 54.29%、55.21%、69.36%；生态空间所占比例次之，但逐年下降，麦盖提县处于城镇化、工业化快速发展阶段，建设用地的紧张需求对生态空间造成挤压；城镇空间面积所占比例逐年大幅度上涨。

表3 2009—2019 年麦盖提县3 类国土空间类型的面积及占比

3.1.1 城镇空间 2009、2015、2019 年麦盖提县城镇空间坚持中心城区、重点乡镇、一般乡镇三头并举的方针，以麦盖提镇为中心，沿着重点乡镇面积逐年扩大。2009 年主要分布在麦盖提镇中心城区；2015年中心城区面积向周边延伸，以央塔克乡、库木库萨尔乡和希依提墩乡为发展重点，城镇空间零星分布，规模较小；2019 年城镇空间呈规模分布、紧凑度高，为加快城乡一体化发展，新增特色小城镇与富民安居工程，逐步改变农村用地散而乱的特征（图1）。

3.1.2 农业空间 2009、2015、2019 年麦盖提县农业空间分布格局基本一致，主要集中在央塔克乡、吐曼塔勒乡、尕孜库勒乡、克孜勒阿瓦提乡、库尔玛乡等水利设施相对较好，灌排能力较强的重点区域，规模大、呈连片状分布，贯穿麦盖提县南北（图1）。

3.1.3 生态空间 2009、2015、2019 年麦盖提县生态空间面积递减幅度大，希依提墩乡、尕孜库勒乡、克孜勒阿瓦提乡与吐曼塔勒乡减少显著。主要包括叶尔羌河沿岸生态保护区和塔克拉玛干沙漠防护林等，防护林生态保护区、河流、防护林地在全县呈“带状”布局（图1）。

图1 麦盖提县3 类国土空间分布格局

3.2 麦盖提县3 类国土空间动态变化特征分析

3.2.1 时间变化特征 比较分析2009—2019 年麦盖提县3 类国土空间面积变化，借助单一动态度指数计算各类空间在国土总空间利用的变化速度。2009—2019 年城镇空间面积增加3 002.57 hm2，动态度为19.59%/年，在3 类国土空间中增幅最大；农业空间呈稳定上升趋势，动态度为2.78%/年；生态空间减少 26 348.15 hm2，动态度为-3.8%/年。图 2 直观反映麦盖提县2009、2019 年3 类国土空间相互转换状态，其中，麦盖提镇作为全县经济发展中心城镇空间增加明显，由农业空间、生态空间转入3 509.73 hm2；农业空间的增加贯穿整个麦盖提县，主要由生态空间转换而来，集中分布在克孜勒阿瓦提乡、尕孜库勒乡、库木库萨尔乡、央塔克乡、吐曼塔勒乡及昂格特勒克乡；农业空间、城镇空间转换为生态空间的面积较小，零星散落在各个乡镇，退耕还林等政策有效保障生态保护红线不被挤压。

图2 2009—2019 年麦盖提县3 类国土空间面积变化

3.2.2 空间变化特征 本研究借助洛伦兹曲线理论与基尼系数探索麦盖提县3 类空间分布的均匀程度。由图3 可以看出，农业空间曲线距离绝对平均线最短，表明农业空间在国土总空间分布均匀；生态空间曲线距离绝对平均线变化幅度小，表明生态空间分布均匀且稳定；城镇空间曲线变化剧烈，其曲线下凹程度逐年递减，表明城镇空间2009 年分布离散、集聚度低，由于麦盖提县位于叶尔羌河流域5 个县的中心，丝绸之路经济带建设使麦盖提县成为叶尔羌河流域范围内的交通枢纽中心和商贸物流中心，因而至2019 年城镇空间均衡性增强。以10 个乡镇为评价单元得出基尼系数，2009—2019 年农业空间与生态空间基尼系数均小于0.200，说明县域内分布绝对均匀；2009 年城镇空间基尼系数为0.787，2019 年减至0.456，城镇空间分布差距悬殊但以递减趋势为主，表明其面积扩张相对集中，空间分布趋于均衡。

图3 2009—2019 年麦盖提县3 类国土空间洛伦兹曲线

3.3 麦盖提县3类国土空间景观格局演变特征分析

3.3.1 斑块层面景观特征 借助Fragstats 4.2 软件提取麦盖提县3 类国土空间景观格局指数，从斑块层次选取描述指标进行各个景观格局指数特征分析，探讨3 类国土空间景观斑块类型变化特征及规律。由图4 可以看出，2009—2019 年城镇空间景观指数变化较大，斑块密度2009 年为0.25，2019 年增长至3.90，说明城镇空间斑块面积逐年扩张；面积指数、最大斑块面积指数及景观形状指数均呈不同程度的上涨趋势，分别增加1.90、0.60、43.00，说明2009—2019 年城镇空间斑块类型占比增加，斑块形状复杂且离散程度高；散布与并列指数（IJI）、聚集度指数波动下降，说明城镇空间斑块之间相互临近性较低，丝绸之路经济带的建设为麦盖提县城镇空间拓展提供了机遇，因而城镇空间以麦盖提镇集聚分布、重点乡镇散落分布为格局。由于近11 年城镇空间与农业空间扩张导致生态空间面积受到挤占，其面积指数、最大斑块面积指数逐年降低，2009—2019年分别减少16.8、15.8，聚集度指数从93.8 变化为87.2，说明生态空间斑块数量占比减少、景观多样性及优势度减弱；景观形状指数2009—2015 年小幅度上涨、2009—2019 年大幅度增加；散布与并列指数稳定增长反映生态空间斑块之间相互临近且整体离散分布贯穿整个研究区域。麦盖提县以粮食生产核心区建设为契机，根据麦盖提县经济社会发展规划和麦盖提县农用地分等成果，优化基本农田布局，农业空间面积指数、斑块密度指数、景观形状指数、集聚度指数、散布与并列指数及最大斑块面积指数以稳固上涨为发展趋势并均高于城镇空间与生态空间，在人类活动影响下丰富了其斑块类型的多样性，内部排列紧凑度增加，整体斑块形状不规则。

图4 2009—2019 年麦盖提县3 类国土空间斑块层面景观指数

3.3.2 景观层面景观特征 从景观层面选取蔓延度指数、香浓多样性指数、香浓均匀度指数、散布与并列指数、聚合度指数5 个指标分析整体景观均匀度与联系性。由表4 可以看出，香农多样性指数、香农均度指数2009—2015 年增加、2015—2019 年减少，表明随着人类活动的加强3 类国土空间景观类型变化强烈，发展方向趋于均衡化与多样化；蔓延度指数、聚集度指数呈小幅下降趋势，散布与并列指数增加33.612 1，表明各类型景观的临近性提高、相同类型景观集聚度降低、各类景观优势度愈加明显，其3类国土空间的联系也随之加深。

表4 2009—2019 年麦盖提县3 类国土空间景观水平指数

4 小结与讨论

3 类国土空间的提出与发展是建立、健全国土空间规划体系的重要进程，基于土地利用主导功能的3 类国土空间分类随着人类活动对土地干扰程度的加剧应用愈加广泛。通过对麦盖提县展开3 类国土空间分类与格局分布、结合时空尺度进行不同时期3 类国土空间动态变化分析及探讨其景观格局演变特征。结果表明，①农业空间。2009—2019 年农业空间面积逐年稳固增加，占麦盖提县国土空间最大比重，主要分布在水利设施、灌排能力较强的乡镇且涉及面积广泛，农业空间的增加主要由生态空间转入。根据洛伦兹曲线与基尼系数表明其在研究区内分布绝对均匀。由景观格局指数得出，各类指数以上升趋势为主，斑块类型分布紧密且聚集度高。农业是民生之本，麦盖提县以农业为主进一步保护和开发农业空间，保障全县粮食生产水平稳中有升。②城镇空间。2009—2019 年城镇空间面积增加3 002.57 hm2，主要分布在中心城区及各个乡镇中心，其面积增加来源于生态空间与农业空间的转化。由于中央提升新疆战略地位、丝绸之路经济带建设，进一步推动了麦盖提县城镇建设。因此城镇空间分布格局由不均衡变为相对均衡，其分布差距悬殊的状态得到改善。从景观格局指数得出城镇空间斑块面积逐年增加但离散度高，并且城镇空间斑块类型之间连续性较低。③生态空间。在新型工业化、新型城镇化、农牧业现代化、信息化建设和基础设施现代化建设进程中农业空间与城镇空间面积大量增加造成生态空间面积逐年减少，主要以防护林生态保护区分布在研究区内。2009—2019 年其基尼系数＜0.2，表明其分布绝对均匀，生态空间景观多样性与优势度随着斑块面积减少而降低。

结合本研究区实际情况，借鉴已有的3 类国土空间划定成果，基于土地利用的主导功能完成麦盖提县3 类国土空间分类体系与格局分析，如何优化3类国土空间布局、缓解尖锐的土地供需矛盾、统筹生态保护红线、永久基本农田保护红线与城镇开发边界线是今后探索的方向。