干旱區河谷綠洲土地利用沖突格局分析

王娟娟, 毋兆鵬,2, 王珊珊， 尹慧慧

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054； 2.新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，烏魯木齊 830054)

0 引言

土地利用沖突的實質是各土地利用主體及利益相關者之間，以同一空間區位上土地為核心、資源要素間的時空競爭和博弈過程[1-3]。其內涵是以土地利用空間沖突為縮影的各種利益矛盾和多種土地利用類型(功能)演變[4-7]。隨著城市化進程加快，區域“生態-生產-生活”空間結構比例趨于失衡，土地利用沖突逐漸成為學術界研究熱點[8-10]。但相關成果多集中于經濟發達地區的城市群、城市密集區和都市帶[11]等宏觀尺度，對于中西部欠發達典型區域尤其是干旱區綠洲城鎮涉及較少。

烏魯木齊市作為新疆的政治、經濟和文化中心，屬典型干旱區河谷綠洲城市，由于地形地質條件限制及水土資源空間分布不平衡，使得在工業化、城市化快速發展中，已無法按照“以水定地”原則實現耕地占補平衡，適宜城市建設發展的空間與周邊耕地和基本農田分布高度重疊，導致城市在發展用地布局上頻頻掣肘。加之局部地區土地退化和土地污染現象較為嚴重，區域農業發展、生態保護與城市化發展之間的矛盾日益尖銳[12]。在此背景下，為了實現城市發展與綠洲生態環境的和諧共存，亟需研究兩者之間多重關聯的漲落過程及耦合機制，探討土地資源利用沖突的原因和表現，為綠洲城市未來土地利用結構優化和生態效益提高，預防土地利用沖突的發生，促進區域和諧穩定、建設人與自然和諧共生提供例證和科學支撐。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

烏魯木齊市(E86°37′33″～88°58′24″，N42°45′32″～45°00′00″)位于新疆天山山脈中段北麓地區，北部主要為低山河谷及沖積平原地域，南部為天山山區，海拔在412～5 426 m，起伏較為懸殊，兼備山地城市和平原城市屬性(圖1)。全市下轄7區1縣，總面積1.42×104km2，區域城鎮化率74.61%，處于城鎮化發展后期。經濟社會發展迅速，2014年，經國務院批復確定為中國西北地區重要的中心城市和面向中亞西亞的國際商貿中心。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Sketch map of study area

1.2 數據源及預處理

考慮到干旱區綠洲城市土地類型之間轉換劇烈，因此本研究選取特征明顯的2000年(嚴格保護耕地)、2010年(實施生態保護)和 2018 年(實施生態保護)3期影像，所使用的空間遙感數據來源于中國地理空間數據云(http: //www.gscloud.cn)，包括2000 年9月2日Landsat5 TM、2010年8月13日Landsat5 TM和2018 年9月4日Landsat8 OLI數據，條帶號142～143，行編號29～30，圖像空間分辨率30 m，3期數據含云量均低于5%。借助ENVI 5.1和ArcGIS 10.5軟件平臺，在完成波段合成、圖像鑲嵌、裁剪、幾何糾正等預處理工作后，參考《全國土地分類標準》和《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)，將土地利用類型劃分為林地、耕地、草地、建設用地、水域及未利用地6類。

根據影像的圖像紋理、幾何形狀、空間結構、色調等空間特征和光譜特征，利用 ROI tool擴展工具結合谷歌地圖選擇興趣區分類樣本，并對其進行可分離性檢驗，通過不斷選取和調整使得各類樣本可分離性均大于1.9，屬于合格樣本達到分類要求。利用最大似然法對影像進行分類，并對分類結果進行目視調整及細碎斑塊處理。為保證分類結果的準確性與一致性，將2000年、2010年和2018年土地利用分類結果結合2015年烏魯木齊市范圍內的自治區第一次全國地理國情普查成果—地表覆蓋數據(由新疆維吾爾自治區測繪地理信息局提供)、第一次(1997年)和第二次(2009年)全國土地調查成果數據進行對比，并在ENVI中對分類結果輔助修改，最后得出3個時期土地利用類型圖。選擇純凈的像元作為感興趣區，檢驗分類結果的精度，評價結果如表1所示，均達到分類標準精度，滿足研究要求。2000—2018年研究區年平均氣溫和年降水量氣象資料取自烏魯木齊市氣象站。

表1 分類結果精度Tab.1 Classification results accuracy

2 研究方法

2.1 土地利用沖突測度模型

生態安全視角下的土地利用沖突，主要表現為耕地、建設用地與生態安全空間之間錯配重疊導致的矛盾和空間競爭。因此，考慮土地利用系統具有復雜性、脆弱性及穩定性等特點，結合研究區資源環境特征，確定從系統復雜性(FAWMPFD)、脆弱性(FFI)及穩定性(FSI)3方面構建土地利用沖突綜合指數(F)[13]，計算結果需標準化處理至(0，1)范圍內。計算公式為：

F=FAWMPFD+FFI-FSI

(1)

土地利用復雜性(FAWMPFD)可以借助景觀分形指數(AWMPFD)[8,14]來測算。數值越高表明該景觀單元受鄰域景觀干擾的機會越大，空間單元的土地利用結構越復雜。計算公式為：

(2)

式中:Pij為第i類土地利用類型第j個斑塊的周長；aij為第i類土地利用類型第j個斑塊面積；A為區域單元面積。

土地利用脆弱度(FFI)可以借助景觀脆弱性指數(FI)來測算，其中脆弱度按建設用地(6)、未利用地(5)、水域(4)、耕地(3)、草地(2)、林地(1)賦值[15]。數值越高則空間斑塊抵抗外界壓力的能力越弱，越易受外界影響，土地利用中的沖突水平越高。計算公式為：

(3)

式中：ai為區域內各土地類型的面積；Fi為土地利用類型i的脆弱度；n為土地利用系統包含的用地類型數量。

土地利用穩定性(FSI)可以借助景觀破碎度(SI)測算(式(4))[8]。數值越高空間單元的穩定性越差，土地利用沖突則越顯著。計算公式為：

(4)

式中：PD為斑塊密度；A為區域單元面積；ni為區域單元斑塊數量。

2.2 土地利用沖突分析尺度

地理學在研究對象格局與過程的發生時具有明顯尺度依存性，因此綜合考慮數據類型、空間數據分辨率、軟件計算能力和土地利用沖突空間呈現效果等因素，對比不同大小格網單元(包括500 m×500 m，600 m×600 m，800 m×800 m，1 000 m×1 000 m，1 500 m×1 500 m)，經試驗后構建600 m格網尺度共計39 693個沖突水平空間單元(柵格分辨率為600 m)，在每個單元內計算土地利用沖突綜合指數，實現每個網格的獨立數據。其中，研究區邊界區域斑塊未布滿整個單元面積的，按一個完整的單元面積參與計算。所有計算結果統一采用自然間斷點法，根據土地利用沖突指數累積頻率曲線分布特征和空間沖突呈倒“U”型演變規律[16-17]進行分級(表2)。

2.3 土地利用程度指數

土地利用沖突發生的程度與該區域土地利用所處的階段有密切關系，土地利用程度指數能夠給出處于發展期、調整期或衰退期的結論[18]，本研究區相關指數的計算與分級見式(5)[19-22]，具體公式為：

(5)

式中：L為研究區域土地利用程度綜合指數，L∈[100，400]；n為土地利用類型的數量，這里取6；Ai為第i類土地利用類型的面積；AT為研究區域總面積；Pi為不同類型的土地利用程度參數，其中： 未利用地賦值1，林地、草地和水域賦值2，耕地賦值3，建設用地賦值4。

表2 土地利用沖突分級表Tab.2 Classification of land use conflict

3 結果分析

3.1 土地利用時空格局變化特征

2000—2018年烏魯木齊市各土種地利用類型的面積整體呈現“三增三減”的變化特征(表3、圖2)。其中，建設用地、林地和水域面積處于持續增加態勢，增加面積分別為607.00 km2，96.42 km2和25.20 km2；草地、耕地和未利用地面積處于持續減少態勢，減少面積分別為399.10 km2，225.09 km2和104.42 km2。需要強調的是，雖然草地面積在持續減少，但自2010年開始幅度卻明顯下降，與此同時耕地面積減少的幅度則顯著上升，充分突顯了研究區2010年以后實施草原生態保護政策的效果。

表3 研究區土地利用變化Tab.3 Land use change in the study area

(a) 2000年(b) 2010年(c) 2018年圖2 研究區土地利用分布圖Fig.2 Land use distribution map of the study area

在空間上，近20 a研究區建設用地在中心城區呈現出從中心往外大幅擴張的趨勢，尤其是在中心城區北部以及南部烏魯木齊縣變化更為明顯。受此影響，中心城區東、西部的草地及北部的耕地面積大量減少，而在研究區東部山區以及建設用地周圍林地面積則有明顯增加，水域主要在研究區北部增加明顯。

3.2 土地利用沖突空間特征與尺度效應

研究區2000—2018年近20 a間土地利用沖突空間變化顯著(圖3、圖4)。2000年，無沖突區占據主體，面積為12 560.65 km2，占比達90.09%，主要發生在土地利用類型單一的草地和未利用地范圍； 至2010年，這一類型區域面積減少了2 421.53 km2，且明顯發生在中心城區周邊； 2018年幅度有所放緩但仍減少了175.69 km2。與此相對應，輕度沖突和中度沖突區域持續增加，近20 a間分別增加了1 082.25 km2和1 140.28 km2，主要明顯發生在中心城區內部以及東部和南部山區林地范圍內。重度沖突區域在經歷了2000—2010年的增加后，自2018年開始出現下降，減幅為58.52 km2，主要明顯發生在中心城區北部。

(a) 2000年(b) 2010年(c) 2018年圖3 研究區土地利用空間沖突空間格局Fig.3 Spatial pattern of land use conflict in the study area

對近20 a土地利用沖突綜合指數的Moran’s I 值進行全局空間自相關檢驗，結果皆大于0.64，各期Moran’s I狀態統計值均在234.25以上，遠大于0.001置信水平下的3.29臨界值，且顯著性檢驗p值均在0.003以內，明顯小于顯著性水平0.05。此現象表明綜合指數相近的土地利用沖突關聯性較高，具有顯著的空間正相關。且隨著時間推移，這種空間集聚程度增強。根據Moran’s I 值的變化來看，2000—2010年Moran’s I 值從0.65增加到0.67，這一期間土地利用沖突的空間集聚性增強，可能受經濟發展受服務型產業影響，導致城鎮化建設過程中的土地利用沖突加??； 2010—2018年Moran’s I 值從0.67減小至0.66，由于城市土地用途管制措施大力實施，區域土地利用沖突強度向好的方向轉變，空間集聚性被弱化。

冷熱點分析顯示(圖5)，2000—2010年，土地利用沖突熱點區在中心城區北及西南部顯著聚集，至2010—2018年，熱點區遷移至中心城區的東部及南部，且分布范圍縮小。冷點區則主要集中于中心城區內部以及東、南部的山區，其原因是由于內部土地利用類型趨向于統一，斑塊兒復雜性降低，沖突得以緩解?？臻g分布上的集聚趨勢經歷了以2010年為臨界點的先增后減過程。

(a) 2000—2010年(b) 2010—2018年圖5 研究區土地利用沖突冷熱點時空演化Fig.5 Spatiotemporal evolution characteristics of comprehensive index of land use conflict in the study area

沖突發生的土地利用類型分析結果表明(圖6)，2000—2018年研究區內的草地、耕地、建設用地和林地較易發生土地利用沖突。其中，草地始終是各類型沖突中的主體，且僅從2010年開始，重度沖突才有輕微下降； 林地在各類型沖突中的占比持續增加； 耕地的輕度、中度沖突面積雖然連續增長，但自2010年開始，重度沖突出現了明顯下降并開始轉為輕度沖突，顯示了向好的一面。與耕地相反，發生在建設用地上的輕度沖突除經歷了2010年的下降外，中度和重度沖突面積持續上升。相對穩定的土地利用類型則為未利用地和水域，但近20 a間水域在各類型沖突中的持續增長，尤其是重度沖突的明顯增加仍然不容忽視。

(a) 無沖突 (b) 輕度沖突

(c) 中度沖突 (d) 重度沖突圖6 研究區各沖突等級用地類型Fig.6 Land use types of different conflict grades in the study area

3.3 土地利用沖突對土地利用程度的響應

土地利用程度必然會影響土地利用結構，進而對土地利用沖突產生影響。研究區2000年、2010年和2018年土地利用程度指數分別為185.84，190.09和193.69，表明研究區的土地利用程度總體呈上升趨勢，土地利用一直處于發展期。利用雙變量空間自相關進一步探索其與土地利用沖突之間的內在聯系， 3期數據Moran’s I 指數分別為0.09，0.19和0.21，p<0.05，研究區土地利用程度與土地利用沖突之間存在空間正相關，即隨著土地利用程度的增強，土地利用沖突總體上呈現出上升趨勢(圖7)。結果表明： 中心城區及其周邊以及研究區東、南部山區，作為土地利用程度較高的區域，與重度沖突聚集的區域有著較強的空間正相關，呈現出高-高聚集特征，且2010年以后呈現由中心城區有規律向北擴張的趨勢。低-低聚集區則是低利用程度區與無沖突聚集區空間正相關較強的區域，主要分布在未利用地區域，自2010年開始東部山區有明顯增加。而土地利用程度較高的草地區域，與無沖突聚集的區域具有較強的空間負相關，表現為高-低聚集，于研究區東部呈現減少趨勢。

(a) 2000年土地利用程度Lisa聚類(b) 2010年土地利用程度Lisa聚類(c) 2018年土地利用程度Lisa聚類

圖7-1 土地利用程度與沖突的雙變量Lisa聚集圖Fig.7-1 Bivariate Lisa aggregation of land use degree and conflict

(d) 2000年土地利用沖突Lisa聚類(e) 2010年土地利用沖突Lisa聚類(f) 2018年土地利用沖突Lisa聚類

(g) 2000年土地利用程度與沖突雙變量Lisa聚類(h) 2010年土地利用程度與沖突雙變量Lisa聚類(i) 2018年土地利用程度與沖突雙變量Lisa聚類

圖7-2 土地利用程度與沖突的雙變量Lisa聚集圖Fig.7-2 Bivariate Lisa aggregation of land use degree and conflict

4 土地利用沖突變化時空分異的關鍵因素分析

區域土地利用沖突綜合指數是一種空間變量，空間變化特征具有結構性和隨機性，可以借助地統計學中半方差函數進行區域土地利用沖突的空間分析[22-23]。根據研究區的實際情況，運用半方差函數，進一步探索土地利用沖突空間分異的主導因素(表4)。其影響土地利用沖突的因素有自然因素和人文因素，本文挑選了氣候、地形地貌等自然因素以及產業結構、人口數量、城鎮化率等人文因素對其結果綜合分析(表5、圖8)。

表4 土地利用空間沖突變異函數的擬合模型參數Tab.4 Fitting model parameters of variogram of land use spatial conflict

表5 影響土地利用空間沖突的人文因素Tab.5 Human factors influencing spatial conflict of land use

圖8 影響土地利用空間沖突的氣候因素Fig.8 Climate factors affecting land use spatial conflict

研究結果表明： 2000—2018年C0/(C0+C)維持在0.21～0.49之間且呈逐步增加的趨勢，說明氣候、地形地貌、地理區位等自然因素仍然是該研究區土地利用沖突強度空間分異的主導因素。溫度和降水的分布通過影響當地的水文狀況、農業生態系統等分布狀況來影響土地利用空間格局，烏魯木齊河下游沖積平原的水熱條件適合作物生長，是當地人們社會活動以及經濟發展的主要地區，土地利用沖突主要發生在這個區域。但隨著時間的推移，土地利用沖突由偏強空間相關性開始轉向中等的空間相關性，產業結構、經濟發展規劃等小尺度的人文因素通過引導與調控生態保護與社會經濟發展的用地需求，對該區土地利用沖突的影響增強，削弱了自然因素對土地利用沖突的影響。

5 討論

干旱區城市化進程必然伴隨綠洲開發，綠洲的獨特環境和生態特點是整個城市發展的必要物質條件與地理條件，綠洲環境的脆弱性制約著城市內部各子系統(包括人口、資源、環境、經濟等)的發展，在此過程中的社會與生態矛盾也就集中、典型和敏感地表現為土地沖突。土地利用沖突主要發生在烏魯木齊河下游沖積平原上，是當地人們社會活動以及經濟發展的主要地區，這是由當地氣候、地形地貌、地理區位等自然因素決定的。

2000—2018年的近20 a間，烏魯木齊市始終以服務型經濟為重點發展產業，大量的產業集中區聚集在中心城區周邊，對建設用地的需求增多，就會通過掠奪其他土地利用類型(如草地、耕地)來滿足發展需要，從而導致中心城區周邊土地利用沖突加劇。2000—2018年土地利用沖突熱點區的遷移，說明《烏魯木齊市城市總體規劃(2011—2020年) 》所引導構建的烏魯木齊市城市用地“南控、北擴、先兩延、后東進”的空間布局自實施以來，土地利用更加規范合理，對當地的沖突狀況有緩解作用。但2010—2018年間，烏魯木齊縣建設用地面積增加59.33 km2，導致該區域熱點區持續增長，這與“南控”的城市規劃是相悖的，可見產業結構、經濟發展規劃等小尺度的人為因素對該區土地利用空間沖突的影響呈增強趨勢。因此，在經濟發展的同時，應保持清醒的頭腦，所有的開發要在不破壞當地生態環境的前提下進行，“生態環境沒有替代品，用之不覺，失之難存，良好生態環境是最普惠的民生福祉，綠水青山就是金山銀山”。遵循這一綠色發展理念，制定嚴格的城市發展規劃，限定人為開發的強度和規模，保護好林地、水域等重要用地類型，對已開發區域開展近自然恢復是改善烏魯木齊市土地利用沖突的有效途徑。

除了著重研究的土地利用空間沖突之外，還有土地利用社會沖突、土地經濟沖突及土地生態沖突等，也具有很強的研究意義，還有待今后進一步開展綜合研究。展開土地利用沖突研究的根本目的是為了預防和緩解沖突,而已有研究對土地利用沖突風險預警、土地利用沖突模擬、土地利用沖突調控等方向重視程度還不夠,今后的研究工作應在這些方向深入研究。

6 結論

本研究以烏魯木齊市為研究對象，以2000年、2010年、2018年的土地利用現狀為基礎數據，探討了各發展階段研究區土地利用沖突強度演變的時空分異特征，得到以下結論：

1)烏魯木齊市土地利用沖突面積呈逐年增加趨勢，各個時期各沖突等級面積均表現為無沖突>中度沖突>輕度沖突>重度沖突； 無沖突區面積呈逐年減少態勢，減少幅度有所下降，重度沖突區面積變化明顯的區域主要分布在中心城區的北部及南部地區。

2)研究區土地利用沖突的全局Moran’ I指數均大于0.64，存在顯著的空間正自相關性，空間集聚程度較高； 2000—2018年，土地利用沖突的熱點區由中心城區北部及西南地區遷移至東部及南部，且分布范圍縮小，冷點區主要聚集在中心城區內部以及東部和南部的山區； 草地、耕地、建設用地和林地較容易發生土地利用沖突，未利用地和水域相對穩定。

3)2000—2018年烏魯木齊市土地利用程度指數分別為185.84，190.09和193.69，土地利用一直處于發展期，研究區土地利用程度與土地利用沖突的全局Moran’ I指數均大于0.09，數值逐年增大，呈空間正相關關系(P<0.05)。

4)2000—2018年C0/(C0+C)從0.21上升至0.49，空間相關性減弱，隨機性因素對該區土地利用沖突的影響增強，削弱了結構性因素對土地利用沖突的影響。