本研究所用1975年、1987年、1992年、2001年、2010年和2016年6期土地利用与土地覆被矢量数据来源于黑河中游湿地的项目研究,课题组在获取各期30 m分辨率TM/ETM遥感影像的基础上利用ERDAS Imagine 9.2软件对遥感影像进行波段选择、图像校正、图像拼接、图像增强和图像裁剪等处理,然后对遥感影像数据进行解译^[23]。本文在土地利用/土地覆被数据二级分类的基础上将黑河中游地区土地利用类别划分为耕地、草地、林地、湿地、居民工矿用地和未利用地6种类型。结合GPS野外验证点与Google earth验证点对解译数据进行精度检验,结果表明数据分类精度较好,能够满足研究需要^[26]。

从三生用地的数量结构来看(表2),黑河中游地区三生用地组成主要以生态用地为主,约占总面积的60%,生态生产用地与生产生态用地大约各占研究区总面积的20%,最少的为生活生产用地,约占2%左右。从4种用地类型的变化趋势来看,黑河中游地区生态生产用地的面积连续下降,生态用地的面积先增加后减小,生活生产用地与生产生态用地的面积连续增加。

本文使用转移矩阵模型对三生用地的时空变化进行分析(表3),研究结果表明在1975—1987年期间生态生产用地发生了大量的损失,由于农业用地的扩张以及荒漠化过程的加剧,林地、湿地与草地等具有较高生态系统服务的土地类型被侵占从而造成区域生态质量的降低^[23]。在1987—1992年期间生态生产用地年均损失速率有所下降,生活生产用地的增加速率上升,生活生产用地的扩张导致生产生态用地发生了损失,农业用地的扩张是造成生态生产用地减少的主要原因。在1992—2001年期间,生态用地的面积由增加转变为减少过程,生态生产用地向生态用地的转化弥补了生产生态用地对生态用地的侵占,使得生态用地的面积在这一时期基本保持稳定,而生态生产用地仍以较高速率向生产生态用地转化。在2001—2010年期间三生用地的转换对象发生了改变,转出源由生态生产用地转变为生态用地,生态用地向生态生产用地的转化弥补了生态生产用地向生产生态用地和生活生产用地转化而引起的缺失,使得生态生产用地的面积在这一时期呈现出与以往不同的上升趋势,并且在这一时期生态用地向生产生态用地与生活生产用地发生了大量的转化。在2010—2016年期间生态用地与生态生产用地都发生了大量的损失,生产生态用地与生活生产用地面积的增长速率达到最高。

表2 1975-2016年期间黑河中游地区三生用地的面积及占比

表3 不同时段内黑河中游地区三生用地的转移矩阵及变化状况103 hm2

在整个研究期内生活生产用地的转换对象主要为生产生态用地,位于城镇及居民点附近的生态用地及生态生产用地受到城镇扩张的影响发生了大量的转化,部分远离城镇的区域由于特色产业及工业的发展导致其向生活生产用地发生了转化,生活生产用地的增加面积主要来源于生产生态用地(附图4)。人口的快速增长使得区域对耕地资源的需求增加,农业用地向边缘区域的扩张导致生态用地与生态生产用地的面积减少,生产生态用地在1975—2001年期间转入源主要为生态生产用地,即以生态功能为主林地、草地和湿地等,而在2001—2016年期间生产生态用地的转入源主要包括生态用地和生态生产用地,并且生态用地的转化比例要高于生态生产用地。在整个研究期内生产生态用地向生态用地的转化水平基本保持稳定且数量较少,弃耕后的农业用地由于缺乏人工管理而导致其转变为生态用地; 受人类活动干扰程度的加剧以及自然环境因素改变的影响使得部分植被良好的自然区域的净初级生产力下降,最终导致生态生产用地转变为生态用地。此外,荒漠化过程也是导致生态生产用地转变为生态用地的主要原因之一。在1975—2001年期间黑河中游地区空间转出源主要为生态生产用地,在2001—2016年期间生态用地的转出面积增加,逐渐成为主要的转出对象,造成这一结果的原因可能是21世纪初期黑河中游地区环境保护力度的增加。自改革开放以来,黑河中游地区经济和工业水平迅速发展,区域对生产空间及生活空间的需求加剧,而林地、湿地和草地等生态用地在这一时期被纳入生态保护对象,因此使得生活和生产空间的侵占对象由生态生产用地转变为裸地、沙地等间接为人类提供生态服务的生态用地。

从类别水平的景观格局指数的变化状况来看,不同用地类型的景观格局变化并不一致(图1)。从斑块数量、斑块密度和平均斑块面积指数的变化情况来看4种用地类型都呈破碎化趋势发展。生态用地、生产生态用地及生态生产用地的分形维数与平均形状指数与生态生产用地的边缘密度指数在整个研究期内整体呈下降趋势,这些变化趋势的结果表明生态用地、生产生态用地与生态生产用地等在相互转换的过程中空间结构复杂性有所减弱。

图1 不同用地类型的景观格局指数变化

表4为各个时期黑河中游地区景观水平上三生用地的景观格局指数变化状况,通过观察分析可知斑块数量、斑块密度、边缘密度和分形维数总体上呈上升趋势,平均斑块面积指数表现出逐渐下降的趋势。从景观水平的景观格局指数变化情况来看,除平均形状指数外,其余景观格局指数的变化规律表明黑河中游地区三生用地的景观格局正处于连续的破碎化过程之中。

从空间冲突分布的区域特征来看,强空间冲突主要分布于生活生产用地、生产生态用地、生态生产用地与生态用地的交界地带(附图5),由于生态用地同其他用地类型相比较为脆弱,空间复杂性的增强使得脆弱度较高的生态用地易于被其他用地类型所侵占; 弱空间冲突主要出现在生活生产用地及生产生态用地的中心地带,由于生活生产用地与生产生态用地本身具有较低的脆弱性,且位于中心地带的区域空间复杂性较低,所受的外部压力较小,因此空间冲突综合指数的值最低; 较大斑块面积的生态用地由于其较高的脆弱度和低的空间复杂性使其位于中等空间冲突水平区域; 较弱的空间冲突区主要分布于脆弱性相差不大、空间复杂性程度不高的不同用地类型的边界区; 较强空间冲突多分布于景观空间结构复杂、空间脆弱性高及破碎化程度较高的区域。

表4 不同时期景观水平上黑河中游地区三生用地的景观格局指数

本文分析了不同等级的空间冲突在4种用地类型上的分布及变化特征,结果表明空间冲突在不同用地类型内的分布特征与变化规律存在差异。从空间冲突在不同用地类型上的分布特征来看(表5),弱空间冲突主要出现在生产生态用地,其在生活生产用地有少量的分布; 较弱空间冲突在4种用地类型上均有分布,其中主要出现在生态生产用地和生产生态用地,随着时间的改变较弱空间冲突在这两种用地类型上分布的比例逐渐改变,生态生产用地逐渐降低,生产生态用地逐渐升高; 中等空间冲突主要出现在生态用地,在1975—2016年期间中等空间冲突在各用地类型上分布的比例变化较小,呈基本稳定状态; 较强空间冲突与强空间冲突主要出现在生态用地及生态生产用地。

表5 黑河中游地区各等级空间冲突在不同用地类型上的分布%

本文采用空间冲突评价模型对黑河中游地区三生用地的空间冲突水平进行了测度,研究结果表明在研究期间黑河中游地区空间冲突水平整体呈下降趋势(图2),强空间冲突数量较少且基本保持稳定,较强空间冲突与中等空间冲突数量呈下降趋势,较弱空间冲突与弱空间冲突数量总体呈上升趋势(表6)。在1992—2001年期间空间冲突由之前的递增转变为显著的下降趋势,不同的区域空间冲突变化的规律存在差异。甘州区在1975—2016年期间空间冲突水平呈现出先增加后减小的趋势,高台县与临泽县在经历1992—2001年的显著降低过程之后又转变为上升趋势。

图2 黑河中游地区空间冲突综合指数变化状况

表6 不同时期黑河中游地区不同等级空间冲突占比%

与湿润地区不同的是干旱区生态环境不仅受社会经济发展的胁迫,而且土地的荒漠化、盐渍化等过程也会导致生境质量降低,从而造成生态系统服务功能的衰弱,因此在探究干旱区三生用地的空间冲突时将荒漠化过程考虑在内是必要的。为此,本文基于张红旗等提出的三生用地划分体系探究了人类活动与自然因素等共同作用导致黑河中游地区三生用地的演变特征。研究结果表明,在1975—2016年期间城镇用地与农业用地扩张导致生态生产用地被侵占而表现出面积减小的趋势,这一结果与王福红等^[23]在黑河中游地区的研究结果相同,草地、湿地与林地等向生活生产用地及生产生态生产用地的转化造成区域生态质量降低。生态用地在整个时期内呈现出先增加后减小的趋势,生态用地的增加主要与荒漠化过程的加剧与生境质量的降低有关,农业用地与城镇边界的扩张是导致临近城镇及农田的生态用地减少的主要原因(附图4)。在2001—2010年期间生态用地的面积迅速减少,生态用地向生态生产用地转化了近2万hm²,造成这一结果的原因主要与保护区的建立以及生态调水政策的实施有关,保护区的建立使得城镇与农业用地的侵占对象由生态生产用地转换为生态用地,生态调水的实施导致部分区域的水资源含量增加,临近河道及农田的生态用地生态质量提升从而造成部分区域土地覆被的变化。已有许多研究对黑河中游地区土地利用变化与景观格局改变的影响因素进行了分析,研究结果表明人口增加与社会经济发展是导致土地利用变化和景观格局改变的重要因素^[25-26]。因此本文未对三生用地及三生用地景观格局变化的驱动因子进行定量分析,而是通过建立空间冲突测度模型探究了不同用地类型在景观上的空间冲突水平。

从空间冲突的分布特征来看,甘州区空间冲突水平要显著高于临泽县与高台县,其中高台县空间冲突水平最低(图2),这一结果表明空间冲突的产生与发展受社会经济发展水平的影响,城镇化率较快的区域具有更高的空间冲突水平。土地的多功能性是土地利用冲突产生的客观原因,通过对土地进行适宜性评价可以达到识别潜在空间冲突的目的。Jiang等^[24]使用多准则决策分析方法对黑河中游地区潜在的土地利用冲突进行了识别,探讨了在水资源条件制约下潜在土地利用冲突的空间分布特征,研究结果表明建设用地与耕地产生冲突的可能性最高,快速的城镇扩张与水资源短缺是影响土地利用冲突的主要因素。而本文的研究结果表明,黑河中游地区除建设用地与耕地存在较高的冲突水平外,还存在着生活生产用地—生态生产用地、生产生态用地—生态生产用地的冲突,并且荒漠化过程使得生态生产用地与生态用地也存在着较高的空间冲突水平。生态用地在4种用地类型中具有最高的空间冲突水平,这一结果与实际状况存在偏差,邻近居民点与农业用地的生态用地易于发生损失而具有较高的空间冲突,但对于生态用地作为主要用地类型的干旱区而言,远离城镇且人为干扰较少的生态用地并不具有显著的空间冲突,因此在进行空间冲突评价时考虑人类活动对景观的干扰程度能够更加有效地揭示干旱区客观存在的空间冲突。通过观察附图5可知空间冲突水平较高的区域主要位于农业用地的边缘地带以及生态用地与生态生产用地的交界地带,这一结果表明黑河中游地区显著的空间冲突主要是生态用地与生态生产用地的冲突以及生产生态用地与生态生产用地的冲突。

在1975—2016年期间,由于人类活动与自然因素共同影响,黑河中游地区生态生产用地与生态用地发生了大量的损失。为协调经济发展、资源利用与环境保护的冲突关系,应采取措施做好空间冲突预警工作,维护黑河中游地区生态安全。

(1)重点保护林地、湿地、草地等以生态功能为主、生产功能为辅的生态生产用地,严格控制建设用地与农业用地向生态生产用地的侵占。通过规划手段确定城镇、村庄合理布局,避免建设用地与农业用地的无序扩张。

(2)积极开展生态修复工作,在建立自然保护区的基础上提高管理效率,加速绿地建设。在不侵犯基本农田保护红线的原则下进行退耕还林、还草,提高黑河中游地区生态环境质量。

(3)严防水资源在农业及工业方面的过量消耗,进行水资源合理布局。为降低荒漠化过程对黑河中游地区带来的负面效应,应增大生态用水比例,防治水污染以提高生态环境质量。