新疆昆玉市生态安全评价及其时空分异特征研究

袁也，武文丽，付宗驰，黄春波，楚光明*

(1 石河子大学农学院，新疆 石河子 832003;2 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院，湖北 武汉 430074)

第十四师昆玉市地处喀喇昆仑山北麓、塔克拉玛干沙漠南缘的新疆和田地区，于2016年由国务院批复设立建市，并以此为中心统筹发展周边团场城镇实现区域长治久安和跨越式发展[1]。与第一师阿拉尔市、第三师图木舒克市、第十师北屯市等现代化兵团新城一起正逐渐成为各类优质资源的汇聚地，这些兵团城市常零星坐落于沙漠边缘，易受到区域生态环境的威胁。昆玉市由于地表被碎石细砂覆盖，植被稀少，地下水位较高，常年少雨干燥、蒸发强烈、风沙频繁，年浮尘天数多达200余天[2]。对于生态基底薄弱的干旱区人工绿洲城市——昆玉市而言，如何正确的生态价值观、平衡城市建设空间与生态资源空间、保障核心区域生态安全、提升生态系统多样性与稳定性是目前亟待解决的问题。

广义的生态安全指人工复合生态系统在一定时间内保障人类发展需求与维持对胁迫的恢复能力不受威胁[3-4]。生态安全评价不仅是生态安全研究的基础和前提，也是构建生态安全体系的核心部分，具有地域性、综合性、动态性的特征[5]。目前，在研究内容方面，国外有关生态安全评价的研究体系较为成熟，更注重气候变化对于大尺度区域的生态安全及可持续发展的影响[6-8]。国内则多集中于区域生态安全评价及其影响因素[9]、生态安全空间演变与实证案例研究[10]、生态安全关联与可持续发展策略[11]等；在研究对象上，国内外学者大多选取高度城市化或区域城镇群进行研究[12]，而对生态环境恶劣的干旱区人工绿洲城市关注较少[13]；在评价模型与方法上，基于数学型的层次分析法[14]、熵权物元模型[15]等；基于生态模型的生态足迹法[16]等；基于理论框架的PSR模型[17]等广泛应用于生态安全评价研究中来反映单一生态系统的生态问题。

总体来看，国内外生态安全评价已有较为成熟的理论基础与技术支持，但对于新建城市的研究较少，而关于干旱区人工绿洲城市的研究则更为少见。同时，由于研究对象的差异性，评价指标体系的普适性不高。学者大多对评价结果进行整体分析，缺少对研究区内部城市扩张与生态安全的空间分异特征的剖析。

本研究基于生态安全评价相关理论指导，以昆玉市为研究对象，借助ENVI5.3软件与ArcGIS10.2软件，依据PSR模型综合考虑自然地理基础、人文风貌基础、社会经济基础，针对性选取生态因子对三期遥感影像进行综合评价，划分不同生态安全等级并分析其时空分异特征，从而准确的揭示研究区可能存在的生态问题，以期为新疆兵团特色城镇化模式的优化提供参考。本研究试图建立一套适用于干旱区特殊生境下的人工绿洲城市生态安全评价体系，准确揭示昆玉市存在的生态问题，探索影响昆玉市生态安全的不稳定因素，具有可操作性与指导性的提出昆玉市生态安全优化策略，以保障特殊生境下城市化建设的快速推进。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

昆玉市(中心位置为37°12′39.87″N，79°17′28.73″E)分布于山区和平原两大地貌单元上，截至2017年，绿洲面积仅占3.7%，且形成被沙漠、沙丘分割成多块的格局，其气候特征为暖温带大陆性荒漠气候。昆玉市城市经济水平较低，人口密度低，供水成本较高，加之植被资源不足，偶尔出现的旱涝灾害对农林业都造成不利影响，生态安全水平较低且无法维系基本的生态平衡。随着2016年县级昆玉市的批复设立，大量城市基础设施工程开始涌现，绿化工程与水利枢纽工程建设齐头并进，居住环境开始逐步改善。目前昆玉市正在成为集屯垦戍边、文化引领、生态卫士多功能于一体的现代化垦区。

本研究以昆玉市总体规划、防洪提划定研究区域，总面积为117.19 km2(图1)。昆玉市生态基底薄弱，近年来其生态治理措施虽然取得了初步成效，但频繁发生的沙尘暴等恶劣天气、土壤沙漠化等严酷的自然条件依然制约着生态用地的选择与布局，威胁着城镇化进程的推进，昆玉市生态安全的实现仍然是一项艰巨且严峻的挑战。因此，如何科学地、合理地、有效地保护城市生态空间、打造城市生态屏障是提高区域生态环境质量，实现昆玉市城市建设可持续发展的迫切需求。

图1 昆玉市土地利用现状分布

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

本研究使用基础数据为《第十四师昆玉市城市总体规划(2016—2030年)》确定的规划区范围、土地利用总体规划图、道路交通总体规划图；地形数据为Aster卫星提供的30 m空间分辨率的数字高程模型，通过空间插值和不规则三角网(TIN)的转换来生成DEM数据，该数据空间分辨率为5 m；遥感影像采用2014年5月7日(LC81470342014127LGN00)、2016年9月19日(LC81470342016261LGN00)、2018年1月10日(LC81470342018010LGN00)获取的Landsat 8数据。

1.2.2 评价指标体系的构建

本研究区域空间尺度较小，且用地类型较为单一，大面积区域被裸地覆盖，空间变异较小，因此选择PSR模型构建本研究的评价体系(图2)，根据影响研究区域生态安全的主要因素，综合考虑其自然资源、环境现状和市政设施情况等，从生态系统的完整性和风险来源的角度分析生态环境的现状，具有较强的系统性。

图2 昆玉市生态安全评价体系

PSR(Pressure-State-Response Framework，“压力-状态-响应”框架) 最早于1979年由加拿大统计学家Rap Port和Friend提出。1992年，联合国经济合作和开发组织(OECD)、联合国环境规划署(UNEP)共同提出环境概念模型[18]，模型包括压力(Pressure)、状态(State)和响应(Response)3个部分，其中压力指的是人类活动或自然因素对自然环境造成的压力，压力因素能够直接的揭示出自然环境变化的根本；状态指的是自然环境在多种因素综合作用下所处的状态及其趋势，状态因素能够直观反映出自然环境变化所产生的影响；响应指的是对生态发展起到积极作用的因素，响应因素是对抗生态环境恶化的有效措施。

1.2.3 评价指标的选取及标准量化

1.2.3.1 压力指数

(1)P1荒漠化胁迫。

昆玉市气候干燥少雨，地表大部分被碎石细砂覆盖，风蚀危害严重，荒漠化胁迫是兵团快速推进城市化中面临的首要问题。基于ArcGIS栅格计算器得出的归一化裸土指数(Normalized Differential Bare Soil Index，NDBaI)能帮助识别地表荒漠化程度。0≤NDBaI≤1，值越小表示荒漠化胁迫越低，反之，则说明荒漠化胁迫越严重，即裸土率越高。

(2)P2温度风险。

昆玉市干燥少雨且蒸发强烈，年平均气温12.2 ℃，历史均值高温33 ℃，最高温多出现在7月，高达37 ℃；历史均值低温-11 ℃，最低温多出现在1月，昼夜温差达15 ℃。本研究基于大气校正法进行地表温度反演。

(3)P3地形地貌。

昆玉市高程变化起伏较大，坡度变化较为复杂，因此，必须最大程度的保留自然山地、林地以充分发挥蓄水保土的生态功能，选择地形起伏平缓、土方平整较少的场地进行城市开发与建设。本文利用30 m DEM数据对昆玉市进行高程和坡度分析，进而将高程因子和坡度因子组合采用自然间断法划分为五个等级。

1.2.3.2 状态指数

(1)S1植被资源量。

昆玉市周边自然植被稀落，植被呈垂直分布，优势种多为野生动植物。基于GIS栅格计算器得出的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)能够检测植被生长状态，0

(2)S2水资源量。

昆玉市地表水资源匮乏，仅有一条自然水系，城区东部的沉沙调节池作为唯一的水库是昆玉市最重要的一个水源地。基于ArcGIS栅格计算器得出的归一化水指数(Normalized Difference Water Index，NDWI)能够有效识别水体信息。0≤NDWI≤1表示有水体覆盖，且随覆盖度增大而增大。

(3)S3潜在水资源分布。

昆玉市部分地区地下水位较高，多年平均年降水量33.4 mm，年均蒸发量2 602 mm。通过GIS水文分析过程计算DEM每点的汇流累积量从而提取可能形成的汇水网络，再将矢量化的栅格河网进行核密度分析从而识别潜在水资源分布状态。

1.2.3.3 响应指数

(1)R1道路网络建设。

在昆玉市恶劣的生态环境条件下，城市道路网络建设反映着人类活动的强度，对促进区域生态调控起到了一定程度的作用。利用GIS欧式距离以城市总体规划中的道路中心线计算得到道路缓冲结果，距离道路越近的区域通达度越高，土地开发程度越高。道路网络建设按距道路的距离≤50 m、50～100 m、100 m～300 m、300 m～500 m、>500 m划分为五个等级。

(2)R2水资源供给。

受区域严酷生态环境的影响，昆玉市现有的水资源开无法支撑长久的城镇化水平的继续提高。本文以距水资源的距离反映不同区域维系生态系统的能力差异，在距离水系越近的荒漠进行城市开发建设活动，响应机制越强，城市生态安全越容易保障。水资源供给按距水资源的距离≤100、100 m～300 m、300 m～500 m、500 m～800 m、>800 m划分为五个等级。

(3)R3荒漠化防治。

防风固沙林是人类调控区域生态平衡的直接表现，也是干旱区绿洲城市生态建设的重要响应变量。昆玉市被戈壁荒漠包围，全年主导风向为W-NW(西北偏西向，West-Westnouth)，主导风向频率44%，旱灾、沙尘暴等自然灾害较为频繁。本文根据防风固沙林距中心城区红线的距离≤100、100～300 m、300 m～500 m、500 m～800 m、>800 m划分为五个等级。

1.2.4 指标权重的确定

本研究依据层次结构对各指标在生态安全评价中的相对重要性进行比较分析，采用AHP中1-9标度法对每一层的因素分别进行两两比较进而构建判断矩阵，再计算判断矩阵的最大特征值根 λmax及对应的特征向量，特征向量归一化后得到的W值即为指标权重。各指标的权重值如表1所示。

表1 昆玉市生态安全评价指标权重

1.2.5 生态安全指数的计算

本研究依据PSR模型综合考虑昆玉市自然资源、环境现状和市政设施情况等，选取压力指标组、状态指标组和响应指标组共9个生态因子，通过层次分析法和GIS空间叠加分析法建立综合评价模型分析昆玉市生态安全的时空分异规律，明确特定生态环境问题可能发生的范围与可能程度，对昆玉市生态安全进行综合评价，模型具体计算公式为：

(1)

式(1)中，ESI为生态安全综合指数，Wi为i因子的生态安全重要性权重值，Fi为i因子的生态安全性等级值。在进行生态安全分级时，考虑覆盖有自然水体、林地等风景区和土地开发区域保证最高生态安全性，不具有所选取的生态因子的地区为低安全区，将生态安全性等级分为高生态安全、较高生态安全、基本生态安全、低生态安全、生态预警5级，指数区间对应为0-0.35、0.35-0.55、0.55-0.65、0.65-0.75、0.75-1(表2)。

表2 昆玉市生态安全综合指数分级评价标准

2 结果与分析

2.1 昆玉市生态安全时空特征分析

依据第十四师昆玉市城市总体规划(2018—2035年)，结合其城市空间发展自然本底，从压力、状态、响应三个层面筛选生态因子，根据上述计算公式，利用ArcGIS10.2软件进行空间量化与标准化处理，得到2014、2016、2016年研究区各指数时空分布图(图3)，并统计出不同等级分区面积占比(图4)。

图3 昆玉市2014—2018年压力、状态、响应等级分布

图4 昆玉市2014—2018年各指数等级面积占比变化

2.1.1 空间特征分析

由图3可以看出，昆玉市压力等级高值区以块状连续分布在西南部的荒漠；低值区域常年为东北部沉沙调节池与北部的部分枣树林区域。2014—2018年间呈现低压力区域基本不变，高压力区域随城市扩张而明显减少的特征。受荒漠化胁迫影响较大，且高温风险也大多出现在荒漠区域。干旱、沙尘暴等不良气候给人工绿洲城市生态建设带来较大的负面影响。

状态等级高值区域呈椭圆形零星分布在西部洪沟西侧及北部枣树林西侧；低值区域连片分布在研究区东部，此区域植被资源量、水资源量明显不足。2014—2018年间高状态区域有向东部转移的趋势，且总体趋于平衡，完善的生态系统服务功能的发挥、生态平衡的维护和人居环境品质的提升依赖于此。

响应等级高值区域环绕东北部的沉沙调节池与中部城区周围，且随城市外围防风固沙林的扩张而逐年增加，沿西北-东南向延伸，发生了明显变化；低值区域分布在研究区西南部及东部，此区域主要为碎石覆盖的戈壁及其他未利用地，生态环境较为恶劣。2014—2018年间Ⅳ级响应区域迅猛减少，表明自昆玉市建市以来，大量的沙地、裸地通过基础设施建设工程活动开采为建设用地，绿化种植作物固沙作用明显，这种人类活动的干扰有利于增加生态系统丰富度，提高生态安全等级。

2.1.2 时序变化分析

2014—2018年间，昆玉市压力指数变化较大(图4a)，Ⅰ级压力区域先增后降；Ⅱ级、Ⅲ级压力区域所占研究区面积比例均有提升，增幅分别为1.86%与2.43%；Ⅲ级压力区域明显增长，从16.99%增长至19.42%；Ⅳ级压力区域基本不变，Ⅴ级压力区域由40.70%连续下降至33.65%。这可能是由于随着城市防风固沙体系的不断完备，荒漠化问题得到了不断的有效改善。

状态指数总体波动较小(图4b)，Ⅰ级状态区域面积比例略有下降，降幅为2.44%；Ⅱ级状态区域有所增加，增幅为2.17%；Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级状态区域基本不变。植被资源量在很大程度上决定了其变化趋势，潜在水资源不足且不易随土壤、植被、气候条件的变化而改变。

响应指数变化较为复杂且变动明显(图4c)，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级响应区域占研究区面积比例均有所增加，最高上升幅度为5.32%；Ⅳ级响应区域从33.25%骤降至19.65%再上升到21.24%；Ⅴ级响应区域则相反，由39.34%上升到50.90%再减少至35.20%。表明兴起的各项建设工程大幅提升了居住环境质量与居民生活幸福感，实现了人进沙退的治沙成就。

2.2 昆玉市生态安全评价结果分析

生态安全评价基于PSR模型结合多个单因素综合评价，反映生态安全系统中不同因素间的互动机理。本文在ArcGIS10.2软件中将现有资源对生态安全造成的“压力”组、制约着又促使着生态安全改变的“状态”组，影响人类活动产生一系列的“响应”组进行加权叠加，得到2014、2016、2016年昆玉市生态安全时空分布图(图5)，并计算不同生态安全等级占总面积的比例(表3)。

图5 昆玉市2014—2018年生态安全等级分布

表3 昆玉市2014—2018年生态安全等级面积变化

由图5可以看出，昆玉市生态安全值高的区域仅为中部老城区及东北侧沉沙调节池，此区域包括水源涵养区等引水渠道及昆玉大道绿化区域；生态安全预警区域集中位于西南部的荒漠，大部分区域处于低生态安全等级。2014—2018年间昆玉市区域生态安全度由高到低从中心城区向外扩散，围绕环城防护林向城外区域递减，不同区域生态安全等级差异较大。可以发现，生态安全等级高值区域与昆玉市城镇化建设区域较为吻合，土地开发的区域是生态安全水平提升的区域，在空间格局上与北部枣树林相连，弥补了原有生态空间单一的空白。与此同时，植被资源覆盖度、水资源丰富度也影响着生态安全等级的提升。

2014—2018年间，昆玉市总体生态安全等级处于上升趋势，随年份从低生态安全等级逐渐转变为基本安全等级。其中，高生态安全区、较高生态安全区、基本生态安全区较面积比例均有所上升，较高生态安全区域面积增幅最大，增加了4.5%；低生态安全区域面积降低了9.31%，是唯一持续下降的区域，降低幅度较大且占研究区面积最大；生态预警区基本不变(表3)。可以看出，2016年是响应指标变动的一个重要时间节点，说明国家的顶层支持和兵地党委的重视强有力的促进了昆玉市荒漠绿洲的建设进程，规划目标与发展模式在短期内产生了良好的绩效。

3 讨论

昆玉市作为一个兴建的人工绿洲新城，不论是在发挥屯垦戍边的建设意义方面还是在人民生产生活的现实需求方面都具有重要的特殊作用。荒漠、农田、水域、林地是构成昆玉市的主要生态要素，高生态资源覆盖区域与高生态安全区域基本一致，不同年份不同等级生态安全区域与城市实际建设发展历程较为吻合。利用GIS技术可以快速准确地进行相关评价指标及空间和属性信息的获取，能够更直观、更有效的指明昆玉市生态安全分布格局。PSR模型基于完整因果链有利于明确不同生态因子间的相互关系，适用于特殊生境下昆玉市生态安全的分析及评价，反映了城市生态安全建设发展的实际和需求。

根据昆玉市生态安全评价结果，针对高生态安全区应注意低影响开发城市建设用地，同时促进城市绿网体系建设，严禁沉沙调节池附近的干扰活动，并拓宽现有水系留出可供调、滞、蓄的缓冲区域进而形成生态水网体系，最大程度发挥生态系统服务价值，建立生态良性循环；较高生态安全区要最大化保留和加强绿荫路防风基干林的建设，对城区东西两侧防护林进行加宽与断带补齐，继续推进城区南侧防护林建设，完善原有防护林的抚育更新与病虫害防治；基本安全区可作为对高生态安全区的补充，这类最容易改变的区域既可作为生态资源保护屏障也可作为最适宜开发的城市建设用地，应秉持“组团开发、弹性共生”的原则构建生态宜居的屯垦戍边新城；低生态安全区严格控制基本农田数量，加强对现有耕地的保护，确保其生产功能、生态调节功能、景观和隔离的综合功能不受威胁；生态预警区距离人类活动区域较远，景观类型单一，在短期发展过程中不适合作为快速城镇化的建设用地，但在长期发展过程中应注意提高生态系统多样性和稳定性，逐步推进荒漠生态恢复进程。

4 结论

本文通过目视解译土地利用类型明确与识别昆玉市的现有生态资源，基于GIS技术以30 m×30 m栅格从压力、状态、响应3个方面构建生态安全评价模型，综合分析近五年城市区域生态安全度的时空分异特征与规律，研究结果发现：

(1)2014—2018年，昆玉市生态安全总体处于低生态安全状态，但有逐渐向基本生态安全转变的趋势。较高生态安全区域面积增加了4.5%，低生态安全区域面积降低9.31%，其中，压力指数波动不明显；状态指数有稍微上升；响应指数呈现明显上升趋势。说明人类活动加速了生态安全等级的提升。

(2)2014—2018年，昆玉市不同生态安全等级区域空间分布差异较大，且发生了明显变化。高值区域为中部城区及东北部沉沙调节池；生态安全预警区域是最不易改变的部分，集中位于西南部的荒漠；西部的低生态安全区域逐渐向基本生态安全区域转变，生态安全度环绕城市外围防护林区域逐渐增加。

(3)2014—2018年间Ⅴ级压力面积占比由40.70%下降至33.65%，Ⅳ级响应面积占比由33.25%骤降至21.24%，低生态安全区面积的减少与Ⅴ级压力区域、Ⅳ级响应区域的下降在空间分布上具有一定的关联性。2016年是昆玉市生态安全等级变化的重要的时间节点，道路网络建设、水资源供给、荒漠化防治为生态安全度的增长开拓了发展通道、提供了持续动力、打造了坚强屏障，发挥了兵团的特殊作用，可作为兵团屯垦戍边新城城镇化发展模式的示范与推广。