如克亚·热合曼，阿里木江·卡斯木,2①，哈力木拉提·阿布来提，希丽娜依·多来提，许金花

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆师范大学丝绸之路经济带城镇化发展研究中心，新疆 乌鲁木齐 830054)

全球正在经历前所未有的生境质量退化，大多数国家都处在城市化阶梯的上升阶段[1]，人类活动强度增大使得自然栖息地压力越来越大，导致生物多样性退化[2]。人类生存环境依赖于生物多样性和生态系统服务[3]，生境质量是生物多样性的重要反映，是环境提供适宜条件的能力，生境质量关系着人与自然和谐共生及人类社会的可持续发展[4]。然而，土地利用变化可能引起生物多样性丧失及生境质量下降[5]。政府部门、规划者和学者就保护栖息地质量达成共识。例如，欧盟委员会和美国制定了保护生物多样性、防止生态环境进一步恶化的保护策略和法案；《中国生物多样性保护战略与行动计划(2011—2030年)》中提出将24%的领土面积设为生物多样性优先保护区[6]。评估生境质量，模拟和预测生境质量变化趋势及其对人类福祉的影响，成为当前生态学和地理学研究的热点领域[7]。因此，开展区域生境质量格局研究对区域可持续发展具有重要意义[8]。

近年来，许多国内外学者从生境质量、生态服务功能、生态风险和生态预警等角度出发，围绕城镇化与生态环境的关系，对土地利用变化及其引起的生态效应做了大量研究[9]，研究尺度主要包括国家尺度[10]、自然保护区[11]、省域尺度[12]、流域尺度[13]、自然区[14]和市域尺度[15]。生境质量通常采用模型进行评估，常见的评估模型有InVEST模型、HIS模型和SolVES模型[16-18]。其中，InVEST模型被广泛应用，陈雅倩等[19]采用InVEST模型分析了河北省唐县未利用地开发前后的生境质量变化情况，发现经有效开发未利用后，该区域生境质量得到提升；王军等[8]基于InVEST模型研究闽江流域生境质量时空变化特征，发现土地利用变化是影响生境质量的重要因素；杨洁等[20]采用InVEST模型评估2000—2018年黄河流域生境质量，发现影响生境质量空间分异最重要的驱动因子为土地利用/覆被。上述研究结果表明，土地利用方式转变是引起生境质量变化的关键要素。InVEST模型根据土地利用/覆被和不同地类对生物多样性产生威胁的程度进行生境质量评估，利用可视化方式表现生态系统适宜性，是实现生境质量动态变化、空间分布制图和生境质量量化的重要工具[21-22]。InVEST模型具有所需数据较少且较易获取、空间可视化能力强和评估准确度高等特点。学者多以InVEST模型和Moran′sI指数等空间相关分析法探究快速城镇化发展背景下土地利用变化引起的生境质量时空演化规律[23-24]，局部Moran′sI指数可以从时空演变视角分析生境质量高低值区域的相关关系，揭示两者的空间关联特征。然而，生境质量影响因素较为复杂，现实情况中通常为人类活动、城市开发和道路建设等多种因素共同影响生境质量。因此，需要综合考虑研究区多种因素对生境质量的影响。

在国家大战略背景推动下，天山北坡城市群经济、工业快速发展和城镇化建设势必会使土地利用/覆盖剧烈变化，进而导致生境质量变化。为揭示在“一带一路”建设驱动下，天山北坡城市群整体生境质量演化内在规律，以天山北坡城市群县级行政区划为基本单元，采用InVEST模型从时空维度评估生态脆弱地区生境质量和退化程度，采用空间自相关分析方法挖掘区域生境质量时空分异的空间集聚特征，分析其时空尺度变化情况，并探查其影响因素，以期为天山北坡城市群生态系统及环境保护提供一定参考。

1 研究区概况

天山北坡城市群处于准噶尔盆地南部，位于84°33′～90°32′ N、42°78～45°59′ E，南至天山山区，北邻古尔班通古特沙漠(图1)，城市群总面积为21.54万km2，其面积占新疆总面积的13%。区域属于温带大陆性气候区，日较差、年较差大，主要自然植被有草地、灌木和林地等，其中，林地以南部山区的常绿针叶林为主。研究区主要土壤类型有棕钙土、风沙土、盐土、灌淤土和灰漠土，以及广泛分布于中高海拔山区的冰川和冻土。在人类活动与自然气候双重影响下，区域绿洲边缘盐漠化明显，冰川退缩严重，区域脆弱的生态环境严重制约社会经济的可持续发展。

图1 天山北坡城市群2020年土地利用分布

2 材料与方法

2.1 数据来源

涉及数据包括天山北坡城市群2000、2010和2020年共3期土地利用数据(来源于https:∥www.resdc.cn/，分辨率为30 m)、数字高程模型(来源于日本宇宙航空研究开发机构的ALOS数据，分辨率为12.5 m)以及高速公路、国道、省道、县道和铁路等矢量数据(来源于全国地理信息资源目录服务系统，http:∥www.webmap.cn)。所有数据统一采用WGS_1984坐标系。根据研究目的及研究区景观特征，参照GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》采用二级分类系统，建立6个一级类、25个二级类的分类体系。

2.2 研究方法

2.2.1生境质量模型

生境质量指数可以用来表征研究区生境质量和评价生物多样性水平，反映物种在繁殖过程中的遗传变异和潜力[25]。采用InVEST模型中的生境质量模块(habitat quality model)对研究区2000—2020年生境质量进行评估。该模型通过建立不同土地利用类型与威胁源之间的关系，利用研究区土地利用类型数据来圈定和描述不同生境类型对威胁源的响应程度，获得生境分布特征。该模型认为栖息地质量越高，相应的生物多样性越高，生态系统越稳定[26]。生境质量指数计算公式[27]为

(1)

式(1)中，Qxj为土地利用类型j中网格x的栖息地质量指数，介于0～1之间；Hj为土地利用类型j的生境适合度；Dxj为土地利用类型j中网格x的生境退化程度；k为半饱和常数；z为模型默认参数，即一种归一化常量，通常取2.5。

生境退化度计算公式[27]为

(2)

式(2)中，y为胁迫因子r所有栅格；R为所有退化源；Yr为胁迫因子r的一组栅格；wr为归一化胁迫因子r的权重，介于0～1之间；ry为栅格y的胁迫因子r值；irxy为栅格x的可达性水平；βx为栅格x的可接近水平；Sjr为土地利用类型j对胁迫因子r的敏感性。其中，irxy计算公式为

(3)

(4)

式(3)～(4)中，drmax为生境胁迫因子r的最大影响距离；dxy为栅格x与y之间的线性距离。

天山北坡城市群作为国家“十三五”开始推动建设的19个城市群之一，是新疆城镇化水平最高、人口最密集、产业最集中的地区[28]。因此，根据天山北坡城市群实际情况，以受到人类干扰较大的农业用地、公路、铁路、城镇用地、农村居民点用地以及其他建设用地和未利用地作为威胁源，结合相关文献和区域特点[29-31]进行相关参数的设置(表1)。

每种土地类型对威胁因子的敏感性(Sjr)不同，敏感性可以根据实际情况与综合相关文献[32-34]进行设置(表2)，其取值范围为0～1。

表1 威胁源权重和最大影响距离

表2 土地类型对威胁因子的敏感性

为更好地反映土地利用变化对天山北坡城市群生境质量的影响，制定生境质量等级划分标准(表3)，结合生境质量运算结果和研究区实际情况，基于ArcGIS 10.2软件空间分析功能，采用几何间隔法对生境质量值进行等级划分，将天山北坡城市群生境质量划分为优、良、中等、较差和差5个等级(表3)。

表3 天山北坡城市群生境质量等级划分

2.2.2生境质量变化模型

生境质量变化是生境质量在研究末期和初期的变化量，其计算公式为

△δ=δ1-δ0。

(5)

式(5)中，△δ为在某一时期内研究区生境质量的变化量；δ1为末期生境质量指数；δ0为初期生境质量指数。

2.2.3生境质量空间自相关分析

局部空间自相关(LISA)指数可用来反映某一特定空间单元与邻近单元之间的聚集特征与分异特征[35]，通过局部Moran′sI来计算，其计算公式为

(6)

式(6)中，n为空间单元总数；wij为生境质量高值区域i与生境质量低值区域j的空间权重矩阵；xi和xj分别为要素i和j的各类聚集特征观测值。Moran′sI值在[-1，1]区间内，Moran′sI统计量的显著性采用蒙特卡洛模拟方法进行检验，模拟次数设置为999，检验公式为

(7)

(8)

式(7)～(8)中，I为要素的空间相关性；E(I)为观测变量自相关性的期望值；var(I)和S(I)分别为方差和标准差；zI为标准差倍数。在给定显著水平下，z>0时说明要素间存在显著正相关，I值接近1，表明空间单元存在高-高或低-低值聚集，空间差异越小，性质越相似；z<0时说明要素间存在显著负相关，I值越接近-1，表明空间单元存在高-低或低-高值空间聚集，空间差异越大；z等于0说明空间自相关性不显著。

3 结果与分析

3.1 生境质量变化

生境质量值越接近1，说明区域生态环境抵御威胁因子的能力越强，生境质量就越好。采用InVEST模型生境适宜性评估模块(habitate quality)评估研究区生境质量时空变化。图2表明，天山北坡城市群中部地区生境质量水平总体较高，而南、北部地区生境质量较差。研究区生境质量差等级区域面积占比较高，其次为中等等级，良和优等级占比较小，较差等级面积占比最小。2000—2020年研究区生境质量优和良等级区域面积呈减少趋势，中等级区域面积较为稳定，差和较差等级区域面积略有增长。

图2 2000—2020年天山北坡城市群生境质量分布

3.1.1生境质量时间分布

2000、2010和2020年天山北坡城市群平均生境质量指数分别为0.89、0.80和0.91，表明天山北坡城市群生境质量整体呈先恶化后好转趋势。2010年研究区生境质量明显低于前后期，这是因为2000—2010年“西部大开发”战略启动实施过程中，为了发挥研究区新型城镇化主体区和经济发展战略核心区的作用，大力发展工业和旅游业，经济水平得到显著提升的同时，对环境造成一定影响。2000—2020年天山北坡城市群生境质量分布见表4。如表4所示，20 a间研究区较差等级生境质量区域面积明显增加，由2000年的15 462.84 km2增加到2020年的21 547.42 km2，占比也由7.97%上升到11.11%；中等、良和优等级生境质量区域面积有所减少，良等级生境质量区域面积由2000年的19 063.37 km2减少到2020年的16 494.32 km2，优等级区域面积占比由11.72%下降到10.10%。天山北坡城市群大部分地区生境质量保持平稳，间接表明天山北坡城市群生态系统相对稳定，不易受外界因素影响。

表4 2000—2020年天山北坡城市群各质量等级生境面积分布

3.1.2生境质量空间分布

如图2所示，天山北坡城市群生境质量从天山中部向周边平原逐渐下降，生境质量高值区域分布在高昌区北部、乌鲁木齐市、昌吉市和克拉玛依市南部以及西天山自然保护区森林和草原地区，其面积占研究区总面积的10%以上。该地区物种资源和生物多样性丰富，属于研究区生境质量最好的区域，年降水量比较丰富，蒸发量小，受人类活动影响少，生物多样性相对丰富。生境质量低值区域分布在研究区吐鲁番地区、木垒哈萨克自治县、玛纳斯县和呼图壁县北部地区，其面积占总面积的56%以上。该地区主要分布有人类活动相对频繁的平原耕作地带、城乡聚落区、裸地和低覆盖草地等区域。

3.2 生境质量等级转移

由图3和表5可知，2000—2020年天山北坡城市群大部分区域生境质量基本没有变化，研究区生境质量水平变好区域主要为良等级转为优等级，其面积为2 090.16 km2，主要分布在天山北坡城市群边缘地区，尤以乌苏市西南部、克拉玛依市北部、乌鲁木齐市西南部、昌吉市南部、木垒县中南部和奇台县东北部最为集中；生境质量变差区域主要为中等级转为差等级，其面积为6 777.30 km2，主要分布在研究区西部及中部地区，尤以乌鲁木齐市北部、阜康市、吉木萨尔县中部、奎屯市和托克逊县北部最为集中。其中，乌鲁木齐北部、阜康市和吉木萨尔县中部生境质量变化最为激烈，2000—2010年这些城市在“西部大开发”战略实施初期为了大力发展经济，新建大量工商业区、超量开采地下水和过度放牧等人为因素，导致林草植被自然退化，覆盖率降低。如阜康市为了发展旅游业，以天山天池为依托，建设一批旅游项目、星级酒店等住宿餐饮业，大力发展房地产业，到2010年基本实现现代服务业跨越式发展，与此同时也产生了大量生产和生活污染物，导致附近生境质量变差，对生态环境、生活环境、生物多样性和经济可持续发展产生较大威胁。

图3 2000—2020年天山北坡城市群生境质量等级转移格局

表5 2000—2020年天山北坡城市群各质量等级生境变化

3.3 生境质量空间相关性分析

空间局部自相关分析显示，3期数据均通过1%显著性检验，说明在99%置信度下天山北坡城市群生境质量存在空间自相关。2000、2010和2020年Moran′sI值分别为0.863、0.867和0.862，说明天山北坡城市群生境质量具有高度空间相关性，生境质量在空间上呈现两极集聚特征(图4)，即生境质量较高的区域集聚(高-高集聚特征)和生境质量较低的区域集聚(低-低集聚特征)。2000—2020年天山北坡城市群生境质量高-高集聚区域集中在天山山脉所在的中北部地区，并零星分布于乌苏市、克拉玛依市、沙湾县和奇台县以及玛纳斯县北部和木垒哈萨克自治县东北部地区。生境质量低-低集聚区域集中在研究区边缘地区，主要为吐鲁番地区。这是由于吐鲁番盆地地势特殊，四周环山，是中国大陆海拔最低点，因此该区域生态环境脆弱，生物多样性水平较低。

图4 2000—2020年天山北坡城市群生境质量空间LISA集聚图

3.4 生境退化度时空分析

生境退化度指数高表示威胁因子对区域生境质量的潜在破坏程度高，由此发生生境质量下降的概率大。2000、2010和2020年天山北坡城市群平均生境退化度指数分别为0.10、0.12和0.13，2000—2020年生境退化度有小幅度上升，说明研究区生境质量下降的概率有所增加。由图5可知，研究区生境退化度空间分布总体表现为东高西低、北高南低，尤其是乌鲁木齐市、昌吉市和石河子市等地区生境退化度最高，究其原因主要有以下2个方面：(1)这些区域人口密度相对较大，城镇居民用地和耕地分布集中，来自人类活动的干扰较多，生境质量下降概率较大，从侧面反映生态环境质量容易受到人类农业和工业活动的影响，人类聚居和工业活动最为集中的地区对当地栖息地质量有一定的影响。(2)随着城市和农村建设用地扩张，这些区域生境退化度指数不断变大，退化区域在空间上呈现扩张趋势。

图5 2000—2020年天山北坡城市群生境退化分布

4 讨论与结论

4.1 讨论

生境质量指数高低由生境适宜度决定，而草地和林地生境适宜性高于未利用地和耕地，因此区域生境质量空间分布评估结果与土地利用/覆盖基本一致。研究区生境质量整体呈现西高东低的空间特征，生境质量有所上升，生境适宜度有所提高。2000年之后，随着人口增加，天山北坡城市群尤其是乌鲁木齐等中心城市人类活动增加，城市化进程加快，建设用地增加对周边生境构成威胁，引起生境碎片化和景观连通性变差，最终导致区域生境质量下降。2000—2020年研究区生境质量Moran′sI值保持在0.86，这是因为近年来针对林地、草地集中分布的生态敏感区和生境适宜度较高区域，实施了诸多生态修复和恢复工程。2000—2020年研究区生境质量呈先下降后上升趋势，这说明研究区所采取的生态恢复措施明显改善了区域生境质量，建议进一步加大研究区生态保护和生态恢复措施力度。

InVEST模型在一定程度上弥补了传统方法的不足，为生境质量评估提供了新途径。但该模型仍存在一些不足，如InVEST模型根据威胁因子对生境质量影响的累加来获取研究区生境质量，然而在一些情况下多个威胁因子的集体效应可能远大于单个威胁因子的总和，这是InVEST模型需进一步得到完善的方面。同时，该研究计算生境质量时只考虑了线性威胁源和平面威胁源，未考虑污染物排放等非平稳点威胁源的影响。未来，有必要增加对点威胁源数据的收集，并考虑特定人类活动对生境质量的影响，以补充和优化模型参数，获得更加准确的分析结果。

4.2 结论

分析干旱地区生境质量时空特征及其空间变化规律对干旱地区耕地保护、城镇高效绿色发展具有重要意义，对作为城镇化主体区和经济发展战略核心区的城市群来说，通过有效保护生态环境，促进协调发展具有现实意义。采用生境质量模型及空间自相关指数剖析天山北坡城市群生境质量演化，得出以下结论：

(1)2000—2020年天山北坡城市群生境质量指数保持在0.80以上，虽然研究区生境质量为差和较差等级区域面积占研究区总面积的比例较高，但整体呈向良好和优等级方向发展趋势，生境质量在空间上表现出中部地区生境质量总体较好，而南北部地区生境质量较差的特征。由于“西部大开发”战略的启动实施，2000—2010年研究区为了发挥其新型城镇化主体区和经济发展战略核心区的作用，大力发展工业和旅游业，对环境造成一定影响，因此，2010年天山北坡城市群生境质量指数较低。总体上，研究区生境质量空间分布变化不大，生境质量提升的主要原因是生态工程的实施改变了区域土地利用/覆被类型，增强了生境适宜性，而下降的主要原因是建设用地扩张。

(2)2000—2020年天山北坡城市群生境退化总体表现为东高西低、北高南低的格局，尤其是乌鲁木齐、昌吉和石河子等地区生境退化度最高，这些城市人口密度相对较大，城镇居民用地和耕地集中分布，来自人类活动的干扰较多，生境质量下降概率较大。因此，建议加强这些区域生态修复工作，控制工业和建筑业发展，积极推进森林草原管护、恢复和管控体系建设，推进生物多样性保护工程建设，严格执行草原禁牧区政策，实施湿地动植物多样性保护与修复体系建设。

(3)天山北坡城市群生境质量在空间上表现出高度正相关特征，即生境质量在空间上呈两极集聚特征，且随着时间推移，这种趋势越来越明显，2000—2020年研究区Moran′sI值保持在0.86。研究区生境质量高值区域集中在天山山脉所在的中北部地区，并零星分布于研究区西部的乌苏市和克拉玛依市，中部的沙湾市和玛纳斯县以及东部的奇台县和木垒哈萨克自治县；研究区生境质量低值区域集中在研究区边缘地区，主要在吐鲁番地区。该研究结果表明土地利用/覆被是生境质量空间分异的重要驱动因子。