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Arid Land Geography >

2025 , Vol. 48 >Issue 12: 2232 - 2246

DOI: https://doi.org/10.12118/j.issn.1000-6060.2025.074

Regional Development

Impact of urban expansion on habitat quality in the northern Tianshan Mountain economic zone

  • Yanwen WANG , 1 ,
  • Huan YANG , 2 ,
  • Peiyue TU 2 ,
  • Hao DING 3 ,
  • Ying JING 4 ,
  • Chao HE 5, 6
Expand
  • 1 School of Economics and Management, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China
  • 2 School of Resources and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China
  • 3 School of Business, Dianchi College, Kunming 651701, Yunnan, China
  • 4 Business School, Ningbo Tech University, Ningbo 315100, Zhejiang, China
  • 5 National Science Library (Wuhan), Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, Hubei, China
  • 6 Collaborative Innovation Center for Emissions Trading System Co-constructed by the Province and Ministry, Wuhan 430205, Hubei, China

Received date: 2025-02-16

  Revised date: 2025-04-11

  Online published: 2026-03-11

Fold

Abstract

Rapid urbanization and the attendant spatial expansion of urban regions can alter the structure of ecosystems, degrade habitat quality, and thereby impact sustainable development. Investigating the effects of urban expansion on habitat quality is crucial for the rational allocation of land use and supporting the restoration and reconstruction of ecosystems. This study focuses on the northern Tianshan Mountain economic zone (NTMEZ) in Xinjiang, China, where future urban expansion scenarios from 2024 to 2050 under different socioeconomic pathways are predicted using the Land Use Scenario Dynamic-Urban (LUSD-urban) model. The spatiotemporal changes in habitat quality from 2000 to 2050 in the region are also assessed. The results show that: (1) Between 2000 and 2023, urban land in the NTMEZ rapidly expanded from 551.72 km2 to 1756.11 km2, with an annual expansion rate of 54.70 km2. From 2023 to 2050, under the fossil fuel pathway, urban land expansion is expected to be most significant, whereas under the regional competition pathway, expansion is expected to be least pronounced. The area of urban land is expected to further expand to between 3176.27 km2 and 3859.20 km2, with an annual expansion rate ranging from 244.03 km2 to 369.38 km2. (2) From 2000 to 2023, habitat quality in the NTMEZ declined from 0.551 to 0.520, representing a loss rate of 5.574%. From 2023 to 2050, habitat quality is expected to continue to decrease, with an anticipated loss of 0.57×10-2‒0.82×10-2, corresponding to a loss rate of 1.10%~1.58%. (3) The main driver of habitat quality loss is the encroachment of urban land on grasslands. In future urban planning and management, greater emphasis should be placed on the restoration of ecological land in the NTMEZ to ensure the region’s sustainable development.

Key words： ecosystem service; urban expansion; spatial and temporal evolution; habitat quality; the northern Tianshan Mountain economic zone

Cite this article

Yanwen WANG , Huan YANG , Peiyue TU , Hao DING , Ying JING , Chao HE . Impact of urban expansion on habitat quality in the northern Tianshan Mountain economic zone[J]. Arid Land Geography, 2025 , 48(12) : 2232 -2246 . DOI: 10.12118/j.issn.1000-6060.2025.074

改革开放以来，中国经历了全球历史上规模最大、发展最快的城镇化进程，城镇化率由1978年的17.90%提升至2022年的65.22%，增速位于世界前列[1]。伴随着经济的飞跃式发展，城市的空间扩展迅速，基础设施不断完善，城市功能与形态日益多样。然而，长期以粗放外延式扩张为主的发展模式，对城市资源与生态环境造成了深远影响，带来了巨大的环境压力。其中，最为直接的表现包括生态用地持续减少[2-3]、城市热岛效应显著增强[4-5]、环境污染问题日益严峻[6-7]以及生物多样性的不断丧失[8-9]。城市化的快速扩展不仅重塑了人类活动的空间格局，还导致生态空间日趋破碎，生态廊道受阻，生态系统的完整性、稳定性与可持续性受到严重威胁。如何平衡城市发展的需求与生态保护的要求，成为当前亟待解决的关键课题[10]。
生境质量作为生物多样性的重要体现，是衡量生态系统健康和稳定性的关键指标。它反映了生态环境为物种生存和繁衍提供必要物质条件的能力，是生态系统功能综合评估的基础[11]。在全球生态挑战日益严峻的背景下，联合国将保护和恢复生态系统服务纳入2030年可持续发展议程，为各国在应对气候变化、生物多样性保护和可持续资源管理方面提供了方向和框架。良好的生境质量是实现人类社会可持续发展的基础，能够为经济发展、社会繁荣和文化传承提供必要的生态支持。保护和提升生境质量，不仅关乎生物多样性的维持，更是确保人类未来生存与发展的重要措施。明确城市扩张对生境质量的影响，探讨土地利用变化与生态系统服务的相互作用，不仅有助于土地资源的合理配置，还为提升生境质量提供科学依据，促进城市与自然融合共生[12-13]。
城市扩张对生境质量往往会造成显著的负面影响，主要体现在栖息地的破碎化和植被覆盖的减少。这一过程会导致生物多样性降低、生态功能丧失，削弱生态系统的稳定性，进而影响水资源、空气质量和土壤健康等多个方面[14]。近年来，研究人员在定量描述城市扩张对生境质量的影响方面取得了一定的进展[15-18]。Yang等[19]评估了近20 a来全球保护区内土地利用活动对生境质量的影响，研究表明尽管土地利用强度持续上升，全球范围内保护区整体生境质量基本保持稳定。值得注意的是，土地利用强度对森林地区的生境质量产生负面影响，而在荒漠和冻土区则呈现正向效应。Sallustio等[20]基于InVEST模型的生境质量模块评估了意大利国家保护区生境质量的时空格局，识别不同土地利用方式对生物多样性的威胁程度，并提出了不同自然保护规划情景下的管理对策；Mengist等[21]评估发现，埃塞俄比亚卡法生物圈保护区近30 a生境质量持续下降，预计2034—2049年将进一步恶化，其主要受人类居住区、农业扩张及森林碎片化的负面影响；周璐红等[22]评价了过去20 a黄土高原的生境质量，利用空间自相关分析法探究生境质量时空关联性，并采用地理探测器分析影响生境质量的驱动因子；张露尹等[23]结合PLUS和InVEST模型模拟发现，滇中城市群2030—2050年自然情境和耕地保护情景下生境质量持续降低，而在生态保护情景下生境质量有所提升。现有研究为理解城市扩张对生境质量的影响提供了理论依据，但对未来生境质量的多尺度演变规律及空间异质性特征缺乏系统性研究，未能充分揭示社会经济发展与自然生态系统之间的互馈机制。情景方案设定是生境质量格局演变模拟与优化的前提条件，共享社会经济路径作为联合国政府间气候变化专门委员会第六次报告提出的未来发展情景，包含的5类情景完整反映了未来时期社会经济与自然系统的潜在发展趋势，能够为未来生境质量模拟提供可比框架。未来的研究应更加关注不同发展路径下人类活动与生境质量的相互关系，以及如何在城市发展与生态保护之间实现平衡，以推动可持续的城市发展和生态保护措施的实施。
新疆天山北坡经济带地处西北干旱区，是中国西部最重要生态安全屏障之一。凭借丰富的资源能源及优越的地理条件，该地区成为西部大开发战略的增长极和丝绸之路经济带的重要核心枢纽。然而，随着近年来区域经济、工业的快速发展和城市化进程，天山北坡面临着日益严重的人地矛盾，严重制约了“一带一路”倡议的可持续发展。目前，关于天山北坡经济带城市扩张对生境质量的综合影响评价等研究仍较为有限。基于此，本文利用多源数据，基于共享社会经济路径与土地利用情景动态-城市（LUSD-urban）模型模拟预测了未来天山北坡经济带城市用地空间分布特征，从多角度对比分析了不同发展路径下未来城市扩张的情景，并评估了2000—2050年天山北坡经济带生境质量的时空格局，揭示城市扩张对该区域生境质量的影响，为推动天山北坡经济带生态环境保护与高质量发展提供科学支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

天山北坡经济带地处新疆准噶尔盆地南缘、天山北麓中段，涵盖乌鲁木齐、昌吉、石河子、克拉玛依等多个城市。该区域从南到北海拔逐渐降低，气温年较差及日较差大，降雨少，年均降雨量仅为220 mm，蒸发量为1817 mm[24]。自然景观由山区-绿洲-荒漠-沙漠过渡变化，生态环境较脆弱（图1）。天山北坡经济带地理位置优越，是“一带一路”倡议中的关键区域，作为沿线的经济文化建设核心区，发挥着至关重要的作用。该经济带集中了新疆77.60%的重工业及66.50%的轻工业，是全疆生产布局最密集、工业体系最完备的区域[25]。天山北坡经济带不仅是西北地区对外开放的重要枢纽，也是连接中国与中亚国家的关键桥梁。作为国家重点建设的综合经济带，该区域肩负着推动经济协同发展、促进多元文化融合及强化基础设施建设的使命。通过优化资源配置与深化国际合作，天山北坡经济带正成长为区域经济增长极，为“一带一路”沿线繁荣注入新动力。
图1 研究区示意图

注：基于自然资源部标准地图服务网站审图号为GS(2024)0650号的标准地图制作，底图边界无修改。下同。

Fig. 1 Schematic diagram of the study area

1.2 数据来源及预处理

1.2.1 土地利用/覆盖数据

2000—2023年土地利用/覆盖（LULC）数据来源于Yang等[26]基于Landsat影像集制作的中国土地覆盖数据集（表1）。该数据集空间分辨率为30 m，基于5463个独立测试样本的总体精度达到79.31%。参考Nguyen等[27]的研究，本文将原始数据中的“不透水表面”这一要素定义为城市用地，使用ArcMap 10.8工具箱对数据进行提取和重分类，最终得到的天山北坡经济带LULC数据包括7种地类：耕地、林地、草地、水体、雪地、裸土、城市用地。
表1 本研究使用数据信息

Tab. 1 Data information in this study

数据名称 类型（分辨率） 时间跨度 来源
过去的人口、GDP 统计数据 2000—2023年 《中国统计年鉴》
未来的人口、GDP
 栅格数据/0.5°
 2024—2050年
 Science Data Bank Platform， https://www.scidb.cn/en/detail?dataSetId=73c1ddbd79e54638bd0ca2a6bd48e3ff
土地利用/覆盖（LULC） 栅格数据/30 m 2000—2023年 China Land Cover Dataset， https://zenodo.org/records/8176941
高程、坡度 栅格数据/90 m 2000年 Google Earth Engine，SRTM Digital Elevation Data (Version 4)
行政区划、城市中心 矢量数据 2023年 标准地图服务， http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/index.html
路网、河流 矢量数据 2013、2023年 Open Street Map， https://www.openstreetmap.org

1.2.2 人口和GDP数据

2000—2023年的人口和GDP数据来源于统计年鉴，并将GDP数据按照GDP指数进行换算，使其以2010年为基期。2024—2050年的人口和GDP数据来源于姜彤等[28-29]结合共享社会经济路径及中国人口经济统计数据，该数据集涵盖至2100年的中国及31个省区人口和GDP栅格数据集，空间分辨率为0.5°。与其他人口和GDP预测数据集相比，该数据集纳入了中国特有的人口政策和迁移规律，并综合考虑了中国不同地区的经济发展差异。本文使用ArcMap 10.8分区统计工具对原始栅格数据进行提取，最终得到2024—2050年5种共享社会经济路径下天山北坡经济带人口和GDP统计数据。

1.2.3 其他数据

高程和坡度数据来自航天飞机雷达地形任务数字高程数据集，空间分辨率为90 m。本文所用的路网矢量数据（高速公路、铁路、一级道路、二级道路、三级道路数据）以及河流矢量数据均来自Open Street Map，行政区划、城市中心数据来自标准地图服务网站（表1）。本文采用Albers圆锥等面积投影坐标系，将所有栅格数据分辨率统一为100 m。

1.3 研究方法

本研究的方法框架如图2所示。首先，基于天山北坡经济带2000—2023年的人口、GDP及城市用地面积数据建立回归模型，并利用中国本地化的共享社会经济路径下人口、GDP数据预测2024—2050年的城市用地需求，随后将其输入LUSD-urban模型，结合2000—2023年LULC数据及地理交通区位数据，模拟2024—2050年城市用地空间分布。接着采用InVEST模型评估2000—2050年该区域的生境质量变化。最后分析城市扩张对生境质量的影响。
图2 方法框架

Fig. 2 Methodology framework

1.3.1 土地利用情景动态-城市模型

LUSD-urban模型是由He等[30]耦合系统动力学模型和元胞自动机模型开发的城市扩张预测模型，综合考虑了资源约束对城市用地面积的宏观调控作用，以及城市扩张适宜性因子对城市用地的微观空间格局影响，可以有效模拟全球、国家、区域多尺度的城市扩张。
LUSD-urban模型由城市用地需求模块和城市用地空间分配模块组成。首先是城市用地需求模块，根据相关的研究[31-33]，本文通过多元线性回归模型来预测未来天山北坡经济带的城市用地需求。由于人口和GDP是城市用地面积增长的关键驱动因子，因此，本文将2000—2023年城市用地面积作为因变量，以人口和GDP作为自变量，构建的回归方程如下：
${U}_{t}=1.258{P}_{t}+0.327{G}_{t}-329.052$
式中：Ut为t年的城市用地面积（km2）；Pt为t年的人口数量（104人）；Gt为t年的GDP（108元）。结果显示，线性回归方程调整后决定系数（R2）为0.986，P值小于0.01，表明模型在1%的水平下显著。基于构建的回归方程，利用共享社会经济路径下2024—2050年天山北坡经济带的人口和GDP数据，本文预测了天山北坡经济带未来的城市用地需求。
城市用地空间分配模块基于元胞自动机的转换规则，在城市用地需求的约束下，将非城市单元转换为城市单元，转换的概率由城市扩张适宜性、LULC继承属性、邻域效应共同决定，具体计算公式如下：
$ \begin{aligned} { }^{t} P_{K, x, y}= & \left(\displaystyle\sum_{i=1}^{m-2} W_{i} \times{ }^{t} S_{i, x, y}+W_{m-1} \times{ }^{t} N_{x, y}-W_{m} \times{ }^{t} I_{K, x, y}\right) \times \\ & \prod{ }^{t} \mathrm{EC}_{x, y} \times \prod{ }^{t} \mathrm{PC}_{x, y} \times{ }^{t} V_{x, y} \end{aligned}$
式中：$ { }^{t} P_{K, x, y}$为LULC类型为K的单元（x, y）在t时刻转换成城市单元的可能性，该值介于[0,100]；$\displaystyle\sum_{i=1}^{m-2} W_{i} \times{ }^{t} S_{i, x, y}$为t时刻的城市扩张适宜性；${ }^{t} S_{i, x, y}$为影响因子i标准化的适宜性得分，取值范围为[0,100]；Wi为该影响因子的权重；${ }^{t} N_{x, y}$为单元（x, y）在t时刻的邻域效应，表示在单元（x, y）附近一定范围内的城市单元数量，线性标准化后的值介于[0,100]；Wm-1为邻域效应的权重，本文将邻域设置为5×5单元[34]；$ { }^{t} I_{K, x, y}$为LULC继承属性，由单元（x, y）的LULC类型所决定，表示维持当前LULC类型不发生转换的能力，该值介于[0,100]；Wm为其权重。参照He等[33]的研究，本文将各类LULC的继承属性设置为：耕地=2、森林=20、草地=10、城市用地=100、水体=50、裸地=5。$\prod{ }^{t} \mathrm{EC}_{x, y}$和$\prod{ }^{t} \mathrm{PC}_{x, y}$都是二元变量，分别为生态约束和政策约束；${ }^{t} V_{x, y}$为随机扰动项。本文选取了高程、坡度、到城市中心的距离、到高速公路的距离、到一级道路的距离、到二级道路的距离、到三级道路的距离、到铁路的距离、到河流的距离共9个影响因子，用于计算城市扩张适宜性[10]。利用ArcMap 10.8栅格计算器工具，将各影响因子栅格图层反向标准化至0~100区间作为模型的输入数据，意味着高程越低，坡度越平缓，到城市中心、路网、河流的距离越近的非城市单元，具有更高的城市扩张适宜性。
权重是LUSD-urban模型的重要参数，为了确保模型的可靠性，本文采用蒙特卡罗方法对9个城市扩张适宜性影响因子、LULC类型继承属性、邻域效应的权重进行训练。具体来说，以2000年天山北坡经济带LULC数据为基准，利用蒙特卡罗方法生成的随机权重组合，对2010年城市用地的空间分布进行了每组500次共6组的模拟[30]，并与2010年实际的城市用地数据进行对比，计算Kappa系数和总体精度（OA），将Kappa系数最高的模拟结果对应的权重组合作为最佳权重组合，其Kappa系数为0.64，总体精度为99.48%。进一步检验最佳权重组合的有效性，将其输入LUSD-urban模型，利用2010年天山北坡经济带LULC数据模拟2023年城市用地的空间分布，将模拟结果与2023年实际的城市用地数据进行比较，得到的Kappa系数为0.70，总体精度为99.30%，说明模拟结果较为准确，由此证明通过蒙特卡罗方法获取的最佳权重组合有效性较强，可以用于模拟未来城市扩张。最终，本文使用LUSD-urban模型，基于2023年天山北坡经济带LULC数据和5种共享社会经济路径下未来城市用地需求，以5 a为时间间隔，模拟了2025—2050年天山北坡经济带城市用地空间分布。

1.3.2 生境质量计算

生境质量指生态系统为区域内个体和种群提供生存和繁衍所需物质条件的能力[35]。本文利用InVEST模型，根据LULC类型和生物多样性威胁因素计算生境质量的空间分布，其计算公式如下：
$\mathrm{H}{\mathrm{Q}}_{xj}={H}_{j}\left(1-\frac{{D}_{xj}^{z}}{{D}_{xj}^{z}+{k}^{z}}\right)$
式中：HQxj为LULC类型为j的单元x对应的生境质量，取值范围为[0,1]；Hj为LULC类型为j的生境适宜性；z和k分别为比例因子和半饱和常数，在本文中分别取2.5和0.5；Dxj为面临的生物多样性总威胁，具体计算公式如下：
${D}_{xj}=\stackrel{R}{\displaystyle\sum _{r=1}}\stackrel{{Y}_{r}}{\displaystyle\sum _{y=1}}\left(\frac{{w}_{r}}{\stackrel{R}{\displaystyle\sum _{r=1}}{w}_{r}}\right){r}_{y}{i}_{rxy}{\beta }_{x}{S}_{jr}$
式中：R为威胁因素总数；Yr为威胁因素r包含的栅格数量；wr为权重；ry为威胁因素r在栅格y处的值；irxy为单元x受到的影响，该影响会随着与威胁因素r的距离增大而衰减，衰减方式有线性衰减和指数衰减2种；${\beta }_{x}$为单元x的可达性；Sjr为LULC类型j对威胁因素r的敏感性。本文基于InVEST 3.13.0对天山北坡经济带的生境质量进行计算[36-38]。

2 结果与分析

2.1 天山北坡经济带城市用地时空格局变化

2000—2023年天山北坡经济带城市用地迅速扩张，城市面积从551.72 km2扩张至1756.11 km2，扩张率达218.30%，扩张趋势为54.70 km2·a-1（表2）。其中，42.43%的新增城市用地的来源为草地，其次是耕地，为23.55%。所有城市中，精河县城市扩张最为显著，扩张面积为244.00 km2，扩张率为923.89%，显示出该地区城市化速度的急剧加快。乌鲁木齐市和乌苏市等地的城市扩张也较为突出，扩张面积分别为176.07 km2和139.17 km2。以上3个地区的城市用地扩张趋势最显著，分别为10.04 km2·a-1、7.56 km2·a-1和6.92 km2·a-1。这一结果不仅显示了精河县、乌鲁木齐市和乌苏市城市化的速度，也反映了这些地区的经济活动对土地资源的强烈需求。
表2 2000—2023年天山北坡经济带城市用地及生境质量变化

Tab. 2 Changes of urban land use and habitat quality in the northern Tianshan Mountain economic zone from 2000 to 2023

城市 城市用地 生境质量
2000年 2023年 扩张面积/km2 扩张率/% 趋势/km2·a-1 2000年 2023年 损失 损失率/% 趋势/a-1
温泉县 0.23 3.44 3.21 1395.65 0.12 0.777 0.746 0.031 3.946 -0.006
博乐市 30.37 90.29 59.92 197.30 2.56 0.694 0.672 0.022 3.182 -0.004
精河县 26.41 270.41 244.00 923.89 10.04 0.578 0.547 0.031 5.418 -0.006
乌苏市 53.06 192.23 139.17 262.29 6.92 0.596 0.580 0.015 2.551 -0.004
克拉玛依市 15.82 82.91 67.09 424.08 3.08 0.324 0.309 0.015 4.679 -0.003
奎屯市 28.80 98.30 69.50 241.32 3.48 0.760 0.636 0.123 16.248 -0.029
沙湾市 23.84 105.12 81.28 340.94 3.70 0.575 0.553 0.021 3.739 -0.006
石河子市 19.78 80.17 60.39 305.31 2.91 0.553 0.527 0.027 4.851 -0.005
玛纳斯县 20.52 80.34 59.82 291.52 2.82 0.492 0.488 0.005 0.952 -0.001
呼图壁县 11.43 47.82 36.39 318.37 1.76 0.597 0.562 0.035 5.810 -0.011
昌吉市 33.16 107.79 74.63 225.06 3.51 0.611 0.570 0.042 6.827 -0.009
米泉市 49.93 124.79 74.86 149.93 3.52 0.493 0.462 0.031 6.302 -0.007
阜康市 12.43 41.68 29.25 235.32 1.38 0.491 0.428 0.063 12.886 -0.013
吉木萨尔县 5.29 18.11 12.82 242.34 0.54 0.494 0.438 0.056 11.289 -0.009
奇台县 9.29 24.46 15.17 163.29 0.63 0.387 0.364 0.022 5.805 -0.005
木垒哈萨克县 22.55 23.37 0.82 3.64 0.01 0.586 0.530 0.056 9.622 -0.010
乌鲁木齐市 188.81 364.88 176.07 93.25 7.56 0.674 0.615 0.059 8.738 -0.012
整体 551.72 1756.11 1204.39 218.30 54.70 0.551 0.520 0.031 5.574 -0.008
从空间特征上看，天山北坡经济带城市用地分布较为零散，以乌苏市和奎屯市为代表的奎屯市-独山子区-乌苏市-胡杨河市（奎独乌胡）都市圈城市逐渐向中西部扩张，以石河子市为中心的石河子市-沙湾市-玛纳斯县都市圈城市逐渐向中部和北部扩张（图3）。结果反映了城市用地的分布模式呈现出一定的空间集聚效应。例如，随着人口的流入和经济的增长，乌苏市的商业和服务业逐渐繁荣，吸引周边地区的人口和资源向其集聚，进一步加速了该区域的城市化进程。同时，奎屯市作为连接多条交通干线的节点城市，其地理位置优势使其在区域发展中占据了重要地位，从而促进了区域的经济发展和城市化进程。此外，石河子市作为该区域的重要城市，不仅是经济发展的核心，也是社会服务和文化交流的重要中心。近年来，随着城市化进程的加快，石河子市周边的城市逐渐向中部和北部地区扩展，形成了新的城市发展热点。这种向外扩张的趋势显著增加了城市的用地面积，吸引了大量企业投资和人才流入，进一步激活了城市经济活动[39-40]。
图3 2000—2023年天山北坡经济带整体及重点地区城市用地空间分布对比

Fig. 3 Comparison of the spatial distribution of urban land use in the overall and key areas of the northern Tianshan Mountain economic zone from 2000 to 2023

2.2 天山北坡经济带生境质量时空格局变化

2000年天山北坡经济带总体生境质量为0.551，且在空间分布上呈现明显的南高北低特征（图4）。所有城市中，温泉县（0.777）的生境质量最高，克拉玛依市的生境质量最低，仅为0.324（表2）。然而，随着城市的进一步扩张，天山北坡经济带的生境质量整体呈现出下降趋势。表2显示，2023年总体生境质量从0.551下降至0.520，损失率为5.574%。其中，奎屯市、阜康市和吉木萨尔县损失最为严重，生境质量损失率分别为16.248%、12.886%和11.289%，这些地区的城市化进程可能导致了生态环境的破坏和生物多样性的降低，反映出快速城市化与生态保护之间的矛盾。奎屯市的生境质量下降幅度最大，这与其快速发展的工业和基础设施建设密切相关。在城市化过程中，绿地、湿地和其他自然栖息地被大量转化为城市用地，直接导致生物栖息环境的丧失。与此同时，奎屯市经济发展导致的空气和水体污染，也进一步加剧了生态环境的恶化。阜康市和吉木萨尔县同样面临着生境质量的严峻挑战。阜康市的城市化进程伴随着人类活动增加，例如建设住宅区、工业园区等，直接导致了生态系统的破坏，而吉木萨尔县的生境质量下降则可能与农业扩张和水资源的过度开发有关[41]。
图4 2000—2023年天山北坡经济带生境质量空间分布对比及损失率

Fig. 4 Spatial distribution comparison and loss rate of habitat quality in the northern Tianshan Mountain economic zone from 2000 to 2023

相比之下，玛纳斯县的生境质量损失最小，损失率为0.952%。这一结果表明该地区在城市扩张过程中采取了相对有效的生态保护措施，从而对生境质量的影响较小。自2019年起，玛纳斯县累计投入5×108元，加快推进玛纳斯河流域上下游山水林田湖草沙一体化保护和修复。玛纳斯县在城市规划中优先考虑了生态保护，通过保留自然栖息地、实施生态恢复项目和推动可持续发展策略，有效减缓了城市化对生境质量的负面影响[42]。由此看出，天山北坡经济带生境质量的下降不仅反映了城市化带来的区域生态压力，也揭示了在快速发展的背景下，需要平衡区域经济增长与生态保护的挑战，以实现可持续的经济发展和生态安全。

2.3 共享社会经济路径下天山北坡经济带未来城市扩张特征

基于LUSD-urban模型对天山北坡经济带未来城市用地需求进行预测，结果显示2023—2050年研究区城市用地面积持续上升。但依据不同的发展路径，城市用地的扩张幅度和趋势存在显著差异。总体来看，2023—2050年研究区所有地区的城市用地面积均在化石燃料路径（SSP5）下扩张程度最为显著，在区域竞争路径（SSP3）路径下扩张程度最小（图5）。在SSP5路径下，天山北坡经济带的城市用地由2023年的1756.11 km2增加至2050年的3859.20 km2，扩张率高达119.76%，扩张趋势为369.38 km2·a-1。结果反映出天山北坡经济带在资源利用和经济发展的驱动下，城市化进程不断加速。在SSP5发展路径下，化石燃料的依赖性不仅促进了经济增长同时也带来了城市用地的迅速扩张。相比之下，在SSP3路径下，天山北坡经济带的城市用地扩张则表现出相对缓慢的趋势，预计到2050年，城市用地面积将增加1420.16 km2，扩张率为80.87%，扩张趋势为244.03 km2·a-1（表3）。这一情况反映出区域内资源利用的竞争可能加剧，经济发展模式的多样化，以及城市规划和管理措施的相对滞后。在SSP3路径下，城市发展受到了一定的限制，可能将导致经济增速放缓，进而影响城市化的整体进程。2023—2050年草地仍然是新增城市用地的主要来源，占比为40.36%~44.36%。
图5 2000—2023年天山北坡经济带城市用地面积变化及2024—2050年城市用地需求

注：SSP1~SSP5分别为可持续路径、中间路径、区域竞争路径、不平等路径、化石燃料依赖路径。下同。

Fig. 5 Changes in urban land area in the northern Tianshan Mountain economic zone from 2000 to 2023 and urban land demand from 2024 to 2050

表3 2023—2050年天山北坡经济带城市用地及生境质量变化

Tab. 3 Changes of urban land use and habitat quality in the northern Tianshan Mountain economic zone from 2023 to 2050

城市 城市用地 生境质量
2023—2050年扩张面积/km2 扩张率/% 趋势/km2·a-1 2023—2050年损失/10-2 损失率/% 趋势/10-3·a-1
温泉县 0.02~0.03 0.58~0.87 0.00~0.01 0.00~0.00 0.00~0.00 0.00~0.00
博乐市 51.64~69.02 57.19~76.44 9.01~12.88 0.35~0.46 0.52~0.69 -0.86~-0.61
精河县 129.59~195.43 47.92~72.27 24.31~38.13 0.50~0.75 0.91~1.37 -1.47~-0.94
乌苏市 215.74~335.97 112.23~174.78 37.58~57.39 0.81~1.23 1.40~2.13 -2.18~-1.42
克拉玛依市 90.95~178.02 109.70~214.71 16.42~25.76 0.60~1.14 1.94~3.69 -1.77~-1.10
奎屯市 98.68~140.91 100.39~143.35 15.69~23.39 3.79~5.26 5.95~8.26 -8.84~-6.17
沙湾市 77.77~125.63 73.98~119.51 14.02~21.69 0.38~0.59 0.69~1.07 -1.05~-0.68
石河子市 83.51~114.75 104.17~143.13 13.92~19.72 9.55~12.69 18.13~24.10 -21.38~-15.72
玛纳斯县 75.82~116.51 94.37~145.02 12.98~19.78 0.43~0.64 0.89~1.32 -1.15~-0.74
呼图壁县 57.09~84.12 119.39~175.91 10.68~15.67 0.41~0.60 0.74~1.07 -1.15~-0.77
昌吉市 123.78~184.30 114.83~170.98 21.93~33.47 1.10~1.61 1.93~2.82 -2.99~-1.96
米泉市 107.76~160.78 86.35~128.84 18.05~27.41 2.01~2.90 4.35~6.28 -5.14~-3.37
阜康市 36.70~52.41 88.05~125.74 6.65~10.03 0.32~0.45 0.74~1.05 -0.86~-0.58
吉木萨尔县 1.89~2.48 10.44~13.69 0.33~0.47 0.02~0.03 0.05~0.06 -0.05~-0.03
奇台县 1.94~2.53 7.93~10.34 0.34~0.49 0.01~0.01 0.02~0.03 -0.02~-0.02
木垒哈萨克县 0.00~0.00 0.00~0.00 0.00~0.00 0.00~0.00 0.00~0.00 0.00~0.00
乌鲁木齐市 267.28~340.20 73.25~93.24 46.10~59.51 1.78~2.24 2.89~3.64 -3.91~-3.06
整体 1420.16~2103.09 80.87~119.76 244.03~369.38 0.57~0.82 1.10~1.58 -1.48~-0.99
所有城市中，扩张程度最大的3个地区分别为乌鲁木齐市（267.28~340.20 km2）、乌苏市（215.74~335.97 km2）和精河县（129.59~195.43 km2）（表3），扩张率分别为73.25%~93.24%、112.23%~174.78%、47.92%~72.27%，扩张趋势分别为46.10~59.51 km2·a-1、37.58~57.39 km2·a-1、24.31~38.13 km2·a-1。值得注意的是，这3个地区城市用地扩张面积占天山北坡经济带整体的41.44%~43.14%，显示出其在区域城市化进程中的重要地位。图6反映了SSP3和SSP5路径下2050年天山北坡经济带及其重点区域的城市用地空间分布情况。从空间上看，SSP3路径下城市用地扩张主要集中在乌苏市、奎屯市、乌鲁木齐市，反映出该区域在城市化进程中对这些核心城市的依赖，表明这些地区在经济、基础设施和人口集聚等方面的优势地位[43]。在SSP5路径下，这些地区的城市用地扩张程度显著上升，尤其是在乌苏市与奎屯市城区交界处。这一变化可能与SSP5路径下的资源消耗和经济增长模式相关。化石燃料的使用促进了经济的快速发展，进而推动了城市化的加速，特别是在交通便利、经济活动频繁的区域，导致城市用地的快速扩张。进一步分析可知，SSP3路径下的城市用地扩张呈现出蔓延式特征，即城市用地向周边地区逐渐扩展，往往以不规则的方式占用土地。与之相比，SSP5路径下城市用地扩张则以填充式为主，这种填充式扩张意味着在现有城市用地基础上进行有效开发，往往伴随着基础设施的提升和土地利用的优化。
图6 2023—2050年天山北坡经济带城市用地空间分布对比

Fig. 6 Comparison of spatial distribution of urban land use in the northern Tianshan Mountain economic zone from 2023 to 2050

2.4 共享社会经济路径下天山北坡经济带生境质量特征

图7显示了2023—2050年间，在不同共享社会经济路径下天山北坡经济带生境质量的损失趋势。从图7e可以直观地看出，在5种SSP路径下其生境质量均呈现出持续下降的趋势，但下降的速度和程度有所差异。其中，SSP5路径下的生境质量损失最大，从2023年的0.520下降至2050年的0.512，损失率为1.58%。这一结果与SSP5路径的高经济增长和较少的环境保护密切相关。在SSP5路径下，全球化和技术进步得到优先考虑，但环境保护和可持续发展被放在次要位置。因此，这种显著的生境质量下降可能归因于快速的城市扩张、土地利用变化以及大规模的基础设施建设。城市化进程不仅压缩了原有的自然生境，还可能导致其他种类生态系统服务的破坏，进一步恶化了该地区的生态环境。相较之下，SSP3路径下的生境质量损失最小，损失率为1.10%。这是由于SSP3路径下的社会经济发展和城市化扩张速度相对较慢，因而对天山北坡经济带的生境影响相对较小。虽然该路径下生境质量的损失仍不可避免，但与其他高经济增长路径相比，生态环境遭受的破坏程度较低，促使生境退化的速度有所放缓。
图7 2023—2050年天山北坡经济带生境质量损失情况

Fig. 7 Habitat quality loss in the northern Tianshan Mountain economic zone from 2023 to 2050

从空间上来看，生境质量下降的集中区域主要为石河子市、奎屯市和米泉市。这3个地区的生境损失率分别为18.13%~24.10%、5.95%~8.26%和4.35%~6.28%。其中，石河子市是受影响最严重的区域，其生境质量的损失趋势为（-21.38~-15.72）×10-3·a-1，表明其生境在较长时间内经历了显著的退化。这一现象与石河子市作为区域性经济中心的地位密切相关[24]。快速的城市扩张、大规模的农业开发以及工业活动的增加是导致其生境质量下降的主要原因。此外，石河子市丰富的自然资源吸引了大量人口和投资，加剧了自然资源的开采和土地的开发利用，进一步加重了生境的退化。奎屯市和米泉市的生境质量损失虽然与石河子市相比略低，但也表现出了显著的退化趋势，其生境损失仍然不可忽视。这一结果可能与区域性的农业开发和工业发展有关。尤其是奎屯市，该地区农业灌溉对水资源的需求量巨大，而水资源的过度开发和不合理利用使得自然生境面临较大压力[39]。米泉市的生境损失率相对较低，这与该地区持续推进的生态治理措施密切相关，如垦沙工程等，显著提升了植被覆盖度。此外，该市经济发展保持稳定，生态环境的负面影响得到了有效控制，从而使生境损失率保持在较低水平[44]。

3 讨论

3.1 生境质量的保护与管理启示

生境质量是衡量生态系统服务水平的重要指标，也是确保区域生态安全和提升人类福祉的关键因素。土地利用类型对生境质量具有决定性影响，其中耕地、林地和草地的生态系统服务功能较强，其面积变化会直接影响区域的整体生境质量[45]。研究发现，2000年以来天山北坡经济带的生境质量随着城市的扩张整体呈现出下降趋势，且在未来5种SSP路径下生境质量都将呈现持续下降的趋势。草地是该区域新增城市用地的主要来源，作为重要的生态用地，草地被城市用地侵占是导致天山北坡经济带生境质量损失的首要原因。因此，要改善和提高研究区的生境质量，不仅需要加强生态保护和修复工作，还应统筹考虑当地的社会经济发展和人类活动的影响[46]。将生态安全格局纳入国土空间规划体系，实施基于生态承载力的城镇开发边界动态管理。对奎独乌胡都市圈等重点区域，实行建设用地和开发强度的双重调控机制，同时建立跨区域的生态补偿机制，借助市场化手段引导和调节城市扩张需求。在基础设施建设的过程中，制定更为严格的土地使用和环境影响评估标准，确保在进行城市扩张时不会对生境造成不可逆转的损害。针对石河子市的生境质量显著下降，建议开展生态修复项目，特别是在城市扩张严重的区域，通过植树造林、恢复湿地等方式，改善生境质量。此外，对石河子市加强农业用地管理，鼓励发展可持续农业，降低对土壤的破坏和水资源的过度利用。
在未来的城市规划和管理中，天山北坡经济带应更加注重生态友好的设计理念，以实现可持续发展。具体而言，采用绿色建筑标准不仅能提升城市的生态功能，还能降低能源消耗和碳排放，从而缓解城市化进程对环境造成的压力。针对人口较密集的奎独乌胡都市圈和石沙玛都市圈，鼓励该地区建设城市绿地、公园和湿地等生态设施。不仅能提供良好的休闲和娱乐场所，还可以为生物多样性创造栖息地，提高整体区域的生境质量，促进生态系统的健康发展。通过在城市规划中融入生态理念，将有效地提升城市的宜居性，还能为未来的生态平衡奠定坚实基础。
此外，在天山北坡经济带内，各市之间应建立区域合作机制，共享资源和经验，统筹管理自然资源。可以通过建立区域生态补偿机制，鼓励各地在保护生态的同时，实现经济的协同发展。例如，石河子市可以向周边地区提供生态服务，在生态恢复方面给予其他城市资金支持，通过碳交易和水权交易，以保护重要生态区域和脆弱生境，并形成良性循环。同时鼓励地方政府、高校和科研机构开展联合研究项目，针对生境质量下降的具体问题进行深入研究和实践探索，从而能够更有效地改善天山北坡经济带各地区的生境质量，实现可持续发展。

3.2 研究的局限性和未来工作的方向

本文主要分析了天山北坡经济带2000—2023年城市用地扩张情况，预测了2024—2050年不同情景下的未来城市扩张趋势，并评估了2000—2050年天山北坡经济带生境质量的时空变化。然而，研究过程中不可避免地可能存在一些不确定性和局限性，这些因素可能对结果产生一定的影响。首先，未来城市扩张受到诸多因素的影响，如：人口、经济、环境和政策等，多元线性回归模型难以准确揭示城市扩张与这些因素之间的动态响应关系。未来的研究可以尝试将系统动力学模型与考虑全球气候变化的SSP-RCP情景相结合，更为精确地预测未来城市用地需求。其次，本文所使用的LULC数据存在一定的分类限制，为了与其他数据保持统一的分辨率，将其重采样至100 m。空间分辨率不够精细，可能在一定程度上影响城市扩张模拟结果，同时也无法反映城市内部的景观异质性，无法适用于计算城市绿地提供的生态系统服务。因此，在未来的研究中将采用更高精度、更高分辨率的数据，以更准确地模拟城市扩张并评估城市生态系统服务。最后，城市扩张对生态系统的影响广泛且机制复杂，本文仅关注了城市扩张对生境质量的直接影响，而未考虑其间接影响。未来的研究将引入更多的生态系统服务指标，并结合生态系统过程模型，以更全面、准确地评估城市扩张对生态系统服务的影响。

4 结论

（1） 2000—2023年天山北坡经济带城市用地迅速扩张，从551.72 km2扩张至1756.11 km2，扩张趋势为54.70 km2·a-1，精河县、乌鲁木齐市与乌苏市的城市用地扩张速度最快，分别为10.04 km2·a-1、7.56 km2·a-1和6.92 km2·a-1。2023—2050年，在SSP5下，天山北坡经济带的城市用地扩张最显著；在SSP3下，其扩张最不明显。天山北坡经济带的城市用地面积将持续扩张至3176.27~3859.20 km2，扩张趋势为244.03~369.38 km2·a-1，乌鲁木齐市、乌苏市和精河县的扩张趋势分别为46.10~59.51 km2·a-1、37.58~57.39 km2·a-1、24.31~38.13 km2·a-1。
（2） 2000—2023年天山北坡经济带生境质量从0.551下降至0.520，损失率为5.574%，其中，奎屯市、阜康市和吉木萨尔县损失最为严重，生境质量损失率分别为16.248%、12.886%和11.289%。2023—2050年天山北坡经济带的生境质量将持续降低，预计损失0.57×10-2~0.82×10-2，损失率为1.10%~1.58%，生境质量损失率最大的3个地区分别为石河子市（18.13%~24.10%）、奎屯市（5.95%~8.26%）、米泉市（4.35%~6.28%）。
（3） 城市用地扩张侵占草地是导致天山北坡经济带生境质量损失的主要原因。在未来的城市规划和管理中，天山北坡经济带应更加注重生态友好的设计理念，例如采用绿色建筑标准，建设城市绿地和公园等，以促进区域的可持续发展。

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