馬瑞，范燕敏*，武紅旗，朱磊，馬軒，范昕，張皓宇

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.中南財經(jīng)政法大學(xué)法學(xué)院，武漢 430073；3.中國地質(zhì)大學(xué)公共管理學(xué)院，武漢 430074；4.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046）

土地利用/土地覆被（Land Use/Land Cover，LULC）是反映人類社會和自然環(huán)境之間相互依存的基本指標，在全球環(huán)境變化過程中發(fā)揮了重要作用[1-3]。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展及城市化進程不斷加快，人類對自然的改造極大程度上改變了LULC，對生態(tài)環(huán)境、糧食安全、生物多樣性等造成了一定威脅[4-5]。因此，兼顧經(jīng)濟、生態(tài)效益的土地利用優(yōu)化，有利于合理高效利用土地資源，從而實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展，保障土地可持續(xù)發(fā)展[6-7]。

國內(nèi)外諸多研究將國土空間優(yōu)化配置作為熱點，有研究學(xué)者采用線性規(guī)劃、綜合平衡法、遺傳算法等對土地利用需求數(shù)量進行優(yōu)化[8-9]。但簡單的定量分析技術(shù)無法對土地利用進行全面系統(tǒng)分析和動態(tài)定量研究[10]，因此有學(xué)者將模型構(gòu)建法與智能算法結(jié)合，開辟了土地利用需求數(shù)量和空間分布格局優(yōu)化的新途徑[11-12]。模型構(gòu)建法是通過對土地利用變化影響因素的相關(guān)性分析、回歸分析等，獲得各用地類型在空間上的分布概率，繼而實現(xiàn)土地利用空間優(yōu)化配置，其實質(zhì)主要是對未來土地利用模擬[13]。目前，基于模型構(gòu)建的優(yōu)化配置方法主要有多智能體系統(tǒng)（MAS）、最小累積阻力模型（MCR）、元胞自動機模型（CA）等[14]。MAS 可以將一個龐雜的土地利用系統(tǒng)分割成多個彼此間相互交流、協(xié)調(diào)的子系統(tǒng)，從而將復(fù)雜的問題簡單化，但是MAS 的驅(qū)動因素層較多，尋優(yōu)程序繁雜，工作量大[15-17]。MCR 能夠較好地反映景觀格局變化和生態(tài)過程演變的相互作用關(guān)系，適用于中尺度的土地利用功能分區(qū)研究，但是其阻力值的設(shè)定具有較高的主觀性[18-19]。CA 模型是一種時間、空間、狀態(tài)均離散且這三者關(guān)系為局部的網(wǎng)格動力學(xué)模型，在模擬系統(tǒng)的空間格局變化方面具有強大能力，但CA模型緊密的結(jié)構(gòu)與固定的轉(zhuǎn)換規(guī)則使其無法準確解釋土地利用與驅(qū)動因素之間的相互關(guān)系，更無法描述土地利用的成因與過程[16]。本研究采用的PLUS 模型原理源自CA，并在傳統(tǒng)的CA模型基礎(chǔ)上進行了較大改進，結(jié)合了轉(zhuǎn)化分析策略（TAS）和格局分析策略（PAS）優(yōu)勢，既能揭示土地利用變化潛在驅(qū)動因素，也能很好地模擬多種土地利用的斑塊演變[20-21]。

昌吉回族自治州（簡稱“昌吉州”）作為建設(shè)陸上絲綢之路經(jīng)濟帶的重要節(jié)點城市之一，經(jīng)濟發(fā)展較快，但由于其地處干旱區(qū)，存在水土資源配置不平衡、生態(tài)較脆弱等問題，主要表現(xiàn)為：南部山區(qū)森林系統(tǒng)和部分荒漠地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能惡化；草原和濕地面積減少；過度開采地下水資源，導(dǎo)致水位降低；沙漠邊緣的生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定；南部山區(qū)的小煤礦占地面積大，生態(tài)破壞嚴重；林地、草原、水源涵養(yǎng)區(qū)等生態(tài)環(huán)境保護困難[22]。因此，探討如何科學(xué)合理規(guī)劃土地利用，實現(xiàn)經(jīng)濟社會與資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展尤為重要。鑒于此，本研究以昌吉回族自治州為研究區(qū)，探究2010—2020年的LULC規(guī)律，構(gòu)建2030年昌吉州土地利用分布格局。為了使模擬結(jié)果分布合理并達到研究區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護、資源有效利用的長期平衡[23]，本研究結(jié)合社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用PLUS-GMOP 耦合模型，實現(xiàn)昌吉州土地利用在數(shù)量和空間上的優(yōu)化配置情景模擬，指導(dǎo)決策者制定未來土地利用總體規(guī)劃，合理開發(fā)利用土地資源，為干旱地區(qū)實現(xiàn)區(qū)域社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昌吉州位于天山北麓、準噶爾盆地東南緣，總面積7.39×106hm2[24-25]（圖1）。該州地處歐亞大陸腹地，地勢南高北低，由于受地形地貌、地域降水的影響，南北氣候差異較大，南部夏季降水較多，北部沙漠性氣候特征顯著，是典型的大陸性干旱氣候[26]。全州土地利用的總格局地域分明，利用方式比較合理。南部是天山山地，主要以牧業(yè)、林業(yè)、生態(tài)保護區(qū)為主；中部是沖積平原，以農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)為主；北部是沙漠盆地，為牧業(yè)及工礦利用區(qū)。截至2020 年末，全州總?cè)丝?39.94 萬人，區(qū)域生產(chǎn)總值1 387.25 億元，其中農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值246.2億元。

圖1 研究區(qū)地形示意圖Figure 1 Topographic map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)集主要包括：①昌吉州2000、2010、2020 年土地利用數(shù)據(jù)：依據(jù)國家土地利用分類標準和本研究目的，將土地利用類型重分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六大類；②土地利用限制因素：將新疆西天山和天池區(qū)域作為土地利用轉(zhuǎn)換禁區(qū)進行二值化處理；③氣候和環(huán)境數(shù)據(jù)：驅(qū)動土地利用變化的自然因素主要有地形、氣候、地下水，其中河流水系數(shù)據(jù)進行歐氏距離分析處理，坡度數(shù)據(jù)利用DEM 提取得到；④社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)：分為驅(qū)動土地利用變化的柵格數(shù)據(jù)和計算多目標土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)主要包括人口空間分布、國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、夜間燈光數(shù)據(jù)等，統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要涉及鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)人口、GDP、糧食播種面積和產(chǎn)量等。數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)類型及來源Table 1 Data types and sources

1.3 研究方法

本研究基于2010、2020 年昌吉州土地利用數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟、自然數(shù)據(jù)，探究2010—2020 年的土地利用變化規(guī)律，通過馬爾可夫鏈（Markov chain）和GMOP 模型對土地利用需求進行擬合和優(yōu)化，并利用PLUS模型模擬預(yù)測自然發(fā)展情景和多目標優(yōu)化情景下昌吉州土地利用分布格局（圖2）。

圖2 基于GMOP-PLUS耦合模型的情景模擬研究框架Figure 2 Scenario simulation research framework based on GMOP-PLUS model

1.3.1 Markov chain

Markov chain 是一種隨機級數(shù)，通過一段時期內(nèi)土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移概率來預(yù)測未來土地利用類型需求總量[27]。若一個Markov chain 的狀態(tài)空間是有限的，將所有狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率按矩陣排列，可得到下列轉(zhuǎn)移矩陣：

式中：n為土地利用類型數(shù)量；Pij為i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為j類的概率，由概率分布的性質(zhì)可得0≤Pi，j≤1，且每行元素之和等于1。Markov chain 完全決定轉(zhuǎn)移矩陣，轉(zhuǎn)移矩陣也完全決定Markov chain。

1.3.2 土地利用變化動態(tài)度

土地利用動態(tài)度表示某一時期研究區(qū)不同土地利用類型的變化速率和變化幅度[28]。

式中：K為研究區(qū)某一土地利用類型的動態(tài)度；Ua、Ub為研究初期和末期某種土地利用類型的面積；T為研究時長。

1.3.3 灰色多目標線性規(guī)劃模型

灰色多目標動態(tài)規(guī)劃模型（GMOP）是由灰色預(yù)測理論與多目標線性規(guī)劃交叉而衍生的優(yōu)化體系，其主體思想在于將不確定的目標函數(shù)和約束條件定義在某一確定范圍的滿意區(qū)域內(nèi)[29]。GMOP 模型充分表達了決策者的意愿并提供決策者一種最佳的土地利用優(yōu)化配置方案[30]。

1.3.3.1 構(gòu)建目標體系

決策者在優(yōu)化土地資源配置時，是以因地制宜可持續(xù)發(fā)展的思想角度來構(gòu)建目標函數(shù)。目標體系包括經(jīng)濟發(fā)展目標、生態(tài)保護目標和社會效益目標[31-33]?？紤]到社會效益難以量化，本研究從生態(tài)價值和經(jīng)濟效益兩個方面建立目標函數(shù)。

最大生態(tài)價值目標函數(shù)為：

式中：Z1為昌吉州內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值總量，萬元；gi表示某一土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，萬元·hm-2；xi為土地利用類型i的規(guī)劃面積，hm2。

本研究采用謝高地等[34]構(gòu)建的“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)表”對相關(guān)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)進行分析，得到2010—2020年單位面積糧食經(jīng)濟產(chǎn)值，并通過灰色模型預(yù)測，得到適用于昌吉州目標年份且與土地利用類型相對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)（表2）。將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)代入式（3）得到昌吉州生態(tài)價值目標函數(shù)：

表2 2030年昌吉州不同土地利用類型單位面積生態(tài)價值系數(shù)Table 2 Ecological value coefficient table of different land use types per unit area in Changji in 2030

最大經(jīng)濟效益目標函數(shù)為：

式中：Z2為研究區(qū)內(nèi)經(jīng)濟效益總值，萬元；Ci為經(jīng)濟效益系數(shù)，萬元·hm-2；xi為土地利用類型i的規(guī)劃面積，hm2。

本研究用單位面積土地所產(chǎn)出的生產(chǎn)總值來表示其經(jīng)濟效益系數(shù)Ci[35]。結(jié)合《昌吉回族自治州統(tǒng)計年鑒》，將農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值中農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)產(chǎn)值作為耕地、林地、草地、水域的產(chǎn)出效益，而建設(shè)用地的經(jīng)濟效益則以第二、三產(chǎn)業(yè)的GDP 來表示，計算得出2010—2020年內(nèi)各地類經(jīng)濟效益系數(shù)，并利用灰色模型進行預(yù)測，得到2030 年耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地的經(jīng)濟效益系數(shù)分別為1.34 萬、0.18萬、0.29 萬、0.48 萬、165.32 萬元·hm-2。借鑒相關(guān)研究[36]，本研究將未利用地的經(jīng)濟效益設(shè)為0.000 1 萬元·hm-2，將經(jīng)濟效益系數(shù)代入式（4）最終可得昌吉州經(jīng)濟效益目標函數(shù)：

1.3.3.2 約束條件設(shè)置

約束條件參數(shù)的選取準確與否，決定了模擬結(jié)果是否可行，也決定了接近離散時動態(tài)系統(tǒng)的靜態(tài)模型能否真實地反映系統(tǒng)自身規(guī)律[37]。

（1）土地總面積約束：各決策變量的土地利用面積之和為研究區(qū)總面積（7 388 542.17 hm2），即：

（2）人口總量約束：農(nóng)用地和城鎮(zhèn)用地承載的人口總數(shù)應(yīng)控制在預(yù)測年份（2030年）人口總量之內(nèi)。

式中：D1、D2分別為昌吉州目標年份農(nóng)用地及城鎮(zhèn)用地的平均人口密度，人·hm-2；系數(shù)0.71為2010—2020年城鎮(zhèn)面積占建設(shè)用地總面積比例的平均值；P為昌吉州2030年總?cè)丝陬A(yù)測值。根據(jù)2010—2020年人口及土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并利用灰色預(yù)測模型得到：0.25(x1+x2+x3)+7.51×0.71x5≤1 586 593

（3）糧食安全約束：

式中：?()a31為灰色糧食單產(chǎn)系數(shù)，kg·hm-2，其上限為目標年份糧食單產(chǎn)，下限為現(xiàn)狀糧食單產(chǎn)；f0為目標年份規(guī)劃的復(fù)種指數(shù)；fr為糧食系數(shù)；s0為人均標準用糧（根據(jù)國家規(guī)定的居民食物消費和營養(yǎng)基本目標，人均糧食消費量為450 kg·a-1）[38]；p0為目標年份預(yù)測總?cè)丝跀?shù)。通過對昌吉州國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料的分析，得到：?（a31）∈（5 750.19，7 880.50），f0=0.55，fr=0.48，s0=450，p0=1 586 593。

（4）農(nóng)用地面積約束：農(nóng)業(yè)用地變化應(yīng)保持動態(tài)平衡，所以農(nóng)業(yè)用地面積總和應(yīng)大于或等于現(xiàn)狀值，即：x1+x2+x3≥3 409 009.74。

（5）草地面積約束：考慮昌吉地區(qū)草地大幅度減少的歷史趨勢，依據(jù)《昌吉回族自治州土地利用總體規(guī)劃》提出的合理安排牧草地、加強人工草地建設(shè)，本研究假設(shè)多目標情景下草地面積應(yīng)低于現(xiàn)狀草地面積、高于自然發(fā)展情景下草地面積。但在政策影響下，草地面積的減少速率正在下降，Markov chain預(yù)測的2030年各地類面積是基于2010—2020年變化趨勢得到的，因此多目標情景下草地面積減少速率將低于Markov chain 預(yù)測的草地減少速率，因而可得：x3≥2 018 674.71;（2 207 856.69-x3）÷2 207 856.69≤8.57%。

（6）建設(shè)用地面積約束：昌吉州作為一帶一路核心區(qū)的重要組成部分，經(jīng)濟快速發(fā)展的同時城鎮(zhèn)用地規(guī)模不斷擴大。因此本研究將Markov chain 預(yù)測的2030 年建設(shè)用地面積的120%、80%分別作為多目標發(fā)展情景優(yōu)化下的建設(shè)用地面積上限和下限[20]，即：116 713.23 ≤x5≤175 069.80。

（7）耕地面積約束：為追求經(jīng)濟效益，昌吉州等干旱區(qū)耕地面積長期呈現(xiàn)持續(xù)擴張狀態(tài)，導(dǎo)致灌溉用水量隨耕地擴張而迅速增加，但由于受到水資源限制，耕地的擴張保持在一定范圍內(nèi)，即：1 040 624.01≤x1≤1 084 542.21。

（8）林地面積約束：“十三五”期間，昌吉州實施以生態(tài)建設(shè)為主的林地保護戰(zhàn)略，建設(shè)“南護天山，北治沙漠，中建綠洲”的生態(tài)格局，故目標年份林地面積應(yīng)高于現(xiàn)狀，另外，將Markov chain 預(yù)測得到的林地面積的120%設(shè)為目標年份的上限，可得：160 529.04≤x2≤185 222.38。

（9）水域面積約束：2011 年，昌吉州各縣（市）加大濕地保護力度，在堅決保護現(xiàn)有濕地、努力擴大濕地面積基礎(chǔ)上，全面完成州內(nèi)19 條規(guī)模以上河湖水域岸線保護利用規(guī)劃。因此，將2011 年水域面積設(shè)置為優(yōu)化方案下目標年份水域面積的下限，將Markov chain預(yù)測的自然發(fā)展情景下水域面積的120%設(shè)為上限，即：54 228.69≤x4≤67 434.44。

（10）未利用面積約束：昌吉州北部覆蓋大面積沙漠，長期以來，干旱少雨的自然氣候以及周邊草場的過度放牧，使本就脆弱的生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了較為嚴重的破壞現(xiàn)象，另外大風(fēng)也導(dǎo)致昌吉州土地沙漠化不斷蔓延。“十三五”以來昌吉州統(tǒng)籌推進山水林田湖草沙冰一體化保護和系統(tǒng)治理，全力推進防沙治沙工程。因此本研究假設(shè)未利用地面積低于自然發(fā)展情景，高于2010 年未利用地面積，即：3 668 162.76≤x6≤3 928 886.37。

（11）目標約束：假設(shè)昌吉州實現(xiàn)土地經(jīng)濟效益、生態(tài)價值同時增長，即：

式中：13 693 350.34 為2020 年現(xiàn)狀土地經(jīng)濟效益，9 331 105.86為2020年現(xiàn)狀土地生態(tài)價值總量。

（12）決策變量的非負約束：xi≥0，i=1，2，3…6。

1.3.3.3 GMOP模型求解

通過Lingo 軟件對函數(shù)進行求解，最終得到6 種土地利用類型的面積，即為2030 年多目標優(yōu)化情景下的土地需求數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化特征

在過去10 年間，隨著昌吉州社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地利用方式發(fā)生了很大改變。根據(jù)2010—2020 年昌吉地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表3）可知，土地利用發(fā)生變化的總面積為3.67×105hm2，占地域總面積的4.96%。各地類之間均存在互相轉(zhuǎn)變，其中草地轉(zhuǎn)出數(shù)量最多，草地向其他地類轉(zhuǎn)入面積從高到低依次為未利用地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域，其中草地退化為未利用地的面積占總退化面積的58.76%；未利用地面積增加最為明顯，增加了1.48×105hm2，主要原因是草場退化，其中草地退化成未利用地面積為1.63×105hm2，占草地總面積的6.69%。；耕地和建設(shè)用地大幅度增加，但主要都是以草地轉(zhuǎn)入為主，同時耕地和未利用地均不同程度地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變；各類型土地凈轉(zhuǎn)變量中，水域和林地的變化最不明顯，但轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入均以草地為主。近10年昌吉州土地結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變主要是草地退化為未利用地，這是由于不合理的開發(fā)利用和大面積的破壞植被使土地受到風(fēng)沙侵蝕，生產(chǎn)力喪失。

表3 2010—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（hm2）Table 3 2010—2020 land use type transfer matrix（hm2）

2.2 模型模擬精度檢驗

在PLUS 軟件中，以昌吉州2000、2010 兩年土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輸入自然和社會經(jīng)濟等驅(qū)動因素，得到研究區(qū)2020 年土地利用模擬圖，將其與土地利用現(xiàn)狀圖（圖3）對比發(fā)現(xiàn)，南部山區(qū)和綠洲區(qū)模擬結(jié)果較好；雖然中北部荒漠區(qū)和東南部山區(qū)部分區(qū)域有偏差，但各土地利用類型在空間分布上整體一致。模擬精度驗證中，Kappa系數(shù)為0.810 7，總體精度達到0.882 0，表明PLUS模型能夠較好地反映昌吉地區(qū)土地利用變化的實際情況，進而也可以認為PLUS模型適用于昌吉州未來年份的土地利用模擬與優(yōu)化。

圖3 2020年昌吉回族自治州土地利用現(xiàn)狀圖與模擬圖Figure 3 Land use status map and simulation map of Changji Hui Autonomous Prefecture in 2020

2.3 2030年土地利用情景模擬結(jié)果

2.3.1 基于PLUS單模型的自然發(fā)展情景

本研究設(shè)定的自然發(fā)展情景假設(shè)2020—2030 年間土地利用變化不受政策干擾，這使得歷史土地利用變化的趨勢得以保持。利用Markov chain 的概率轉(zhuǎn)移矩陣計算2030 年各土地利用類型需求面積。為了防止昌吉州自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)被破壞，將新疆西天山和天池設(shè)置為限制轉(zhuǎn)化區(qū)域，通過設(shè)置隨機森林參數(shù)、模擬參數(shù)、各類用地需求并運行PLUS 模型，得到在自然發(fā)展情景下2030年昌吉州的土地利用模擬圖。

在自然發(fā)展情景下，2030 年昌吉地區(qū)的土地利用分布格局延續(xù)了現(xiàn)有變化趨勢（圖4，表4）。草地和林地面積持續(xù)減少，草地累計凈減少189 181.98 hm2，約占草地總面積的8.57%，林地土地利用動態(tài)度為-0.384 8%，林草地變化面積主要集中在南部山區(qū)（圖4A2）。其他3種地類面積均出現(xiàn)增加現(xiàn)象，其中未利用地面積增加最多，較2020 年增加了113 136.75 hm2，主要由草地轉(zhuǎn)入為主，部分沙丘出現(xiàn)活化現(xiàn)象。近年來，水域面積雖呈增加趨勢，但其土地利用動態(tài)度變化卻不明顯，約為0.142 2%。昌吉州經(jīng)濟的快速發(fā)展使得建設(shè)用地變化最為劇烈（圖4B2），其土地利用動態(tài)度為3.461 7%，增加面積主要來源于草地、未利用地，說明在該情景下，部分未利用地被開發(fā)為建設(shè)用地，確保了昌吉州土地經(jīng)濟效益從2020 年的1 369.34 億元增長到2030 年的2 621.26 億元，增幅高達91.43%。同時大量占用草地、破壞草地生態(tài)的人類活動，使昌吉地區(qū)土地生態(tài)價值出現(xiàn)了負增長，生態(tài)效益值相比2020 年減少1.40%（表5），土地荒漠化進一步發(fā)展，土地生態(tài)安全并不樂觀。

表4 昌吉州2020—2030年不同情景下土地利用面積及土地利用動態(tài)度Table 4 Land use area and land use dynamics degree under different scenarios in Changji from 2020 to 2030

表5 昌吉州2020—2030年不同情景下土地經(jīng)濟、生態(tài)效益值與變化率Table 5 Benefit value and change rate of land economic and ecological benefits under different scenario in Changji from 2020 to 2030

圖4 2020年和2030年不同情景下土地利用類型分布的局部細節(jié)圖Figure 4 Map of local details of land use type distribution under different scenarios for 2020 and 2030

2.3.2 基于GMOP-PLUS耦合模型

在經(jīng)濟與生態(tài)兼顧情景下，2030 年草地面積依舊呈減少趨勢，但速率有所減緩，減少速率為3.11%。未利用地面積較2020 年減少了41 372.62 hm2，主要轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地。耕地面積增加了43 917.99 hm2，主要以草地和未利用地轉(zhuǎn)入為主，其中耕地以散點式分布狀態(tài)占用未利用地（圖4C3），決策者可根據(jù)土地實際情況，在散點式分布范圍內(nèi)集中連片開發(fā)未利用地為耕地。建設(shè)用地雖延續(xù)歷史趨勢呈現(xiàn)擴張趨勢，但其擴張程度得到控制（圖4B3），土地利用動態(tài)度從2010—2020 年的5.726 4%降到2.707 7%，并以昌吉市、阜康市為中心，眾多小城鎮(zhèn)為基點進行分布。水域面積的增加幅度僅次于建設(shè)用地，其土地利用動態(tài)度為2.170 7%。林地面積增加了24 693.36 hm2，在南部山區(qū)增加效果明顯（圖4A3）。優(yōu)化后的土地經(jīng)濟效益達2 490.77 億元，相比優(yōu)化前增加了81.90%；土地生態(tài)價值達985.49 億元，較優(yōu)化前增加了5.61%，實現(xiàn)了土地經(jīng)濟效益和生態(tài)價值的雙提升。

2.3.3 PLUS與GMOP-PLUS模擬結(jié)果對比

對比分析自然發(fā)展情景下模擬結(jié)果與多目標優(yōu)化情景下模擬結(jié)果可知：從土地利用轉(zhuǎn)化來看，相比于PLUS 單模型模擬結(jié)果，多目標優(yōu)化情景下林草地面積表現(xiàn)為增加趨勢且主要集中在南部山區(qū)（圖4A2、圖4A3），草地和林地面積分別增加了120 570.29、30 870.42 hm2。其中林地面積增加的主要原因是當(dāng)?shù)匾?guī)定嚴禁林地向其他地類轉(zhuǎn)出，這很大程度上促進了土地生態(tài)價值的增加。建設(shè)用地面積減少了8 170.83 hm2，有效減緩了對草地的占用。在多目標情景下，未利用地面積減少了154 509.37 hm2，說明其較大程度地被開發(fā)利用，提高了土地利用率，有效防止了農(nóng)用地荒漠化。

從土地效益來看，自然發(fā)展情景下土地經(jīng)濟效益發(fā)展飛速，增速高達91.43%，這得益于建設(shè)用地的迅速擴張，但與此同時，生態(tài)價值卻出現(xiàn)了負增長（-1.40%），說明在自然發(fā)展情景下昌吉州追求土地經(jīng)濟發(fā)展的同時破壞了生態(tài)環(huán)境；而在調(diào)整優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)情景下，通過對未利用地的開發(fā)利用、對建設(shè)用地的管控以及林地和草地的穩(wěn)步增加，昌吉州土地荒漠化控制在一定范圍內(nèi)，土地生態(tài)環(huán)境明顯改善，既保證了土地經(jīng)濟效益的增加，又提升了生態(tài)價值。

3 討論

根據(jù)自治區(qū)實施“一棱二軸多組群”和圍繞烏魯木齊打造五大經(jīng)濟圈的總體部署，昌吉州憑借其優(yōu)越的地理區(qū)位和資源優(yōu)勢，具有很大的城市化快速發(fā)展?jié)摿?。這給原本脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來了更大挑戰(zhàn)，而預(yù)測該區(qū)域在未來不同發(fā)展情景下土地利用變化及其對生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響將有助于應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

與自然發(fā)展情景相比，2020—2030 年期間，多目標優(yōu)化情景下未利用地將被大量開發(fā)，生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為城市用地的面積減少。更重要的是，優(yōu)化后的用地方案更具可持續(xù)性和彈性，因為其不僅考慮了研究區(qū)未來10 年“養(yǎng)活”和“容納”不斷增長的人口所需的土地，而且林地、草地和水域面積也滿足相關(guān)森林和水資源保護規(guī)劃的要求。新疆西天山和天池風(fēng)景名勝區(qū)為保護區(qū)，在多目標發(fā)展情景下其用途不會改變。優(yōu)化方案結(jié)果表明，更多的未利用地被開發(fā)為城市用地，使經(jīng)濟效益得到提高。而防止草地退化和保護水資源、林地資源等措施將有助于建設(shè)一個更加生態(tài)友好的城市。但本研究也存在一定不足，如在設(shè)置PLUS模擬參數(shù)時，需要結(jié)合專家知識和區(qū)域?qū)嶋H情況，通過連續(xù)測試最終確定參數(shù)值，這具有一定主觀性。

4 結(jié)論

本研究以昌吉州為研究區(qū)，綜合分析影響土地利用變化的自然和社會經(jīng)濟因素，構(gòu)建Markov chain 和GMOP 模型，對昌吉州2030 年自然發(fā)展情景和多目標優(yōu)化情景下的土地利用空間格局進行模擬，并對比分析這兩種情景下土地利用的空間分布及其經(jīng)濟、生態(tài)效益。

（1）2010—2020 年期間，北部牧區(qū)草場大范圍荒漠化，其中草地退化為未利用地面積1.63×105hm2，占草地總面積的6.69%；中部平原區(qū)人工綠洲和建設(shè)用地擴張過快；南部山區(qū)林草地面積減少，森林系統(tǒng)功能有減弱趨勢。

（2）基于PLUS 模型模擬的2020 年土地利用模擬圖與土地利用現(xiàn)狀圖整體空間分布大致相同，模擬精度為0.882 0，說明PLUS 模型在昌吉州等干旱地區(qū)的適用性較好。

（3）通過PLUS、GMOP-PLUS 模型分別構(gòu)建2030年昌吉州自然發(fā)展目標和“生態(tài)-經(jīng)濟”目標下的土地利用需求。不同目標需求的土地利用格局模擬結(jié)果存在較大差異：

①自然發(fā)展目標下，其他土地利用類型均不同程度地占用草地，其中未利用地占用面積最大，使草地和林地依舊延續(xù)歷史趨勢表現(xiàn)為土地荒漠化，威脅了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境安全，但建設(shè)用地的擴張使土地經(jīng)濟效益大大提升；

②“生態(tài)-經(jīng)濟”目標較全面地考慮了糧食安全、生態(tài)保護、經(jīng)濟發(fā)展等問題，使建設(shè)用地擴張趨勢得到控制，緩解了對草地的占用，并以城市為中心、以城鎮(zhèn)為基點進行分布；

③耕地在平原區(qū)與沙漠過渡帶呈散點式分布，決策者可根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥狼闆r開發(fā)種植旱田作物；

④未利用地被較大程度開發(fā)利用成建設(shè)用地和耕地，從而實現(xiàn)土地經(jīng)濟效益（81.90%）和生態(tài)價值（5.61%）雙提升。