耦合GMOP與PLUS模型的干旱區(qū)土地利用格局模擬

馬瑞，范燕敏*，武紅旗，朱磊，馬軒，范昕，張皓宇

（1.新疆農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，烏魯木齊 830046；2.中南財經政法大學法學院，武漢 430073；3.中國地質大學公共管理學院，武漢 430074；4.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，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，從而實現人與自然和諧發(fā)展，保障土地可持續(xù)發(fā)展[6-7]。

國內外諸多研究將國土空間優(yōu)化配置作為熱點，有研究學者采用線性規(guī)劃、綜合平衡法、遺傳算法等對土地利用需求數量進行優(yōu)化[8-9]。但簡單的定量分析技術無法對土地利用進行全面系統分析和動態(tài)定量研究[10]，因此有學者將模型構建法與智能算法結合，開辟了土地利用需求數量和空間分布格局優(yōu)化的新途徑[11-12]。模型構建法是通過對土地利用變化影響因素的相關性分析、回歸分析等，獲得各用地類型在空間上的分布概率，繼而實現土地利用空間優(yōu)化配置，其實質主要是對未來土地利用模擬[13]。目前，基于模型構建的優(yōu)化配置方法主要有多智能體系統（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分割成多個彼此間相互交流、協調的子系統，從而將復雜的問題簡單化，但是MAS 的驅動因素層較多，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)均離散且這三者關系為局部的網格動力學模型，在模擬系統的空間格局變化方面具有強大能力，但CA模型緊密的結構與固定的轉換規(guī)則使其無法準確解釋土地利用與驅動因素之間的相互關系，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，并在傳統的CA模型基礎上進行了較大改進，結合了轉化分析策略（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”）作為建設陸上絲綢之路經濟帶的重要節(jié)點城市之一，經濟發(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，主要表現為：南部山區(qū)森林系統和部分荒漠地區(qū)生態(tài)系統功能惡化；草原和濕地面積減少；過度開采地下水資源，導致水位降低；沙漠邊緣的生態(tài)系統不穩(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，探討如何科學合理規(guī)劃土地利用，實現經濟社會與資源環(huán)境協調發(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，構建2030年昌吉州土地利用分布格局。為了使模擬結果分布合理并達到研究區(qū)經濟發(fā)展、環(huán)境保護、資源有效利用的長期平衡[23]，本研究結合社會經濟統計數據，利用PLUS-GMOP 耦合模型，實現昌吉州土地利用在數量和空間上的優(yōu)化配置情景模擬，指導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)實現區(qū)域社會經濟和生態(tài)環(huán)境協調發(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，全州總人口139.94 萬人，區(qū)域生產總值1 387.25 億元，其中農林牧漁業(yè)生產總值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 數據來源及處理

研究數據集主要包括：①昌吉州2000、2010、2020 年土地利用數據：依據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)域作為土地利用轉換禁區(qū)進行二值化處理；③氣候和環(huán)境數據：驅動土地利用變化的自然因素主要有地形、氣候、地下水，其中河流水系數據進行歐氏距離分析處理，坡度數據利用DEM 提取得到；④社會經濟數據：分為驅動土地利用變化的柵格數據和計算多目標土地利用數量結構的統計數據，柵格數據主要包括人口空間分布、國內生產總值（GDP）、夜間燈光數據等，統計數據主要涉及鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)人口、GDP、糧食播種面積和產量等。數據來源見表1。

表1 數據類型及來源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據和社會經濟、自然數據，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，通過一段時期內土地利用類型之間的轉移概率來預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)的轉移概率按矩陣排列，可得到下列轉移矩陣：

式中：n為土地利用類型數量；Pij為i類土地利用類型轉化為j類的概率，由概率分布的性質可得0≤Pi，j≤1，且每行元素之和等于1。Markov chain 完全決定轉移矩陣，轉移矩陣也完全決定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和約束條件定義在某一確定范圍的滿意區(qū)域內[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)展的思想角度來構建目標函數。目標體系包括經濟發(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)價值和經濟效益兩個方面建立目標函數。

最大生態(tài)價值目標函數為：

式中：Z1為昌吉州內生態(tài)系統服務功能價值總量，萬元；gi表示某一土地利用類型的生態(tài)系統服務價值系數，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]構建的“中國陸地生態(tài)系統單位面積生態(tài)服務價值系數表”對相關統計年鑒數據進行分析，得到2010—2020年單位面積糧食經濟產值，并通過灰色模型預測，得到適用于昌吉州目標年份且與土地利用類型相對應的生態(tài)系統服務價值系數（表2）。將生態(tài)系統服務價值系數代入式（3）得到昌吉州生態(tài)價值目標函數：

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Table 2 Ecological value coefficient table of different land use types per unit area in Changji in 2030

最大經濟效益目標函數為：

式中：Z2為研究區(qū)內經濟效益總值，萬元；Ci為經濟效益系數，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出的生產總值來表示其經濟效益系數Ci[35]。結合《昌吉回族自治州統計年鑒》，將農林牧漁業(yè)生產總值中農業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)產值作為耕地、林地、草地、水域的產出效益，而建設用地的經濟效益則以第二、三產業(yè)的GDP 來表示，計算得出2010—2020年內各地類經濟效益系數，并利用灰色模型進行預測，得到2030 年耕地、林地、草地、水域、建設用地的經濟效益系數分別為1.34 萬、0.18萬、0.29 萬、0.48 萬、165.32 萬元·hm-2。借鑒相關研究[36]，本研究將未利用地的經濟效益設為0.000 1 萬元·hm-2，將經濟效益系數代入式（4）最終可得昌吉州經濟效益目標函數：

1.3.3.2 約束條件設置

約束條件參數的選取準確與否，決定了模擬結果是否可行，也決定了接近離散時動態(tài)系統的靜態(tài)模型能否真實地反映系統自身規(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：農用地和城鎮(zhèn)用地承載的人口總數應控制在預測年份（2030年）人口總量之內。

式中：D1、D2分別為昌吉州目標年份農用地及城鎮(zhèn)用地的平均人口密度，人·hm-2；系數0.71為2010—2020年城鎮(zhèn)面積占建設用地總面積比例的平均值；P為昌吉州2030年總人口預測值。根據2010—2020年人口及土地利用結構數據并利用灰色預測模型得到：0.25(x1+x2+x3)+7.51×0.71x5≤1 586 593

（3）糧食安全約束：

式中：?()a31為灰色糧食單產系數，kg·hm-2，其上限為目標年份糧食單產，下限為現狀糧食單產；f0為目標年份規(guī)劃的復種指數；fr為糧食系數；s0為人均標準用糧（根據國家規(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為目標年份預測總人口數。通過對昌吉州國民經濟統計資料的分析，得到：?（a31）∈（5 750.19，7 880.50），f0=0.55，fr=0.48，s0=450，p0=1 586 593。

（4）農用地面積約束：農業(yè)用地變化應保持動態(tài)平衡，所以農業(yè)用地面積總和應大于或等于現狀值，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《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，本研究假設多目標情景下草地面積應低于現狀草地面積、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 預測的2030 年建設用地面積的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：為追求經濟效益，昌吉州等干旱區(qū)耕地面積長期呈現持續(xù)擴張狀態(tài)，導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，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)建設為主的林地保護戰(zhàn)略，建設“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高于現狀，另外，將Markov chain 預測得到的林地面積的120%設為目標年份的上限，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，在堅決保護現有濕地、努力擴大濕地面積基礎上，全面完成州內19 條規(guī)模以上河湖水域岸線保護利用規(guī)劃。因此，將2011 年水域面積設置為優(yōu)化方案下目標年份水域面積的下限，將Markov chain預測的自然發(fā)展情景下水域面積的120%設為上限，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)系統出現了較為嚴重的破壞現象，另外大風也導致昌吉州土地沙漠化不斷蔓延?！笆濉币詠聿萁y籌推進山水林田湖草沙冰一體化保護和系統治理，全力推進防沙治沙工程。因此本研究假設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：假設昌吉州實現土地經濟效益、生態(tài)價值同時增長，即：

式中：13 693 350.34 為2020 年現狀土地經濟效益，9 331 105.86為2020年現狀土地生態(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量。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化特征

在過去10 年間，隨著昌吉州社會經濟的快速發(fā)展，土地利用方式發(fā)生了很大改變。根據2010—2020 年昌吉地區(qū)土地利用轉移矩陣（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變，其中草地轉出數量最多，草地向其他地類轉入面積從高到低依次為未利用地、耕地、建設用地、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%。；耕地和建設用地大幅度增加，但主要都是以草地轉入為主，同時耕地和未利用地均不同程度地向建設用地轉變；各類型土地凈轉變量中，水域和林地的變化最不明顯，但轉出、轉入均以草地為主。近10年昌吉州土地結構轉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沙侵蝕，生產力喪失。

表3 2010—2020年土地利用類型轉移矩陣（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據為基礎，輸入自然和社會經濟等驅動因素，得到研究區(qū)2020 年土地利用模擬圖，將其與土地利用現狀圖（圖3）對比發(fā)現，南部山區(qū)和綠洲區(qū)模擬結果較好；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果

2.3.1 基于PLUS單模型的自然發(fā)展情景

本研究設定的自然發(fā)展情景假設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)系統被破壞，將新疆西天山和天池設置為限制轉化區(qū)域，通過設置隨機森林參數、模擬參數、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種地類面積均出現增加現象，其中未利用地面積增加最多，較2020 年增加了113 136.75 hm2，主要由草地轉入為主，部分沙丘出現活化現象。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%。昌吉州經濟的快速發(fā)展使得建設用地變化最為劇烈（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)為建設用地，確保了昌吉州土地經濟效益從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，主要轉化為耕地和建設用地。耕地面積增加了43 917.99 hm2，主要以草地和未利用地轉入為主，其中耕地以散點式分布狀態(tài)占用未利用地（圖4C3），決策者可根據土地實際情況，在散點式分布范圍內集中連片開發(fā)未利用地為耕地。建設用地雖延續(xù)歷史趨勢呈現擴張趨勢，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%，實現了土地經濟效益和生態(tài)價值的雙提升。

2.3.3 PLUS與GMOP-PLUS模擬結果對比

對比分析自然發(fā)展情景下模擬結果與多目標優(yōu)化情景下模擬結果可知：從土地利用轉化來看，相比于PLUS 單模型模擬結果，多目標優(yōu)化情景下林草地面積表現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地規(guī)定嚴禁林地向其他地類轉出，這很大程度上促進了土地生態(tài)價值的增加。建設用地面積減少了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，有效防止了農用地荒漠化。

從土地效益來看，自然發(fā)展情景下土地經濟效益發(fā)展飛速，增速高達91.43%，這得益于建設用地的迅速擴張，但與此同時，生態(tài)價值卻出現了負增長（-1.40%），說明在自然發(fā)展情景下昌吉州追求土地經濟發(fā)展的同時破壞了生態(tài)環(huán)境；而在調整優(yōu)化土地利用結構情景下，通過對未利用地的開發(fā)利用、對建設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，土地生態(tài)環(huán)境明顯改善，既保證了土地經濟效益的增加，又提升了生態(tài)價值。

3 討論

根據自治區(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)系統可能產生的影響將有助于應對這一挑戰(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森林和水資源保護規(guī)劃的要求。新疆西天山和天池風景名勝區(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)化方案結果表明，更多的未利用地被開發(fā)為城市用地，使經濟效益得到提高。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，如在設置PLUS模擬參數時，需要結合專家知識和區(qū)域實際情況，通過連續(xù)測試最終確定參數值，這具有一定主觀性。

4 結論

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濟因素，構建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)人工綠洲和建設用地擴張過快；南部山區(qū)林草地面積減少，森林系統功能有減弱趨勢。

（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 模型分別構建2030年昌吉州自然發(fā)展目標和“生態(tài)-經濟”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)歷史趨勢表現為土地荒漠化，威脅了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境安全，但建設用地的擴張使土地經濟效益大大提升；

②“生態(tài)-經濟”目標較全面地考慮了糧食安全、生態(tài)保護、經濟發(fā)展等問題，使建設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，決策者可根據當地土壤情況開發(fā)種植旱田作物；

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