基于弹性生态安全约束的绿洲城市多情景模拟与土地利用优化研究

推荐：本研究针对干旱区绿洲城市生态安全与土地利用冲突问题，构建ESP-MOP-PLUS模型，耦合多级生态安全格局（OESP/MESP/WESP）与多目标优化，模拟乌鲁木齐2035年四种发展情景（BAU/RED/ELP/BUE）下的土地利用变化。结果显示：ELP/BUE情景通过弹性约束使草地面积增长1.82%-1.85%，荒漠化扩张减少6.98%，为生态脆弱区国土空间规划提供可迁移工具。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，干旱区绿洲城市面临着生态安全与城市扩张的双重压力。乌鲁木齐作为典型的西北绿洲城市，其生存依赖天山冰川融水，却因快速城镇化导致草地退化、荒漠化加剧，生态系统的脆弱性日益凸显。传统生态安全格局（Ecological Security Patterns, ESP）研究多采用静态刚性约束，难以应对动态的人地关系变化，而现有土地模拟模型如CLUE-S、CA-Markov等又缺乏对生态过程的精准刻画。这种矛盾在乌鲁木齐表现得尤为尖锐——这里既是区域经济发展的核心引擎，又是被荒漠包围的"生态孤岛"，亟需一套能平衡保护与发展的科学决策工具。

为破解这一难题，Xiaoqing Wang团队在《Environmental and Sustainability Indicators》发表研究，创新性提出ESP-MOP-PLUS模型框架。该研究通过整合生态系统服务评估与电路理论，首次构建了三级弹性ESP约束体系：最优生态保护策略（OESP）、适度保护策略（MESP）和最低保护策略（WESP），并将其动态耦合至未来土地利用模拟中。研究人员选取乌鲁木齐为案例区，基于2010-2020年土地利用数据，采用改进的CASA模型计算净初级生产力（NPP），结合形态学空间格局分析（MSPA）和景观连通性指数（dPC>0.15）识别生态源地，通过空间主成分分析（SPCA）构建阻力面，最终利用PLUS模型模拟2035年四种发展情景（常规发展BAU、经济优先RED、生态优先ELP、均衡发展BUE）下的土地变化。

关键技术方法包括：1）基于RUSLE模型和InVEST模型量化土壤保持、碳储存等四大生态系统服务；2）运用电路理论提取200-1200米宽度的生态廊道；3）通过随机森林算法驱动PLUS模型，设置不同转化概率矩阵（如RED情景下裸地转建设用地概率提升25%）；4）采用COHESION、SHDI等景观指数评估分区效果。数据来源于CLCD数据集（精度79.13%）及气象、DEM等13类驱动因子。

研究结果揭示：

1. 1.

   多情景土地利用差异：RED情景导致草地面积锐减5.62%，裸地扩张6.34%；而ELP/BUE情景通过OESP/MESP约束使草地增长1.8%以上，裸地减少0.6%。典型区域模拟显示，北部OCD区（绿洲集群发展区）在RED情景下城市无序蔓延，而南部DCR区（荒漠保护区）在ELP情景下荒漠化得到有效控制。

2. 2.

   景观格局响应：经济优先情景（RED）的景观分割指数（DIVISION）达0.83，显著高于生态优先情景，表明高强度开发加剧景观破碎化；TER区（天山生态保护区）在OESP约束下 cohesion指数提升，生态连通性增强。

3. 3.

   功能区分异保护：OCD区需抑制"摊大饼"式扩张，TER区需严格OESP保护冰川-草原系统，DCR区宜发展节水农业——这种差异化策略使ELP情景下荒漠化面积比RED减少6.98%。

讨论部分指出，该研究的创新在于将弹性ESP理念融入土地优化：传统刚性保护常因"一刀切"引发发展冲突，而三级ESP体系（OESP-1200米/MESP-800米/WESP-400米）为不同功能区提供"梯度化"解决方案。例如TER区采用OESP严格保护雪线-草原廊道，而OCD区通过MESP保留基本生态骨架，兼顾了30%的经济发展空间。成本效益分析显示，虽然ELP情景的生态补偿成本较高，但可避免RED情景下5.62%草地退化带来的长期修复费用。

这项研究为干旱区城市提供了可推广的"空间约束-情景耦合"范式，其科学价值体现在三方面：1）首次实现电路理论廊道宽度与PLUS模型的空间量化衔接；2）证实多级ESP约束能有效协调乌鲁木齐"三区"（OCD/TER/DCR）矛盾；3）提出的弹性保护阈值（400/800/1200米）对类似绿洲城市具有参考价值。未来研究需进一步整合光伏产业等新型用地需求，并加强土壤碳库的量化评估，以完善生态安全决策体系。