基于PLUS模型与最优景观尺度的土地利用冲突多情景模拟与预测——来自中国西北乌鲁木齐—昌吉—石河子城市群的证据

《Land》：Multi-Scenario Simulation and Prediction of Land Use Conflicts Based on the PLUS Model and Optimal Landscape Scale: Evidence from the Urumqi–Changji–Shihezi Urban Agglomeration, Northwest China

　　

摘要：考察土地利用冲突的时空演变及其在不同发展路径下的未来空间格局，对于评估区域土地利用状况、优化空间布局设计以及推进可持续发展具有至关重要的意义。本研究聚焦于中国西北干旱区的乌鲁木齐—昌吉—石河子城市群（UCSUA），利用1990年至2020年间四个时期的土地利用数据。为在栅格尺度上探究土地利用空间冲突潜力的时空演变，研究人员采用了一套从景观格局角度构建的评估框架。为查明不同发展轨迹下土地利用冲突的空间分布，斑块生成土地利用模拟（PLUS）模型对多情景下2030年的土地利用格局进行了模拟。在整个研究时段内，草地和未利用地是主要土地利用类型，合计占研究区域总面积的70%以上。草地、耕地和建设用地发生了显著的土地利用变化。草地面积从27,093.48 km²减少至24,457 km²，而耕地和建设用地分别从10,336.92 km²和1110.11 km²扩展至12,922.39 km²和1900.35 km²。此外，基于PLUS模型的多情景模拟揭示，草地和未利用地总体呈下降趋势，除生态保护情景外，耕地面积在所有情景下均有所扩展，而水域和建设用地在所有情景下均有所增加。进一步地，从1990年到2020年，土地利用空间冲突潜力的平均指数呈现出阶段性波动：1990—2000年期间从0.296下降至0.264，2000—2010年期间保持稳定，2010—2020年期间在快速城市化、农业扩张和土地利用竞争加剧的驱动下回升至0.271。最后，多情景模拟显示所有情景下的可控单元均超过70%。生态保护情景将潜在冲突强度降至最低，且具有最高的稳定可控比例（65.27%），而自然发展和经济优先情景则表现出较高的冲突水平，表明生态保护能够有效降低区域潜在土地利用空间冲突强度并促进协调发展。

基于PLUS模型与最优景观尺度的土地利用冲突多情景模拟与预测研究解读

1. 研究背景与问题提出

土地利用冲突（Land Use Conflict, LUC）作为可持续发展议程中的关键议题，本质上反映了区域尺度上人地关系互动中的失衡状态。近年来，中国经历了快速城市化、持续的人口增长和不断的气候变化，加剧了各类土地利用需求之间的竞争，使得土地利用冲突成为制约区域可持续发展的主要障碍。乌鲁木齐—昌吉—石河子城市群（Urumqi–Changji–Shihezi Urban Agglomeration, UCSUA）位于中国西北干旱区，是典型的绿洲城市群，也是丝绸之路经济带核心区的重要节点，承担着新疆 urbanization 和经济发展的核心驱动功能。然而，该区域受生态脆弱性和水资源稀缺的制约，快速城市化与工业化进程中，无序的城市空间蔓延持续侵占绿洲农田和生态空间，加之干旱区固有的水资源短缺和脆弱的生态环境，导致土地利用冲突显著加剧，严重威胁区域社会经济—生态复合系统的稳定性。

现有关于土地利用冲突的研究多聚焦于中国东部沿海城市，针对中国西部的研究明显不足，这种不平衡阻碍了针对西北地区的定向战略发展规划的制定。此外，土地利用冲突指数的测度依赖景观格局指标，而景观格局指标具有显著的尺度效应，空间尺度的变化会显著影响指数估算精度，但这一关键因素在以往研究中未得到充分关注。同时，现有文献主要关注显性冲突，对隐性冲突的预警和模拟研究相对薄弱。

2. 研究内容与技术方法概述

研究人员以UCSUA为研究区域，利用1990—2020年四个时期的土地利用数据，首先确定最优景观尺度（包括最优粒度和最优幅度），在此基础上采用景观格局视角构建土地利用空间冲突潜力评估框架，在栅格尺度上定量测度土地利用冲突指数并分析其时空演变特征。随后，利用斑块生成土地利用模拟（Patch-generating Land Use Simulation, PLUS）模型（v1.4），在自然发展（Natural Development Scenario, NDS）、耕地保护（Cultivated Land Protection Scenario, CPS）、经济发展（Economic Development Scenario, EDS）和生态保护（Ecological Protection Scenario, EPS）四种情景下模拟2030年土地利用空间格局，并进一步分析各情景下土地利用冲突的空间分布格局。

在关键技术方法方面，本研究主要采用了以下方法：其一，景观格局指数分析与移动窗口法，通过面积守恒法评估不同粒度下土地利用面积信息损失，并利用变异系数（Coefficient of Variation, CV）评估不同分析幅度下景观格局指数的稳定性，从而确定最优景观尺度；其二，土地利用冲突评估模型（Land Use Conflict Index, LUCI），基于复杂性加脆弱性减去稳定性的框架构建；其三，空间自相关分析（包括全局莫兰指数Global Moran's I和局部莫兰指数Local Moran's I），用于识别土地利用冲突的空间集聚特征；其四，PLUS模型，包含土地利用扩张分析策略（LEAS）模块和基于多类型随机斑块种子的元胞自动机（CARS）模块，通过随机森林算法识别土地利用扩张的驱动机制，并结合马尔可夫链预测的土地利用需求生成未来土地利用格局。研究数据来源包括土地利用数据、自然地理变量（DEM、坡度、坡向、降水、气温）、社会经济变量（人口密度、GDP、NDVI、夜间灯光指数）和可达性变量（距水体、居民点、铁路、高速公路的距离）。研究人员还于2025年7月23日至28日在UCSUA开展了为期六天的野外调查，共收集32个野外验证点。

3. 研究结果

3.1 景观尺度优化结果

在不同粒度下，各景观格局指数随粒度增大呈现不同变化特征。蔓延度指数（CONTAG）和聚合度指数（AI）呈缓慢下降趋势；有效栅格大小（MESH）、分割度指数（DIVISION）、最大斑块指数（LPI）和分裂指数（SPLIT）在60–270 m范围内保持相对稳定；香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）和总面积（TA）在30–180 m范围内保持稳定。空间信息损失评估显示，在中间粒度水平信息损失相对有限，在120 m粒度时达到最平衡状态，超过120 m后信息损失显著增加。因此，选择120 m作为最优分析粒度。在分析幅度方面，2400 m幅度的总体CV最低（0.4146），3600 m幅度的总体CV为0.4191且斑块密度（PD）变异最小（0.5724）。综合考虑统计稳定性与景观异质性表征需求，选定3600 m × 3600 m网格作为最优空间分析单元，共生成5044个空间单元。

3.2 土地利用变化分析

1990—2020年间，UCSUA土地利用结构发生显著变化。草地、林地和未利用地呈持续减少趋势，而耕地和建设用地逐步扩展。草地始终为最大土地利用类型，但占比从43.28%下降至39.07%；耕地占比从16.51%增加至20.64%；建设用地持续扩张。桑基图分析显示，1990—2020年间共有4976.2 km²土地发生转换，占研究区总面积的7.94%。草地是土地转换的主要来源，转换面积3062.6 km²，主要转向耕地和建设用地。未利用地转换面积816.8 km²，主要与耕地扩展相关。耕地累计转换面积749.96 km²，主要向建设用地转换，凸显城市扩张对农业资源的压力。

3.3 土地利用冲突时空动态

1990—2020年，UCSUA平均土地利用冲突指数呈阶段性波动：1990—2000年从0.296降至0.264，2000—2010年保持稳定，2010—2020年回升至0.271。高冲突潜力区域主要聚集在沙湾、石河子、呼图壁、昌吉和乌鲁木齐等地，这些区域人类活动密集、城市化水平高。不可控单元（包括基本不可控和严重不可控类别）的比例从15.32%增加至22.29%，稳定可控区域从38.75%下降至35.68%。全局莫兰指数（Moran's I）从1990年的0.373上升至2020年的0.836，表明土地利用冲突存在显著的正空间自相关且空间集聚效应持续增强。局部空间自相关（LISA）分析显示，高—高集聚区主要集中于乌鲁木齐、昌吉、石河子等城市周边地区并呈向北和向南扩展趋势，低—低集聚区分布于研究区北部和东南部区域。

3.4 PLUS模型多情景模拟

PLUS模型验证结果显示Kappa系数为0.94，总体精度为95%，品质因子（Figure of Merit, FoM）为0.10，模型总体模拟性能良好。2030年多情景模拟显示：草地、林地和未利用地在所有情景下较2020年基准均有所减少，其中草地变化最为显著，在NDS、CPS、EDS情景下分别减少1066.71 km²、1065.11 km²和1090.71 km²，而在EPS情景下增加46.66 km²。耕地面积在生态保护情景下减少354.76 km²，而在其余三种情景下显著扩展，在CPS情景下达峰值13,746.36 km²。水域和建设用地在所有情景下均呈稳定扩展趋势，其中EDS情景下建设用地扩张最为剧烈（增加473.62 km²），EPS情景下建设用地扩张得到有效抑制（增加332.34 km²）。

3.5 多情景土地利用冲突格局演变

2030年多情景模拟下，四种情景的可控冲突单元占比均超过一半。NDS情景下基本不可控单元占比最高（26.6%）；CPS情景下基本可控单元占比最大（40.01%），严重不可控单元仅占1.61%；EDS情景下基本不可控和严重不可控单元占比分别为26.36%和1.72%；EPS情景下稳定可控空间单元占比最大（65.27%），基本不可控与严重不可控单元合计仅占12.22%，为所有情景中不可控区域覆盖率最低。结果表明，EPS情景对应的总体土地利用冲突水平最低，能够有效降低区域潜在空间冲突强度并促进区域协调可持续发展。

4. 讨论与结论

本研究所确定的最优景观尺度（120 m粒度和3600 m幅度）不具有跨区域的普适性，不同研究区域的最优尺度因地形、景观格局、分析目标和数据分辨率的不同而存在显著差异。与东部沿海城市群土地利用冲突持续加剧的演变趋势相比，UCSUA的平均冲突指数从1990年的0.296下降至2020年的0.271，呈现出"总体稳定、局部恶化"的独特空间格局。研究识别出的土地利用冲突高—高集聚区应纳入未来国土空间规划的重点调控区域。

研究结论表明，优化景观分析尺度对于提高土地利用冲突评估的可靠性至关重要，不适宜的空间尺度可能夸大局部景观异质性或掩盖重要的空间交互作用。UCSUA潜在土地利用空间冲突主要与城市扩张、耕地保护和生态保护之间的竞争相关，持续存在的潜在冲突热区主要集中在乌鲁木齐、昌吉、石河子等快速发展区域的城市边缘地带，城市边缘区应被视为未来国土空间管控的重点区域。多情景模拟表明，不同发展路径可能导致显著不同的未来冲突格局，其中生态保护路径通过降低建设扩张与生态保护之间的预测潜在空间冲突强度，提供了一种相对均衡的发展策略。未来UCSUA的国土空间规划应强调对冲突易发区域的差异化管控，包括紧凑型城市发展、现有建设用地的高效利用、优质农业资源的保护以及敏感的绿洲—荒漠过渡带的生态修复。