第1章 引言

 

1.1 農業土地系統相關概念

1.1.1 農業

農業是指人類有目的進行農作物栽培及牲畜飼養，為人類自身發展提供食物、能源、原材料等服務功能的一系列活動（《中國大百科全書》編委會，2009）。農業活動對人類的生存及發展至關重要，一方面，據聯合國糧食與農業組織（FAO，Food andAgriculture Organization ofthe United Nations）的統計，農業用地（耕地與牧草地的總和）占據了約 38%的地球陸地表面，是全球面積最大的土地利用類型（Ramankuttyetal.，2008）；另一方面，全球作物產量的 62%直接供人類進行食物消費，35%作為牲畜飼料間接為人類提供食物（合計約占 97%），農業產出直接關乎糧食安全（Foley et al.，2011）。?

1.1.2 糧食安全

民以食為天！糧食是人類生存與發展的基本需求。FAO 將糧食安全（Food security）定義為：“保證任何人在任何時候都能得到為了生存和健康所需要的足夠食物”。綜合來看，糧食安全一般應包括五個層次：生產安全、流通安全、消費安全、消費結構和生態安全（余強毅，2010）。生產安全位于系統根基部分，其核心內容是糧食產量的穩定供給，糧食供給直接影響糧食流通與消費結構；生態安全是指糧食生產過程需綜合考慮區域資源要素與環境承載能力，優化農業生產結構與布局，在實現資源高效利用的同時又不對環境造成太大影響。因此，在不考慮糧食投機（Wahl，2009）等因素的情況下，確保糧食安全即是如何發展可持續農業的問題。

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1.2 農業土地系統當前研究

自 20 世紀 90 年代以來，國際地圈生物圈計劃（IGBP，The InternationalGeosphere-BiosphereProgramme）與國際全球環境變化人類行為計劃（IHDP，The International Human DimensionsProgramme）共同執行土地利用/覆蓋變化研究（LUCC，Land-Use and Land-Cover Change）與后續全球土地計劃（GLP，GlobalLandProject），極大促進了“土地（系統）科學”的誕生與發展（Gutman et al.，2004；Rindfuss et al.，2004；Global Land Project，2005；Aspinall，2006；Turner II et al.，2007；Reenberg，2009；Rounsevell et al.，2012）。作為土地科學的重要組成部分，農業土地系統研究的核心目的在于理解和解釋農業生產過程中的“人類—自然”綜合復雜關系，進而為可持續農業發展提供科學服務（Bezlepkina et al.，2011）。主要研究內容包括時空格局探測（Patten）、變化過程模擬（Process）、以及綜合效應分析（Consequence）等方面。?

?農業土地利用時空格局是地理學最為關注問題之一（Hahvey，1966），其反應了人類在空間范圍內利用農業生產資源的狀況，能夠對區域糧食供給、生態環境條件等產生深遠影響（GlobalLandProject，2005）。基于遙感數據的耕地分布探測是農業土地系統時空格局研究的核心部分，遙感技術誕生之初以簡單解釋遙感信息與地表現象間的定性關系為主（宮鵬，2009），根據這種關系，可以在特定時刻較為準確的獲取地球表面耕地的位置、形狀及面積。一些研究關注熱點地區的耕地分布變化情況（多為小尺度，如干旱地區、熱帶雨林地區、快速城市化地區），利用多期中高分辨率遙感數據（如 Landset TM/ETM+）解譯結果，實現多年間耕地面積變化動態監測（Hansen and Loveland，2012）（見表 1-1）。在此基礎上，另一些研究綜合運用多種數學方法，進一步繪制某一具體時刻，具有一定參考價值的土地利用數據集（一般為大區域或全球尺度），為后續全球環境變化、地標參數反演等研究服務。

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第2章 Agent 農業土地變化模型研究進展

 

?2.1 模型研究：基于微觀個體行為的建模

認識復雜系統的方法包括實驗觀測、理論解釋、以及模型模擬（Goldenfeld and Kadanoff，1999）等。多主體系統（MAS，Multi-agent Systems）用數學的概念、方法和理論，將真實世界的復雜系統抽象化表達，并深入分析，從定性或定量的角度來刻畫實際問題（圖 2-1）。人們可根據不同的理論基礎和研究需要來設計 MAS（Jennings，2000；Wooldridgeetal.，2000），其中，MAS 將 Agent 用以表達復雜系統中能動的微觀主體，此外將 Agent 所處的外部環境，包括系統規則，以及物質、信息、能量傳入等設計在內（Ferber，1999），以增強模型的真實性（McElroy，2000）。值得注意的是，MAS 的設計一般較為復雜，而人們相對更為關注 MAS 中 Agent 的行為特征，因此 MAS 可簡化為基于 Agent的模擬，即 ABM。由于 ABM是通過模擬微觀主體的行為過程來表達系統宏觀層面的作用結果，因此又被稱之為“自底而上”（Bottom-up）的建模方法（余強毅等，2011）。

?ABM 已經在不同學科得到廣泛應用。例如，生態學研究生物個體（Individual）與環境之間的相互關系，隨之 IBM（Individual-based Modeling）便用以代替 ABM 而出現在生物學模擬中（Grimm and Railsback，2005）；地理學關注的是地表二維空間內要素的時空分布及其組合?特征，為此，地表空間內位置固定的等面積網格（Cellular）被定義為復雜系統中的微觀主體，這類特殊的 ABMs 被稱之為元胞自動機，即 CA，是地理系統空間自組織研究中的重要模型工具（Couclelis，1985）（見圖 2-1）。同時，ABM 在研究人類行為復雜性方面已取得重要進展，為深入研究人類社會動態過程提供新的方法變革（Berry et al.，2002）。

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2.2驅動機制：人類行為對環境的動態響應

影響與適應是當前全球變化研究的兩大核心內容（Smit and Wandel，2006）。對于農業系統而言，土地利用與覆蓋變化既可被當成是全球變化的主要組成部分之一，其與氣候變化、社會經濟等因素共同對農業結構、布局產出等造成影響；但同時，由于人類活動或其他干預因素的存在，農業土地變化又可被視為人類適應全球變化的動態響應，而這恰恰被傳統研究思路所忽視（Yuetal.，2012）。例如，近年來我國東北地區水稻種植面積的擴張并不單純由氣候變暖引起，其中農戶適應行為的貢獻可能更大（王媛等，2006）。農戶適應行為具體指農戶在應對自然（或社會經濟）環境變化時做出的經營策略調整，以最大限度的滿足自身需求。農戶適應行為可被視為驅動因子與土地變化結果間的關鍵內生反饋，原因在于農戶往往會以最近的土地系統狀態作為其下一步適應決策的基礎，這就顯著的改變了初始驅動因子的作用效果，使得驅動因子與變化結果之間形成了動態的閉合環路。簡而言之，t0時刻的土地系統狀態可能是 t1時刻土地變化的驅動因子，通過影響農戶決策行為再次作用于農業土地變化過程（圖 2-5）。

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第三章 研究區域與數據準備...................23

3.1 研究區域選取........................... 23

3.1.1 東北地區............................ 23

第四章 農業土地系統時空特征及驅動機制.................................... 28

4.1 研究方法與數據處理................... 28?

4.1.1 時空特征分析...................... 28

?第五章 農業土地系統變化模擬模型（CroPaDy）設計...................39

5.1 基于 ODD 的模型框架描述.......................... 39

5.2 模型概念化設計......................... 40

 

第6章 CroPaDy 模型模擬與結果分析

 

6.1 Agent 生成模塊模擬與檢驗

6.1.1 技術流程

Agent 生成模塊主要由兩步串聯的步驟構成：第一，利用蒙特卡洛發隨機生成所有 Agent各個因素（變量）的具體值（具體方法見 5.3.1部分），數據生成的關鍵統計量（如均值、方差等）根據村層面的調查樣本參數進行設定。第二，對生成的變量值做多尺度統計檢驗。統計檢驗具體包括單變量參數檢驗與多變量相關性檢驗兩方面內容，參考 Berger and Schreinemachers（2006）的檢驗準則，單變量參數檢驗將在總體層次（即整個研究區域）與聚類層次（即鄉鎮層）開展，而多變量相關性檢驗將在 Agent 個體層次開展。隨機數的生成需要通過所有檢驗，否則 Agent 生成模塊將重新運轉，直至生成的所有變量值符合標準為止（圖 6-1）。

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第7章 主要結論

 

7.1 創新點及結論

本研究針對當前農業土地變化研究的不足，在兩大方面進行了創新性的改進。首先，關注農業土地系統中，土地權屬、農作物格局、以及農業集約化的時空特征與動態變化機理機制，將傳統的基于土地利用與土地覆蓋的農業土地變化研究推向了景觀功能層面。第二，本研究從人類決策行為的角度出發，分析個體農戶的主觀態度對其決策行為的影響，并基于農戶開發設計一個具有自主知識產權的農業土地系統變化模型（CroPaDy），CroPaDy模型綜合運用自然科學與社會科學的研究方法，能夠成功模擬區域尺度土地權屬以及作物格局的動態變化過程與結果。主要研究結論如下：

(1) 利用文獻綜述方法梳理農業 ABM/LUCC 的研究進展，為模型構建提供依據。結果表明，農業 ABM/LUCC 將微觀層面的人類個體行為整合進傳統的基于自然科學方法的土地變化研究框架，有助于搭建自然科學和社會科學的交叉融合平臺，從而更加清楚的認識農業土地系統“人類—自然”綜合復雜性的生成和演化機制。不同模型之間雖有差別，但科學表達農戶決策及其驅動機制始終是構建農業 ABM/LUCC 的核心內容。

(2) 利用農戶調查獲取的土地利用決策信息分析農業土地系統的時空特征，以補充傳統統計數據的不足。結果表明，研究區土地流轉情況普遍發生，戶均土地面積由 1980 年代初期的1.3 公頃增加至 2010 年代初期的 2.6 公頃，且未來土地流轉將持續增加；作物選擇表現出多樣性減少（小麥、高粱、谷子等不再被種植），以及主導性增加的趨勢（玉米面積持續擴大）；灌溉條件格局與河流的分布極為相關，而農資投入（包括種子、農藥、化肥）、土地流轉、以及作物選擇的空間的格局與道路通達性相關。

參考文獻（略）