第1章 引言

 

1.1 農業(yè)土地系統(tǒng)相關概念

1.1.1 農業(yè)

農業(yè)是指人類有目的進行農作物栽培及牲畜飼養(yǎng)，為人類自身發(fā)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(yè)活動對人類的生存及發(fā)展至關重要，一方面，據(jù)聯(lián)合國糧食與農業(yè)組織（FAO，F(xiàn)ood andAgriculture Organization ofthe United Nations）的統(tǒng)計，農業(yè)用地（耕地與牧草地的總和）占據(jù)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(yè)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(fā)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(tài)安全（余強毅，2010）。生產安全位于系統(tǒng)根基部分，其核心內容是糧食產量的穩(wěn)定供給，糧食供給直接影響糧食流通與消費結構；生態(tài)安全是指糧食生產過程需綜合考慮區(qū)域資源要素與環(huán)境承載能力，優(yōu)化農業(yè)生產結構與布局，在實現(xiàn)資源高效利用的同時又不對環(huán)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(fā)展可持續(xù)農業(yè)的問題。

.......................

 

1.2 農業(yè)土地系統(tǒng)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(huán)境變化人類行為計劃（IHDP，The International Human DimensionsProgramme）共同執(zhí)行土地利用/覆蓋變化研究（LUCC，Land-Use and Land-Cover Change）與后續(xù)全球土地計劃（GLP，GlobalLandProject），極大促進了“土地（系統(tǒng)）科學”的誕生與發(fā)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(yè)土地系統(tǒng)研究的核心目的在于理解和解釋農業(yè)生產過程中的“人類—自然”綜合復雜關系，進而為可持續(xù)農業(yè)發(fā)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(yè)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(yè)生產資源的狀況，能夠對區(qū)域糧食供給、生態(tài)環(huán)境條件等產生深遠影響（GlobalLandProject，2005）?；谶b感數(shù)據(jù)的耕地分布探測是農業(yè)土地系統(tǒng)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(xiàn)象間的定性關系為主（宮鵬，2009），根據(jù)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(qū)的耕地分布變化情況（多為小尺度，如干旱地區(qū)、熱帶雨林地區(qū)、快速城市化地區(qū)），利用多期中高分辨率遙感數(shù)據(jù)（如 Landset TM/ETM+）解譯結果，實現(xiàn)多年間耕地面積變化動態(tài)監(jiān)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(shù)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(shù)據(jù)集（一般為大區(qū)域或全球尺度），為后續(xù)全球環(huán)境變化、地標參數(shù)反演等研究服務。

.............................

 

第2章 Agent 農業(yè)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(tǒng)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(tǒng)（MAS，Multi-agent Systems）用數(shù)學的概念、方法和理論，將真實世界的復雜系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)中能動的微觀主體，此外將 Agent 所處的外部環(huán)境，包括系統(tǒng)規(guī)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(tǒng)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(tài)學研究生物個體（Individual）與環(huán)境之間的相互關系，隨之 IBM（Individual-based Modeling）便用以代替 ABM 而出現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)過程提供新的方法變革（Berry et al.，2002）。

...........................

 

2.2驅動機制：人類行為對環(huán)境的動態(tài)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(yè)系統(tǒng)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(yè)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(yè)土地變化又可被視為人類適應全球變化的動態(tài)響應，而這恰恰被傳統(tǒng)研究思路所忽視（Yuetal.，2012）。例如，近年來我國東北地區(qū)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(huán)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(tǒng)狀態(tài)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(tài)的閉合環(huán)路。簡而言之，t0時刻的土地系統(tǒng)狀態(tài)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(yè)土地變化過程（圖 2-5）。

...........................

 

第三章 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)準備...................23

3.1 研究區(qū)域選取........................... 23

3.1.1 東北地區(qū)............................ 23

第四章 農業(yè)土地系統(tǒng)時空特征及驅動機制.................................... 28

4.1 研究方法與數(shù)據(jù)處理................... 28?

4.1.1 時空特征分析...................... 28

?第五章 農業(yè)土地系統(tǒng)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(lián)的步驟構成：第一，利用蒙特卡洛發(fā)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(shù)據(jù)生成的關鍵統(tǒng)計量（如均值、方差等）根據(jù)村層面的調查樣本參數(shù)進行設定。第二，對生成的變量值做多尺度統(tǒng)計檢驗。統(tǒng)計檢驗具體包括單變量參數(shù)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(shù)檢驗將在總體層次（即整個研究區(qū)域）與聚類層次（即鄉(xiāng)鎮(zhèn)層）開展，而多變量相關性檢驗將在 Agent 個體層次開展。隨機數(shù)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）。

...............................

 

第7章 主要結論

 

7.1 創(chuàng)新點及結論

本研究針對當前農業(yè)土地變化研究的不足，在兩大方面進行了創(chuàng)新性的改進。首先，關注農業(yè)土地系統(tǒng)中，土地權屬、農作物格局、以及農業(yè)集約化的時空特征與動態(tài)變化機理機制，將傳統(tǒng)的基于土地利用與土地覆蓋的農業(yè)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(fā)，分析個體農戶的主觀態(tài)度對其決策行為的影響，并基于農戶開發(fā)設計一個具有自主知識產權的農業(yè)土地系統(tǒng)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(qū)域尺度土地權屬以及作物格局的動態(tài)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(yè) ABM/LUCC 的研究進展，為模型構建提供依據(jù)。結果表明，農業(yè) ABM/LUCC 將微觀層面的人類個體行為整合進傳統(tǒng)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(yè)土地系統(tǒng)“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(yè) 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(yè)土地系統(tǒng)的時空特征，以補充傳統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的不足。結果表明，研究區(qū)土地流轉情況普遍發(fā)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(xù)增加；作物選擇表現(xiàn)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(xù)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）