第1章 引言

 

1.1 農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)相關(guān)概念

1.1.1 農(nóng)業(yè)

農(nóng)業(yè)是指人類有目的進行農(nóng)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(wù)功能的一系列活動（《中國大百科全書》編委會，2009）。農(nóng)業(yè)活動對人類的生存及發(fā)展至關(guān)重要，一方面，據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO，F(xiàn)ood andAgriculture Organization ofthe United Nations）的統(tǒng)計，農(nóng)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(chǎn)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(nóng)業(yè)產(chǎn)出直接關(guān)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(yīng)包括五個層次：生產(chǎn)安全、流通安全、消費安全、消費結(jié)構(gòu)和生態(tài)安全（余強毅，2010）。生產(chǎn)安全位于系統(tǒng)根基部分，其核心內(nèi)容是糧食產(chǎn)量的穩(wěn)定供給，糧食供給直接影響糧食流通與消費結(jié)構(gòu)；生態(tài)安全是指糧食生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)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(nóng)業(yè)的問題。

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1.2 農(nóng)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(xué)”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(xué)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)研究的核心目的在于理解和解釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的“人類—自然”綜合復(fù)雜關(guān)系，進而為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)服務(wù)（Bezlepkina et al.，2011）。主要研究內(nèi)容包括時空格局探測（Patten）、變化過程模擬（Process）、以及綜合效應(yīng)分析（Consequence）等方面。?

?農(nóng)業(yè)土地利用時空格局是地理學(xué)最為關(guān)注問題之一（Hahvey，1966），其反應(yīng)了人類在空間范圍內(nèi)利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的狀況，能夠?qū)^(qū)域糧食供給、生態(tài)環(huán)境條件等產(chǎn)生深遠影響（GlobalLandProject，2005）?；谶b感數(shù)據(jù)的耕地分布探測是農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)時空格局研究的核心部分，遙感技術(shù)誕生之初以簡單解釋遙感信息與地表現(xiàn)象間的定性關(guān)系為主（宮鵬，2009），根據(jù)這種關(guān)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(guān)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(jié)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(chǔ)上，另一些研究綜合運用多種數(shù)學(xué)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(wù)。

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第2章 Agent 農(nóng)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(fù)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(xué)的概念、方法和理論，將真實世界的復(fù)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(chǔ)和研究需要來設(shè)計 MAS（Jennings，2000；Wooldridgeetal.，2000），其中，MAS 將 Agent 用以表達復(fù)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(zhì)、信息、能量傳入等設(shè)計在內(nèi)（Ferber，1999），以增強模型的真實性（McElroy，2000）。值得注意的是，MAS 的設(shè)計一般較為復(fù)雜，而人們相對更為關(guān)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(jié)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(jīng)在不同學(xué)科得到廣泛應(yīng)用。例如，生態(tài)學(xué)研究生物個體（Individual）與環(huán)境之間的相互關(guān)系，隨之 IBM（Individual-based Modeling）便用以代替 ABM 而出現(xiàn)在生物學(xué)模擬中（Grimm and Railsback，2005）；地理學(xué)關(guān)注的是地表二維空間內(nèi)要素的時空分布及其組合?特征，為此，地表空間內(nèi)位置固定的等面積網(wǎng)格（Cellular）被定義為復(fù)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(fù)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）。

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2.2驅(qū)動機制：人類行為對環(huán)境的動態(tài)響應(yīng)

影響與適應(yīng)是當前全球變化研究的兩大核心內(nèi)容（Smit and Wandel，2006）。對于農(nóng)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(jīng)濟等因素共同對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、布局產(chǎn)出等造成影響；但同時，由于人類活動或其他干預(yù)因素的存在，農(nóng)業(yè)土地變化又可被視為人類適應(yīng)全球變化的動態(tài)響應(yīng)，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(nóng)戶適應(yīng)行為的貢獻可能更大（王媛等，2006）。農(nóng)戶適應(yīng)行為具體指農(nóng)戶在應(yīng)對自然（或社會經(jīng)濟）環(huán)境變化時做出的經(jīng)營策略調(diào)整，以最大限度的滿足自身需求。農(nóng)戶適應(yīng)行為可被視為驅(qū)動因子與土地變化結(jié)果間的關(guān)鍵內(nèi)生反饋，原因在于農(nóng)戶往往會以最近的土地系統(tǒng)狀態(tài)作為其下一步適應(yīng)決策的基礎(chǔ)，這就顯著的改變了初始驅(qū)動因子的作用效果，使得驅(qū)動因子與變化結(jié)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(qū)動因子，通過影響農(nóng)戶決策行為再次作用于農(nóng)業(yè)土地變化過程（圖 2-5）。

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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(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)時空特征及驅(qū)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(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)變化模擬模型（CroPaDy）設(shè)計...................39

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

5.2 模型概念化設(shè)計......................... 40

 

第6章 CroPaDy 模型模擬與結(jié)果分析

 

6.1 Agent 生成模塊模擬與檢驗

6.1.1 技術(shù)流程

Agent 生成模塊主要由兩步串聯(lián)的步驟構(gòu)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(guān)鍵統(tǒng)計量（如均值、方差等）根據(jù)村層面的調(diào)查樣本參數(shù)進行設(shè)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(guān)性檢驗兩方面內(nèi)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(guān)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(zhuǎn)，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(jié)論

 

7.1 創(chuàng)新點及結(jié)論

本研究針對當前農(nóng)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(guān)注農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)中，土地權(quán)屬、農(nóng)作物格局、以及農(nóng)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(nóng)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(nóng)戶的主觀態(tài)度對其決策行為的影響，并基于農(nóng)戶開發(fā)設(shè)計一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)變化模型（CroPaDy），CroPaDy模型綜合運用自然科學(xué)與社會科學(xué)的研究方法，能夠成功模擬區(qū)域尺度土地權(quán)屬以及作物格局的動態(tài)變化過程與結(jié)果。主要研究結(jié)論如下：

(1) 利用文獻綜述方法梳理農(nóng)業(yè) ABM/LUCC 的研究進展，為模型構(gòu)建提供依據(jù)。結(jié)果表明，農(nóng)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(xué)方法的土地變化研究框架，有助于搭建自然科學(xué)和社會科學(xué)的交叉融合平臺，從而更加清楚的認識農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)“人類—自然”綜合復(fù)雜性的生成和演化機制。不同模型之間雖有差別，但科學(xué)表達農(nóng)戶決策及其驅(qū)動機制始終是構(gòu)建農(nóng)業(yè) ABM/LUCC 的核心內(nèi)容。

(2) 利用農(nóng)戶調(diào)查獲取的土地利用決策信息分析農(nóng)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(jié)果表明，研究區(qū)土地流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)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(guān)，而農(nóng)資投入（包括種子、農(nóng)藥、化肥）、土地流轉(zhuǎn)、以及作物選擇的空間的格局與道路通達性相關(guān)。

參考文獻（略）