土地利用變化多主體模型構(gòu)建及實證研究 節(jié)選

第1章 土地利用變化模擬研究進(jìn)展與評述 1.1 土地利用變化研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與評述 人地關(guān)系在地理學(xué)中是指人類社會和人類活動與地理環(huán)境之間的關(guān)系。作為地理學(xué)的理論概念，這里的“人”是指社會的人，是指一定生產(chǎn)方式下從事各種生產(chǎn)活動和社會活動的人，是指有意識地同自然進(jìn)行物質(zhì)交換而組成社會的人。“地”是指與人類活動緊密聯(lián)系的，有機(jī)與無機(jī)自然界諸要素有規(guī)律結(jié)合的地理環(huán)境，也指在人的作用下已經(jīng)改變了的地理環(huán)境，即社會地理環(huán)境(李旭旦，1984)。 人地關(guān)系作為地理學(xué)的傳統(tǒng)理論，*初由德國人拉采爾提出，這個時期的人地關(guān)系論又被稱為環(huán)境決定論。隨著環(huán)境問題的日益加劇，以可持續(xù)發(fā)展為代表的現(xiàn)代人地關(guān)系思想徹底確立了其在地理學(xué)研究中的主導(dǎo)地位。吳傳鈞(1981)認(rèn)為人地關(guān)系本質(zhì)是地理環(huán)境與人類活動構(gòu)成的一個相互作用的系統(tǒng)，并將人地關(guān)系研究的內(nèi)容概括為：①和人類活動有關(guān)的地理環(huán)境的地域綜合體；②人類活動對自然環(huán)境的變化和產(chǎn)生的影響(包括地域的差別變化)，以及種種連鎖反應(yīng)，即沖擊—反應(yīng)—影響過程；③改變了的自然環(huán)境對人類活動的反作用(包括資源再生產(chǎn)、環(huán)境質(zhì)量的變化等)；④評價人地相互作用的經(jīng)濟(jì)及非經(jīng)濟(jì)后果。吳傳鈞把人地關(guān)系從方法論變?yōu)閷嵶C對象，為人地關(guān)系論建立了可能被廣泛接受的科學(xué)前提。吳傳鈞(1991)提出的人地關(guān)系包含兩個方面的內(nèi)容。**，人對地具有依賴性，地是人賴以生存的唯一物質(zhì)基礎(chǔ)和空間場所，地理環(huán)境經(jīng)常影響人類活動的地域特性，制約人類社會活動的深度、廣度和速度。這種影響與制約作用隨著人對土地的認(rèn)識和利用能力而變化。一定的地理環(huán)境只能容納一定數(shù)量和質(zhì)量的人及其一定形式的活動，而其人數(shù)和活動形式都是隨人的質(zhì)量而變化。第二，在人地關(guān)系中人居于主動地位，人具有能動功能與機(jī)制，人是地的主人，地理環(huán)境是可被人類認(rèn)識、利用、改變、保護(hù)的對象。人地關(guān)系是否協(xié)調(diào)抑或矛盾，不取決于地而取決于人?？傊?，人必須依賴所處的地為生存活動的基礎(chǔ)，要主動地認(rèn)識，并自覺地在地的規(guī)律上去利用和改變地，以達(dá)到使地更好為人類服務(wù)的目的，這就是人和地的客觀關(guān)系。 王錚(1995)提出現(xiàn)代人地關(guān)系的中心是PRED，提出可持續(xù)發(fā)展是人地關(guān)系新的內(nèi)容。PRED是指人口(population)、資源(resource)、環(huán)境(environment)和發(fā)展(development)。協(xié)調(diào)人地關(guān)系，重點在于研究PRED關(guān)系。人對地具有主動適應(yīng)性，正是人的主動性促使了人類對地理環(huán)境的改造活動；地要素稟賦學(xué)說表明，地不僅包括了*基本的“**地理要素”，而且出現(xiàn)了以交通區(qū)位條件為主要代表的“第二地理要素”。 農(nóng)戶生計與土地利用之間的生產(chǎn)合作的人地關(guān)系逐漸成為研究焦點。依據(jù)可持續(xù)生計分析框架，農(nóng)戶生計策略變化是農(nóng)戶生計變化的核心，在一定的環(huán)境背景條件下，農(nóng)戶生計策略的變化具有重要的生態(tài)效應(yīng)。而土地利用/覆被變化則是農(nóng)戶生計影響生態(tài)環(huán)境的主要中介。因此，需要重點研究農(nóng)戶生計策略變化對土地利用/覆被變化的影響。農(nóng)業(yè)擴(kuò)大化、生計非農(nóng)化及農(nóng)業(yè)集約化會對土地利用產(chǎn)生一定影響(王成超和楊玉盛，2012)。土地系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，離不開人對土地的長期合理利用和維護(hù)居民生計資本。居民生計資本有自然資本、人力資本、社會資本、經(jīng)濟(jì)資本和物質(zhì)資本5個維度，居民生計策略的選取取決于區(qū)域生計資本的質(zhì)量?！吧嫴灰来妗痹硎菍ν恋叵到y(tǒng)脆弱性的判斷依據(jù)，表征居民的生計資本與土地利用依存度關(guān)系的斷裂，人地耦合關(guān)系解體。同樣，若居民的生計策略加重土地利用強度，進(jìn)而使土地生物物理特性遭到不可恢復(fù)損傷以致無法可持續(xù)利用，人地耦合關(guān)系同樣解體。人地關(guān)系研究中，農(nóng)戶生計與土地利用間生產(chǎn)合作關(guān)系逐漸成為研究熱點。農(nóng)戶生計策略變化使土地利用/土地覆被影響成為研究的重點。土地系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究，已逐漸從傳統(tǒng)的以生態(tài)保護(hù)為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀藶橹行牡亩嗄繕?biāo)實現(xiàn)上來。 1.2 土地利用變化主要模型發(fā)展與評述 1.2.1 多元回歸統(tǒng)計模型 多元回歸統(tǒng)計模型主要用于解釋土地利用變化與其驅(qū)動因子之間的定量關(guān)系，挖掘引起土地利用變化的潛在原因。該模型假設(shè)在一定的時間內(nèi)，某種土地利用類型與一些獨立變量存在回歸關(guān)系，并運用統(tǒng)計方法，對自變量進(jìn)行顯著性檢驗。 此類模型又分為兩類。一類模型通過回歸統(tǒng)計分析確定土地利用變化的驅(qū)動力。甘紅等(2004)結(jié)合1990～2000年中國省域土地利用變化的普查數(shù)據(jù)與社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計資料，揭示中國土地利用結(jié)構(gòu)空間分布及其變化與人文因子(人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、消費水平)的定量關(guān)系；史培軍等(2000)利用土地利用變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析深圳市土地利用變化與社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)系；王秀蘭(2000)通過分析內(nèi)蒙古各旗縣人口和土地利用程度指數(shù)與土地利用動態(tài)度的關(guān)系，確立人口與土地利用變化之間的線性回歸關(guān)系；朱會義等(2001)利用典型相關(guān)分析法，分析環(huán)渤海地區(qū)58個自然和社會經(jīng)濟(jì)變量與各縣市土地利用結(jié)構(gòu)的關(guān)系。另一類模型針對多元回歸法不能很好地處理土地利用未發(fā)生與發(fā)生變化這類兩變量的不足，采用的Logistic回歸統(tǒng)計模型。擺萬奇等(2004)對大渡河上游地區(qū)的土地利用變化進(jìn)行研究，通過Logistic回歸統(tǒng)計模型，從15個自然和社會經(jīng)濟(jì)因素中篩選出對不同地類具有重要影響的關(guān)鍵因素，并確定了它們之間的定量關(guān)系和影響大?。唤逛h和秦伯強(2003)以江蘇宜興市湖滏小流域為例，研究了社會經(jīng)濟(jì)因子與土地利用類型轉(zhuǎn)移概率之間的關(guān)系。 多元回歸統(tǒng)計模型具有很多不足之處：①通過顯著性檢驗的統(tǒng)計分析結(jié)果并不能將土地利用變化與其他相關(guān)因素建立起必然聯(lián)系；②適合于一定區(qū)域的回歸模型并不一定適合于其他區(qū)域，所以模型不能為其他區(qū)域所用；③回歸模型只是進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計，并不是進(jìn)行空間分布統(tǒng)計，所以無法將變化落實到具體的變化地點上。 1.2.2 系統(tǒng)動力學(xué)模型 基于統(tǒng)計的方法并不考慮相關(guān)變量之間的因果聯(lián)系，只關(guān)注變量之間的統(tǒng)計相關(guān)性。系統(tǒng)動力學(xué)(system dynamics，SD)模型則從系統(tǒng)內(nèi)部因果關(guān)系出發(fā)，是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認(rèn)識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題交叉的、綜合性的新學(xué)科(王其藩，1988)。系統(tǒng)動力學(xué)中的“數(shù)量”主要有兩類，一種是常量，另一種是變量，變量又分為狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量(郭旋，2009)。系統(tǒng)動力學(xué)的本質(zhì)是一階微分方程。一階微分方程表示狀態(tài)變量和其變化率之間的關(guān)系。如下面公式所示，系統(tǒng)流圖中的每一流位都需要一個微分方程，流入或流出的物質(zhì)、能量和信息等都需要明確的算術(shù)表達(dá)式，這些表達(dá)式見式(1.2)等號右邊的部分，一個系統(tǒng)動力學(xué)模型就是一系列非線性微分方程組。 (1.1) (1.2) 式中，X為狀態(tài)變量；P為參數(shù)；V為輔助變量；t為仿真時間；R為流率變量；△t為仿真步長。系統(tǒng)動力學(xué)不僅是溝通社會科學(xué)與自然科學(xué)等領(lǐng)域的橫向?qū)W科，也是系統(tǒng)科學(xué)里面的一個分支。系統(tǒng)動力學(xué)理論適合解決非線性的、具有反饋關(guān)系和時滯性特點的問題，是獲得半定量結(jié)果和系統(tǒng)動態(tài)變化趨勢的有效工具。1956年，美國麻省理工學(xué)院福雷斯特(J. W. Forrester)創(chuàng)立了系統(tǒng)動力學(xué)(王振江，1988)。20世紀(jì)50年代后期，系統(tǒng)動力學(xué)逐步發(fā)展成為一門新的學(xué)科，經(jīng)歷了起步、發(fā)展和日趨成熟的過程，初期被應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理、處理員工波動情況和股票市場等領(lǐng)域，后來被廣泛應(yīng)用到其他領(lǐng)域，比如人口問題、水資源承載力、土地承載力、城市規(guī)劃等，系統(tǒng)動力學(xué)理論也逐步滲透到其他學(xué)科中，發(fā)揮著重要的作用。 1.2.3 馬爾可夫鏈模型 土地利用變化能利用線性、隨機(jī)方法進(jìn)行預(yù)測。由于土地利用變化過程復(fù)雜，所以有時能將變化過程視為隨機(jī)過程進(jìn)行模擬。馬爾可夫鏈模型(Markov chain model)指一種特殊的隨機(jī)運動過程。一個運動系統(tǒng)在T+1時刻的狀態(tài)與T時刻的狀態(tài)有關(guān)，而與以前的狀態(tài)無關(guān)，或者說是無后效性的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。在土地利用變化領(lǐng)域中，馬爾可夫鏈模型主要用來預(yù)測土地利用變化的趨勢和*終的穩(wěn)定情形。 馬爾可夫鏈模型存在自身弊端，一階馬爾可夫鏈模型多應(yīng)用于較小空間尺度的植被變化與土地利用變化中，如預(yù)測草原退化格局的變化(仝川 等，2002)、預(yù)測城市土地利用變化(王錚和吳健平，2002)及模擬土壤侵蝕變化信息等(李德成和徐彬彬，1995)。在更大空間尺度的應(yīng)用還很少。此外，由于土地利用主要受社會經(jīng)濟(jì)的影響，土地利用變化數(shù)據(jù)固定不變是很難的，因此，該模型只適合短期預(yù)測，而且只能反映數(shù)量上的變化，不能體現(xiàn)土地利用/土地覆被變化(land use and land cover change，LUCC)的空間分布狀況。 1.2.4 灰色預(yù)測模型 灰色預(yù)測(grey prediction，GM)模型是由我國學(xué)者開創(chuàng)和發(fā)展起來的系統(tǒng)科學(xué)的嶄新分支(張軍，2008)。我國學(xué)者鄧聚龍(1985)于1982年創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息不確定性問題的新方法。它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對象，主要通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)，提取有價值的信息，去了解、認(rèn)識現(xiàn)實世界，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效控制(劉思峰 等，2004)。 灰色預(yù)測GM(1，l)模型已在經(jīng)濟(jì)、科教、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、軍事等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用(Liu and Forrest，2007；劉思峰 等，2004)。但它畢竟是一門剛剛誕生的學(xué)科，理論體系還不完善，在實際應(yīng)用中，有許多應(yīng)用成功的例子，同時也有預(yù)測偏差過大的情況，預(yù)測效果缺乏穩(wěn)定性，還有待進(jìn)一步研究。研究發(fā)現(xiàn)GM(1，l)模型實質(zhì)上是對除去**點的原始序列做基于*小二乘法的指數(shù)擬合，但當(dāng)用純指數(shù)序列進(jìn)行擬合時，卻又不能完全取得滿意的擬合效果，往往產(chǎn)生一些偏差，即它只是個近似模型(吉培榮 等，2001)。 1.2.5 元胞自動機(jī)模型 元胞自動機(jī)(cellular automaton，CA)是一種用簡單的算法通過局部的運算模擬空間上離散、時間上離散的復(fù)雜性現(xiàn)象的模型(Batty et al.，1997)。*早提出元胞自動機(jī)模型的學(xué)者是von Neumann(1966)。在此之后，元胞自動機(jī)遭到冷落，一直到John Conway提出“the Game of Life”，才受到了重視。生命游戲是合成虛擬世界的**個方法。繼Neumann的元胞自動機(jī)和自我復(fù)制之后，Conway (1972)設(shè)計了基于計算機(jī)的簡單二維世界“Game of Life”元胞模型，為大量實驗開辟新路徑。元胞自動機(jī)由5個部分組成：元胞(cell)、狀態(tài)(state)、鄰域(neighborhood)、轉(zhuǎn)換規(guī)則函數(shù)(transfer function)、時間(temporal)。其基本運算法則是：某元胞在下一時刻(t+1)的狀態(tài)是該元胞本時刻(t)的狀態(tài)及周圍鄰域元胞狀態(tài)的函數(shù)，即 (1.3) 式中，St+1為元胞在下一時刻的狀態(tài)；St為該元胞在t時刻的狀態(tài)；Nt為該元胞t時刻鄰域的狀況；f為轉(zhuǎn)換規(guī)則函數(shù)。 元胞自動機(jī)模型發(fā)展至今仍存在一定局限性，仍需進(jìn)一步深入研究(柯新利和邊馥苓，2009)：①研究尺度需要擴(kuò)大；②確定地理元胞自動機(jī)的轉(zhuǎn)換規(guī)則時應(yīng)綜合考慮自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素；③應(yīng)加強地理元胞自動機(jī)與多主體系統(tǒng)的集成研究；④應(yīng)加強對地理元胞自動機(jī)的尺度劃分及尺度效應(yīng)的研究；⑤應(yīng)進(jìn)一步深化地理元胞自動機(jī)與GIS的集成研究。 1.2.6 CLUE/CLUE-S模型 CLUE/CLUE-S模型和CA模型都是運用GIS技術(shù)和系統(tǒng)動力學(xué)理論實現(xiàn)土地利用空間分布變化的模型。CLUE模型是由隸屬于LUCC第三小組的荷蘭瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)Verburg等開發(fā)的，用于模擬土地利用空間變化，已被成功地應(yīng)用在哥斯達(dá)黎加、厄瓜多爾、馬來西亞等國。它通過對影響土地利用變化的自然