农牧交错带典型区土地利用驱动机制研究——基于多主体模拟方法

第8卷第4期 湖南农业大学学报(社会科学版) Vol．8 No．4 2007年8月 Journal of Hunan Agricultural University (Social Sciences) Aug．2007

农牧交错带典型区土地利用驱动机制研究

——基于多主体模拟方法

龚 丹a，马晓明a，b

(北京大学 a.深圳研究生院环境与城市学院，深圳 518055；b.环境学院，北京 100871)

摘 要：农牧交错带是人类活动的强烈影响区和生态环境敏感区，其复杂的生态、经济和社会的因子构成了该区域土地利用典型特征，尤其是从农牧户层面来看存在较大的差异。多主体的模拟方法(MAS)对农牧交错带复杂系统的模拟存在着明显的优势，但同时也有很多的挑战。多主体模型结合农牧交错带土地利用的典型特征，设置了智能主体和环境要素主体，可以在气候等各种因子交互作用的情形下对农牧交错带土地利用情形进行研究。利用建立的农牧交错带典型区域背景数据，对气候等因子进行的敏感性分析过程和结论对多主体模型在该区域土地利用的研究提供了进一步的支持。

关 键 词：多主体模拟；农牧交错带；驱动机制；土地利用 文献标识码：A 中图分类号：X32

文章编号：1009-2013(2007)04-0015-05

作为人类活动的强烈影响区和生态环境敏感区，中国北方农牧交错带不仅成为现代生态学研究前沿关注的热点，也是全球土地利用/覆被变化(LUCC)研究的焦点区域。农牧交错带在中国生态安全格局上起着举足轻重的作用，区域内环境的不断退化、当地贫困程度的加剧、管理和治理政策成效不显著已严重制约了中国的可持续发展。

农田和草地是北方农牧交错带中最主要的两种土地利用类型，在各种用地转换中它们之间的相互转换率非常高[1]。与之相应，农耕和放牧是北方农牧交错带农牧民经济行为的最主要的两种方式。在这个被认为是“特殊生态—经济—社会的复合生态系统”里，影响区域土地利用的生态、经济和社会等驱动因子不仅在农牧户等利益相关者层面上存在着差异性，而且各种因子相互作用导致其重要程度模糊难辨，这点从农牧交错带土地退化的成因之争就可见一斑[2]。各种管理措施和治理政策都是有实施成本的，土壤等生态环境资源在利用不当时也会变为不可再生资源，因此，为了确保有限的资金能够对资源进行有效管理，采用适宜有效的方法分析土地利用驱动因子的重要程度并优化政策实施过程就显得非常重要。

多主体模拟(MAS)是近10年来发展起来的广泛应用于复杂系统分析的计算机模拟方法，目前应用领域主要包括经济学、生物学等，该方法同样在LUCC等情形分析引发了学者广泛的兴趣。笔者先简要总结

收稿日期：2007-05-25

作者简介：龚 丹(1982-)，女，湖南湘潭人，硕士研究生，主要研究方向为环境规划与管理。

MAS在土地利用相关研究的适用性，紧接着重点阐述以研究农牧交错带驱动机制为目的的多主体概念模型建立，最后基于农牧交错带典型区域的背景数据对驱动因子进行敏感性分析和影响程度排序的应用尝试。

一、多主体模拟方法的优势和挑战

在土地利用系统中，“人”是积极的、主动的要素，使用土地的“人”的行为选择具有深刻的甚至决定性的影响。多主体模拟方法的出现为我们研究由人类活动所引起的土地利用变化的环境社会复杂系统提供了方法。

在土地利用的研究中，MAS优势在于：MAS可从微观水平上解释土地利用变化情况，能模拟土地利用的决策行为，以及社会群体与自然环境之间的相互作用，因此，MAS是LUCC人为驱动力研究的一个重要方向，具有很好的发展前景；其次，MAS评价模型能够具体量化反映LUCC的空间分布和随时间变化过程及其变化所带来的结果[3]；第三，MAS在理解人类环境交互方面将不确定性作为一个重大的原因来考虑，而这一点在以往的模型中，往往被忽视[4]。

虽然MAS优势比较明显，但由于工具本身处在发展阶段，所以还存在许多挑战：MAS对于非程序员的研究者来说，仍然存在着编程难等问题；MAS应用中，主体行为规则的定义等是至关重要的，目前尚处在探索研究阶段，没有统一的规定；在与空间特征密切相关的土地利用中，MAS目前还只能基于人为输入的空间环境，期望通过与GIS结合来实现对于空间的清晰表达。笔者研究主要侧重概念模型(建模的文字表述)

16 湖南农业大学学报(社会科学版) 2007年8月

中主体行为规则定义的探讨和研究。 型的主体都有反映自身特性的变量和规则。

1．环境要素主体

环境要素主体是指多主体所处的自然环境和社会环境，包括土壤环境、气候环境、价格环境(表1)。1) 土壤环境主体：主要体现土壤的环境质量即土壤肥力的高低和农/牧地的土壤类型。农业或牧业生产对土壤环境有不同的最低要求，生产开展后对土壤环境造成的退化影响也有区别。土壤环境的好坏直接影响农牧业产量，进而影响农牧户的财富，土壤环境质量对农牧业产量的影响根据高峻岭等研究得出农业和牧业产量依土壤有机质的回归方程[7]设置了便于模拟的线

农牧产品价格二、概念模型建立及模型规范化

根据“三种生产理论”，整个世界的生产系统包括环境(自然)、人口和物质(社会)三种生产过程。本文借鉴这一理论，并参照张力小关于农牧交错带农牧业变化驱动机制的概念模型，从生态、人(农牧户家庭)和社会“三元”的角度简要分析农、牧业变化的驱动机制(图1)，以便从中提取驱动因子作为模型中环境主体和智能主体。

农牧民人口数 [6][5]

气候 土壤数量与质量 农牧民财富、 收集信息范围 性关系。农/牧业对土壤环境质量减少值反映了相应的农/牧业生产活动的强度，农/牧业对土壤质量最低要求值则反映了农/牧业生产条件改变引起的对土壤环境要求的改变，如技术、肥料的使用使本不适合农业活动土壤可以耕种农作物。2) 气候环境主体：农牧交错带影响农牧业生产的气候因子主要为降水量和温度。大部分年份的气候对草地植物生长热量条件充足，而水分相对不足，降水量是限制农/牧地生产力的主要因子之一，为了简化模型分析将温度设定为常量，仅讨论降水量因子的影响。气候影响农牧业生产产量，模型中借用李广等对农牧交错带气候因子对农地和草地生产潜力影响的回归预测方程[8，9]作为气候环境主体的规则。3) 价格环境主体：农/牧业投资价格是农牧户开展生产的门槛，农/牧业产品价格直接影响农牧户每次生产活动的收益。

满意度 不确定性 农牧民经济行为选择 土地退化 生态恢复图1 农牧业变化驱动机制概念模型

多主体模拟系统分为环境主体层和智能主体层，按照图1对驱动因子的提取，模型中的环境主体层包括：土壤、气候、价格环境主体，智能主体层包括农牧民主体。在多主体模拟软件平台中，主体是能够完成某项或一系列任务的实体。环境要素是一种主体，而智能主体则是具备移动和学习能力的主体，各种类

表1 环境要素主体所含变量和规则

变 量

土壤环境主体

土壤环境质量值 Le 农业对土壤环境质量减少值 DeOfA 农业对土壤质量最低要求值 NeOfA 牧业对土壤环境质量减少值 DeOfP 农业对土壤质量最低要求值 NeOfP 土壤环境质量自我恢复值 Growth 土壤环境质量恢复能力临界值 Lemin 土壤类型标记(农地/牧地) Flag 气候环境主体

降水量 R 温度 T=7.88 气候生产潜力 cl 价格环境主体

农业产品价格 PriceOfA 牧业产品价格 PriceOfP

对农/牧户行为选择的影响：

Wealth＞=InvestOfP，有权选择牧业；Wealth＜InvestOfP，只能选择农业，选择后Wealth减去相应投资价格

农/牧户生产后对农/牧户财富总量影响： 农业生产投资价格 InvestOfA

Wealtht = Wealtht-1 + Num·(PriceOfA/ PriceOfP) 牧业生产投资价格 InvestOfP

对牧业产量影响：cl =1 031. 75 + 96. 49T + 5. 06R 对农业产量影响：cl=175. 619 + 9. 654R + 69. 147 T 对农牧业产量影响： Num = β · cl·(Le/LeMax)

Num 农/牧业产量，β修正因子，cl 气候对农/牧业生产潜力 农牧业生产对土壤环境影响：

主体选择农业生产对土壤环境影响值为DeOfA 主体选择牧业生产对土壤环境影响值为DeOfP 土壤环境自我恢复规则：

每个运行时间步土壤环境质量自我增值 Growth 若环境质量值减少至Lemin及以下，失去自我恢复能力

规 则

第8卷第4期 龚 丹等 农牧交错带典型区土地利用驱动机制研究 17

表2 农牧户智能主体所含变量及主要活动

变 量

农牧户主体人口增长率 Rate 农户/牧户主体标记 AOrP 财富 Wealth 需求满意度 LNS 最低需求满意度 LNSmin 不确定性 U 不确定性容忍值 UT 收集信息范围 Vision

每个时间步内主要活动

1) 农牧业行为选择： 详见Consumat概念模型行为规则 2) 移动获取适合进行农/牧业活动土地 3) 支付农业/牧业投资价格

4) 获取气候生产潜力cl、所处土壤环境质量值 Le和农/牧产品价格，计算收入 5) 对土壤环境质量值产生影响

6) 根据本轮周围农牧户主体收入，计算农业/牧业预测收入，进而得出下一轮选择所需不确定性U和需求满意度LNS

2．农牧户智能主体及决策规则

智能主体建模是多主体模拟建模的关键，本文的智能主体建模借鉴Consumat概念元模型[10]中关于微观层次驱动力分析的做法设定了主体所含变量，并根据模拟实际情形设置了农牧户单位模拟时间步内的主要活动(表2)。

Consumat概念元模型是Jager等在心理学的研究基础上建立的消费者行为的综合概念模型。模型中微观层次驱动力包括消费者需求、消费机会、个体使用机会的能力以及消费者对行为结果的某种程度的不确定性。需求是主体指对生存、休闲、环境等存在一定水平的要求，模型中农牧户主体需求仅定义为生存需求，需求定义中包含两个影响行为选择的重要变量：需求满意度LNS和最低需求满意度LNSmin，两者的比较结果是影响行为选择的一个方面；为了满足需求，主体需要消耗一定的机会，农牧户主体机会包括农业生产和牧业生产两种；机会的获得除了受到环境的限制外，还受到主体自身能力的限制，农牧户主体获得农/牧业机会的自身限制能力就是财政能力，即主体财富；不确定性是指主体预期机会消耗结果和实际机会消耗结果的差异，主体对机会消耗的不确定性U和自身不确定性的容忍程度UT是影响行为选择的另一个方面。

依据农牧户主体单位时间内主要活动安排，智能主体相关规则包括：农牧户主体需求满意度 LNS 和不确定性 U 计算规则、农牧业行为选择规则、农牧民移动获取适合土壤规则、农牧民财富改变规则。

(1) 需求满意度计算：模型中农牧户主体i在时间t的需求为生存需求LNSit，表示为：

LNSit=1−exp (−αis×Iit/Wit)

Iit，Wit 分别表示农牧户主体i在当前时间t的收入和财富，Iit /Wit越大则主体对当前时间内生存的需求满意度越高。αis表示主体生存需求的满意度 LNSit 对生存的敏感性，该值越高表明主体对该需求的满足越迫切。默认α值对所有主体来说是均等的。

LNS＜LNSmin 理性过程

主体的最低满意度 LNSmin 默认值相同。如果 LNSit＜LNSmin，主体不满足，则会进入一个理性思考过程，如深思熟虑或社会比较；如果 LNSit＞= LNSmin主体感到满足，则进入机械处理过程，如重复先前行为或模仿他人行为。

(2) 不确定性计算：对农牧户而言，它的不确定性表示为：

U=|EIt –It|/EIt 。

EIt 表示t时刻的预期收入。设置农牧户不确定性的忍受极限UT，U＞UT 表示主体对机会选择处在不确定状态，则进入社会处理过程；U＜UT表示主体处在确定状态，主体进入个人处理过程。

(3) 农牧业行为选择规则：根据主体满意度和不确定性两个变量分别同最低需求满意度和不确定性忍受极限比较，将主体决策行为分为社会理性过程、个人理性过程、社会机械过程和个人机械过程四类，具体规则如表3所示。

表3 主体农牧业行为选择规则定义

U＞UT时进行社会过程 社会理性，社会比较后选择能力相似且预期结果较高的主体行为来模仿

LNS＞LNSmin 器械过程

社会模仿过程，即重复能力相似主体行为

个人器械处理过程及重复自身先前行为 U＜UT时进行个人过程个人理性过程即选择预期结果较高的行为

(4) 移动获取适合土壤规则：在收集信息范围Vision内进行搜索，获取同时满足在该范围内土壤环境质量值 Le 最高同时移动距离最短的土壤并移动。农户随即开展农业生产，牧户则进一步在牧户控制土壤块数的限制下将移动后所处位置周围的土壤标记为牧地，再开展生产活动。

(5) 农牧民财富改变规则：每个时间步农牧民通过支付投资、获取生产收入改变自身财富Wealth，主体i在时间t的财富Wealthit，表示为：Wealthit=

18 湖南农业大学学报(社会科学版) 2007年8月

Wealthit-1+Num·Price。Num表示获取的农/牧产品数目，Price根据主体行为选择结果可能为PriceOfA或PriceOfP。

数据的变量如土壤环境质量值等，依据模型需要进行适当处理，以求尽量反映真实情形下相对变化情况。 农牧民主体不确定性容忍值、最低需求满意度、获取信息范围是模拟运行中得出的经验数据。MAS模拟的目的是为了更好地理解复杂系统中已经出现或即将出现的动力机制，所以本文的模拟分析主要是基于对经过较长时间步后系统稳定时，由于某一变量变化所引起的农牧业土地数量和土壤质量变化的分析，来定性地分析土地利用各驱动因子对农牧业土地数量和土壤质量的“贡献度”。

三、模型运行及分析

根据建立的概念模型，笔者利用MAS建模平台1．背景数据库建立

基于研究农牧交错带的参考文献中的数据记录[6，11-12]，设定了背景数据(表4)。对于没有实际对应 Swarm建立了以农牧业生产为主土地利用模型。

表4 农牧业为主土地利用模型背景数据库

主 体 气 候 土壤环境

变 量

实际数据

模型背景数据 350/t [0，250] 20/t 3/t 110 90

土壤环境退化到一定程度则失去自我恢复能力 85

气候参数(降水量) 250～500 mm/year 土壤质量参数范围 农业对土壤质量减少值 牧业对土壤质量减少值 土壤质量自我恢复值 农业对土壤质量最低要求值 牧业对土壤质量最低要求值 土壤质量恢复能力临界值

正常放牧时期土壤2～3年恢复原状 翻耕地的风蚀量约为过牧草地的6倍 农业对土壤肥沃的要求高于牧业

1/t

价 格 农产品价格范围 牧产品价格范围 农业投资成本 牧业投资成本

粮食作物1.2元/kg 1.2 农业投入很少，仅为种子化肥，牧业需要投入购买牲畜成本等

50 1000 [100，2000] 10格

羊肉 8元/kg 8.0

农 牧 户

农牧户主体初始财富范围 农牧户获取信息范围 牧户控制土地块数目最大值

农牧户人口增长率 2%～4% 0.03

农民控制1 hm2/人，牧民控制68 hm2/人 68(1格表1 hm2)

0.2 0.01

不确定性容忍值 最低需求满意度

注：t表示模拟中的时间步

2．模型运行及分析

接着通过对变量变化后的引起的农牧业土地数量和土壤质量的变化值进行敏感性分析，可以得出在背景数据情形下各变量的相对敏感度值，记录如表5。

考虑到多主体模型的特点，各变量之间是复杂的非线性关系，大部分变量变化幅度为[+1%，－1%]。

表5 相对敏感度计算

变量\\ 相对敏感度类型

农业土地数目

牧业土地数目

土壤环境平均质量值

降 水 量 1.795 1.975 0.455 牧产品价格 3.950 12.580 0.050 牧业投资 4.965 10.760 1.060 农产品价格 3.980 12.975 1.315 农业投资 2.720 5.690 0.150 人口增长率 5.345 15.680 1.600 农牧主体财富 2.635 8.995 0.990 农业土壤质量最低要求值 1.425 牧业土壤质量最低要求值 0.000

6.500 0.000

1.320 0.000 0.147 0.033

农业对土壤质量减少值 0.978 0.462 牧业对土壤质量减少值 0.180 0.137

第8卷第4期 龚 丹等 农牧交错带典型区土地利用驱动机制研究 19

可以看出人口增长率是造成农地、牧地数目变化、土壤环境退化的首要原因，价格因素也是也是影响重要因素，农牧户财富状态、气候等因子的影响较小。其中对农地数目影响最大的三个因子是人口增长率、牧业投资、农产品价格；对牧地数目影响最大的三个是人口增长率、农产品价格、牧产品价格；而影响土壤环境质量最重要的三个因子则是人口增长率、农业对土壤质量最低要求值、农产品价格。而一旦农/牧业生产造成土壤环境自我恢复能力的丧失，则该因子对土地利用和土壤环境变化跃迁至首位。

需要指出的是，农/牧业对土壤质量减少值的变化范围前提是没有使土壤环境质量值在一次时间步的农/牧业生产后即下降至土壤质量恢复能力临界值以下。而实际情形的生产中常常发生的“滥垦、滥牧”等不合理生产活动对土壤环境的破坏往往是致命的，相对应的模拟中农/牧业对土壤环境质量减少值一旦设置在此情形下，此时农/牧业对土壤环境质量减少值对农地、牧地数目、土壤环境质量的影响较其它变量更为显著。

主体进行模拟，可以对将要实施的管理政策进行计算机模拟实验，避免费时费力而且可能有危险的公开实践，从而为政策的制定和实施提供政策建议。 参考文献：

[1] 高清竹，何立环，江 源，等．农牧交错的典型区农业与

牧业用地互动关系研究[J]．地球科学进展，2002，17(2)：209-214．

[2] 董光荣，勒鹤岭，陈惠忠，等．中国北方半干旱和半湿润

地区沙漠化的成因[J]．第四纪研究，1998(2)：136-143． [3] 张 叶，江晓波，邱 枫． LUCC研究模型综述．资源开

发与市场[J]．2006，22(4)：311-314．

[4] Manson S M．Agent-based dynamic spatial simulation of

land-use/cover change in the Yucatán peninsula，Mexico [C]//4th International Conference on Integrating GIS and Environmental Modeling (GIS/EM4)：Problems，Prospects and Research Needs．Banff，Alberta，Canada，2000． [5] 叶文虎，程国谦．三种生产论：可持续发展的基本理论

[J]．中国人口、资源与环境，1997，7(2)，14-18． [6] 张力小．科尔沁沙地农牧业变化与沙漠化关系研究[C]．北

京大学博士学位论文，2004：39-40．

[7] 高峻岭，魏由庆，许建新，等．农牧结合农户的经济效益

及对土壤肥力的影响[J]．生态农业研究，1995，3(2)：42-48． [8] 李 广，黄高宝．北方农牧交错带气候变化对农作物生产

力影响的诊断分析-以定西县为例[J]．干旱区资源与环境，2006，20(1)：104-107．

[9] 李 广，黄高宝．北方农牧交错带气候变化及草地生产力

的相应-以甘肃省定西县为例[J]．中国草地，2005，27(1)：7-11．

[10] Jager W．Modeling consumer behavior[M]．Universal Press，

2000．

[11] 安萍莉，潘志华，郑大玮．北方农牧交错带土地利用结

构重建研究——以武川县为例[J]．资源科学，2002，24(1)：35-39．

[12] 慈龙俊，刘玉平．人口增长对荒漠化的驱动作用[J]．干

旱区资源与环境，2000，14(1)：28-33．

四、总结和进一步研究的展望

本文结合农牧交错的土地利用的典型特征，运用MAS模拟方法建立了农牧交错带土地利用模型。本研究提出的模型，由相互作用的多智能主体、环境要素主体构成，环境要素主体的建立结合了生态学的研究成果，而农牧民智能主体建立结合心理学研究成果根据对未来收入的不确性和财富进行生产方式的选择。模型的建立过程很好地体现了MAS模拟方法作为跨学科研究平台的优势。作为方法的进一步探索，本文基于农牧交错带典型区域的背景数据，对驱动因子进行的敏感性分析，有助于对土地利用过程中已经或即将出现的动力机制的理解。

由于模拟工具目前还处在发展阶段，对于实际区域背景数据如土壤质量等数据导入还存在一定的困难，但目前结合MAS和GIS的研究将有助于这类问题的解决。同时通过模型扩展，加入政府等其他利益

责任编辑：李东辉