基于NetLogo的土地利用情景模擬研究——以陜西省米脂縣馬蹄坬為例

王艷妮，陳 海 (西北大學城市與環(huán)境學院，陜西西安710127)

1979年農(nóng)村經(jīng)濟體制改革以來，作為我國農(nóng)村社會基本細胞的農(nóng)戶，逐漸成為農(nóng)村社會經(jīng)濟活動的主體［1］。隨著改革的深入，農(nóng)戶土地利用行為與農(nóng)村資源的利用與開發(fā)、農(nóng)業(yè)景觀格局演變、農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展等方面的聯(lián)系日益緊密［2］，從微觀視角探討農(nóng)戶土地利用行為已經(jīng)成為學者們關(guān)注的熱點［3－4］。

目前，常用的計算機模擬平臺有NetLogo、SWARM、CORMAS和REPAST等。與其他模擬軟件相比，NetLogo(見http://ccl.northwestern.edu/netlogo)具有安裝方便，用戶界面友好，對使用者計算機水平要求不高等特點;并且它具有GIS接口，使得利用GIS數(shù)據(jù)進行空間分析成為可能，同時，NetL-ogo目前已經(jīng)有了一個具有相當規(guī)模且比較成熟的模型庫(Model Library)，用戶可以將已有模型修改合并后存儲成一個新的模型或者在這一環(huán)境下完成新的模型的編寫［5］。目前，國外對于NetLogo軟件在土地利用方面的應(yīng)用有:體現(xiàn)農(nóng)戶——地塊之間的主體決策［6－7］和空間決策［8－9］等。筆者以陜西米脂馬蹄坬村為例，設(shè)置3種模擬情景，通過NetLogo軟件展示不同情景下農(nóng)戶的土地利用情況。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況 馬蹄坬位于陜西省米脂縣中部(110°9'53″～110°11'08″E、37°51'40″～ 37°50'11″N)，距米脂縣城約5 km(圖1)。所屬區(qū)域為中溫帶半干旱性氣候區(qū)，年平均氣溫8.5℃，無霜期162 d，平均降雨量451.6 mm。該村農(nóng)戶數(shù)約為140戶。土地總面積約534 hm2，主要有山地、川地和壩地3種土地類型。山地主要種植經(jīng)濟林，壩地多種植玉米，川地多種植經(jīng)濟作物。

1.2 數(shù)據(jù)收集及處理 ①土地利用類型數(shù)據(jù)。利用手持GPS及購買的航片，獲取了馬蹄坬710塊土地的權(quán)屬圖。②模型數(shù)據(jù)。為適應(yīng)NetLogo數(shù)據(jù)格式，考慮模型運行速度，將土地利用數(shù)據(jù)重采樣成5 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

根據(jù)退耕還林政策及馬蹄坬的實際情況，利用Arc-GIS10.1將基本不發(fā)生變化的農(nóng)村居住區(qū)、道路、生態(tài)林地、草地等剔除，只保存大蔥、果樹、土豆、玉米、雜糧等5類土地利用類型。計算每一地塊的種類、面積及距村路的距離，根據(jù)NetLogo的需要全部轉(zhuǎn)為ASCII碼格式。

2 模擬平臺

2.1 系統(tǒng)建構(gòu) 基于NetLogo的土地利用情景模擬平臺由3個主要部分組成:①全局變量，用來存儲整個模擬過程所有代理人或柵格都能使用的信息;②柵格空間，表達物理環(huán)境，為土地利用類型圖、地塊面積圖及距村路距離3種5 m×5 m圖像，有柵格圖像轉(zhuǎn)為ASCII碼通過編程導入NetL-ogo。③操作界面，提供方便控制和實時觀察模擬環(huán)境變化的媒介。

2.2 模擬情景及規(guī)則設(shè)置 研究設(shè)置了經(jīng)濟效益最大、風險投資最小以及正常發(fā)展狀態(tài)3種情景的模擬研究。

2.2.1 情景1:土地利用經(jīng)濟效益最大化情景。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)玉米、果園和雜糧等土地利用類型受地形和作物本身種植特性限制，土地利用變化不明顯;而土豆和大蔥受到外界影響相對較大。較土豆而言，大蔥經(jīng)濟效益和風險都較高，所以在考慮經(jīng)濟效益最大化時，農(nóng)戶在自身土地總量有限的條件下只能是減少土豆的土地利用。該研究設(shè)定經(jīng)濟效益最大化情景為當?shù)剞r(nóng)戶把種植土豆的土地全部轉(zhuǎn)化為種植大蔥。

2.2.2 情景2:投資風險最小情景。由于當?shù)赝炼逛N售市場相對穩(wěn)定，所以對農(nóng)戶來說種植土豆是風險較低的一種土地利用方式。農(nóng)戶為了使土地利用風險降到最低，只能種植更多的土豆并減少大蔥的種植面積。所以設(shè)定農(nóng)戶把種植大蔥的土地全部改種土豆來達到土地利用的風險最小化的目的。

2.2.3 情景3:正常發(fā)展狀態(tài)情景。農(nóng)戶的土地利用決策會受到市場、當?shù)卣吲c其他農(nóng)戶等眾多因素的影響，他們在決策時既會考慮到土地利用風險，也想提高土地利用的經(jīng)濟效益。在研究中考慮到自然因素，如地塊面積、距道路遠近等及實際情況，把面積小于0.152 hm2的地塊都用于種植雜糧，并且為了方便大蔥的銷售運輸，將距離村路135 m的地塊設(shè)為種植大蔥。

3 模擬結(jié)果

通過NetLogo軟件編程及運行，得出3種情景的土地利用類型。其中大蔥、果樹、土豆、玉米及雜糧分別用綠色、紅色、黃色、灰色及藍色表示，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出:

情景1中紅色、灰色和藍色部分沒有變化，綠色和黃色部分的顏色全部變化為綠色。也就是果樹、玉米、雜糧的土地利用情況沒有發(fā)生變化，原先種植土豆的土地全部改為種植大蔥。由此可以看出，當研究區(qū)農(nóng)戶想要得到更大的經(jīng)濟效益的時候，會考慮到大蔥的經(jīng)濟效益遠大于土豆，在進行土地利用決策時會選擇大面積種植大蔥。

情景2中紅色、灰色和藍色部分依然沒有發(fā)生變化，綠色和黃色部分的顏色全部變化為黃色。也就是果樹、玉米、雜糧的土地利用沒有發(fā)生變化，原先種植大蔥的土地全部改為種植土豆。由此可以得出，研究區(qū)的農(nóng)戶在考慮到種植風險情況下，會采取相對保守的種植方式，在決策時通過把種植大蔥的土地轉(zhuǎn)變?yōu)榉N植低風險的土豆來規(guī)避風險。

情景3與前兩者相比，紅色和灰色部分面積沒有發(fā)生較明顯的變化，綠色、藍色、黃色發(fā)生轉(zhuǎn)化，即果樹和玉米的種植情況沒有發(fā)生變化，雜糧、大蔥、土豆的土地利用情況發(fā)生轉(zhuǎn)變。通過分析得出:玉米種植受水分條件限制，果樹受自身特性所致在短時間內(nèi)一般不改變其土地利用類型;在既追求經(jīng)濟效益又要考慮風險的條件下，農(nóng)戶會縮小雜糧種植面積，并為方便銷售運輸也會將距道路近的雜糧和土豆地塊轉(zhuǎn)為種植大蔥。

4 結(jié)論與討論

實例研究結(jié)果表明，農(nóng)戶土地利用的模擬可以在NetL-ogo平臺界面中顯示出來，為研究農(nóng)戶土地利用變化提供依據(jù)。但是，此研究方法也有一定的局限性，比如農(nóng)戶個體間的影響不容易觀察得到，農(nóng)戶的土地利用決策過程難以體現(xiàn)，這些還有待進一步的研究。

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