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(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710127)

1979年農(nóng)村經(jīng)濟(jì)體制改革以來，作為我國(guó)農(nóng)村社會(huì)基本細(xì)胞的農(nóng)戶，逐漸成為農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)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(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)［3－4］。

目前，常用的計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)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(duì)使用者計(jì)算機(jī)水平要求不高等特點(diǎn);并且它具有GIS接口，使得利用GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析成為可能，同時(shí)，NetL-ogo目前已經(jīng)有了一個(gè)具有相當(dāng)規(guī)模且比較成熟的模型庫(kù)(Model Library)，用戶可以將已有模型修改合并后存儲(chǔ)成一個(gè)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(guó)外對(duì)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?yàn)橹袦貛О敫珊敌詺夂騾^(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(jì)林，壩地多種植玉米，川地多種植經(jīng)濟(jì)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(gòu)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(yùn)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(shí)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(jì)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(tái)

2.1 系統(tǒng)建構(gòu) 基于NetLogo的土地利用情景模擬平臺(tái)由3個(gè)主要部分組成:①全局變量，用來存儲(chǔ)整個(gè)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(dá)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(dǎo)入NetL-ogo。③操作界面，提供方便控制和實(shí)時(shí)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(jì)效益最大、風(fēng)險(xiǎn)投資最小以及正常發(fā)展?fàn)顟B(tài)3種情景的模擬研究。

2.2.1 情景1:土地利用經(jīng)濟(jì)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(duì)較大。較土豆而言，大蔥經(jīng)濟(jì)效益和風(fēng)險(xiǎn)都較高，所以在考慮經(jīng)濟(jì)效益最大化時(shí)，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(jì)效益最大化情景為當(dāng)?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(fēng)險(xiǎn)最小情景。由于當(dāng)?shù)赝炼逛N售市場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，所以對(duì)農(nóng)戶來說種植土豆是風(fēng)險(xiǎn)較低的一種土地利用方式。農(nóng)戶為了使土地利用風(fēng)險(xiǎn)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(dá)到土地利用的風(fēng)險(xiǎn)最小化的目的。

2.2.3 情景3:正常發(fā)展?fàn)顟B(tài)情景。農(nóng)戶的土地利用決策會(huì)受到市場(chǎng)、當(dāng)?shù)卣吲c其他農(nóng)戶等眾多因素的影響，他們?cè)跊Q策時(shí)既會(huì)考慮到土地利用風(fēng)險(xiǎn)，也想提高土地利用的經(jīng)濟(jì)效益。在研究中考慮到自然因素，如地塊面積、距道路遠(yuǎn)近等及實(shí)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(yùn)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(yùn)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(lán)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(lán)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(dāng)研究區(qū)農(nóng)戶想要得到更大的經(jīng)濟(jì)效益的時(shí)候，會(huì)考慮到大蔥的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于土豆，在進(jìn)行土地利用決策時(shí)會(huì)選擇大面積種植大蔥。

情景2中紅色、灰色和藍(lán)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(fēng)險(xiǎn)情況下，會(huì)采取相對(duì)保守的種植方式，在決策時(shí)通過把種植大蔥的土地轉(zhuǎn)變?yōu)榉N植低風(fēng)險(xiǎn)的土豆來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

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(lán)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(shí)間內(nèi)一般不改變其土地利用類型;在既追求經(jīng)濟(jì)效益又要考慮風(fēng)險(xiǎn)的條件下，農(nóng)戶會(huì)縮小雜糧種植面積，并為方便銷售運(yùn)輸也會(huì)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(shí)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(tái)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(gè)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(jìn)一步的研究。

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