生态系统服务消耗多主体模型建构

1前言

目前，生态系统服务研究已成为当前国际上科学研究的热点和前沿，并在生态系统服务分类[1]、生态系统服务的形成及其变化机制[2-3]、生态系统服务价值化[4]、生态系统服务价值评价方法[5]等方面取得了显著的成果。生态系统服务研究旨在既维持健康生态系统，又能够提供人类发展必需的产品和服务。随着人们对自然生态系统和人类经济系统关系的日益重视，对生态系统服务消耗研究也蓬勃展开。甄霖等[6]将生态系统服务消耗定义为人类生产和生活对生态系统服务的消费、利用和占用，认为人类消耗的生态系统服务包括生产的产品和提供的服务，表现为直接消耗和间接消耗两种基本模式。谢高地等[7]提出生态服务消耗函数和生态服务效用函数可以被看成是生态服务消耗的主要理论基础和分析方法。生态系统服务消耗模式指一定时期消耗的主要特征，包括消耗内容、水平、结构、方式、消耗趋势以及其他方面的主要特征。近年来，经济发展引起了世界许多地方消耗结构发生了很大改变，对生态系统服务的需求因此而朝着更加多元化的方向发展，这种需求的增加甚至超过了人口增加所带来的需求增长，成为影响生态系统的核心因素[8]。近期研究中，科学家们试图结合IPCC气候变化情景模拟分析来探讨当代人类生态系统服务消耗对后代的可能影响[9]，初步结果至少告诉我们，人类必须改变现有的消耗模式，否则将不会给后代留有必要的生态系统服务供其消耗。因此，生态系统服务合理消耗模式对于维护本地生态系统安全，保证本地居民的长期福祉具有重要意义。

生态系统服务合理消耗模式就是要把握生态系统合理利用方向和建立高效持续合理利用模式，从而建立区域生态服务合理消耗与生态安全保障的平衡机制，达到人与自然和谐发展的目的。因此，生态系统服务合理消耗模式研究的出发点和落脚点都归结到个人和群体的社会经济活动。基于此，研究个人及家庭在生态服务消耗方式选择的影响因素、差异性及趋向性是其中的关键环节。不仅要研究在时间序列中某一个典型静态刻面中的各种自然环境状态、人类活动状态和生态服务系统状态，还要研究在某一段时间序列里各种自然环境状态、人类活动状态和生态系统服务状态变化的动态过程。这样才能系统地全面地把握生态系统服务消耗的规律。通过建立多主体模型系统，模拟研究区内生态系统服务消耗在特定时间序列里变化的过程，研究生态系统服务消耗动态变化的规律，是一个可行的研究方法[10]。

多主体建模方法(ABM,Agent-BasedModeling)能够采取自下向上的研究思路，通过考察大量个体行为在限制条件下的运行和演化过程来展现这些个体行为在总体上的规律和轨迹[11]。在该方法中，agent一般代表社会系统的独立对象，如人、家庭、机构等，通过模拟这些独立对象在对应自然空间的活动及其与自然空间的相互作用，来揭示经济社会系统与自然生态系统的相互作用规律[12]。ABM方法的模拟区域较灵活，从乡村到城镇[13-14]，从小尺度到大尺度[15-16]，均可运用该方法。其应用领域也较为广泛，近年来已经逐渐在土地资源利用、生态系统管理和保护等领域开展应用研究[16-20]。本文以内蒙古农牧交错区生态系统服务消耗模拟为例，研究多主体模型的构建方法，分析并提炼建立多主体模型的核心要素，探索创建多主体模型的流程，给出建立生态系统服务消耗多主体模型的一般过程。本文对生态系统服务过程模拟的研究具有一定的参考价值。

2研究区概况与数据来源

2.1研究区概况

选择内蒙古自治区锡林郭勒盟正镶白旗作为生态系统服务消耗多主体模型的模拟区。该旗属于我国典型的农牧交错区，正镶白旗位于内蒙古草原的锡林郭勒盟西南部（图1），浑善达克沙地南缘的干旱草原区，属中温带半干旱大陆性草原气候。地理座标东径114°05′-115°37′；北纬42°05′-43°15′。海拔高度在1200~1400m之间。总面积6229km2，辖4个苏木镇，77个嘎查村、7个社区。总人口7.27万（蒙古族2.15万），其中农牧业人口5.25万。可利用草场面积51.47万hm2，耕地面积1.72万hm2。在实例研究中选择了旗内100m栅格尺度的200×200个栅格组成的栅格图。栅格图的起始坐标是(799960.625,4590040）。

2.2数据来源

本研究数据收集工作在2011年8月进行并完成，所收集的数据包括问卷调查数据，统计年鉴数据和地理信息数据。通过随机抽样问卷调查，开展面对面访谈获取调查数据。共获取有效问卷85份。其中农区有效问卷34份，牧区有效问卷51份。调查内容分为四部分：家庭成员的基本情况，家庭生产状况，家庭消费状况和家庭的消费观念与意愿。对被调查者的性别，年龄，文化和职业等社会经济特征进行统计分析；收集了2001年-2010年内蒙古地区的社会经济统计年鉴数据。提取其中的农牧业生产，人口和教育等数据作为模型的参考数据；收集了2010年土地利用地理信息数据，作为模型运行起始年的土地利用初始化状态。

2.3数据分析

2.3.1农牧户主体及其分布

按农牧户家庭人口数分类，调查数据分类如表1、表2所示。按农牧户家庭人口的年龄分类，调查数据人口年龄分布如表2所示。模型中的农牧户主体的构成和分布以调查数据中农牧户的人口数及年龄为参考，依据调查数据的分布状况生成。

2.3.2农牧户家庭成员主体职业状态

根据问卷调查数据,农牧户家庭成员职业状态分布如表3所示。

3生态系统服务消耗多主体模型架构

模型总体架构由五部分构成，分别是模型初始化、agents决策、空间环境、总体控制和可视化输出等。各部分之间的联系如图2所示。模型初始化部分是将所需的调查数据、统计数据和地理数据按一定格式与顺序倒入模型，并作为模型启动的条件和初始状态；Agents决策部分是模型的核心，Agents根据自身条件、周围环境及相邻Agents的表现按照既定的规则作出生产经营活动和消费活动的决策，在生态系统服务消耗多主体模型中主要是生态系统服务供给决策和生态系统服务消耗决策；空间环境是Agents运行的虚拟环境，它与Agents相互作用；总体控制部分用于控制Agents执行的调度、Agents的状态改变、Agents决策后的一系列参数计算及空间环境变化的控制；可视化输出部分用于完成模型运行结果的采集、统计、分析和可视化输出功能。